Распространение и нейтрализация ксенобиотиков в системе «почва-растения-животные-продукция животноводства» (стр. 1 )

На правах рукописи

Распространение и нейтрализация ксенобиотиков в системе «почва-растения-животные-продукция животноводства»

Специальность: 03.02.08 – «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени
кандидата биологических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РФ

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

доктор биологических наук, профессор

Ведущая организация : ГНУ Всероссийский НИИ животноводства РАСХН

Защита состоится « »марта2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» г. Балашиха-8 Московской области, ; ,

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Автореферат разослан 9 февраля 2012г.

Учетный секретарь
диссертационного совета,
кандидат биологических
наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Загрязнение окружающей среды химическими веществами и связанное с этим изменение экологического равновесия в природе является наиболее актуальным на сегодняшний день. Экологические проблемы являются лимитирующим фактором, негативно влияют на живые организмы, на состояние здоровья людей и животных, в том числе и сельскохозяйственных. Основным источником производства продуктов питания животного происхождения являются сельскохозяйственные экосистемы. Наиболее опасным для здоровья человека является употребление продуктов питания, содержащих высокие концентрации тяжелых металлов (, , 1999; , 2001; , , 2002; , , 2003; , 2005; , 2007 и др.).

Роль большинства тяжелых металлов (ТМ) двойственна, так как они необходимы для нормальной жизнедеятельности теплокровных, но в отличие от органических соединений ТМ не разрушаются в почве и воде, а накапливаются в объектах внешней среды и мигрируют по трофическим цепям в корма и продукцию сельскохозяйственных животных (, 2001; , 2002; , 2007; , 2007 и др.). ТМ в случае их накопления в продуктах молочного и мясного животноводства могут являться причиной пищевых токсикозов, оказывать канцерогенный и мутагенный эффекты.

Производство продукции животноводства экономически выгодно в непосредственной близости от потребителей и предприятий переработки, но в то же время здесь возникает риск загрязнения ее различными токсикантами, особенно в зоне влияния промышленных центров. Поэтому актуальным является изучение загрязнения биотопов вблизи промышленных центров и влияние этого на продукцию животноводства.

Предмет исследований – объекты животноводства пригородной зоны г. Волгограда; объект исследований – экосистемы пригородной зоны г. Волгограда, территория которой подвергается техногенному загрязнению.

Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось определение связи между содержанием тяжелых металлов в объектах внешней среды и их распространением в системе - животное и продукция животноводства. Наряду с этим разрабатывали мероприятия, обеспечивающие повышение качества и экологической безопасности продуктов скотоводства в условиях пригородной зоны промышленного центра.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- изучали загрязненность тяжелыми металлами пригородную зону г. Волгограда;

- определяли содержание тяжелых металлов: Cd, Zn, Hg, Pb, Cu, Ni, Fe, а также As в системе «почва – вода – корма – животное – продукция животноводства»;

- изучали качество и технологические свойства продуктов скотоводства в условиях техногенеза пригородной зоны;

- разрабатывали способы детоксикации тяжелых металлов, оказавшихся в организме животных и продукции крупного рогатого скота, на основе применения регионального сорбента.

Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка степени загрязнения тяжелыми металлами пригородной зоны крупного промышленного центра – Волгограда. Прослежена миграция ТМ в системе «почва – вода – корма – животные – продукция животноводства». Определено влияние накопления ТМ в продукции животноводства на ее качество в зависимости от породной принадлежности животных.

Практическая значимость. Разработан способ снижения концентрации ТМ в организме животных и продукции крупного рогатого скота на основе использования в качестве сорбента – льняного жмыха.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

- Территория пригородной зоны г. Волгограда неравномерно загрязнена ТМ

- Содержание ТМ в системе: почва – растение – вода – корма – животное – продукция скотоводства превышает ПДК во всех звеньях этой цепи

- Продукция трех молочных пород коров (красной степной, черно-пестрой, красно-пестрой), содержащихся в пригородных зонах г. Волгограда, отличается по загрязненности ТМ, что вероятно, обуславливается спецификой породных свойств животных.

