Методология оценки рисков для агроэкосистем в условиях техногенного загрязнения

Методология оценки рисков для агроэкосистем в условиях техногенного загрязнения

Автор: Панов А.В., Переволоцкая Т.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Агроэкология

Статья в выпуске: 3 т.55, 2020 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время перед мировым научным сообществом стоит задача выявления и минимизации экологических рисков, связанных с влиянием на экосистемы, в особенности аграрные, антропогенных факторов (А.А. Музалевскиий с соавт., 2011). Основополагающая роль оценки экологического риска заключается в определении вероятности возникновения эффектов различной природы в экосистемах в результате влияния техногенных (радиационные, химические, биологические) факторов и принятии мер по предотвращению их негативного воздействия. Наиболее часто источниками загрязнения агроэкосистем становятся: аэральные выпадения от выбросов промышленных предприятий и транспорта, загрязнение водоемов промышленными сточными водами, осадки сточных вод, органические и минеральные удобрения и средства защиты растений, отвалы золы, шлака, руд, шламов (S.C. Barman с соавт., 2000; Yu.N. Vodyanitskii с соавт., 2011; E.C. Rowe с соавт., 2015). Как правило, риски при этом оцениваются ситуативно, а используемые методы применимы для конкретного фактора (агента), действующего в анализируемом случае, и объекта его воздействия. Целью представленного теоретического исследования была разработка единой методологии оценки агроэкологических рисков, обусловленных последствиями техногенного загрязнения. В предлагаемой методологии использовано математическое моделирование. Ее основу составляют принципы и критерии минимизации угроз безопасности при техногенных загрязнениях аграрных экосистем. В качестве главного источника техногенного воздействия рассматривается атмосферный путь поступления загрязнителей, при этом учитывается различный временной характер такого воздействия - от острого (включая аварийные чрезвычайные ситуации) до хронического. Для определения агроэкологических рисков в качестве критерия предложена оценка снижения продуктивности компонентов агроэкосистемы как важнейшего интегрального показателя развития живых организмов. Методология состоит из четырех этапов оценки агроэкологических рисков: идентификация опасности - обобщение доступной информации об агроэкосистеме, установление источников техногенного воздействия и их природы, выделение «критических» компонентов агроэкосистемы; оценка воздействия - измерение или расчет интенсивности и продолжительности, а также путей воздействия техногенных факторов на компоненты агроэкосистемы; оценка зависимости «доза-эффект» - определение количественной связи между степенью воздействия техногенных факторов на компоненты агроэкосистемы и вероятностью возникновения в них негативных эффектов; характеристика риска - анализ степени надежности полученных данных, описание рисков от отдельных техногенных факторов и их сочетаний, а также оценка вероятности возможных неблагоприятных эффектов для компонентов агроэкосистемы. Обоснован выбор метода оценки агроэкологических рисков (детерминистский, вероятностные 1-го и 2-го типа, интегральный вероятностный) в зависимости от степени информационного обеспечения показателей, включая критерии оценки риска и степень техногенного воздействия. При характеристике риска осуществляется его классификация и оценка соответствия приемлемому экологическому уровню (использование величин предельно допустимых концентраций и полулетальных доз). В рамках каждого этапа учитываются неопределенности при оценке агроэкологических рисков. Предложен алгоритм реализации методологии оценки агроэкологических рисков: 1 - анализ базы данных и формирование выборок, включающих значения рассматриваемых негативных эффектов при различной степени техногенного воздействия; 2 - определение метеорологических параметров модели поведения загрязнителей в атмосфере для конкретных условий выброса; 3 - определение величины осаждения загрязняющих веществ на земную поверхность расчетными или экспериментальными методами в зависимости от особенностей техногенного воздействия; 4 - определение величины загрязнения радионуклидами или химическими токсикантами компонентов агроэкосистемы расчетными или экспериментальными методами; 5 - расчет или измерение степени воздействия радионуклидов или химических токсикантов на компоненты агроэкосистемы. Предложенные подходы к разработке моделей, необходимых для оценки агроэкологического риска, применимы для решения широкого класса экологических задач.

