Некоторые особенности миграции тяжелых металлов в системе «почва растение человек»



Скачать 237.84 Kb.
Дата30.04.2016
Размер237.84 Kb.


УДК 504.53.054
Некоторые особенности миграции тяжелых металлов

в системе «почва – растение – человек»
Степанова М.В.*, Еремейшвили А.В.**
*Ярославский зоопарк

**Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова
Аннотация
Целью данного исследования стало изучение миграции тяжелых металлов (цинк, медь, кадмий и свинец) в системе «почва – растение – человек». На основании корреляции показано их перераспределение.
Ключевые слова: ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ, ОВОЩНЫЕ КУЛЬТУРЫ, БИОСУБСТРАТЫ, ВОЛОСЫ, НОГТИ, ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ

__________________________________________________________________________


Одной из главных причин неблагоприятного изменения окружающей среды в современном промышленном городе является загрязнение ее тяжелыми металлами (ТМ). С этой точки зрения современные крупные индустриальные города представляют собой экстремальные зоны обитания [1, 2, 3]. Загрязнение окружающей среды ТМ приводит к избыточному их поступлению в организм человека, что обусловливает развитие техногенных полигипермикроэлементозов [4].

Тяжелые металлы (особенно кадмий и свинец) характеризуются значительной их распространенностью, устойчивостью во внешней среде, политропностью действия, выраженными кумулятивными свойствами [5]. Помимо этого, переходя из одной природной среды в другую, из одних соединений в другие, они вступают в геобиологический круговорот. Из атмосферы ТМ попадают в почву и воду, из почвы – в воду и растительность, из воды и растительности – в организмы животных, в донные осадки или опять в почвы, из донных осадков – в водную растительность и опять в воду в результате взмучивания или химических реакций, из организмов животных – в почву, из почвы – в атмосферу с пылью и т.д., медленно рассеиваясь и загрязняя значительные по площади территории и акватории [5-12].

Исходя из этого, целью нашего исследования стало изучение миграции некоторых ТМ (цинк, медь, кадмий и свинец) в системе «почва – растение – человек».

Материалы и методы. Исследования по теме проводили с 2003 по 2009 годы. Для наблюдения была выбрана группа детей в возрасте от 1 года до 6 лет, проживающих с момента рождения и на территории сельскохозяйственных районов города Углича Ярославской области (Левый берег, располагающийся в северо-западной части города, промышленных предприятий нет – №1; Центр, историческая часть города, где проходят все автобусные туристические маршруты, – №2, Солнечный, располагающийся в южной части города, на границе находится механический и машиностроительный заводы – №3, район, расположенный в северо-восточной части города, где находятся часовой завод «Чайка» и НИИ масло- и сыроделия, – №4) и во Фрунзенском районе города Ярославль, граничащем с нефтеперерабатывающим заводом, – № 5. Выборка включала детей из средней прослойки общества (для исследования брались полностью целые группы дошкольников, посещающих детские дошкольные учреждения). Всего было обследовано 308 человек, взято 952 пробы волос и 896 – ногтей, выполнено, соответственно, 3808 и 3584 количественных инверсионных вольтамперометрических измерений, взято 88 проб почвенного покрова (352 измерений) и 120 проб овощных культур (480 измерений).

Обработка проб волос и ногтей проводили по методу А.В. Скального [13]. В качестве метода определения ТМ в биосубстратах выбрана инверсионная вольтамперометрия. Концентрацию металлов находили методом добавок. Отбор проб почвы осуществлялся в соответствии с ГОСТ 17.4.402-84. Отбор и хранение проб продуктов питания проводили в соответствии с ГОСТ 26929, ТУ и нормативной документацией, регламентирующих отбор проб конкретных видов продукции. Минерализация проб пищевого сырья и пищевых продуктов проводилась согласно ГОСТ 26929. Пробы, подготовленные с учетом содержания влаги в продукте, обугливались на электроплитке до прекращения выделения дыма [14]. Обработка полученных результатов исследования проводилась с помощью программы Statistica версия 6.0, рассчитывалось среднее арифметическое значение, среднее квадратичное отклонение, для установления достоверности различий использовался непараметрический критерий Т-Уайта, для измерения сопряженности между признаками использовался коэффициент корреляции Спирмана [15].



