Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Тяжелые металлы (ТМ) в почвах, растениях, животных 10
1.2. Агротехнические и агрохимические мероприятия по ограничению миграции ТМ из почвы в растения
1.3. Уменьшение токсического действия ТМ в организме животных
1.4. Анализ литературного обзора 32
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 36
2.1. Характеристика некоторых экологических условий района проведения исследований 36
2.2. Почвы как объект исследований 38
2.3. Растения как объект исследования 41
2.4. Животные как объект исследования 50
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 52
3.1. Действие доз свинца, кадмия и детокснканта на величину урожая зеленой массы и семян рапса 52
3.2. Влияние доз свинца, кадмия и детокснканта на концентрацию тяжелых металлов в зеленной массе и семенах рапса, качество растительной продукции
3.3. Изменение концентрации подвижных форм тяжелых металлов в загрязненных почвах при применении детокснканта
3.4. Поступление тяжелых металлов с кормами в рационе питания коров и содержание тяжелых металлов в мясной продукции Влияние Pb и Cd на гематологические и биохимические показатели крупного рогатого скота
Содержание тяжелых металлов в молочной продукции 77
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 83
ИССЛЕДОВАНИЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 93
ВЫВОДЫ 95
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 97
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 98
ПРИЛОЖЕНИЕ 117
- Тяжелые металлы (ТМ) в почвах, растениях, животных
- Характеристика некоторых экологических условий района проведения исследований
- Действие доз свинца, кадмия и детокснканта на величину урожая зеленой массы и семян рапса
Введение к работе
Актуальность исследования. Выбросы и отходы промышленных предприятий (металлургии, машиностроения, энергетики, горнорудной промышленности), агрохимикаты (минеральные и органические удобрения, пестициды, гербициды) служат основными загрязнителями атмосферы и гидросферы, почв и растений вредными веществами в количествах превышающих санитарно-гигиенические нормативы (ПДК, ОДК, ДОК и т.д.). Большой экологический ущерб наносят также автотранспорт, свалки и прочие. Поэтому защита окружающей среды и пищевой цепи от загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) является актуальной экологической проблемой. Важность данной проблемы для производства и переработки сельскохозяйственной продукции заключается в том, что накопление ТМ в возделываемых культурах может стать причиной контаминации продуктов питания.
Во всем мире уделяется большое внимание защите внешней среды обитания и внутренней среды человека от возрастающего действия химических веществ (в частности ТМ и растворимых форм их токсических соединений) антропогенного и природного характера При этом определение микроконцентраций токсикантов считается важной задачей, как в научном, так и в практическом отношении. Контроль и оценка возможного влияния ТМ на организм необходимы, а актуальность этой проблемы в настоящее время очевидна, поскольку для ТМ в принципе не существует механизмов природного самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения. Включаясь во все типы миграций и биологический круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред (питьевой воды, воздуха) и пищевых продуктов.
Среди ТМ наиболее опасными загрязнителями считаются Hg, Pb, Cd, Zn, главным образом потому, что их техногенное накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к
5 физиологически важным органическим соединениям и способна
инактивировать последние. Их избыточное поступление в организм живых
существ нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В
сельском хозяйстве это выражается в снижении выхода продукции и
ухудшении её качества.
Поскольку ТМ поступают в организм человека и травоядных животных в основном с растительной пищей, а обогащение последней происходит главным образом из почвы, почвенно-агрохимические исследования на техногенно загрязненных территориях приобретают важное значение в местах, где население питается в течение многих лет преимущественно продуктами растениеводства.
Почвы являются одним из первых звеньев в биогеохимической пищевой цепи и начальным этапом миграции ТМ в системе: почва-растение-животное-продукт питания-человек. Поэтому, при экологических исследованиях изучению способности почв инактивировать поступающие в них подвижные формы тяжелых металлов и приемов и методов регулирования и контроля потока токсикантов из почвы в растения уделяется особое внимание.
