Динаміка змін вмісту сполук кадмію та нітрат-іонів в екосистемі Прикарпаття

Abstract. The purpose of the study was to form an algorithm for constant control of the content of cadmium and nitrate ions as an important component of environmental monitoring in the Ciscarpathia ecosystem.

Materials and methods. The soils and drinking water of the plain, foothill and mountainous areas of the region were the object of research. The cadmium content was determined by atomic absorption spectrophotometry on a C-115 PC spectrophotometer. The concentration of nitrate ions in drinking water was determined potentiometrically using an ion-selective electrode.

Results and discussion. The Ciscarpathia is a unique region of Ukraine with rich natural resources, diverse flora and fauna. At the same time, more than 500 industrial enterprises (more than 4% of the total area) of the chemical, energy, oil and gas, woodworking and other industries are located in the region. These enterprises cause a significant man-made load on all components of the natural environment. The ecological situation of the Ciscarpathian region is closely related to the state of soils and water resources. In this regard, it is appropriate to study and control the level of cadmium and nitrate compounds in the environment of the region. The study of the soils of the Carpathian region confirmed the growth of the cadmium toxic element, the content of which was by 1.3-1.5 times higher than the background indicators. It is determined that the level of nitrate ions in the drinking water of the plain zone exceeds the maximum permissible concentration by 1.5-2 times, and the physiological water completeness indicator - by 160-606 times; in the foothills and mountain zones the content of nitrates does not exceed the maximum permissible concentration, but it is by 35-253 times higher than the physiological water completeness indicator. The main stages of entry and accumulation of cadmium in the plant body have been analyzed.

Conclusion. The results of our research made it possible to establish significant differences in the content of cadmium and nitrate ions in the soils and drinking water of different geographical zones of the Carpathian region. In particular, a significant number of the population living in the plains and foothills consumes water with a high content of nitrate ions and cadmium, which leads to an increase in the combined effect of these toxicants on living organisms. It is proposed to carry out constant monitoring of the level of toxicants in the ecosystem as an important component of environmental monitoring. The use of cultivated plants is recommended for cleaning the soil from cadmium contamination.

Keywords: water, soil, plants, nitrates, cadmium, microelements, phytotoxicity.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Стаття є частиною НДР і фрагментом міжкафедральних науково-дослідних робіт "Вивчення стану стоматологічного здоров'я населення західного регіону України та розробка пропозицій щодо його збереження і покращення", № державної реєстрації 0107U004631 (2301050 - прикладні дослідження та розробки); і "Розробка методів діагностики, лікування та профілактики стоматологічних захворювань у населення, що проживає в екологічно несприятливих умовах", № державної реєстрації 0111U003681 (КПКВК 2301020).

Вступ. Захист навколишнього середовища від техногенного забруднення є одним із найважливіших завдань сучасності. Розвиток промисловості і транспорту, будівельної індустрії, сільськогосподарського виробництва супроводжується забрудненням навколишнього середовища різноманітними хімічними речовинами. Особливо небезпечним є забруднення довкілля важкими металами та нітратами [1]. Проникаючи в поверхневі і ґрунтові води, накопичуючись у рослинах, вони мігрують у ланцюгах живлення і впливають на організм людини і тварин.

Забруднення біосфери сполуками важких металів, у тому числі кадмієм, обумовлена перш за все їх стійкістю в навколишньому середовищі, розчинністю в атмосферних опадах, здатністю до сорбції ґрунтами, акумуляції рослинами, донними відкладеннями, що сприяє їх поступовому накопиченню в довкіллі [2]. Ґрунти являються головним депонуючим середовищем, куди кадмій може надходити з атмосферними опадами та водою. Стан ґрунтів слід розглядати як інтегральний показник процесу забруднення навколишнього середовища [3]. Крім того, забруднення ґрунтів є джерелом забруднення поверхневих і ґрунтових вод та рослин. Важкі метали з ґрунту більшою мірою потрапляють у рослину через кореневу систему та листя, і, як наслідок, можуть затримувати ріст і розвиток рослин, пригнічувати важливі процеси метаболізму, що в подальшому знижує продуктивність і якість сільськогосподарської продукції [4, 5]. Наявність у питній воді кадмію, навіть у незначній кількості, вимагає особливої уваги, оскільки для цього мінералу властива висока токсичність і кумулятивність, канцерогенніі мутагенні якості [6 - 8]. Тому для біоценозів небезпека важких металів полягає не тільки в їх високій токсичності, а й у здатності акумулюватися у живих організмах і мігрувати харчовими шляхами [9, 10].

Не менш актуальною залишається проблема нітратного забруднення водних ресурсів. Забруднення сільськогосподарських угідь нітратами та важкими металами, відбувається через неправильне поводження з відходами тваринницьких ферм та неконтрольоване застосування мінеральних та органічних добрив [11]. Наростання рівня забруднення джерел водопостачання призводить до того, що значна кількість населення споживає воду з підвищеним рівнем нітратів. Надходження до організму людини нітратів пов'язано з водно-нітратною метгемоглобінемією, а також впливом на роботу нервової та серцево-судинної систем, розвиток ембріонів і спричинення розвитку злоякісних пухлин [12, 13]. Відповідно до вимог глобальної системи моніторингу стану довкілля (ГСМОС/ GEMS) нітрит- і нітрат-йони, важкі метали, зокрема сполуки кадмію, входять до програм обов'язкових спостережень за складом питної води. Екологічна ситуація Прикарпатського регіону тісно пов'язана із станом ґрунтів та водних ресурсів. У зв'язку із цим доцільними є дослідження й контроль рівня сполук кадмію та нітратів у об'єктах довкілля резону. Ця проблема є актуальною внаслідок того, що дані сполуки характеризуються вираженою токсичністю і біохімічною активністю, що дозволяє відносити їх до еко- та біоцидних токсикантів.

Мета роботи - формування алгоритму постійного контролю вмісту кадмію та нітрат-іонів як важливої складової екологічного моніторингу в екосистемі Прикарпаття.

Матеріали та методи дослідження. При виборі територій для дослідження, керувалися зональними відмінностями районів, оскільки Прикарпаття знаходиться в межах трьох основних природно- кліматичних зонах: гірській, передгірській та рівнинній, які відрізняються за геологічними, геоморфологічними, геохімічними, кліматичними умовами. Вибір ділянок дослідження ґрунтів і водних об'єктів здійснювали з урахуванням висот місцевості, сезонних змін, особливостей джерел водопостачання та відносним віддаленням від об'єктів джерел забруднення територій. Об'єктом досліджень слугували ґрунти та питна вода рівнинної, передгір- ської та гірської зон регіону. Відбір проб ґрунтів та взірців води здійснювали одноразово у весняно- осінній період. Методологія відбору проб ґрунту та води, підготовка їх до аналізу, транспортування і зберігання здійснювали у відповідності з ДСТУ [14, 15]. Дослідження проб на вміст кадмію проводилося за ДСТУ 4770.3:2007. Якість ґрунту. Визначення вмісту рухомих сполук кадмію в ґрунті в буферній амонійно-ацетатній витяжці з рН 4,8 методом атомно-абсорбційної спектрометрії [16]. Концентрацію нітрат-іонів у питній воді визначали потенціометрично з використанням іонселективного електроду, згідно до стандартизованих вимог[17].

Результати дослідження та їх обговорення. Дослідження вмісту кадмію в ґрунтах Прикарпатського регіону дозволило встановити, що його рівень в ґрунтах рівнинної зони та гірської суттєво зростає восени та навесні і становить відповідно: 0,18-0,16мг/кгта 0,15мг/кг. У ґрунтах передгірської зони вміст кадмію був на рівні 0,03-0,07 мг/кг, тенденція до зростання рівня цього токсиканта спостерігалась навесні та влітку (табл. 1). Для оцінки ступеня забруднення ґрунтів кадмієм порівнювали фактичні концентрації елементу в досліджуваних зразках із гранично допустимою концентрацією (ГДК) [18 - 20] та фоновим показником [21,22].

Аналіз отриманих даних вказує на те, що в ґрунтах Прикарпатського регіону рівень кадмію не перевищував ГДК. Однак, слід звернути увагу на зростання кадмію вище рівня фонового показника в 1,1-1,4 рази восени та навесні в рівнинній та гірській зонах.

Визначення рівня кадмію в питній воді Прикарпаття дозволило встановити, що його вміст перевищує ГДК у районах рівнинної зони в 1,6-2,6 рази протягом всіх періодів спостереження (рис. 1). Аналіз вмісту кадмію у питній воді джерел перед- гірської зони показав суттєве зростання цього мікроелементу в 1,3-1,9 разів вище ГДК, у воді джерел гірської зони даний показник не перевищував гранично допустимих значень [15, 23].

Таким чином, у питній воді рівнинної та перед- гірської зони відбувається Прикарпаття інтенсивне підвищення вмісту кадмію у кількостях, які значно перевищують гранично допустимий показник, що створює реальну загрозу існуванню живих організмів.

Таблиця 1 - Динаміка змін кадмію та нітрат-іонів у ґрунті та питній воді джерел Прикарпаття

Рис. 1. Динаміка сезонних змін вмісту кадмію у питній воді Прикарпатського регіону

Паралельно з визначенням рівня кадмію в досліджуваних об'єктах, у питній воді проводились дослідження концентрації нітрат-іонів. Проведені нами дослідження концентрації нітрат-іонів вказують на його істотне зростання з перевищенням ГДК в 1,5-2 рази в рівнинній зоні регіону. Поряд з цим, слід акцентувати увагу на зростанні рівня нітратів вище показника фізіологічної повноцінності води (ПФПВ) у рівнинній зоні в 160-606 разів, передгірській в 220-253 рази та гірській - 34-127 разів, оскільки саме підвищення відносно показника ФПВ має істотний вплив на живі організми [24]. кадмій екологічний вода

Результати проведених досліджень дозволили встановити суттєві відмінності щодо вмісту кадмію та нітрат-іонів у ґрунтах та питній воді різних географічних зон Прикарпаття. Зокрема, значна кількість населення, яка проживає в рівнинній та передгірській зоні споживає воду з підвищеним вмістом нітрат-іонів і кадмію, що зумовлює зростання спільної дії даних токсикантів на живі організми.

Переважне накопичення металів у коренях пояснюється тим, що при проникненні в цитоплазму клітини відбувається інактивація і депонування значних кількостей важких металів завдяки утворенню малорухомих сполук з органічними речовинами (рис. 2).

Певною мірою рослини за допомогою фізіологічних бар'єрів можуть обмежувати пересування токсичних елементів з кореневої системи у надземну.

Рис. 2. Шляхи надходження та дія іонів кадмію в організмі рослин

З літератури відомо, що навіть незначне забруднення ґрунту кадмієм може становити серйозний ризик для здоров'я людини через шлях впливу "ґрунт-вода-рослина-тварина-людина" [25]. Кадмій не є необхідним для рослин, однак, високий рівень його може завдати великої шкоди зростанню та розвитку рослин. Пригнічення росту та проростання насіння, хлороз, скручування листків, карликовість, затримка змін фенологічних фаз та зниження біологічної продукції, що врешті-решт навіть призводить до загибелі рослин [26]. На молекулярному рівні фітотоксичність кадмію проявляється у гальмуванні фотосинтезу, порушенні транспірації та фіксації вуглекислого газу, а також у зміні проникності клітинних мембран [27].

Важкі метали надходять в рослину переважно через кореневу систему з ґрунту, в меншій мірі - через листя [28]. Вміст важких металів у різних частинах рослин зменшується в такому порядку: корені^листки^стебла --суцвіття--насіння. В цілому, більшість рослин у великих кількостях накопичувати важкі метали, тому можуть бути використані для біологічного очищення грунту та води [30]. Показник ефективності переходу окремих важких металів у тканини рослин значно коливається залежно від їх виду [31].Висновки

На основі наведених результатів можна зробити наступні висновки:

1. Проаналізовано літературні дані, щодо основних шляхів надходження та накопичення іонів важких металів, зокрема кадмію. З'ясовано, що кадмій накопичується в основному у кореневій системі рослин та частково у надземній частині. Описано їх негативний вплив на рослинний організм.

2. Досліджено, що в ґрунтах рівнинної, передгірської та гірської зон Прикарпаття рівень кадмію не перевищував граничнодопустиму концентрацію. Водночас, виявлено істотне підвищення кадмію вище рівня фонового показника в 1,1-1,4 рази в рівнинній та гірській зонах.

3. Встановлено, що у питній воді рівнинної та передгірської зон рівень токсичного елементу кадмію в 1,3-2,6 разів перевищує граничнодопустиму концентрацію. У воді джерел гірської зони концентрація цього елемента не перевищує граничнодопустимого показника.

4. Визначено, що у питній воді рівнинної зони рівень нітрат-іонів перевищує граничнодопустиму концентрацію (ГДК) в 1,5-2 рази, показник фізіологічної повноцінності води (ФПВ) в 160-606 разів; в передгірській та гірській зонах вміст нітратів не перевищує ГДК, однак в 35-253 рази вище, ніж показник фізіологічної повноцінності води.

5. Рекомендовано проведення постійного контролю вмісту токсикантів в екосистемі, як важливої складової екологічного моніторингу; та як альтернативу хімічним методам очистки ґрунту від важких металів використання культивованих рослин.

Перспективи подальших досліджень.

Дана проблема потребує подальших досліджень пов'язаних із визначення рівня даних токсикантів в об'єктах довкілля.

References