Результаты и их обсуждение. В ходе выполнения работы установлен уровень содержания исследуемых ТМ в почвах Углича (районы № 1-4) и Ярославля (район № 5). Полученные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Содержание исследуемых ТМ в почве Углича и Ярославля



Район

Тяжелые металлы, мг/кг

Цинк

Свинец

Медь

Кадмий

№ 1

0,12±0,03

0,10±0,03

2,03±0,08

0,01±0,00

№ 2

0,04±0,01

0,22±0,07

1,45±0,11

0

№ 3

0,21±0,09

0,02±0,00

1,51±0,44

0

№ 4

0,23±0,04

0,17±0,09

0,47±0,09

0,07±0,01

№ 5

0,99±0,07

0,07±0,01

0,76±0,09

0,01±0,00

ПДК*

55,0

32,0

33,0

0,5

* Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДК). Минздрав СССР. Главное санитарно-эпидемиологическое управление МЗ СССР. М., 1985.


Отмечено, что уровень содержания всех ТМ, кроме цинка, выше в почвенном покрове урбанизированного района по сравнению с сельскохозяйственным. В целом ни в одном исследуемом районе превышение уровня ПДК не выявлено.

Было определено количественное содержание цинка, свинца, меди и кадмия в овощных культурах, выращенных в каждом из 5 районов (табл. 2).