В эпоху научно-технического прогресса негативное антропогенное воздействие на окружающую среду становится все более интенсивным и масштабным. В ряду загрязнителей биосферы ТМ представляют особую опасность из-за высокой экотоксичности, кумулятивности, синергизма и при комбинированном действии с другими агентами различной природы. Загрязнение ТМ объектов биосферы (воздуха, воды, почвы) является причиной накопления их в пищевом сырье растительного и животного происхождения, в количествах, порой превышающих санитарно-гигиенические нормы [29, 133, 207].
Результаты мониторинга, проведенного Государственным комитетом санитарно-эпидемиологического надзора, совместно с Институтом питания РАМН, в период с 1988 по 1993 гг., свидетельствует о том, что в целом по
России в 0,8-4% изученных проб пищевых продуктов наблюдалось превышение содержания ТМ, в том числе по свинцу и кадмию. По сравнению с 1994 г. в 1998 г. возрос процент нестандартных проб пищевого сырья и продуктов питания, загрязненных кадмием и свинцом с 1 до 1,5% по всей группе продукции.
В Западной Сибири в результате антропогенного воздействии на почвы сформировались биогеохимические районы со значительным отклонением от нормы в содержании многих химических элементов в местных пищевых цепочках. Это отрицательно сказалось на здоровье животных и человека.
В последние годы Алтайский край подвергался значительным техногенным и антропогенным нагрузкам. Значительная территория края имеет повышенное содержание в объектах биосферы токсических веществ в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации. Такая степень загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как ТМ нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространенное автомобильное топливо— бензин — содержит очень ядовитое соединение — тетраэтилсвннец, содержащее ТМ свинец который попадает в почву. Из других ТМ, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Cd (кадмий), Си (медь), Сг (хром), Ni (никель), Со (кобальт), Hg (ртуть), As (мышьяк), Мп (марганец) [49, 50, 56, 63,99].
Накопление ТМ в почвах отрицательно сказывается на получении экологически безопасных сельхозпродуктов. Поэтому решение задачи обеспечения населения экологически безопасными мясомолочными продуктами от крупного рогатого скота имеет исключительно важное биологическое и социальное значение [3, 150, 186].
Однако до сих пор нет четких данных о степени перехода токсических веществ из почвы в растения, из кормов в организм животных и животноводческую продукцию. Достаточно спорным и не до конца изученным
7 остается вопрос о месте накапливания токсикоэлементов в организме
животных. Поэтому разработка системы стабильного получения экологически
безопасной растительной и животноводческой продукции, является актуальной.
Цель исследования. Изучение процесса ограничения миграции ТМ (свинца и кадмия) в системе «почва — растение - животное» для получения экологически безопасной растительной и животноводческой продукции.
Задачи исследования:
1. Изучить действие и последействие внесенных в почву разных доз ТМ и
детоксиканта на величину урожая рапса.
2. Оценить действие и последействие внесенных в почвы доз ТМ и
детоксиканта на концентрацию загрязнителей в вегетативной массе и семенах
рапса.
Определить изменение во времени концентрации подвижной формы ТМ в почве при разных уровнях ее загрязнения и различных дозах детоксиканта.
Определить содержание ТМ (свинца и кадмия) в мясной продукции (мясо, сердце, почки, печень), изучить детоксицирующее действие семян рапса.
Провести биохимические, гематологические исследования крупного рогатого скота при повышенном содержании ТМ в рационе при использовании детоксиканта.
Определить степень влияния ТМ, детоксиканта на продуктивность крупного рогатого скота и качество молока.
Научная новизна. Впервые дано научное обоснование использования гуминового препарата «Гумат-80» как детоксиканта ТМ (свинца и кадмия) в системе «почва - растение». Выявлено, что использование семян рапса в кормах уменьшает аккумуляцию ТМ в организме животных (крупного рогатого скота).
