Cумісна дія важких металів у регіоні Львівсько-Волинського вугільного басейну, способи попередження їх кумуляції і токсичного впливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

Житомирський національний агроекологічний університет

БУЦЯК ГАННА АНДРІЇВНА

УДК 615.9.611-013,615.246.2

Cумісна дія важких металів у регіоні Львівсько-Волинського вугільного басейну, способи попередження їх кумуляції і токсичного впливу

03.00.16 - екологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Житомир - 2009

ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

Робота виконана y Львівському національному університеті ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З. Ґжицького Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник

доктор біологічних наук, професор, академік УААН, заслужений діяч науки і техніки України

Кравців Роман Йосипович,

Львівський національний університет ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З. Ґжицького, завідувач кафедри ветеринарно-санітарної і радіологічної експертизи, стандартизації та сертифікації, ректор.

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор, академік УААН

Савченко Юрій Іванович,

Інститут сільського господарства Полісся УААН, директор, завідувач кафедри зооекології Житомирського національного агроекологічного університету

доктор біологічних наук, професор, академік НАН України

Голyбець Михайло Андрійович,

Інститут екології Карпат НАН України, почесний директор.

Захист дисертації відбудеться “06” лютого 2009 р. о _12_год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 14.083.01 у Житомирському національному агроекологічному університеті за адресою: 10008, м. Житомир-08, Старий бульвар, 7, аудиторія № 72

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Житомирського національного агроекологічного університету за адресою: 10008, м. Житомир-08, Старий бульвар, 7.

Автореферат розісланий “05”_січня__2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат сільськогосподарських наук, доцент Романчук Л.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Техногенне забруднення природного довкілля призводить до негативних змін у біогеоценозах, що зумовлює утворення локальних провінцій техногенного походження. Більшість промислових викидів - це суміш токсичних речовин, а особливо важких металів, які нагромаджуються в екосистемах, мігрують трофічними ланцюгами, діють як незалежно один від одного, так і вступають у взаємодію, що впливає на ступінь акумуляції та токсичності. Остання, як свідчить аналіз наукової літератури, є складним процесом, який залежить від ряду факторів: шляхів надходження в організм, величини доз і їх співвідношення, токсикокінетики. При цьому, залежно від якісного складу комбінацій, рівня доз спостерігається як сумування ефектів, так і їх антагонізм. Загроза одночасного навантаження важкими металами на біоту в дозах, які віддзеркалюють реальні забруднення у локальних провінціях, надає вивченню їхньої сумісної дії особливої актуальності.

Загалом, механізм комбінованої дії полютантів на сьогодні остаточно не розкритий, хоча основні, найуніверсальніші положення, які ґрунтуються на уявленнях про шляхи метаболізму ксенобіотиків достатньо вивчені: Кравців Р.Й. (2001-2008), Глазко Т.Т. (2004), Голyбець М.А (2006-2007), Гудков І.М (2005), Кучерявий В.П (2007), Засєкін Д.А. (2006), Сердюк А.М. (2007), Савченко Ю.І. та ін. (2006-2007), Cмаглій О.Ф. (2006-2008), Трахтенберг І.М. (2004, 2006). Труднощі прогнозування характеру комбінованої дії у кожному конкретному випадку, особливо в разі складних багатокомпонентних комбінацій на рівні порогових і підпорогових доз, пов'язані з рядом причин, у тому числі з особливістю біотрансформації хімічних речовин в організмі.

Сумісна дія токсичних агентів різної природи та модифікації є постійно зростаючим техногенним тиском на організм тварин і людей. Розкриття механізмів комбінованого впливу ксенобіотиків на живий організм залишається актуальною проблемою сьогодення, що вимагає вивчення поширених ксенобіотиків у трофічних ланцюгах. Це дасть можливість розробити профілактичні заходи, спрямовані на покращення і збереження здоров'я людей та тварин. У зв'язку з цим, наукову та практичну актуальність становлять дослідження вмісту важких металів у ґрунті, рослинах і вивчення їх впливу на обмін речовин в організмі тварин. Доцільність таких досліджень зумовлена необхідністю корекції кругообігу важких металів у навколишньому природному середовищі та зменшенні екологічного напруження в окремих ланках трофічного ланцюга.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною наукових досліджень розділу теми “Екологічний моніторинг біологічно активних речовин у природі і продуктах тваринництва та розробка методів корекції з метою підвищення продуктивності тварин і поліпшення якості їх продукції” (№ державної реєстрації 0102U001331), яка виконується співробітниками кафедри ветеринарно-санітарної і радіологічної експертизи, стандартизації та сертифікації Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Ґжицького впродовж 2004-2008 років.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи було вивчити особливості впливу як окремих солей важких металів (Cd; Pb; Cu; Zn), так і різних їх комбінацій у дозах, що відтворюють реальне навантаження у Львівсько-Волинському вугільному басейні, встановити закономірності міграції у ланцюгу: ґрунт - рослина - корм - тварина, дослідити їх сумісний вплив на клінічний стан і метаболічні процеси в організмі тварин. Розробити ефективні способи зниження акумуляції полютантів рослинами та запропонувати профілактичні заходи щодо зменшення надходження важких металів в організм тварин. Враховуючи ці аспекти, ми вибрали тему дисертаційної роботи “Cумісна дія важких металів у регіоні Львівсько-Волинського вугільного басейну, способи попередження їх кумуляції і токсичного впливу”.

У завдання роботи входили дослідження:

- рівня рухомих форм важких металів (Cd²⁺; Pb²⁺; Cu²⁺; Zn²⁺) у ґрунті при забрудненні ними у різних комбінаціях;

- ефективності використання меліорантів на експериментально забруднених ґрунтах, а також в умовах господарського досліду щодо кумуляції важких металів рослинами та впливу рН ґрунту на ці процеси;

- ефективності експериментальної моделі з вивчення сумісного впливу важких металів на клінічний та фізіологічний стан лабораторних тварин;

- сумісного впливу солей важких металів на процеси акумуляції йонів досліджуваних металів органами і тканинами досліджуваних тварин;

- функціонального стану інтоксикованих тварин (гематологічні показники, окремі показники білкового і вуглеводного обміну;

- адсорбційної активності ентеросорбентів, які згодовували інтоксикованим щурам у рекомендованих для людей дозах.

Предмет дослідження: ґрунт, вода, корми, лабораторні тварини (органи і тканини), ентеросорбенти.

Об'єкт дослідження: вивчення закономірностей міграції металів у системі: ґрунт - рослина - корм - тварина за умов сумісного навантаження солями важких металів, їх впливу на функціональний стан лабораторних тварин та дослідження ефективності ентеросорбентів.

Методи досліджень: біохімічні, аналітичні, спектрофотометричні, колориметричні, атомно-абсорбційні, біометричні та інші сучасні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. За сумісного навантаження ґрунтів солями важких металів (Cd; Pb; Cu; Zn) у дозах, що відображають реальне забруднення у Львівсько-Волинському вугільному басейні, вперше досліджено закономірності кумуляції полютантів рослинами. Сумісний вплив йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ підвищує концентрацію Cd і Pb у рослинах, а йони Cu²⁺ та, особливо, Zn²⁺, знижують концентрацію цих металів. Вперше експериментально доведено, що використання меліорантів попереджує нагромадження кадмію і свинцю у вегетативних органах рослин.

На лабораторних тваринах створено експериментальну модель, що дає можливість дослідити комбінований вплив важких металів на клінічний та функціональний стан організму. Вперше теоретично обґрунтовано й експериментально доведено, що в основі механізму сумісної дії важких металів лежить їх здатність проявляти як синергічний, так і антагоністичний вплив, який супроводжується токсичними ефектами певних комбінацій металів. Введені внутрішньошлунково важкі метали проявляють кумулятивну дію і при цьому негативно впливають на клінічний стан тварин, спричиняють розбалансування ферментних систем, знижують білоксинтезуючу функцію печінки, змінюють рівень і співвідношення білків сироватки крові.

На основі досліджень встановлена здатність ентеросорбентів активно адсорбувати важкі метали у шлунково-кишковому тракті та попереджувати надходження їх в організм дослідних тварин, а також досліджено оптимальні дози сорбентів, за яких вони проявляють не тільки адсорбційний ефект, але також сприяють елімінації токсичних речовин з організму тварин. Наукова новизна захищена двома деклараційними патентами на корисну модель.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати досліджень можуть бути використані в умовах Львівсько-Волинського вугільного басейну, де забруднення ґрунтів солями Cd, Pb, Cu і Zn у концентрації, що в середньому на порядок перевищують ГДК. За таких умов рекомендовано проводити меліоративні заходи, які дають можливість попередити надмірне надходження важких металів у вегетативну частину рослин з одночасним підвищенням родючості ґрунтів.

За кадмієвої чи свинцевої (або їх суміші) інтоксикації запропоновано збалансувати раціони за цинком і міддю, які є антагоністами даних металів і частково згладжують їх токсичну дію. З профілактичною метою доцільно застосовувати ентеросорбенти, які попереджують надходження полютантів в організм тварин, а також сприяють елімінації токсичних елементів. На основі закінченої науково-дослідної роботи (запропоновано використання торфу як меліоранта) здійснено впровадження з економічним ефектом 46,8 тис. грн (ТзОВ “Обрій” Мостиського р-ну Львівської обл. - 18,6 тис.грн., ТзОВ “Оберіг” Луцького р-ну Волинської обл. - 28,2 тис.грн.).

За результатами наукових досліджень та опрацювання наукової літератури видано у співавторстві монографію: “Ведення тваринництва у біогеохімічних провінціях”.-Львів, 2005.- 254 с. і навчальні посібники “Біогеохімія”.- Львів, 2006.-202 с., “Практична екологія рослин”.- Львів, 2008. - 111 с., “Агроекологія. Теоретичні основи, лабораторні заняття, самостійна робота”.- Львів, 2008. -151 с. для студентів - екологів.

Особистий внесок здобувача. Лабораторні та виробничі дослідження виконані дисертантом особисто. Аналіз одержаних результатів, формування висновків і пропозицій проведено автором спільно з науковим керівником, доктором біологічних наук, професором, академіком УААН Кравцівим Р.Й. Із спільних з іншими авторами експериментальних досліджень і публікацій дисертант використав лише свою частину результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на міжнародних науково-практичних конференціях “Исследование молодых ученых в решении проблем животноводства” (Беларусь, Витебск, 2005); “Перспективність екологічних (органічних) технологій виробництва продукції землеробства і тваринництва для аграрних підприємств західного регіону України” (Львів, 2005); “Інноваційний розвиток сучасного аграрного виробництва та переробки продукції АПК” (Львів, 2005, 2008); “Сучасні проблеми біохімії, фізіології і функціональної морфології продуктивних тварин” (Дніпропетровськ, 2005); “Технологічні й практичні дослідження молодих вчених аграріїв” (Дніпропетровськ, 2006); “Проблеми технологічного та кадрового забезпечення в техногенно-екологічній сфері” (Львів, 2006); “Сучасні проблеми епідеміології, мікробіології та гігієни” (Львів, 2006); “Екологія: вчені у вирішенні проблем науки, освіти і практики” (Житомир, 2007); “Сучасні проблеми біології, екології та хімії” (Запоріжжя, 2007); “Особливості сучасних технологій виробництва екологічно безпечних продуктів харчування” (Київ, 2007).

Публікації результатів досліджень. За темою дисертаційної роботи опубліковані 15 наукових праць, серед яких 9 статей у фахових виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України, двох тез, монографії, навчального посібника, отримано два патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, огляду літератури, матеріалів і методів досліджень, результатів досліджень та їх обговорення, висновків та пропозицій виробництву, списку використаної літератури. Робота викладена на 158 сторінках комп'ютерного тексту, містить 24 таблицi та 7 рисунків. У списку літератури - 306 найменувань, з них зарубіжних авторів - 59.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дисертаційна робота виконана впродовж 2004-2008 рр. у віварії Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Гжицького та на земельних угіддях у межах міської зони м. Червонограда Львівської області.

Метою 1-ої серії досліджень було вивчити закономірності міграції важких металів у системі ґрунт-рослина за умов сумісного забруднення солей Cd, Pb, Cu і Zn у дозах, що відтворюють реальне навантаження; в експериментальних і господарських умовах дослідити вплив рН ґрунту та меліорантів (вапняку, торфу і цеоліту) на процеси акумуляції полютантів рослинами.

Метою 2-ої серії досліджень було вивчити вплив різних комбінацій солей важких металів на процеси акумуляції Cd і Pb органами та тканинами щурів. Дослідити сумісній вплив комбінацій солей Cd, Pb, Cu і Zn на процеси біоакумуляції та елімінації Cd і Pb з організму лабораторних тварин.

Метою 3-ої серії досліджень було вивчити вплив як окремих, так і суміші важких металів на функціональний стан і метаболічні процеси (окремі ланки вуглеводного і білкового обміну) в організмі щурів.

Метою заключної серії досліджень було вивчити адсорбційну активність ентеросорбентів щодо попередження надходження Cd і Pb в організм тварин.

Концентрацію важких металів досліджували спектрофотометрично на атомно-абсорбційному спектрофотометрі AAS-30. Середні зразки ґрунту відбирали з поверхні незораного шару ґрунту (0-10 см) за апробованою сіткою. Водневий показник (рН) ґрунту визначали за уніфікованим методом Аринушкіна. В окремих мікропольових дослідах були змодельовані забруднення ґрунтів солями металів, що відтворювали реальне навантаження. Вплив солей важких металів на проростання насіння кормових культур досліджували за загальноприйнятим тестом схожості, проростання та росту насіння. Для зменшення негативного впливу важких металів, у забруднений ґрунт вносили меліоранти.

Навантаження досліджуваних чинників моделювали на білих щурах шляхом введення в їхній шлунок через зонд упродовж 45-90 (залежно від напрямків досліджень) днів токсичних речовин. Контрольна група одержувала суміш солей: CdCI₂; (CH₃COO)₂Pb; CuCI₂ та ZnSO₄ x 7H₂O в перерахунку на катіони металів 1,17, 3,14, 5,30 та 425 мг відповідно. Дослідні групи: 1 група - суміш : CdCI₂ та (CH₃COO)₂Pb; 2 група - CdCI₂ та ZnSO₄ x 7H₂O; 3 група - CdCI₂ та CuCI₂; 4 група - (CH₃COO)₂Pb та ZnSO₄ x 7H₂O; 5 група - (CH₃COO)₂Pb та CuCI₂ у зазначених дозах. Для дослідження активності ентеросорбентів були сформовані п'ять груп, з них одна контрольна, решта - дослідні, яким згодовували суміш солей (Cd+Pb+Zn+Cu, Cd+Pb+Zn, Cd+Pb+Cu, Cd+Pb, Cd) у вище зазначених дозах упродовж 45 діб. На 30-тий день експерименту кожну із чотирьох дослідних груп було розділено ще на чотири групи, трьом з яких упродовж 15 днів вводили внутрішньошлунково ентеросорбенти, а саме другій і третій групи відповідно ентеросгель (Креома-фарм, реєстраційний № 12.05.03/06687) та активоване вугілля (Український консорціум “Экосорб”) у дозі 0,14 г на одну тварину в добу, четвертій групі - пектин яблучний низькоетерифікований (AU - 701, German) у формі 2% суспензії в дозі 10 мл/кг (рекомендовані для людей дози).

У кінці експерименту щурів декапітували за умов легкого ефірного наркозу. Отримані органи та тканини відмивали холодним фізіологічним розчином, проводили зважування окремих органів і вираховували вагові коефіцієнти. Для гематологічних і біохімічних досліджень кров забирали прижиттєво із хвостової вени зранку до годівлі тварин. Гематологічні дослідження проводили за загальноприйнятими методами; вміст гемоглобіну визначали методом Меньшикова. У сироватці крові вміст загального білка визначали з використанням набору Simko Ltd - біуретовим методом, співвідношення в ньому фракцій - електрофорезом. Активність АсАТ та АлАТ визначали методом Райтмана-Френкеля, активність церулоплазміну - методом Houskin, лужну фосфатазу - за методом Боданського. Глюкозу, фруктозу, пентози - за Головацьким, лактат, піруват - за Бергмєером, неорганічний фосфат - за Фіске і Суббароу, лактатдегідрогенази (ЛДГ) - за Гавчом. Білок визначали за Лоурі. Одержані дані опрацьовані статистично.

1. Вплив рН та меліорантів на процеси акумуляції важких металів рослинами.

Експериментальні дослідження показали, що незабруднений важкими металами темно-сірий опідзолений ґрунт не пригнічує проростання насіння пшениці, хоча залежно від рН ґрунту, інтенсивність росту була різною. Найвища схожість і проростання насіння пшениці спостерігалась на ґрунтах з рН 7,0 та рН 6,0, порівняно з ґрунтами, рН - 5,0 та 4,0. Внесення в ґрунт солей (Cd, Pb, Zn, Cu) в різних комбінаціях, пригнічує ріст коренів і стебла проростків у межах 28,4 -52,6%. У всіх досліджуваних зразках найсуттєвіше пригнічувалась активність росту проростків на забруднених ґрунтах солями Cd+Pb та Cd за рН 5,0 (44,2-52,6%). Підвищення рН ґрунту з 5,0 до 7,0 знижує токсичний вплив металів на активність росту проростків, яка коливалася в межах 28,4 - 32,7% і була на 15,8-22,1% меншою порівняно зі зразками ґрунту з рН 5,0 (табл. 1).

Таблиця.1. Пригнічення активності росту проростків пшениці за сумісного впливу важких металів (%).

Для зменшення токсичного впливу важких металів на ці процеси у забруднені важкими металами ґрунти за різних кислотно-основних умов, вносили різні меліоранти. Дослідження ефективності заходів щодо зменшення токсичного впливу як окремих важких металів, так і їх комбінацій показали, що використані меліоранти обмежують рухомість йонів металів, переводячи їх у зв'язані та менш доступні для рослин форми. Використані меліоранти - цеоліт, торф, вапняк ефективно зменшують вміст рухомих йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ у ґрунті за рН 5,0 - на відповідно 7,1-26,3 та 6,0 - 30,4%; за рН 6,0 - на 5,2 - 31,2 та 6,1 - 38,0%; за рН 7,0 - на 1,6 -38,8 та 2,7 - 40,8%.

Серед використаних меліорантів найефективнішим щодо попередження акумуляції йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ за рН ґрунтової витяжки 5,0 і 6,0 був цеоліт, використання якого достовірно знижує акумуляцію йонів Cd²⁺ у першій дослідній групі на 24,4 і 22,4%; у другій - на 16,3 і 24,4%; у третій - на 15,3 і 27,6%; у четвертій - на 11,6 і 29,7%; у п'ятій - на 8,1 і 37,2% та йонів Pb²⁺ - відповідно на 30,4 і 42,5%; 32,9 і 38,0%; 29,7 і 32,1%; 27,9 і 37,4% та 18,6 і 24,2%. За рН 7,0 торф володів подібними властивостями, а в забруднених ґрунтах солями: Cd, Cd+Pb+Zn, Cd+Pb+Zn+Cu попередження кумуляції було вищим відповідно на 1,9, 1,8 та 2,0%, ніж за використання цеоліту. Щодо йонів Pb²⁺, то тільки в чотирикомпонентній системі (Cd+Pb+Zn+Cu) використаний торф як меліорант достовірно попереджував кумуляцію йонів Pb²⁺ при всіх значеннях рН, а саме на 16,8% та 3,4% (рН 5,0); на 17,0 та 0,7% (рН 6,0); на 41, 2 та 2,4% (рН 7,0), порівняно з вапняком і цеолітом. Найменшою здатністю щодо попередження кумуляції йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ в умовах експерименту володів вапняк. За всіх значень рН ґрунтової витяжки як в одно-, так і в багатокомпонентних системах акумуляція рухомих форм кадмію та свинцю відповідно не перевищувала 8,9 та 15,5% і коливалася в межах 1,4 - 8,9 та 0 - 15,5%.

З метою дослідження найефективнішого меліоранта щодо попередження міграції йонів Cd²⁺ та Pb²⁺, ми провели мікропольовий господарський експеримент, де моделювали забруднення солями Cd, Pb, Zn і Cu у концентраціях, які віддзеркалюють реальне навантаження. На першу дослідну ділянку (0,1 га) вносили 20 т/га цеоліту, а на три інші - різну кількість торфу (20, 25, 30 т/га) (табл.2). На всіх ділянках, де меліорантом був торф, нагромадження рухомих форм кадмію та свинцю в рослинах було меншим. На ділянках меліорованих цеолітом, вміст цих металів у рослинах був нижчим: для картоплі - на 27,2-28,6% та 3,2-8,2%; для зерна пшениці на 12,9-18,0% та 7,6-8,2%; для зерна ячменю на 6,9-16,0% та 6,5-7,2% відповідно. Найвищий ефект щодо підвищення врожайності кормових та фуражних культур був на дослідних ділянках, де під зяблеву оранку вносили торф у дозі 25 т/га для картоплі; 20 т/га для зерна пшениці та 25 т/га для зерна ячменю.

Таблиця 2. Ефективність дії меліорантів на акумуляцію важких металів сільськогосподарськими рослинами, мг/кг, М m, n = 10

Внесення торфу в прийнятих дозах, порівняно до ґрунтів, де використовувався цеоліт як меліорант, сприяло підвищенню врожайності картоплі на 14,7%, зерна пшениці та зерна ячменю відповідно на 9,3 і 20,5% із вмістом важких металів, що не перевищує ГДК.

2. Комбіновано-поєднаний вплив важких металів на функціональний стан лабораторних тварин.

Динаміка живої маси дослідних тварин була позитивною і достовірних відмінностей між ними не спостерігалося. Тримісячна експозиція важкими металами різко знижує рухову активність та емоційну реакцію дослідних тварин. Аналіз коефіцієнтів мас внутрішніх органів щурів після тримісячної експозиції солями важких металів (табл. 3) показує вірогідне збільшення маси печінки у всіх дослідних групах (за експозиції солями Cd+Zn на 18,3%, за експозиції солями Cd+Pb на 34,5%). Статистичний аналіз показав достовірне відхилення коефіцієнтів мас внутрішніх органів, порівняно з контролем, за експозиції солями Cd+Pb (коефіцієнти мас легень і нирок зменшилися на 31,5 та 23,5%, а - селезінки зріс на 28,4%); за експозиції солями Cd+Zn та Cd+Cu коефіцієнт маси нирок зменшився на 22,7% та 18,8%, а коефіцієнт маси селезінки зріс на 45,8 та 37,5% відповідно. Тенденція до зниження коефіцієнту маси нирок (на 20,5%) також спостерігалася в експозиції солями Cd+Pb+Zn+Cu. Звертає на себе увагу той факт, що найбільшим токсичним ефектом володіє експозиція двох солей (Cd+Pb), які взаємопідсилюють токсичні прояви. Серед усіх комбінацій, найменш токсичну дію проявляли суміші солей, а саме: для легенів (Cd+Zn); для нирок, печінки i селезінки (Pb+Zn), для серцевого м'язу (Cd+Zn), Це, можливо, пов'язано з конкурентними відношеннями між йонами Cd²⁺ і Zn²⁺ та Pb²⁺і Zn²⁺.

Таблиця 3. Коефіцієнти мас внутрішніх органів щурів після тримісячної експозиції солями важких металів, %, М m, n = 10

Аналізуючи одержані дані, слід зазначити, що використані ентеросорбенти (ентеросгель, активоване вугілля і пектин яблучний низькоетерифікований) разом із згодовуванням щурам різних сумішей важких металів, сприяли значному попередженню надходження солей Cd і Pb з шлунково-кишкового тракту, а також підвищеній елімінації їх з організму. Рівень кадмію в крові і печінці токсикованих щурів за умов застосування ентеросорбентів змінювався неоднаково і практично не залежав від комбінацій важких металів. Серед використаних ентерособентів, щодо попередження надходження йонів Cd²⁺ в організм дослідної групи щурів, найвищою адсорбційною активністю володів ентеросгель, застосування якого сприяло зменшенню на 59,7 і 61,1% (середні дані по всіх використаних сорбентах) відповідно у крові та печінці затруєних щурів. Використане активоване вугілля та низькоетерифікований яблучний пектин також сприяли зниженню концентрації кадмію в крові та печінці відповідно на 29,2 і 32,2 та 50,0 і 55,8%, однак вона була вищою в середньому на 19,7-30,2 і 5,3-28,9%, порівняно з групою, де застосовували ентеросгель.

ВИСНОВКИ

Проведеними дослідженнями експериментально доведено, що за поліелементного навантаження солями важких металів (Cd, Pb, Zn, Cu) відбувається як синергічна, так і антагоністична взаємодія між окремими важкими металами, що безпосередньо впливає на токсичні прояви останніх.

1. За умов сумісного забруднення темно-сірого опідзоленого ґрунту найефективнішим меліорантом щодо акумуляції йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ в кислих ґрунтах є цеоліт. Однак за рН 7,0 та у чотирикомпонентній системі (Cd+Pb+Zn+Cu) торф проявляє кращі меліоративні властивості за цеоліт.

Використання як меліоранта торфу забезпечує зменшення рівня кадмію і свинцю в плодах продовольчих і фуражних культур в середньому на 15,7 і 17,8% порівняно з іншими меліорантами, що дозволить одержати продукти харчування з вмістом важких металів, що не перевищує ГДК.

2. Встановлено, що взаємодія йонів Cd²⁺ і Pb²⁺ в організмі токсикованих щурів супроводжується синергізмом (підвищується акумуляція кадмію і свинцю), а йони Zn²⁺ і Cu²⁺ в суміші із солями кадмію і свинцю як у дво-, так і три- та чотирикомпонентних системах, в основному, проявляють антагонізм, що зводиться до зменшення акумуляції кадмію та свинцю організмом дослідних щурів.

3. Виявлено підвищений у 3,6-10 разів вміст Pb і Cd у крові та органах щурів, що свідчить про високу акумулятивну здатність цих елементів. Коефіцієнт біоакумуляції йонів Cd²⁺ дорівнює 10,8%, що у 2,0 рази перевищує акумуляцію йонів Pb²⁺ (5,3%). За чотирикомпонентної експозиції (Cd+Pb+Zn+Cu), із сечею найінтенсивніше виводяться йони Pb²⁺, Zn²⁺ і Cu²⁺ (концентрація, яких у 2,4, 1,5 та 1,4 разу перевищує їх вміст в крові), а концентрація йонів Cd²⁺ була близькою як у сечі, так і у крові.

4. Спостерігається, що згодовування щурам суміші важких металів зумовлює зменшення живої маси, негативно впливає на ріст і розвиток внутрішніх органів. Найвищим токсичним ефектом володіє експозиція солей кадмію і свинцю.

5. Біохімічними та гематологічними дослідженнями встановлено достовірне зниження кількості еритроцитів (13,9 - 16,7%), гемоглобіну (20,4 - 41,8%), лейкоцитів (43,6 - 54,5%). Під впливом солей металів спостерігається порушення функції нирок, про що свідчить зростання білка в сечі в середньому у 1,6 - 4,0 рази.

6. Йони Cd²⁺ та комбінація його з Pb²⁺, Zn²⁺ і Cu²⁺ пригнічують метаболізм вуглеводів, що призводить до розвитку дефіциту в енергетичному та пластичному забезпеченні клітин й організму в цілому. Сумісна токсична дія важких металів залежить не тільки від токсичності окремого елемента, але й від їх комбінацій.

Йони Cd²⁺ та Pb²⁺ супроводжуються синергічною взаємодією, що посилює негативний вплив йонів Cd²⁺, а йони Cu²⁺ і Zn²⁺, навпаки, пригнічують його, хоча антагонізм між Cd²⁺ і Zn²⁺ більш виражений, ніж між Cd²⁺ і Cu²⁺.

7. Експозиція впливу солей важких металів на організм щурів у дозах, що реально відображає техногенне навантаження у Львівсько-Волинському вугільному басейні, забезпечує збільшення проникності мембран гепатоцитів і часткове їх руйнування, що призводить до звільнення ферментів цитозолю, а також до зниження білоксинтезуючої функції печінки. Відчутно, порівняно з АсАТ зростає активність АлАТ (до 37,9%). Коефіцієнт де-Рітіса коливається від 0,69 до 0,92. Концентрація загального білка достовірно знизилася в межах 5,8-19,8%, спостерігається гіпопротеїнемія, яка зумовлена гіпоальбунемією.

8. Під впливом важких металів спостерігається чітке, залежне від комбінації солей у суміші, підвищення активності лужної фосфатази (1,16-1,92 рази до контролю). Рівень церулоплазміну достовірно зріс у варіанті (Cd+Pb+Zn) на 12,5%, у варіанті (Cd+Pb) на 48,1% та варіанті (Cd+Zn) на 4,3% у відповідь на вплив хімічних чинників, тобто він відіграє роль білка гострої фази.

9. З метою попередження всмоктування важких металів з шлунково-кишкового тракту, а також їх елімінації, зокрема кадмію і свинцю, з організму тварин, необхідно застосовувати ентеросорбенти. Найкращою адсорбційною активністю володіє ентеросгель, застосування якого в середньому знижує рівень кадмію і свинцю в крові й печінці відповідно на 59,8 і 69,2 та 61,1 і 31,2%.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

1. Дослідження з метою профілактики і попередження токсичного впливу важких металів на організм тварин та людей у зонах техногенного навантаження може бути успішно відтворений у експериментах на лабораторних тваринах.

2. З метою попередження нагромадження важких металів (Cd, Pb, Zn i Cu) з ґрунту у вегетативну частину кормових культур до ГДК у Львівсько-Волинському вугільному басейні доцільно використовувати як меліорант - торф у дозі 20 т/га шляхом рівномірного розсіювання під оранку.

3. Ефективним профілактичним засобом, що дає можливість знизити рівні Cd і Pb в крові та печінці щурів є ентеросгель (реєстраційний № 05.03/06687 “Креома фарм”) у дозі 0,14 г на одну тварину в добу (рекомендована для людей доза) шляхом активної адсорбції у кишечнику та підвищення елімінації токсичних речовин з організму.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Буцяк Г.А. Вміст йонів Cd²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺та Cu²⁺ у крові корів за експериментальної сумісної інтоксикації / Р.Й. Кравців, В.І. Буцяк // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З.Гжицького. 2005. -Т.7, (№2), ч.2.- С. 26-30. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку).

2. Кравців Р.Й. Вплив фізико-хімічних факторів на токсичну активність важких металів/ Г.А. Буцяк, В.І. Буцяк //Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З.Гжицького. 2005. -Т.7, №4 (27), ч.1.- С. 51-56. (Дисертант провів дослідження, обробку і аналіз даних, брав безпосередню участь у написанні статті).

3. Буцяк Г.А. Комбінований вплив пріоритетних забруднювачів довкілля на організм лабораторних тварин / Р.Й. Кравців, В.І. Буцяк // Науковий вісник Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З.Гжицького. 2005. -Т.7, (№2), ч.6.- С. 18-21. (Дисертант провів дослідження, обробку і аналіз даних, брав безпосередню участь у написанні статті).

4. Буцяк Г.А. Сумісний вплив важких металів на метаболізм вуглеводів у крові щурів / В.І. Буцяк, П.І. Головач //Вісник Дніпропетровського аграрного університету.- 2005.-№2.- С.42-45. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку).

5. Кравців Р.Й. Токсичний ефект комбінованої дії солей важких металів на організм щурів / Г.А. Буцяк, В.І. Буцяк //Вісник аграрної науки.-Київ, 2007.-№1.- С.33-36. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку)

6. Використання ентеросорбентів для покращення якості тваринницької продукції / Р.Й. Кравців, В.І. Буцяк, Буцяк Г.А. М.В. Черево // Науковий вісник ЛНУВМБТ ім.С.З.Гжицького.-2008.- Т. 10, №1 (36).-ч.1.-С. 193-198. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку).

7. Кравців Р.Й. Сумісний вплив важких металів на організм тварин / Г.А. Буцяк // Науковий вісник Львівського національного університету ветеринарної медицини та біотехнологій імені С.З.Гжицького. 2008. -Т.10, №2 (37), ч.4.- С. 48-54. (Дисертант провів дослідження, обробку і аналіз даних, брав безпосередню участь у написанні статті).

8. Буцяк Г.А. Міграція солей свинцю та цинку в системі грунт-рослина залежно від комбінованого впливу та концентрації / І.М. Курляк, В.І. Буцяк // Збірник доповідей учасників Міжнародної науково-практичної конференції “Екологія: вчені у вирішенні проблем науки, освіти і практики”.-Житомир, 2007.- С. 99- 102. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку)

9. Буцяк Г.А. Вплив солей свинцю та цинку на біохімічні показники крові корів / І.М. Курляк, В.І. Буцяк // Міжнародна конференція “Сучасні проблеми біології, екології та хімії”, присвячена 20-річчю біологічного факультету ЗНУ.-Запоріжжя, 2007. - ч.2. - С.522-524. (Дисертант провів дослідження, обробку і аналіз даних, брав безпосередню участь у написанні статті).

10. Деклараційний патент на корисну модель UA 13664 U A01G29/00, A01B 79/00, C09K 17/00 Спосіб одержання екологічно чистої продукції рослинництва на ґрунтах, забруднених солями важких металів /Кравців Р.Й., Буцяк Г.А., Буцяк В.І - Заявлено 06.10.2005, Опубл. 17.04.2006, Бюл.№4.-6 c. (Дисертант вивчив оптимальні дози використання меліорантів та дослідив ефективність їх використання)

11. Патент на корисну модель №29676 Спосіб запобігання всмоктуванню солей важких металів у шлунково-кишковому тракті лабораторних тварин/ Кравців Р.Й., Буцяк Г.А., Буцяк В.І. Заявлено 23.11.2007, Опубл. 25.01.2008.- Бюл. № 2.- 8 c.

(Дисертант вивчив оптимальні дози використання адсорбенту та дослідив ефективність їх використання)

12. Буцяк Г.А. Вплив меліорантів на міграцію важких металів у довкіллі / І.М. Курляк, В.І. Буцяк / Тези доповідей конференції “Технологічні й практичні дослідження молодих вчених аграріїв”.- Дніпропетровськ, 2006.-С. 5-6. . (Дисертант провів дослідження, обробку і аналіз даних та підготував статтю до друку).

13. Буцяк В.І. Закономірності кумуляції свинцю і цинку рослинами / І.М. Курляк, Г.А. Буцяк / Тези доповідей V державної науково-практичної конференції, Біла Церква, 23-25 листопада 2006.-ч.1.-С. 4-5. (Здобувач забезпечив організацію досліду, провів дослідження і підготував статтю до друку).

14. Буцяк В.І. Екологічний моніторинг ведення тваринництва у біогеохімічних провінціях / Р.Й. Кравців, Г.А. Буцяк / Монографія.- Львів, 2005.- 254 с. (Здобувач провів дослідження, обробку та аналіз даних і написання розділу навчального посібника).

15. Кравців Р.Й. Біогеохімія / В.І.Буцяк, Г.А. Буцяк /Навчальний посібник.- Львів, 2006. - 202 с. (Здобувач провів дослідження, обробку та аналіз даних і написання розділу навчального посібника).

БУЦЯК Г.А. CУМІСНА ДІЯ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У РЕГІОНІ ЛЬВІВСЬКО-ВОЛИНСЬКОГО ВУГІЛЬНОГО БАСЕЙНУ, СПОСОБИ ПОПЕРЕДЖЕННЯ ЇХ КУМУЛЯЦІЇ І ТОКСИЧНОГО ВПЛИВУ. - РУКОПИС

Дисертація присвячена вивченню закономірностей міграції важких металів при навантаженні як окремими, так і різними комбінаціями солей (Cd, Pb, Zn, Cu) у дозах, що відтворюють реальне забруднення у Львівсько-Волинському вугільному басейні в трофічному ланцюгу: ґрунт - рослина (корм) - тварина. На основі проведених досліджень з'ясовано роль кислотно-основних умов ґрунту та дію меліорантів на процеси акумуляції полютантів рослинами.

Встановлено, що надмірне надходження солей важких металів негативно впливає на функціональний стан та метаболічні процеси лабораторних тварин. Визначені коефіцієнти біоакумуляції Cd, Pb, Zn і Cu із кормів та води в організм щурів за час експериментальних досліджень. Комбінована дія солей Cd+Pb підвищує кумуляцію Cd і Pb організмом щурів (підсилює токсичний ефект окремих металів), а солі Cu і, особливо Zn, у комбінаціях із солями кадмію і свинцю порушують її.

Застосовані ентеросорбенти в рекомендованих для людей дозах згладжують токсичну дію суміші солей важких металів за рахунок значної адсорбції полютантів у кишечнику, а також сприяють підвищенню елімінації кадмію і свинцю з організму лабораторних тварин.

Ключові слова: щурі, сумісний вплив важких металів, моніторинг, меліоранти, ентеросорбенти, метаболічні процеси.

БУЦЯК Г.А. CОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЕГИОНЕ ЛЬВОВСКО-ВОЛЫНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА, СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ИХ КУМУЛЯЦИИ И ТОКСИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ. - РУКОПИСЬ. ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЯ НАУЧНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 03.00.16 - ЭКОЛОГИЯ, ЖИТОМИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, ЖИТОМИР, 2009

Повышение рН почвы с 5,0 до 7,0 существенно снижает токсическое влияние тяжёлых металлов на активность роста ростков, которая колебалась в пределах 28,4-32,7% и была на 15,8-22,1% высшей сравнительно с образцами почв с рН 5,0. Комбинация солей Cd+Pb повышает кумуляцию ионов Cd²⁺ и Pb²⁺ растениями, а соли Zn и Cu в разных комбинациях с солями Cd и Pb, наоборот, угнетают ее, однако концентрация металлов в почве оставалась высшей за ГПК. Использованные мелиоранты - цеолит, торф, известняк эффективно уменьшают в почве подвижные формы Cd²⁺ и Pb²⁺ при рН 5,0 на 7,1-26,3 и 6,0-30,4%; при рН 6,0 - 5,2-31,2 и 6,1-38,0%; при рН 7,0 - 1,6-38,8 и 2,7-40,8%. В нейтральных почвах при загрязнении солями (Cd, Pb, Zn, Cu) наибольше предупреждает кумуляцию подвижных форм Cd²⁺ и Pb²⁺ торф.

Установлено, что чрезмерное поступление солей тяжёлых металлов отрицательно влияет на функциональное состояние и метаболические процессы лабораторных животных. Обращает на себя внимание тот факт, что наибольшим токсическим эффектом обладает экспозиция комбинации двух тяжёлых металлов (Cd+Pb), которые усиливают токсические проявления. Среди всех комбинаций, наименее токсическое действие проявляли смесь солей Cd и Pb с солями Zn, что связано с конкурентными отношениями между ионами Cd²⁺ и Zn²⁺ и Pb²⁺ и Zn²⁺. Совместное действие солей тяжёлых металлов (Cd, Pb, Zn, Cu) приводит к значительной аккумуляции металлов органами и тканями крыс. Определены коэффициенты биоаккумуляции Cd, Pb, Zn и Cu из кормов и воды в организм крыс. Наиболее задерживаются в организме ионы Zn²⁺, Cu²⁺ и Cd²⁺ с коэффициентом биоакумуляции соответственно 12,2, 11,4 и 10,8%, а ионы Pb²⁺ - 5,3 %. Комбинированное действие солей Cd+Pb сопровождается синергическим взаимодействием, а ионы цинка и меди относительно кадмия и свинца проявляют антагонизм, удручая аккумуляцию последних.

Повышение содержимого тяжёлых металлов в крови крыс сопровождается изменениями интегральных показателей: ухудшается общее состояние животных, снижается масса тела, наблюдаются проявления анемии, угнетается функциональное состояние почек, деятельности иммунной системы. При комбинированном действии солей Cd+Pb и Pb+Cu установлено достоверное снижение количества эритроцитов на 16,7 и 13,9% и гемоглобина на 20,4 до 41,8%, количество лейкоцитов также было сниженным.

Активность АсАТ незначительно снизилась (на 4,8-18,6%), а активность АлАТ существенно выросла (на 4,5-37,9%) сравнительно с контролем. В первых шести исследовательских группах коэффициент де-Ритиса был ниже единицы и колебался в пределах от 0,69 до 0,92, коэффициент ниже 0,7, как правило, интерпретируется как показатель острой интоксикации печени, что имеет место в группе (Cd+Pb). Относительно активности ЛДГ, то она также в данной группе достоверно возрастает на 11,1%. Исследованиями установлено, что в сыворотке крови токсикованих крыс концентрация общего белка достоверно снизилась (от 5,8 до 19,2%). Под влиянием смеси разных тяжёлых металлов, комбинация которых характеризовалась как синергизмом, так и антагонизмом, наблюдали четко зависимое от комбинаций солей металлов увеличения в 1,16-1,92 раза активности щелочной фосфатазы. Уровень церулоплазмина достоверно возрос в III, IV и VI группах соответственно на 12,5, 48,1 и 4,3% по сравнению с контролем. Рост уровня церулоплазмина можно объяснить синтезом его в ответ на влияние химических факторов.