«ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ Г. СВИРСКА ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ: ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ...»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГБОУ ВПО «ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

АГРОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

СОСНИЦКАЯ Татьяна Николаевна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ Г. СВИРСКА

ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ: ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И

ДЕТОКСИКАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 03.02.08 – «экология» (биологические наук

и)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ш.К. Хуснидинов Иркутск –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………...……………………… 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка………………………... 1.1.

Протекторные свойства почв по отношению к тяжелым 1.2.

металлам и мышьяку…………...……………………………………..…………….... Реакция растений на степень загрязнения почв тяжелыми 1.3.

металлами и мышьяком……………………………………………….………. Устойчивость и степень поглощения тяжелых металлов и мышьяка 1.4.

растениями: растения – толеранты и растения – «аккумуляторы»………… Особенности загрязнения природной среды и мероприятия 1.5.

по устранению экологической катастрофы в МО г. Свирск………………..…..….

2. АБИОТИЧЕСКИЕ И ЭДАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА

ИССЛЕДОВАНИЙ

Абиотические условия…………………………………….…………………... 2.1.

Эдафические условия…………………………….…………………………… 2.2.

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты исследований ……………………………………………………….. 3.1.

Методы отбора почвенных и растительных образцов ……………………… 3.2.

Методы исследований ………………………………………………………… 3.3.

Методика оценки степени опасности загрязнения почвы для 3.4.

здоровья населения и миграционной способности токсикантов в системе почва-растения………………………….…………………………..

4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО

ПОКРОВА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И МЫШЬЯКОМ В МО Г.

СВИРСК И ПРИЕМЫ ИХ ДЕТОКСИКАЦИИ

Оценка загрязнения почвенного покрова МО г. Свирск 4.1.

тяжелыми металлами и мышьяком и состояния здоровья населения……………………………….………………………………….. Степень детоксикации загрязненных почв в результате 4.2.

их освоения и окультуривания ……………………….…………………... Изменение содержания тяжелых металлов и мышьяка в почве и 4.3.

растениях в результате систематического применения органических удобрений…………. ………………………………………………………. Особенности накопления тяжелых металлов и мышьяка 4.4.

различными видами растений………………………………………...…...

5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

СИСТЕМАТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ

УДОБРЕНИЙ

5.1. Экономическая эффективность…………………………………….… Энергетическая эффективность……………………………………… ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ……………………………….………………. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………..………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………… Приложение 1 – Принципиальная схема оценки почв сельскохозяйственного использования, загрязненных химическими веществами……………………………………………………….…. Приложение 2 – Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве и допустимые уровни их содержания по показателям вредности………………………………. Приложение 3 – Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю (Zc)…………………... Приложение 4 – Технологическая карта возделывания картофеля (валовой сбор 1200 т.)………………………………………………………….…… Приложение 5 – Технологическая карта возделывания картофеля (валовой сбор 2000 т.)……………………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

Почвенный покров Муниципального Образования (МО) г. Свирск Иркутской области подвержен мышьяковому и свинцовому загрязнению.

Загрязнение мышьяком явилось следствием деятельности Ангарского металлургического завода (АМЗ) в г. Свирске, производящего мышьяк для нужд оборонной промышленности СССР в 1934-1949 годах (Баранова, 2007; Пшонко, 2009), а свинцовое загрязнение – следствием работы аккумуляторного завода действующего с 1941 года по настоящее время.

В последние годы (2011-2013 гг.) очень большое внимание уделяется проблемам ликвидации очага загрязнения, определению границ и степени загрязнения ОПС МО г. Свирск мышьяком. После выделения финансовых средств из федерального бюджета в 2013 году за пределы г. Свирска были вывезены разрушенные цеха, отходы производства АМЗ и зараженная почва. Несмотря на ликвидацию очага загрязнения, необходимость детоксикации почвенного покрова зараженной территории актуальна. Однако технологические решения проблемы детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции пока не разработаны.

На землепользовании МО г. Свирск созданы и функционируют 9 садовоогородных кооперативов, где жители города для собственных нужд выращивают плодоовощную продукцию и картофель, которые в разной степени загрязнены ТМ и мышьяком.

Для детоксикации почв в настоящее время рекомендуются разнообразные физические, химические и биологические приемы. В связи со спецификой загрязнения ОПС МО г. Свирск, проблема детоксикации почв и производства экологически безопасной продукции требует комплексного решения, включающего мониторинг степени загрязнения почв и растений, фрезерную компостированных органических удобрений, фитоэкстракцию ТМ и мышьяка за счет возделывания специальных растений-фитоаккумуляторов и выращивание растений-толерантов, которые в условиях загрязнения обеспечивают получение экологически безопасной продукции. Однако эти технологические решения в условиях региона остаются слабо изученными.

Цель.

Снижение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г.

Свирск и получение экологически безопасной продукции растениеводства.

Задачи:

1. Оценить уровень загрязнения почвенного и растительного покрова МО г.

Свирск и состояние здоровья населения;

2. Изучить степень детоксикации почв в результате их освоения и окультуривания;

3. Дать оценку влияния длительного применения органических удобрений на снижение степени загрязнения почв;

4. Произвести оценку толерантности и кумулятивности сельскохозяйственных растений на загрязненных мышьяком и свинцом почвах;

5. Рассчитать эколого-экономическую эффективность применения органических удобрений как приема снижения уровня загрязнения сельскохозяйственных растений.

Научная новизна.

Впервые в условиях региона проведено комплексное изучение уровня загрязнения почвенного и растительного покрова и дана оценка состояния здоровья населения МО г. Свирск. Изучен комплекс мероприятий по детоксикации ТМ и мышьяка и производства экологически безопасной продукции растениеводства в результате их освоения и окультуривания, длительного применения органических удобрений. Изучена экологическая эффективность растений – фиторемедиантов и разработаны технологии фитоэкстракции техногенно загрязненных мышьяком почв. В условиях техногенного загрязнения с целью получения экологически безопасной продукции произведена оценка толерантности (устойчивости) растений.

Практическая значимость.

Предложена технология детоксикации почвенного покрова за счет систематического применения органических удобрений и снижения загрязнения почв в результате их освоения и интенсивной обработки, определены сельскохозяйственные растения, отличающиеся толерантностью (устойчивостью) к загрязнению среды МО г. Свирск мышьяком и свинцом, - выявлены растения, обладающие кумулятивными свойствами, рекомендуемые для фитоэкстракции – приема постепенного извлечения, отчуждения и очистки почв от загрязнителей.

Материалы исследований могут быть использованы для разработки технологий по получению экологически безопасной продукции.

Защищаемые положения:

Оценка уровня загрязнения почвенного и растительного покрова МО г. Свирск мышьяком и свинцом и состояние здоровья населения.

Детоксикация загрязненного почвенного покрова и получение экологически безопасной продукции растениеводства достигается при окультуривании почв, внесении органических удобрений, фитоэкстракции и использовании потенциала толерантных растений.

Апробация.

Основные результаты исследований были доложены на: Всероссийском научно-практическом семинаре «Ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной сельскохозяйственной продукции» (Иркутск, 2011);

Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА»

(Иркутск, 2012), Международной научно-практической конференции молодых ученых (Иркутск, 2012), Научно-практическом семинаре, посвященном «Дню аспиранта ИрГСХА» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции молодых ученых «Научные исследования и разработки к внедрению в АПК» (Иркутск, 2013), Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию аспирантуры ИрГСХА «Экологическая безопасность и перспективы развития аграрного производства Евразии» (Иркутск, 2013), Региональной научно-практической конференции с международным участием, посвященной 80-летию ФГБОУ ВПО ИрГСХА «Современные проблемы и перспективы развития АПК» (Иркутск, 2014).

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 8печатных работ.

Личный вклад.

Автор принимала непосредственное участие в разработке программы и методики исследований, проведении полевых и лабораторных исследований, обработки результатов исследований и подготовки диссертации к защите.

Автор выражает благодарность научному руководителю – д.с.-х.н., профессору Ш.К. Хуснидинову за всестороннюю помощь и поддержку в проведении диссертационного исследования и консультации при работе над диссертацией, а также директору ФГБУ «ЦАС «Иркутский» М.В. Бутырину за содействие в проведении лабораторных исследований.

1.1. Токсические свойства тяжелых металлов и мышьяка ТМ – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см3. Этот термин заимствован из технической литературы, в которой металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, то есть считать тяжелыми металлы с атомной массой более 40 (Большаков, 2002).Класс опасности химического элемента определяется канцерогенностью соединений элемента, прямо пропорционален атомной массе элемента и растворимости в воде его неустойчивых соединений и обратно пропорционален предельно допустимой концентрации (ПДК) элемента в почве. К высоко опасным относятся As, Cd, Hg, Se, Pb и Zn, умерено опасным – Co, Ni, Mo, Cu, Cr и Sb, малоопасным – Ba, V, W, Mn и Sr (Водяницкий, 2009).

Есть жизненно необходимые металлы для организмов. Например, цинк, железо, марганец, медь и др. Они присутствуют в теле животных и растений в ничтожно малых количествах и необходимы им в биохимических процессах (Глобальные …, 2001). Они выполняют в тканях весьма ответственную роль катализаторов жизненно важных процессов. Когда же ТМ поступают в организм в избыточном количестве в качестве техногенных загрязнителей внешней среды, они могут накапливаться и вызывать токсические эффекты (Трахтенберг, 1994).

используемые в малых количествах в сельском хозяйстве (Варламов, 2000).

Таким образом, понятие «тяжелые металлы» во многом совпадает с понятием «микроэлементы». Но для повышенной концентрации этих элементов термин «микроэлементы» не пригоден, в таких случаях применяют термин «тяжелые металлы» (Ильин 1982; Большаков, 2002).

Токсическими называют металлы, которые не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворными и даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций (Николаева, 2009).

Металлы вообще и в особенности ТМ, крайне токсичны для клеток. Среди этой категории свинец, мышьяк, ртуть принадлежат к числу давно известных ядов (Бузмаков, 2005).

В рекомендациях ЮНЕП наиболее опасными тяжелыми элементами считаются Cd иAs.

Особо токсичные ТМ (Hg, Cd, Pb, As, Sr, Cu, Zn, Fe) включены в перечень веществ, подлежащих контролю при международной торговле пищевыми продуктами (Вяйзенен, 2011).

Рост концентрации ТМ в окружающей среде (ОС) способствует увеличению их содержания во всех компонентах экосистем (Халитов, 2004).

Поступление ТМ в ОС оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека (Воробьев, 2006).

концентраций загрязнителя и изменениями в процессах метаболизма (Ковальчук, 2002). Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие (Лозановская, 1998).

Вопросы, связанные с уровнем загрязнения ТМ природной среды в районах расположения крупных промышленных предприятий и городов, давно находятся в центре внимания исследователей (Кузнецова, 2009).

Токсическое действие ТМ может быть прямым и косвенным. При прямом воздействии у организмов блокируются ферменты. К косвенному воздействию относится перевод биогенных элементов в недоступное состояние (Груздева, 2010).

