Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, додатків. Дисертацію викладено на 351 сторінці: 139 сторінок основного тексту, 33 ілюстрації, 58 таблиць і 88 додатків. Список використаних літературних джерел включає 270 найменувань.

Біогенна міграція хімічних елементів у природі

На підставі проведених польових і лабораторних досліджень білоакацієвих культурбіогеоценозів м. Дніпропетровська і сільської місцевості Дніпропетровської області кількісно визначені основні показники, що характеризують: процеси синтезу (біологічна продуктивність дерев, а саме, біомаса приросту надземної частини, чистої продукції); нагромадження (біомаса надземної частини дерев білої акації та її структурних частин - листя, ауксибластів, плодів, гілок, кори, деревини; біомаса коренів); розпад (маса мертвої органо мінеральної речовини, а саме: річного опаду й підстилки). Було виявлено, що на територіях з більш-

інтенсивним антропогенним навантаженням у штучних білоакацієвих насадженнях (парках) м. Дніпропетровська показники продуктивності нижчі, ніж у контрольному культурбіогеоценозі (лісосмузі), що розташований у сільській місцевості: біомаси приросту надземної частини, чистої продукції - в 1,5, біомаси листя, плодів, деревини - в 1,4, біомаси надземної частини дерев білої акації - в 1,3, ауксибластів, гілок і кори - в 1,2, маси річного опаду - в 1,5, а підстилки - в 6,5 раза (рис. 1).

Рис. 1. Зміна продуктивності білої акації у культурбіогеоценозах відносно контрольного насадження

Дослідження показали, що основна частина біомаси білої акації в культурбіогеоценозах - це деревина, яка становить у середньому 80% від надземної й 73% від загальної біомаси дерев.

При порівнянні біологічної продуктивності білої акації окремих культурбіогеоценозів виявлено, що період оборотності надземної біомаси білої акації в культурбіогеоценозах міста у середньому триває на 17 місяців довше, ніж у сільський місцевості, а для повної біомаси дерев - на 5 років.

Установлено пряму кореляційну залежність між діаметром стовбура дерев білої акації на висоті 1,3 м від ґрунтової поверхні та біомасою їх деревини.

Визначено показник річної акумуляції органо-мінеральної речовини та енергії досліджуваних білоакацієвих насаджень, величина якого на території культурбіогеоценозів сільської місцевості в 3,7 раза більша, ніж у місті і залежить від співвідношення кількості опаду до загальної надземної біомаси білої акації. Визначення ОПК (опадо-підстилковий коефіцієнт) показало, що в культурбіогеоценозах міста його величина в 1,2 рази менш, ніж у контролі й чітко залежить від інтенсивності впливу антропогенної діяльності.

Процес міграції досліджених хімічних елементів цілком залежить від біологічної продуктивності, стану й трансформації органо-мінеральної речовини білої акації, а показники біологічної продуктивності є першоосновою для подальших розрахунків і встановлення тенденцій та закономірностей.

Запаси марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах

Доведено, що зростання техногенного навантаження призводить до зміни динамічних показників (швидкості, інтенсивності й часу) двох основних процесів - залучення і повернення металу до біогенної міграції. Установлено, що швидкість асиміляції важких металів у місті у середньому в 1,2 (для Mn - в 3,3) рази більша, а інтенсивність асиміляції у 1,5 - 2 рази менша, ніж на контрольній ділянці. Час асиміляції в міських біогеоценозах для Ni, Cu, Zn й Pb збільшується до 50%, а для Mn й Fe зменшується у порівнянні з еталоном. Швидкість та інтенсивність повернення важких металів до міграції в міських насадженнях менша (для Pb, Cu і Ni у 8 разів), ніж у контрольному, а час повного повернення важких металів до міграції у місті більший (для Cu і Pb у 6 разів). В умовах контролю час повернення важких металів до біогенної міграції завжди менший, ніж час асиміляції (див. табл. 1). Показники виведення досліджених елементів з біогенної міграції в міських культурбіогеоценозах вищі, ніж на контрольній ділянці: швидкість для Mn в 1,4, Fe в 6,5, Ni у 3, Cu у 5, Zn у 3,2 й для Pb - у 4 рази; інтенсивність для Fe у 5,5, Ni, Cu, Zn й Pb - у 2 рази. Час виведення для Mn, Ni, Cu, Zn й Pb у 2, Fe у 6 разів, навпаки, менший.