Таблица 2. Содержание исследуемых ТМ в овощных культурах

Овощная

культура


Район

Тяжелые металлы, мг/кг

Цинк

Свинец

Медь

Кадмий

1

2

3

4

5

6

ПДК




10,00

0,50

10,00

0,03

Картофель

№1

0,32±0,13

0,07±0,01

1,82±0,32

0,01±0,001

№2

0,25±0,04

0,46±0,08

1,43±0,57

0,02±0,002

№3

0

0,12±0,005

0,92±0,20

0,02±0,01

№4

0,08±0,003

0,03±0,005

0,23±0,02

0,01±0,001

№ 5

0,26±0,01

1,89±0,05

0,57±0,01

0,04±0,003

В среднем

0,17±0,06

0,81±0,27

0,88±0,18

0,01±0,004

Лук

№1

0, 02±0,01

0,05±0,01

0,32±0,07

0,01±0,001

№2

1,28±0,24

0,10±0,05

0,21±0,12

0,02±0,003

№3

0,22±0,07

0,01±0,002

0,02±0,004

0

№4

0,26±0,08

0,06±0,03

0,36±0,11

0

№ 5

0,77±0,02

0,01±0,001

0,17±0,01

0

В среднем

0,60±0,14

0,05±0,02

0,18±0,05

0,01±0,002

1

2

3

4

5

6

Капуста

№1

2,00±0,17

0,05±0,01

0,50±0,13

0

№2

1,32±0,59

0,10±0,02

1,02±0,56

0,01±0,001

№3

0,06±0,01

0,03±0,01

0,03±0,01

0,01±0,005

№4

0

0,08±0,02

4,39±0,15

0

№ 5

0,18±0,004

0

0,28±0,006

0

В среднем

0,61±0,18

0,05±0,01

1,44±0,52

0,01±0,001

Чеснок

№1

0,17±0,08

0,64±0,12

0,09±0,01

0

№2

1,58±0,59

0,90±0,12

0,13±0,09

0,01±0,005

№3

0,52±0,03

0,20±0,04

0,05±0,02

0,01±0,001

№4

0,85±0,14

0,13±0,08

0,06±0,02

0

№ 5

3,03±0,59

0,10±0,01

0,60±0,01

0,03±0,002

В среднем

1,02±0,28

0,14±0,04

0,10±0,03

0,01±0,002

Морковь

№1

0,65±0,11

0,08±0,011

0,40±0,12

0

№2

0,31±0,03

0,17±0,06

0,56±0,11

0,01±0,0001

№3

0,82±0,05

0,02±0,08

0,25±0,08

0,01±0,006

№4

0,60±0,10

0,07±0,03

0,40±0,07

0,01±0,001

№ 5

3,53±0,25

0,65±0,28

0,79±0,16

0

В среднем

1,55±0,45

0,28±0,11

0,53±0,09

0,01±0,002

Свекла

№1

2,04±0,95

0,08±0,02

0,39±0,05

0,01±0,0002

№2

0,41±0,13

0,18±0,001

0,81±0,06

0,01±0,0009

№3

4,90±0,62

0,02±0,0004

0,13±0,007

0,01±0,0004

№4

1,07±0,41

0,08±0,002

0,38±0,008

0

№ 5

3,17±0,51

0,04±0,02

0,29±0,07

0

В среднем

2,83±0,67

0,08±0,02

0,41±0,10

0,01±0,0003

При анализе содержания ТМ в овощных культурах выявлено лидерство в среднем по выборке: цинка и кадмия – в свекле (2,83±0,67 мг/кг и 0,01±0,00 мг/кг), свинца – в картофеле (0,81±0,27 мг/кг), меди – в капусте (1,44±0,52 мг/кг). Самые низкие концентрации отмечены: цинка – в картофеле (0,17±0,06 мг/кг), свинца – в луке (0,05±0,02 мг/кг), меди – в чесноке (0,10±0,03 мг/кг), кадмия – в свекле (0,01±0,00 мг/кг). Обнаружено превышение ПДК: по свинцу в картофеле и моркови, выращенных в районе № 5, – в 3,8 и 1,3 раза, соответственно; по кадмию в картофеле из того же района – в 1,41 раза; свинцу в чесноке в районах №№ 1 и 2 в 1,3 и 1,8 раза, соответственно. Во всех остальных пробах овощей превышения по изучаемым ТМ не выявлено. В среднем в овощных культурах, выращенных в Угличе, концентрация свинца, меди и кадмия оказалась выше, чем в Ярославле, а цинка – ниже. Выявлен лидер по содержанию всех изучаемых ТМ: картофель. Кроме того, отмечено наибольшее содержание цинка в моркови, меди – в капусте и моркови. Наши данные подтверждают литературные [1, 13] о высоком уровне содержания металлов в этих овощах.

В ходе исследования нами была обнаружена симбатность между содержанием ТМ в почвенном покрове и некоторых овощных культурах. Так, выявлена очень сильная, близкая к функциональной, положительная связь между уровнями свинца и меди в почве и кадмия в картофеле (r=0,97 при p=0,005; r=0,90 при p=0,037, соответственно), цинка и меди в почве и цинка в луке (r=0,90 при p=0,004; r=0,90 при p=0,037, соответственно), свинца в почве и цинка и кадмия в чесноке (r=0,97 при p=0,005; r=0,92 при p=0,026, соответственно), цинка в почве и свинца в моркови (r=0,90 при p=0,037) и меди в почве и в моркови (r=0,90 при p=0,037). Это свидетельствует не только о высокой степени сопряженности между варьирующими признаками, но и говорит о синергизме ТМ, поступающих из объекта окружающей среды и накапливающихся в овощах. Механизм физиологического синергизма между цинком, медью, свинцом и кадмием при миграции металлов из почвы в растения не изучен, но, возможно, наличие одних металлов в почве является катализатором или необходимым условием миграции другого элемента из почвы. Указанная корреляционная связь указывает на то, что ТМ из почвы поступают в растения, где накапливаются и передаются дальше по пищевой цепи.

По результатам исследований волос и ногтей на каждого ребенка были составлены протоколы измерений как по каждому ТМ в отдельности, так и по всем металлам вместе. Результаты исследований представлены в таблице 3.

Данные исследования подтвердили результаты наших предыдущих исследований [16-19], что в среднем в исследуемой выборке детей цинк содержится в пределах абсолютной биологической нормы, но у детей старшего дошкольного возраста концентрация цинка располагается на нижней границе нормы. Как в среднем по выборке, так и по исследуемым городам отмечено снижение концентрации данного ТМ с увеличением возраста детей (в Угличе на 8%, Ярославле – на 37%, в среднем по выборке – на 19%) [16-19]. Возможно, это связано с тем, что дети изучаемой выборки получают недостаточное количество цинка с пищей и из окружающей среды, и с увеличением возраста ребят этот дефицит все больше проявляется в волосах. Кроме того, из научной литературы известно, что обмен микроэлементов, в т.ч. тяжелых металлов, в раннем возрасте менее совершенен, чем у взрослых, и поэтому повышенное поступление элемента извне сопровождается резким увеличением металла в биосубстратах. В отношении исследуемых металлов существуют сведения о том, что, чем меньше возраст человека, тем выше уровень их всасывания в пищеварительном тракте. Повышенное содержание меди у грудных детей имеет материнское происхождение в связи с повышенным всасыванием и пониженным выведением во время внутриутробного развития плода. В процессе роста человека содержание меди снижается [1].