Практическая значимость. Предложены научно-обоснованные способы детоксикации ТМ в системе «почва — растение — животное». Доказано, что гуминовый препарат «Гумат-80» уменьшает подвижность ТМ, свинца на 12-
8 22%, кадмия на 11-32% и переход их в кормовую культуру - рапс. При
использовании семян рапса ярового (100 граммов в сутки на одну голову) в
рационе крупного рогатого скота в мышечной ткани животных уменьшается
аккумуляция свинца на 34,6 %, кадмия на 50,0 % и в молоке - свинца на 36,3 %,
кадмия на 36,4 %.
Материалы диссертации используются при чтении лекций для студентов агрономического, зооинженерного факультетов, факультета ветеринарной медицины Новосибирского государственного аграрного университета и других сельскохозяйственных вузов Западной Сибири по курсам: «Агроэкология», «Экология животных», «Нормативы по защите окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены на 2-й, 3-й, 4-й Международных научно-практической конференциях «Пища. Экология. Качество» (Новосибирск, 2002; 2003; 2004), 4-й Российской биогеохимической школе «Геохимическая эюлогия и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003), 1-й научно-практической конференции с международным участием «Биоэлементы» (Оренбург, 2004), 3-й Международной конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы — биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004). "
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация выполнена на 120 страницах, включает 22 таблицы и 9 рисунков. Состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследований, результатов исследований, обсуждения, заключения, выводов и предложений. Список литературы включает 230 наименований, в том числе 68- на иностранных языках.
9 Положения, выносимые на защиту:
1. Влияние различных доз гуминового детоксиканта на концентрацию ТМ
в рапсе, его урожайность, концентрацию подвижных форм ТМ.в почве.
Научное обоснование использования семян рапса для уменьшения токсического влияния свинца и кадмия.
Получение экологически безопасной продукции в системе «почва -растение - животное» путем детоксикации токсических элементов.
Тяжелые металлы (ТМ) в почвах, растениях, животных
Почва - объект среды обитания, дающий более 90% продовольственного сырья, предназначенного для производства пищевой продукции. Для ТМ почва является емким акцептором. Они прочно сорбируются почвенным гумусом, что приводит к их накоплению в почве. В отличие от воздуха и воды, в которых естественно протекают и процессы самоочищения, почва обладает этим свойством в незначительной мере [44, 129, 131].
В почву ТМ могут попадать из атмосферы в виде аэрозолей, входящих в состав выбросов промышленных предприятий, а также с дождем, снегом, с оросительной водой. Сведения по содержанию ТМ в почве имеются в работах многих авторов [5, 59, 115]. Максимальное их содержание в почвах наблюдается преимущественно в радиусе 1 — 5 км от источников загрязнения. Существенным источником загрязнения почв Cd, Pb, Ni, Fe, Cu, Zn, Hg и другими могут быть предприятия цветной и черной метатлургии. В загрязненных почвах глубина проникновения тяжелых металлов обычно менее 0,2 м, а при сильном загрязнении до 1,6 м [70]. Равномерное распределение металлических загрязнений характерно, как правило, для почв, расположенных вне зоны влияния источника загрязнения. При промывном режиме и кислой реакции фильтруемых растворов возможны -миграция ТМ по профилю и попадание их в грунтовые воды [1].
Уровни содержания ТМ в почвах зависят от окислительно — восстановительных и кислотно - основных свойств последних, водно -теплового режима и геохимического фона территорий. Обычно с увеличением кислотности почв, подвижность элементов возрастает [70]. Исследования показали, что ТМ в почвах содержатся в водорастворимой ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы как правило представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями, которые могут составлять до 99% от общего количества растворимых форм [91].
Валовое содержание ТМ в почвах зависит прежде всего от почвообразующей породы, от ее механической основы [63, 75].
В целом на характер перераспределения ТМ в профиле почв оказывает влияние комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав почв, реакция среды, буферность почв, содержание органического вещества, каткообменнная способность, сумма поглощенных оснований, наличие геохимических барьеров, дренаж, удельная поверхность почв и др. [115].
