VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

Состояние окружающей природной среды является важнейшим фактором, определяющим жизнедеятельность человека и общества. Высокие концентрации многих химических элементов и соединений, обусловленные техногенными процессами, обнаружены в настоящее время во всех природных средах: атмосфере, воде, почве, растениях. (Чертко Н.К., 2002)

Тяжелые металлы относятся к наиболее широко распространенным поллютантам водной и почвенной среды (Будников Г.К., 1998; Луковникова Л.В. и др., 2004; Rai et al., 1990). Они составляют значительную долю загрязнителей окружающей среды и по токсичности занимают второе место после пестицидов. Однажды попав в биогеохимический цикл, они крайне редко и медленно покидают его. (Никаноров А.М., Жулидов А.В., 1991; Онищенко Г.Г. и др., 2002; Шилов В.В. и др., 2010).

Тяжелые металлы даже в ничтожных концентрациях ядовиты. Проникая в живые клетки, они нарушают их жизнедеятельность, но свое токсическое действие тяжелые металлы проявляют только в виде ионов.

Все существующие микроорганизмы живут в непрерывном взаимодействии с внешней средой, в которой они находятся, поэтому подвергаются разнообразным влияниям. Все существующие микроорганизмы живут в непрерывном взаимодействии с внешней средой, в которой они находятся, поэтому подвергаются разнообразным влияниям. Поэтому быстро закрепляются новые признаки. (Варламов С.С., 2009)

Известно, что микроорганизмы проявляют устойчивость фактически ко всем тяжелым металлам. Благодаря способности быстро адаптироваться к условиям существования, они могут служить индикаторами изменений в окружающей среде. (Безвербная И.П., Бузолева Л.С., Христофорова Н.К., 2005)

Токсичность ТМ по отношению к микроорганизмам зависит от таких факторов окружающей среды как рН, ионная сила, природа и концентрация катионов и анионов, а также наличия органических соединений, которые способны взаимодействовать с металлами и влиять на их биодоступность.

Параметры токсикометрии и механизмы токсического действия тяжелых металлов в экспериментальных исследованиях с использованием микроорганизмов изучены недостаточно. (Богачева А.С., 2011)

Тяжелые металлы, попадающие в окружающую среду в результате производственной деятельности человека (промышленность, транспорт и т.д.), являются одним из самых опасных загрязнителей биосферы.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями считаются свинец, кадмий, цинк, главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям. (Антонова Ю.А., Сафонова М.А.,2007)

Такие элементы, как ртуть, свинец, кадмий, медь, относят к «критической группе веществ-индикаторов стресса окружающей среды.

Источники тяжелых металлов

Для понимания процессов миграции и аккумуляции тяжелых металлов важно учитывать и разграничивать источник их поступления в окружающую среду. В самом общем плане выделяют естественные (природные) и техногенные источники тяжелых металлов.

Первичное вместилище тяжелых металлов на планете - верхняя мантия, базальты и граниты, поэтому естественным источником тяжелых металлов для почв являются горные породы (осадочные, магматические, метаморфические), на продуктах выветривания которых сформировался почвенный покров. Осадочные породы, воды океана, живое вещество - уже вторичные резервуары, содержащие тяжелые металлы. Насыщенность разных горных пород тяжелыми металлами существенно различается, хотя в сравнении с другими химическими элементами их содержание в горных породах невелико.

Кроме горных пород, естественными источниками тяжелым металлов для основных компонентов биосферы являются термальные воды и рассолы (Br, Sr, As, Pb,V, Se, Cu и др.), космическая и метеоритная пыль, вулканические газы, вулканические извержения: например кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море.

Техногенное поступление тяжелых металлов в биосферу связано с разнообразными источниками. К важнейшим из них относятся:

1. Карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд

2. Предприятия цветной и черной металлургии

3. Электростанции, сжигающие уголь

4. Сжигание различных отходов

5. Металлообрабатывающие предприятия

6. Автотранспорт

7. Минеральные и органические удобрения, сточные воды и отходы животноводческих комплексов

Внимание экологов к техногенным источникам поступления тяжелых металлов в биосферу объясняется все возрастающими объемами промышленных выбросов и отходов. Установлено, что загрязнение тяжелыми металлами превышает природные поступления: по Pb – в 18,3; по Cd – в 8,8; по Zn –в 7,2 раза.

Основными источниками атмосферного загрязнения являются тепловые электростанции (27%), предприятия черной металлургии (24,3%), предприятия по добыче и переработке нефти (15,5%), транспорт (13,1%), предприятия цветной металлургии (10,5%), а также предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов (8,1%), химическая промышленность (1,3%). В почвенном покрове наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной и цветной металлургии, причем более 95 % их попадает в почвы в виде техногенной пыли, большая часть - в виде сухих осаждений, а 15-25% - с атмосферными осадками.

