Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литий в окружающей среде. Биологическое действие лития (обзор литературы)
1 1. Литий в окружающей среде 8
1 1 1 Литий в почвах и водных источниках 8
1.12 Литий в растениях 10
1.1.3 Литий в организме животных и человека 13
1.1 4. Промышленное применение лития и антропогенные источники его поступления в окружающую среду . ..16
1.2. Биологическое действие лития
1.2.1. Функции лития в организме животных и человека 19
1.2.2 Токсическое действие лития 22
12 3. Применение лития в медицине и животноводстве 25
Глава 2. Район работ. Материалы и методы
2.1 Характеристика почв и климатические условия Приамурья 32
2.2 Район исследования 35
2.3 Материалы и методы . 35
Глава 3. Содержание лития в среде и организмах Среднего Приамурья
3.1 Почвы и водные источники 42
3.2. Растения 45
3.2 .1 Влияние условий среды на уровень содержания лития в гравилате аллепском 49
3.3 Животные . 51
Глава 4 Изучение дозы-эффекта при действии лития на животных
4 Влияние лития на репродукцию белых мышей 58
4.2 Влияние лития на выводимость куриных яиц и качество молодняка.. 62
4.3 Влияние лития на рост и обменные процессы птицы ^ .64
4.4. Влияние лития на организм крупного рогатого скота 72
Выводы 85
Литература 87
Приложения 104
- Литий в почвах и водных источниках
- Характеристика почв и климатические условия Приамурья
- Почвы и водные источники
Введение к работе
Актуальность темы. Литий – щелочной металл. Относится к «новейшим» условно эссенциальным микроэлементам (Авцин и др., 1991). Содержание его в организмах не превышает нескольких мг/кг массы тела, однако элемент проявляет высокую биологическую активность: участвует в регуляции деятельности нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной, репродуктивной, выделительной и иммунной систем (Любимов и др., 1980, 1981; Галенко-Ярошевский и др., 1985, 1986; Крыжановский и др., 1984, 1986; Зурдинов и др., 1989; Султанов, 1999; Кудрин, 2001). У животных дефицит лития приводит к отставанию в росте, рождению слабого или нежизнеспособного потомства (Анке, 1985), развитию гинекологических заболеваний (Преображенский, 2000) и доброкачественных новообразований (Михалёва и др., 2001).
В настоящее время соли лития являются базисными при лечении маниакально-депрессивного психоза и шизофрении, применяются при депрессиях и стрессах (Иовчук, 1980; Любимов и др., 1980; Северный и др., 1984; Яворский и др., 1984; Графова, Данилова, 1985). В качестве вспомогательных средств используются при лечении тиреотоксикоза, ишемической болезни сердца, алкоголизма (Пименов, 1982; Галенко-Ярошевский и др., 1986; Зурдинов и др., 1989). В районах с повышенным содержанием лития в питьевой воде ниже количество сердечно-сосудистых и психических заболеваний (Blachly, 1969; Voors, 1972; Dawson et al., 1972, 1978).
Содержание лития в компонентах среды Дальнего Востока до настоящего времени мало изучено. Имеющиеся данные касаются территорий рудных месторождений (Ивашов, 1991) и свидетельствуют о высоком уровне лития в зоне редкометальных месторождений и резком снижении его концентраций при удалении от них. Исследований, касающихся обеспеченности животных элементом, не проводилось.
Цель работы – оценка уровней содержания лития в среде и организмах Среднего Приамурья (почвы, воды, растения, дикие и сельскохозяйственные животные) и влияния его добавок на рост и физиологические процессы животных.
Задачи исследования:
-
Определить содержание лития в почве сельскохозяйственных угодий и в природных водах Среднего Приамурья.
-
Выявить концентрации лития в растениях, органах и тканях диких и сельскохозяйственных животных Среднего Приамурья.
-
Установить содержание лития в рационах крупного рогатого скота (Bos taurus) черно-пестрой породы в зимний и летний периоды.
