ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

гимназия № 12 г. Минска

Учебно-исследовательская работа на тему:

«Мониторинг состояния окружающей среды при помощи модельной тест-системы»

Авторы работы: Научный руководитель: Смольник Надежда Сергеевна, преподаватель-стажер кафедры экологической и молекулярной генетики (УО «Международный государственный экологический университет им.А.Д. Cахарова»)

Минск, 2012

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях природная среда подвержена комбинированному техногенному загрязнению. Известно, что в связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в окружающую среду сотни тысяч новых химических соединений с невыясненными токсикологическими характеристиками [1]. Так, разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения накапливаясь в почве, обусловливают ее загрязненность и токсичность. Методы биотестирования все чаще используются для определения токсических свойств окружающих нас сред: воздуха, воды, почвы, промышленных отходов, материалов и т.д., т.к. дают интегральную оценку сочетанного эффекта всех факторов среды на биологические структуры с учетом их взаимодействия, что невозможно сделать в модельном эксперименте.

Это обуславливается рядом обстоятельств: во-первых, указанные объекты обычно содержат большое количество ингредиентов, токсикологические свойства которых не всегда характеризуются простой суммой свойств каждого из них; во-вторых, среда часто загрязнена неустойчивыми продуктами взаимодействия и распада, которые иногда токсичнее исходных веществ; в-третьих, количество присутствующих в окружающей среде загрязнителей значительно превышает число удовлетворительных физико-химических методов анализа, позволяющих контролировать их содержание на уровне ПДК. Помимо этого, биотестирование позволяет получить интегральную токсикологическую характеристику природных сред независимо от состава загрязняющих веществ, поскольку большая часть загрязняющих веществ, в связи с отсутствием оборудования, методик и стандартов, аналитически не определяется, в связи с чем методы биотестирования приобретают все большую популярность и внедряются повсеместно [2].

Цель работы заключается в проведении модельного эксперимента для определения токсичности и генотоксичности почвенного покрова техногенных зон города с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью растительных тест-систем (на примере города Минска).

Задачи:

1. Определить содержание элементов в почвах исследуемых пунктов города Минска.

2. Количественно оценить уровень цитогенетических и цитологических эффектов при выращивании Allium cepa на почвах, отобранных на территориях с различным уровнем антропогенной нагрузки.

3. Дать предварительную оценку уровню антропогенной нагрузки в различных зонах города Минска.

1 ОБзор литературы

1.1. Почва как депонирующая среда

Одним из основных признаков урбогенеза, влияющим на почвообразование, является загрязнение почвы в результате накопления, перемешивания и заполнения почв загрязнителями непочвенного генезиса. Эти материалы могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Загрязнение городских почв – это избыточное содержание химических веществ в почве, при котором нарушается нормальное функционирование растительности, животных и микроорганизмов, изменяются почвенные процессы.

Воздействие атмосферного загрязнения на почвы проявляется в целом ряде процессов. При непосредственном поступлении с осадками и пылью идет аккумуляция загрязнителей в почве. Гумусово-аккумулятивный горизонт является важным сорбентом и накопителем поступающих с выбросами соединений, причем в подстилке их содержание может увеличиться на 1-2 порядка. Накопление загрязнителей заметно изменяет природное количественное соотношение отдельных элементов, их органических, органоминеральных и минеральных форм соединений в почве. Поллютанты действуют как на минеральную часть, так и на органическое вещество почвы. В результате снижения биологической активности почв и скорости трансформации растительного опада уменьшается содержание водорастворимых органических соединений, в том числе углеводных и фенольных компонентов. Скорость распада органического вещества и биологическая активность почв зависят не только от интенсивности загрязнения, но и от состава токсикантов. Загрязнение почв тяжелыми металлами и токсичными окислами вызывает замедление деструкционных процессов, падение интенсивности выделения СО₂, уменьшение полифенолоксидазной, дегидрогеназной и липазной активностей почв [3].