Подсчитано, металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность земли более 150 тыс. тонн меди, 120 тыс. тонн цинка, около 90 тыс. тонн свинца, 12 тыс. тонн никеля, 1,5 тыс. тонн молибдена, около 800 тонн кобальта и около 30 тонн ртути. На 1 грамм черновой меди отходы медиплавильной промышленности содержат 2,09 тонн пыли, в составе которой содержится до 15% меди, 60% окиси железа и по 4% мышьяка, ртути, цинка и свинца. Отходы машиностроительных и химических производств содержат до 1 тыс. мг/кг свинца, до 3 тыс. мг/кг меди, до 10 тыс. мг/кг хрома и железа, до 100 г/кг фосфора и до 10 г/кг марганца и никеля. В Силезии вокруг цинковых заводов громоздятся отвалы с содержанием цинка от 2 до 12% и свинца от 0,5 до 3%, а в США эксплуатируют руды с содержанием цинка 1,8%.

С выхлопными газами на поверхность почв попадает более 250 тыс. тонн свинца в год; это главный загрязнитель почв свинцом.

Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также и с биоцидами.

В дополнение к техногенным источникам тяжелых металлов, загрязняющих почву через атмосферу, часть их поступает в почвенный покров с удобрениями, пестицидами, осадками сточных вод, отходами промышленности и бытовым мусором. (Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., 2007)

Воздействие тяжелых металлов намикроорганизмы

Проблема взаимодействия тяжелых металлов и микроорганизмов исследуется в нескольких главных направлениях. Это вопросы, связанные с изучением изменений различных биохимических, физиологических, генетических и других особенностей микроорганизмов при их контакте с металлами в условиях чистой культуры. При исследовании аккумуляции тяжелых металлов микроорганизмами установлены способы проникновения и места локализации этих элементов в клетках, влияние физиологических параметров культуры и внешних условий на накопление металлов микроорганизмами. (Илялетдинов А.Н., 1984; Сенцова О.В., Максимова В.Н., 1985)

Токсическое действие металлов на микроорганизм проявляется в ингибировании их метаболизма, в изменениях кинетики роста и морфологии. (Работнова И.Л., Позмогова И.Н.,1991). В качестве механизмов, обеспечивающих устойчивость микроорганизмов к воздействию тяжелых металлов, отмечают биологическую трансформацию и частичную детоксикацию некоторых из них. (Илялетдинов А.Н., 1984)

Другой круг вопросов, представляющих интерес для биогеохимии и биотехнологии, группируется вокруг проблемы выщелачивания металлов из руд, горных пород и промышленных отвалов с использованием микроорганизмов. (Илялетдинов А.Н.,1984)

Наконец, в ряду важнейших стоит проблема нарушения и охраны окружающей среды от загрязнения тяжелыми металлами. (Гузев B.C., 1985)

Воздействие тяжелых металлов сказывается, прежде всего, на первичных продуцентах - микроводорослях и цианобактериях. Они наравне с гетеротрофными микроорганизмами могут использоваться для детоксикации среды от металлов, так как способны аккумулировать их из воды и донных отложений. Соли серебра, ртути, кадмия, никеля, меди, кобальта нарушают барьерные свойства цитоплазматических мембран (ЦПМ) клеток, что, в свою очередь приводит к уменьшению трансмембранного потенциала. Под действием ионов серебра, ртути изменяются электрофизические свойства ЦПМ и цитоплазмы клеток. Ванадий, как один из широко распространенных тяжелых металлов, используется зелеными, бурыми и желто-зелеными водорослями. Он также содержится в нитрогеназах некоторых почвенных бактерий, хотя и не является необходимым элементом для развития большинства прокариотов. Наиболее активными биоаккумуляторами ванадия являются бактерии рода Pseudomonas , а также ряд цианобактерий . Такие свойства бактерий как способность к адаптации и быстрому размножению способствуют распространению микроорганизмов, устойчивых к тяжелым металлам. Наибольшей устойчивостью к металлам обладают бактерии, выделенные в местах, содержащих промышленные загрязнения, и в месторождениях соответствующих металлов. Особенно перспективным представляется использование пигментсинтезирующих бактерий рода Serratia и Рseudomonas в роли индикаторов загрязнения среды. (Рыльский А.Ф., 2009)

Большая часть тяжелых металлов необходима в микродозах для нормального функционирования живых систем. Однако при их передозировке наблюдаются нарушения жизнедеятельности, так как у человека и животных их соединения не участвуют в нормальном обмене веществ и их постепенное накопление ведет к различным заболевания. Таким образом, данные металлы переходят в ранг загрязнителей биосферы. В таблице 1 представлены данные по биогеохимическим свойствам тяжелых металлов.