Поглощение ТМ почвами существенно зависит от реакции среды. Было обнаружено, что в кислой среде преимущественно сорбируются свинец, цинк, медь, в щелочной- кадмий и кобальт [115, 73,81].
Буферные свойства влияют на подвижность ТМ, их доступность растениям способность к миграции. Чем выше буферные (защитные) способности почвы, тем большее количество ТМ они в состоянии переводить в малодоступные растениям и слабомигрирующие соединения. (В.Б. Ильиным разработана шкала буферности по отношению к ТМ [60].
ТМ способны образовывать ложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса он/ менее доступны для поглощения [60, 61, 62]. Металлы адсорбированные гумусом, наиболее активно связываются с карбоксильными и фенольными группами, замещая водород.
Характеристика некоторых экологических условий района проведения исследований
Исследования проводились на землях АОЗТ «Таежный», находящихся на территории Ельцовского района, расположенного в восточной части Алтайского края, западная часть которого охватывает поверхность
Присалаирской (Предсалаирской) равнины, а восточная- низкогорья Салаира. Территория района представляет собой наклонную равнину слаборасчлененную на западе (0,3 км/км ) и сильно расчлененную на востоке (до 2 км/км ). В этом же направлении возрастают отметки её поверхности - с 280-300 до 350-370 м. Рельеф Присалаирской равнины холмисто-увалистый с углами наклона поверхности 3-6 и менее, переходящий в низкогорный рельеф Салаирского кряжа с углами наклона поверхности 3-16 и более. Крупные формы рельефа района ориентированы в соответствии с общей конфигурацией Салаирского кряжа.
Поверхность территории района в основном дренируется рекой Чумыш и её многочисленными притоками с суходольно-балочной сетью. В имеющуюся густую сеть логов стекает значительная часть зимних и летних осадков.
Грунтовые воды на водоразделах залегают глубоко (6-14 м) и не оказывают существенного влияния на формирование почв и развитие растений.
По агроклиматическим показателям район относится к прохладной и увлажненной зоне. Сумма положительных температур здесь находится в пределах 1500-2000С. Среднегодовое количество осадков составляет около 600 мм и колеблется: в засушливые годы - 320-350 мм; хорошо увлаженные - до 600-700 мм. В теплый период года (апрель-октябрь) в среднем выпадает 360-420 мм осадков.
Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 155-170 дней. Период с биологически активными температурами более 10С (вегетационный период)- 100-110 дней. Самым теплым месяцем года является июль, его среднедекадная температура 1&-19С. В целом агроклиматические ресурсы района благоприятны для роста и развития большинства сельскохозяйственных культур, но, прежде всего, кормовых и зерновых.
Растительный покров района исследований отражает его переходное положение между лесостепью и тайгой. В восточной части наиболее широко распространены смешанные леса, с осиной, березой и пихтой. Кустарниковая растительность представлена черемухой, калиной бузиной, акацией. В травяном покрове преобладают злаково-разнотравные ассоциации (тимофеевка луговая, пырей бескорневичщный, костер безостый, ежа сборная, мятлик луговой и другие). Из разнотравья встречаются: щавель конский, хвощ, кровохлебка лекарственная, душица обыкновенная, молочай лозный и другие.
Основными почвообразующими породами, на которых формируются почвы района, являются лессовидные суглинки. Их исходный материал поступал с водами гор Салаира и Алтая, а также был принесен из Кулунды, Казахстана и Средней Азии, преобладающими в Западной Сибири юго-западными ветрами. От горных пород Алтая и Салаира, где имеются полиметаллические месторождения, почвообразующие породы и почвы могли унаследовать повышенное содержание тяжелых метаїлов, в том числе свинца и кадмия. В настоящее время эти элементы могут накапливаться в почвах района в результате применения органических и минеральных удобрений, ядохимикатов, загрязнения промышленными и бытовыми отходами, переноса ветром техногенных выбросов из расположенных на юго-западе промышленных предприятий Барнаула и других промышленных центров.