Висновки

1. Удосконалено комплексну екологічну систему кількісних показників оцінки річної біогенної міграції хімічних елементів додатковими статичними і динамічними показниками для виявлення особливостей (динаміки) у біогенній міграції важких металів.

2. Кількісні показники біологічної продуктивності, маси мертвої органо-мінеральної речовини в досліджуваних білоакацієвих культурбіогеоценозах в умовах міста нижчі в порівнянні з показниками, які отримані в умовах з меншим техногенним навантаженням.

3. Зміст та запаси металів в органах білої акації, мертвій органо-мінеральній речовині та ґрунтах міських культурбіогеоценозів значно вищі, ніж в умовах сільської місцевості. Частка досліджених хімічних елементів, що виноситься поверхневим стоком з території міських насаджень, також більша, ніж з території контрольного біогеоценозу.

4. В умовах сільської місцевості більшість запасу нікелю, міді, цинку і свинцю зосереджено в підстилці, тоді як у промисловому місті основна кількість запасу цих металів від усієї їхньої сукупності в білій акації і органо-мінеральній речовині досліджуваних білоакацієвих біогеоценозах акумулюється в деревині, корі і гілках білої акації.

5. Для кожного з шести металів усіх досліджуваних міських культурбіогеоценозів характерним є негативне сальдо балансу, а позитивне сальдо для досліджуваних металів було отримане тільки в культурбіогеоценозах сільської місцевості. При розрахунку загального балансу сукупної міграції всіх досліджуваних важких металів для всіх досліджуваних культурбіогеоценозів міста витратна частина балансу була більша, ніж при надходженні, а для біогеоценозів сільської місцевості надходження перевищувало витрати. Найбільш збалансованим виявився сукупний процес міграції важких металів у біогеоценозах сільської місцевості.

6. Ємність біогенної міграції металів в умовах більшого впливу антропогенної діяльності зростає. Виявлено, що резервна кількість таких техногенних металів, як нікель, мідь, цинк і свинець, під впливом більшого антропогенного навантаження в середньому в 2 рази вища, ніж у контрольному біогеоценозі. Визначено, що в білоакацієвих культурбіогеоценозах міста величина обмінного фонду елемента (для марганцю, заліза і цинку) більша, ніж у контрольному насадженні, а для нікелю, міді і свинцю - менша.

7. Антропогенна діяльність призводить до зміни швидкості, інтенсивності і часу двох основних процесів - залучення та повернення металу в процес міграції. Час і швидкість асиміляції в міських насадженнях збільшується, (для марганцю та заліза час асиміляції, навпаки, скорочується), а інтенсивність залучення і повернення металів зменшується у порівнянні з контрольним, Час повного повернення металів до процесу міграції у місті більший, а швидкість та інтенсивність менші. Швидкість та інтенсивність виведення елементів з процесу біогенної міграції йде швидше (час виведення - скорочується) в місті, ніж за еталоном.

8. Вперше оцінено на основі отриманих кількісних показників локальну річну біогенну міграцію важких металів у культурбіогеоценозах виду-едифікатора і виявлено ступінь змін у біогенній міграції, що відбувається на території з більш інтенсивним техногенним навантаженням (у місті Дніпропетровську) у порівнянні з ділянками, де умови наближені до природних (у сільській місцевості Дніпропетровської області). Вплив антропогенних факторів призводить до значних змін у показниках біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку й свинцю в білоакацієвих культурбіогеоценозах.

9. Результати дисертаційної роботи спрямовані на удосконалення досліджень біогенної міграції важких металів і рекомендовані для використання під час проведення моніторингу біогеоценозів з іншими видами-едифікаторами, а конкретні дані - у процесі розробки планів соціально-економічного розвитку регіонів, для створення й удосконалення, міської системи екомоніторингу та розвитку регіональної комплексної системи екологічного моніторингу.