Таблица 1. Биогеохимические свойства тяжелых металлов

Свойства	Co	Ni	Cu	Zn	Cd	Hg
Биохимическая активность	В	В	В	В	В	В	В
Токсичность	У	У	У	У	В	В	В
Канцерогенность	В	В	В	В	В	В	В
Обогащение глобальных аэрозолей	Н	Н	В	В	В	В	В
Минеральная форма распространения	В	Н	Н	Н	В	В	В
Органическая форма распространения	Н	Н	У	У	В	В	В
Подвижность	Н	Н	У	У	В	В	В
Тенденция к биоконцентрированию	В	В	У	У	В	В	В
Эффективность к накоплению	У	У	В	В	В	В	В
Комплексообразующая способность	Н	Н	В	В	У	У	Н
Склонность к гидролизу	Н	У	В	В	У	У	У
Растворимость	Н	Н	В	В	В	В	В
Время жизни	В	В	В	В	Н	Н	Н

В – высокая, У – умеренная, Н – низкая.

Биологическая классификация тяжелых металлов

По известной биологической классификации химических элементов тяжелые металлы принадлежат к группам микро- и ультрамикроэлементов. Cu, Zn, Mo, Co, Mn, Ni и другие давно известны физиологам как микроэлементы. Таким образом, термины, «тяжелые металлы» и «микроэлементы» относятся к одним и тем же химическим элементам, а употребление того или иного термина связано с их концентрацией.

Существуют и другие биологические классификации тяжелых металлов, основанные на их биохимическом поведении и физиологической роли, степени токсичности для живых организмов, степени биологического поглощения и др. (Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., 1996)

Согласно классификации Дж. Вуда (1974) к очень токсичным отнесены следующие химические элементы: Be, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.

В соответствии с российским ГОСТом они разделяются на три класса:

1. As, Be, Cd, Hg, Se, Pd, Zn.

2. Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb.

3. V, W, Mn, Sr.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, вмешиваться в метаболический цикл, образуя высокотоксичные металлосодержащие органические соединения. Они быстро изменяют свою химическую форму при переходе из одной природной среды в другую, не подвергаясь биохимическому разложению.

Еще у тяжелых металлов особое химическое свойство, присущее только им. Они катализируют многочисленные химические реакции, протекающие в любой сфере: окислительно-восстановительную, гидратацию, дегидратацию, циклизацию и изомеризацию, метилирование и демитилирование, возникновение двойных и тройных связей и многие др. (Закутнова В.И., Пилипенко Т.А.,2004)

Тяжелые металлы в почве, их воздействие на микроорганизмы

Почва выступает как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов. Почва имеет ведущее значение в производстве продуктов питания, кормов, сырья для многих видов промышленности и сельского хозяйства. Наконец, почва представляет интерес для медицинской санитарии и гигиены как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы.

Актуальность проблемы воздействия тяжелых металлов на почвенные микроорганизмы определяется тем, что именно в почве сосредоточена большая часть всех процессов минерализации органических остатков, обеспечивающих сопряжение биологического и геологического круговоротов. Наибольший интерес для почвенной микробиологии представляют потенциально токсичные и относительно легко доступные элементы- Ni, Cu, Pb, Cd, Zn, Hg. В ряду важнейших стоит проблема нарушения и охраны окружающей среды от загрязнения тяжелыми металлами. (Звягинцев Д.Г., 2003) Пороговые концентрации загрязнителей, по которым определяются предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в почве, выявляются в наиболее жестких условиях по следующим показателям: общесанитарному, миграционно-водному, миграционо-воздушному, санитарно-токсикологическому, органолептическому и фитоаккумулятивному. (Гончарук Е.И., Сидоренко Г.И., 1986).

Тяжелые металлы существенным образом влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект и могут выступать как мутагенный фактор. (Звягинцев Д.Г., 2003)

Специфика воздействия тяжелых металлов на различные группы микроорганизмов и степень их токсичности зависят от вида металла, его концентрации и типа почвы. Например, под влиянием промышленного и транспортного загрязнения тяжелыми металлами изменяется структура комплексов почвенных грибов: снижается богатство выделяемых видов, изменяется их встречаемость и в результате разнообразие комплексов грибов уменьшается. Упрощение структуры при высоких дозах тяжелых металлов происходит за счет уменьшения числа редко встречаемых видов и в сильно загрязненных почвах может сохраниться лишь несколько доминантных форм. (Жигарева Т. Л., Ратников А. Н., Свириденко Д. Г., Попова Г. И., Петров К. В., Касьяненко А. А., Черных Н. А., 2006)

Отмечается, что повышенной толерантностью к различным экстремальным условиям окружающей среды, в том числе тяжелым металлам, обладают пигментированные организмы. Предполагается, что эти элементы могут связывать металлы в нетоксичные комплексы. Особенно это относится к пигментам меланоидной природы.