Еще

Аграрная экосистема, сельскохозяйственная продукция, тяжелые металлы, радионуклиды, техногенный фактор, компоненты агроэкосистемы, степень воздействия, доза-эффект, математические модели

Короткий адрес: https://sciup.org/142226309

IDR: 142226309   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2020.3.468rus

Список литературы Методология оценки рисков для агроэкосистем в условиях техногенного загрязнения

  • Каткова М.Н., Иваницкая М.В. Оценка химического риска для населения, проживающего в зоне влияния радиационного объекта (на примере п. Новогорный Челябинской области). Радиация и риск, 2008, 17(4): 67-78.
  • Franco-Uría A., López-Mateo C., Roca E., Fernández-Marcos M.L. Source identification of heavy metals in pastureland by multivariate analysis in NW Spain. Journal of Hazardous Materials, 2009, 165(1-3): 1008-1015 ( ). DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.10.118
  • Rajaganapathy V., Xavier F., Sreekumar D., Mandal P.K. Heavy metal contamination in soil, water and fodder and their presence in livestock and products: a review. Journal of Environmental Science and Technology, 2011, 4(3): 234-249 ( ). DOI: 10.3923/jest.2011.234.249
  • Ильязов Р.Г., Алексахин Р.М., Фисинин В.И., Смирнов А.М., Гусманов У.Г. Методология исследований и экспериментов в агроэкосфере при различных типах техногенеза. Сельскохозяйственная биология, 2010, 2: 3-17.
  • Manzoor S., Shah M.H., Shaheen N., Khalique A., Jaffar M. Multivariate analysis of trace metals in textile effluents in relation to soil and groundwaters. Journal of Hazardous Materials, 2006, 137(1): 31-37 ( ). DOI: 10.1016/j.jhazmat.2006.01.077
  • Музалевскиий А.А., Карлин Л.Н. Экологические риски: теория и практика. СПб, 2011.
  • Башкин В.Н. Экологические риски: расчет, управление, страхование. М., 2007.
  • Dalezios N.R., Blanta A., Spyropoulos N.V., Tarquis A.M. Risk identification of agricultural drought for sustainable agroecosystems. Natural Hazards and Earth System Science, 2014, 14(9): 2435-2448 ( ).
  • DOI: 10.5194/nhess-14-2435-2014
  • Переволоцкая Т.В., Панов А.В. Методология оценки агроэкологических рисков, обусловленных последствиями радиационных аварий. Радиация и риск, 2018, 27(4): 119-132 ( ).
  • DOI: 10.21870/0131-3878-2018-27-4-119-132
  • Спиридонов С.И., Санжарова Н.И., Тетенькин В.Л., Гераськин С.А., Панов А.В., Соломатин В.М., Епифанова И.Э., Карпенко Е.И. Методология оценки риска воздействия техногенных факторов различной природы на агроэкосистемы. Обнинск, 2007.
  • Li Z., Ma Z., van der Kuijp T.J., Yuan Z., Huang L. A review of soil heavy metal pollution from mines in China: pollution and health risk assessment. Science of the Total Environment, 2014, 468-469: 843-853 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2013.08.090
  • Fraga C.G. Relevance, essentiality and toxicity of trace elements in human health. Molecular Aspects of Medicine, 2005, 26(4-5): 235-244 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.mam.2005.07.013
  • Vries W., Römkens P.F.A.M., Schütze G. Critical soil concentrations of cadmium, lead, and mercury in view of health effects on humans and animals. In: Reviews of environmental contamination and toxicology, vol. 191. Springer, New York, NY, 2007: 91-130 ( ).
  • DOI: 10.1007/978-0-387-69163-3_4
  • Kim J., Lee Y., Yang M. Environmental exposure to lead (Pb) and variations in its susceptibility. Journal of Environmental Science and Health, Part C: Environmental Carcinogenesis and Ecotoxicology Reviews, 2014, 32(2): 159-185 ( ).
