Биогеохимия элементов в системе почва-растение-животное в условиях юга Тюменской области

Повышенный уровень токсичных металлов в почве приводит к их накоплению в растительных кормах и отрицательно влияет на организм животных и качество получаемых от них продуктов [2].

Проблема загрязнения объектов природной среды экотоксикантами остаётся одной из наиболее важных в стране. В условиях Тюменской области предприняты первые попытки исследования в этом направлении. Данная работа посвящена изучению экологического состояния компонентов агроэкосистем с учётом подверженности их техногенному загрязнению тяжёлыми металлами, а также общего состояния геохимического фона изучаемой территории.

Цель исследований. Провести оценку состояния почвы, продукции растениеводства и животноводства по содержанию тяжёлых металлов на юге Тюменской области.

Результаты исследований и их обсуждение. Исследования проводились в испытательной лаборатории на соответствие установленным требованиям по содержанию тяжелых металлов в почве, продукции растениеводства и животноводства. Определение осуществлялось на атомно-абсорбционных спектрах «МГА-915» согласно ГОСТ 30178-96 (свинец, мышьяк, кадмий), «РА-915» согласно МВИ М 04-46-2007 (ртуть).

Наглядное представление о сложившейся ситуации в сельскохозяйственной зоне Тюменской области по содержанию тяжёлых металлов в почве дают данные таблицы 1.

Таблица 1

Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в пахотном горизонте почв юга Тюменской области, мг/кг

Район	Zn	Cu	Cd	Pb	рН
1	2	3	4	5	6
Тобольский	1,14±0,34	0,43±0,13	0,09±0,03	1,80±0,54	5,30
Вагайский	1,54±0,46	0,31±0,09	0,12±0,04	1,48±0,44	5,40
Нижнетавдинский	0,82±0,25	0,31±0,15	0,12±0,04	2,46±0,74	5,20

Окончание табл. 1

1	2	3	4	5	6
Ярковский	1,20±0,36	0,51±0,09	0,07±0,02	1,77±0,53	5,60
Юргинский	0,57±0,17	0,30±0,02	0,06±0,02	3,04±0,91	5,40
Аромашевский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	5,40
Викуловский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,11±0,03	1,40±0,44	5,60
Сорокинский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	6,00
Тюменский	1,23±0,37	0,64±0,19	0,11±0,03	1,63±0,49	5,70
Исетский	0,99±0,30	0,43±0,13	0,12±0,04	1,86±0,56	5,40
Ялуторовский	1,74±0,52	0,64±0,19	0,18±0,05	1,20±0,36	5,80
Заводоуковский	1,42±0,43	0,42±0,13	0,12±0,04	1,38±0,41	5,30
Упоровский	0,46±0,14	0,23±0,07	0,07±0,02	1,18±0,35	5,40
Омутинский	0,80±0,24	0,41±0,12	0,12±0,03	1,34±0,40	5,50
Голышмановский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,11±0,03	1,15±0,35	5,70
Ишимский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	5,70
Абатский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	5,80
Армизонский	1,07±0,32	0,57±0,17	0,08±0,02	1,62±0,49	5,40
Бердюжский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	6,00
Казанский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	5,90
Сладковский	0,01±0,02	0,05±0,02	0,01±0,01	0,05±0,02	5,90
ПДК/ОДК	23,00	3,00	0,50	6,00	-

Почвы юга Тюменской области повсеместно обеднены подвижными формами цинка, а он, как известно, является одним из 10 важнейших микроэлементов, обеспечивающих жизнедеятельность всех живых организмов на земле. Среднее его содержание в почвах составило 0,62 мг/кг, что ниже нормы для обеспеченности всех групп растений.

В отличие от вышеназванных элементов свинец и кадмий являются токсичными даже в малых количествах, поэтому их содержание контролируется санитарными правилами и нормами, а присутствие в почве даже в низких концентрациях нежелательно. В результате исследований были выявлены районы с относительно высоким (по отношению к другим районам) содержанием экотоксикантов. Это характерно для Ялуторовского района, где содержание подвижных форм кадмия составило 0,18±0,05 мг/кг. В Нижнетавдинском и Юргинском районах содержание свинца достигало 2,46±0,74 г и 3,04±0,91 мг/кг соответственно.

Экологический мониторинг почв на содержание тяжелых металлов показал, что превышение их по ПДК не обнаружено, хотя содержание их на обследованных территориях распределяется неравномерно. По подвижности в почве металлы образуют следующий ряд: Pb > Cd > Zn > Cu. С увеличением кислотности почвы до 50 % кадмия переходит в подвижную форму, а около 50 % свинца, наоборот, связывается с органическим веществом почвы в недоступные для растений формы. Кроме того, с увеличением подвижности цинка наблюдается увеличение подвижности свинца, а с повышением доступности свинца уменьшается концентрация подвижных форм кадмия. Геохимическую ситуацию на юге Тюменской области можно охарактеризовать как слабоподверженную техногенному загрязнению.

Для объективной характеристики экологического и санитарно-гигиенического состояния продукции растениеводства в целом по Тюменской области были проанализированы средние данные по содержанию тяжёлых металлов в разрезе каждой культуры. Зерно яровой пшеницы, представленное из 870 партий 21 административного района, содержит тяжёлые металлы ниже ПДК по каждому элементу в отдельности (рис. 1–4). Единичные максимальные значения по содержанию меди приближались к значению ПДК (10 мг/кг) в Бердюжском, Вагайском и Упоровском районах, по цинку – в Бердюжском районе (39 мг/кг) при ПДК 50 мг/кг. Отдельные образцы с наибольшей аккумуляцией свинца в зерне яровой пшеницы в области были близки к значению ПДК (0,5 мг/кг), а в Нижнетавдинском районе соответствовали этому критерию. Относительно повышенная концентрация свинца в зерне является результатом естественного геохимического фона этого элемента в почвах Тюменской области. Максимальное значение накопления кадмия в зерне пшеницы соответствует ПДК (0,1 мг/кг) в одной из партий зерна Голыш-мановского и Омутинского районов. Важно отметить, что образцы зерна яровой пшеницы с превышением установленных нормативов в общем объеме выборки составили всего лишь 0,3 %.

• □    Абатский

• □    Армизонский

• □    Аромашевский

• □    Бердюжский

• □    Вагайский

• □ Викуловский

□ Голышмановский

□ Заводоуковский

□ Исетский

□ Ишимский

□ Казанский

□ Нижнетавдинский

□ Омутинский

□ Сладковский

□ Сорокинский

■ Тобольский

□ Тюменский

□ Упоровский

□ Юргинский

□ Ялуторовский

□ Ярковский

□ ПДК

район

• □    Абатский

• □    Армизонский

• □    Аромашевский

• □    Бердюжский

• □    Вагайский

• □    Викуловский

□ Голышмановский

• □    Заводоуковский

• □    Исетский

• □    Ишимский

• □    Казанский

• □    Нижнетавдинский

• □    Омутинский

• □    Сладковский

• □    Сорокинский

• ■    Тобольский

• □    Тюменский

• □    Упоровский

• □    Юргинский

• □    Ялуторовский

• □    Ярковский

• □    ПДК

Рис. 1. Среднее содержание меди в зерне яровой пшеницы (мг/кг)

Рис. 2. Среднее содержание цинка в зерне яровой пшеницы (мг/кг)

Содержание тяжёлых металлов в зерне яровой пшеницы в порядке убывания можно выразить следующим образом: Zn > Cu > Pb > Hg > As. Ряд по коэффициенту биологического поглощения тяжёлых металлов зерном яровой пшеницы выглядит следующим образом: Zn, Cu (соответственно 14,6; 10,2 – элементы энергичного поглощения) > Pb (0,34 – элемент среднего захвата) > Hg, Cd (0,011; 0,007 – элементы очень слабого захвата).

район

• □    Абатский

• □    Армизонский

• □    Аромашевский

• □    Бердюжский

• □    Вагайский

• □ Викуловский

□ Голышмановский

□ Заводоуковский

□ Исетский

□ Ишимский

□ Казанский

□ Нижнетавдинский

□ Омутинский

□ Сладковский

□ Сорокинский

■ Тобольский

□ Тюменский

□ Упоровский

□ Юргинский

□ Ялуторовский

□ Ярковский

• □    ПДК

и

район

• □    Абатски

• □    Армизонски

• □    Аромашевски

• □    Бердюжски

• □    Вагайски

• □    Викуловски

□ Голышмановски

• □    Заводоуковски

• □    Исетски

• □    Ишимски

• □    Казански

• □    Нижнетавдински

• □    Омутински

• □    Сладковски

• □    Сорокински

• □    Тобольски

• □    Тюменски

• □    Упоровски

• □    Юргински

• □    Ялуторовски

• □    Ярковски

• □    ПД

Рис. 3. Среднее содержание свинца в зерне яровой пшеницы (мг/кг)

Рис.4. Среднее содержание кадмия в зерне яровой пшеницы (мг/кг)

Для гигиенической оценки содержания тяжелых металлов использованы действующие в России нормативы допустимого содержания этих токсикантов в продовольственной продукции. Общее количество проб составило более 1000 образцов. Данные по содержанию тяжелых металлов в мышечной ткани крупного рогатого скота представлены в табл. 2.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в мышечной ткани крупного рогатого скота в районах юга Тюменской области

Район	Элемент, мг/кг
	Свинец	Мышьяк	Кадмий	Ртуть
Тюменский	0,2559±0,0384	0,0573±0,0086	0,0399±0,0060	0,0028±0,0007
Исетский	0,1593±0,0239	0,0414±0,0062	0,0238±0,0036	0,0033±0,0008
Голышмановский	0,1693±0,0254	0,0345±0,0052	0,0159±0,0024	0,0049±0,0012
Тобольский	0,2023±0,0303	0,0411±0,0062	0,0173±0,0026	0,0040±0,0010
Нижнетавдинский	0,1527±0,0229	0,0346±0,0052	0,0155±0,0023	0,0028±0,0007
Викуловский	0,2041±0,0306	0,0445±0,0067	0,0412±0,0062	0,0051±0,0013
Омутинский	0,1332 ±0,0199	0,0419±0,0063	0,0103±0,0015	0,0062±0,0015
В среднем	0,1824±0,0274	0,0422±0,0063	0,0234±0,0035	0,0042±0,0010
ПДК, мг/кг	0,5	0,1	0,05	0,03

Содержание свинца в мышечной ткани находилось в интервале 0,13–0,26 мг/кг, при этом его максимальное значение наблюдалось в Тюменском районе и составило 0,26 мг/кг при ПДК 0,5 мг/кг. Концентрация мышьяка в мясе говядины была в несколько раз ниже предельно допустимых значений.

Анализ полученных данных свидетельствуют о том, что содержание кадмия находилось ниже установленных норм, а самый высокий его показатель был зафиксирован в мышцах крупного рогатого скота в Викуловском районе и составил 0,04 мг/кг при ПДК 0,05 мг/кг. Наличие ртути в мышечной ткани животных находилось в несколько раз ниже предельно допустимых концентраций и не вызывает опасений.

Молоко, являясь секретом молочной железы, отличающейся большой лабильностью в зависимости от различных условий, может являться индикатором накопления микроэлементов в организме животного. Данные по содержанию тяжелых металлов в молоке представлены в табл. 3.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в молоке крупного рогатого скота в районах юга Тюменской области

Район	Элемент, мг/кг
	Свинец	Мышьяк	Кадмий	Ртуть
Тюменский	0,0808±0,0121	0,0275±0,0041	0,0131±0,0020	0,0020±0,0005
Исетский	0,0472±0,0071	0,0273±0,0041	0,0139±0,0041	0,0026±0,0006
Голышмановский	0,0766±0,0114	0,0218±0,0032	0,0067±0,0010	0,0018±0,0005
Тобольский	0,0431±0,0065	0,0182±0,0027	0,0152±0,0022	0,0030±0,0008
Нижнетавдинский	0,0589±0,0088	0,0241±0,0036	0,0140±0,0021	0,0020±0,0005
Викуловский	0,0508±0,0076	0,0241±0,0036	0,0087±0,0013	0,0020±0,0005
Омутинский	0,0564±0,0084	0,0266±0,0039	0,0133±0,0020	0,0048±0,0010
В среднем	0,0591±0,0089	0,0242±0,0036	0,0121±0,0018	0,0026±0,0007
ПДК, мг/кг	0,05	0,1	0,03	0,005

Исследования показывают, что содержание свинца в представленных образцах молока соответствует нормативным требованиям. Концентрация этого элемента в молоке коров находилось в интервале 0,04–0,08 мг/кг. Содержание мышьяка свидетельствует, что уровень этого элемента в целом по области оставаясь стабильным за период исследований. Поступление кадмия в анализируемые образцы молока не превышает предельно допустимые нормы. Максимальный его показатель в Тобольском районе составил 0,02 мг/кг. Содержание ртути в молоке коров колеблется в пределах от 0,002 до 0,005 мг/кг и не превышает предельно допустимых концентраций. Содержание тяжелых металлов в мышечной ткани свинины представлено в табл. 4.

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов в мышечной ткани свинины в административных районах юга Тюменской области

Район	Элемент, мг/кг
	Свинец	Мышьяк	Кадмий	Ртуть
Тюменский	0,1674±0,0251	0,0405±0,0061	0,0226±0,0034	0,0048±0,0012
Исетский	0,1837±0,0276	0,0432±0,0065	0,0256±0,0038	0,0036±0,0009
Ярковский	0,2227±0,0334	0,0358±0,0052	0,0403±0,0060	0,0172±0,0043
Голышмановский	0,0896±0,0134	0,0207±0,0031	0,0201±0,0030	0,0051±0,0013
Тобольский	0,4334±0,0650	0,0574±0,0086	0,0147±0,0022	0,0056±0,0014
Абатский	0,2187±0,0328	0,0426±0,0064	0,0100±0,0015	0,0036±0,0008
Нижнетавдинский	0,1515±0,0227	0,0354±0,0053	0,0156±0,0023	0,0036±0,0009
Викуловский	0,2425±0,0364	0,0343±0,0051	0,0176±0,0026	0,0046±0,0012
Омутинский	0,1967±0,0295	0,0309±0,0046	0,0207±0,0031	0,0029±0,0007
Ялуторовский	0,1935±0,0290	0,0189±0,0028	0,0325±0,0049	0,0095±0,0024
Заводоуковский	0,1010±0,0152	0,0198±0,0030	0,0380±0,0057	0,0059±0,0015
В среднем	0,2001±0,0300	0,0345±0,0052	0,0234±0,0035	0,0060±0,0015
ПДК, мг/кг	0,5	0,1	0,05	0,03

Содержание свинца в мышечной ткани не превышало установленных норм, максимальное его значение наблюдалось в Тобольском районе и составило 0,4334 мг/кг. Концентрация мышьяка находилась в интервале 0,0189–0,0574 мг/кг и не превышала предельно допустимых концентраций.

При изучении динамики накопления кадмия в мышечной ткани свиней следует отметить, что самый высокий показатель содержания элемента в мясе был зафиксирован в Ярковском районе (0,0403 мг/кг). Концентрация ртути в образцах мяса позволяет констатировать, что продукция, производимая в различных районах юга Тюменской области, отвечает установленным нормативам.

Концентрацию металлов в мышечной ткани животных и молоке Тюменской области по убыванию можно расположить в следующей последовательности: для мышечной ткани – Pb > As > Cd >Hg; молока – Pb > As > Cd >Hg.

Коэффициент загрязнения тяжелыми металлами мясной продукции образует следующий убывающий ряд: молоко (2,34) > мясо свиней (1,4) > мясо говядины (1,26).

Заключение. В почвах сельскохозяйственной зоны Тюменской области отмечается дефицит цинка и в меньшей степени меди. Загрязнение почв свинцом и кадмием отсутствует. Зерновые культуры, выращиваемые в Тюменской области, по экологическим и санитарно-гигиеническим нормам содержания тяжёлых металлов отвечают принятым требованиям независимо от уровня химизации хозяйств за последние четыре десятилетия. Накопление тяжелых металлов в мышечной ткани свиней, крупного рогатого скота, а также в молоке, не вызывает опасений в качестве использования их для питания человеком и полностью соответствует установленным требованиям.