Под действием высоких доз тяжелых металлов происходит снижение количества микроорганизмов. При техногенном загрязнении экосистем снижается как общая численность микроорганизмов, так и резко уменьшается содержание аммонификаторов и нитрификаторов, а количество денитрификаторов и олигонитрификаторов возрастает. Увеличивается также численность фосфатрастворяющих и железоредуцирующих бактерий, а численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов имеет тенденцию к снижению.

Наиболее чувствительными к загрязнению почв являются аммонифицирующие бактерии, использующие минеральный азот, некоторые споровые бактерии, целлюлозолитические бактерии и актиномицеты. Однако не во всех случаях зафиксировано снижение численности почвенных микроорганизмов. В ряде работ отмечено увеличение общей численности микрофлоры. По предположению некоторых исследователей, это объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм, использующих в качестве питания энергетический материал погибших клеток. Имеются сведения об отсутствии достоверных изменений количества микроорганизмов в загрязненных почвах. ( Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р. , Суюндуков Я.Т., 2011)

Тяжелые металлы, воздействуя на почвенные микроорганизмы, увеличивая численность одних (микроскопических грибов) и уменьшая численность других (бактерий, актиномицетов), приводят к изменению структуры микробного ценоза, вызывая сукцессионные изменения почвенного биоценоза. По степени толерантности к действию тяжелых металлов основные группы почвенных микроорганизмов располагаются следующим образом: микроскопические грибы > актиномицеты > бактерии > спорообразующие бактерии.

В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к условиям питания и источникам энергии. Количественные соотношения между ними зависят от экологических условий, в которых складывается тот или иной микробный ценоз. Впервые концепцию об эколого-трофических группах почвенной микрофлоры выдвинул Виноградский С.Н., который описал две функционально различающиеся группировки микроорганизмов: зимогенную и автохтонную. Зимогенная микрофлора ответственна за разложение свежих растительных остатков, автохтонная - за разложение гумуса. По современным представлениям, структура микробного ценоза, состоящая из зимогенной, автохтонной, олиготрофной и автотрофной групп микроорганизмов, непрерывно сменяется. Олиготрофы - экологотрофическая группа микроорганизмов, удовлетворяющая свои пищевые потребности за счет постоянно присутствующих в почве веществ и в лабораторных условиях культивируется на голодном и почвенном агаре. (Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т., 2011).

Общие закономерности изменений почвенной микробиоты по мере возрастания содержания в почве тяжелых металлов

В почве, которая содержит так называемые фоновые концентрации тяжелых металлов, большинство микробиологических показателей поддерживается на некотором уровне, в той или иной мере связанном с основными свойствами, определяющими тип почвы. (Звягинцев Д.Г.,1987). Количественные показатели подвержены значительным колебаниям.

В почвах, где содержание тяжелых металлов превышает фоновое в несколько раз (в 2-5 раз выше), наиболее заметно изменяются отдельные показатели ферментативной активности. Несколько возрастает суммарная биомасса амилолитического микробного сообщества в различных почвах.

При дальнейшем увеличении содержания тяжелых металлов в почвах (превышение над фоном до одного порядка) обнаруживается уже достоверное снижение отдельных показателей биохимической активности почвенных микроорганизмов.

В почве, содержащей тяжелые металлы в концентрациях на один-два порядка повышающих фоновые, обнаружены достоверные изменения уже целой группы микробиологических показателей. Сокращение богатства видов и видового разнообразия комплекса почвенных микромицетов. Обнаружено абсолютное доминирование по частоте встречаемости ограниченного числа видов или даже одного вида микромицетов. В почве происходит резкое увеличение доли эпифитных дрожжей. Среди различных групп микроорганизмов заметно возрастает количество окрашенных форм. Это показано для микроскопических грибов, и для дрожжей, и для актиномицетов. Увеличение доли пигментированных форм микроорганизмов при загрязнении почв тяжелыми металлами отмечено и для бактерий. В ряде случаев преимущественное развитие в загрязненных почвах получают микроорганизмы токсинообразователи.

При превышении содержания тяжелых металлов в загрязненной почве наблюдаются резкие изменения практически всех микробиологических показателей. В целом можно констатировать, что при указанных концентрациях тяжелых металлов в почвах наблюдаются ингибирование и гибель нормальной для незагрязненных почв микробиоты. В то же время обнаружено активное развитие и даже в ряде случаев абсолютное доминирование очень ограниченного числа микроорганизмов, преимущественно микромицетов. По-видимому, эти организмы являются резистентными к тяжелым металлам. В ряде случаев отмечается, что в биомассе этих микроскопических грибов могут концентрироваться тяжелые металлы.

При концентрациях тяжелых металлов в почвах, превышающих фоновые на четыре и более порядков, обнаруживается катастрофическое снижение микробиологической активности почв, граничащее с полной гибелью микроорганизмов. Такой уровень загрязнения можно назвать уровнем очень сильного, или катастрофического.