  • DOI: 10.1080/10590501.2014.907461
  • Bortey-Sam N., Nakayama S.M.M., Ikenaka Y., Akoto O., Baidoo E., Yohannes Y.B., Mizukawa H., Ishizuka M. Human health risks from metals and metalloid via consumption of food animals near gold mines in Tarkwa, Ghana: estimation of the daily intakes and target hazard quotients (THQs). Ecotoxicology and Environmental Safety, 2015, 111: 160-167 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.ecoenv.2014.09.008
  • Miranda M., López-Alonso M., Castillo C., Hernández J., Benedito J.L. Effects of moderate pollution on toxic and trace metal levels in calves from a polluted area of northern Spain. Environment International, 2005, 31(4): 543-458 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.envint.2004.09.025
  • Cai Q., Long M.L., Zhu M., Zhou Q.Z., Zhang L., Liu J. Food chain transfer of cadmium and lead to cattle in a lead-zinc smelter in Guizhou, China. Environmental Pollution, 2009, 157(11): 3078-3082 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.envpol.2009.05.048
  • Miranda M., Benedito J.L., Blanco-Penedo I., López-Lamas C., Merino A., López-Alonso M. Metal accumulation in cattle raised in a serpentine-soil area: relationship between metal concentrations in soil, forage and animal tissues. Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 2009, 23(3): 231-238 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.jtemb.2009.03.004
  • Hänsch R., Mendel R.R. Physiological functions of mineral micronutrients (Cu, Zn, Mn, Fe, Ni, Mo, B, Cl). Current Opinion in Plant Biology, 2009, 12(3): 259-266 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2009.05.006
  • Skalny A.V., Salnikova E.V., Burtseva T.I., Skalnaya M.G., Tinkov A.A. Zinc, copper, cadmium, and lead levels in cattle tissues in relation to different metal levels in ground water and soil. Environmental Science and Pollution Research, 2019, 26: 559-569 ( ).
  • DOI: 10.1007/s11356-018-3654-y
  • Sánchez-Pardo B., Fernández-Pascual M., Zornoza P. Copper microlocalisation, ultrastructural alterations and antioxidant responses in the nodules of white lupin and soybean plants grown under conditions of copper excess. Environmental and Experimental Botany, 2012, 84: 52-60 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.envexpbot.2012.04.017
  • Цыгвинцев П.Н., Гончарова Л.И., Манин К.В., Рачкова В.М. Определение оптимального содержания меди в почвах разного типа на основании динамической модели ее накопления в надземной биомассе и корнях растений (на примере ячменя Hordeum vulgare L.). Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(3): 570-577 ( ).
  • DOI: 10.15389/agrobiology.2018.3.570rus
  • Küpper H., Götz B., Mijovilovich A., Küpper F.C., Meyer-Klaucke W. Complexation and toxicity of copper in higher plants. I. Characterization of copper accumulation, speciation, and toxicity in Crassula helmsii as a new copper accumulator. Plant Physiology, 2009, 151(2): 702-714 ( ).
  • DOI: 10.1104/pp.109.139717
  • Wang X., Ma Y., Hua L., McLaughlin M.J. Identification of hydroxyl copper toxicity to barley (Hordeum vulgare) root elongation in solution culture. Environmental Toxicology and Chemistry, 2009, 28(3): 662-667 ( ).
  • DOI: 10.1897/07-641.1
  • Barman S.C., Sahu R.K., Bhargava S. K., Chaterjee C. Distribution of heavy metals in wheat, mustard, and weed grown in field irrigated with industrial effluents. Bulletin of the Environmental Contamination and Toxicology, 2000, 64: 489-496 ( ).
  • DOI: 10.1007/s001280000030
  • Vodyanitskii Yu.N., Plekhanova I.O., Prokopovich E.V., Savichev A.T. Soil contamination with emissions of non-ferrous metallurgical plants. Eurasion Soil Science, 2011, 44: 217-226 ( ).
  • DOI: 10.1134/S1064229311020177
  • Vodyanitskii Yu.N. Contamination of soils with heavy metals and metalloids and its ecological hazards (analytic review). Eurasion Soil Science, 2013, 46: 793-801 ( ).