ТМ всасываются в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), встраиваются в ферментные системы, физиологические процессы вместо жизненно необходимых макро и микроэлементов (особенно активно при их недостатке), приводя к нарушению деятельности соответствующих физиологических систем (Минина, 2000).

Молекулярными мишенями, то есть объектами атаки ионов тяжелых металлов, служат:

- гемсодержащие белки и ферменты;

- системы перекисного и свободнорадикального окисления липидов и белков, а также системы антиоксидантной и антипероксидантной защиты;

- ферменты транспорта электронов и синтеза АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

- белки клеточных мембран и ионные каналы мембран (Ложнеченко, 2008).

Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом и канцерогенным действием. К их числу относятся свинец, кадмий и др. (Коваленко, 1997).

Мышьяк – полуметалл. В природной среде он может встречаться в четырех типичных степенях окисления As3-,As0,As3+,As5-. Наиболее часто в природной среде встречается пятивалентный мышьяк в виде аниона Н2AsО4 и трехвалентный как соединение Н3AsО3, которые преобладают в редукционных условиях с низкимPh.

Являясь элементом переменной валентности и находясь в периодической системе на границе металл-неметалл, мышьяк обнаруживает свойства, характерные как для металлов, так и для неметаллов. Поэтому биогеохимические характеристики мышьяка весьма различны в биологических процессах и экологических системах (Зверев, 2001).

Мышьяк – высокотоксичный элемент, содержащийся во всех объектах окружающей среды. В естественных условиях мышьяк поступает в окружающую среду при извержении вулканов и ветровой эрозии почв. Существенную роль в загрязнении мышьяком объектов окружающей среды играют: добыча и переработка руд и минералов; пирометаллургия и производство серной кислоты;

синтез и использование мышьяксодержащих пестицидов, антисептиков и реагентов.

Содержание мышьяка в почвах фоновых районов составляет 0,3-12,9 мг/кг.

В почве он аккумулируется в пахотном слое, мигрируя на глубину 60 см (Черников, 2009).

Более высокое содержание мышьяка характерно для черноземов и серых лесных почв, низкие – преобладают в почвах тундры и подзолистых. Для всех почв, кроме тундровых, проявляется тенденция к увеличение содержания мышьяка в верхних горизонтах почв, что указывает на поступление мышьяка с растительными остатками. Среднее содержание мышьяка в почвах мира составляет 5 мг/кг.

Находящиеся в почве соединения мышьяка легкорастворимы, особенно в кислой среде. Все растворимые соединения мышьяка сильно токсичны (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Пятивалентный мышьяк менее ядовит, чем трехвалентный, так как он в 4- раз менее растворим (Черников, 2009).

Мышьяк (тиоловый яд) взаимодействует с тиоловыми группами белков:

цистеином, глутатионом, липоевой кислотой, нарушая обмен серы, селена, фосфора.

Мышьяк накапливается в печени, почках, селезенке, легких, стенке пищеварительного тракта. Основное депо мышьяка – эритроциты и селезенка.

Мышьяк долго сохраняется в костях и волосах.

При вдыхании пыли мышьяковых соединений происходит раздражение глаз и слизистых оболочек дыхательных путей, слезотечение и резь в глазах, покраснение конъюнктивы, набухание слизистой носа, насморк, чихание, кашель и иногда кровохаркание. При более тяжелых отравлениях к этим симптомам добавляются желудочно-кишечные расстройства: сладковатый вкус во рту, тошнота, рвота, боли в животе (Илларионова, 2010).

Токсические свойства мышьяка обуславливаются как общим, так и местным действием. Общее действие мышьяка на организм связано с вызываемым им нарушением окислительных процессов в тканях из-за блокады сульфидных групп ферментных систем. Местно – вызывая раздражение и воспаление тканей, а в дальнейшем – некроз.

Как местное, так и общее действие мышьяка связано с влиянием на капилляры. Капилляры становятся более проницаемыми, результатом чего могут быть различные последствия, вплоть до полного тканевого распада. Мышьяк считается канцерогенным элементом (Бузмаков, 2005).

Мышьяк может вызвать как острые, так и хронические отравления.

Хронические отравления мышьяком, проявляются в прогрессирующем похудании, острых болях в конечностях, нарушении памяти, речи, развитии психозов, нарушении кожной чувствительности, развитии дерматитов, поражении печени (Каплин, 2007).

Острое отравление приводит к нарушению центральной нервной системы (ЦНС), выражается в общей слабости, болезненных судорогах различных мышечных групп, потери сознания и параличах жизненно важных центров продолговатого мозга. Смерть может наступить через несколько часов, самое позднее через день без проявления желудочно-кишечных расстройств.

Токсическая доза (ТД) мышьяка для человека 5-50 мг, летальная доза (ЛД) 50-340 мг. (Илларионова, 2010).

Среднестатистический человек носит в себе 14-21 мг мышьяка на одном уровне с I, Sn, Cd, Mn. В отличие от других микроэлементов мышьяк достаточно быстро выводится из организма.

В 1970-х годах сложилось представление о мышьяке как о жизненно важном элементе. Физиологический уровень мышьяка составляет 0-2 мкг/г., пороговый – 3 мкг/г, показатель острого или хронического воздействия – 12 мкг/г.

В животных организмах мышьяк служит регулятором деятельности ферментов (энзимов) в процессе метаболизма аргинина – незаменимой аминокислоты, присутствующей в организме в свободном виде и в составе белков. Аргинин участвует в синтезе мочевины и других процессах азотистого обмена.

Многие признаки дефицита мышьяка сходны с проявлением цинковой недостаточности – это депрессия роста, угнетение синтеза мочевой кислоты. В малых дозах мышьяк положительно влияет на кровеобразовательную функцию, способствуя увеличению количества гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, улучшает обмен веществ, увеличивает скорость роста тканей, способствует чистоте кожи и росту волос, толщине костей (Зверев, 2001).

Свинец – серый мягкий металл (Явербаум, 2006).

Отравление свинцом – представляет пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием ОС. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз и накоплении их в организме, пока его концентрация не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления.

При поступлении с пищей и водой свинец распределяется в организме животных и человека по скелетному типу. Наиболее высокая концентрация свинца наблюдается в зубах. Если свинец поступает в организм через дыхательные пути, то он быстро достигает кровотока и тогда его действие инкорпорацию железа.

Токсическое действие свинца во многом обусловлено его способностью образовывать комплексы с лигандами, содержащими сульфгидрильные и карбоксильные группы.

Свинец вызывает как острое, так и хроническое отравление.

Острое отравление свинцом возникает при попадании значительных его доз приблизительно через час сладковатого вкуса во рту, слюнотечении, тошноте, рвоте, судорожных болях в желудке.

Симптомы хронического отравления весьма разнообразны в зависимости от количества, поступившего в организм свинца и индивидуальных особенностей организма.

Ранними (хотя и не постоянными) симптомами отравления считаются обычно: свинцовая кайма, определенные изменения крови, появление гемотопорфирина в моче. Свинцовая кайма образуется вследствие отложения в деснах свинца. Она представляет собой узкую полоску по краю десен у передних зубов. Встречается также желтоватый или коричнево-желтоватый налет на зубах, лиловато-серая окраска и пятна на слизистой щек и на губах.

Наиболее резко выраженным и тяжелым симптомом является свинцовая колика. Она развивается обычно внезапно и бурно. Появляются сильные схваткообразные боли в животе или правом подреберье. Плохой аппетит, нередки рвоты, выделение вязкой слюны. Пульс замедляется до 50-40 ударов в минуту, повышается кровяное давление, присутствуют головные боли, бессонница, подавленность, мышечные боли.

Органами-мишенями при свинцовом отравлении являются кроветворная и нервная системы и почки. Меньший ущерб наносится ЖКТ. На уровне кроветворной системы проявляется анемия. На уровне нервной системы – поражение головного мозга и периферических нервов. В головном мозге выражен отек серого и белого вещества. Мозговые поражения сопровождаются конвульсиями и бредом. Из периферийных нервов поражаются нервы мышц.

Тяжелее всего страдают нервы – разгибатели кисти, которая приобретает вид «рогов оленя». Признаки, свидетельствующие о почечных нарушениях, обычно проявляются в дисфункции.

ТД свинца для человека 1 мг, ЛД -10 г (Илларионова, 2010).

Данные о биологической роли свинца полностью отсутствуют. Однако, в литературе встречаются работы, освещающие ряд моментов, которые можно трактовать как определенное положительное действие свинца на процессы жизнедеятельности. Например, при дефиците свинца наблюдалась задержка роста крыс. В последнее время появились данные, что при недостаточном содержании свинца в диете у подопытных животных, отмечается не только отставание в росте, но и в развитии (Явербаум, 2006).

1.2. Протекторные свойства почв по отношению к тяжелым металлам и Антропогенная деградация почв - одна из основных экологических проблем настоящего времени: уменьшение основных показателей плодородия, накопление экотоксикантов, снижение устойчивости и продуктивности (Шпис, 2008).

Почве принадлежит ведущая роль в функционировании биосферы. Пока почва устойчива, экологическая безопасность обеспечена. Утрата или необратимая деградация почвенного покрова может рассматриваться как гибель экосистемы (Намсараева, 2010).

Кроме того, по отношению непосредственно к человеку почва выполняет еще одну функцию – сельскохозяйственную (Колесников, 2002). Используя почвенные ресурсы человек, получает приблизительно 90 % продуктов питания, и чистота этих продуктов определяется свойствами почвы (Черников, 2000). Почва является незаменимым исчерпаемым относительно возобновляемым природным ресурсом. Для сохранения ее способности к восстановлению необходимы определенные условия, нарушение которых замедляет или вовсе прекращает процесс восстановления. К сожалению, правила рационального использования и охраны почвенных ресурсов соблюдаются далеко не всегда. Одним из деградационных процессов, в результате, которого почва теряет свое плодородие, является загрязнение ТМ (Колесников, 2002).

Почва аккумулирует ТМ интенсивнее, чем атмосфера и природные воды (Иванова, 2009).Аккумуляция токсических веществ почвой происходит в течение всего года: весной - при таянии снега, накопившего промышленные токсиканты в зимний период, летом – из атмосферы в виде газов, аэрозолей, дождей и туманов.

Осенью основной поток поллютантов идет за счет опада травянистых растений, листвы растений, кустарников, хвои, содержащих загрязняющие вещества (ЗВ). В первую очередь подвергаются воздействию ЗВ верхние корнеобитаемые горизонты почвы (Шебалова, 2006). Элементы – токсиканты концентрируются в верхнем самом плодородном слое почвы (0-10 см) (Иванова, 2009; Первунина, 1989; Черных, 2003). Однако после интенсивного накопления ТМ в верхних слоях почв, наступает период их миграции вниз по почвенному профилю. Этот процесс представляет большую опасность в связи с тем, что загрязнители становятся доступными растениям во всем корнеобитаемом слое (Большаков, 2002).

Вымыванию ТМ в нижние слои почвы способствует обилие осадков и низкое содержание гумуса в почве (Вяйзенен, 2004).

Господствующие ветры осуществляют перенос веществ из промышленных регионов и способствуют накоплению ТМ в почвах и осадочных отложениях в течение десятилетий. После того как настает насыщение или в силу, каких либо других причин, почвы перестают аккумулировать ЗВ и некоторые из них начинают циркулировать в экосистеме (Кузнецова, 2009).

Загрязнение металлами может оказывать как прямое токсикологическое биохимическое действие, так и вести к деградации почв и ухудшению педохимических показателей. Однократное загрязнение почв относительно невысокими дозами металлов (2-3 предельно допустимые концентрации (ПДК)) спустя два года приводило к частичной мобилизации гумуса, проявившейся в увеличении относительно содержания подвижных органоминеральных соединений и повышению доли фульвокислот в составе гумуса. Об экологической опасности этого явления свидетельствует то, что отмечено оно в черноземе, гумус которого можно считать относительно устойчивой системой (Минкина, 2006).

Содержание подвижных соединений ТМ в почве является одним из важнейших показателей, влияющих на интенсивность водной миграции ТМ и их доступность растениям и, таким образом, характеризует потенциальную опасность накопления ТМ в почвах (Анисимова, 2000).

ТМ легко накапливаются в почве, но с большим трудом и крайне медленно выводятся из нее. Они являются экотоксикантами – веществами, представляющими опасность для биоты (включая человека) и вызывающими нежелательные изменения и нарушения в организме (Капитанова, 2000).

В отличие от органических соединений ТМ могут накапливаться в почве до значительного уровня, поскольку не разрушаются в ней, а лишь переходят из одного состояние в другое (Дзагуров, 2010).

Почвенный покров в круговороте веществ в биосфере принимает на себя действие промышленных выбросов и отходов, остаточных количеств пестицидов и других токсикантов, выполняя важную роль буфера и детоксиканта. ТМ, ядохимикаты и другие соединения могут быть в почве минерализированы, трансформированы в вещества, не оказывающие токсического действия на живые организмы (Гришина, 1990).

Вещества, поступающие в почву тем или иным путем, могут подвергаться физическому, физико-химическому и биологическому поглощению. В результате этого часть веществ закрепляется в почве, переходя в труднорастворимую форму, а часть вступает в биологический круговорот и частично выносится из экосистем с урожаем (Груздева, 2010).

биологической активности почвенных бактерий, микоризных грибов, водорослей и пр. При этом низкие концентрации ТМ иногда стимулируют биологическую активность почв, а высокие подавляют (Груздева, 2010).

Повышенное содержание мышьяка в почве может оказаться вредным для находящихся в ней микроорганизмов, несмотря на то, что в данной среде часто вырабатывается стойкость к избытку мышьяка, особенно у бактерий (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Очевидно, что ущерб, нанесенный загрязнением, будет в большей степени зависеть от свойств почвы, главным образом от тех из них, которые влияют на подвижность ТМ и, как следствие, на их доступность растениям и на способность к миграции (Сергеева, 2000).

Содержание ТМ в грубых песчаных почвах гораздо ниже, чем в суглинках и глинах (Макарова, 2008). То есть особую роль в адсорбции ТМ играет илистая фракция почвы, представленная в основном глинистыми минералами (Садовникова, 1993). Глинистые почвы могут в значительной степени ограничить доступность мышьяка для растений (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Тяжелые металлы прочно удерживаются минеральными и органическими веществами почвы, что резко снижает доступность их растениям и общий уровень токсичности.

Известна в этом отношении экологическая роль органического вещества. В условиях техногенеза экологическая роль органического вещества почвы, проявляется как санитарно-гигиеническая, как поглотителя и растворителя многих токсинов: пестицидов, ТМ, оксидов, радионуклидов и других соединений в токсических концентрациях (Гришина, 1990).

Органическое вещество оказывает большое влияние на физико-химические свойства почвы, а также на мобильность мышьяка. Органические и органоминеральные коллоиды характеризуются большой сорбционной емкостью, чем минеральные коллоиды. Органическое вещество как компонент хелатовых и других соединений обладает способностью прочного соединения микроэлементов, уменьшая при этом их поглощение растениями. Таким образом, оно способствует детоксикации (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Однако действие двух главных гумусовых кислот – фульвовых и гуминовых, обладающих неодинаковой растворимостью, существенно различается. Ионы металлов, сорбированные на поверхности почвенных частиц, могут образовывать комплексные соединения с фульвокислотами и в этой форме переходить в раствор. Водонерастворимые гуминовые кислоты еще более активно соединяются с ТМ и выводят их из раствора в твердую форму почв (Добровольский, 2004).

Высокая кислотность почвы увеличивает подвижность металлов, а значит и их накопление в растениях (Макарова, 2008).

микроэлементов в почве, в том числе мышьяка, является реакция почвенного раствора. Так понижение рН почвы, как минимум до нейтральной реакции, влечет за собой повышение их катионообменной емкости. Известкование, вызывая снижение кислотности почвы, влияет на понижение подвижности мышьяка в данной среде, а значит на уменьшение поглощения мышьяка растениями.

Повышение кислотности почвы приводит к уменьшению адсорбированного мышьяка и, тем самым, к увеличению его концентрации в почвенном растворе.

Последствием этого процесса является более высокая способность мышьяка ассимилироваться растениями, а также перемещаться в более глубоко расположенные слои почвы (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

Минеральные удобрения, изменяя агрохимические свойства почвы, также способны влиять на подвижность токсикантов и их поступление в растения (Овчаренко, 1995).

Значительной способностью связывания соединений ТМ обладают фосфорные удобрения. Фосфаты свинца и др. представляют собой труднорастворимые соединения, малодоступные для растений (Минеев, 1988).

Присутствие минеральных фосфатов ослабляет вредное воздействие свинца на растения (Большаков, 1978).

Можно сделать вывод, что на загрязненных ТМ почвах хорошее мелиорирующее действие оказывают известкование кислых почв и применение полуперепревшего навоза, способствующие переводу соединений ТМ в почве в малодоступные для растений формы и, тем самым, снижающие загрязнение сельскохозяйственной продукции токсичными элементами (Сокаев, 2004).

В условиях нейтральной и слабощелочной реакции почв и почвенного раствора, при значительном содержании гумуса, тяжелом гранулометрическом составе ТМ находятся в малоподвижной форме и накапливаются в почвах (Овчаренко, 1997).

Таким образом, почва как природное тело обладает определенной способностью к самоочищению: поступающие в нее материалы антропогенного происхождения с течением времени разрушаются и разлагаются. При небольшом загрязнении ТМ почва способна переводить их в малотоксичную форму, делая тем самым безопасным существование почвенной биоты и возделывание сельскохозяйственных культур (Ильин, 1991).

Несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на ОС, превышение которых приводит к необратимым последствиям (Орлов, 2002).

Природные процессы самоочищения почв, загрязненных ТМ, очень длительны и возможны только до определенного уровня содержания металлов в почве (Важенин, 1982).

При увеличении техногенного загрязнения снижается самоочищающая способность почв за счет изменения структуры микробного ценоза. При этом появляются виды и группы организмов, продуцирующие токсические вещества, то есть почва сама становится источником ядов. В этом случае получение экологически чистой продукции становится проблематичным (Кривошеин, 2000).

В экстремальных случаях техногенное воздействие вызывает такое глубокое изменение свойств почвы, что рекультивация возможна только в случае создания нового почвенного слоя. Это наиболее радикальная мера борьбы с загрязнением почв – удаление поверхностного загрязненного слоя, покрытие его незагрязненным мощным слоем, исключающим перемещение металлов из почвы в растения. Такой способ является весьма дорогостоящим и его следует применять при содержании ТМ в почвах, превышающих установленные нормативы ПДК в 100 и более раз.

эффективного приема иногда используют глинование – внесение глин, содержащих алюмосиликаты типа монтмориллонита. Этот прием, к сожалению, требует существенных затрат и технологически трудно выполним.

В последние годы более распространено использование природных сорбентов, таких, как цеолиты (например, клиноптиллолит), местонахождения которого имеются на территории СНГ.

Возможен другой путь снижения фитотоксичности ТМ с помощью ионообменных смол, содержащих карбоновые и гидроксильные группы, которые вносят в загрязненную почву в виде гранул или порошка.

Существенного уменьшения фитотоксичности можно добиться таким эффективным приемом восстановления почв, как химическое осаждение. При химическом осаждении происходит образование труднорастворимых солей, например ортофосфорной или угольной кислот, с катионами ТМ.

Кроме физических и химических приемов по восстановлению загрязненных ТМ почв, применяют агротехнические приемы (Орлов, 2002).

Таким образом, при загрязнении почв ТМ эффективными способами их восстановления являются: известкование, внесение органического вещества (навоз, торф, компосты), химическое осаждение. Известкование снижает подвижность ТМ, способствует их закреплению в малоподвижной, недоступной растениям форме. Органическое вещество выступает как хороший сорбент катионов, повышает буферность почвы и способствует снижению токсического действия ТМ. При химическом осаждении происходит образование труднодоступных солей, например ортофосфорной или угольной кислот с катионами ТМ (Амосова, 1989).

В условиях комплексного антропогенного воздействия на ОС важную роль приобретает всесторонняя оценка эколого-токсикологического состояния природных объектов. Для производства экологически безопасной продукции растениеводства необходимо создание таких условий возделывания сельскохозяйственных культур, при которых поступление в культурное растение ксенобиотиков сводилось бы к допустимому минимуму или совсем не происходило (Лунев, 2004).

1.3. Реакция растений на степень загрязнения почв тяжелыми металлами и Среди живых организмов первичными аккумуляторами ТМ являются растения, поэтому необходимо иметь объективное представление о нормальных (фоновых) концентрациях данных элементов для наиболее распространенных представителей растительного мира и, прежде всего для тех, которые составляют основу пищевой и кормовой базы (Прохорова, 2004).

Фоновый уровень мышьяка в продуктах питания, произведенных в районах с нормальными геохимическими условиями составляет: во фруктах 0,01- 0, мг/кг; в зерновых 0,006-1,2 мг/кг; в говядине, свинине 0,005-0,01 мг/кг; в печени 1-2 мг/кг; в лещах 0,003-0,03; в коровьем молоке 0,005-0,01 мг/кг; в твороге 0,003мг/кг.

(Садовникова, 1993). Большое значение при поступлении ТМ из почвы в растения имеет их подвижность. При антропогенном загрязнении она, как правило, больше, так как ТМ в этом случае поступают в окружающую среду после их извлечения из минералов в результате переработки исходного сырья. Поэтому повышение концентрации металлов под действием антропогенных факторов нередко приводит к заметному повышению их концентрации в растениях (Алексеев, 1987).

Проблема поступления ТМ в растения имеет несколько практических моментов. Во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и главным образом, почвы в организмы человека и животных, в связи, с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токсикантов в опасных концентрациях.

Во-вторых, доказана токсичность ТМ для самих растений, что ставит ряд вопросов о реакции растений на их избыток в среде (Большаков, 2002; Минкина, 2006).

Вступая в контакт с клеточными стенками и рядом минеральных и органических соединений, содержащихся в клетках, металлы осаждаются и теряют биологическую активность. Однако при загрязнении почвы большим количеством металлов некоторая их часть способна миновать защитные системы растения и оказать на него токсическое воздействие (Дабахов, 2005).

Любой ТМ, накапливаясь в растениях в большом количестве, может конкурировать с физиологически важными металлами за места в активных центрах каталитических систем, инактивируя их и нарушая тем самым важнейшие функции растительного организма, например, такие как фотосинтез и дыхание (Чернавина, 1970). Кроме того ТМ могут реагировать с некоторыми жизненно важными элементами (например, с фосфат-ионами), переводя их в нерастворимое состояние (Дабахов, 2005).

Установлено, что накопление ТМ в организме человека осуществляется в большей степени за счет пищи и в меньшей степени за счет воды и воздуха (Vetter, 1974).

Изучение чувствительности растений к действию поллютантов имеет особое практическое значение. С одной стороны необходимо выявить растения, наиболее чувствительные к загрязнению почв, для определения опасного уровня загрязнения последних, а с другой стороны, необходимо найти наиболее устойчивые к токсикантам культуры с целью безопасного использования загрязненных почв (Плеханова, 2001).

На транслокационную способность металлов в системе почва-растение оказывают влияние физико-химические и агрохимические свойства почв, а также формы нахождения металлов в почве (малоподвижные, сорбированные, растворимые) (Шведова, 2004).

В водорастворимой и ионообменной форме ТМ легко поглощаются растениями, а затем передаются в экосистемах по пищевым цепям. В случае сельскохозяйственных и лекарственных растений это создает прямую угрозу для человека как конечного звена в таких цепях (Гладков, 2010).

Проблемы фитотоксичного действия ТМ на растения при поступлении через корневую систему интенсивно исследуется, поскольку таким путем поступает не менее половины их общего количества (Смирнов, 2009).

При большом избытке металла в ОС защитные авторегуляторные механизмы корневой системы «срываются», избыточные ионы поступают в корень и надземную часть растений (Ковда, 1980).

Соединения мышьяка способны проникать в растения и передвигаться по их сосудистой системе, что нередко приводит к загрязнению продуктов растениеводства.

Мышьяк в малых количествах может быть полезен растениям, а в больших – вреден. Угнетение растений наступает при содержании мышьяка 250 мкг/кг.

Негативное действие мышьяка проявляется в подавлении роста растений, снижении продуктивности, слабом развитии корневой системы, увядании листьев, снижении транспирации (Черников, 2009).

Поглощение мышьяка растениями, как правило, соответствует его содержанию в почве. Симптомы токсичности мышьяка в растениях сводится к изменению цвета листьев и повреждению корневой системы. Рост растений останавливается, а более чувствительные растения могут погибнуть (Нейтрализация загрязненных почв, 2008).

При мышьяковом загрязнении окружающей среды затрудняется фосфорное питание растений (мышьяк, как известно, обладает геохимическим сродством с фосфором), тем самым снижается урожайность.

снижается. По-видимому, это связано с ингибирующим действием данного токсиканта на работу протонных насосов. Недостаток калия в корневой системе не позволяет растению выделять в примыкающую к корню среду протоны водорода, вследствие этого идет не подкисление почвенных растворов, а наоборот их защелачивание. А это, в свою очередь, ведет к снижению усвояемости растениями элементов минерального питания. Эффективность работы корневой системы значительно снижается (Курманбаева, 2008).

Неблагополучное состояние растительности в условиях загрязнения можно проследить по ряду факторов: присутствию некрозов и хлорозов, увеличению грибковых заболеваний, а также появлению признаков ксеноморфности (карликовость, мелколистность, розеточность и др.) (Рылова, 2003).

1.4. Устойчивость и степень поглощения тяжелых металлов и мышьяка растениями: растения – толеранты и растения – «аккумуляторы»

В условиях повышенного содержания ТМ в среде произрастания растения выработали различные стратегии устойчивости, в основу которых заложены два противоположных принципа – аккумулирование с последующей изоляцией токсикантов от метаболически активных компартментов клетки и, так называемая толерантность - избегание, когда растение с помощью различных механизмов снижает доступность металлов в корневой зоне, либо их перемещение внутри растения за пределы корневой системы (Андреева, 2009).

Кроме того, у растительных организмов выделяют два вида устойчивости:

основная устойчивость, присущая большинству растений, и гиперустойчивость к определенным металлам. Гиперустойчивость может быть опосредована, как за счет механизмов исключения ТМ, так и за счет гипераккумуляции металлов в наземной части растения (Кулаева, 2010).Толерантность растений к повышенному содержанию элементов и их способность накапливать высокое количество токсикантов опасны с точки зрения поступления их в пищевые цепи, но они могут быть использованы в целях фитомелиорации (Бурлакова, 2001).

Растения используют два пути приспособления к высокой концентрации избыточных ионов среды обитания:

1. Ограничение их поступления в организм и отдельные его части благодаря наличию защитного механизма, природа которого пока не ясна;

2. Инактивация поступающих в растения ТМ, их вывод в менее поражаемые компартаменты, а также изменение метаболических путей (Ильин, 1982).

Таким образом, различные виды растений отличаются по способности к накоплению ТМ. Растения, аккумулирующие элемент, даже в условиях его относительного дефицита в почве, называются аккумуляторами. Виды, накапливающие элемент прямо пропорционально его уровню в среде называются индикаторами, их удобно использовать в биомониторинге. Растения, в которых уровень элемента длительное время остается на низком уровне даже при избытке в среде называются отражателями (Чиркова, 2002).

Толерантность растений к токсикантам не представляет собой одинаковый механизм, а включает в себя несколько метаболитических процессов: селективное поглощение ионов; пониженная проницаемость мембран; иммобилизация ионов в корнях, листьях, семенах; удаление ионов из метаболических процессов, путем отложения их в фиксированных или нерастворимых формах в различных органах и органеллах; удаление ионов из растений при вымывании через листья, соковыделении, сбрасывании листьев и выделении через корни (Кабата-Пендиас, 1989).

Механизмы устойчивости различных видов растений к повышенному содержанию ТМ изучены недостаточно. Устойчивость растений к одному металлу не распространяется на другой, то есть сугубо специфична. Повидимому, эта устойчивость является генетически закрепленным признаком, который можно использовать в различных технологиях очистки окружающей среды при помощи растений (Буравцев, 2005).

Развитие толерантности к металлам происходит довольно быстро и имеет генетическую основу (Ковалевский, 1969).

Генетический анализ популяций ряда высших растений показал, что основная устойчивость к некоторым металлам (мышьяк, медь, цинк) скорее всего, определяется одним или двумя основными генами и работой геновмодификаторов, определяющих уровень устойчивости. Устойчивость к определенному металлу обычно контролируется геном (или генами), отличными от генов, определяющих устойчивость к другому металлу (Кулаева, 2010).

Важную роль в защите растений от избытка поступающих из почвы металлов выполняет корневая система. Задерживая избыточные ионы, корни тем самым, способствуют сохранению в надземных органах благоприятных (или невредных) концентраций химических элементов (Гиниатулин, 2010).

ТМ могут извлекаются корнями растений из глубоких слоев почвы и как показывают радиографические исследования с мечеными атомами, накапливаться во всей толще стеблей, прожилках листьев и периферии плодов (Капитанова, 2000).

Уровень накопления ТМ в репродуктивных органах растений значительно ниже, чем в вегетативных, и определяется биологическими особенностями возделываемой культуры. У капусты белокочанной (Brassica oleracea) содержание всех ТМ возрастает (примерно в 3-5 раз) по направлению от внешних листьев кочана к его кочерыге (Черников, 2009).

У разных видов растений в разной степени выражены защитные механизмы, препятствующие поступлению токсических элементов. Таким механизмом служит избирательность проницаемости мембран растительной клетки. При высоком содержании в почве ТМ в растения поступают такие их количества, которые мембраны уже не способны удерживать. Следствием этого становится нарушение синтеза функций ферментов, витаминов и гормонов, расстраиваются функции митохондрий и хлоропластов, нарушается водный обмен, фотосинтез, дыхание, транспирация. В конечном итоге токсичность ТМ проявляется через дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) (Никифорова, 2006).

характеризуется индексом биологического поглощения, под которым понимают отношение содержания элемента в золе растения к содержанию его в почве (Капитанова, 2000).Проще говоря, для того чтобы оценить интенсивность биологического поглощения элемента, надо сравнить содержание этого элемента в растении и источнике, от куда этот элемент поступает (Добровольский, 2003).

Растения, относящиеся к разным семействам, заметно различаются по способности накапливать ТМ (Гиниятулин, 2010).

Устойчивы к высоким концентрациям мышьяка: картофель (Solanum tuberosum), томаты (Solanum lycopersicum), морковь (Daucus), виноград (Vitis), малина (Rubus idaeus); среднеустойчивы земляника (Fragaria), кукуруза (Zea mays), свекла (Beta), тыква (Cucurbita), кабачки (Cucurbita pepo); слабоустойчивы лук (Allium cepa), горох (Pisum), огурцы (Cucumis sativus) (Черников, 2009).

На почвах с высоким содержанием металлов формируются специфические сообщества. Определение видового состава растений, произрастающих на территориях, загрязненных ТМ, показало преобладание рудеральных и сорных видов (Башмаков, 2004).

Исследования показывают, что в сорных растениях по сравнению с соломой зерновых культур, содержание ТМ выше (Ряховский, 2004).

Установлено, что донник ароматный (Melilotus suaveolens) не допускает дополнительного поступления ТМ в свои ткани и поэтому он может высеваться на загрязненных землях, планируемых для использования под пастбища (Бабошкина, 2007).

Рядом ученых были изучены механизмы устойчивости декоративных растений сразу к нескольким стрессовым факторам. Подбор потенциальных видов-кандидатов для исследований велся среди растений, обладающих не только выраженной способностью к аккумуляции поллютантов, но и обладающих декоративной ценностью. В качестве культуры, отвечающей таким требованиям, можно предложить растения: хрустальная трава (Mesembryanthemum crystallinum) и мезембриантемум волосоцветковый (M.Criniflorum). Полученные результаты позволяют рассматривать изученные растения в качестве перспективных кандидатов при разработке технологий рекультивации земель с высокой степенью загрязнения ТМ. Не менее существенна также возможность использования этих растений в качестве декоративных культур в парковых и садовых фитоценозах загрязненных городов (Волков, 2011).

По интенсивности загрязнения растительности ТМ в лесных сообществах Новгородской области выделяются хвощ полевой (Equisetum arvense), мхи, облиственные побеги лиственных деревьев и кустарников; наиболее чистые – побеги хвойных и кустарнички (черника- Vaccinium Myrtillus, брусника-Vaccinium vitis) (Вяйзенен,2004).

Общей тенденцией при сравнении накопления ТМ различными группами макромицетов является максимальная аккумуляция элементов трубчатыми грибами, а в меньшей степени пластинчатыми грибами. Минимальной способностью накапливать ТМ характеризуются аскомицеты (Егошина, 2004).

В плодовых телах некоторых видов съедобных грибов, развивающихся в условиях природных экосистем, не испытывающих существенного техногенного загрязнения, содержание свинца и мышьяка превышало допустимые уровни. То есть, установлено, что лимитирующими элементами в отношении риска поступления с плодовыми телами съедобных грибов являются мышьяк, свинец и реже никель (Костычев, 2009).

В грибах ТМ распределены неравномерно. У пластинчатых грибов наибольшее количество тяжелых металлов обнаружено в особых тканях шляпки плодового тела – пластинках (сыроежка - Russula, волнушка - Lactarius, рыжикLactarius deliciosus, шампиньон - Agaricus и др.). У трубчатых грибов (подберезовик - Leccinum scabrum, масленок - Suillus luteus, белый гриб - Boletus edilus и др.) наибольшее количество ТМ находится в трубчатом слое шляпки плодового тела. Меньшее количество ТМ содержится в шляпке плодового тела, еще меньше в ножке (Черников, 2009).

Дикорастущие плоды, ягоды и грибы, собираемые населением на территориях, подверженных техногенному загрязнению, представляют непосредственную опасность для здоровья (Егошина, 2004).

В связи с усиливающимся загрязнением природной среды большое количество природных веществ попадает в водотоки и водоемы, где они ассимилируются водными организмами и включаются в пищевые цепи. Многие из токсических веществ аккумулируются в организмах гидробионтов и, достигая высоких значений, могут привести к их гибели. Только немногие виды, способны переносить сильное загрязнение среды обитания и высокие дозы загрязняющих веществ, приспосабливаются к антропогенному прессингу. К числу таких организмов можно отнести ряску малую (Lemna minor), являющуюся важным компонентом растительного покрова водоемов и водотоков (Капитонова, 2004).

Растения делят на две основные группы: исключители, накапливающие ТМ исключительно в корнях, и как говорилось ранее - аккумуляторы, накапливающие ТМ в побегах (из них известно около 450 видов гипераккумуляторов).

Способность к гипераккумуляции определяется высокой эффективностью механизмов детоксикации, благодаря чему гипераккумуляторы устойчивы к ТМ.

Гипераккумуляторы по сравнению с исключителями обладают: 1) повышенной скоростью поглощения ТМ из окружающей среды, что определяется конструктивно высокой экспрессией в корнях гипераккумуляторов генов транспортеров, например ZIP4; 2) эффективными механизмами детоксикации и изоляции ТМ в вакуолях клеток эпидермов листа, что согласуется с более высоким уровнем экспрессии гена, кодирующего тонопластный антипортер МТР1; 3) большей мобильностью ТМ по тканям корня в результате пониженного накопления ТМ в вакуолях клеток корня и отсутствия барьерных тканей, а также повышенной скоростью загрузки тяжелых металлов в ксилему (Серегин, 2011).

заключается в увеличении относительной скорости выноса элемента из почвы за счет роста массы урожая. Существуют растения, формирующие за вегетационный период большую массу (козлятник - Galega, борщевик – Heracleum и др.). Можно использовать растения, дающие более одного урожая в год (травы) (Дричко, 2006).

Например, топинамбур (Helianthus tuberosus) и горец сахалинский (Fallopia sachalinensis), отличаются высокой урожайностью зеленой массы (80-140 т/га) и способностью значительного выноса из почвы ТМ, таким образом, могут быть использованы в севооборотах как сорбенты-фитомелиоранты, накапливающие в зеленой массе ТМ и сохраняющие экологически чистую среду для последующих культур (Цугкиев, 2004).

Растения семейства бобовых (Fabaceae) отличаются способностью поглощать элементы-металлы. То есть растения семейства бобовых могут накапливать – аккумулировать – значительное количество элементов-металлов, в том числе опасных для живых организмов ТМ (Зудилин, 2006).

Для изучения влияния барьерных свойств растений на накопление в них ТМ были проанализированы паслен (Solanum) и кровохлебка (Sanguisorba), растущие на максимально загрязненных почвах г. Свирска. Установлено, что паслен накапливает намного больше ТМ и мышьяка, чем кровохлебка, поэтому его можно использовать для фиторемедиации почв (Белоголова, 2010).

Опыт с использованием рапса ярового (Brassica napus) в качестве фиторемедианта, показал снижение в почве содержания подвижных форм цинка, меди, свинца и мышьяка в фазе полной спелости культуры. Однако содержание этих элементов в растительных образцах рапса ярового в фазе бутонизации значительно возрастало, по сравнению с фазой желто-зеленого стручка и фазой полной спелости. Таким образом, рапс яровой при уборке в фазе бутонизации накапливал значительные количества ТМ, что можно использовать при рекультивации загрязненных ими земель (Сискевич, 2008).

Другие исследователи показали, что использование растений (суданская трава – Sorghum sudanense, райграс пастбищный – Lolium perenne, рапс яровой – Brassica napus, сорго зерновое – Sorghum bicolor и подсолнечник однолетний Helianthus annuus) для очистки почвы от ТМ стимулировало активность дегидрогеназ во всех вариантах загрязненной почвы, пероксидаз – во многих вариантах, что коррелировало с убылью загрязнителей и свидетельствовало об интенсификации процессов восстановления почвы.

Показано, что максимальная убыль ТМ (свинца, кадмия и никеля) наблюдалась в почве при культивировании рапса. Рапс яровой (Brassica napus), как показали исследования, наибольшим образом стимулировал активность дегидрогеназ и пероксидаз в почве. Содержание мышьяка в почве заметнее снижалось при культивировании сорго зернового (Плешакова, 2011).

Также было установлено, что райграс пастбищный (Lolium perenne) обладает меньшей, по сравнению с горчицей сарептской (Brassica juncea) способностью к фитоэкстракции, однако он поглощает свинец корнями, временно иммобилизируя его, к тому же он более устойчив к неблагоприятным воздействиям среды (высокие концентрации загрязняющих веществ, вытаптывание и пр.), поэтому он может быть рекомендован в качестве газонной травы для озеленения обочин дорог и городского озеленения. Данные культуры перспективны для использования в фитоэкстракции почв со средним уровнем загрязнения свинцом, с возможностью использования горчицы сарептской в фитостабилизации (Бганцова, 2009).

использование гречихи (Fagopyrum), однако количество ТМ, накапливающихся в биомассе, относительно невелико, а при высоких уровнях загрязнения эффективность «извлечения» металлов снижается (Басов, 2010).

По данным Т.А. Трофимовой (2009), горчица сарептская (Brassica juncea) является мощным аккумулятором ТМ.

В исследованиях Д.А. Постникова (2009) выявлены фиторемедиационные способности у горчицы белой (Sinapis alba) и сафлора (Carthamus tinctorius).

Вейник наземный (Calamagrostis epigejos) в естественных условиях значительные концентрации ТМ (Маджугина, 2008).

В работе Т.Н. Васильевой (2011) отмечена способность накопления ТМ у таких растений, как лопух большой (Arctium lappa), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris).

масличная (Raphanus sativus) и горчица белая (Sinapis alba) способны отчуждать из почвы значительные количества тяжелых металлов. Лидером по выносу ТМ из почвы являлся амарант багряный, поскольку он обладал наибольшей из всех культур продуктивностью (Флёсс, 2007).

При разработке одной из перспективных биотехнологий очистки почв от ТМ, основанной на использовании растений совместно с ростостимулирующими микроорганизмами, изучалось произрастание подсолнечника однолетнего (Heliаnthus аnnuus) сорта «Саратовский 20», суданской травы (Sorghum sudanense) сорта «Саратовская 1183» и микробного штамма Aeromonassp.MG3, на почвах загрязненных мышьяком, свинцом, кадмием на уровне 15ПДК. Обнаружено, что мультизагрязнение почвы кадмием и свинцом существенно ингибировало активность оксидоредуктаз. При этом фиторемедиационные приемы не восстанавливали биохимическую активность до уровня не загрязненной почвы. В почве с мышьяком, напротив, данные приемы увеличили активность дегидрогеназ и каталаз, которая через два месяца стала выше, чем до ремедиации и способствовали восстановлению фосфотазной активности. В целом, показатели активности исследованных окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов отражали преимущества использования растительно-микробной ассоциации для ремедиации почв (Плешакова, 2010).

Группой исследователей изучались особенности накопления ТМ вегетативными органами подорожника большого (Plantago major), одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale), донника белого (Melilotus albus) и изучение призраков антиоксидантной защиты. Процессы накопления химических элементов в растительных органах и антиоксидантный статус рассмотрены на примере меди. Установлено, что по мере возрастания металла в почвах уменьшается коэффициент накопления, что свидетельствует о наличии некоторого «корневого барьера», ограничивающего свободное поступление металла в подземные органы. Следует отметить, что у исследуемых видов, произрастающих в условиях высокого химического загрязнения почвы, выявлены механизмы биохимической адаптации, проявляющиеся в существенной индукции синтеза пролина и активации ферментов антиоксидантной защиты (Фазлиева, 2011).

Изучались растения гинкго двулопостного (Ginkgo biloba) для выращивания его на техногенно загрязненных ТМ почвах. Исследования показали, что гинго в основном проявляет свойства «исключителя», при гибкой системе отбора элементов, при которой наиболее токсичные – свинец, кадмий слабо поглощаются, а более необходимые для метаболизма, не накапливаясь в корнях, транспортируются в надземную часть. Такой селективный отбор ТМ по-видимому и создает адаптивный механизм выживания гинкго в экстремальных условиях (Баранов, 2011).

Отмечалась толерантность бархатцев (Tagetes) к загрязнению ТМ и способность их к аккумуляции ТМ (Пшенин, 2003).

При изучении степени металлоустойчивости при длительной экспозиции на ионах ТМ дикорастущих рудеральных видов: клена ясенелистого или американского (Acer negundo), лопуха большого (Arctium lаppa), одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale), мари белой (Chenopodium album) и череды трехраздельной (Bidens tripartitus), собранных в разной по степени антропогенной нагрузки и загрязнению ТМ экотопах, были получены результаты, которые показали, что степень ингибирования всхожести и ростовых показателей зависела от вида растения и концентрации металлов. Сублетальные концентрации (1мМ) всех изученных ТМ (Cu, Ni, Pb, Zn) резко снижали всхожесть. Сильнее всего ТМ ингибировали прорастание и рост семян лопуха, а менее всего – клена американского и одуванчика лекарственного. Так, наибольшей толерантностью обладали растения промышленных зон. Полученные данные позволяют предполагать существование на неодинаковых по уровню загрязнения экотопах различных эдафофитов рудеральных растений, а также существование на одной и той же территории растений, различающихся по степени металлоустойчивости (Башмаков, 2011).

В работах В.И. Кудряшовой (2003) отмечалось, что наиболее активными накопителями ТМ являются такие дикорастущие растения как клевер луговой (Trifolium pratense), полынь горькая (Artemisia absinthium), ежа сборная (Dactylis glomerata).

Учеными также исследовались рост и развитие папоротника (Matteuccia sthruthiopteris) в присутствии ионов ТМ и особенностей их накопления и распределения в растении. Растения папоротника выращивали на водной питательной среде Кнопа в присутствии солей Cu, Pb, Cd в концентрации 100мкМ. Полученные данные свидетельствовали о том, что по аккумулирующей способности данный вид папоротника относится к исключителям. Среди исследуемых металлов в листья поступали только ионы Cd. Ионы Cd и Cu не оказывали ингибирующего воздействия на рост и развитие фотосинтезирующей части растений. В то время как действие ионов Pb приводило к снижению длины и фитомассы листьев (Богданова, 2011).

Для оценки влияния техногенного загрязнения почв ТМ на состояние травянистых фитоценозов были изучены растительные сообщества, находящиеся на расстоянии 0,5; 4,0; 8,0км от одного из крупнейших промышленных предприятий Республики Карелия – Кондопожского целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК). В почвах всех исследованных участков валовое содержание ТМ в 1,5-4 раза превышает фоновый уровень, характерный для южной Карелии. При этом наиболее высокие концентрации металлов обнаружены на участках, расположенных в 0,5км от ЦБК. Общее количество видов травянистых растений на обследованных территориях не зависело от расстояния до источника загрязнения и варьировало в пределах 29-32 шт. Однако с приближением к комбинату изменялся видовой состав: уменьшалось количество видов семейства мятликовые (Poaceae), а число видов, относящихся к группе разнотравья, наоборот возрастало. На участках, расположенных в 0,5км от ЦБК, повышалась доля многолетних видов растений и снижалась доля однолетних. При анализе морфо-физиологических признаков оказалось, что растения разных участков практически не различались между собой по высоте, хотя вариабельность этого признака существенно возрастала по мере приближения к комбинату. Помимо этого, у растений наблюдалось и некоторое увеличение содержания хлорофиллов и каротиноидов, что, по-видимому, способствует их лучшей адаптации к неблагоприятным условиям и позволяет им произрастать на загрязненной ТМ территории без существенных нарушений жизнедеятельности (Казнина, 2011).

Очистку почв от ТМ можно осуществлять с помощью газонных трав:

мятлик луговой (Poa pratensis) наилучшим образом поглощает Cd, Co, Cu, Ni,райграс пастбищный (Lolium perenne) – хорошо поглощает Pb и Ni, полевица тонкая – Mn, овсяница луговая - Cd, Cuи Zn, для этого рекомендуется составлять сложные многокомпонентные травосмеси из вышеперечисленных видов трав (Средин, 2011).

При изучении накопления ТМ листьями древесных растений в условиях загрязненной атмосферы, установлено, что лиственные породы растений более активно накапливали ТМ, чем представители хвойных (Маракаев, 2011).

Установлено, что деревья и кустарники, являющиеся основными биофильтрами городской среды, адсорбируя аэротехногенные выбросы на поверхности листьев, поглощая ТМ из воздуха и почв, и накапливая их в однолетних и многолетних органах, являются перспективными для использования в качестве фиторемедиантов. Связано это, прежде всего с их высокой биологической продуктивностью, повсеместностью использования в урбосистемах, способностью поглощать токсические элементы из нескольких горизонтов почвы, благодаря большому объему корневой системы, возможностью адсорбировать пылевые и аэрозольные частицы на высоте 0,5-30 м, а также высокой адаптивной способностью ряда видов к воздействию поллютантов.

Перспективным кустарником для фиторемедиации почв от избытка свинца является чубушник венечный (Philadelphus coronarius) (Горелова, 2011).

Вблизи промышленных городов существует тенденция накопления мышьяка в ксилемных образованиях березы повислой (Betula pendula) (Гордеева, 2010).

По данным других исследований лучшими концентраторами свинца являлись кедр (Cedrus) и тальник, произрастающие на урбанизированной территории вблизи автодорог, то есть в целях оздоровления урбанизированной среды при создании систем газонных насаждений необходим учет видовых особенностей в пользу кедра (Кирилюк, 2004).

Можно указать, что относительно высокий уровень свинца был обнаружен в клюкве (Oхуcoccus palustris Pers), ягодах облепихи (Hippophae), а также в мхах, лишайниках (Lichenes), чернике (Vaccinium), папоротнике, хвоще (Equisetum), осоковых (Cyperaceae), кислице (Oxalis) (Явербаум, 2006).

Группой ученых изучалось поглощение ионов меди, свинца, кадмия и цинка из водных растворов водным гиацинтом (Eichhornia crassipes) в модельных условиях. Отмечено, что растения выдерживали превышение ПДК данных элементов в воде, сохраняли жизнеспособность и успешно размножались. За десять дней модельного эксперимента концентрация металлов снижалась более чем в 5 раз для цинка, в 6 раз для кадмия, в 4 раза для свинца, в 8,5 раза для меди.

При этом в вегетативной массе эйхорнии значительного накопления данных металлов не отмечалось. Таким образом, показана эффективность использования растений водного гиацинта для очистки вод различного назначения от ТМ (Минаева, 2009).

При невысоких уровнях загрязнения почвы ТМ приемлемо совместное выращивание культур с растениями, интенсивно и избирательно поглощающими ТМ (Вяйзенен, 1997).

Основные направления исследования ТМ в растениях включают как традиционные, так и инновационные, к числу которых можно отнести фитоменеджмент (комплексное управление растительными ресурсами участков с загрязнением почв ТМ и радионуклидами); применение регуляторов роста и биологически активных веществ для уменьшения поглощения растениями ТМ или снижения окислительного стресса, индуцированного ТМ; использование методов геномики и генной инженерии в целях создания биосенсоров на токсичные ТМ в окружающей среде и для очистки от ТМ.

Синтетические регуляторы роста могут применяться для нивелирования негативных эффектов, индуцированных избытком ТМ в растениях. В частности их можно использовать для снижения повреждающих эффектов на растения;

уменьшения поглощения растениями ТМ; уменьшение последствий хронического отравления растений ТМ; усиления выведения ТМ из осевых органов растений;

использования в фиторемедиации; активации ряда антиоксидантных ферментов и увеличения концентрации низкомолекулярных антиоксидантов (Лукаткин, 2011).

1.5. Особенности загрязнения природной среды и мероприятия по устранению экологической катастрофы в МО г. Свирск Хозяйственная деятельность человека, приводит к изменению в структуре и функциях природных комплексов (Еськов, 2010). Большое отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают промышленные предприятия, причем их воздействие может распространяться на десятки километров от самих источников загрязнения (Гимиятулин, 2010). Изменяются направления и темпы миграции химических элементов, металлы включаются в биологический круговорот. Фотохимические процессы в атмосфере, физико-химические и биологические в водной и почвенных средах не обеспечивают детоксикации резко возросшего количества загрязнителей. Опасными являются высокие концентрации ТМ в агроценозах (Еськов, 2010).

В МО г. Свирск Черемховского района Иркутской области многолетняя деятельность металлургической промышленности при недостаточном соблюдении, а также отсутствии мер экологической безопасности привела к повышенному загрязнению почв мышьяком и тяжелыми металлами (Рыбина, 2010).

Экологическая ситуация в МО г. Свирск катастрофическая. Новые проблемы расширения промышленного производства накладываются на нерешенные проблемы прошлого: всесоюзная свалка мышьяка в Свирске, созданная и брошенная на произвол судьбы шестьдесят лет назад военнопромышленным комплексом отравляет жителей города и грозит загрязнением реке Ангаре (Луковникова, 2009).

Свирск – это небольшой город (с 1949 г.) в Черемховском районе Иркутской области Российской Федерации, занимает площадь 22 км2. Население города, по данным на 2011 год, составляло 13649 человек, с тенденцией к уменьшению (с начала 1980-х годов город потерял треть своего населения) (Свирск. Материал из Википедии).

Город расположен на Иркутско - Черемховской равнине на левом берегу реки Ангара (рис. 1), в 150 км от Иркутска, в 19 км от города Черемхово и в 20 км от железнодорожной станции Черемхово.

В 1931 году около Свирска был построен АМЗ, занимающийся производством мышьяка. В 1932 году началось строительство железнодорожной ветки Черемхово - Макарьево, которая позднее продлилась до Свирска. В году в Свирске вступил в строй завод химических источников тока №389.В году на завод источников тока №389 был эвакуирован Ленинградский аккумуляторный завод. 16 ноября 1949 года поселок Свирск получил статус города (Свирск.Материал из Википедии).

АМЗ действовал в 1934-1949 гг. в интересах оборонной промышленности в рамках треста «Союзмышьяк» (Гайкова, 2010). На АМЗ осуществлялось получение триоксида мышьяка по упрощенной схеме, предусматривающей обжиг концентратов в подовых печах и улавливание возгонов мышьяка в куллерах с последующим рафинированием триоксида мышьяка. Огарки после обжига золотосодержащих концентратов и получения мышьяка направлялись на Среднеуральский медеплавильный завод (г. Ревда) для извлечения из них золота.

Концентраты Запокровского месторождения перерабатывались в ограниченном количестве, а огарки складывались на территории завода.

Металлургический комбинат был ликвидирован в 1949 году. Основные фонды списаны и брошены без демонтажа оборудования и ликвидации отходов, содержащих мышьяк. В чью-либо собственность, загрязненная территория завода не оформлялась, не имела охраны и ограждения (Государственный доклад о состоянии природной среды Иркутской области…, 2008). После закрытия АМЗ в 200 м от окраин тогдашнего Свирска и в 200 м от р. Ангары (в те годы самой чистой реки в мире) оказалось около 130 тыс. тонн отходов мышьяковистого производства и зараженное заводское оборудование (рис. 2) (Таевский, 2007).

Количество огарков на территории АМЗ составляло 131 тыс. тонн, в которых содержалось 1,25 % мышьяка. Специалисты подсчитали, что при смертельной дозе (СД) триоксида мышьяка 0,2 г общее количество СД в огарках составляло более 110 млн. человек. При этом самую большую опасность представляли не отвалы огарков, а сохранившиеся руины завода – общее содержание триоксида мышьяка в газоходах и бункерах оценивалось в 36, тонны, из которых 60 % находилось в водорастворимой форме, а содержание мышьяка в кирпиче достигало 2,5 г на 1 кг кирпича (Корк, 2009).

Рисунок 2 – Заброшенные цеха Ангарского металлургического завода (АМЗ) На промышленной площадке почва загрязнена водорастворимыми соединениями мышьяка. Среднее содержание мышьяка в поверхностном слое почвы промышленной площадки завода превышало ПДК в 4365 раз, меди - в 89,1, свинца - в 321,9, цинка – в 132,4, сурьмы – в 208 (Государственный доклад о состоянии природной среды Иркутской области…, 2008).

предварительные данные по содержанию мышьяка в воде и донных отложениях Братского водохранилища и в почвах МО г. Свирск. Концентрация мышьяка в воде Братского водохранилища колебалась в пределах 2,5-5,7 мкг/л, при средней концентрации 3,91 мкг/л. Это значительно ниже ПДК (50 мкг/л) мышьяка для питьевой воды и воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Концентрация мышьяка в почвах колебалась в пределах 4,1- мг/кг. Это выше ПДК (2мг/кг) мышьяка в почвах в 2-150 раз. Наиболее загрязненными мышьяком были почвы, расположенные в непосредственной близости от арсенопиритных отвалов (Ефимова, 2007).

Как уже говорилось, на территории Свирска находилось два очага отходов, содержащих мышьяк. Первый – это здание завода и оборудование, второй – отходы производства АМЗ, содержащие до 25% водорастворимых форм мышьяка, общим объемом более 48 кубометров и весом более 130 тыс. тонн. По информации экологов, площадка около АМЗ использовалась для хранения отходов производства, содержащих соединения мышьяка, со всех химических предприятий СССР (Арановская, 2008).

Например, в конце 1937 г. в окрестностях Москвы на территории военнохимического полигона в Кузьминках – были произведены раскопки химоружия.

Окончательные отчетные цифры, найденного в земле полигона и на дне его озера химического имущества были таковы: артхимснарядов разных калибров – 878, авиахимбомб различных калибров – 75, химмин различных калибров – 6972.

Кроме того, было найдено 195 неразорвавшихся химфугасов, 832 ЯД-шашки, баллона (из них 353 баллона с фосгеном, синильной кислотой, хлором и т.д.), бочек, главным образом, с ипритом и люизитом.

Помимо этого «богатства», из разрытых ям было извлечено примерно 250 т мышьяковых отравляющих веществ (ОВ) и отходов от производства ОВ, а также 250 т зараженного металлолома. Цифры эти были явно округлены.

Что до реабилитации, то она в те годы была бесхитростной. Все что не содержало мышьяк, сжигалось.

Что до адамсита и отходов производства, мышьяковых ОВ, то поначалу их планировалось попросту затопить в море и лишь после протеста руководства треста «Союзмышьяк», их решили утилизировать на заводах этого треста. В первую очередь, имелся в виду завод в будущем городе Свирске, и для перевозки туда мышьяковых отходов был сформирован целый железнодорожный состав.

(Федоров, 2009).

Ни о каких захоронениях в то время речи не шло – мышьяк был попросту свален в ямы. Однако сравнительно небольшие отходы самого завода в последующие годы многократно увеличились – со всего СССР, включая союзные республики, в город Свирск свезли все мышьяковые отходы (Арановская, 2008).

Сложно было понять, где начинается территория бывшего завода. Ни охраны, ни колючей проволоки – лишь часть того, что некогда было высокой оградой, а в конце поля кирпичные развалины (Дементьева, 2006).

От кромки Братского водохранилища ядовитую зону отделяет не более м, от ближайших жилых зданий – 700 м, от дачного кооператива – 200 м (Концы в карьер, Сибирский энергетик, 2011).

До 1991 года информация о загрязнении ОПС г. Свирска была закрыта. В последние годы оценку степени загрязнения проводили различные научные учреждения: Сибирский институт физиологии и биохимии растений (СИФИБР), Иркутский государственный университет (ИГУ), Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ), Иркутский ОК по ООС, ДВФЭЗ, однако технологических решений по детоксикации почвенного покрова МО г. Свирск предложено не было. Установлено, что наличие мышьяковой аномалии в почвах г. Свирска, приуроченной к отвалам огарков бывшего АМЗ и свинцовое загрязнение почв, связанное с деятельностью аккумуляторного завода, могут представлять особую экологическую опасность. В зонах техногенного загрязнения в почвах возрастало содержание подвижных форм ТМ и мышьяка, что указывало на усиление их миграционной способности и биодоступности.

Высокой подвижностью и биодоступностью в изученных почвах выделялся кадмий, являющийся одним из наиболее сильных генотоксичных и канцерогенных ядов. Мышьяк, при определенных условиях, способен переходить в подвижные формы и накапливаться в растениях.

Прослеживалось заметное накопление ТМ и мышьяка (в отдельных случаях достигающее ПДК) в продуктах питания местного производства, в частности, в молоке и овощах. Эти результаты согласовывались с высоким загрязнением почв тяжелыми металлами. Несмотря на то, что элементы-токсиканты в пищевой цепи человека не всегда достигали ПДК, в конечной цепи в биосубстратах человека, они накапливались до очень высоких пределов (Белоголова, 2010).

По данным Иркутского областного комитета по охране окружающей среды в почвах вокруг завода с 1991 по 2002 гг. среднее содержание подвижных форм свинца, марганца, никеля, меди и кобальта увеличилось примерно в 2 раза, ртути – в 4 раза, что превышало ПДК в несколько раз (Ревич, 2007).

Максимальная концентрация ртути в почвах г. Свирска, вблизи отвалов АМЗ (А0+А), составляла 4,5 мг/кг (ПДК – 2,1 мг/кг), а в 800 м от АМЗ (А пах) – 0,036 мг/кг (Гордеева, 2011).

В экспедиционных исследованиях были получены предварительные результаты о накоплении мышьяка в молоке коров в населенных пунктах, расположенных по левому берегу долины р. Ангара, картофеле, выращенном на участках, прилегающих к территории отвалов. Однако данных, позволяющих однозначно оценить риск здоровью населения г. Свирска получено не было (Ефимова, 2007).

По утверждению главного специалиста по экологической безопасности и благоустройству Свирска Татьяны Степаненковой, в молоке коров, которые пасутся неподалеку от АМЗ, предельно допустимая концентрация мышьяка была превышена в 39 раз (Земли Свирска пропитаны мышьяком, ГТРК Иркутск, 2009).

Никто не может сказать, сколько жителей Свирска погибли от отравлений на мышьяковом заводе и от действия его отходов. Горожане говорят, что большинство рабочих не дожили и до 40 лет (В Иркутской области вымирает целый город, 2007).

государственного университета (ИГУ) и Дальневосточного фонда экологического здоровья (ДВФЭЗ) были получены данные по исследованию жилой зоны г.

Свирска в октябре-ноябре 2009г. Почвенные пробы отбирались в г. Свирске и г.

Черемхово. Всего было отобрано 79 проб на детских площадках, территориях детских садов, во дворах жилых домов, в которых определялось содержание свинца, кадмия и мышьяка.

Результаты анализа проб почв г. Свирска показали, что главным загрязнителем является мышьяк, концентрация которого в почвах превышала ПДК (2мг/кг) в 5-10 раз на детских площадках и в 300 раз – промышленных зонах. На двух детских площадках в г. Свирске (ул. Лермонтова д.8 и ул. Лазо д.2) было обнаружено содержание мышьяка в почвах, превышающее максимальный показатель вредности – 15 мг/кг. Согласно российским санитарно-гигиеническим нормативам почвы с таким содержанием относят к к категории «чрезвычайно опасные». Все остальные пробы содержали несколько меньшее количество мышьяка (Рыбина, 2010).

Игры детей на детских площадках с загрязненной почвой могут привести к избыточному поступлению токсических веществ в организм ребенка (Влияние на организм…. Материалы большого информационного архива).

Опасность представляют и высокие концентрации кадмия в почвах жилой зоны. Обнаруженное загрязнение свинцом хотя и превышало ПДК в ряде случаев, но все же в обследованных местах угрозы для здоровья жителей не представляло (Рыбина, 2010).

После закрытия АМЗ основным градообразующим предприятием в г.

Свирске являлся аккумуляторный завод «Востсибэлемент» (Дан, 2003), который внес значительный вклад в загрязнение окружающей природной среды (ОПС) свинцом. Предприятие было донором не только городского, но и районного и областного бюджетов (Там же). После закрытия «Востсибэлемента» в 1999 году на его базе возникла группа компаний ЗАО «АкТех», занимающаяся производством аккумуляторов. В воздухе на территории заводов отмечался стойкий запах пыли и першение в горле (Хиндалов, 2002).

В 2006 г. в Свирске был запущен новый завод по переработке аккумуляторного лома, производству свинца и сплавов ЗАО «Эколидер» дочернее предприятие ЗАО «АкТех» (Терентьева, 2006). По словам директора Александра Огородникова, предприятие ЗАО «Эколидер» оценивается как самое совершенное и экологически безопасное в стране среди занимающихся данным видом деятельности (Гундорова, 2006).

Таким образом, мышьяк – далеко не единственная экологическая проблема Свирска. Все заостряют внимание на мышьяке, забывая о многолетней работе завода «Востсибэлемет», который день и ночь загрязнял атмосферу свинцом, а мышьяк и свинец одновременно усиливают токсическое воздействие на среду (Махнева, 2012).

Вплоть до 1989 г. о Свирском мышьяке не говорил никто, проблема получила огласку только после 1991 г. К сожалению, тогдашнему мэру г.

Черемхово (под контролем которого находился и Свирск) до мышьяка дела не было. Финансирование города велось по остаточному принципу, денег не хватало на элементарное решение экологических проблем.

Вопросы экологии региона поднимались лишь на сессии Законодательного собрания. Было зарегистрировано около десятка официальных запросов депутата от Свирска А. Козьмена как к областной думе, так и лично к губернатору Иркутской области. Но вопросы записывались, на них обещали ответить и тут же забывали (Таевский, 2007).

Экологические проблемы г. Свирска начали решаться только с 2006 г., когда Свирск стал самостоятельным муниципальным образованием (МО). К практическому решению приступили в 2009 г., когда Свирск стал участником федеральной программы «Национальная система химической и биологической безопасности РФ», на что были выделены средства из федерального бюджета.

Летом 2009 г. прошел тендер, который выиграл ИрГТУ (Корк, 2009).

ИрГТУ выиграл грант Министерства образования и науки РФ по разработке программы эколого-социальной реабилитации населения города Свирска, где ликвидируется крупный очаг загрязнения мышьяком. Как сообщили в прессслужбе ВУЗа, сумма гранта на 2012-2014 годы составляет 3 млн. рублей. Задача ученых заключается в исследовании геохимической миграции ТМ через почву в организм человека. Разработка эколого-социальной реабилитационной программы является продолжением работы сотрудников университета по обеззараживанию мышьяксодержащих отходов.

Перед разработчиками проекта из ИрГТУ стояла сложная комплексная задача, которая предполагала, что растворимые соединения мышьяка должны стать нерастворимыми, свалка не должна пылить, а развалины завода, представляющие не только химическую, но и травматическую опасность, должны быть окончательно снесены. Суть химического процесса заключается в том, что огарки, содержащие мышьяк, должны быть залиты известковым раствором.

Мышьяк кальцируется и впоследствии будет захоронен в уже существующем карьере, который был выбран из-за того, что в нем практически нет притока воды извне (кроме дождевой), а стенки не позволяют попавшей в карьер воде просачиваться в другие горизонты.

По словам председателя проектной организации, в 2009 году был произведен мониторинг ситуации и подсчет объема огарков, в 2010 году разработана технология и регламенты проекта. Проектировщики даже показали рисунок, демонстрирующий площадку свалки через несколько лет после завершения ликвидации очага загрязнения, - вместо свалки отсыпана площадка, на здоровой почве высажены деревья (Смойлов, 2011).

Проект ИрГТУ по ликвидации очага загрязнения мышьяком территории промышленной площадки АМЗ в районе Свирска Иркутской области удостоен золотой медали «Гарантия качества и безопасности» на международном салоне «Комплексная безопасность – 2011», который прошел в Москве во Всероссийском выставочном центре с 17 по 20 мая 2011 г.

500 участников из 15 стран мира ознакомились с инновационными достижениями и российскими разработками в области обеспечения безопасности, предупреждения и ликвидации последствий техногенных катастроф (Проект НИИ ИрГТУ…, 2011).

Предложенный способ обезвреживания мышьякосодержащих отходов методом экобетонирования на основе интегральной минерально-матричной технологии заключается в том, что при его реализации используется химическая активность промышленного отхода – щелочного кека. Благодаря этому исключается нерациональная операция по их нейтрализации. Компоненты отходов участвуют в химических процессах формирования новообразований, обладающих вяжущими свойствами, и вследствие этого становятся «элементами»

новой структуры, благодаря создающейся в процессе переработки отходов минеральной матрице.

Таким образом, предложенная технология экобетонирования промышленных отходов АМЗ позволяет формировать безопасные для окружающей среды искусственные грунты.

Общая величина предотвращенного экологического ущерба в результате утилизации отходов производства АМЗ составит 54 млн. 69 тыс. руб.

Прогнозируется снижение канцерогенного риска на 677 случаев онкозаболеваний на миллион человек (Богданов, 2008).

Себестоимость Иркутской технологии оказалась почти вчетверо дешевле мировых аналогов (Кулибина, 2011).

Работы по демонтажу конструкций АМЗ начались в 2011 г. Изначально было решено демонтировать строительные конструкции с помощью взрывов. Но этот метод вызвал недовольство среди местного населения. Общественность начала собирать подписи в пользу отказа от такой технологии. Учтя пожелания жителей, администрация города приняла решение проводить разборку всех строительных конструкций и производственных корпусов зданий механическим способом, что было сделано в 2011 г. Груда строительных обломков – 10-12 тыс. т кирпича и порядка 3 тыс. т огарков была огорожена по периметру высоким забором (4 м) (Вигорская, 2012).

В 2012 г. в г. Свирске был начат второй этап утилизации опасных отходов.

С территории промышленной площадки бывшего АМЗ было вывезено порядка 200 тыс. м3 опасных отходов (150 тыс. т мышьяковых огарков, около 16 тыс. т строительного мусора и порядка 40 тыс. т зараженной почвы). Перед транспортировкой отходов, огарки и строительный мусор были обеззаражены известковым молоком, которое образовывало корочку на поверхности и предотвращало пыление. Строительный мусор, загруженный в машины, обрабатывался дополнительно (рис.3). Установки пылеотведения поливали его раствором непосредственно во время погрузки. Кроме того, поскольку в кислой среде происходит растворение мышьяка и тяжелых металлов, постоянно контролировался уровень рН. При выезде с промплощадки, колеса грузовиков отправлялись на полигон временного складирования – это отработанный участок Северный №5 Черемховского угольного разреза, находящийся в 22 км от г.

Свирска.

Рисунок 3 – Вывоз загрязненных отходов производства, цехов и почвы При демонтаже строений АМЗ и ликвидации загрязнения концентрация вредных веществ в воздухе не превышала ПДК (Махнева, 2012).

На начало 2013 г. все отходы с территории промплощадки в Свирске были вывезены.

На место зараженного грунта, который вынимался в среднем до метра, был доставлен условно плодородный грунт, после чего промплощадку еще засыпали слоем плодородной почвы (30-40 см).

На месте завода изначально планировалось посадить топинамбур и тополя, которые СИФИБР разработал специально для Свирска, но Главгосэкспертиза исключила данный вид обеззараживания, поскольку, на ее взгляд было не ясно, как утилизировать листву и сами растения. Однако по настоянию главы города Владимира Орноева, тополя все-таки были посажены по периметру промплощадки бывшего АМЗ, а также на самой промплощадке была высеяна трава овсяница (Арбузова, 2012).

Вначале 2013 г. было начато строительство саркофага для хранения вывезенных отходов (рис. 4). Саркофаг представляет собой инженерное сооружение, которое не позволит захороненным компонентам выйти за пределы этой зоны. Он включает в себя комплекс органических и минеральных противофильтрационных экранов. Строился саркофаг по самым современным немецким технологиям. Поскольку он создавался на территории бывшего угольного разреза, основой служила земляная траншея, оставшаяся после добычи угля. Ее размеры около 15 м в высоту, 50 м в ширину, более километра в длину.

Вместимость около 250 тыс. м3. Обезвреженные отходы закладываются в саркофаг, сверху все закроется пленкой и забетонируется (Иркутские ученые ищут способы очистить Свирск…,2012).

В сентябре 2013 г. все работы по подготовке основания саркофага были проведены и приняты службами государственного жилищного, строительного и авторского надзора по Иркутской области. Ориентировочный срок окончания работ по завозу отходов в котлован – до 1 ноября 2013 г.

Рисунок 4 – Строительство площадки для хранения загрязненных отходов АМЗ На основе анализа литературных источников по изучаемой проблематике можно сделать следующие выводы. Вопрос загрязнения ОС в Иркутской области стоит очень остро. Особенно эта проблема актуальна для МО г. Свирск Иркутской области, где имеет место масштабное загрязнение ОС мышьяком и ТМ. В первую очередь значительному загрязнению подвергся почвенный покров.

Почвы, находящиеся в непосредственной близости к источникам загрязнения уже не способны к самоочищению. Это приводит к миграции ТМ, они поглощаются растениями, в том числе и теми, которые местное население употребляет в пищу и на корм животным. Так, ТМ и мышьяк вовлекаются в биологический круговорот, что создает реальную опасность для здоровья населения МО г. Свирск.

Анализ демографической ситуации г. Свирска в 2006 году (начало наших исследований) свидетельствует о том, что в этот год в городе родилось человек, умерло – 408 (убыль – 230 человек за год). Продолжительность жизни мужчин всего 53 года, женщин – 68,7 лет.

2. АБИОТИЧЕСКИЕ И ЭДАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА

ИССЛЕДОВАНИЙ

Иркутская область расположена почти в центре Азиатского материка и имеет большую протяженность как с севера на юг (около 1400км), так и с запада на восток (около 1500км). На западе она граничит с Красноярским краем, на севере с Республикой Якутия, на северо-востоке – с Забайкальским краем, на юге и юго-востоке – с Республикой Бурятия. Область находится в седьмом часовом поясе. Общая площадь территории области составляет около 767,9 тыс. км2.

Черемховский муниципальный район Иркутской области расположен в юго-западной части региона (Погодные нормы и условия в Черемховском районе) и граничит с Республикой Бурятия, на западе с – Заларинским, на востоке с – Усольским районом, на севере – с Усть-Ордынским Бурятским автономным округом. Площадь района 10,4 тыс. км2(Беркин, 1993). Вся территория находится в пределах Иркутско-Черемховской равнины, и характеризуется сравнительно спокойным рельефом местности с неглубокими распадками(Погодные нормы и условия в Черемховском районе). Иркутско-Черемховская равнина расчленяется хорошо разработанными долинами рек. Центр района - г. Черемхово.г. Свирск расположен на северо-востоке района в 19 км от г. Черемхово на берегу Братского водохранилища.

Район расположен в резко континентальном климатическом поясе.

Несмотря на небольшую площадь района, климатические условия его весьма различны и в значительной мере определяются разнообразием рельефа. В равнинной части района среднегодовая температура воздуха по данным метеостанции Черемхово равна – 1,4° С.Сумма положительных температур воздуха более 10° составляет 1634°. Продолжительность безморозного периода 105 дней. Годовая сумма осадков здесь более 300 мм, причем максимум их приходится на июль-август, начало вегетационного периода характеризуется засушливостью. Средние летние коэффициенты увлажнения равны 0,65. Высота снежного покрова изменяется по территории от 60-80 см в горах до 20-40 см в пределах Иркутско-Черемховской равнины. Многолетняя мерзлота мощностью до 40 м встречается лишь в горной части района (Беркин, 1993).

Отмечаются достаточно продолжительные морозные и малоснежные зимние периоды. Средние температуры в январе -26…-27° С. Нередки понижения до -35…-40° С. Минимальные значения составляли -53° С. Зимой преобладает малооблачная и сухая погода. Снежный покров уверенно формируется в конце октября, к концу марта высота покрова достигает 35-40 см. Весна протекает на фоне неустойчивой погоды, сопровождается значительными ночными заморозками, которые способны возникать вплоть до начала июня.

Летний период в начальной стадии всегда теплый и солнечный, во второй половине преобладает пасмурная и дождливая погода, это во многом связано с активацией циклонической деятельности. Средние температуры в июле +18…+19° С. Возможны дни, когда воздух прогревается в тени и до +35° С. По многолетним наблюдениям основное количество ливневых дождей и гроз приходится на конец июля и первую половину августа (Погодные нормы и условия в Черемховском районе).

Показатели среднемесячных температур за годы проведения исследований (2011-2013 гг.) по данным метеостанций в г. Черемхово и в г. Иркутске приведены в таблице 1.

Среднемесячное количество осадков за период исследований (2011-2013 гг.) по данным метеостанций в г. Черемхово и г. Иркутск представлено в таблице 2.

Таблица 1 – Среднемесячные показатели температур воздуха за 2011-2013 гг. по данным метеостанций в г. Черемхово и г. Иркутске, °С Таблица 2 – Среднемесячное количество осадков в 2011-2013 гг. по данным метеостанций г.Черемхово и г. Иркутск, мм температур воздуха выше 10° С (рис. 5).

Рисунок 5 – Суммы активных температур выше 10 С за период исследований (2011-2013 гг.) по Данные представленные на рисунке 5 свидетельствуют о благоприятных температурных условиях для произрастания растений, как в Черемховском, так и среднемноголетнего значения, что говорит о достаточной теплообеспеченности растений в период исследований (2011-2013 гг.).

Влагообеспеченность характеризуется гидротермическим коэффициентом (ГТК). ГТК – показатель увлажненности территории, установленный советским климатологом Г.Т. Селяниновым. Численно он равен отношению суммы осадков (мм) за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10 С, к сумме температуры за это же время уменьшенной в 10 раз. Увлажнение территории считается оптимальным, если ГТК равен 1-1,5; если выше 1,5 то увлажнение избыточное, если ниже 1, то недостаточное. ГТК для Черемховского и Иркутского районов представлены на рисунке 6.