Таким образом, в результате изучения изменений микробиологических показателей под действием антропогенной нагрузки и их сравнительной оценки удалось выявить четыре качественно отличных уровня реакции почвенной микробиоты на загрязнение почвы тяжелыми металлами (допустимое, умерено-опасное, высоко-опасное и чрезвычайно опасное).

Важнейшим моментом в охране окружающей среды и одной из экологических характеристик тяжелых металлов является знание их нормального (фонового) содержания в почвах и параметры его возможного техногенного изменения, что позволяет осуществлять контроль за состоянием почвенного покрова, определять темпы и степень загрязнения его тяжелыми металлами.

Существует мнение, что за естественный фон следует принимать те концентрации тяжелых металлов, которыми характеризовались почвы до начала научно-технической революции.

При низких концентрациях тяжелых металлов наблюдается некоторая стимуляция развития микробного сообщества, затем по мере возрастания концентраций происходит частичное ингибирование и, наконец, полное его подавление. Достоверные изменения видового состава фиксируются при концентрациях тяжелых металлов в 50-300 раз выше фоновых.

Толерантность микроорганизмов к загрязнению почвы зависит от их принадлежности к различным систематическим группам. Очень чувствительны к высоким концентрациям тяжелых металлов виды рода Bacillus, нитрифицирующие микроорганизмы, несколько более устойчивы – псевдомонады, стрептомицеты и многие виды целлюлозоразрушающих микроорганизмов, наиболее же устойчивы – грибы и актиномицеты.

Степень угнетения жизнедеятельности микробоценоза зависит также от физиолого-биохимических свойств конкретных металлов, загрязняющих почвы. Свинец отрицательно влияет на биотическую деятельность в почве, ингибируя активность ферментов уменьшением интенсивности выделения двуокиси углерода и численности микроорганизмов, вызывает нарушения метаболизма микроорганизмов, особенно процессов дыхания и клеточного деления. Ионы кадмия в концентрации 12 мг/кг нарушают фиксацию атмосферного азота, а также процессы аммонификации, нитрификации и денитрификации. Наиболее подвержены воздействию кадмия грибы, причем некоторые виды после попадания металла в почву полностью исчезают. Избыток цинка в почвах затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхание микроорганизмов, действие уреазы и т. д., вследствие чего нарушаются процессы преобразования органического вещества в почвах. Кроме того, токсичное влияние ТМ зависит от набора металлов и их взаимного воздействия (антагонистического, синергичного или суммарного) на микробиоту. (Алексеев Ю.В., 1987)

Степень загрязнения почв можно оценивать на основе учета предельно-допустимых концентраций (ПДК) химических веществ. Согласно этой схеме нормирование в почвах подразделяется на транслокационное (переход нормируемого элемента в растение) и общесанитарное (влияние на самоочищающую способность почвы и почвенный микробиоценоз). Значение ПДК представлены в табл. 2.

Таблица 2.

Предельно-допустимые концентрации тяжелых металлов в почве и ориентировочно допустимые концентрации их в почвах с различными физико-химическими свойствами, утвержденные Госкомсанэпиднадзором России, ГН 2.1.7.020-94

Наименование вещества	Величина ПДК (мг/кг) почвы с учетом фона	Лимитирующий показатель вредности
1	2	3
Предельно допустимые концентрации (ПДК) Валовое содержание
Ванадий Ванадий + марганец Мышьяк Ртуть Свинец Свинец + ртуть Сурьма	150 100+1000 2,0 2,1 32,0 120,0+1,0 4,5	Общесанитарный Общесанитарный Транслокационный Транслокационный Общесанитарный Транслокационный Воздушномиграционный
Подвижная среда
Кобальт* Марганец (извлекаемый 0,1н H2SO4) черноземы дерново-подзолистые почвы: pH 4,0 pH 5,1-6,0 pH > 6,0 (извлекаемый ацетатно-аммонийным буфером с pH 4,8) черноземы дерново-подзолистые почвы: pH 4,0 pH 5,1-6,0 pH > 6,0	5,0 700 300 400 500 140 60 80 100	Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный
Медь** Никель** Свинец** Цинк** Хром**	3,0 4,0 6,0 23,0 6,0	Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Транслокационный Общесанитарный
Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) Валовое содержание мг/кг
Никель Медь Цинк Мышьяк Кадмий Свинец	а)20 б)40 в)80 а)33 б)66 в)132 а)55 б)110 в)220 а)2 б)5 в)10 а)0,5 б)1,0 в)2,0 а)32 б)65 в)130	Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Транслокационный Общесанитарный Общесанитарный Общесанитарный

Примечание: *- подвижная форма кобальта извлекается из почвы ацетатно-натриевым буферным раствором с рН 3,5 для сероземов и ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 для остальных типов почв;

**- подвижная форма элемента извлекается из почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8; а) для почв песчаных или супесчаных; б) для почв кислых (суглинистых и глинистых) рН5,5