Для местных лессовидных суглинков характерны: буровато-желтая или белесовато-желтая окраска, наличие карбонатов, в форме псевдомицелий или пропитки, средне- и тяжелосуглинистый гранулометрический состав. Почвообразующие породы слабо уплотненные, реже плотные, непрочно-комковатые или бесструктурные. Содержание пыли в них составляет от 36,2 до63,3 %, а ила от 8,2 до 25,0%. Реакция среды обычно слабощелочная, режещелочная. Карбонаты залегают на глубине 80-120 см.
В почвенный покров района исследований в основном формируют черноземы обыкновенные и выщелоченные, серые лесные почв. Первые в основном сосредоточены на юго-западе района, последние на его северо-востоке. Эти изменения состава почвенного покрова обусловлены разными климатическими условиями формирования почв. В АОЗТ «Таежный», расположенном в центральной части района преобладают черноземы выщелоченные среднемощные среднегумусные, занимающие средние части водоразделов. На южных склонах водоразделов встречаются черноземы обыкновенные, а в логах лугово-черноземные почвы.
Природные особенности и местоположение района обуславливают специфику сложившихся в нем отраслей сельскохозяйственного производства: 1) животноводство, преимущественно мясомолочного направления; 2) растениеводство, в основном направленное на производство кормов и зерна. Поскольку в производстве кормов и семян в районе все шире используется рапс яровой, используемый в пищу животным (зеленый корм и сенаж) и человеку (масло), эта культура выбрана в качестве опытной.
Действие доз свинца, кадмия и детокснканта на величину урожая зеленой массы и семян рапса
Вследствие крайне слабого выноса урожаем содержащихся в почве ТМ время фитомелиорации загрязненных ими почв может растянуться на тысячелетия (Cd) и даже десятки тысяч лет (РЬ). Эти расчеты подтвердили мнение о том, что продолжительность загрязнения почв ТМ может быть очень долгой, практически вечной [66].
Причинами столь длительного периода биологического очищения почв являются избирательное поглощение химических элементов растениями и, по-видимому, малая доступность им ТМ, содержащихся в почве. Это может быть обусловлено нахождением металлов в малодоступных растениям формах химических соединений, в которые переходят водорастворимые соли ТМ, внесенные в почву, и образующиеся при применении детоксиканта Гумат. Поэтому на вариантах с его применением К оса, или по-другому коэффициенты использования внесенных в почву ТМ, ниже, а Твыноса дольше, чем без него.
Для изучения подвижности внесенных в почву ТМ и влияния на нее детоксиканта Гумата и времени их взаимодействия с почвой проводилось в течение всего периода исследований. Химический анализ почвенных проб отобранных на опытных делянках в 2001 году после посева ярового рапса показал следующее. Валовое содержание ТМ в почвах на загрязненных вариантах было близко к расчетному, а на контроле стало выше, чем до закладки опыта и составило: РЬ - 25, Cd — 0,28 мг/кг почвы. Мы объясняем это частичным переносом загрязнителей на контрольный вариант ветром и при обработке почвы.
Определение подвижной в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8 (по методу Крупской-Александрова) формы ТМ в пробах почв отобранных: 1 -после посева опытной культуры; 2 - после уборки урожая; 3 - через год после внесения, показало, что со временем подвижность их снижается (таблица 11). Было отмечено уменьшение подвижности элементов (доли подвижной формы в_ валовом содержании) не только на вариантах с внесением водорастворимых солей свинца и кадмия, но даже и на контроле, частично загрязненном ими.
Статистическая обработка данных анализа почв засвидетельствовала достоверное влияние доз свинца, кадмия и детоксиканта на подвижность загрязнителей в почве. Обнаружено, что после внесения водорастворимых солей свинца и кадмия их подвижность снижается благодаря способности почв инактивировать поступающие в них ТМ, а «Гумат-80» усиливает эту тенденцию. В то же время и через год концентрации подвижной формы свинца и кадмия в почве оставались выше ПДК, что обусловлено их очень высокими дозами.
