СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ, В РАЙОНАХ С РАЗЛИЧНОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКОЙ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 57

О.А. Науменко, Ю.А. Неясова, А.В. Лукашов, А.И. Ананьева

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ, В РАЙОНАХ С РАЗЛИЧНОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКОЙ

В данной статье представлены результаты по количественному содержанию тяжелых металлов в почве. Исследовано содержание свинца, меди и кадмия в различных административных районах г. Оренбурга.

Ключевые слова. Тяжелые металлы, кадмий, свинец, медь, почва, экологический мониторинг, инверсионная вольтамперо-метрия.

Одним из наиболее характерных и экологически значимых процессов антропогенного преобразования почв городских территорий является изменение их микроэлементного состава, и в частности загрязнение тяжелыми металлами (ТМ). Повышенное содержание ТМ в городских почвах представляет собой естественный результат комплексного воздействия разнообразных техногенных факторов. Поступающие в почву ТМ оказывают отрицательное воздействие на многие внутрипочвенные биохимические процессы, а также способны передаваться по геохимическим и пищевым цепям в сопредельные среды (воздух, поверхностные и подземные воды, растения) и в силу этого представлять опасность для здоровья человека. В настоящее время, для широкого спектра ТМ, помимо прямого токсического воздействия на живые организмы, установлены отдаленные последствия, выраженные в виде канцерогенного, мутагенного, тератогенного и других эффектов [1].

Проблема оценки степени загрязнения почв (в том числе и городских) ТМ, несмотря на большое внимание к ее изучению и огромный объем накопленного теоретического и методического материала остается одной из самых сложных и пока еще далека от решения. Об этом свидетельствует, в частности, множество методических подходов и экологических нормативов, официально утвержденных различными ведомствами, и отдельных авторских разработок, которые применяются в нашей стране и за рубежом при изучении загрязнения почв ТМ [2].

Микроэлементный состав почв платформенный части Оренбургской области стал предметом постоянного внимания исследователей с конца 1950-х - начала 1960-х годов прошлого века в связи с интенсификацией сельскохозяйственного освоения территории и оценкой почв с точки зрения обеспеченности микроэлементами культурных растений, влияния на урожайность и эффективности использования микроудобрений. Результаты исследований обобщены в работах В. Д. Кучеренко, А. Х. Баталина, В. Б. Чернякова, П. Я. Мишина [3]. В них впервые были выявлены основные региональные закономерности пространственного распределения и поведения валовых и подвижных (в вытяжках Пейве-Ринькиса [4]) форм некоторых микроэлементов (Cu, Zn, Pb, Ni, Cr, Mn, Co и другие) в почвах, почвообразующих породах и растениях.

Целью нашей работы является анализ биологических объектов на содержание тяжелых металлов.

Исследование количественного содержания тяжелых металлов достаточно дорогостоящий анализ, трудоемкий и не входит в число обязательных по оценке экологического состояния территории государственными учреждениями санитарно-эпидемиологического надзора.

Современный уровень развития биологии, медицины, технологии, охраны окружающей среды и других областей науки выдвигает задачу определения малых количеств веществ во все более сложных объектах. Поэтому требования, предъявляемые к методам анализа, повышаются. В сравнении с другими методами при анализе следовых количеств широко применяются

© Науменко О.А., Неясова Ю.А., Лукашов А.В., Ананьева А.И., 2014.

электрохимические инверсионные методы, так как для многих элементов при относительно простом аппаратурном оформлении они приводят к правильным результатам.

Материалы и методы исследования

Метод инверсионной вольтамперметрии в настоящее время нашел широкое применение для анализа содержания примесей кадмия, индия и цинка в металлическом свинце, для определении свинца, меди и кадмия в пробах загрязненного атмосферного воздуха (1971 г.). Была исследована возможность инверсионного вольтамперометрического определения ртути в воздухе. С помощью данного метода в 1964 году было проведено исследование содержания свинца в крови. Используя вольтамперометрический анализатор "ИВА-5" осуществлялось определение марганца в белых и красных винах.

Метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ) за последние 5-7 лет существенно укрепил свои позиции в повседневном рутинном анализе экологических и пищевых объектов. Высокая чувствительность, относительно небольшое время проведения анализов, хорошая адаптация к автоматизации и компьютеризации, сравнительно низкая стоимость оборудования делает ИВ конкурентоспособным и перспективным методом для проведения повседневных массовых анализов.

Основными современными средствами реализации метода являются вольтамперометрический анализатор, программное обеспечение и методики анализа. К вспомогательным средствам относятся устройства пробоподготовки. Все эти средства реализации взаимосвязаны и определяют достоинства и недостатки ИВ-комплекса в целом. Аналитические возможности ВА-анализаторов, круг решаемых ими аналитических задач определяются количеством выполняемых на нем методик анализа. Но сущность самой методики анализа, особенно ее метрологические характеристики, зачастую определяются анализатором и программным обеспечением.

Метод ИВ становится одним из основных методов анализа, используемых в испытательных лабораториях, и успешно применяется для определения следовых количеств различных металлов в объектах окружающей среды (воздух, вода, почва, растительность), пищевых продуктах, биологических тканях и жидкостях, лекарственных препаратах и других жизненно важных объектах [5].

Классические электрохимические методы наиболее часто используются на практике благодаря их ценовой доступности и высокой чувствительности обнаружения, так как имеют предел обнаружения порядка микрограммов вещества (или ~10-5 моль/л). Однако величина остаточного тока составляет по меньшей мере 10-9 А, поэтому измеряемый электролитический ток должен быть достаточно большим для того, чтобы его можно было отличить от остаточного. Предел обнаружения классических методов можно снизить, подавляя шум, используя более чувствительную измерительную аппаратуру, измеряя мгновенную концентрацию изучаемого вещества в диффузионном слое у электрода. Чтобы снизить пределы обнаружения данного метода, необходимо предварительно сконцентрировать разбавленный раствор образца. Для этой цели применимы некоторые методы разделения (хроматография, жидкостная экстракция), при которых происходит отделение мешающих компонентов. Методики продолжительны и трудоемки, возможны потери части определяемого вещества в процессе концентрирования и введение загрязнений в анализируемую систему. Поэтому выгоднее проводить предварительное накопление в системе, в которой проводится измерение. Этот принцип положен в основу электрохимических инверсионных методов: определяемое вещество концентрируется электрохимически на индикаторном электроде (образуя амальгаму или пленку на поверхности электрода), а затем при обратном (электролитическом) процессе переводится в раствор. Таким образом, исследуемое вещество в фазе электрода (на границе электрод — раствор) находится в существенно большей концентрации, чем первоначально, и чувствительность определения возрастает во много раз [6]

Метод инверсионной вольтамперметрии также используется для определения тяжелых металлов в почве и растениях.

Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе является наиболее важной экологической характеристкой почвы, поскольку определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями.

Тяжелые металлы в одной и той же почве содержатся в различных формах и могут нести положительный заряд ^ ), выступая как катионы, или отрицательный (М-), если являются анионами кислот (хромовой, молибденовой и других); амфотерные элементы в зависимости от рН почвы могут быть заряжены и положительно, и отрицательно (М±); имеются в почве и нейтральные формы металлов (М0). Следовательно, тяжелые металлы в почвах можно представить как сумму различных форм:

М = M+ + М- + М± + М0 1)

Оказывая влияние на почвенный поглощающий комплекс (ППК), направленное на снижение подвижности металлов, нельзя добиться положительного эффекта в отношении всех форм металлов, присутствующих в почвах [7].

Влияние тяжелых металлов на живые организмы весьма разнообразно. Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды [8].

Таблица 1

Влияние загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами на здоровье человека и животных

Элемент Характерные заболевания при высоких концентрациях ТМ в организме

Pb Повышение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, рост общей заболеваемости, изменения в легких детей, поражения органов кроветворения, нервной и сердечнососудистой системы, печени, почек, нарушения течения беременности, родов, менструального цикла, мертворождаемости, врожденных уродств. Угнетение активности многих ферментов, нарушение процессов метаболизма.

Cu Увеличение смертности от рака органов дыхания.

Cd Попадая в организм человека, кадмий негативно воздействует на печень, почки, центральную нервную систему, нарушает фосфорно-кальциевый обмен. Кроме того, соединения кадмия являются сильными канцерогенами.

Для определения экотоксикологического влияния кадмия, свинца и меди на состояние почвы г. Оренбурга был составлен и выполнен план сбора образцов почвы в четырех районах города в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-82, количество проб соответствует ГОСТ 17.4.3.01-83. При этом чтобы исключить результаты с заведомо известными высоким показателем, приняли решение осуществлять сбор проб почвы на расстоянии не менее 25 метров от проезжей части. Это условие осложнило поиск места сбора проб, но гарантировало определение именно фонового показателя кадмия, свинца и меди в почве на территории г. Оренбурга.

Отбор проб проводился с учетом территориального распределения промышленных и техногенных объектов на территории г. Оренбурга по семи точкам: 1 - Маяк ДК «ТРЗ», 2 - ПО «Стрела», 3 - ул. Томская, 4 - «Гидропресс», 5 - «Аппаратный завод», 6 - ЖД Вокзал, 7 - парк им. Перовского.

По территориальному делению, распределение данных объектов соответствует четырем районом г. Оренбурга: Центральный район - 6 и 7 точка, Промышленный район - 1 и 4 точка, Дзержинский район - 2 и 5 точка, Ленинский район - 3 точка.

Для оценки содержания тяжелых металлов (ТМ) в образцах почв был выбран метод ИВА (инверсионная вольтамперометрия), в виду указанных преимуществ.

Результаты и обсуждение

Одной из задач нашего исследования является изучение количественного содержания кадмий, свинец и медь по семи объектам г. Оренбурга (рис. 1).

Рис. 1. Содержание ТМ в почве на разных объектах г. Оренбурга, мг/л.

В результате проведенного исследования нами было установлено достоверное превышение содержания кадмия в почве на следующих объектах: 3, 5 и 2. Что обусловлено действующими промышленными предприятиями. Наибольшее содержание кадмия отмечено в районе ул. Томская (0,00118 мг/л), ПО «Стрела» (0,0009 мг/л) и «Аппаратный завод» (0,0008 мг/л) (рис. 2).

Cd мг/кг

0,0012 0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0

II

_|_I__L

. I . И .

I Cd мг/кг

12345678

Рис. 2. Содержание кадмия в почве на разных объектах г. Оренбурга, мг/кг. Примечание: *-р<0,01, **р<0,001.

На рис. 3 представлено распределение содержания свинца в почве обследованных районов. Установлено достоверное превышение содержания свинца в точках 6, 5, 2 и 1. Значительное превышение концентрации свинца в почве 6 объекта (р< 0.001), обусловлено расположением точки рядом с железнодорожным вокзалом.

Pb, м

0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0

г/л

I- -1-г

1 2 3

Pb, мг/кг

и- —г

7

Рис. 3. Содержание свинца в почве на разных объектах г. Оренбурга, мг/кг. Примечание: * -р<0,01, **р<0,001

На рис. 4 представлено распределение содержания меди в почвах семи объектов г. Оренбурга. Как видно из представленной диаграммы превышение содержания ПДК не установлено.

Cu, мг/л

0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0

■ I

Cu мг/кг

-1— —I— —г

1 2 3

И- -1

5 6

Рис. 4. Содержание меди в почве на разных объектах г. Оренбурга, мг/кг.

Примечание: *р<0,01.

*

*

4

5

6

8

4

7

8

Следующей задачей нашего исследования являлось проведение сравнительного анализа загрязнения почвы ТМ четырех территориальных районов г. Оренбурга (рис. 5).

0,0035

0,003

Cd Pb

Cu

0,0025

0,002

0,0015

0,001

0,0005

0

Промышленный Центральный Дзержинский Ленинский Рис. 5. Среднее содержание ТМ в исследуемых районах г. Оренбурга. мг/кг

Таким образом, наши исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Почва исследуемых объектов г. Оренбурга наиболее загрязнена ТМ в Промышленном районе.

2. Загрязнение ТМ связанно с расположением промышленных объектов.

Полученные результаты свидетельствуют о неблагоприятной антропогенной нагрузке на

состояние почв г. Оренбурга, поскольку растения способны поглощать ТМ из почвы и накапливать их в подземных и наземных органах [9].

Причем установлено, что одни те же растения способны поглощать больше кадмия, чем свинца. Это связанно с типом почвы, ее химическим и механическим составом, рН, обменно-катионной способностью, а также составом снежного покрова. Полученные нами результаты требуют дальнейшего исследования количественного содержания металлов, не только в почве, но и растениях, снежном покрове и водных объектов. Поскольку загрязнения объектов является маркером экологического неблагополучия территории г. Оренбурга и требует проведения санитарно-эпидемиологического контроля за состоянием промышленных объектов города.

Библиографический список

1. Владимиров В.В. Город и ландшафт / В. В. Владимиров, Е. М. Микулина, З. Н. Ярыгина. М.: Мысль, 1986. 238 с.

2. Ревич Б.А. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территорий городов химическими элементами / Б.А. Ревич [и др.]. М.: 1982. 112 с.

3. Ильин В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сысо. Новосибирск.: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.

4. Мишин П.Я. Микроэлементы в почвах Оренбуржья и эффективность микроудобрений. Челябинск: ЮУКИ, 1991. 92 с.

5. Скачков В.Б., Ластенко Н.С., Иванов Ю.А., Хустенко Л.А., Назаров Б.Ф., Заичко, А.В., и др. Инверсионно-вольтамперометрическое измерение концентрации ртути в рыбе, рыбных продуктах моря. Методическое указание (МУК 4.1.1511-03). М., ФГЦ Минздрава России, 2003. 56 с.

6. Инверсионная вольтамперометрия / Ф. Выдра, К. Штулик, Э. Юлакова. / пер. с чешского. В.А. Немова // Под ред. Б.Я. Каплана. М.: Мир, 1980. С. 257-265.

7. Нестерова А.Н. Действие тяжелых металлов на корни растений. Поступление свинца, кадмия и цинка в корни, локализация металлов и механизмы устойчивости растений // Биол. науки. 1989. № 9. С. 72-86.

8. Ильин В.Б. Оценка существующих экологических нормативов содержания тяжелых металлов в почве // Агрохимия. 2000. № 9. С. 74-79.

9. Кузнецов Вл. В., Дмитриева Г.А. Физиология растений / Вл. В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева. Изд-во Высшая школа, 2006. 742 с.

НАУМЕНКО Ольга Александровна - кандидат медицинских наук, доцент, Оренбургский государственный университет.

НЕЯСОВА Юлия Андреевна - магистрант, Оренбургский государственный университет.

ЛУКАШОВ Антон Викторович - магистрант, Оренбургский государственный университет.

АНАНЬЕВА Александра Игоревна - студент, Оренбургский государственный университет.