-
Определить влияние различных концентраций лития на развитие куриных эмбрионов.
-
Оценить влияние литиевых добавок на рост и физиологические процессы белых мышей, крупного рогатого скота и кур.
Научная новизна
Впервые проведена оценка уровней содержания лития в почвах, водах и растениях Среднего Приамурья. Выявлено пониженное содержание подвижных форм элемента в почве сельскохозяйственных угодий относительно кларковых величин и, как следствие, снижение концентраций элемента в растительных кормах и рационах сельскохозяйственных животных.
Среди местной флоры выделен вид – гравилат аллепский /Geum allepicum/, способный в надземной части содержать лития на порядок величин выше, чем окружающая растительность.
Впервые отмечена способность крупного рогатого скота удерживать и перераспределять литий в организме в ответ на снижение его уровня в рационе.
Дана оценка влияния различных доз лития на рост и физиологические процессы крупного рогатого скота и кур.
Практическая значимость
Выявленные концентрации лития в воде и растениях позволили рассчитать содержание лития в рационах животных. Оценка влияния различных доз лития на физиологические процессы позволяет балансировать рационы по данному микроэлементу по видовым, возрастным и целевым критериям.
Защищаемые положения
Содержание подвижных форм лития в поверхностных слоях почвы сельскохозяйственных угодий Среднего Приамурья ниже кларкового значения и, как следствие, снижен уровень содержания элемента в кормах растительного происхождения и рационах животных. В качестве дополнительного источника лития может быть использована вода из артезианских скважин, имеющая более высокие (на 1 – 2 порядка величин) концентрации элемента. Недостаток лития в рационе животных должен восполняться с учетом биологического оптимума дозами до 1 мг/кг массы тела.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: VI краевой научной конференции молодых ученых и аспирантов (г. Хабаровск, ИВиЭП, 2004); III и IV Казьминских чтениях (п. Восточный, ГНУ ДВ ОТКЗ НИИСХ, 2004, 2005); Дальневосточной научно – практической конференции молодых ученых «Совершенствование форм и методов работы молодых ученых ДВНМЦ РАСХН в организации научного обеспечения Дальнего Востока» (п. Тимирязевский, ПримНИИСХ, 2005); Региональной конференции «Молодые ученые – агропромышленному комплексу Дальневосточного федерального округа» (г. Благовещенск, ДальГАУ, 2005); на заседаниях отдела животноводства и Ученого совета ГНУ ДВ ОТКЗ НИИСХ (п. Восточный, 2004, 2005, 2006) и кафедры экологии ДВГУ (г. Владивосток, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методики исследований, результатов собственных исследований, выводов, списка литературы, включающего 165 источников, в том числе 35 иностранных, и 6 приложений. Работа изложена на 118 страницах, содержит 23 таблицы, 17 рисунков.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ Н.К. Христофоровой, а также глубокую признательность к.с.-х.н., доценту М.Т. Ключникову, к.с.-х.н., с.н.с. Л.И. Наумовой, лаборанту Л.В. Базилевич за техническое оснащение экспериментов, методическую и практическую помощь.
Литий в почвах и водных источниках
В почве литий впервые был найден Р.В Бунзеном в 1873 году ВИ Вернадский обнаружил литий в русских почвах (б. Самарской и Тульской губерний) Исследования по содержанию его в почвах бывшего СССР проведены А П. Виноградовым (1952, 1957), Л.С. Головиной (1964), ТФ Боровик-Романовой, Е.А. Беловой (1974). Согласно их данным, количество лития в почвах колеблется в пределах от 1,0 х 10"3 до 6,0 х 10 3%, при среднем содержании 2,5x1 (Г1 %
Распределение лития по почвенным горизонтам неравномерно. По данным А. П. Виноградова (1957), в большинстве почв наиболее высок уровень лития в гумусовом горизонте. Однако верхние горизонты серых лесных, подзолистых почв, дерново-подзолистых почв тундры обеднены литием, его максимум приходится на более глубокие слои.
Валовое содержание лития в различных почвах зависит от их генезиса, особенностей почвообразовательного процесса, характера материнской породы и составляет от 5 до 90 мг/кг воздушно-сухой массы почвы Для него свойственно концентрирование в кислых магматических породах и осадочных алюмосиликатах Наблюдается ясно выраженная закономерность повышения валового количества лития в почвах при зональном перемещении с севера на юг, что объясняется утяжелением механического состава почвообразующих пород юга и меньшей их выщелоченностью (Власюк, 1969). А Кабата-Пендиас (1995) указывает на существование корреляции между тонкой гранулометрической фракцией почв и содержанием в них лития, считая текстуру минеральной почвы более значительным фактором, чем емкость катионного обмена, насыщенность основаниями, рН, содержание органических веществ и др
При выветривании литий сравнительно легко высвобождается из первичных минералов и попадает в растворы, из которых большая его часть захватывается глинистыми и, в какой-то степени, органическими образованиями. Поэтому содержание лития в почвах контролируется больше условиями почвообразования, нежели его начальным содержанием в материнских породах Содержание подвижных форм лития обычно составляет около 5 % от общего количества Самое низкое содержание лития установлено в органических почвах -1,2-1,6 (Дания, Новая Зеландия), самое высокое - в аллювиальных образованиях - до 120 (США) мг/кг (Michael et al., 1989; Иванов, 1994)
Содержание лития в водных источниках сильно варьирует Так, речные воды содержат его 0,0004 - 0,4 (среднее 0,0036) мг/л, океанические - 0,17 - 0,2 мг/л, озерные - 0,01 - 100 мг/л. Общая масса лития в водах мирового океана составляет 232 900 млн. т. (Добровольский, 1983) Повышенное содержание лития характерно для подземных материковых вод, глубинных вод артезианских бассейнов (среднее 10,2 мг/л), законтурных вод нефтяных месторождений (до 18,3 мг/л), термальных вод современных вулканических областей (7,4 мг/л) Однако в термальных источниках Курильских островов содержание его колеблется от «Не обнаружен» до 2 мг/л. Максимальная концентрация элемента в углекислых подземных водах достигает 320 мг/л., преобладающие формы Li+, LiCl ], L1SO4" (Иванов, Невраев, 1964). Среднее содержание лития в грунтовых водах определено в 14,0 мкг/л и отмечается в областях умеренного климата, минимальные значения фиксируются в областях тропического и субтропического климата (2,2), многолетней мерзлоты (5,03) и в горных районах (6,03) (Бойко, 1969) Д.Г. Флейшман (1982) указывает на низкую концентрацию лития в речных и озерных водах различных регионов бывшего СССР Так, в Карелии и на Кольском полуострове она составляет 0,4 - 0,6; в Ленинградской области - 0,7 - 1,6; в Новгородской - 0,7 - 2,3; в Псковской - 0,6 - 1,7, на Камчатке - 0,1 - 0,3 мкг/л.
В минеральных водах концентрация лития значительно колеблется в зависимости от источника Из 46 описанных источников (Иванов, Невраев, 1964, Солодов и др., 1980) в 22 из них уровень лития не превышал 1 мг/л, в 13 - 3,5 мг/л, и только в 11 данный показатель превысил 5,5 мг/л Наиболее богаты литием минеральные воды «Арима» (Япония) - 55,5 мг/л, Тыретские воды (Иркутская область) - 87 мг/л и «Франтишковы Лазне» (Чехия) - 99,9 мг/л
Характеристика почв и климатические условия Приамурья
Пахотные земли Среднего Приамурья представлены супесчаными, легко-и среднесуглинистыми бурыми лесными, тяжелосуглинистыми и глинистыми буропозолистыми, лугово-бурыми и луговыми глеевыми почвами.
В основных земледельческих районах наиболее распространенными почвами являются буроподзолистые. Мощность их перегнойного горизонта составляет 7-15 см, подзолистого - 25 - 30 см, иллювиального - 70 - 150 см По механическому составу они представлены тяжелыми суглинками, в пониженных местах рельефа - легкими и средними пылевато-иловыми глинами Высокое содержание илистых частиц в пахотном и подпахотном горизонте обусловливает их низкую фильтрационную способность. Почвы имеют очень кислую реакцию среды (рН солевой от 3,8 до 4,2; рН водный - от 5,0 до 5,5, гидролитическая кислотность - от 7 до 12 мг/экв), сумму поглощенных оснований от 8 до 15 мг/экв на 100 г почвы. Степень насыщенности основаниями поглощающего комплекса не более 45 - 60%. Содержание гумуса в пахотном горизонте колеблется от 2,5 до 3,5%.
По плодородию буроподзолистые почвы относятся к средним. Особенностью этой почвы является низкое содержание фосфорной кислоты и обогащен-ность полуторными окислами железа и алюминия (Кофан, 1975, Суржков, 1975).
Нами было проведено изучение содержания лития в буро подзол истых почвах в пределах экспериментального хозяйства ГНУ-ДВ ОТКЗ НИИСХ, расположенного в 12 км к востоку от Хабаровска Преобладающей формой рельефа здесь являются широкие плосковершиниые увалы террасы р. Уссури До освоения почв увалы были покрыты смешанными лесами из дуба, ольхи, черной березы с подлеском из жимолости, лещины и густым приземным разно 33 травно-злаковым покровом. После освоения (в 1958 году) часть почв используются под пашню, на другой заложены многолетние культурные пастбища, основную массу травостоя которых составляют тимофеевка и клевер (4 1).
Морфологическое описание буроподзолистой почвы дается по разрезу, заложенному на пашне в средней части пологого склона увала в 1,5 км к северо-востоку от с. Чистополье. В нижней части увал переходит в затопляемую пойму небольшой реки. А„ - 0-20 см. Темно-серо-коричневый, комковато-порошистый, содержит много пожнивных и корневых остатков, уплотненный, влажный f С А»20-50 см. Серовато-палевый, глинистый, со слабо выраженной слоева-тостью, особенно в верхней его части, граничащей с перегнойным горизонтом, встречаются полуразложившиеся корни древесных растений, влажный
АВ - 50-65 см. Серовато-бежевый, глинистый, слоистый Горизонтальные слои, толщиной 2-3 мм, распадаются на остроребристые структурные отдельности, грани которых покрыты мучнистой присыпкой, придающей им белесоватый оттенок, встречаются единичные корни хвоща, остатки корней древесных культур, плотный, влажный.
Bi - 65-100 см. Серо-коричневый, глинистый, распадается на крупные вертикальные столбики, поверхность которых обильно покрыта мучнистой присыпкой, придающей им белесовато-серый цвет. Столбчатые отдельности распадаются на горизонтальные слои, которые в свою очередь распадаются на ореховато-призматические отдельности; поверхность последних глянцевато-бурая. На поперечном разрезе отдельности имеют пеструю окраску, состоящую из чередующихся желто-оранжевых и белесовых пятнышек; в трещинах и ходах корней отмечается скопление кремнекислоты в виде «белоглазки», плотный, влажный.
В2 100-155 см Оливково-желтый, глинистый, в отличие от предыдущего горизонта не распадается на столбчатые отдельности, слоистый, ореховато-призматический. Грани отдельностей почти темно серого цвета, а на поперечном разрезе мраморно-пестрые: желто-оранжевые пятнышки чередуются с бе 34 лесовыми и черными углеподобными; встречаются отдельные остатки корней древесных пород, плотный, вязкий.
ВС 155-165 см. В отличие от предыдущего горизонта имеет неоднородную окраску, чему, в известной мере, способствуют скопления углистых частичек. Переход к материнской породе четкий.