  • DOI: 10.1134/S1064229313050153
  • Antle J.M., Basso B., Conant R.T., Godfray H.C.J., Jones J.W., Herrero M., Howitt R.E., Keating B.A., Munoz-Carpena R., Rosenzweig C., Tittonell P., Wheeler T.R. Towards a new generation of agricultural system data, models and knowledge products: design and improvement. Agricultural Systems, 2017, 155: 255-268 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.agsy.2016.10.002
  • Анисимов В.С., Анисимова Л.Н., Фригидова Л.М., Санжарова Н.И., Фригидов Р.А., Дикарев Д.В., Корнеев Ю.Н. Подвижность цинка и накопление его в корнеплодах редиса в зависимости от типа почвы. Вестник Российской сельскохозяйственной науки, 2016, 4: 14-17.
  • Ульяненко Л.Н., Филипас А.С., Лой Н.Н., Степанчикова Н.С., Круглов С.В. Влияние загрязнения кадмием дерново-подзолистой почвы на рост и развитие растений ячменя. Агрохимия, 2009, 6: 56-60.
  • Lequeux H., Hermans C., Lutts S., Verbruggen N. Response to copper excess in Arabidopsis thaliana: impact on the root system architecture, hormone distribution, lignin accumulation and mineral profile. Plant Physiology and Biochemistry, 2010, 48(8): 673-682 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.plaphy.2010.05.005
  • Talukdar D. Studies on antioxidant enzymes in Canna Indica plant under copper stress. Journal of Environmental Biology, 2013, 34(1): 93-98.
  • Fidalgo F., Azenha M., Silva A.F., de Sousa A., Santiago A., Ferraz P., Teixeira J. Copper-induced stress in Solanum nigrum L. and antioxidant defense system responses. Food and Energy Security, 2013, 2(1): 70-80 ( ).
  • DOI: 10.1002/fes3.20
  • Demková L., Árvay J., Bobuľská L., Tomáš J., Stanovič R., Lošák T., Harangozo L., Vollmannová A., Bystrická J., Musilová J. Jobbágy J. Accumulation and environmental risk assessment of heavy metals in soil and plants of four different ecosystems in a former polymetallic ore mining and smelting area (Slovakia). Journal of Environmental Science and Health Part A Toxic/Hazardous Substances & Environmental Engineering, 2017, 52(5): 479-490 ( ).
  • DOI: 10.1080/10934529.2016.1274169
  • Kisku G.C., Barman S.C., Bhargava S.K. Contamination of soil and plants with potentially toxic elements irrigated with mixed industrial effluent and its impact on the environment. Water, Air, and Soil Pollution, 2000, 120(1-2): 121-137 (doi: 10.1023/A:1005202304584).
  • Rowe E.C., Wamelink G.W.W., Smart S.M., Butler A., Henrys P.A., van Dobben H.F., Reinds G.J., Evans C.D., Kros J., de Vries W. Field survey-based models for exploring nitrogen and acidity effects on plant species diversity and assessing long-term critical loads. In: Critical loads and dynamic risk assessments. Environmental pollution, vol. 25. Springer, Dordrecht, 2015: 297-326 ( ).
  • DOI: 10.1007/978-94-017-9508-1_11
  • U.S. EPA. Concepts, methods, and data sources for cumulative health risk assessment of multiple chemicals, exposures and effects: A resource document (Final report, 2008). U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC, EPA/600/R-06/013F, 2007.
  • Munns J.W.R., Kroes R., Veith G.D., Suter II G.W., Damstra T., Waters M.D. Approaches for integrated risk assessment. Human and ecological risk assessment: An International Journal, 2003, 9(1): 267-272 ( ).
  • DOI: 10.1080/713609863
  • Munns W.R. Jr., Poulsen V., Gala W.R., Marshall S.J., Rea A.W., Sorensen M.T., von Stackelberg K. Ecosystem services in risk assessment and management. Integrated Environmental Assessment and Management, 2017, 13(1): 62-73 ( ).