Российские гигиенические нормативы по качеству почвы

В соответствии с Гигиеническими нормативами (ГН 2.1.7.2041-06) принятой в России предельно допустимой концентрацией (ПДК) свинца в почве населенных пунктов является 32 мг/кг. В соответствии с Санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами (СанПиН 2.1.7.1287-03) свинец, кадмий и цинк относятся к первому классу опасности химических загрязняющих веществ (Таблица 3). Максимальный показатель вредности свинца составляет 260 мг/кг (Таблица 4). По степени опасности в санитарно-эпидемиологическом отношении почвы населенных мест могут быть разделены на следующие категории по уровню загрязнения: чистая, допустимая, умеренно опасная, опасная и чрезвычайно опасная. Учитывая эти требования, на сделанных в ходе исследования картах долины р. Рудная, отмечались следующие уровни загрязнения почв: допустимый (ниже 32 мг/кг), опасный (от 32 до 260 мг/кг), чрезвычайно опасный (от 260 до 640, от 640 до 3200 мг/кг) и «экстремальный» (от 3200 до 11250 мг/кг).

Принятой в России предельно допустимой концентрацией кадмия в почве населенных пунктов является 0,5 мг/кг (ГН 2.1.7.020-94). Хотя кадмий более токсичен, чем свинец, риск отравления кадмием в нашей стране менее изучен, поскольку отравление этим металлом более характерно для индустриально развитых стран Юго-Восточной Азии. На сделанных в ходе исследования картах, отмечались следующие уровни загрязнения почв по кратности ПДК: допустимый (ниже ПДК =0,5 мг/кг), опасный (1-10 ПДК), чрезвычайно опасный (10-20 ПДК и 20-50 ПДК) и экстремальный (более 50 ПДК).

Таблица 3. Оценка степени химического загрязнения почвы (Приложение 1 к СанПиН 2.1.7.1287-03)

Категории загрязнения	Содержание в почве (мг/кг)
	I класс опасности
	Органические соединения	Неорганические соединения
Чистая	От фона до ПДК	От фона до ПДК
Допустимая	От 1 до 2 ПДК	От 2 фоновых значений до ПДК
Умеренно опасная
Опасная	От 2 до 5 ПДК	От ПДК до Kmax
Чрезвычайно опасная	> 5 ПДК	> Kmax

Кmax - максимальное значение допустимого уровня содержания элемента по одному из четырех показателей вредности.

Таблица 4. Предельно допустимые концентрации (ПДК) свинца в почве и допустимые уровни их содержания по показателям вредности (Госкомприрода СССР, № 02-2333 от 10.12.90)

Наименование вещества	ПДК мг/кг почвы с учетом фона	Показатели вредности
		Транслокационный	Миграционный		Обще- санитарный
			Водный	Воздушный
Валовое содержание
Свинец	30,0	35,0	260,0	-	30,0

Тяжелые металлы в воде

Особенностью морской прибрежной среды, которая принимает различные по природе стоки, является самая высокая загрязненность одновременно всеми видами поллютантов. В результате, моря отличаются наиболее высоким уровнем содержания различных токсических веществ, прежде всего – тяжелых металлов. (Димитриева Г.Ю., Безвербная И.П., Христофорова, Н.К.,2001.)

Тяжёлые металлы относятся к одним из наиболее распространенных и опасных загрязнителей морской среды. Они поступают в гидросферу с терригенным стоком, с атмосферными выпадениями и со сточными водами антропогенного происхождения. Некоторые тяжёлые металлы (Co, Cu, Ni, Zn и др.) в малых дозах могут играть необходимую роль в жизни микроорганизмов. В больших концентрациях они оказывают токсическое влияние. Другие тяжёлые металлы (Cd, Pb, Hg и др.) не являются жизненно необходимыми и выступают в роли стрессовых факторов, воздействуя на различные физиологические функции и генетический аппарат микроорганизмов. Важным звеном в процессах переноса и биологической трансформации этих поллютантов являются микроорганизмы. (Безвербная И.П., Бузолёва Л.С., Ковековдова Л.Т.,2007).

Основная опасность для биологических объектов водоемов заключается в биоаккумулировании тяжелых металлов на клеточной стенке бактерий.