Таблица 3. Содержание цинка, меди, кадмия и свинца в волосах и ногтях детей из городов Углич и Ярославль



Район

Возраст, лет

Тяжелые металлы, мг/кг

Цинк

Свинец

Медь

Кадмий

Волосы

Ногти

Волосы

Ногти

Волосы

Ногти

Волосы

Ногти

Пределы

1-3

51-143*

117,8-271,4**

0,68-3,05*

5,75-9,33**

7,80-11,40*

12,6-19,24**

0,07-0,38*

0,24-0,99**

4-6

71-153*

87,53-206,66**

0,56-2,8*

4,06-8,53**

7,68-11,3*

14,68-20,55**

0,05-0,31*

0,24-0,60**

№1

1-3

68,66±5,45

164,81±13,91

2,96±0,35

11,15±0,96

13,86±0,76

47,30±8,33

0,23±0,06

0,12±0,05

4-6

81,74±7,54

137,85±11,46

2,02±0,15

8,96±0,99

11,58±0,96

27,69±1,48

0,18±0,05

0,03±0,02

№2

1-3

77,77±1,12

212,15±21,77

2,09±0,28

6,88±0,77

9,37±1,08

26,65±3,89

0,15±0,07

0

4-6

76,32±5,21

120,16±9,92

2,18±0,33

5,95±1,05

11,08±1,50

16,85±1,15

0

0

№3

1-3

59,99±7,72

118,00±12,98

3,19±0,46

5,56±0,28

11,07±0,84

22,16±1,53

0

0,87±0,01

4-6

76,90±8,58

175,70±15,19

4,47±0,96

6,34±0,51

14,01±1,04

17,94±1,47

0,06±0,02

0,01±0,00

№4

1-3

103,73±13,41

179,17±11,25

2,57±0,30

6,36±0,47

14,31±0,81

29,31±1,87

0,22±0,02

0,06±0,01

4-6

63,48±4,88

180,83±12,44

3,28±0,24

8,67±0,69

15,13±3,04

31,91±4,08

0,20±0,06

0,25±0,01

№5

1-3

98,27±7,66

181,72±13,34

2,79±0,47

6,08±0,42

7,79±1,36

21,30±1,64

0,11±0,03

0,11±0,059

4-6

61,72±5,26

149,59±8,76

2,02±0,72

6,77±0,32

6,57±0,92

23,48±1,57

0,11±0,03

0,18±0,02

*Пределы по волосам даны по Скальному А.В. [13]

**Пределы по ногтям для данной выборки детей разработаны авторами [20].


В среднем в выборке детей младшего дошкольного возраста выявлено незначительное увеличение концентрации меди по сравнению с нормой, у детей 4-6 лет медь содержится в волосах в соответствии с нормой [16-19]. Если сравнивать содержание меди в волосах детей исследуемых городов, то можно отметить следующее: в Угличе отмечено достоверное (р<0,05) значительное увеличение концентрации по сравнению с Ярославлем практически в 2 раза [16-19]. У детей, проживающих в Ярославле, медь находится в концентрации ниже абсолютной нормы в обеих возрастных группах, а у детей, проживающих в Угличе, – выше в 1,2 раза, но в обоих городах концентрации этого ТМ располагаются в пределах биологически допустимых границ [16-19]. В ходе выполнения работы установлено (табл. 3), что в среднем в волосах изучаемой выборки детей свинец находится в концентрациях, не превышающих норму, но эти значения приближаются к верхней ее границе как в младшем, так и в старшем дошкольном возрасте [16-19], а кадмий нигде не превышает норму.

В среднем в исследуемой выборке детей цинк и кадмий содержатся в пределах абсолютной биологической нормы, свинец находится в концентрациях, не превышающих норму, но эти значения приближаются к верхней ее границе, выявлено увеличение концентрации меди в ногтях по сравнению с нормой (табл. 3) [20].

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- выявлено, что уровень содержания всех тяжелых металлов выше в почве крупного промышленного района по сравнению с содержанием этих металлов в сельскохозяйственном, что связано с различной техногенной нагрузкой;

- установлено, что лидером по накоплению Zn и Cd является свекла, Pb – картофель, а Cu – капуста;

- уровень содержания в биосубстратах цинка и кадмия выше в организме детей, проживающих в промышленном районе, а свинца и меди – в сельскохозяйственном;



- при исследовании межсредовых переходов микроэлементов на основании корреляционных связей установлен антагонизм между следующими металлами: медь и кадмий, медь и свинец.
Список использованных источников


  1. Авцын П.А., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека: этиопатология, классификация, органопатология. – АМН СССР. – М.: Медицина, 1991. – 496 с.

