Застосування комплексу геохімічних та біологічних методів для виявлення забруднень грунтів важкими металами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Івано-Франківська державна медична академія

Застосування комплексу геохімічних та біологічних методів для виявлення забруднень грунтів важкими металами

УДК 504.064.2 (477.86)

Я.С. Коробейникова,. О.Д. Мельник, А.В. Пукіш

Л.Є. Ковальчук, П.М. Телюк

ecology@nung.edu.ua, www.ecosafety.iftung.if.ua

biology@optima.com.ua

76019, Івано-Франківськ, вул. Карпатська,15,тел.(03422 )42183

76000, Івано-Франківськ, вул. Галицька,2, тел. (03422) 520396

Анотації

В статті наведені результати досліджень вмісту розчинних форм металів в екосистемах та співставлення їх з цитогенетичною активністю грунтів за показниками мітотичної активності Allium cepa. Критерієм оцінки екологічного стану грунтів є їх фонові значення для вмісту важких металів.

Вміст водорозчинних форм важких металів у грунтах на території нафтогазовидобутку є характерним відображенням їх санітарно-гігієнічного стану. Враховуючи неможливість адекватної оцінки впливу забрудненості педосфери в районах нафтогазовидобутку на здоров'я людини авторами вперше запропоновано застосування методу цитогенетичної активності грунту за показниками мітотичної активності, що є доцільним для виявлення впливів важких металів - забрудників грунтів на здоров'я людини. Поєднання методів екологічної оцінки грунтів, а саме визначення вмісту розчинних форм металів у ґрунтах та визначення їх цитогенетичних ефектів за показниками Allium cepa-тесту дає змогу виявити можливі впливи нафтогазодобувної діяльності на спадковий апарат живих організмів та опосередковано на здоров'я людини. Запропонована методологія доповнює комплекс екологічних досліджень ґрунтів на нафтозабруднених територіях.

В статье приведены результаты исследований содержания растворимых форм металлов в экосистемах и сопоставление их с цитогенетической активностью почв за показателями митотической активности - Allium cepa. Критерием оценки экологического состояний почв являются их фоновые значения для содержания тяжелых металлов.

Содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах территории нефтегзодобычи является адекватным отображением их санитарно-гигиенического состояния. Учитывая невозможность адекватной оценки влияния загрязненности педосферы в районах нефтегазо добывания на здоровье человека авторами впервые предложено использование метода цитогенетической активности почв за показателями митотической активности, что является целесообразным для выявления влияний тяжелых металлов - загрязнителей почв на здоровье человека. Объединение методов экологической оценки почв, а именно установление содержания растворимых форм металлов в почвах и выявление их цитогенетических эффектов за показателями Allium cepa-теста дает возможность выявить возможные влияния нефтегазодобывной деятельности на наследственный аппарат живых организмов и посредственно на здоровье человека. Предложенная методология дополняет комплекс экологических исследований почв нефтезагязненных территориях.

In this article are shown the results of the research of the contents of the dissoluble forms of metals in the ecosystems and collation them with cytogenetical activity of the soils by the use of the mitosis activity indexes Allium cepa. The criterion of the assessment of the ecological condition of the soils is the background values of the contents of heavy metals.

The concentrations of soluble forms of the heavy metals in the soils is an adequate representation of their sanitary-hygienic condition. The application of the method of cytogenetical activity of the soil by the use of the mitosis activity indexes is necessary for the discovery influences of the heavy metals - polluters of the soils over man's health. Co-adaptation of the methods of the ecological assessment of the soils, especially determination of the contents of the dissoluble forms of metals in the soils and definition of their cytogenetical effects by the use of the indexes of Allium cepa- test gives an opportunity to display influences of technogenical activity over hereditary system of living organisms and man's health.

The suggested methodology completes the complex of ecological researches of the soils over technogenic changed territories.

Для адекватної та найбільш повної з екологічної точки зору оцінки стану компонентів навколишнього середовища території нафтогазовидобутку, як правило, застосовують комплекс методів. Первинними в такій оцінці має бути виявлення фонових значень вмісту забрудників у довкіллі та визначення перевищень над фоновими значеннями результатів досліджень. Тільки на цій основі можна оцінити ступінь техногенного забруднення території.

Найбільш оптимальним методом оцінки геохімічного фону є визначення вмісту елементів в екологічно “чистих” територіях [6]. Важливо, щоб фонові території та досліджувані, техногенно змінені, належали до однотипових ландшафтів з характерними ландшафтно-геохімічними умовами.

Для фахівців з охорони довкілля залишається проблемним питання розробки критеріїв санітарно-гігієнічного стану ґрунту. В Україні на даний час немає державних стандартів фізико-хімічних показників для основних типів ґрунтів, що ускладнює проведення екологічних досліджень. Юридичними критеріями ступеня небезпеки ґрунтового покриву залишаються значення ГДК. Однак, вони встановлені для незначної кількості речовин. Існує також методика визначення фонових значень вмісту елементів за їх вмістом у рослинних гербаріях та порівняння значень у динаміці [7]. На наш погляд, ця методика має ряд суттєвих недоліків, основні з них полягають у вибірковій акумулюючій здатності різних рослин, неоднорідному розподілі металів в окремих частинах рослин та ін. Пропонується вважати за граничні показники, наприклад, важких металів, подвоєне значення кларків або фонових величин. Проте, підходи до нормування забруднення за значеннями валового вмісту у ґрунті слід розглядати як орієнтовні з позицій санітарно-гігієнічної (екологічної) оцінки. При доступності та простоті даних досліджень, спостерігається невисока кореляція між валовим вмістом важких металів в ґрунтах та накопиченням їх в рослинах та інших компонентах ланцюга живлення. Адекватне відображення вмісту важких металів в ґрунтах починається при значних (в 50 - 100 разів) перевищеннях фонових значень. Тому валовий вміст важких металів не може слугувати екологічним критерієм якості середовища.

Об'єктивну оцінку забруднення ґрунтів важкими металами дають дослідження їх рухливих форм. Саме мобільна частина здатна мігрувати ланцюгами живлення та впливати на компоненти екосистеми. Тому вміст рухливих форм важких металів в ґрунтах є основними об'єктами санітарно-гігієнічного нормування і критерієм для екологічної оцінки стану навколишнього середовища. Ряд дослідників вважає, що при однакових значеннях валового вмісту важких металів у ґрунті, їх токсичність може бути різною залежно від фізико-хімічних властивостей ґрунту [9]. Крім того, концентрації більшості елементів в однотипних ґрунтах змінюються в широких діапазонах в залежності від конкретних ландшафтно-геохімічних умов території досліджень. Таким чином, визначення вмісту рухливих форм важких металів у типових ландшафтах є актуальним завданням сучасних ландшафтно-геохімічних досліджень.

В рамках комплексної екологічної оцінки території нафтогазовидобутку Долинського району Карпат були проведені геохімічні дослідження його ґрунтів. Вони полягали у визначенні валових значень вмісту важких металів в межах основних ландшафтів території. Результати досліджень ґрунтів показали нерівномірний розподіл досліджуваних елементів за профілем, який проходив від гірської частини території до передгірської. Має місце поступове збільшення концентрації досліджуваних елементів у профілі в напрямку до Передкарпаття. При переході ландшафтів від ґрунтів гірської частини району до передкарпатської збільшується концентрація мікроелементів (рис. 2,4). Це підтверджує процес регіональної міграції металів з Карпат до Передкарпаття, викликаної особливостями гірського рельєфу, гранулометричним складом ґрунтів Карпат, вологим кліматом та іншими чинниками [4].

Валовий вміст важких металів відповідає фоновим значенням в карпатській частині району та відмінний від фонового у передкарпатській, що дозволяє стверджувати про техногенне походження геохімічних аномалій на цій території. Виявлено перевищення фонових значень (в 2-2,5 рази) концентрації досліджуваних мікроелементів в передкарпатській частині району. Характер аномалій вказує на їх техногенне походження за особливостями розподілу та хімізмом останніх.

Багатофакторність причин формування геохімічних аномалій в техногенно змінених ландшафтах ускладнює процес екологічної оцінки території. Після надходження важких металів техногенного походження в грунт проходить трансформація їх первинних форм, вертикальний та горизонтальний перерозподіл, перехід в рослини, природні води, тобто починається їх міграція ланцюгами живлення. Так, наприклад, частка техногенного свинцю розчинного характеру може становити від 10 до 40-50 % [3]. З літературних джерел відомо, що навіть в межах природно-заповідних територій проходить процес кумуляції промислових викидів, наприклад свинцю, що веде до перевищення його фонових значень на цих територіях. Причому, на території Чорногірського масиву зафіксовані високі коефіцієнти біотичного поглинання важких металів рослинами [2]. Багатофакторність формування геохімічних аномалій різного характеру викликає необхідність детальної санітарно-гігієнічної оцінки ґрунтів з метою виявлення екологічних небезпек та розробки напрямків оптимізації екологічної ситуації. Тому виявлення рухомих форм елементів в ґрунтах є основним завданням екологічної оцінки території.

Для виявлення розчинних форм з метою санітарно-гігієнічної оцінки були визначені водорозчинні форми Cu, Pb, Cd у бурих гірських лісових ґрунтах на території гірської частини району. Ландшафтно-геохімічні умови території відбору проб визначаються її розташуванням у межах Бескидсько-краєвого ландшафту Низькогірно-Скибової ландшафтної області. Це пологосхилі низькогір'я, складені глинистим флішем. На бурих лісових ґрунтах поширені ялицево-ялиново-букові ліси. Відбір проб здійснено профільним методом, відстані між точками відбору проб становила від 100 до 260 м. Профіль запроектований вхрест простягання гірського макросхилу. Результати аналізу показали значну долю глинистої фракції (від 20 до 46 %), що сприяє акумуляції важких металів у даному типі ґрунту. Причому спостерігається зменшення глинистої фракції з пониженням рельєфу території досліджень. Розподіл валового вмісту Сu, Pb показаний на рис. 1, 2. Розподіл вмісту водорозчинних форм Сu, Pb, Сd у досліджуваному профілі показаний на рис. 1, 2, 3. екосистема грунт нафтогазодобувний

Рисунок 1. Загальний вміст та вміст водорозчинної форми Сu в межах досліджуваного профілю

Таким чином, найбільш важливу роль у міграції важких металів ланцюгами живлення відіграють їх водорозчинні форми. Вони становлять основу мобільних форм важких металів. Для фонових територій характерна мізерна доля мобільної форми металів, які досліджувались (від 0.5 до 3 %). Не спостерігається закономірностей розподілу на території значень водорозчинних форм металів, на відміну від відповідних значень їх валового вмісту. Також не спостерігається залежності між валовими та мобільними формами досліджуваних металів. Визначення водорозчинних форм важких металів на фоновій території розглядається як порівняльна база для проведення екологічної оцінки техногенно змінених ділянок даного типу ландшафту.

В процесі проведення екологічних досліджень важливим фактором є визначення забруднення компонентів довкілля, проте, на нашу думку, така інформація є недостатньою для повного, об'єктивного відображення екологічного стану навколишнього природного середовища. Для того, щоб забезпечити повноту екологічних досліджень, необхідно також визначити як впливає забрудненість компонентів довкілля на природу, живі організми. Постійне розширення кількості та арсеналу генетично активних хімічних сполук, що надходять у довкілля, зумовлює посилення мутагенного фону на територіях інтенсивного техногенного впливу. Більшість мутагенів мають безпорогову дію і тому навіть при незначних дозах неминучий кумулятивний ефект. Саме тому в системі екологічних досліджень тестування чинників забруднення на мутагенність є важливим з погляду санітарно-гігієнічної оцінки.

Рисунок 2. Загальний вміст та вміст водорозчинної форми Pb в межах досліджуваного профілю

Рисунок 3. Вміст водорозчинної форми Сd в межах досліджуваного профілю

На другому етапі роботи проводились дослідження впливу малих концентрацій важких металів на цитогенетичні характеристики ґрунту за показниками мітотичної активності в первинній кореневій меристемі тест-об'єкту Allium cepa та індукованими абераціями хромосом в клітинах [5,8]. Дана рослина має невелику кількість хромосом (16) порівняно з іншими об'єктами. Вони легко ідентифікуються, чутливі до несприятливих факторів середовища. Оцінка активності проростання в водній витяжці досліджуваного зразка ґрунту ( число клітин, що діляться), наявності видимих порушень спадкового апарату (хромосом),встановлення кількості змінених хромосом та спектру таких порушень дозволяє визначити безпосередню генетичну небезпеку досліджуваного ґрунту на живі організми та людину. Методичні підходи до таких досліджень розроблені групою експертів Програми ООН з навколишнього середовища, Міжнародної Організації праці і ВООЗ, які працюють в рамках Міжнародної програми з хімічної безпеки Така оцінка мітотичної активності та патологій мітозу є дуже важливим фактором з точки зору генетичного впливу забруднювачів на живі організми.

В ході експерименту визначали сумарний мітотичний індекс (МІ) як показник мітотичної активності за відношенням кількості клітин у мітозі до загальної кількості клітин. Індекс аберацій (ІА) розраховували за відношенням кількості аберантних клітин до загальної кількості клітин у мітозі. Частоту хромосомних аберацій (ХА) в клітинах аналізували за відношенням кількості аберацій до кількості клітин в ана- телофазах.

В умовах експерименту вирощували насіння цибулі посівної Allium cepa в розчинах солей важких металів (Cd²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, CrO₄^2-, VO₄^3-) у концентраціях 0,00001-0,00005 М (див. табл. 1), які відповідають фоновим величинам. Контролем слугувала дистильована вода.

В контролі МІ складав 6,73%. В розчинах солей міді величина МІ складала від 5,30 до 6,44%,

що свідчить про незначний вплив даної солі на мітотичну активність у такій концентрації, тоді як за літературними даними при концентраціях 0,001М Сu²⁺ знижує мітотичну активність до 1,7%[1].

Аналогічна дія спостерігається і в експерименті із Cd²⁺. Якщо в експерименті з попередніми солями відмічались незначні коливання МІ залежно від концентрації, то в розчинах Co²⁺, ці показники практично однакові і становлять 5,24-5,32%. Найбільш ефективною виявилась дія солі Ni²⁺ та CrO₄^2-. Мітотична активність в розчинах цих солей майже на 1,5% менша від контрольного значення, проте такі показники знаходяться в межах допустимих норм.

Цікавим виявився той факт, що VO₄^3- в концентрації 0,00005 М викликає МІ близький до контролю, тоді, як при концентрації 0,00001 М ця величина в 1,5 рази вище контрольного значення. Аналіз спектру хромосомних аберацій дав змогу оцінити ступінь порушень мітотичного циклу. В клітинах, що перебували під впливом досліджуваних солей металів фіксувались хромосомні та хроматидні аберації: одинарні та подвійні фрагменти, мости.

В метафазних пластинках клітин меристеми під впливом солей Cu²⁺ і VO₄^3- індекс аберацій зменшувався зі зменшенням концентрацій, а солі міді, кобальту та хрому давали зворотній ефект в межах 1-3 одиниць.

Таблиця 1. - Частота і спектр хромосомних і хроматидних аберацій в клітинах меристеми Allium cepa залежно від концентрації важких металів

Серед тестованих нами хромосомних і хроматидних аберацій, спричинених розчинами всіх досліджуваних солей, переважали хромосомні фрагменти та мости, причому залежності від концентрацій не виявлено. Частота і спектр виявлених аберацій при досліджуваних концентраціях перебували в межах спонтанних рівнів.

Таким чином концентрації, які були зафіксовані нами, дійсно можна вважати фоновими, що і підтвердив Allium сера-тест. З іншого боку, підвищені значення вмісту розчинних форм важких металів вказують на необхідність дослідження генетичних наслідків такого забруднення.

Підсумовуючи вищенаведене, можна стверджувати наступне:

1. Важливим критерієм оцінки екологічного стану ґрунтів територій нафтогазовидобутку є їх фонові значення для вмісту важких металів.

2. Вміст розчинних форм важких металів у ґрунтах територій нафтогазовидобутку є адекватним відображенням їх санітарно-гігієнічним стану.

3. Застосування методу цитогенетичної активності грунту за показниками мітотичної активності Allium сера-тесту є доцільним для виявлення впливів важких металів - забрудників ґрунтів на спадковий апарат живих організмів.

4. Поєднання методів екологічної оцінки ґрунтів, а саме визначення вмісту розчинних форм металів у ґрунтах та визначення цитогенетичної активності ґрунту за показниками мітотичної активності, дає змогу прогнозувати впливи техногенної діяльності на здоров'я людини та є ефективним комплексом екологічних досліджень ґрунтів на територіях нафтогазовидобутку.

Література

1. Ковальчук Л.Є., Телюк П.М., Козовий Р.В.Аналіз цитогенетичних ефектів солей важких металів / Галицький лікарський вісник, Т 11 - число 4, Івано-Франківськ, ІФДМА, 2004 (у друці).

2. Козловський В.І. Особливості накопичення важких металів в екосистемах сосни гірської (Чорногора, Українські Карпати) / Матеріали міжнародної конференції «Гори і люди»,14-18 жовтня 2002.-Рахів.-2002.-С.77-82.

3. Кононенко Л.В.,Висотенко О.А. Кинетические параметры трансформации техногенного свинца в дерново-подзолистых почвах //Збірник наукових праць Державного наукового центру радіогеохімії навколишнього середовища НАН та МНС України.- Київ.- 2000.-Вип.1.-С.152-163.

4. Лабий Ю.М. Распределение рассеянных элементов в ландшафтах Восточных Карпат и Предкарпатья. // Геологический журнал.-1988.-№4.-С.84-85.

5. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений.- М.: Колос, 1980. - С. 114-122, 245-260.

6. Перельман А.И. Геохимия. Уч. для ВУЗов.-М.-1989.-528 с.

7. Покоржевский А.Д. Геохимическая экология наземных животных.-М.-1985.-397 с.

8. Руководство по краткосрочным тестам для выявления мутагенных и канцерогенных химических веществ/ Программа ООН по окружающей среде, Международная организация охраны труда и ВООЗ. - М.: Медицина; Женева, ВООЗ, 1989 - 212 с.

9. Самчук А.И., Долин В.В. Тяжелые металлы в почвах Украинского Полесья // Минералогический журнал.-1999.-21.№5-6.-С.40-47.

Размещено на Allbest.ru