  • DOI: 10.1002/ieam.1835
  • Franklin J., Regan H.M., Syphard A.D. Linking spatially explicit species distribution and population models to plan for the persistence of plant species under global change for the persistence of plant species under global change. Environmental Conservation, 2014, 41(2): 97-109 ( ).
  • DOI: 10.1017/S0376892913000453
  • Stern B.R. Essentiality and toxicity in copper health risk assessment: overview, update and regulatory considerations. Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A, 2010, 73(2-3): 114-127 ( ).
  • DOI: 10.1080/15287390903337100
  • White P.J., Brown P.H. Plant nutrition for sustainable development and global health. Annals of Botany, 2010, 105(7): 1073-1080 ( ).
  • DOI: 10.1093/aob/mcq085
  • Цыгвинцев П.Н., Гончарова Л.И., Рачкова В.М. Ответная реакция ячменя в онтогенезе на загрязнение почв медью. Успехи современного естествознания, 2018, 11(2): 305-310.
  • Буданцев П.Б., Уваров Л.А., Цыплаков С.Е. Исследование содержания тяжелых металлов в почвах зоны техногенеза. Агрохимия, 2011, 4: 74-81.
  • Гладков Е.А. Оценка комплексной фитотоксичности тяжелых металлов и определение ориентировочно допустимых концентраций для цинка и меди. Сельскохозяйственная биология, 2010, 45(6): 94-99.
  • Shao C., Yang J., Tian X., Ju M., Huang L. Integrated environmental risk assessment and whole-process management system in chemical industry parks. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2013, 10(4): 1609-1630 ( ).
  • DOI: 10.3390/ijerph10041609
  • Chen J., Shafi M., Li S., Wang Y., Wu J., Peng Z.Y.D., Yan W., Liu D. Copper induced oxidative stresses, antioxidant responses and phytoremediation potential of Moso bamboo (Phyllostachys pubescens). Scientific Reports, 2015, 5: 13554 ( ).
  • DOI: 10.1038/srep13554
  • Bizzo A.L.T., Intorne A.C., Gomes P.H., Suzuki M.S., dos Santos Esteves B. Short-term physiological responses to copper stress in Salvinia auriculata Aubl. Acta Limnologica Brasiliensia, 2014, 26(3): 268-277 ( ).
  • DOI: 10.1590/S2179-975X2014000300006
  • Гончарова Л.И., Манин К.В., Рачкова В.М. Влияние загрязнения почв медью на фотосинтетическую активность и окислительно-восстановительный гомеостаз растений кормовых бобов. Агрохимия, 2011, 6: 61-67.
  • Фригидов Р.А., Анисимов В.С., Фригидова Л.М., Гераськин С.А., Анисимова Л.Н., Корнеев Ю.Н., Санжарова Н.И. Влияние концентрации Zn в почвах на динамику накопления биомассы и металла растениями ячменя. Агрохимия, 2014, 12: 42-54.
  • Цыгвинцев П.Н., Гончарова Л.И., Санжарова Н.И., Рачкова В.М. Оценка оптимальных и критических уровней содержания меди в почвах для ячменя. Агрохимия, 2016, 12: 76-81.
  • Devos Y., Romeis J., Luttik R., Maggiore A., Perry J.N., Schoonjans R., Streissl F., Tarazona J.V., Brock T.C.M. Optimising environmental risk assessments. Accounting for biodiversity and ecosystem services helps to translate broad policy protection goals into specific operational ones for environmental risk assessments. EMBO Reports, 2015, 16(9): 1060-1063 ( ).
  • DOI: 10.15252/embr.201540874
  • Leung K.M.Y., Dudgeon D. Ecological risk assessment and management of exotic organisms associated with aquaculture activities. In: Understanding and applying risk analysis in aquaculture. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper 519 /M.G. Bondad-Reantaso, J.R. Arthur, R.P. Subasinghe (eds.). FAO, Rome, 2008: 67-100.
  • Gworek B., Baczewska-Dąbrowska A.H., Kalinowski R., Górska E.B., Rekosz-Burlaga H., Gozdowski D., Olejniczak I., Graniewska M., Dmuchowski W. Ecological risk assessment for land contaminated by petrochemical industry. PLoS ONE, 2018, 13(10): e0204852 ( ).
