Источники и стоки тяжелых металлов в антропогенно измененных экосистемах (на примере ивановской и костромской областей)
На правах рукописи
ЖУРАВЛЁВА НАТАЛИЯ ИВАНОВНА ИСТОЧНИКИ И СТОКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ ИВАНОВСКОЙ И КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТЕЙ) Специальность 03.02.08 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Иваново 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Ивановский государствен ный химико-технологический университет” на кафедре Промышленной экологии (г. Иваново) Гриневич Владимир Иванович
Научный консультант:
доктор химических наук, профессор, заведующий ка федрой Промышленной экологии, Ивановский госу дарственный химико-технологический университет Официальные Базанов Михаил Иванович доктор химических наук, профессор, заведующий кафед оппоненты:
рой Аналитической химии, Ивановский государственный химико-технологический университет Шварва Ирина Станиславовна кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры Безопасности жизнедеятельности, экологии и химии, Ковровская государственная технологическая акаде мия имени В.А. Дегтярева Федеральное государственное бюджетное образова
Ведущая организация:
тельное учреждение высшего профессионального обра зования «Российский химико-технологический универ ситет имени Д.И. Менделеева» (г. Москва)
Защита состоится « 17 » июня 2013 г. в часов в аудитории на заседании сове та по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соиска ние ученой степени доктора наук Д 212.063.02 в Ивановском государственном хи мико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгель са, 7.
e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Эн гельса, 10.
Автореферат разослан «_» _ 2013 г.
Отзывы просим направлять по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Фр. Энгельса 7, Ива новский государственный химико-технологический университет, Диссертационный совет Д 212.063. e-mail: [email protected], [email protected], факс: (4932) Учный секретарь диссертационного совета, д.т.н., доцент Гришина Е.П.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В условиях нарастающего ухудшения экологической ситуации все большее внимание привлекает проблема загрязнения биосферы тяж лыми металлами. Поступая из различных источников: выпадения атмосферных осадков (с учтом трансграничного переноса), выбросы отработанных газов авто транспорта и промышленных производств, тяжлые металлы (ТМ) способны накап ливаться в почвах в концентрациях, превышающих фоновый уровень. Большая часть элементов, поступающих в почву, включая ТМ, остатся в подвижной форме и участвует в естественных биохимических циклах. Большинство ТМ являются ку мулятивными ядами, то есть, постепенно накапливаются в живых организмах, пре имущественно в печени, поскольку скорость их естественного выведения очень низкая.
Сырьевой базой производства большинства продуктов питания для человека является сельскохозяйственная продукция, безопасность и качество которой опре деляется, в том числе, и степенью загрязнения компонентов окружающей среды.
Отметим, что имеется большое количество результатов исследований по установ лению зависимости состояния здоровья населения от степени загрязнения различ ных компонентов окружающей среды (в частности, атмосферного воздуха, воды), техногенной нагрузки, неблагоприятных условий проживания и несбалансирован ного питания.
Вместе с тем, несмотря на наличие информации о загрязнении экотоксикан тами объектов биосферы (воздух, вода, почвы), уровень содержания ТМ в пищевом сырье и продуктах питания, производимых непосредственно в Ивановской и Ко стромской областях, а также и степень их влияния на состояние здоровья населения указанных регионов практически неизвестны.
Поэтому оценки уровней воздействия на естественные и антропогенно изме ненные экосистемы, а также выявление уровня загрязнения ТМ объектов окружа ющей среды, используемых в производстве сельскохозяйственной продукции, са мой этой продукции: молока и мяса крупного рогатого скота (КРС), определение и анализ экологического риска при употреблении в пищу указанных продуктов явля ются актуальной задачей.
Цель данной работы - выявление уровней загрязнения антропогенно изме ненных экосистем ТМ, оценка коэффициентов биоаккумуляции в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения Ивановской и Костромской областей.
Для достижения этих целей были выполнены:
- экспериментальные измерения содержания ТМ в снежном покрове, дождевой во де, почве, произрастающих на ней многолетних травах и питьевой воде, используе мых в рационе КРС;
- исследование содержания ТМ в мясе, почках, печени и молоке крупного рогатого скота (КРС) в рассматриваемых сельскохозяйственных предприятиях;
- оценка коэффициентов биоакумуляции ТМ в трофической цепи и расчет рисков здоровью населения.
Новизна исследования заключается в следующем: 1) впервые для Иванов ской и Костромской областей установлены критериальные загрязнители окружаю щей среды, а именно атмосферы (Cu, Zn), артезианской воды (Cu, Zn, Fe), почвен ного покрова (Fe, Cr, Cu, Ni);
2) впервые для многолетних трав, произрастающих на территории Ивановской и Костромской областей, определены коэффициенты био аккумуляции, которые оказались максимальными для Cr (0.5-1.0), Ni (0.2-0.8) и Zn (0.2-0.4). Минимальные коэффициенты биологического поглощения характерны для Fe и Mn;
3) установлено, что основными каналами поступления организм КРС Zn и Cu являются вода и травы, а Cd – кормовые добавки;
4) впервые выполнены оценки пожизненного индивидуального риска смерти (методика Гарвардского уни верситета) при употреблении животноводческой продукции (3 и 4 ранг), а также впервые для жителей Ивановской и Костромской областей рассчитаны популяци онные риски и экономический ущерб от вероятной смерти при употреблении мяса и молока.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для прогноза изменения качества антропогенно измененных экосистем, а также для эколого-экономического обоснования необходимости разви тия АПК рассматриваемых регионов с мясо-молочным направлением производства.
Предложенная методика по расчту вероятного ущерба от смертности насе ления и/или от ухудшения качества его жизни может быть использована для обос нования затрат на проведение природоохранных мероприятий, а также мер для обеспечения безопасности населения органами, уполномоченными в области защи ты здоровья и обеспечения благополучия населения России.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивалась использовани ем современных методов исследований и обработки результатов, выполненных в соответствии с действующей нормативной документацией (ГОСТ, СанПиН, ГН, МУК и др.), проверкой их на воспроизводимость, а также отсутствием противоречий с теми сведениями, которые были известны ранее.
Личный вклад автора. Анализ литературных источников, выбор объектов ис следований с учетом их специфики, экспериментальные исследования выполнены лично автором. Постановка цели и задач исследования, интерпретация и анализ по лученных результатов, формулирование основных выводов диссертационной рабо ты, проведены соискателем и совместно с научным руководителем.
Публикация и апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Со временные проблемы экологии», г. Тула, 2007;
на Международных научно практических конференциях «Проблемы экологии в современном мире в свете уче ния В.И. Вернадского», г. Тамбов, 2010;
«Экология. Риск. Безопасность», г.Курган, 2010;
«Экологическая безопасность и устойчивое развития территорий», г. Чебок сары, 2011;
на XIII Международной научно-технической конференции «Науком кие химические технологии - 2010», г. Иваново, 2010;
на VIII Региональной студен ческой научной конференции с международным участием “Фундаментальные науки - специалисту нового века”, г. Иваново, 2010;
на Международных научно методических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития аг ропромышленного комплекса», Иваново, 2007, 2008, 2010, 2011гг.
По результатам исследований опубликовано 13 работ, включая 4 статьи из пе речня журналов, рекомендованных ВАК.
Объм диссертации. Диссертация изложена на 127 стр., содержит 20 табл., рис. и состоит из введения, литературного обзора, методик исследований, обсужде ния результатов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассмотрены основные источники загрязнения и факторы, влияющие на состояние естественных и антропогенно измененных экосистем.
Установлено, что в настоящее время тяжелые металлы (ТМ) являются критериаль ными загрязнителями природных объектов. Рассмотрены механизмы аккумуляции тяжелых металлов в объектах окружающей среды и в живой клетке. Показано, что изучение процессов миграции и трансформации рассматриваемых токсикантов яв ляется не только актуальным, но и обязательным как для улучшения состояния жизненно важных объектов окружающей среды, так и для повышения безопасности населения исследуемых регионов России.
Во второй главе рассмотрено методическое обеспечение эксперимента, опи саны реактивы и материалы, использованные в экспериментальной части работы. В ней отмечено, что исследования выполнялись в 2006-2010 гг.
Приведены сведения об объектах исследований: физико-географическая ха рактеристика территорий расматриваемых сельскохозяйственных предприятий из Приволжского, Фурмановского и Ивановского районов Ивановской области и Ко стромского района Костромской области, с указанием потенциальных источников поступления в окружающую среду загрязняющих веществ.
Все наблюдения и измерения проводили по общепринятым методикам. От бор и пробоподготовку образцов проводили совместно с сотрудниками лаборатории кафедры «Промышленной экологии» ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» методами, преду смотренными ГОСТ 26929-94. Анализ проб снежного покрова (талой воды), почв, растений и продукции животноводства (мяса, печени, почек и цельного сырого мо лока крупного рогатого скота) проводили в лаборатории ФГБОУ ВПО ИГХТУ и ИЦ «Качество». Содержание металлов Cu, Fe, Mn, Cr, Ni, Сd, Zn, Pb определяли атомно-абсорбционным методом (спектрофотометр «Сатурн»).
Случайная погрешность измерения (доверительная вероятность 0,95) не пре вышала 25 %, а относительная погрешность измерения по стандартным методикам не превышала 20 %.
В третьей главе проводится обсуждение полученных экспериментальных данных.
Раздел 3.1. Загрязнение тяжелыми металлами объектов окружающей среды.
Загрязненность атмосферных осадков является отражением степени антро погенного воздействия на окружающую среду.
В пробах снежного покрова, отобранных на исследование в 2006 г. выявлено повсеместное превышение установленных нормативов качества воды по Cu, Ni, Mn, Fe, зафиксировано повышенное содержание Zn, в образцах снега из Ивановского района Ивановской области обнаружен Cr (на уровне 0,8 ПДК.). Содержание кад мия, свинца и кобальта в образцах талой воды находилось на уровне ниже предела обнаружения.
Исследования 2010 г. также как и в предыдущий период выявили превыше ние установленных нормативов по Cu, Zn, Mn, Fe. В данный период во всех иссле дуемых пробах обнаружен Pb, его содержание также превышает ПДК. в 2-3 раза. Cr, Ni, Сd и Co обнаружены не были, т.е. их содержание в исследуемых пробах нахо дилось на уровне ниже предела обнаружения данной методики.
Ингредиентный состав тяжелых металлов в пробах дождевой воды, получен ных в разные периоды в исследуемых районах не постоянен, содержание элементов изменяется как по периодам отбора проб, так и по районам исследования.
Результаты исследований показали отсутствие во всех пробах Cd, Pb, Co и Cr, но зафиксировано превышение ПДК во всех исследуемых образцах по Cu (до ПДК) и Zn (до 7,5 ПДК).
Наиболее высокие концентрации в дождевой воде Cu зафиксированы повсе местно в пробах, отобранных в осенний период (сентябрь - октябрь), минимальные - в весенне-летний период (май - июнь). Наибольшая концентрация Zn (7,5 ПДК) обнаружена в пробе воды, отобранной летом в Приволжском районе, наименьшая (на уровне ПДК) - осенью в Ивановском районе.
Таким образом, результаты измерений показали, что критериальными за грязнителями атмосферы рассматриваемых регионов, являются металлы второго (Cu) и третьего (Mn, Zn) классов опасности, основным источником которых являет ся антропогенный. Атмосферные выпадения дают существенный вклад в загрязне ние почвенного покрова Ивановской и Костромской областей.
Источником поступления в организм тяжелых металлов могут быть и при родные воды. Для поения крупного рогатого скота (КРС), в рассматриваемых райо нах используется вода, получаемая из собственных артезианских скважин, глубина которых различается незначительно и составляет в среднем 46 м.
Результаты исследований проб воды на содержание токсичных элементов указыва ют, что вода из Фурмановского и Ивановского районов Ивановской области соответству ет санитарно-гигиеническим требованиям.
В воде из с/х предприятии из Костромского района Костромской области зафикси ровано превышение установленных нормативов по Mn (на уровне 1,3 ПДК.) и Fe (1, ПДК.), из Приволжского района Ивановской области – только по Fe (2,2 ПДК.). Концен трация марганца в пробах воды из всех районов Ивановской области составила менее 0, мг/л, что соответствует установленным нормативам.
Максимальное содержание меди в пробах воды зафиксировано в образцах из Фур мановского района (0,22 ПДК.), минимальное содержание данного элемента зафиксиро вано в воде из Ивановского района (менее 0,1 ПДК.). Максимальный уровень загрязне ния воды цинком отмечен в пробах из Костромского района (на уровне ПДК.), мини мальный - из Фурмановского района (менее 0,1 ПДК.).
Загрязненность почвы. Все основные циклы миграции тяжлых металлов в биосфере (водные, атмосферные, биологические) начинаются в почве, потому что именно в ней происходит мобилизация металлов и образование различных мигра ционных форм. Почвы являются природными накопителями тяжлых металлов в окружающей среде и основным источником загрязнения сопредельных сред, вклю чая высшие растения.
Механизм взаимодействия токсикантов с составными элементами экосистем к настоящему времени в достаточной степени не изучен. Можно предположить, что такие критериальные ксенобиотики, изучаемые нами, как ТМ взаимодействуют с почвенной системой следующим образом. Гуминовые и фульвоксилоты содержат функциональные группы, способные образовывать довольно прочные связи с ТМ по салицилатному (а) (с участием карбоксильной группы и фенольного гидроксила) и фталатному (б) типу:
Результаты выполненных нами исследований свидетельствуют, что почвы земель сельскохозяйственного назначения не значительно загрязнены валовыми формами тяжлых металлов, это характерно для всех исследуемых нами районов (табл.1.).
Таблица Содержание тяжелых металлов (валовое) в почве сельскохозяйственных угодий, мг/кг Металл Приволжский Фурмановский Ивановский Костромской ПДКп* район район район район P=0, 12,0 – 12,3 24,2 – 41,7 10,5 – 11,7 6,0 – 20, Cu 3, 12,2 32,9 16,4 13, 23,7 – 128,6 21,0 – 100,0 114,3 – 163,1 57,1 – 58, Zn 23, 76,2 60,5 138,7 57, н/о н/о 0,001 – 1,5 н/о Cd 2,0** 0, н/о н/о 0,001 – 16,1 0,001 – 6, Pb 32, 8,1 3, 5,0 – 5,1 1,2 – 4,6 4,7 – 9,3 0,001 – 3, Co 5, 5,05 2,9 7,0 1, 16,1 – 16,7 16,7 – 23,9 13,7 – 14,6 12,5 – 23, Ni 4, 16,4 20,3 14,15 18, 800,0 – 816,9 409,1 – 603,6 295,5 – 568,2 272,7 – 1145, Mn 1500, 808,5 506,4 431,9 709, 0,3 – 3,13 0,7 – 1,5 0,9 – 2,1 0,8 – 1, Cr 0, 1,9 1,2 1,6 1, 2720,6 – 5000,0 3437,5 – 4221,4 3562,8 – 6250,0 3750,0 – 4750, Fe 20, 3860,3 3829,5 4906,4 4250, *- Предельно допустимая концентрация химических веществ в почве;
** - Ориентировочно допустимая концентрация химических веществ в почве Содержание ТМ в почвах также существенно превышает допустимые номы, например по Fe (до 250 ПДК), Cr (до 63 ПДК), Cu (до 8 ПДК) и Ni (до 6 ПДК). Не значительные превышения ПДК по Co выявлено в пробах почв Приволжского (на уровне ПДК) и Ивановского (1,9 ПДК) районов Ивановской области. Высокое со держание Zn обнаружено в образцах почвы Приволжского (1,3 ПДК) и Ивановско го (7 ПДК) районов, а также в почве Костромского района (2,5 ПДК), наличие Cd зафиксировано только в пробах почвы Ивановского района (0,75 ПДК) а Mn зафик сирован во всех исследуемых образцах почвы на уровне до 0,8 ПДК.
Следовательно наиболее высокие концентрации высоко опасных металлов (Zn, Cd и Pb) зафиксированы в почвах тех районов, которые расположены в непо средственной близости от областных центров, в которых и сосредоточены в основ ном промышленные предприятия регионов.
Оценка уровня химического загрязнения почв, как индикатора неблагоприят ного воздействия на здоровье населения, проводился по показателям: 1) коэффици ент концентрации химического вещества (Кс), который определяется отнесением С его реального содержания в почве (С) к фоновому (Сф): Кс (1);
2) суммарный Сф показатель загрязнения (Zc):
n ( Ксi... Ксn ) ( n 1), (2) Zс i где: n - число определяемых суммируемых вещества;
Ксi – коэффициент концен трации i-го компонента.
Таблица Уровень химического загрязнения почв сельскохозяйственных предприятий, мг/кг Металл Приволжский Фурмановский Ивановский Костромской Сф район район район район С Cu 15, 12,3 1,8 41,7 6,25 11,7 1,75 20,0 3, Кс 0,80 2,72 0,95 1, С Zn 41, 128 38 100 31 163 3,1 58,3 8, Кс 3,11 2,42 3,95 1, С Cd - - - 0, 1,5 0, Кс - - 2,14 С Pb - - 11, 16,1 4,8 6,3 1, Кс - - 1,4 0, С Co 8, 5,1 0,8 4,58 1,14 9,3 1,4 3,33 0, Кс 0,61 0,54 0,11 0, С Ni 23, 16,67 4,17 23,9 3,3 14,58 3,65 23,8 3, Кс 0,72 1,03 0,63 1, С Mn 715, 816 204 603 120 568 113 1145 Кс 1,14 0,84 0,79 1, С Cr 180, 3,1 0,6 1,5 0,3 2,1 0,4 1,3 0, Кс 0,02 0,01 0,01 0, С Fe 1180* 5000 1750 4221 633 6250 2187 4750 Кс 4,24 3,58 5,30 4, Zс 3,64 4,14 6,28 2, С – концентрация элемента в почве;
Кс – коэффициент концентрации хими ческого вещества;
Сф – содержание элемента в фоновой почве (дерново подзолистой почве ЦФО), * - подзолисто-глеевые ).
В соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 по всем изучаемым тяжелым метал лам загрязнение почв сельскохозяйственных предприятий рассматриваемых райо нов относится к допустимому уровню загрязнения, т.е. рассматриваемые почвы мо гут быть использованы для возделывания любых культур.
Загрязненность многолетних трав.
Растения извлекают тяжелые металлы из глубоких слоев почвы и накапливают их в корнях, стеблях, листьях, репродуктивных органах. Тяжелые металлы поглощаются в виде ионов, хелатов или комплексов и включаются в растительную массу или накапли ваются в вакуолях. Большинство ТМ, за исключением ртути, поступают из водной фазы почвы. Cd и Zn поглощаются растениями в растворимых, а Pb – в нерастворимых (фос фаты, карбонаты, гидроксиды) формах. Известна способность растений стимулировать поступление ТМ в корень путем подкисления ризосферы H+, а также экссудацией мала та, цитрата и других органических кислот. Главный путь поступления ТМ в растение – через корни, однако отмечена также способность надземных органов легко поглощать некоторые ТМ.
Наиболее вероятный механизм поступления, например свинца и кадмия, представлен на рис. 1.
МеО + Н+ Ме2+ Образование нераствори- Адсорбция на глинистых Комплексообразование с мых соединений минералах гумусовыми кислотами MeСО3, Ме3(РО4)2, МеSO4 и др.
Ме2+ Почвенный раствор растения Рис.1 Механизм поступления тяжелых металлов в растения.
Многолетние травы, произрастающие на территории с/х предприятий Иванов ского района Ивановской области характеризуются наиболее широким качествен ным составом ТМ. Только в этих пробах обнаружены Pb и Со, но их содержание не превышает установленных нормативов.
Превышение установленных нормативов зафиксировано только по Ni (до ПДК) и Cr (на уровне 3 ПДК), причем данные превышения относятся к значениям максимально допустимых уровней содержания данных элементов в грубых и соч ных кормах.
В целом, наиболее высокие концентрации ТМ зафиксированы в образцах растений из Ивановского и Костромского районов, что, по-видимому, объясняется более высокой сте пенью загрязнения почв, вследствие большей техногенной нагрузки на эти районы.
Зависимость между содержанием элемента в растении и почве характеризуется коэф фициентом биологического поглощения (Кб), под которым понимают отношение содер жания элемента в золе растения (Ср) к его содержанию в почве (С):
Ср Кб (3).
С Рассчитанные значения коэффициентов биологического поглощения ТМ растениями, можно расположить в ряды по мере их убывания:
Ni Cr Zn Cu Mn Fe на предприятии Приволжского района;
Cr Ni Zn Mn Cu Fe – Фурмановского района;
Cr Ni Cu Zn Mn Fe - Ивановского района;
Cr Ni Zn Cu Mn Fe – Костромского района.
Максимальные коэффициенты биоаакумуляции многолетними травами при сущи Cr (0.5-1.0) и Ni (0.2-0.8), а минимальные Mn и Fe, что не противоречит име ющимся в литературе данным по коэффициентам поглощения ТМ растительностью (рис.2).
Cu коэффициент биологического Zn Cd Pb поглощения Co Ni Mn Cr Fe Приволжский Фурмановский Ивановский Костромской районы Рис.2. Коэффициент биологического поглощения ТМ многолетними травами, про израстающими на обрабатываемых угодьях сельскохозяйственных предприятий.
3.2. Загрязнение тяжлыми металлами животноводческой продукции.
Сельскохозяйственных животных в агропромышленном производстве продук тов животноводства можно рассматривать как «биологический фильтр» для челове ка, ограничивающий избыточное поступление экотоксикантов из окружающей сре ды.
На переход загрязнителей в продукцию животноводства большое влияние имеют условия содержания и кормления животных. Содержание животных в рас сматриваемых с/х предприятиях стойловое, привязное, основу кормового рациона составляют корма собственного приготовления с добавлениями премиксов и раз личных пищевых добавок в с/х предприятиях из Ивановского и Костромского рай онов, незначительным их включением в кормовой рацион Фурмановском районе, в хозяйстве Приволжского района добавки применяют крайне редко. Во всех рас сматриваемых хозяйствах кормовой рацион значительно варьируется в зависимости от времени года. В весенне-летний период в рационе преобладают сочные корма (зеленая масса, силос), а в осеннее-зимний – грубые корма (сено, сенаж) и корне- и клубнеплоды. Исходя из существенных различий в рационах, наши исследования содержания ТМ в продукции животноводства проводились летом (отбор проб осу ществляли в августе) и зимой (отбор проб – в январе-феврале) с 2006 по 2010 гг.
Полученные результаты исследований продукции животноводства в различ ные сезоны отличаются довольно существенно. В образцах продукции, отобранной на анализ в летний период, зафиксировано более высокое содержание металлов, чем в продукции, полученной зимой. Данный факт можно объяснить меньшей упи танностью животных, а следовательно, преобладанием в мышцах соединительной и хрящевой тканей, которые, могут накапливать тяжелые металлы при условии не сбалансированного кормления. Отметим, что содержание соединений As и Hg в об разцах мяса, печени, почек и молока находилось на уровне ниже предела обнару жения использованной методики, 0,025 мг/кг и 0,003 мг/кг соответственно.
Исследуемые образцы печени и почек по показателям безопасности (содержа нию Pb и Cd) полностью соответствуют требованиям нормативной документации, повышенное содержание в субпродуктах зафиксировано только для Сu и Fe. Одна ко, в целом содержание ТМ в данной продукции выше, чем в мясе и молоке.
Мясо крупного рогатого скота, исследуемое в зимние периоды по показателям безопасности также соответствует санитарно-гигиеническим требованиям, зафик сировано лишь повышенное содержание Cu (до 3 ДУ). В образцах, отобранных на исследование летом в с/х предприятиях Приволжского и Ивановского районов были обнаружены в высоком количестве Cd и Pb, до 2 ДУ и на уровне ДУ, соответ ственно.
Содержание Pb и Cd в образцах сырого цельного молока, анализируемых в зимний период в целом не превышает уровней, установленных санитарно гигиеническими нормами. Исследования показали превышение допустимого уровня содержания Cd (до 2,3 ДУ) в «летних» пробах молока из Фурмановского и Иванов ского районов Ивановской области, а также Костомского района Костромской об ласти. Концентрация Pb в анализируемых пробах молока в целом также максималь на в «летний» период и минимальна – зимой. В молоке, полученном летом повсе местно зафиксировано повышенное содержание Cu (до 3ДУ).
В сравнении с результатами других авторов видно, что общая тенденция бо лее высокого содержания ТМ в субпродуктах (печени и почках) крупного рогатого скота по сравнению с мясом наблюдается и в нашем случае (рис. 3-6) а) летние пробы б) зимние пробы 0, 0, Cu* Cu* 0, 0, концентрация, мг/кг концентрация, мг/кг Fe* 0, Fe* 0, 0, Zn* Zn* 0, 0, Mn 0,4 Mn 0,3 Cd 0, Cd 0, Pb Pb 0, 0, мясо почки печень молоко мясо почки печень молоко Рис. 3. Содержание металлов в продукции животноводства из Приволжского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз) а) летние пробы б) зимние пробы 0,7 0, Cu* Cu* 0, 0, 0, Fe* Fe* концентрация, мг/кг концентрация, мг/кг 0,5 0, Zn* Zn* 0, 0, Mn 0, Mn 0, 0, Cd Cd 0, 0, Pb Pb 0, 0, 0, 0 мясо почки печень молоко мясо почки печень молоко Рис. 4 Содержание металлов в продукции животноводства из Фурмановского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз) а) летние пробы б) зимние пробы 0,8 0, Cu* Cu* 0,7 0, Fe* Fe* концентрация, мг/кг концентрация, мг/кг 0, 0, Zn* Zn* 0, 0, Mn Mn 0, Cd 0, Cd 0, Pb 0, 0, Pb 0, 0, 0 мясо почки печень молоко мясо почки печень молоко Рис. 5. Содержание металлов в продукции животноводства из Ивановского района Ивановской области (* - с учетом разбавления в 100 раз) а) летние пробы б) зимние пробы 0, Cu* Cu* 2 0, Fe* Fe* 0, концентрация, мг/кг концентрация, мг/кг 1,5 Zn* 0, Zn* 0, Mn Mn 0, Cd Cd 0, Pb Pb 0, 0, 0, мясо почки печень молоко мясо почки печень молоко Рис. 6. Содержание металлов в продукции животноводства из Костромского района Костромской области (* - с учетом разбавления в 100 раз) Учитывая, выше приведенные данные по содержанию ТМ в воде и травах, а также тот факт, что величины ДУдля молока и мяса составляют соответственно (мг/кг) 1.0 и 1.8 (Cu), 5.0 и 75 (Zn), 0.03 и 0.05 (Cd), можно сделать вывод о том, что основными источниками поступления Cu и Zn в организм КРС многолетние травы, а Cd – другие кормовые добавки.
3.3. Оценка экологического риска и его последствий, возникающих при употреблении в пищу исследуемой продукции животноводства.
В настоящее время в России нет жестких законодательных требований по установлению уровней риска, как приемлемого, так и допустимого. По этому были использовали зарубежные методики. Оценивали только экологические риски от употребления в пищу мяса и цельного сырого молока КРС, загрязненных наиболее опасными из рассматриваемых металлов, Pb и Cd.
Результаты полученных оценок степени пожизненного индивидуального риска смерти при употреблении в пищу мяса и молока, содержащих соединений Pb и Cd, показали соответственно, 5 (средний) и 6 (относительно низкий) уровни опасностей по порядковой шкале для ранжирования степени риска смерти, предложенной Гарвардским институтом международного развития. В сравнении с другими видами риска смерти такие уровни опасности характерны для катастрофических явлений природного характера (наводнений, цунами, землетрясений, тайфунов, циклонов, гроз и т.п.). Согласно критериев приемлемости риска Эшби, полученные значения риска имеют 3 ранг (по Pb) и ранг (по Cd), т.е. требуется "детальное обоснование приемлемости риска" в первом случае и "риск приемлем без ограничений" во втором. В соответствии с критериями приемлемости риска, разработанными Минздравом РФ, риск для здоровья человека при возможном употреблении анализируемой нами пищевой продукции, из-за содержания в ней Cd, входит первый диапазон риска, характеризующий такие уровни риска, которые воспринимаются всеми людьми как пренебрежимо малые, не отличающиеся от обычных, повседневных рисков (уровень De Minimus).
Подобные риски не требуют никаких дополнительных мероприятий по их снижению, и их уровни подлежат только периодическому контролю. Значение риска (полученное в наших расчтах) из-за перорального употребления мяса и молока, содержащего соединения Pb, лежит во втором диапазоне. Второй диапазон (индивидуальный риск в течение всей жизни более 10-6, но менее 10-4) соответствует предельно допустимому риску, т.е. верхней границе приемлемого риска. Данные уровни подлежат постоянному контролю.
Здесь необходимо отметить, что шкала, предложенная Гарвардским институ том международного развития, была разработана первоначально для определения степени риска смерти при воздействии на организм человека загрязннного атмо сферного воздуха путм его вдыхания. Поэтому для уточнения степени риска необ ходим его учет на популяционном уровне. Результаты расчта значений популяци онного риска и экономического ущерба от вероятной смерти жителей рассматрива емых регионов России при условии употребления населением в пищу мяса и моло ка КРС только с территории указанных областей приведены в табл. 3.
Таблица Популяционный риск (R popul) и ущербы от вероятной смерти (Yсм) при употреблении в пищу мяса и молока крупного рогатого скота, содержащих свинец и кадмий Rpopul, возможное число смертей Yсм, млн. руб.
Ивановская об- Костромская Ивановская об- Костромская Металлы в:
ласть область ласть область лето зима лето зима лето зима лето зима 2006-2007 гг.
Pb 6 6 14 мясе 38,16 22,26 75,15 20, Cd 6 1 1 Pb 12 11 8 молоке 79,50 54,06 105,21 30, Cd 13 6 13 Итого ( Yсм): 193,98 230, 2009-2010 гг.
Pb 22 8 21 мясе 347,75 90,95 387,59 174, Cd 43 9 28 Pb 29 13 14 молоке 326,35 165,85 553,7 150, Cd 32 18 56 Итого ( Yсм): 930,9 1265, Произвести оценку популяционного риска на основании данных табл. сложно, так как нет критериев для его оценки. Однако, ущерб, наносимый данным риском по шкале приемлемости ущербов можно характеризовать как средний (в 2006-2007 гг.) и высокий (в 2009-2010 гг.).
Экономический ущерб может быть рассчитан не только для случаев вероят ной (возможной) смерти от того или иного риска, но для факта ухудшения качества жизни (при отсутствии летальных исходов) - LLE (сокращение ожидаемой продол жительности жизни – т.е. ухудшение е качества).
Таблица Сокращение ожидаемой продолжительности жизни и ущерба от е сокращения при употреблении в пищу мяса и молока, содержащих свинец и кадмий, LLE и Y LLE, сут./ч Y, млн. руб.
Ивановская об- Костромская об- Ивановская об- Костромская Металлы в:
ласть ласть ласть область лето зима лето зима лето зима лето зима 2006-2007 гг.
Pb 0,06/1,4 0,05/1,2 2,0/48 0,06/1, мясе 0,35 0,22 10,12 0, Cd 0,05/1,2 0,02/0,5 0,02/0,5 Pb 0,11/2,7 0,08/1,9 0,1/2,4 0,08/1, молоке 0,73 0,51 1,5 0, Cd 0,12/2,8 0,08/1,9 0,2/4,8 Итого ( Y): 1,81 12, 2009-2010 гг.
Pb 0,2/4,8 0,08/1,9 0,3/7,2 0,2/4, мясе 3,21 0,86 5,54 2, Cd 0,4/9,6 0,08/1,9 0,4/9,6 0,06/1, Pb 0,3/7,2 0,12/2,9 0,2/4,8 0,2/4, молоке 4,82 1,44 7,91 2, Cd 0,6/14,4 0,15/3,6 0,8/19,2 0,08/1, Итого ( Y): 10,33 17, Рассчитанные ущербы (табл. 4) от сокращения ожидаемой продолжительно сти жизни можно оценить как минимальные (в 2006-2007 гг.) и низкие (в 2009- гг.). Если сравнивать данный ущерб с ущербом от вероятной смертности, то попу ляционный риск является критериальным, его необходимо оценивать и контроли ровать в первую очередь.
Оценнные нами по предложенной схеме величины экономического ущерба от рисков указывают, что масштабы уровня загрязнения мясомолочной продукции в анализируемых хозяйствах Ивановской и Костромской областей относительно не значительны, но уровень загрязнения должен контролироваться органами, уполно моченными в области защиты здоровья и обеспечения благополучия населения России.
Основные результаты и выводы 1. Впервые установлено, что критериальными загрязнителями атмосферы Ива новской и Костромской областей являются Cu (до 30 ПДК.) и Zn (до 30 ПДК.).
2. Показано, что критериальными поллютантами, присутствующими в артези анских природных водах, являются Fe и Mn (Костромской район, до 1.3 ПДК и 1. ПДК соответственно), а для Приволжского района только Fe (2.2 ПДК).
3. Выявлено, что в почвах в наибольших количествах из изучаемых ТМ присут ствуют Fe (до 250 ПДК), Cr (до 63 ПДК), Cu (до 8 ПДК) и Ni (до 6 ПДК).
4. Установлено, что содержание ТМ в многолетних травах в основном не пре вышает максимально допустимых уровней, исключение составляет Ni (до 3 МДУ).
5. Впервые для многолетних трав, произрастающих на территории Ивановской и Костромской областей, определены коэффициенты биоаккумуляции, которые оказались максимальными для Cr (0.5-1.0), Ni (0.2-0.8) и Zn (0.2-0.4). Минимальные коэффициенты биологического поглощения характерны для Fe и Mn.
6. Показано, что содержание ТМ в животноводческой продукции в основном не превышает допустимых значений. Исключение составляет содержание Cu в зимний период времени года в пробах мяса, а в летний – в пробах молока (до 3 ДУ), а так же Cd в летний период в пробах месса и молока (до 2 ДУ). Основным каналом по ступления Cu и Zn в организм КРС являются многолетние травы, а Cd – другие кормовые добавки.
7. Проведены оценки пожизненного индивидуального риска смерти при упо треблении животноводческой продукции (3 и 4 ранг), а также впервые для жителей Ивановской и Костромской областей рассчитаны популяционные риски и экономи ческий ущерб от вероятной смерти при употреблении мяса и молока (в максимуме 330 млн. рубл. для Ивановской области и 1266 млн. рубл. – Костромская область).
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах 1. Журавлва, Н.И. Методика выявления ущерба от вероятной смертности населения из-за употребления мясомолочной продукции, содержащей тяжелые ме таллы/ Н.И. Журавлва, В.И. Гриневич, А.Г. Бубнов. // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2011. – №3 (27) – С. 85-94.
2. Журавлва, Н.И. Экологический контроль уровня загрязнения свинцом и кадмием мяса и молока крупного рогатого скота, производимых сельскохозяй ственными предприятиями Ивановской и Костромской областей/ Н.И. Журавлва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Безопасность в техносфере. 2011 – №3 – С. 13-20.
3. Журавлва, Н.И.Оценка ущерба здоровью населения из-за химического за грязнения воды и продуктов питания. / А.Г. Бубнов, С.А. Буймова, В.И. Гриневич, Н.И. Журавлва // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология, 2013. – Т.56. – Вып.3. – С. 7-12.
4. Журавлва, Н.И. Миграция микроэлементов и тяжелых металлов из кормо вых культур в продукты животноводства/ В.И. Иванов, Л.В. Гуркина, Н.И. Журав лва, Е.А. Кузьменкова, И.И. Кузьменков. //Проблемы региональной экологии. – № 6 - С. 246-251.
5. Журавлва, Н.И. Тяжлые металлы в продукции животноводства Иванов ской области / Н.И. Журавлва. // Материалы I Международной научно практической интернет-конференции «Современные направления в диагностике, профилактике и терапии заболеваний животных»// Вестник ветеринарии. 2011 – №59 - С. 112-113.
6. Журавлва, Н.И. Экологические риски от употребления в пищу продукции животноводства сельскохозяйственных производителей Ивановской и Костромской областей/ Н.И. Журавлва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич, А.А. Чеснокова, М.А. Ба тырь. // Сборник научных статей I Международной научно-практической конфе ренции «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий», г. Чебок сары, 2011. – С. 22- 7. Журавлва, Н.И. Оценка уровня риска для здоровья населения из-за упо требления в пищу продукции животноводства, содержащей соединения тяжлых металлов/ Н.И. Журавлва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Материалы Международ ной научно-практической конференции «Экология. Риск. Безопасность», г. Курган, 2010. – Т.2 – С. 8. Журавлва, Н.И. Уровни загрязнения Pb и Cd мяса и молока крупного рога того скота, производимых в Ивановской и Костромской областях / Н.И. Журавлва, А.Г. Бубнов, В.И. Гриневич. // Материалы Международной конференции «Пробле мы экологии в современном свете учения В.И. Вернадского», г. Тамбов, 2010. – Т. – С. 151-156.
9. Журавлва, Н.И. Уровни загрязнения тяжлыми металлами молока и мяса крупного рогатого скота, производимых сельскохозяйственными предприятиями Ивановской и Костромской областей / Н.И. Журавлва, В.И. Гриневич, А.Г. Бубнов, К.В. Лебедева, Е.А. Васильева. // Материалы XIII Международной научно технической конференции «Наукомкие химические технологии - 2010», г. Ивано во, 2010 – С. 471-472.
10. Журавлва, Н.И. Исследование уровня загрязнения продукции животновод ства тяжлыми металлами в Ивановской области / Н.И. Журавлва. // Сборник ста тей Международной научно-технической конференции «Современные научно практические достижения в ветеринарии», г. Киров, 2010 – В.1 - С. 76-79.
11. Журавлва, Н.И. Экологическая оценка объектов окружающей природной среды – первый шаг к улучшению здоровья человека / Л.В. Гуркина, В.И. Иванов, Н.И. Журавлва. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Со временные проблемы экологии», Тула, 2006. – Кн.1 - С. 32-35.
12. Журавлва, Н.И. Поступление химических элементов в организм коров по алиментарным цепям и их выведение с молоком/ В.И. Иванов, Н.И. Журавлва, Е.А. Кузьменкова, И.И. Кузьменков. // Доклады Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии», Тула, 2006. – Кн.1 - С. 68-70.
13. Журавлва, Н.И. Динамика содержания тяжлых металлов в почве сельско хозяйственных предприятий Ивановской области / Н.И. Журавлва. // Материалы Международной научно-методической конференции «Актуальные проблемы и пер спективы развития агропромышленного комплекса», г. Иваново, 2011. – Т.2 – С. 27 Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку при выполнении работы научному руководителю д.х.н., профессору Гриневич Владимиру Ивановичу, а также: д.х.н., доц. А.Г. Бубнову, к.х.н., доц А.А. Гущину, к.х.н., доц. Т.В. Извековой, к.х.н., доц. С.А. Буймовой, ст.преп. Н.А. Кобелевой.