ВВЕДЕНИЕ
т
^ 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
ILJ
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
6
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 - тетраэтилсвинец, 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.
3. Определить изменение во времени концентрации подвижной формы ТМ в почве при разных уровнях ее загрязнения и различных дозах детоксиканта.
4. Определить содержание ТМ (свинца и кадмия) в мясной продукции (мясо, сердце, почки, печень), изучить детоксицирующее действие семян рапса.
5. Провести биохимические, гематологические исследования крупного рогатого скота при повышенном содержании ТМ в рационе при использовании детоксиканта.
6. 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 экология 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.
2. Научное обоснование использования семян рапса для уменьшения токсического влияния свинца и кадмия.
3. Получение экологически безопасной продукции в системе «почва — растение - животное» путем детоксикации токсических элементов.
10 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Тяжелые металлы в почвах, растениях и 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 н другими могут быть предприятия цветной и черной мета1лургии. 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]. ИсследоваЕШЯ показали, что ТМ в почвах содержатся в водорастворимой ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы как правило представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими
11
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 онН менее доступны для поглощения [60, 61, 62]. Металлы адсорбированные гумусом, наиболее активно связываются с карбоксильными и фенольными группами, замещая водород.
По результатам экспертов X. Кендорф и М. Шнитцер [217], построены следующие ряды активности захвата металлов гуминовыми кислотами в зависимости от рН среды:
рН=2,4 - Hg > Fe > Pb > Cu=Al > Ni > Cr=Zn=Cd=Co=Mn;
pH=3,7 - Fe > Al > pB > Cu > Cr > Cd=Zn=Ni > Co=Mn;
pH=4,7 - Hg=Fe=Pb=Cu=Al=Cr > Cd > Ni=Zn > Co > Mn;
pH=5,8 - Hg=Fe=Pb=Al=Cr=Cu > Cd > Zn > Ni > Co > Mn.
12 Почва служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их
поступление в растения и сопредельные среды. Предельно допустимая концентрация (мг/кг) в почвах для Cd - 5 мг/кг, Си - 25, РЬ - фон + 20, Zn -110мг/кг[135].
Сохранить почву в нативном состоянии в современных условиях практически не-возможно, так как вся поверхность земного шара подвержена техногенному воздействию [9, 225].
Решение проблемы получения экологически безопасной продукции на загрязненных территориях невозможно без учета миграции и аккумуляции ТМ в почвенном профиле. Анализ содержания ТМ в почвах указывает на характерную пространственную и вертикальную неоднородность почв. В горизонтах более тяжелых по механическому составу содержание кадмия выше, чем в почвообразующих породах [6, 38].
Характер распределения свинца по профилю почвы аналогичен распределению органического вещества. Наибольшее количество свинца находится верхнем (15 см) слое почвы. Среднее содержание свинца в земной коре составляет 16 мг/кг [23], концентрация элемента в почвах варьирует в пределах 2-200 мг/кг. В основных типах почв России имеется от 5 до 30 мг/кг свинца [37, 47].
Содержание кадмия в почвах России находится в пределах 0,01-1 мг/кг. Кадмий обладает более высокой, чем свинец, миграционной способностью, он примерно в 100 раз более растворим и следовательно, более подвижен. Почвы одного и того же типа могут различаться по содержанию элемента в 10-50 раз. Причем фоновые уровни концентрации кадмия в почве, как правило, не превышают 0,5 мг/кг, поэтому более высокое её значение свидетельствует об антропогенном загрязнении пахотного слоя почвы [67, 162, 194].
Важную роль в защите растений от избытка поступающих из почвы в корни ТМ выполняет корневая система. Задерживая избыточные ионы, корни
13
тем самым способствуют сохранению в наземных органах невредных
У" (благоприятных) концентраций химических элементов [68,141].
При сильном загрязнении среды обитания поток ТМ становится столь большим, что наблюдается повышенное содержание их не только в вегетативных органах, но и в органах запасания ассимилятов. Растения выглядят угнетенными (хлорозы, некрозы), снижается их продуктивность. Это указывает на нарушение течения метаболических процессов [111]. При очень сильном загрязнении среды обитания растения прекращают развитие, гибнут.
. Накопление ТМ растениями, произрастающими на загрязненных почвах,
в значительной степени зависит от уровня загрязнения последних. Однако сильная прямая корреляция между этими показателями обнаруживается не
• всегда, поскольку поток ТМ из почвы в растения определяется не только валовым содержанием, но и концентрацией в почве их подвижной формы [59, 160,203].
Загрязнение почв кадмием приводит к ухудшению качества растениеводческой продукции. Оно выражается в ухудшении санитарно-гигиенических показателей (из-за контаминации продукции кадмием), снижении ценности белка, уменьшении содержания витаминов и пр. Так, в
* исследованиях с ячменем на дерново-подзолистой почве, загрязненной кадмием (50 мг/кг), сумма всех аминокислот в зерне составила 18,89% (в контроле 17,27%), а сумма незаменимых аминокислот - 4,73% (в контроле 5,6%). Из последних больше всего снизилось содержание лизина, лейцина, изолейцина и метионина. Как считают, кадмий воздействует на фракционный и аминокислотный состав белков опосредованно — через связывание его с аминокислотами (образование комплексов), так и непосредственно — через биохимические процессы [155, 163, 207].
В регионах с сильным загрязнением в продукцию может попадать
w значительное количество кадмия. По нидерландским данным, в зоне
загрязнения кадмием (с содержанием в почве свыше 1 мг/кг) в организм
14
человека с продуктами питания, главным образом с овощами и картофелем,
ежесуточно поступает 85 мкг кадмия (при дополнительной суточной дозе в 60-70 мкг). В более сильно загрязненных зонах (с содержанием кадмия в почве 2,5 мг/кг) поступление этого металла в организм превышает допустимую суточную дозу втрое [58, 161, 196].
Особенности распределения свинца по органам растительного организма: наиболее сильно загрязнены корни, в меньшей степени - листья, совсем мало -зерно [63, 138, 202].
Наибольшее количество свинца в растениях содержится в конце июля -начале августа, так как в период массового цветения трав природных экосистем, с постепенным снижением к осени [135, 193].
Токсичные для растений концентрации ТМ в зависимости от свойств почв могут варьировать в значительной степени. Эти уровни колеблются в 2-5 раз для различных ТМ при выращивании сельскохозяйственных культур и до 30 раз - при производстве кормов. Критические уровни содержания ТМ в растениях и растительных кормах (мг/кг сухого вещества) для свинца- 10-20 (растения), 10-30 (растительные корма); для кадмия: 5-10 (для растений), 0,5-1 (корма) [3,52, 85,93].
Уровень содержания ТМ в почве, при котором происходит снижение продуктивности растений в 5-6 раз, называется токсичным. Токсичный уровень кадмия в почве для пшеницы и сои составляет 2 мг/кг. Рис оказался наиболее устойчивым — угнетался при содержании кадмия в почве, равном 640 мг/кг[26, 46, 194].
Опыты свидетельствуют о наличии трех защитных механизмов (барьеров) на пути проникновения ТМ в растение: на границе почва-корень, корень-стебель, стебель-зерно. Эти закономерности должны быть использованы в системе мероприятий для получения качественной продукции на загрязненных почвах [11, 15,20,94].
15
Состояние здоровья животных, их продуктивность, иммунологический
¦У статус, качество и безопасность продуктов животноводства во многом зависит
от санитарного состояния кормов[146, 153,201, 218].
Вторым по значимости элементом из группы ТМ, после ртути является кадмий. МДУ его в кормах составляет 0,3-0,4 мг/кг. Сравнительное изучение содержания кадмия в кормах из условно благополучного района и зоны выбросов цинкоплавильного завода «Электроцинк» выявило низкие уровни загрязнений в благополучном районе — от 0,008 до 0,036 мг/кг, тогда как в зоне •W выбросов завода, удаленной от источника загрязнения до 10 км, установлено
высокое его содержание - от 1,8 до 21,2 мг/кг. В мясной продукции, произведенной в благополучной и загрязненной зонах, содержание кадмия было также различным и составило 0,024 и 1,9 мг/кг соответственно при предельно допустимой концентрации 0,05 мг/кг [134].
Несколько меньшее санитарное значение имеет свинец, так как биологическая активность его ниже, чем у ртути и кадмия. МДУ свинца в кормах составляет 3,0-5,0 мг/кг. Если фоновый уровень содержания свинца в растениях и почвах благополучных зон составляет 0,2-0,5 мг/кг, то в растениях, отобранных на расстоянии 5 и 30 м от шоссе с активным дшжение' ™ автотранспорта - 1,8 и 1,0 мг/кг, в зонах выбросов металлургических
предприятий - 60 мг/кг, заводов по выплавке свинца- 1000 мг/кг и выше [14, 148].
В качестве дешевых источников минеральных веществ, используемых в кормлении животных, очень часто применяют природные соедшения руды, которые наряду с необходимыми минеральными элементами содержат потенциально токсичные для организма животных вещества [74, 104, 182].
Поскольку свинец широко распространен в природе в относительно больших количествах, он сравнительно быстро накапливается в организме животных. Доказано, что вблизи шоссейных дорог фураж сильно загрязняется
16
свинцом. Выпас лактирующих коров в этих местах приводит к усиленному выделению его с молоком [84, 146, 167, 198].
Уровень содержания свинца в шерстном покрове животных, потреблявших траву вблизи шоссейных дорог, увеличивается почти в 2 раза. Повышенное накопление свинца в организме животных приводит к расстройству процессов синтеза порфиринов и гемма, нарушению синтеза белков, особенно глобулинов, увеличению хрупкости и уменьшению осмотической устойчивости клеточных мембран, изменению ферментативной и гормональной активности. В крови в большом количестве обнаруживаются незрелые ядерные эритроциты [84, 149,175, 204].
Для разработки профилактических мероприятий в животноводстве по получению экологически чистой продукции необходимо прогнозирование ожидаемых уровней загрязнений продуктов. Оно осуществляется на основе знания количественных параметров перехода загрязнителей в трофических цепях. Величина перехода большинства элементов из рациона в мясо пропорциональна кумулятивным свойствам элемента в организме [121, 132, 147].
В рационах крупного рогатого скота уровень свинца зачастую
?¦¦ превышает МДУ в 6 раз [112, 124, 216]. i
Биологическая роль каждого минерального элемента в животном организме специфична и его наличие определяется пороговой концентраций, превышение которой приводит к срыву регулярных процессов биологических реакций, что проявляется в виде биохимических изменений процессов обмена веществ, дисфункцией морфологических изменений, эндемических болезней [57, 143, 144,146].
Большинство химических элементов, относящихся к ТМ, участвуют в поддержании гомеостаза, обеспечивая физиологические функции, регулирующие нормальную жизнедеятельность животных. Избыток кадмия, хрома, никеля, свинца, меди, железа в кормах приводит к таким патологиям как
17 нарушение ферментных систем, развитие слепоты, сатурнизм, билирубинемия
и др. В итоге хозяйства страны ежегодно теряют около 250 тыс. животных [12].
Ионы непереходных металлов Pb2f, Hg2+, Cd2+ образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами, содержащими концевые тиогруппы (HS-) [124, 196].
Малая растворимость основных минералов свинца и кадмия и др. явилась «виновником» того, что живые организмы не выработали в ходе эволюции механизмов их детоксикации, достаточно эффективных для противодействия современному уровню антропогенного загрязнения ими окружающей среды [64,71,80,177].
Основным механизмом токсического действия свинца является влияние его на внутриклеточные процессы, опосредованные кальцием [173]. Сходство свинца в процессах отложения и переноса с кальцием обусловливает его высокие концентрации в костной ткани. Содержание металла в костях мышей увеличивается со временем, а в мягких тканях уменьшается [221]. Известно, что большинство ТМ оказывает выраженное иммунотропное действие, что может сказаться на состоянии здоровья людей, проживающих в районах с антропогенным загрязнением свинцом, хромом, кадмием, ртутью [49].
Устенко В.В. (1982) определял уровень содержания свинца в отдельных звеньях биологической цепи почва — растение - животное и изучал закономерность миграции элемента. Биологическое действие свинца изучали на телятах при введении ацетат свинца в различных концентрациях в течение 90 дней. Установлена связь между концентрацией элемента в крови и уровнем его содержания в легких, мышцах (г=0,99; р<0,01), в печени, почках (г=0,97; р<0,01) и мозге (г=0,93; р<0,02) [145, 181].
Основные пути поступления кадмия в организм — это ЖКТ и органы дыхания. Обмен кадмия характеризуется следующими основными особенностями: 1) Отсутствием эффективного механизма гомеостатического контроля; 2) Длительным удержанием в организме с необычно долгим |