Тези доповідей:

Анисимова Л.Б., Копач П.И., Редько Е.С. Особенности выращивания сельскохозяйственных культур на загрязнённых территориях // Безпека життєдіяльності населення: проблеми та шляхи їх розвязання: Матеріали І регіональної науково-практичної конференції // Екологія і природокористування: Зб. наук. праць. - Дніпропетровськ, 1998. - №1. - С. 125-126. (Авторові належить збір фактичного матеріалу і його опрацювання, формулювання висновків).

Анісімова Л.Б., Грицан Н.П. Геохімічні особливості ґрунтів міських ландшафтів степового Придніпровя // Проблеми раціонального використання, охорони і відтворення природно-ресурсного потенціалу України: Тези доповідей Другої всеукраїнської науково-методичної конференції. - Чернівці: Рута, 2000. - С. 85-87. (Авторові належить збір фактичного матеріалу і його опрацювання).

Анисимова Л.Б., Грицан Н.П. Экологическое состояние городских педоценозов в условиях загрязнённой атмосферы // Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов: Сборник трудов VIII международной научно-технической конференции. - Харьков, 2000. - С. 91-97. (Авторові належить збір фактичного матеріалу і його опрацювання, формулювання висновків).

Anisimova L.B., Gritsan N.P., Fedotov V.V. Changes in biogeochemical circles of trase elements in urban biogeocehosises // Екологія кризових регіонів України: Тези доповідей міжнародної конференції. - Дніпропетровськ, 2001. - С. 134-136. (Авторові належить збір фактичного матеріалу і його опрацювання).

Gritsan N.P., Fedotov V.V., Anisimova L.B. Accumulation of heavy metals in plants and their phytotoxic effects // Екологія кризових регіонів України: Тези доповідей міжнародної конференції. - Дніпропетровськ, 2001. - С. 139-141. (Авторові належить збір фактичного матеріалу, його опрацювання і співавторство у висновках).

Анисимова Л.Б. Биомасса и биологическая продуктивность - основа устойчивости биогеоценозов // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки: Матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Дніпропетровськ, 2001. - С. 124-125.

Грицан Н.П., Анисимова Л.Б. Биогеохимический круговорот элементов как условие устойчивого развития биосферы // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки: Матеріали міжнародної науково-практичної конференції. - Дніпропетровськ, 2001. - С. 54-56. (Авторові належить збір фактичного матеріалу і його опрацювання).

Анісімова Л.Б. Особливості обмінних процесів біологічного кругообігу важких металів у техногенних екосистемах // Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки: Матеріали Другої міжнародної наукової конференції (м. Чернівці, 14-15 травня 2003 року). - Чернівці: Золоті литаври, 2003. - С. 16-18.

Анисимова Л.Б. Обменные процессы биологического круговорота тяжёлых металлов в техногенно нагруженных экосистемах // Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів: Матеріали Другої міжнародної науково-практичної конференції; м. Дніпропетровськ, Україна, 01-03 жовтня 2003 р. - Дніпропетровськ, 2003. - С. 109-111.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. - Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена выявлению особенностей биогенной миграции таких тяжёлых металлов, как марганец, железо, никель, медь, цинк и свинец в белоакациевых культурбиогеоценозах степного Приднепровья.

Впервые предложена комплексная экологическая система количественных показателей, выраженных в абсолютных и относительных единицах измерения, с помощью которых можно оценить интенсивность биогенной миграции тяжёлых металлов в естественных условиях и обнаружить особенности, являющиеся следствием увеличения антропогенной нагрузки. На основе разработанных теоретических подходов впервые проведены натурные исследования биогенной миграции тяжёлых металлов в культурбиогеоценозах, сформированных белой акации как видом-эдификатором, города Днепропетровска и сельской местности Днепропетровской области. Определена количественная оценка показателей, которые характеризуют: процессы синтеза (биологическая продуктивность деревьев, а именно биомасса прироста надземной части деревьев, истинного прироста); накопления (биомасса надземной части деревьев белой акации и ее структурных частей: листвы, ауксибластов, плодов, ветвей, коры, древесины; биомасса корней); разложения (годового опада и подстилки), - что позволяет обнаружить особенности влияния антропогенной деятельности на исследуемые культурбиогеоценозы в городе в сравнении с теми, которые находятся в сельской местности. Было выявлено, что в искусственных белоакациевых насаждениях г. Днепропетровска, территориях с бьльшей антропогенной нагрузкой, значения показателей продуктивности и массы опада и подстилки ниже, чем в культурбиогеоценозах сельской местности. Результаты исследования показали, что значения годовой аккумуляции органо-минерального вещества и энергии исследуемых белоакациевых насаждений в сельской местности в 3,7 раза больше, чем в городе.

Установлена закономерность в характере распределения запаса исследуемых металлов в надземных органах белой акации и мёртвом органо-минеральном веществе: в условиях техногенного загрязнения природной среды основной запас никеля, меди, цинка и свинца сосредоточен в древесине, тогда как в отсутствие загрязнения большая часть этих металлов накапливается в подстилке. В биомассе надземных органов деревьев белой акации городских культурбиогеоценозов содержание и запас всех исследуемых элементов значительно выше, чем в белой акации биогеоценозов сельских районов, причём превышение запасов меди, цинка и свинца в древесине достигает 6 раз. В опаде и подстилке исследуемых биогеоценозов, находящихся в условиях с бьльшей техногенной нагрузкой, содержание тяжёлых металлов также увеличивается. Выявлена тенденция к повышенному содержанию запасов тяжёлых металлов в почвах исследуемых городских белоакациевых культурбиогеоценозов.

Установлены различия в балансе биогенной миграции тяжёлых металлов в белоакациевых культурбиогеоценозах. В городских насаждениях разница между приходом и расходом элементов отрицательная, а в биогеоценозах сельской местности - положительная. Тяжёлые металлы вместе с органо-минеральным веществом возвращаются в процесс биогенной миграции не полностью, и в культурбиогеоценозах города возникает недостаток вещества. Процесс биогенной миграции тяжёлых металлов в контрольном насаждении, находящемся в сельской местности, оказался наиболее сбалансированным, где приход практически равнялся расходу.

Показано, что в условиях города важнейшим фактором, который влияет на нарушение баланса тяжёлых металлов, является увеличение интенсивности антропогенной деятельности.

Определены показатели, характеризующие статику и динамику биогенной миграции тяжёлых металлов, которые позволили обнаружить степень изменений в миграции исследуемых химических элементов в белоакациевых культурбиогеоценозах, расположенных на территории с бьльшей техногенной нагрузкой по сравнению с контрольным участком. Ёмкость цикла миграции химических элементов, величина обменного фонда и показатели годового накопления тяжёлых металлов в условиях возрастающей техногенной нагрузки увеличиваются. Доказано, что более интенсивная антропогенная деятельность приводит к изменению скорости, интенсивности и времени протекания двух основных процессов - ассимиляции и возврата металлов в процесс биогенной миграции. Установлено, что время и скорость ассимиляции тяжёлых металлов в городе увеличиваются, а интенсивность, наоборот, - уменьшается по сравнению с контрольным биогеоценозом. Время полной минерализации тяжёлых металлов в городе продолжительнее, а скорость и интенсивность возврата в миграцию меньше, чем в контрольном насаждении. В контрольном культурбиогеоценозе время возврата тяжёлых металлов в биогенную миграцию всегда меньше, чем время ассимиляции. Вывод элемента из биогенной миграции в условиях города идет в два раза быстрее, чем в контрольном биогеоценозе.

Ключевые слова: биогенная миграция, тяжёлые металлы, биомасса, биологическая продуктивность, органо-минеральное вещество, белая акация, культурбиогеоценоз, антропогенная деятельность.

Анотація

Анісімова Л.Б. Особливості біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах (Robinia pseudoacacia L.) степового Придніпров'я - Рукопис.