До недавнего времени важнейшими загрязнителями считались главным образом пыль, угарный и углекислый газы, окислы серы, азота, углеводороды, соединения фосфора, калия, синтетические органические вещества, радиоактивные изотопы. Тяжелые металлы и их соединения рассматривались обычно в меньшей степени, но начиная с 1960-х годов интерес к ним, как загрязнителям окружающей среды резко повысился. Прежде всего, это связано с фактами проявления острых токсических эффектов, вызванных загрязнением ртутью, кадмием и свинцом. Кроме того, именно для тяжелых металлов характерно воздействие с отдаленными последствиями. Токсические свойства малых концентраций многих элементов усугубляется их способностью к накоплению в живых организмах. Это явление выявлено для свинца, ртути, кадмия, хрома и некоторых других. Токсические и химические свойства тяжелых металлов - точнее их суммирование - представляет очень серьезную опасность, что привело к принципиальной переоценке их значимости относительно других видов загрязнителей.

Выявлено, что большинство выбросов токсических веществ в городскую среду сосредоточиваются на поверхности почвы, где происходит их постепенное внедрение в среду, что ведет к изменению химических и физико-химических свойств субстрата. Почва является хорошим геохимическим барьером, благодаря которому происходит резкое снижение миграции элементов. Распределение тяжелых металлов в почвах города не подчиняется закону нормального распределения, содержание тяжелых металлов может варьировать на 2-3 порядка, локально превышая предельно-допустимые концентрации в 5-100 раз.

В.С. Артамонова в своей монографии (2002) отмечает, что одним из основных источников загрязнения признан автотранспорт. Специалисты насчитывают в выхлопных газах около 40 химических веществ. Особую опасность представляют высокотоксичные соединения: оксид углерода, формальдегид, смесь углеводородов, в том числе бензапирен. Большинство используемых видов топлива содержит широкий спектр металлов: кадмий, никель, цинк, мышьяк, олово, свинец, ртуть, которые добавляются для повышения октанового числа, а также медь, фосфор, серу, предупреждающих биоповреждение топлива и технических смазок. При попадании в окружающую среду такого набора нежелательных компонентов наблюдается ухудшение ее качества, а при высокой концентрации серы – сильная задымленность. Углеводородные компоненты топлива и его добавки условно можно разделить на две группы: легкие фракции (бензины различных марок, керосин) и тяжелые (горючесмазочные материалы, технические смазки и др.). В большинстве ситуаций использование транспорта различного назначения сопровождается смешиванием фракций и комбинированным воздействием на окружающую среду, в том числе почву. Особенно много токсичного свинца, его следы находят на расстоянии более 100 метров от автомагистрали.

Городские почвы, кроме почв крупных лесопарков, имеют повышенные количества таких тяжелых металлов, как медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd), кобальт (Co) в верхних горизонтах. Для ненарушенных дерново-подзолистых почв лесопарков содержание определяемых тяжелых металлов соответствует фоновому значению в верхних горизонтах и уменьшается вниз по профилю. Особую опасность представляет наличие больших количеств не только валовых, но и подвижных форм соединений тяжелых металлов. Содержание в почвах свинца (Pb) и цинка (Zn), кроме лесопарков, в 3-4 раза превышают ПДК.

Растительность вблизи автомагистралей и промышленных предприятий часто находится в угнетенном состоянии, что выражается в изреженности травяного покрова. Это приводит к запылению почвы, что в свою очередь становится источником загрязнения воздуха. Тяжелые металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и вызывают целый ряд негативных последствий. При максимальном проявлении процесса химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и гибель урбосистемы.

В последние годы на первый план вышла проблема загрязнения почв антропогенными материалами, включения которых чрезвычайно сильно влияют на все почвенные свойства, ограничивая площадь возможного проникновения корней и распространения микроорганизмов и уменьшая водоудерживающую способность почв. Ca-содержащий строительный мусор, пыль, цементная крошка и подобные материалы способствуют подщелачиванию почвы, а разложение других субстратов (пластика и др.) ведет к высвобождению токсичных веществ и газов, которые замещают кислород в почвенном воздухе. К другим загрязнителям, типичным для городских условий относят:

- различные формы пестицидов, унаследованные от агроландшафтов и характерные в основном для новых городских территорий;

- органические отходы (жидкие стоки животноводческих комплексов, промышленные органические отходы, сточные воды);

- соли (в первую очередь хлориды натрия и кальция, попадающие в почву из материалов, которыми посыпают дороги и тротуары);

- радионуклиды;

- вещества, попадающие на почву с загрязненными атмосферными осадками.

Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активной поверхности тонкодисперсной части, почва превращается в «депо» токсических соединений и одновременно становится одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства соединений (тяжелые металлы, минеральные удобрения, пестициды, нефтепродукты и т.д.) на пути их миграции из атмосферы города в грунтовые воды и речную сеть [4].