Некоторые особенности миграции тяжелых металлов в системе "почва – растение – человек"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Степанова М.В., Еремейшвили А.В.

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

Введение

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

тяжелый металл миграция

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

* 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

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

*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

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

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.

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.

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

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

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.

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

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

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.

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

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

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

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.

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

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

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.

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.

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.

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

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.

Размещено на Allbest.ru