Известно, что микроорганизмы проявляют устойчивость фактически ко всем тяжелым металлам. Благодаря способности быстро адаптироваться к условиям существования, они могут служить индикаторами изменений в окружающей среде. Многообразие индивидуальных откликов бактерий на действие токсикантов поддерживает пластичность сообществ и в некоторых случаях обеспечивает возможность восстановления качества воды. В микробиоценозах загрязненных акваторий накапливаются и распространяются плазмиды, несущие гены биодеградации и устойчивости к токсикантам, которые одновременно могут быть сцеплены с генами антибиотикоустойчивости и генами, ответственными за патогенные свойства. (Безвербная И.П., Бузолева Л.С., Христофорова Н.К., 2005)

Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидроксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов. Содержание различных металлов в водоемах варьирует в широких пределах. Высокие концентрации тяжелых металлов обнаруживаются в верхних слоях воды. По токсичности тяжелые металлы располагаются в следующей последовательности: ртуть, серебро, медь, кадмий, цинк, свинец, хром, никель, кобальт. (Буракаева А.Д., Русанов А.М., Лантух В.П.,1999)

Тяжелые металлы и их соли (Сu, Zn, Hg, Cd, Pb, Sn, Fe, Mn, Ag, Cr, Co, Ni, As, Al) — широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов (Таблица 5). В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня.

Таблица 5. Естественные уровни металлов в природных водах (по А. П. Виноградову, Я. М. Грушко и Д. Бокрис)

Элемент	Содержание металлов (мкг/л)		Элемент	Содержание металлов (мкг/л)
	в морской воде	в речной воде		в морской воде	в речной воде
Ртуть	0,03	0,03 — 2,8	Олово	3,0	1,0 — 3,0
Кадмий	0,1	0,1 — 1,3	Железо	10,0	10,0 — 67,0
Медь	3,0	1.0 — 20,0	Марганец	2,0	1,0 — 50,0
Цинк	10,0	0,1 — 20,0	Мышьяк	10,0	30,0 — 64,0
Кобальт	0,5	0,1 — 1,0	Алюминий	10,0	1,0 — 50,0
Хром	0,02	1,0 — 10,0	Никель	2,0	0,8 — 5,6
Свинец	0,03	1,0 — 23,0	Серебро	0,04	0,1

Тяжелые металлы довольно устойчивы. Поступая в водоемы, они включаются в круговорот веществ и подвергаются различным превращениям. Неорганические соединения быстро связываются буферной системой воды и переходят в слаборастворимые гидроокиси, карбонаты, сульфиды и фосфаты, а также образуют металлорганические комплексы, адсорбируются донными осадками. Под воздействием микроорганизмов ртуть, олово, мышьяк подвергаются метилированию, превращаясь в более токсичные соединения. Кроме того, металлы способны накапливаться в различных организмах и передаваться в возрастающих количествах по трофической цепи. Особенно опасны ртуть, цинк, свинец, кадмий, мышьяк, так как они, поступая с пищей в организм человека и высших животных, могут вызвать отравления.

Влияние ионов тяжёлых металлов на электрофизические свойства бактериальных клеток Anacystisnidulans и Escherichiacoli

Методами электорфореза и электроориентационной спектроскопии клеток исследовано влияние ионов тяжёлых металлов Ag⁺, Сu ²⁺, Сd ²⁺, Pb ²⁺, Mn ²⁺, Zn ²⁺ и Gd ³⁺, (1мкМ – 1мМ) на бактериальные клетки Anacystisnidulans и Escherichiacoli. Показано, что изменение электрофоретической подвижности (ЭФП) и низкочастотного (20 Гц) электроориентационного эффекта (ЭОЭ) клеток с ростом концентрации катионов металла характеризует адсорбцию этих ионов в поверхностных слоях клеточной оболочки, а степень и характер этих изменений зависит от валентности катионов и исходной величины ЭФП клеток. Вместе с тем разнонаправленное изменение ЭФП и ЭОЭ клеток при адсорбции многовалентных катионов позволило сделать предположение, что в этом случае увеличивается анизотропия поверхностной поляризуемости клеток. Повреждение клеток определяли по изменению высокочастотного ЭОЭ клеток, которое свидетельствует о нарушении барьерных свойств их цитоплазматической мембраны. Выявлено токсическое действие ионов Ag⁺, Сu ²⁺ и Сd ²⁺ на клетки обоих видов, а также ионов Pb ²⁺ на клетки E. coli. По токсическому действию на цитоплазматическую мембрану эти ионы образуют следующий ряд: для клеток A. nidulansAg⁺ > Сu ²⁺ > Сd ²⁺; для клеток E. coliAg⁺ > Сu ²⁺ > Сd ²⁺ > Pb ²⁺. Повышенная токсичность тяжёлых металлов для клеток E. coli, вероятно, связана с большим отрицательным зарядом глубоких структур клеточной поверхности. (Иванов А.Ю., Фомченков В.М., Хасанова Л.А., Курамшина З.М., Садиков М.М., 1992).

Список литературы

1. Адаптация патогенных бактерий к абиотическим факторам окружающей среды. Бузолева Л.С. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://earthpapers.net/mikrobiologiya

2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: 1987. 365 с.

3. Анисимова Л.А., Сиунова Т.В., Боронин А.М. Устойчивость к металлам грамотрицательных бактерий, изолированных из почв и сточных вод промышленных районов,1994.