  2. Онищенко Г.Г., Епифанова Т.М. Актуальные вопросы санитарно-эпидемиологического благополучия детского населения: Докл. На Всерос. совещание спец. по гигиене детей и подростков. – М., 1993. – С. 3-6.

  3. Ревич Б.А. Микроэлементный состав биосубстратов населения некоторых промышленных городов бывшего Советского Союза. Докл. на рабочем совещании «Активационный анализ в охране окружающей среды». – Дубна, 1994. – С. 486-518.

  4. Смоляр В.И. Гипо- и гипермикроэлементозы человека. – Киев: Здоровье, 1989. – 152 с.

  5. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп / Под ред. В.А. Филова: справ. изд. – Л.: Химия, 1988. – 102 с.

  6. Безкопыльный И.Н. Некоторые методические подходы к изучению воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения в зоне территориально-производственного комплекса // Гигиена и санитария. – 1984, № 11. – С. 24-27.

  7. Боев В.М. Среда обитания и экологически обусловленный дисбаланс микроэлементов у населения урбанизированных и сельских территорий // Гигиена и санитария. – 2002, №5. – С. 3-7.

  8. Будин А.С. Аномалия содержания свинца и цинка в почвах под влиянием антропогенного фактора // Почвоведение. – 1975, №11. – С. 125-127.

  9. Быстрых В.В., Боев В.М., Зебзеев В.В. Комплексная гигиеническая оценка накопления поллютантов атмосферного воздуха в депонирующих средах в зоне воздействия газового комплекса. Исследования эколого-географических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России: Теория, методы и практика. – Нижневартовск: НГПИ, ХМРО РАЕН, ИОА СО РАН, 2000. – С. 259-262.

  10. Ильин В.Б. К вопросу о разработке ПДК тяжелых металлов // Агрохимия. – 1985, №10. – С. 94-101.

  11. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. – Новосибирск: Наука, 1991. – 151 с.

  12. Кулыгина А.А. Современные проблемы охраны окружающей среды. – М.: Медицина, 1981. – 127 с.

  13. Скальный А.В., Демидов В.А. Элементарный состав волос как отражение сезонных колебаний обеспеченности организма детей макро- и микроэлементами. // Микроэлементы в медицине. – М.: Медицина, 2001, т. 2, вып. 1. С. 36-41.

  14. Контроль качества и безопасности пищевой продукции, продовольственного сырья и кормов методом инверсионной вольтамперометрии. Сборник методических указаний. – М.: «НПКФ АКВИЛОН», 2000, 42 с.

  15. Лакин Г.Ф. Биометрия. Учебное пособие для университетов и педагогических институтов. М.: Высшая школа, 1973.

  16. Степанова М.В. Содержание микроэлементов тяжелых металлов в биосубстратах (волосах и ногтях) детей в возрасте от 1 до 3 лет, проживающих в г. Угличе и Ейске // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы уникальных природных и антропогенных ландшафтов». – Ярославль: ЯрГУ, 2007. – С. 293-296.

  17. Еремейшвили А.В., Шитова Е.В., Степанова М.В. Содержание тяжелых металлов в волосах дошкольников городов Углича и Ярославля // Вопросы физиологии и водной токсикологии: межвузовский сборник научных трудов. – Ярославль: ЯрГУ, 2008. – С. 45-49.

  18. Степанова М.В., Еремейшвили А.В. Некоторые особенности содержания микроэлементов в биосубстратах детей дошкольного возраста // Труды Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Здоровье – основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения». – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – С. 266-272.

  19. Еремейшвили А.В., Степанова М.В. Некоторые особенности содержания микроэлементов в волосах дошкольников // Экология человека. - Архангельск. 2011, №1. – С. 55-58.

  20. Степанова М.В., Еремейшвили А.В. Установление границ допустимого содержания химических элементов (Zn, Cu, Cd и Pb) в ногтях детей с применением центильных шкал // Материалы 3-ей всероссийской научно-практической конференции «Экология и здоровье: проблемы и перспективы социально-экологической реабилитации территорий, профилактики заболеваемости и устойчивого развития». – Вологда: Изд-во Вологодского гос. техн. ун-та, 2010. – С. 117-120.





База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал