Коэффициент поглощения химических элементов в системе «почва-растение-животное-животноводческая продукция»

Возрастающая промышленная деятельность приводит к загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами. Токсичные тяжелые металлы попадают в пищевую цепь коров через корм и воду, а затем накапливаются в продукции – в молоке, мясе [5]. Почвы и растения должны быть свободны от загрязняющих веществ, которые могут передаваться по пищевой цепочке к животным и человеку. Качество кормов и продуктов питания напрямую зависит от состояния окружающей среды и агрономических факторов.

Работа крупных промышленных предприятий, неконтролируемое внесение различных химикатов в почвы привело к широкому распространению тяжелых металлов в различных экологических зонах. Необходимо обращать внимание на то, что при малых концентрациях эти вещества токсичны для здоровья животных и человека, поскольку имеют свойство накапливаться в организме [6]. Поэтому к изучению перехода тяжелых металлов по пищевой цепочке «почва – растение – животное – продукция – человек» необходимо привлекать усиленное внимание.

Целью исследований стало изучение коэффициента перехода химических элементов по звеньям системы «почва-растение-животное» для прогнозирования качества и экологичности сельскохозяй- ственной продукции. Для этого были поставлены следующие задачи: определить содержание химических элементов в почвах, растениях и молоке коров с выявлением приоритетных загрязнителей; рассчитать коэффициент перехода химических элементов в звеньях системы «почва-растение-животное».

Материал и методы исследований . Объектами исследования стали серая лесная почва (n=107), растения (однолетние травы) (n=48), молоко коров (n=21), говядина (n=15), отобранные на территории Республики Татарстан (РТ). Содержание химических элементов в объектах определяли по ГОСТ 30538-97 на спектрометре атомно-эмиссионном с микроволновой плазмой Agilent 4210 (США).

Для прогнозирования ожидаемого уровня загрязнения животноводческих продуктов использовали количественные параметры перехода (поглощения) химических элементов в трофической цепи системы «почва – растение – животное – продукция животноводства». Количественной характеристикой способности поглощать и аккумулировать химические элементы является безразмерный коэффициент биологического поглощения объекта (КПБ) – соотношение содержания элемента в надземной части к его валовому содержанию в почве:

Ах = Iх/nх где, Iх– содержание элемента х в золе растений;

nх – содержание элемента в горной породе или почве, на которой произрастает растение.

Статистическую обработку полученных данных проводили при помощи пакета прикладных программ Microsoft Excel 2016.

Результаты исследований . Содержание химических элементов в почвах обусловлено многими факторами, такими как состав материнской породы, растительным покровом, состоянием окружающей среды. Но наибольший отпечаток накладывают техногенный и антропогенный факторы.

Почва является природным накопи- телем токсикантов и долгие годы может быть источником загрязнения растительной продукции, используемой в корм животным, и в пищу человека. По степени опасности химические элементы в почвах подразделяются на три основных класса: 1 – высоко опасные, 2 – умеренно опасные, 3 – малоопасные [1, 2].

Для оценки степени загрязнения земель был проведен анализ валового содержания химических элементов в серой лесной почве, которая занимает большую часть территории РТ (Таблица 1).

Таблица 1 – Содержание химических элементов в почве и растениях, мг/кг

Химический элемент	Допустимая концентрация*	Фактическое содержание
		среднее значение		предел от…до
	Почва (n		107)
Кадмий	3,0	0,09±0,94		0,06…9,76
Свинец	32,0	7,05±8,76		1,04…52,86
Никель	40,0	11,41±17,77		2,14…65,82
Мышьяк	2,0	0,53±1,28		1,18…6,97
Ртуть	2,1	ниже предела чувствительности прибора
Хром	90,0	19,36±34,44		3,20…93,28
Кобальт	100,0	4,21±3,28		1,12…7,48
Медь	66,0	11,58±10,73		1,09…46,29
Цинк	110,0	19,79±31,86		1,37…173,02
Растения (n=48)
Кадмий	0,3	0,015±0,014		0,015…0,29
Свинец	5,0	0,70±0,65		0,01…1,40
Никель	3,0	3,70±2,80		0,13…6,40
Медь	30,0	3,60±2,40		1,70…7,50
Цинк	50,0	20,40±12,60		8,80…32,00

Примечание: * ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве; Временный максимальный допустимый уровень (МДУ) некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных животных; приложение от 31 октября 1996 года к № 46

Установлено, что средние значения содержания химических элементов были существенно ниже ПДК (предельно допустимые концентрации). При анализе пределов колебания особо опасных элементов в почвах – кадмия, свинца, цинка, мышьяка в ряде проб отмечены превышения их ПДК в 2-3 раза. Полученные результаты указывают на местечковый характер загрязнения почв, что имеет распространение вокруг промышленных городов республики. Проведенные исследования сопоставимы с данными авторов, которые также отмечают геохимическое неблагополучие вокруг городов и населенных пунктов РФ с развитой металлургической промышленностью [4, 7].

Содержание умеренно опасных для почв элементов – никеля, кобальта, хрома, меди в почвах РТ находилось в пределах допустимых концентраций или на верхней границе показателя, за исключением никеля. Следует отметить природное происхождение никеля в почвах РТ, так как элемент входит в состав пород материнского плато [3].

Почва является основным источником питания для растений. Растения обладают различной степенью поглощения и аккумуляции химических элементов. По степени накопления их в растениях выделяются несколько групп: с максимальной степенью поглощается кадмий, цезий; со средней степенью поглощаются цинк, медь, свинец, кобальт; со слабой степенью – никель, хром, марганец; труднодоступными для растений являются железо, барий [3].

В исследованных растениях содержание ртути и мышьяка было в количествах ниже предела чувствительности прибора, а содержание других химических элементов не превышало значений максимально допустимого уровня (МДУ). При анализе данных таблицы 1 отмечали, что среднее значение никеля в растениях превышало МДУ в 1,2 раза. Средние значения свинца, меди и цинка в растениях не пре- вышали допустимого уровня. Установлены единичные пробы растений с содержанием кадмия на уровне верхней границы допустимого предела. Эти пробы растений были локализованы в геохимических провинциях, загрязненных кадмием.

Таким образом, установлены приоритетные местечковые загрязнители почв – кадмий, свинец, мышьяк, никель, цинк, а приоритетными для растений стали никель и кадмий.

При исследовании содержания химических элементов в молоке лактирую-щих коров установлено, что все показатели средних значений были в пределах границ «Гигиенических требований». В то же время отмечали, что средние значения по никелю колебались в пределах верхней границы допустимых пределов, а в единичных пробах молока количество мышьяка было на уровне крайнего допустимого предела (Таблица 2).

Таблица 2 – Содержание химических элементов в молоке и мясе, мг/кг

Химический элемент	Допустимая концентрация*	Фактическое содержание
		среднее значение	предел от…до
Молоко (n=21)
Кадмий	не более 0,03	0,006±0,058	0,006…0,065
Свинец	не более 0,1	0,01±0,01	0,004…0,13
Никель	не более 0,3	0,30±0,28	0,02…0,56
Мышьяк	не более 0,05	0,02±0,02	0,001…0,05
Медь	1,0	0,023±0,018	0,020…0,036
Цинк	5,0	0,35±0,09	0,34…0,37
	Мясо	(n=15)
Кадмий	не более 0,05	0,003±0,005	0,002…0,025
Свинец	не более 0,5	0,053±0,070	0,032…0,170
Никель	не более 0,5	0,50±0,13	0,10…0,72
Мышьяк	не более 0,1	0,04±0,08	0,01…0,10
Медь	5,0	0,95±0,62	0,02…2,40
Цинк	70,0	4,41±2,35	1,20…10,40

В говядине среднее значение никеля было на верхней границе допустимых значений, но единичные пробы имели показатели, превышающие норматив в 1,8 раза. Подобная картина была по содержанию мышьяка в говядине.

Средние значения мышьяка в почве не превышали допустимых концентраций. В растениях его содержание было ниже порога чувствительности прибора – менее

0,01 г/кг. Однако в молоке и говядине обнаружены содержание мышьяка, что указывает на потенциал аккумуляции его из незначительных количеств в организме животных.

Были проведены исследования коэффициентов перехода приоритетных загрязнителей по звеньям системы «почва – растение – животное – продукция животноводства» (Таблица 3).

Таблица 3 – Коэффициенты перехода химических элементов в звеньях системы «почва – растение – животное – продукция животноводства»

Звенья системы	Химические элементы
	кадмий	свинец	никель	мышьяк	медь	цинк
Почва – растение	0,16	0,09	0,32	–	0,31	1,03
Растение – животное (говядина)	0,20	0,07	0,13	4,0	0,26	0,21
Животное – продукция (молоко)	0,40	0,01	0,08	2,0	0,01	0,02

При анализе коэффициента перехода в звене «почва-растение» установлено, что накопления в растениях кадмия, свинца, никеля, меди, мышьяка не происходит, так как все коэффициенты ниже единицы. Превышение этого значения отмечали только у цинка, что указывало на кумуляцию его растениями.

При анализе коэффициентов перехода из растений в молоко и мясо установлено, что с достаточно большой степенью накапливается мышьяк. При условии, что элемент ни в одном объекте не имел превышение допустимых концентраций, его накопление в организме животных из минимальных поступающих доз, обуславливает необходимость разработки мер и способов детоксикации.

При расчете коэффициентов перехода использовали средние значения для элементов из каждого звена. В то же время показатели пределов концентрации некоторых элементов превышали допустимые значения. Содержание элементов в разных пробах объектов имело широкий диапазон, разница которого была в разы. В связи с чем, возникла необходимость ранжирования территорий и зон по концентрации элементов в объектах окружающей среды, что требует проведения дополнительных исследований.

Заключение . При исследовании по Республике Татарстан почв, растений, молока и говядины на содержание особо опасных и опасных химических элементов установлено, что их средние значения не превышают допустимые концентрации. Единичные пробы, превышающие допустимые нормативы, получены в объектах системы вокруг промышленных городов и населенных пунктов.

Расчет коэффициентов перехода элементов в звеньях системы в целом по республике показал, что в растениях накапливался цинк, а в молоке и мясе – мышьяк. Проведенные исследования показывают необходимость ранжирования территории по содержанию элементов в объектах окружающей среды.

P. 14.

Резюме

В статье представлены исследования почв, растений, молока и говядины на содержание особо опасных химических элементов. Показаны их средние значения в объектах, выявлена безопасность концентрации в звеньях системы «почва – растение – животное – животноводческая продукция» Республики Татарстан. Рассчитаны коэффициенты биологического поглощения химических элементов в звеньях системы. Установлено повышение коэффициента накопления цинка в растениях, мышьяка в молоке и мясе. Обоснована необходимость проведения дальнейших исследований при ранжировании территорий по фактическому содержанию химических элементов в объектах окружающей среды.