Актуальність теми. На сьогодні забруднення ґрунтів урбанізованих територій являє собою серйозну гігієнічну проблему (Трахтенберг І. М. з співавт., 2004; Сердюк А. М. з співавт., 2004; Вашкулат М. П., 2006). У теперішній час, незважаючи на спад виробництва, закриття багатьох підприємств та гальмування розвитку промисловості, забрудненість територій великих міст не зменшилась, а навіть зросла (Станкевич В. В., Вашкулат М. П., 2004). Це обумовлено застарілою технологією очистки від забруднюючих речовин на виробництвах, інтенсивною забудовою нових територій, зменшенням зелених насаджень та територій рекреаційних зон як у житлових мікрорайонах, так і переплануванням під забудову парків та скверів (Станкевич В. В. з співавт., 2008).

За ступенем забруднення природного середовища і ерозією ґрунтів Придніпровський економічний регіон посідає четверте місце серед інших економічних районів України (Деркачов Е. А. з співавт., 2009). Багаторічна техногенна діяльність в умовах промислових агломерацій Дніпропетровщини проявляється, перш за все, високим рівнем техногенного забруднення ґрунту важкими металами (ВМ) (Деркачов Е. А. з співавт., 2004; Шевченко О. А. з співавт., 2008).

Особливої значущості проблема нормування ВМ набуває в регіональних умовах (Гончарук Є. Г., Сидоренко Г. И., 1986).

Надзвичайно актуальною вона є для промислових міст та прилеглих до них приміських територій, оскільки посилення техногенного навантаження на ґрунт, викликане розвитком промисловості та хімізацією сільського господарства, призводить до транслокації ВМ з ґрунту до рослин, викликаючи погіршення якості рослинної продукції (Бардов В. Г., Омельчук С. Т., 2004; Коршун М. М., Карпенко В. В., 2009; Корзун В. Н., 2009).

Для реальних умов конкретного ґрунтово-кліматичного регіону мають визначатися регіональні регламенти, які, в першу чергу, потрібно розробляти для найбільш токсичних екзогенних хімічних речовин (Гончарук Є. Г., Салата О. В., Коршун М. М., 2004). Тому регіони, де проводиться моніторинг ВМ у ґрунті, потребують розробки своїх рекомендованих нормативів, які відповідають місцевим умовам (Гжегоцький М.Р., Штабський Б. М., Федоренко В. І., 2009).

Проведені до цього часу чисельні дослідження не враховували особливості розподілу найбільш токсичних ВМ - кадмію і свинцю - у ґрунтах різних функціональних зон населених пунктів Дніпропетровської області. До того ж, в Україні не було встановлено жодної ГДК у ґрунті для найбільш токсичного ВМ - кадмію. Все вищевказане визначає актуальність проведеного нами комплексного дослідження з оцінки рівнів техногенного забруднення грунтів кадмієм і свинцем та регіонального нормування кадмію в чорноземах типових (на прикладі Дніпропетровської області).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є самостійною науково-дослідною роботою (№держреєстрації 0109U004469), яка виконувалася в рамках ініціативної НДР кафедри „Наукове обґрунтування еколого-гігієнічних заходів щодо попередження негативного впливу техногенних факторів на довкілля та стан здоров'я населення” (№ держреєстрації 0108U011276).

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження: наукове обґрунтування заходів з попередження негативних наслідків техногенного забруднення ґрунту кадмієм і свинцем на підставі еколого-гігієнічної оцінки рівнів забруднення грунтів різних функціональних зон населених пунктів та експериментального гігієнічного нормування кадмію у чорноземі типовому.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

1. Визначити регіональні особливості техногенного забруднення ґрунту кадмієм і свинцем в межах населених місць, приміських рекреаційних і сільськогосподарських територій (на прикладі Дніпропетровської області).

2. Дослідити в експерименті вплив кадмію на мікробіоценоз та ферментативну активність чорнозему типового, які визначають його здатність до самоочищення.

3. Вивчити в лабораторних умовах транслокацію кадмію з чорнозему типового в тест-рослини.

4. Експериментально встановити закономірності міграції кадмію в системі „грунт - грунтові води”.

5. Науково обґрунтувати гігієнічний норматив кадмію у чорноземі типовому. ґрунт кадмій свинець забруднення

6. Розробити комплекс гігієнічних заходів з попередження негативних наслідків техногенного забруднення ґрунту кадмієм і свинцем.

Об'єкт дослідження: техногенне забруднення грунтів кадмієм і свинцем у сельбищних, промислових і рекреаційних зонах індустріальних центрів Дніпропетровської області та прилеглих до них сільськогосподарських територій; вплив кадмію на процеси самоочищення чорнозему типового; вертикальна міграція кадмію в чорноземі типовому та його транслокація в тест-рослини; детоксикація чорнозему типового від сполук кадмію і свинцю за допомогою сорбентів-меліорантів.

Предмети дослідження: вміст важких металів (кадмію і свинцю) у ґрунті; вміст кадмію у тест-рослинах, фільтраційних водах; вплив кадмію на активність ферментів (целюлази і протеази), чисельність мікроорганізмів (мезофільних аеробних і факультативних анаеробних мікроорганізмів, кишкових паличок, пліснявих грибів і дріжджів, анаеробів) та нітрифікуючу активність чорнозему типового; вплив сорбентів-меліорантів на вміст кадмію і свинцю у ґрунті.

Методи дослідження: методи лабораторного та натурного гігієнічних експериментів, при проведенні яких використані хіміко-аналітичні (атомно-абсорбційна спектрофотометрія), санітарно-хімічні (фотоколориметрія), санітарно-мікробіологічні, біохімічні, санітарно-статистичні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримано нові дані про особливості розподілу кадмію і свинцю в поверхневому шарі ґрунту сельбищних, промислових і рекреаційних зон сучасних індустріальних міст Дніпропетровської області.

Вперше встановлено особливості дії кадмію на самоочищувальну здатність природних чорноземів, закономірності міграції кадмію з чорнозему типового у грунтові води та транслокації у тест-рослини.

Вперше визначено особливості розподілу розчинних сполук кадмію за ґрунтовим профілем у природних чорноземних ґрунтах.

Вперше науково обґрунтовано гігієнічний норматив кадмію у чорноземі типовому за загальносанітарним лімітуючим показником шкідливості.

Вперше доведено, що під впливом сорбенту-меліоранту на основі неорганічних калійних сполук знижується вміст у чорноземі типовому валових форм кадмію і свинцю.

Практичне значення одержаних результатів. Нові дані про ступінь фактичного забруднення ґрунтів населених місць Дніпропетровської області та сучасні фонові концентрації кадмію і свинцю у чорноземі типовому використовуються при здійснені моніторингу якості грунтів сельбищних, промислових і рекреаційних зон населених пунктів та сільськогосподарських угідь; при відведені земельних ділянок під забудову; при вирішенні питання щодо сільськогосподарського використання територій та доцільності застосування сорбентів-меліорантів.

Науково обґрунтований гігієнічний норматив кадмію у найбільш розповсюдженому в Дніпропетровській області ґрунті - чорноземі типовому дозволяє здійснювати гігієнічну оцінку небезпечності забруднення грунтів населених пунктів та сільськогосподарських угідь кадмієм.

Застосування сорбентів-меліорантів на основі неорганічних калійних сполук для детоксикації грунтів сільськогосподарських угідь, забруднених кадмієм та свинцем, сприятиме отриманню безпечної для здоров'я населення сільськогосподарської сировини та харчових продуктів рослинного походження.

Результати досліджень відображені у інформаційному листі № 67-2009 “Еколого-гігієнічна оцінка забруднення ґрунту кадмієм та свинцем в умовах техногенного навантаження на довкілля (на прикладі Дніпропетровської області)”, який впроваджено в діяльність санітарно-епідеміологічної служби (СЕС) Дніпропетровської області, навчальний процес Дніпропетровської державної медичної академії (ДДМА).

Матеріали досліджень використовуються в роботі фахівців обласних, міських, районних СЕС, науково-дослідних інститутів гігієнічного профілю, які проводять дослідження факторів навколишнього середовища.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем проведений патентно-інформаційний пошук, складений аналітичний огляд вітчизняної та іноземної літератури, сформульовані мета та завдання дослідження. Автором особисто здійснена еколого-гігієнічна оцінка рівнів забруднення кадмієм та свинцем ґрунтів різних функціональних зон населених пунктів; проведена переважна більшість експериментальних досліджень з вивчення закономірностей міграції кадмію в системі „грунт - грунтові води”, транслокації кадмію з чорнозему типового в тест-рослини, впливу кадмію на ферментативну активність і мікробіоценоз ґрунту; обґрунтовано гігієнічний норматив кадмію в чорноземі типовому (в регіональних умовах Дніпропетровської області). Статистична обробка результатів дослідження, їх узагальнення та аналіз здійснені автором особисто. Питома вага особистого внеску здобувача складає 80%.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на науково-практичній конференції „Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України” (Київ, 2007, 2008, 2009), VII міжнародній конференції студентів та молодих вчених „Новини і перспективи медичної науки” (Дніпропетровськ, 2007), науково-практичній конференції „Збереження здоров'я населення урбанізованих територій: наукові і практичні аспекти впливу чинників довкілля”, присвяченій 85-річчю заснування кафедри загальної гігієни (Дніпропетровськ, 2007), Міжнародній науково-практичній конференції студентів, молодих вчених, лікарів „Актуальні питання експериментальної та клінічної медицини”, присвяченій Дню науки в Україні (Суми, 2008), VI науково-практичній конференції з міжнародною участю студентів, інтернів, магістрів, аспірантів та молодих вчених, віком до 35 років (Ужгород, 2008), IV міжнародній молодіжній науковій конференції „Довкілля-XXI” (Дніпропетровськ, 2008), VII Міжнародній науковій конференції „Проблеми екології та екологічної освіти” (Кривий Ріг, 2008), IV Всеукраїнській науково-практичній конференції „Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України” (Запоріжжя, 2008), Всеукраїнській науково-практичній конференції „Екологічні проблеми гірничо-металургійного комплексу за умов формування принципів збалансованого розвитку (Дніпропетровськ, 2008), Міжнародній науковій конференції студентів та молодих вчених „Молодь - медицині майбутнього” (Одеса, 2009), І Всеукраїнській науково-практичній конференції „Питання технології та гігієни харчування” (Донецьк, 2009), V Всеукраїнській науково-практичній конференції „Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України” (Запоріжжя, 2009).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 наукових праць, з яких 3 - у фахових наукових виданнях, 13 - у матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація викладена на 166 сторінках і складається із вступу, 8 розділів, висновків, списку використаної літератури (всього 253 найменувань, з них - 169 вітчизняних, 84 - зарубіжних), додатків. Робота проілюстрована 34 таблицями та 14 рисунками. Бібліографічний опис літературних джерел, ілюстрації та рисунки викладені на 50 сторінках.

Основний зміст роботи

Програма, матеріали і методи дослідження. В натурному експерименті вивчено розподіл кадмію і свинцю диференційовано за функціональними зонами (сельбищна, промислова, рекреаційна та сільськогосподарська) індустріальних міст Дніпропетровської області (Кривого Рогу, Дніпропетровська, Дніпродзержинська).

Оцінка забруднення ґрунту проведена згідно з „Методическими указаниями по определению степени загрязнения почвы химическими веществами” (М., 1987). При цьому розраховані: коефіцієнти концентрацій (К_с), фонова концентрація кадмію і свинцю в ґрунті (мг/кг) (С_фон).

Узагальнена інформація про етапи, методи та обсяг досліджень наведена у таблиці 1.

Таблиця 1

Етапи, методи та обсяг досліджень

Рис. 1 Динаміка чисельності пліснявих грибів і дріжджів (А) і МАФАМ (Б) у чорноземі типовому під впливом різних концентрацій кадмію

Концентрацію кадмію 0,15 мг/кг можна вважати недіючою, оскільки в усі строки експерименту відхилення від контролю були значно нижчими, ніж 50 %. Пороговою за впливом на чисельність МАФАМ, кишкових паличок, пліснявих грибів і дріжджів, можна вважати концентрацію кадмію 1,5 мг/кг, при якій максимальне зменшення чисельності мікробіоценозу, що відбувалось у другій половині експерименту, не перевищило 50 %. На чисельність анаеробних мікроорганізмів (Clostridium Рerfringens) кадмій не впливав: титр клітин спороутворюючих бактерій становив > 1 в 1 г ґрунту протягом 60 діб експерименту.

За впливом на нітріфікуючу активність чорнозему типового недіючою визначена концентрація кадмію 0,15 мг/кг, при якій впродовж експерименту вміст амонійного азоту зменшувався від (10,56±0,51) мг/кг до (2,34±0,47) мг/кг, а відхилення від контролю становили 8,3-15,0 %, тобто не перебільшували 25 %.

Таблиця 2

Динаміка нітріфікуючої активності чорнозему типового під впливом кадмію

П р и м і т к и: 1. Приведені середні значення з шести визначень; 2. % відносно контролю; 3. Достовірне розходження показників нітріфікуючої активності чорнозему типового в дослідних зразках порівняно з контрольними за U-критерієм Мана-Уїтні (p<0,001).

При обох максимальних концентраціях кадмію (15 і 150 мг/кг) зміни, більші за 25 %, реєструвалися з 20 по 60 добу і в окремі строки експерименту складали 35,9-55,2 %.

Вміст азоту нітратів протягом усього експерименту невпинно зростав як у контрольному, так і у всіх дослідних зразках ґрунту. Однак, при обох найвищих концентраціях кадмію (15 і 150 мг/кг) зміни вмісту азоту нітратів по відношенню до контролю перевищували 25 % і тривали більше, ніж 7 діб. Концентрація кадмію 0,15 мг/кг виявилася недіючою, так як відхилення від контролю в окремі строки експерименту складали 5,6-14,9 %, тобто не перевищували 25 %.

Таким чином, пороговою за впливом на нітріфікуючу активність ґрунту може бути визнана концентрація кадмію 1,5 мг/кг ґрунту (табл. 2).

Целюлозоруйнівна активність кадмію з 3 по 15 добу зростала: від (13,46±0,98) % до (18,12±1,26) % в контрольних зразках; від (9,86±1,17) % до (14,12±3,93) % при концентрації 0,15 мг/кг; від (8,76±0,11) % до (16,30±0,96) % при концентрації 1,5 мг/кг;від (4,62±0,06) % до (13,27±2,61) % при концентрації 15 мг/кг; від (2,36±0,03) % до (12,32±5,55) % при концентрації 150 мг/кг. Але впродовж експерименту жодна із цих концентрацій ВМ не викликала відхилень активності целюлази у чорноземі типовому більше ніж на 25 % по відношенню до контролю.

Кадмій у найбільших концентраціях викликав збільшення активності протеази. Так, при концентрації 15 мг/кг активність протеази перебільшувала таку в контрольному ґрунті на 8,95-37,8% з 3 по 15 добу; при концентрації 150 мг/кг - на 7,46-50,4%, тому концентрації кадмію 15 і 150 мг/кг були визнані діючими. Концентрація 0,15 мг/кг виявилася недіючою, оскільки відхилення від контролю в окремі строки експерименту складали 3,88-5,97%. При концентрації 1,5 мг/кг відхилення знаходилось в межах 2,23-15,3%, однак на 15 добу воно склало 23,7%. Тому концентрація кадмію у чорноземі типовому 1,5 мг/кг може бути визнана граничною за впливом на протеазну активність.

Таким чином, на підставі результатів вивчення впливу кадмію на чисельність мікроорганізмів, нітріфікуючу, протеолітичну та целюлозоруйнівну активність чорнозему типового, як порогова за загальносанітарним показником шкідливості рекомендована концентрація ВМ 1,5 мг/кг. Кадмій в двох найвищих концентраціях (15 і 150 мг/кг) пригнічує процеси нітріфікації, зменшує чисельність МАФАМ, кишкових паличок, пліснявих грибів і дріжджів, що свідчить про порушення процесів самоочищення чорнозему типового.

Транслокація кадмію в тест-рослини. Для вивчення ступеню накопичення кадмію в тканинах тест-рослини були визначені наступні показники: абсолютний вміст ВМ в рослинній біомасі, коефіцієнт розподілу (К_рп) та швидкість міграції кадмію (V_m). Результати вегетаційних дослідів свідчать, що активність накопичення та швидкість міграції кадмію з ґрунту до зеленої маси пшениці була низькою в усіх дослідних і контрольних зразках (К_рп<0,1; V_m<0,1), що свідчить про незначну ймовірність його кумуляції в листі та стеблі (табл. 3).

Таблиця 3

Дослідження показників накопичення кадмію в пшениці сорту „Фуражна”

П р и м і т к а. * Достовірне розходження вмісту кадмію в ґрунті та в тканинах пшениці (у фітомасі, корінні) в дослідних зразках порівняно з контрольними за U-критерієм Мана-Уїтні (p<0,001).

Результати вивчення кумуляції кадмію у корінні пшениці засвідчили, що активність накопичення ВМ була низькою в усіх дослідних зразках злакової культури, незважаючи на збільшення вмісту ВМ в ґрунті (К_рп <0,1; V_m <0,1).

Порогова концентрація кадмію становить 76,9 мг/кг абсолютно сухого ґрунту, оскільки такий вміст ВМ в ґрунті призводить до накопичення кадмію в зеленій масі пшениці на рівні 0,053 мг/кг, що не виходить за межі коливань (0,06-0,07 мг/кг сухої маси) середнього вмісту кадмію в фітомасі пшениці (Кабата-Пендіас А., Кабата-Пендіас Х., 1989).

Закономірності міграції кадмію в системі „ґрунт - грунтові води”. Встановлено, що в ґрунті контрольної колони кадмій не був виявлений у фільтраті жодного разу протягом усього експерименту. При концентрації кадмію в чорноземі типовому 5 мг/кг його вміст у фільтраті на 30 добу коливався в межах від 0,000099 до 0,00053 мг/дм³, тобто не перевищував ГДК кадмію у воді водойм (0,001 мг/дм³). При концентраціях ВМ у чорноземі типовому на рівні 15; 25; 50 і 100 мг/дм³ максимальний вміст кадмію у фільтраті склав відповідно 0,0027; 0,032; 0,034 і 0,113 мг/дм³, тобто перевищував ГДК кадмію у воді водойм у 2,7; 32; 34 і 113 разів відповідно (табл. 4).

Таблиця 4

Максимальна концентрація кадмію у фільтраті фільтраційних колон

П р и м і т к и:

1. ГДК - гранично допустима концентрація кадмію у воді водойм, яка регламентується Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения (СанПиН 4630-88); 2. * Перша повторність експерименту; 3. ** Друга повторність експерименту.

Порогова концентрація кадмію в чорноземі типовому, встановлена за водно-міграційним показником шкідливості на рівні 5 мг/кг, гарантує, що вміст ВМ в підземних водах не перевищить ГДК кадмію у воді водойм (0,001 мг/дм³).

Наукове обґрунтування регіонального гігієнічного нормативу кадмію. За лімітуючий показник шкідливості при нормуванні кадмію в ґрунті обраний загальносанітарний, оскільки він має найменшу порогову концентрацію (1,5 мг/кг), яка може бути рекомендована як регіональний гігієнічний норматив кадмію в чорноземі типовому (табл. 5).

Таблиця 5

Порогові концентрації кадмію по деяким показникам шкідливості та величина ГДК кадмію в чорноземі типовому