ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Аккредитованные лаборатории санэпиднадзора включены в систему оценки качества жизнедеятельности человека и в этой связи решают задачи исследования состава поверхностных вод, контроля безопасности пищевых продуктов, окружающей среды. Настоящая работа посвящена комплексному решению сложной проблемы мониторинга экосистемы крупного водотока Западной Сибири в условиях техногенеза. Все города Западной Сибири используют для водоснабжения природные поверхностные воды реки Оби и ее притоков, что делает работу особенно актуальной. Практические результаты работы могут быть применены для систематизации и оценки экологической ситуации в других промышленных центрах. Разработка информационного обеспечения санитарно-гигиенических исследований является важной составляющей частью экологического мониторинга как водотока, так и питьевой воды, пищевых продуктов, т.е. показателей качества среды обитания человека. Внедрение-ее в производственную практику лабораторий санэпидслужбы позволяет использовать накопленные данные для решения как локальных, так и региональных задач экологической оценки, учитывает внутреннее административное деление, особенности водопользования и водоснабжения, повышает эффективность экологических оценок качества объектов природной среды и продукции, потребляемой человеком.
Целью диссертационной работы является создание информационного обеспечения химико-аналитического мониторинга реки Оби в области влияния города Барнаула для оценки антропогенного воздействия урбанизированной территории на состояние водотока.
Задачи исследования: 1. Разработать универсальную информационную систему регистрации и
анализа данных химико-аналитических и радиологических
лабораторных исследований пищевой продукции, питьевой воды и
воды открытых водоемов.
5
2. Адаптировать разработанную систему для подготовки данных в существующую систему П-го этапа социально - гигиенического мониторинга субъектов РФ в части контаминации пищевой продукции и продовольственного сырья.
3.Применить созданную информационную систему к оценке качества и безопасности для населения различных видов продовольственного сырья и пищевой продукции, питьевой воды, и воды открытых водоемов, а также к определению степени загрязненности территории водосбора.
4. Используя результаты химико-аналитического мониторинга снежного покрова на территории г. Барнаула, базу данных лабораторных исследований р. Оби в области влияния города, модель «накопление -смыв» для урбанизированной территории, оценить антропогенную нагрузку на водоток.
На защиту выносятся:
1. Информационная система химико-аналитического мониторинга пищевой продукции и продовольственного сырья, питьевой воды и воды открытых водоемов.
2. Результаты экологического мониторинга реки Оби в области влияния г. Барнаула: питьевой воды из поверхностного и подземных водоисточников; пищевой растениеводческой продукции и сельскохозяйственного сырья, выращенных на территории водосбора.
3.Оценка антропогенной нагрузки на реку Обь в области влияния урбанизированной территории с использованием информационной системы регистрации и анализа данных лабораторных химико-аналитических и радиологических исследований пищевой продукции, питьевой воды и воды открытых водоемов.
4. Эмпирическая модель формирования химической нагрузки на водоток в период снегового паводка.
Научная новизна диссертационной работы.
Впервые разработано оригинальное программное обеспечение химико-аналитического мониторинга, отличающееся от аналогов удобством интерфейса, универсальностью атрибутов объектов экологического надзора, возможностью экспорта информации в другие программные системы аналитического контроля.
Впервые разработанное программное обеспечение химико-аналитического мониторинга и концептуальная модель «накопление - смыв» в период снегового паводка применены для оценки антропогенного влияния урбанизированной территории на крупный водоток Западной Сибири
Впервые с помощью модели «накопление - смыв» получены количественные оценки модуля снегового стока тяжелых металлов и их вклада в речной сток в замыкающем створе экологического мониторинга.
Практическая значимость работы.
На базе санитарно-гигиенической лаборатории Центра Госсанэпиднадзора в г. Барнауле разработана и внедрена объединенная система регистрации и анализа данных лабораторных физико-химических и радиологических исследований пищевой продукции («СГЛ 1»), питьевой воды и воды открытых водоемов («СГЛ 2»). Программа позволяет вносить данные лабораторных исследований по г. Барнаулу, которые проводятся санитарно-гигиеническими лабораториями центров Госсанэпиднадзора в г. Барнауле и по Алтайскому краю. Введенные данные могут использоваться в рамках системы И-го этапа социально-гигиенического мониторинга регионов РФ, применяться для оценок экологической безопасности территории, качества и безопасности пищевой продукции, трудовых затрат лабораторий. На программные продукты «СГЛ 1» и «СГЛ 2» получены свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Апробация работы
Материалы работы докладывались на конференциях:
V научно-практическая конференция студентов, аспирантов вузов, молодых ученых г. Барнаула «Молодежь - Барнаулу» (Барнаул, 2003); III Международная научная конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2003); Всероссийская научно-практическая конференция «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2003); Региональная научно-практическая конференция «Гуманизация производственной среды и экология человека» (Барнаул, 2004); VII Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока -2004» (Новосибирск, 2004); Международная научно-практическая конференция «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)» (Томск, 2004);
Публикации по теме диссертационной работы.
Основные результаты диссертации изложены в 14 работах, опубликованных в научных журналах, сборниках материалов конференций, патентах.
ГЛАВА 1 ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
1.1. Объекты экологического мониторинга 1.1.1. Природные поверхностные воды
Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения в настоящее время не может гарантировать требуемого качества питьевой воды, а в ряде регионов (Южный Урал, Кузбасс, некоторые территории Севера) это состояние достигло опасного уровня для здоровья человека (в ряде случаев более 10-ти предельно - допустимых концентраций (ПДК)). Служба санитарно-эпидемиологического надзора постоянно отмечают высокое загрязнение поверхностных вод [1].
Около 1/3 всей массы загрязняющих веществ поступает в водоисточники с поверхностным и ливневым стоком с территорий санитарно неблагоустроенных мест, сельскохозяйственных объектов и угодий, что влияет на сезонное, в период весеннего паводка, ухудшение качества питьевой воды, ежегодно отмечаемое в крупных городах. В связи с этим проводят гиперхлорирование воды, что небезопасно для здоровья населения в связи с образованием хлорорганических соединений.
Наиболее распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются фенолы, легко окисляемые органические вещества, тяжелые металлы (ТМ), а в отдельных регионах страны — аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан, формальдегид и др. Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностным стоком с прилегающих территорий [2].
Так, например высокий уровень содержания полиароматических углеводородов (ПАУ) в снежном покрове вблизи промышленных центров превышающий в талой воде предельно - допустимые концентрации для воды водоемов рыбохозяйственного назначения (ПДКрв) на один - два порядка свидетельствует о высоком содержании их в атмосферном воздухе и затем, во время снегового паводка поступлении в реку из антропогенных источников [3].
Река Алей является левым притоком р. Оби выше по течению г. Барнаула. Бассейн реки Алей - наиболее развитая в сельскохозяйственном отношении территория края. Воду из реки используют для водоснабжения города Рубцовска, а вместе с водами р. Оби она попадает на водозаборы г. Барнаула. Исследования воды реки Алей в среднем ее течении указывают на заметное загрязнение ее марганцем, свинцом и цинком [4]. Судя по коэффициентам вариации, характеризующим пространственно - временную изменчивость содержания ТМ в реке, загрязнение марганцем и, в большей степени цинком, достаточно однородно по длине изученного участка реки и устойчиво во времени. Среднее значение концентрации марганца превышает предельно допустимую концентрацию ПДКрв практически в 2 раза. По-видимому, это обусловлено общей геохимической обстановкой региона. Высокое значение коэффициента вариации (185%) указывает на наличие локальных источников загрязнения. Локальные значения концентрации свинца (до 50,6 мкг/л) превышали не только нормативное значение ПДКрв., но и значения ПДК для водоемов хозяйственно - питьевого и культурно — бытового водопользования (ПДКВ). Средние значения (18,1 мкг/л) [4] превышают фоновые значения (фон - 0,1-10 мкг/л [5]).
Содержание других ТМ (ртуть, кадмий, железо, кобальт, хром, никель) в среднем течении реки Алей находится на уровне фонового [6]. 1.1.2. Почва и подстилающая поверхность
Пути поступления токсикантов, среди которых особое место занимают ТМ из почвы к человеку наглядно показаны на рисунке 1.1 [7].
10
Главный и наиболее короткий путь: почва - растительные продукты -человек. Загрязняющие почву токсиканты, фильтруясь, поступают в подземные и дренажные воды, откуда через поверхностный сток в открытые водоемы. В то время как при переходе от звена к звену в наземной кормовой цепи (например от травы к мышечной ткани, от травы к молоку, яйцам) уровень содержания загрязнителя уменьшается (иногда в несколько десятков раз), в водной трофической цепи (например, вода - планктон, вода -планктон - растительноядные рыбы и т.п.) он возрастает, причем иногда на несколько порядков. Это объясняют тем, что гидробионты не только лишены механизма, защищающего их от накопления токсикантов, но и энергично их аккумулируют [8].
Почва Атмосферный w Респирация
у
к.
г г
Растения Пища Человек
W к.
г
w
Животные ----------->
t L
---------> Подземные воды -----------> Питьевая вода
1 к
W
Открытые водоемы ----------->
к i
Гидробионты Пища
Рисунок 1.1. Пути миграции токсикантов к человеку
Приоритетными элементами - загрязнителями для почв бассейна верхней Оби являются кадмий, свинец, медь, никель [9,10]. По данным [11], фоновое содержание ТМ в верхних гумусовых горизонтах почв Алтайского края составляет для РЬ - 16,0; Cd - 0,20; Сг - 69,0; Ni - 29,8; Zn - 72,0; Си -22,6; Со - 8,0; Hg - 0,012 мг/кг. Вместе с тем, в конкретных условиях содержание кадмия в почвах может превышать его фоновый уровень в 1,2 -
11
14 раз [10]. Содержание меди в почвах г. Барнаула выше фонового в среднем 2,1 - 4,2 раза. Отмечено превышение ПДК по содержанию меди в почвах, прилегающих к промышленным объектам. Содержание меди в луговых почвах поймы реки Оби не превышает ПДК, но более, чем в 2 раза выше уровня регионального фона. Среднее содержание никеля в почвообразующих породах Алтайского края составляет 34,9 мг/кг, при существенных колебаниях - от 6 до 68 мг/кг; гумусовые горизонты почв Алтайского края содержат никеля в среднем 36,5 мг/кг [11]. Содержание свинца в почвах, прилегающих к точечным загрязнителям: ТЭЦ (в пределах 400 м), автомобильные трассы (100 м от дороги), площадки протравливания зерна ядохимикатами) - от 17 до 40 мг/кг [9], содержание свинца в отдельных случаях превышает ПДК в 1,5-3 раза.
Основная часть ТМ в незагрязненных почвах представлена труднорастворимыми соединениями элементов с минеральной частью почвы, исключение составляет свинец, содержание подвижных форм которого достигают 45 % от общего количества элемента. На изменение как валового содержания элементов, так и форм входящих в различные фракции оказывает влияние орошение, при котором идет изменение гидрологической и геохимической обстановки в почве, нарушается кальциевый обмен, усиливается процесс дегумификации [11].
Сравнительный анализ содержания форм ТМ в черноземах поверхности водосбора верхней Оби (территория Алтайского края) показывает, что на распределение изучаемых элементов по почвенному профилю оказывают влияние: физико-химические свойства почвы; количество гумуса; гранулометрический состав; а также орошение, которое непосредственно влияет на окислительно-восстановительные условия в почве, повышая содержание подвижных форм ТМ [11]. Исследования пространственного распределения ТМ по территории Алтайского края позволяют по показателю суммарного загрязнения выделить как наиболее «чистые» (Косихинский, Угловский), так и наиболее «грязные» (Курьинский,
12
Змеиногорский) экорегионы. Повышенное содержание ТМ в почвах зоны черноземов предгорных равнин, предгорий и низкогорий Алтая объясняют влиянием ореолов рассеяния металлов полиметаллических месторождений и рудопроявлений Рудного Алтая (Корболихинское колчеданно-полиметаллическое месторождение, Степное, Золотушинское, Ново-Золотушинское, Орловское цинково-медное колчеданное месторождения) [12]. Фоновое содержание меди, кобальта, хрома, никеля в черноземах Новосибирского Приобья выше на 10-30 %, чем аналогичных почв сельскохозяйственного назначения Алтайского края, однако валовое содержание свинца, цинка совпадает для этих регионов. Фон для Новосибирского Приобья по кадмию вдвое меньше (0,10 мг/кг) [13], что соответствует среднему уровню содержания его в земной коре 0,13 мг/кг [14].
1.1.3. Сельхозпродукция и продовольственное сырье
Наиболее стабильными из токсикантов, загрязнителей сельхозпродукции являются ТМ и их химические соединения. Их содержание выбрали в качестве одного из важнейших показателей безопасности, и используют в мониторинговых исследованиях.
В пищевых продуктах и продовольственном сырье согласно гигиеническим требованиям безопасности [15] контролируют следующие ТМ:
Кадмий не относят к биомикроэлементам. Опасность загрязнения им возникла лишь в последние 3-4 десятилетия в связи с возрастающим применением в атомной и ракетной технике, автоматике, производстве специальных сплавов, щелочных аккумуляторов, полимеров (в качестве стабилизатора), антикоррозионных покрытий и др. Кадмий считается одним из наиболее опасных загрязнителей пищи [7].
В нормальных геохимических провинциях содержание кадмия в растительной продукции варьирует от единиц до десятков мкг/кг, редко достигая величин 100-180 мг/кг [16]. В ФРГ в большинстве исследованных
13
растительных продуктов концентрация кадмия составляет 30-60 мг/кг [17]. В отдельных продуктах США и ряде других развитых стран были обнаружены следующие содержания кадмия (мкг/кг): в зерновых - 28-95, в горохе - 15-19, в фасоли - 15-50, в картофеле - 12-50, в капусте - 2-26, в помидорах - 10-30, во фруктах - 9-42, в растительном масле - 10-50, в сахаре 5-31, в грибах -100-500 [16]. Высокие концентрации кадмия (иногда до 5000 мкг/кг) наблюдались у морских ракообразных и в приготовленных из них консервах, что связано с концентрированием кадмия в хитиновом панцире этих гидробионтов [18] в виде соединений с хитозаном.
Мышьяк по обобщенным данным отечественных исследователей из растительных продуктов наименьшее количество мышьяка содержат в овощи и фрукты (0,01-0,2 мг/кг), несколько больше его в зерновых (0,006-1,2 мг/кг). В говядине и свинине содержание мышьяка 0,005-0,05 мг/кг, в печени до 2 мг/кг, в яйцах - 0,003-0,03 мг/кг. В коровьем молоке и кисломолочных продуктах содержание 0,005-0,01, иногда до 0,1 мг/кг, в твороге - 0,003-0,03 мг/кг, иногда до 0,25 мг/кг [7]. Эти данные соответствуют гипотезе [19] о том, что фоновый уровень мышьяка в продуктах питания из нормальных геохимических провинций менее 0,5 мг/кг и редко превышает 1 мг/кг.
Большой интерес представляет содержание мышьяка в гидробионтах. Водоросли и планктон, концентрируют его до 140 мг/кг сухой массы [19]. По данным исследователей [20], наименьшая концентрация мышьяка - (0,2-0,5 мг/кг) обнаружена в пресноводных рыбах. Выше содержание мышьяка было в пеларгических рыбах океана (сельдь, лосось, тунец и др.), наибольшая концентрация определялась в морской придонной рыбе (треска, палтус, камбала и др.), причем самая высокая (более 18,3 мг/кг) - в тех районах обитания рыб, где влияли естественные геологические источники мышьяка. Исследования [21] подчеркивают, что различные виды рыб усваивают различные органические формы мышьяка в виде мышьяковистых фосфолипидов, триметиларсония, бетаина.
Ртуть не входит в число эссенциальных микроэлементов. Ртуть и ее
14
соединения, особенно органические, относят к опаснейшим высокотоксичным веществам, аккумулирующимся в организме человека, персистентным в окружающей среде. В незагрязненных открытых водоемах фоновое содержание ртути составляет 0,01-0,1 мкг/л [7]. В речных водах Швеции, в местах промышленных выбросов было обнаружено 40-510 мкг/л ртути, Японии - 80-100 мкг/л, Югославии - 100-1300 мкг/л и более [16]. Значительное количество соединений ртути поступает в донные отложения, где депонируется на десятки лет. Здесь под действием микроорганизмов ртутные соединения постепенно превращаются в органические (метилртуть) хорошо растворимые соединения, вторично загрязняющие воду и легко включаемые в пищевые цепи.
В современном рыбном хозяйстве наибольшее значение имеет лов морских гидробионтов. Концентрация ртути в незагрязненных водах открытого океана (фоновая концентрация) составляет в среднем 0,02-0,03 мкг/л [22]. В воде залива Минамата (Япония) содержалось ртути от 80 до 660 мкг/л, а в рыбе из этого залива, вызвавшей массовые ртутные отравления -8000-30000 мкг/кг [17]. В мышцах рыб, выловленных из незагрязненных пресных водоемов, уровень содержания ртути обычно выше, чем у наземных животных, и варьирует от 20 до 600 мкг/кг.
Значительное число исследований, проведенных в районах с нормальным геохимическим фоном по ртути, показало, что её фоновое содержание в съедобных частях сельскохозяйственных культур часто составляет от 2 до 20 мкг/кг. Больше, чем в растениях содержание ртути в шляпочных грибах (от 6 до 447 мкг/кг, в среднем 129 мкг/кг). В отличие от растений, в грибах может быть синтезирована метилртуть, причем ее процент от общего содержания ртути варьирует от 2 до 28 . Если при варке рыбы и мяса концентрация ртути в них снижается, то при аналогичной обработке шампиньонов остается без изменений. Это различие объясняют тем, что в грибах ртуть связана с аминогруппами азотсодержащих соединений, а в рыбе и мясе - с серосодержащими аминокислотами [16].
15
Содержание свинца в продуктах питания наземного происхождения невелико (0,01-1 мг/кг), различно в разных регионах нашей планеты и в среднем составляет 0,2 мг/кг. Эту величину обычно используют эксперты международной организации ООН по продовольствию и сельскому хозяйству - Food and Agricultural Organization (FAO / ФАО) в своих расчетах и прогнозах [23]. По данным исследований [16], отдельные группы продуктов содержат следующие средние количества свинца (мг/кг): фрукты -0,1 (от 0,01 до 0,6), овощи - 0,19 (от 0,02 до 1,6), крупы - 0,21 (от 0,03 до 3), хлебобулочные изделия - 0,16 (от 0,01 до 0,82), мясо и рыба - 0,16 (от 0,01 до 0,78), молоко - 0,027 (от 0,01 до 0,1). Растения, выросшие на почвах, загрязненных свинцом, вблизи предприятий или автострад, богаче этим элементом; овощи злаки содержат свинца как минимум 0,2 мг/кг, часто до 1 мг/кг и более [24]. Значительное количество свинца обнаруживалось в чае -до 43 мг/кг.
Уровень свинца в водных организмах в значительной степени зависит от его содержания в воде. При фоновой концентрации свинца в воде его содержание в мышцах рыб не превышает 0,1 мг/кг, а в костной ткани в 4-10 раз больше. Так, в рыбах выловленных из разных крупных рек России обнаруживали свинца 0,01-0,07 мг/кг. В рыбах из Балтийского моря концентрация свинца колебалась от 0,9 до 1,7 мг/кг, в рыбах из прибрежной зоны Англии и Шотландии - от 0,5 до 5,5 мг/кг. Очевидно, это обусловлено сильным загрязнением прибрежных вод промышленными стоками. В мышцах тунцовых и других рыб выловленных в открытом океане концентрация свинца была менее 0,01 мг/кг [7].
Обобщенные данные содержания ТМ в некоторых видах сельскохозяйственной продукции приведены в таблице 1.1.
16
Таблица 1.1
Среднее содержание ТМ и эссенциальных микроэлементов в продукции
сельского хозяйства
Продукты Медь, мг/кг Цинк, мг/кг Свинец, мг/кг Кадмий, мг/кг Железо, мг/кг
хлеб 1,1 6,3 - - -
мука 1,9 9,9 - - -
картофель 1,2* 3,1* 0,06* 0,020* 10*
огурцы 1,0 3,2 - - -
томаты 1,1 2,0 - - -
капуста 0,5 2,6 0,12 - -
морковь 1,2* 1,8* 0,06* 0,014* 10*
лук 0,5 2,7 0,21 - -
свекла 1,1* 4,2* 0,09* 0,012* 10*
мясо 1,8 32,4 0,40 - -
молоко 0,7 4,0 0,06 - -
18- Данные для Рубцовского района Алтайского края [25].
1.1.4. Гидробионты
Интерес к содержанию ТМ в гидробионтах водоемов Западной Сибири резко возрос сравнительно недавно и связан с увеличением антропогенной нагрузки на водоемы этого региона, нарушающей естественный круговорот химических элементов в биосфере [26]. Последние, в свою очередь, оказывают определенное влияние на состав и протекание биохимических реакций в живых организмах [27]. По степени эмбриотоксичности и тератогенного действия на рыб ртуть занимает одно из первых мест среди других ТМ [28]. Исследования содержания ртути в органах и тканях отдельных видов рыб Верхней и Средней Оби показали, что в наибольших концентрациях ртуть накапливается в органах и тканях хищных рыб, что объясняют миграцией этого элемента по пищевым цепям. Для мирных рыб отмечена тенденция максимального накопления ртути в сердце,
17 |