- Скармливание льняного жмыха способствует снижению содержания ТМ в организме и продукции крупного рогатого скота.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и одобрены на международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Всероссийского НИИ агролесомелиорации «Агролесомелиорация: проблемы, пути их решения, перспективы» (Волгоград, 2001); на научно-практической конференции «Разработка адаптивных систем и природоохранных технологий производства сельскохозяйственной продукции в аридных районах России» во Всероссийском НИИ орошаемого земледелия (Волгоград, 2003); на научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Оптимизация агроландшафтов, проблемы и перспективы развития агролесомелиорации и защитного лесоразведения» во Всероссийском НИИ агролесомелиорации (г. Волгоград, 2004); Международной научно-практической конференции «Научно-производственное обеспечение развития сельского социума» в ГНУ Прикаспийский НИИ аридного земледелия (с. Соленое Займище Астраханской обл., 2005); на Международных научно-практических конференциях в ГУ Волгоградский НИТИ мясо-молочного скотоводства и переработки продукции животноводства РАСХН: «Системные технологии продовольственного сырья и пищевых продуктов», «Стратегия научного обеспечения развития конкурентоспособного производства отечественных продуктов питания высокого качества», «Современные технологии производства и переработки сельскохозяйственного сырья для создания конкурентоспособных пищевых продуктов» (г. Волгоград, 2003, 2006, 2007).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ. Общий объем публикаций – 5,5 п. л., лично соискателю принадлежит – 2,35 п. л.

Структура и объем работы. Работа изложена на 129 стр. стандартного компьютерного набора, состоит из введения, 4-х глав, заключения, выводов, предложений производству. Библиографический список включает 190 наименований, в том числе 41- иностранных авторов. Материал иллюстрирован 15 рисунками, 44 таблицами.

Содержание работы

Глава 1. Литературный обзор

На основании анализа литературного материала дано представление о природно-ресурсном потенциале, экологической ситуации в г. Волгограде и его пригородной зоне.

В настоящее время загрязнение окружающей среды в промышленных центрах России и зарубежья приобрело катастрофические масштабы (Андерсон Дж, 1985, , 1990, Данилов-, 1999, , 2002 и др.). Не является исключением и крупный промышленный центр Нижнего Поволжья – г. Волгоград. Экологическая ситуация по данным Комитета охраны природы Администрации Волгоградской области: объем выбросов в атмосферу в г. Волгограде составляет 226,9 тыс. т/год, объем сточных вод, поступающих в водные объекты достигает 206,5 млн. м3. Особую опасность для экологической обстановки в г. Волгограде (его южной части) представляют пруды – испарители и пруды – накопители жидких отходов, оказывающие загрязняющее воздействие на площадь 720 км2. Большое влияние на состояние окружающей среды г. Волгограда и его пригородной зоны оказывают отходы производства и потребления, ежегодно их образуется около 2,0 млн. тонн, а выбросы от транспорта составляют 100,9 тыс. тонн. Накопленный негативный экологический потенциал на промышленных территориях г. Волгограда отрицательно сказывается на здоровье населения.

На основании литературных данных рассмотрена существующая классификация тяжелых металлов по степени их опасности и влияния на окружающую среду, здоровье человека и животных. (, 1987; , , 1995; , , 2001; , , 2002; , , 2002 и др.).

По статистическим и литературным данным рассмотрено состояние скотоводства в России и Волгоградской области. Изучены способы детоксикации почвы, кормов и мясо-молочной продукции при контаминации тяжелыми металлами (, 1997; , 1998; , 1999; ,1999; , 2003; , 2004; Могилев С. В., 2005 и др.).

В связи с этим исследования, направленные на предотвращение загрязнения окружающей среды, уменьшения поступления опасных токсикантов – ТМ в растения, организм теплокровных, и разработка методов их выведения являются очень актуальными и своевременными. Эти вопросы в регионе Нижнего Поволжья недостаточно изучены.

Глава 2. Материалы и методы исследований.

Исследования выполнены в период с 2002 по 2007 гг. в хозяйствах , агрофирме «Обломово», расположенных в пригородной зоне г. Волгограда. Эти хозяйства расположены на расстоянии менее 10 км от нефтехимических предприятий южной промзоны г. Волгограда. На их территории сосредоточено поголовье 3-х пород крупного рогатого скота молочного направления численностью более 1200 голов. Молоко этих хозяйств поступает на молокозавод № 3 г. Волгограда и в торговую сеть. Схема исследований представлена на рис. 1.

Наиболее распространенными почвами на территориях сельхозпредприятий, где проводились исследования, являются светло-каштановые в комплексе с солонцами – от 10 до 50%. Обследование почв проводили в гг., образцы почв для определения ТМ отбирались с глубины 0-20 см и 40-50 см на пастбищах, где выпасалось поголовье крупного рогатого скота в летний период и с посевов кормовых культур, которые заготавливались в хозяйствах: люцерна, ячмень, овес, горох, посевы многолетних трав, озимая рожь.

