Використання відгуків біоіндикаторів при моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами

Нероба Юлія

Національний гірничий університет

(Науки про землю)

ВИКОРИСТАННЯ ВІДГУКІВ БІОІНДИКАТОРІВ ПРИ МОНІТОРИНГУ ҐРУНТІВ, ЗАБРУДНЕНИХ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ

Відомі всьому світові родючі ґрунти України на сьогодні потребують постійного екологічного контролю, оскільки внаслідок активної промислової діяльності великих індустріальних центрів вони забруднені біохімічно активними речовинами, особливо важкими металами (надалі ВМ), які рано чи пізно потрапляють через трофічні ланцюги до організму людини. Небезпека ВМ для людини визначається їх значною токсичністю і здатністю акумулюватися в організмі, окрім цього, вони спричиняють канцерогенну дію.

Дія біохімічно активних речовин на організм залежить від їх доступності рослинам, рухомості в ґрунтах, тому оцінку стійкості ґрунтів до хімічних забруднювачів слід проводити в залежності від їх рухомості в ґрунтах. Для виявлення концентрацій рухомих форм ВМ використовують різні традиційні методи фізико-хімічного аналізу, за допомогою яких встановлюють фактичні значення шкідливих речовин, але це не дає змоги оцінити комплексну, сумарну дію ВМ на біоту. Тому виникає необхідність у використанні альтернативних методів аналізу токсико-мутагенної дії шкідливих речовин на біоту та здоров’я населення. Відомо, що більшість рослин швидко реагує на низькі концентрації забруднюючих речовин, а відповідна їх реакція піддається прогнозу, до того ж, рослини вважаються більш чутливими до дії забруднюючих речовин, ніж тварини та людина. Тому для вирішення даної проблеми виникла потреба у використанні чутливих методів біоіндикації у сполученні з загальновизнаними інструментальними методами вимірювання, що дозволить отримати необхідну інформацію про відповідну реакцію біоіндикаторів на відому концентрацію забруднюючих речовин.

Метою роботи є встановлення залежностей зміни ушкодженості біоіндикаторів від рівня забрудненості досліджуваних територій рухомими формами ВМ, що дасть змогу обґрунтувати можливість використання цитогенетичних методів біоіндикації для кількісної оцінки ступеня забруднення ґрунтів рухомими формами ВМ.

Об’єктами дослідження є реакції біоіндикаторів на комплексну дію рухомих форм важких металів у ґрунтах на територіях з високим рівнем техногенного навантаження, зокрема, міст Дніпропетровської області: Жовті Води, Нікополь, Вільногірськ і Павлоград та низьким рівнем навантаження – територія лікувально-оздоровчого комплексу „Солоний Лиман” Новомосковського району (контрольна територія). На території кожного міста було виділено від двох до чотирьох тест-полігонів, які вибиралися таким чином, щоб дослідження охоплювало як техногенні об’єкти, так і селітебні та рекреаційні масиви. На кожному тест-полігоні було визначено від 4 до 8 моніторингових точок, на яких проводився відбір проб ґрунтів та пилку рослин.

Для вирішення поставлених задач, були використані результати комплексних досліджень, які включали оцінку токсичності атмосферного повітря за тестом „Стерильність пилку фітоіндикаторів” та токсико-мутагенну оцінку ґрунтів з використанням Allium-тесту, а також результати атомно-абсорбційного аналізу, за яким було визначено концентрації рухомих форм ВМ: Mn, Pb, Zn, Cr, Cu, Ni, Co, Сd у зразках ґрунту. Оскільки усі біоіндикаційні показники мають різні одиниці виміру, їх було переведено в єдину безрозмірну систему умовних показників ушкоджуваності (УПУі) біоіндикаторів. Інтегральний умовний показник ушкодженості (ІУПУ) обчислюється як середнє арифметичне за трьома тестами.

Результати оцінки токсичності атмосферного повітря на території промислових центрів Дніпропетровської області свідчать про „незадовільний” стан атмосферного повітря. Найбільша токсичність повітря спостерігається у мм. Жовті Води та Вільногірськ. Що стосується контрольної території, то тут стан атмосферного повітря оцінюється як “еталонний”. Слід відмітити, що рівень ушкодженості біоіндикаторів у 3-3,6 разів більше на територіях промислових міст у порівнянні з контролем.

Результати оцінки токсичності ґрунтів вказують на “катастрофічний” екологічний стан ґрунтів у мм. Жовті Води і Вільногірськ та “незадовільний” у мм. Нікополь і Павлоград. На території ЛОК “Солоний Лиман” стан ґрунтів оцінено як “еталонний”. Токсичність ґрунтів на територій досліджуваних міст у 8,2-11 раз більше ніж у контролі.

Що стосується мутагенності ґрунтів, то на території міст Жовті Води і Вільногірськ відмічається їх “катастрофічний” стан за цією ознакою. У містах Нікополь та Павлоград екологічний стан ґрунтів - “незадовільний”. На контрольній території відмічається “задовільний” стан ґрунтів. Мутагенність ґрунтів у промислових містах у 2,5-4 рази вище ніж на території ЛОК “Солоний Лиман”.

Загальна токсико-мутагенна активність досліджених ґрунтів змінюється від „еталонної” ситуації на території ЛОК до „катастрофічної” у мм. Жовті Води та Вільногірськ. На територіях міст Нікополь і Павлоград стан ґрунтів оцінено як “незадовільний” з “загрозливим” станом біоіндикаторів. Екологічний стан ґрунтів на контрольній території оцінено як “еталонний” і рівень ушкодженості біоіндикаторів менше в 3,5-5,2 у порівнянні з промисловими центрами Дніпропетровської області.

Отримані з використанням фізико-хімічного аналізу фактичні концентрації рухомих форм ВМ у досліджуваних зразках ґрунту були порівнянні з ГДК. Аналіз отриманих даних показав наступні перевищення фактичних концентрацій ВМ: на території м. Жовті Води – Zn у 2,28, Mn у 1,43, Cr у 1,67, на території м. Нікополь – Zn у 1,3, Mn у 2,5 та на території м. Вільногірськ: Mn у 1,6 рази.

Після обчислення коефіцієнтів забрудненості ґрунтів з’ясувалося, що забруднення є поліелементним, і для того, щоб оцінити ступінь забруднення ґрунтів техногенно-навантажених територій, було розраховано сумарний показник забруднення (Zс), котрий представляє собою адитивну суму перевищень коефіцієнтів концентрацій одного хімічного елементу над фоновим рівнем. Аналіз цих коефіцієнтів встановив, що найбільш небезпечними для здоров’я населення є ґрунти на територіях промислових зон м. Вільногірськ і м. Жовті Води, так як значення коефіцієнта Zс>32, а на території ЛОК „Солоний Лиман” величина коефіцієнта Zс=1,5, тобто ґрунти піддаються найменшому впливу антропогенної діяльності, отже загроза для здоров’я населення відсутня. Також можна виділити території з „помірно небезпечним” забрудненням ґрунтів – сельбіщна зона м. Жовті Води, і „допустимим” – інші досліджувані території. Слід відмітити, що на території промислових центрів спостерігається перевищення коефіцієнта Zс у 6,3 – 26 раз у порівнянні з територією ЛОК „Солоний Лиман”.

На територіях тест-полігонів, де виявлено небезпечний для здоров’я рівень забруднення ґрунтів рухомими формами ВМ, коефіцієнт сумації Zc змінюється від 32,63-39,92, а рівень ушкодження біоіндикаторів УПУ змінюється від 0,617-0,895, що вказує на „критичний” та „небезпечний” стан біоіндикаторів і відповідно „катастрофічний” стан ґрунтів за токсико-мутагенною активністю, та навпаки, на умовно фоновій території – Zc=1,5 (допустимий рівень забруднення ґрунтів) і УПУ=0,036-0,120, що вказує на „сприятливий” стан біоіндикаторів і „еталонний” стан ґрунтів. Таким чином, на територіях з підвищеним рівнем техногенного навантаження відмічається збільшення коефіцієнта Zc, що в свою чергу віддзеркалюється в підвищенні рівня ушкодженості біоіндикаторів, що вказує на підвищення токсичності і мутагенності досліджуваних ґрунтів.

У зв’язку з тим, що рівень забрудненості ґрунтів визначений з використанням фізико-хімічного методу і методів біоіндикації виявив приблизно однаковий ступінь забруднення ґрунтів, було проведено матмоделювання результатів двох методів оцінки екологічного стану ґрунтів. В результаті проведеного парного і множинного кореляційно-регресійного аналізів були встановленні суттєві зв’язки між концентраціями у ґрунті рухомих форм ВМ і рівнями ушкодженості біоіндикаторів, а також отримані одно-, двох - та восьмифакторні прямолінійні регресії, для знаходження параметрів прямолінійних регресій використовували програмний пакет Statistica V5,5. Аналіз отриманих знакових моделей показав, що крім індивідуальної токсичності ВМ має місце ефект сумації біологічної дії.

Підставивши кінцеві значення кожного з інтервалів шкали оцінки ушкодженості біоіндикаторів у отриману логічну модель, визначили відповідні значення коефіцієнтів сумації Zс. Співставлення діапазонів шкал оцінки рівнів ушкодженості біоіндикаторів і небезпеки забрудненості ґрунтів за показником Zc дозволило створити узагальнену оціночну шкалу оцінки небезпеки від забруднення ґрунтів ВМ за результатами біоіндикації (табл. 1), яка дозволяє визначити рівень забруднення території важкими металами за відповідним рівнем ушкодженності біоіндикаторних тест-систем, і, одночасно, оцінити рівень небезпеки досліджуваної території для населення.

Таблиця 1 – Шкала оцінки небезпеки від забруднення ґрунтів ВМ за результатами біоіндикації

Діапазон чисельних значень ІУПУ	Діапазон чисельних значень Zc	Рівень небезпеки території для населення	Рівень ушкодженості біоіндикаторів	Стан біосистем	Оцінка екологічної ситуації
0,000 ÷ 0,150	0,0 ÷ 4,0	Допустима	Низький	Сприятливий	Еталонна
0,151 ÷ 0,300	4,1 ÷ 8,0	Допустима	Нижче за середній	Насторожуючий	Задовільна
0,301 ÷ 0,450	8,1 ÷ 16,0	Помірно небезпечна	Середній	Конфліктний	Незадовільна
0,451 ÷ 0,600	16,1 ÷ 32,0	Помірно небезпечна	Вище за середній	Загрозливий	Незадовільна
0,601 ÷ 0,750	32,1 ÷ 128,0	Небезпечна	Високий	Критичний	Катастрофічна
0,751 і вище	128,1 і вище	Небезпечна	Максимальний	Небезпечний	Катастрофічна

Висновки:1. Встановлені зв’язки між рівнями ушкодженості високочутливих біоіндикаторів та концентраціями рухомих форм ВМ у ґрунтах.

2. Обґрунтована можливість використання цитогенетичних методів біоіндикації для комплексної оцінки ступеня забрудненості ґрунтів рухомими формами ВМ.

3. Отримана шкала оцінки небезпеки від забруднення ґрунтів ВМ за результатами біоіндикації.

4. Сумісне використання двох методів оцінки екологічного стану ґрунтів значно зменшить залучення засобів для проведення екологічного моніторингу і розширить область його застосування. Для цього, спершу, необхідно проводити оцінку якості ґрунтів з використанням методів біоіндикації, а при вияві аномалій застосовувати фізико-хімічний аналіз для їх уточнення.