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0204852
  • Kapustka L. Limitations of the current practices used to perform ecological risk assessment. Integrated Environmental Assessment and Management, 2008, 4(3): 290-298 ( )
  • DOI: 10.1897/IEAM_2007-084.1
  • Cabell J.F., Oelofse M. An indicator framework for assessing agroecosystem resilience. Ecology and Society, 2012, 17(1): 18 ( ).
  • DOI: 10.5751/ES-04666-170118
  • Анненков Б.Н., Егоров А.В., Ильязов Р.Г. Радиационные аварии и ликвидация их последствий в агросфере /Под ред. Б.Н. Анненкова. Казань, 2004.
  • Костюк В.И., Вихман М.И., Кашулин П.А., Шмакова Н.Ю., Жиров В.К., Кизеев А.Н. Влияние избыточных доз меди на фотосинтетический аппарат растений овса. Агрохимия, 2005, 12: 51-58.
  • Loi N.N., Sanzharova N.I., Shchagina N.I., Mironova M.P. The Effect of cadmium toxicity on the development of lettuce plants on contaminated sod-podzolic soil. Russian Agricultural Science, 2018, 44: 49-52 ( ).
  • DOI: 10.3103/S1068367418010111
  • Лой Н.Н., Санжарова Н.И., Миронова М.П. Оценка фитотоксического действия Cd на кормовые бобы при их выращивании на разных типах почв. Агрохимия, 2015, 1: 89-96.
  • Prakash M.G.N., Chung I.M. Impact of copper oxide nanoparticles exposure on Arabidopsis thaliana growth, root system development, root lignification, and molecular level changes. Environmental Science and Pollution Research, 2014, 21: 12709-12722 ( ).
  • DOI: 10.1007/s11356-014-3210-3
  • Фригидов Р.А., Фригидова Л.М., Анисимов В.С., Санжарова Н.И., Анисимова Л.Н., Дикарев Д.В. Оценка критических уровней содержания Zn в выщелоченном черноземе с использованием тест-растений ячменя и кормовых бобов. Агрохимия, 2017, 3: 69-78.
  • МУ 2.6.5.010-2016. 2.6.5. Атомная энергетика и промышленность. Обоснование границ и условия эксплуатации санитарно-защитных зон и зон наблюдения радиационных объектов. Метод. указ. (утв. ФМБА России 22.04.2016). М., 2016.
  • Pasquill F. Atmospheric Diffusion. 2nd ed. John Wiley & Sons. NY, 1974.
  • Методические указания по расчету радиационной обстановки в окружающей среде и ожидаемого облучения населения при кратковременных выбросах радиоактивных веществ в атмосферу МПА-98 (утв. приказом Министра РФ по атомной энергии 30.12.1998).
  • ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (утв. 04.08.1986.). Л., 1987.
  • ДВ-98: Руководство по установлению допустимых выбросов радиоактивных веществ в атмосферу. М., 1999.
  • Спиридонов С.И., Фесенко С.В., Гераськин С.А., Соломатин В.М., Карпенко Е.И. Оценка доз облучения древесных растений в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС. Радиационная биология. Радиоэкология, 2008, 48(4): 432-438.
  • Спирин Е.В. Современные проблемы экологической дозиметрии. Радиационная биология. Радиоэкология, 2009, 49(3): 338-345.
  • ICRP, 2008. Environmental protection - the concept and use of reference animals and plants. ICRP Publication 108. Ann. ICRP 38 (4-6).
  • WHO/IPCS. Environmental health criteria 210: principles for the assessment of risks to human health from exposure to chemicals. World Health Organization, International Program on Chemical Safety, Geneva, 1999.
  • Онищенко Г.Г., Новиков С.М., Рахманин Ю.А., Авалиани С.Л., Буштуева К.А. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. М., 2002.
  • WHO/IPCS. Environmental health criteria 214: human exposure assessment. Geneva, 2000.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp