Биотестирование почв загрязненных тяжелыми металлами
Органические отбросы, биогенные вещества наносят вред городским и природным экосистемам тогда, когда перегружают их. Загрязненная ими экосистема может при благоприятных условиях очиститься сама. Однако есть загрязнители, которые абсолютно чужды экосистемам, поэтому их вред более существен. Среди таких веществ особое место занимают тяжелые металлы.[1]
В результате деятельности человека уже на протяжении многих десятков и сотен лет происходит поступление тяжелых металлов в биосферу, что привело к значительному увеличению содержания этих элементов в окружающей среде. Загрязнение водоемов, почвы и продуктов питания тяжелыми металлами представляет серьезную угрозу для здоровья людей. [6]
В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности и автомобильного транспорта во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, в частности свинцом и кадмием. Повышенные содержания этих элементов обнаруживаются в атмосферных аэрозолях, почвах, поверхностных и грунтовых водах, а также растениях. [8]
Люберецкий район один из районов ближнего Подмосковья с наиболее сложной экологической обстановкой [3]. Поэтому любые экологические исследования в Люберецком районе, способствующие снижению возможного экологического риска, актуальны. Школьники должны научиться оценивать состояние собственного здоровья и соотносить полученные результаты с абиотическими условиями и образом жизни, вносить коррективы в свой образ жизни с учетом полученных результатов [4].
Гипотеза: воздух в городе загрязняется тяжелыми металлами, которые накапливаются в почвах и листьях деревьев, произрастающих в городе Люберцы. Изучив содержание тяжелых металлов в почве можно выявить степень загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами.
Цель: определить степень загрязнения городских почв тяжелыми металлами, выявить влияние автомагистралей на чистоту воздушной среды города; дать рекомендации на основе полученных данных.
По литературным данным выявить влияние тяжелых металлов на окружающую среду и здоровье человека
Собрать пробы почвы, в начале лета (июнь) и в начале осени (сентябрь)
Подготовить образцы и провести химический анализ по определению тяжелых металлов .
Провести сравнительный анализ полученных результатов с ПДК.
Оценить экологический риск воздействия экологических факторов на растения и на человека.
Провести биоиндикацию образцов почвы.
Разработать рекомендации по снижению экологического риска воздействия факторов неблагоприятной окружающей среды на человека
1.1. Тяжелые металлы – загрязнители природной среды
В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин «тяжелые металлы» применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см 3 , либо с атомным номером больше 20. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.[12]
Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность. [12]
Свинец, его влияние на окружающую среду и здоровье человека
Токсикология свинца тщательно изучена, так как его содержание в окружающей среде в настоящее время быстро растет в результате деятельности человека. Тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец — это ядовитые жидкие вещества, которые и сейчас добавляют как антидетонирующие присадки к бензинам. Поэтому выхлопы автомобилей — наиболее серьезный источник загрязнения окружающей среды свинцом.
Вдоль автотрасс свинец абсорбируют растения (из воздуха, а не из почвы!), этот же процесс происходит при загрязнении поверхностных слоев вод. В воду свинец может попасть из загрязненных им (свинцом) почв.[1]
Пыль, содержащая соединения свинца, оседает на растения и вызывает у них замедление процессов фотосинтеза. Ионы свинца вызывают потерю клетками растений тургора, в результате чего листья становятся дряблыми. Загрязнение свинцом объектов окружающей среды приводит к существенному снижению качества сельскохозяйственной продукции.[6]
Соединения свинца попадают в организм человека через желудочно-кишечный тракт или легкие, далее он попадает в кровь и разносится ею по всему телу, накапливаясь в костях, мышцах, печени, почках, сердце, лимфатических узлах. [7]
Неорганические соединения свинца ( Pb +2 ) нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов, вызывая у детей умственную отсталость, заболевания мозга, нарушение координации движений, ухудшение слуха и памяти.
Медь, ее влияние на окружающую среду и здоровье человека
Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав белков. Хронический избыток меди в тканях при соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга. [2] [5]
Источники поступления меди в экосистемы — это результат использования медьсодержащих веществ: удобрений (минеральных и органических), растворов для опрыскивания, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, а также поступления из индустриальных источников, транспорта. [6,10]
Микробиологическая фиксация Cu — важный этап в ее экологическом круговороте. Хотя медь — один из наименее подвижных тяжелых металлов в почве, ее содержание в почвенных растворах достаточно велико во всех типах почв. В тканях корней растений Cu почти целиком присутствует в комплексных формах. Несмотря на общую толерантность растительных видов и генотипов к меди, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный.
У ряда видов, произрастающих в широком диапазоне природных условий, концентрации меди в побегах редко превышают 20 мг/кг сухой массы, поэтому такая величина часто рассматривается как граница, отделяющая область избыточных содержаний. [9]
Кадмий, его влияние на окружающую среду и здоровье человека
Загрязнениепочв кадмием рассматривается как наиболее серьезная опасность для здоровья. В антропогенных условиях содержание кадмия в поверхностном слое почв обычно возрастает. Считается, что Cd не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Растворимые формы Cd в почве всегда легкодоступны растениям. Заметная доля Cd поглощается корнями пассивно, но поглощается он также и метаболическим путем. [9]
Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием Cd в растениях, — это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков. Толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям Cd, хотя они и важны с точки зрения сохранности окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека. [9] Кадмий попадает в окружающую среду вследствие курения (дым сигарет), выбросов промышленных предприятий, выбросы с заводов цветной металлургии, удобрения, сжигание угля. [12]
Установлены ПДК веществ для охраны от загрязнения: шкала экологического нормирования тяжелых металлов предложена с учетом генетического типа почвы. Главное значение имеет не количество тяжелых металлов, а их формы соединений в почве, зависящие от pH почвы (таблица 1)[1]
ПДК тяжелых металлов в почве [11]
ПДК подвижной формы (мг/кг почвы)
ПДК валовое (мг/кг почвы)
1.2. Экспресс – методы оценки токсичности почвенной среды с помощью биотестов
Что такое биоиндикация. Методы биоиндикации
Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый почвовед В.В.Докучаев.
По современным представлениям биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация — метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов — биоиндикаторов. Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология». [13,14]
Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.), и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, заболачивание и т.п.), в том числе происходящие под влиянием человека.
Достоинство биологической индикации в том, что организмы могут характеризовать не только состояние среды в данный момент, но и её изменения за длительное время. Если предприятие выбрасывает в атмосферу и воду сразу десятки загрязнителей, оценить их влияние на природу порознь часто невозможно. По реакции организмов на загрязнение можно оценить вредоносность всего «комплекта».
Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьёзный недостаток – они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.
Конечно, биоиндикация не заменяет детальных анализов. Разные загрязнители часто действуют одинаково, они могут усиливать действие друг друга. Тем не менее, во многих случаях оценивать действие экологических факторов методами биоиндикации очень полезно. Для такой оценки не нужны дорогостоящие приборы, возможно осуществление оперативного наблюдения (мониторинга) за состоянием условий среды и в особенности за режимом загрязнения атмосферы, воды и почвы. Именно потому, что биоиндикационный метод прост в применении.
Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.
Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.
Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школе. [13]
2. Экспериментальная часть.
2.1. Место и время проведения эксперимента.
Для выявления содержания тяжелых металлов были взяты образцы почв в разных частях города Люберцы. Образцы были взяты вдоль автодорог на ул. Урицкого, Наташинского парка, а также на пришкольной территории. Чтобы выявить накопление тяжелых металлов образцы были взяты летом (июнь) и осенью (сентябрь). Химический анализ образцов был проведен в лаборатории общей химии МГОУ под руководством Дмитрия Борисовича Петренко и аспиранта Вероники Юрьевны Дмитриевой. Исследование проводилось при помощи полярографа «Экотест-ВА» с трехэлектродной ячейкой.
Биоиндикация почвы была с помощью семян кресс-салата.
2.2. Описание использованных методик.
2.2.1 Методики определения тяжелых металлов в почве .
Высокая токсичность и низкие значения ПДК свинца и кадмия обусловливают необходимость применения для их определения в объектах окружающей среды чувствительных аналитических методов, среди которых наибольшее применение нашли атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и ряд других спектральных методов.
В последние 10-15 лет существенную конкуренцию указанным методам составил метод инверсионной вольтамперометрии. Метод инверсионной вольтамперометрии в сочетании с простыми и надежными методиками химической подготовки проб является весьма перспективным для определения свинца и кадмия, аккумулированных растениями, в целях оценки техногенного воздействия на окружающую среду. [8]Поэтому в наших исследованиях использовался метод вольтамерометрии.
2.2.2. Метод определения всхожести семян кресс-салата как показатель загрязнения почвы.
Цель биотестирования – выявление степени и характера токсичности тестируемой среды. Кресс- салат является индикатором загрязнения почв тяжелыми металлами. Этот фитоиндикатор обладает быстрым прорастанием семян и почти 100%-ной всхожестью при отсутствии загрязнения. Кроме того, побеги и корни кресс- салата под воздействием тяжелых металлов подвергаются заметным морфологическим изменениям. Они выражаются в задержке роста, искривленности побегов, а также в уменьшении длины и массы корней, числа и массы семян.
По результатам опыта почве присваивается один из 4 уровней загрязнения.
Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.
Слабое загрязнение. Всхожесть 60-90%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.
Среднее загрязнение. Всхожесть 20-60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства.
Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабая (20%). Проростки мелкие и уродливые.
2.3. Обсуждение полученных результатов
Результаты, полученные в ходе химического анализа, представлены в таблицах №2. В большинстве образцов почвы были обнаружен свинец и медь. Другие тяжелые металлы, в частности кадмий и цинк не обнаружены. Наличие свинца и меди в образцах свидетельствуют о содержании их в окружающей среде.
2.3.1. Содержание свинца и меди в исследуемых образцах почвы.
Данные представлены в таблице №2. Таблица 2.
Содержание тяжелых металлов в почве (мг/кг)
Источник