С 165 см и ниже Почвообразующая порода представляет пестрые по окраске и неоднородные по механическому составу аллювиальные отложения хорошо выраженной горизонтальной слоистостью. Здесь встречаются линзы супесей, ярко-палевого цвета; плиты глины, на поперечном изломе по окраске напоминающие излом чугуна, тронутого ржавчиной, прослойки суглинков ярко- охристого цвета и линзы белых с голубоватым оттенком вязких глин Повсеместно встречаются скопления обуглившихся остатков растений (Басистый, Быковский, 1967; Басистый, 1970).
Химический, в том числе и микроэлементный, состав почв в значительной мере зависит от погодно - климатических условий. В условиях Хабаровского края в зимний период почвы промерзают до двух и более метров Наблюдается перемещение влаги из нижележащих горизонтов в верхние, что отражается на перераспределении в почвенном профиле продуктов выветривания, которые образуются в теплый период времени года
Среднее Приамурье расположено в умеренном подпоясе умеренного пояса с муссонным характером климата Зимний муссон обеспечивает холодную и малоснежную зиму с преобладанием ясной погоды В Хабаровске среднемесячная температура января достигает - 22,7С Снежный покров устанавливается 15 октября - 9 ноября, сходит 6 апреля - 9 мая. Высота его зависит от рельефа местности и наличия растительности, но в основном составляет 20 - 25 см, большая часть его под действием солнечного излучения испаряется или сдувается ветром.
Почвы и водные источники
Загрязнение биосферы металлами стало одной из глобальных проблем современного человечества. Особенно активно происходит их рассеивание в местах добычи, переработки, в промышленно-технических центрах, в том числе в крупных городах. В настоящее время область применения лития весьма широка и продолжает расти. Производство и использование его постоянно возрастают, что ведет к увеличению уровня металла в окружающей среде Повышенное содержание лития отмечают не только в районах вблизи предприятий по производству и переработке лития и его производных, но и в крупных промышленных центрах, лишенных таких производств. Источниками лития здесь служат различные виды транспорта, так как он входит в виде присадок в некоторые виды смазок и топлива Не следует забывать и о высоком уровне лития в углях (Kabata-Pendias, 1995), а значит и о высокой вероятности его рассеивания вблизи ТЭЦ, концентрация лития в золе углей может достигать 500 мг/т (Лу-кашев, Вадковская, 1973).
Для изучения влияния антропогенного воздействия на изменение уровня содержания лития в г. Хабаровске были исследованы образцы гравилата ал-лепского, собранные на газонах наиболее оживленных улицах города, на территории, прилегающей к аэропорту и ТЭЦ № 3, на территории животноводческой фермы.
Содержание лития в гравилате аллепском, произрастающем в различных направлениях от ТЭЦ № 3 и взлетной полосы, значительно варьировало. Менее других содержали его растения, отобранные с территорий, расположенных к югу от объектов, - 6,8 мг/кг сух. массы - от взлетной полосы и 2 мг/кг - от ТЭЦ Растения, отобранные с территорий, расположенных восточнее, содержали наибольшее количество металла - 29,6 и 18,4 мг/кг соответственно. Показатели для других направлений колебались между этими крайними точками
Исследование образцов растений гравилата, произрастающих на газонах оживленных улиц города и прилегающих автотрасс, не выявило зависимости между напряженностью движения и уровнем лития в них. Так, в гравилате, произрастающем на насыпных городских газонах концентрация составлял 2,4 - 4,8 мг/кг. В растениях, собранных с обочин шестикилометрового участка автомобильной трассы, уровни содержания лития изменялись хаотически. Крайними показателями стали величины 3,6 и 17,8 мг/кг.
Гравилат, обладая небольшой корневой системой, аккумулирует литий из ограниченного участка поверхностных слоев почвы и реагирует на небольшие локальные скопления элемента. Об этом свидетельствуют показатели концентраций лития в гравилате, собранном с различных участков территории жи-вотноводческой фермы площадью 1 км , где данные величины колебалась от 1,08 до 84,2 мг/кг. Не исключено, что столь широкая вариабельность обусловлена не только различием уровня лития в почве, но и сочетанием факторов, благоприятствующих его усвоению растениями.