Содержание ТМ (Cd, Pb, Hg, Zn, Cu, Ni, Fe) и As определяли в системе почва – вода – корма – животное (КРС) – продукты питания человека (молоко, мясо). Анализы почв и кормов проводили в ФГУ ЦАС «Волгоградский испытательный центр пищевой и сельскохозяйственной продукции, кормов и комбикормов, почв». Для определения рН использовали потенциометр АПУ-ОФ, сырой протеин определяли по Къельдалю, сырой жир – по Сокслету, сырую клетчатку – по Генненбергу и Штоману, каротин – колориметрическим методом при помощи ФЭК, кальций – объемным методом, молочную, масляную, уксусную кислоту в силосе – методом Леппера-Флига, содержание ТМ на атомно-абсорбционном спектрофотометре фирмы «Selmi». Содержание ТМ контролировали крови, шерсти, молоке и продуктах убоя 3-х молочных пород крупного рогатого скота. Технологические свойства молока и мяса определяли в комплексно-аналитической лаборатории ГУ Волгоградский НИТИ мясо-молочного скотоводства и переработки продукции животноводства Россельхозакадемии. Отбор проб питьевой воды, используемой в животноводстве пригородной зоны, проводили согласно ГОСТ , анализировали отобранные пробы атомно-адсорбционнным методом.

Рис. 1 Схема исследований

При проведении химических анализов осуществляли контроль точности измерений путем проведения оперативного анализа сходимости, воспроизводимости и погрешности (Р=0,95, n=2). Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета прикладных программ на ЭВМ.

В процессе выполнения работы было проанализировано 30 образцов почвы по 26 показателям; 22 образцов воды по 18 показателям; 98 образцов корма, представленного 26 видами растений, по 17 показателям; 55 образцов крови по 17 показателям; 18 образцов шерсти по 40 показателям; 34 образцов продуктов убоя по 12 показателям; 76 образцов молока по 57 показателям.

Глава 3. Результаты собственных исследований

3.1. Содержание ТМ в пригородной зоне г. Волгограда.

3.1.1. Содержание ТМ в атмосферном воздухе

Воздух г. Волгограда, и особенно его южной части, перенасыщен частицами тяжелых металлов. Это можно считать результатом деятельности промышленных предприятий, приводящей к загрязнению атмосферного воздуха их выбросами: -ВНП», , технического углерода». Вторичным источником загрязнения атмосферного воздуха являются пруды-накопители и испарители. В гг. по хлористому водороду превышения ПДК достигали 1,45-1,95 ПДК, по аммиаку – 1,25 ПДК. Вместе с производственной пылью в воздух, далее в водоемы, в почвы, в растения попадают ТМ. По уровню содержания ТМ в атмосферном воздухе в гг. превалируют цинк (до 3,90 мкг/м3), железо (8,0), медь (0,31), марганец (0,81).

3.1.2. Содержание ТМ в почве.

Результаты анализов выявили некоторое превышение существующих предельно допустимых концентраций, причем в большей степени под посевами кормовых культур: 1,22 ПДК по цинку, 1,1 ПДК – никелю, 1,12 – по меди. Это можно отчасти объяснить тем, что в процессе многолетнего возделывания сельскохозяйственных культур применяют различные ядохимикаты, удобрения, гербициды и др. химические вещества. Кроме того, пахотные земли подвергаются техногенному загрязнению за счет механического износа сельскохозяйственных машин и механизмов, выхлопов транспортных средств, в которых содержатся Mn, Ni, Cr, Zn, Co, V и др.

3.1.3. Содержание ТМ в водных источниках, используемых для водопоя крупного рогатого скота и полива кормовых культур

Загрязнение воды, наряду с загрязнением почв, воздуха, растений, приводит к избыточному накоплению токсикантов в продукции животноводства, в том числе и тяжелых металлов. Ведь питьевая вода для животноводства нужна в значительных количествах – суточная норма потребления лактирующими коровами составляет 50-70 литров. Для выявления возможности получения экологически безопасных продуктов животноводства в пригородном Светлоярском районе было проведено исследование источников природной питьевой воды, применяемой для водопоя крупного рогатого скота в зимний и летний периоды содержания.

Пробы воды были взяты из 3-х источников (2-х поверхностных: Волго-Донского канала, водозабора – без очистки, применяемой для водопоя в зимний период; пруда – используемого для водопоя в летний период; подземного родника, предназначенного для водопоя спортивных лошадей и частично крупного рогатого скота).

Содержание цинка, никеля и меди было существенно ниже ПДК. В то же время, отмеченное в воде повышенное содержание хлоридов (1,4-3,3 ПДК) и железа на уровне ПДК при систематическом употреблении ее животными может неблагоприятно отразиться на их состоянии, вызвать болезни органов кровообращения, пищеварения и мочеполовой системы. То есть необходимы мероприятия, улучшающие качество питьевой воды для получения экологически безопасной продукции животноводства.

Рис.2. Содержание среднеопасных тяжелых металлов в компонентах экосистем (пищевой цепи лактирующих коров пригородной зоны Волгоградской агломерации) Условные обозначения: Почвы: 1 – злаковое пастбище; 2 – посевы многолетних кормовых культур; Водные источники: 3 – Волго-Донской канал; 4 – пруд; 5 – родник; Корма: 6 – трава злакового пастбища; 7 – сено озимой ржи; 8 – сено люцерны; 9 – солома ячменная; 10 – ячмень дробленый; 11– сенаж овсяно-гороховый; 12 – пивная дробина; Кровь: 13 – кровь; Молоко: 14 – летний (пастбищный) период; 15 – зимний (стойловый) период

3.1.4. Содержание ТМ в кормах, выращиваемых в пригородной зоне. Наибольшее загрязнение кормов происходит в пастбищный период. В питании же человека поверхностное загрязнение растений тяжелыми металлами не играет существенной роли, поскольку их перед употреблением очищают и моют. Иначе дело обстоит с животными, которые поедают загрязненный поверхностно подножный корм или заготовленное из него сено. В этом случае ТМ, как отмечает (1991), осевшие в пыли, следует рассматривать как часть потока, поступающего в пищевую цепь.

Особо опасные и токсичные металлы (Cd, Pb, и Hg) и мышьяк в кормах не превышают установленных ПДК. В то же время в кормах зимнего рациона обнаружено превышение железа (3 ПДК в пивной дробине) и цинка – 2 ПДК, в сенаже никеля 1,3 ПДК. В траве пастбищ также превышено содержание никеля и железа, соответственно до 2,8 ПДК и 1,7 ПДК. (табл. 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов и мышьяка в кормах пригородной зоны

г. Волгограда (мг/кг сухой массы корма)

Вид корма	Металлы
Hg	As	Cd	Pb	Zn	Cu	Ni	Fe
Сено озимой ржи	0,01± 0,001	0,028± 0,0002	0,02± 0,002	0,35± 0,02	12,2± 0,04	3,7± 0,06	0,80± 0,01	127,2± 0,35
Сено люцерны	н/обн	0,032± 0,0001	0,09± 0,002	0,40± 0,03	10,0± 0,09	9,0± 0,03	1,30± 0,08	177,0± 0,63
Солома ячменная	0,01± 0,001	0,028± 0,002	0,02± 0,001	0,30± 0,02	9,7± 0,03	2,0± 0,04	1,10± 0,06	130,1± 0,39
Сенаж (овсяно-гороховый)	0,01± 0,001	0,020± 0,002	0,03± 0,001	0,14± 0,01	11,7± 0,05	2,0± 0,05	3,92± 0,04	122,5± 0,23
Ячмень (дробленый)	0,01± 0,001	0,032± 0,0002	0,02± 0,001	0,30± 0,02	25,2± 0,32	5,1± 0,03	1,0± 0,01	102,8± 0,32
Пивная дробина	н/обн	0,026± 0,002	0,03± 0,002	0,50± 0,03	104,0± 0,52	9,5± 0,03	0,90± 0,02	343,7± 16,2
Трава злакового пастбища	н/обн	0,02± 0,001	0,02± 0,001	0,13± 0,01	9,4± 0,05	2,0± 0,14	7,00± 0,08	131,5± 2,6
Трава злаково-разнотравного пастбища	н/обн	0,03± 0,001	0,01± 0,001	0,04± 0,001	6,9± 0,08	1,1± 0,06	8,84± 0,03	176,9± 2,2
Злаково-бобовая травосмесь	0,01± 0,001	0,02± 0,001	0,03± 0,002	0,14± 0,01	11,7± 0,04	2,6± 0,08	3,92± 0,04	122,5± 0,35
ПДК	0,05	0,5	0,2	2,0	50	30	3,0	100

3.1.5. Концентрация ТМ в организме крупного рогатого скота (крови, волосяном покрове, продуктах убоя).