4. Антонова Ю.А., Сафонова М.А. Тяжёлые металлы в городских почвах // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 11 – стр. 43-44

5. Безвербная И.П. Отклик микроорганизмов прибрежных акваторий Приморья на присутствие в среде тяжелых металлов, 2002.

6. Безвербная И.П., Бузолёва Л.С., Ковековдова Л.Т. Влияние тяжёлых металлов на некоторые физиологические свойства морских микроорганизмов.

7. Биологическая активность парковых почв Нижнего Новгорода. М.В. Дабахов, Нижний Новгород, 2011.

8. Город и биосфера [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://biosphere21century.ru

9. Богачева А.С. Чувствительность цианобактерий к токсическому действию солей тяжёлых металлов, автореферат, Санкт-Петербург, 2011.

10. Бреховских А. А. Защитные механизмы автотрофной цианобактерии Nostoc muscorum от токсического воздействия ионов кадмия, Москва, 2006.

11. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем. Соросовский образовательный журнал. 1998. -№5. - С. 23-29

12. Бузолева Л.С., Безвербная И.П., Христофорова Н.К. Металлоустойчивые гетеротрофные бактерии в прибрежных акваториях Приморья, Биология моря, т. 31 №2, 2005

13. Бузолева Л.С., Безвербная И.П., Литвинова Н.В., Бабич Т.В., Гурьева М.О., Андреева А.И. Влияние тяжелых металлов на вирулентные свойства возбудителей сапрозоонозов // Family health in the XXI century oncology – XXI century. Materials of XI international Scientific conferens and II international Scientific oncological conferens. Netherlands – Germany – France.2007. P 68-71.

14. Буракаева А.Д., Русанов А.М., Лантух В.П. Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжёлых металлов, методическое пособие,1999.

15. Влияние факторов внешней среды на микроорганизмы, Варламов С., Благовещенск, автореферат, 2009.

16. Гончарук Е.И., Сидоренко Г.И., Гигиеническое нормирование химических веществ в почве, -М:, 1986

17. Гузев B.C. Экологическая оценка антропогенных воздействий на микробную систему почв: автореф. дис. докт. биол. наук / B.C. Гузев. -М. :МГУ, 1988.-38 с.

18. Димитриева Г.Ю., Безвербная И.П., Христофорова, Н.К., ДВГУ, Микробная индикация - эффективный инструмент для мониторинга загрязнения прибрежных морских вод тяжелыми металлами, 2001

19. Демич Ю.А. Содержание тяжелых металлов в почвах г Балашов, 2006

20. Жигарева Т.Л., Ратников А.Н., Свириденко Д.Г., Попова Г.Л., Петров К.В., Касьяненко А.А., Черных Н.А. Изучение взаимодействия Cd и Zn с почвенно-поглощающим комплексом и их действия на почвенный микробоценоз // Вып. 9. Калуга: АНО КНЦ, 2006. С. 268-278

21. Жизнь микробов в присутствии тяжёлых металлов, мышьяка и сурьмы. Х.Эрлих. Москва, 1981.

22. Закутнова В.И., Пилипенко Т.А. Влияние тяжелых металлов на лишайники, Вестник, 2004.

23. Звягинцев Д.Г., Микроорганизмы и охрана почв. - М.: Наука, 2003

24. Иванов А.Ю., Фомченков В.М., Хасанова Л.А., Курамшина З.М., Садиков М.М. Влияние ионов тяжёлых металлов на электрофизические свойства бактериальных клеток AnacystisNidulansиEscherichiaColi, 1992.

25. Изучение эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов в зоне влияния горнорудного производства Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т., Фундаментальные исследования №11, 2011

26. Илялетдинов А.Н., Микробиологические превращения металлов, АН Казахской ССР, Институт микробиологии и вирусологии. – Алма-Ата: Наука, 1984 . – 268 с.

27. Казанцев И. В., Экологическая оценка влияния железнодорожного транспорта на содержание тяжелых металлов в почвах и растениях полосы отвода, Тольятти, 2008

28. Кашнер Д. Жизнь микробов в экстремальных условиях. Влияние тяжелых металлов на микроорганизмы, Москва, 1981

29. Компьюлента [Электронный ресурс] Режим доступа: http://compulenta.computerra.ru/archive/biotechnology/635542/

30. Крестьянинов, П. А., Комбинированное действие катионов тяжелых металлов на бактерии Bacillus subtilis niger, 2002

31. Левин С. В. Микробиологическая диагностика загрязнения почв тяжелыми металлами. Москва, 1983

32. Луковникова Л.В. Металлы в окружающей среде, проблемы мониторинга / Л.В. Луковникова, А.Д. Фролова, М.П. Чекунова // Эфферентная терапия. -Т.10.-2004.-С.74-79, Диссертация

33. Лысак В.В. Микробиология, БГУ, 2005

34. Люлин С.Ю. Микробные сообщества городских почв и влияние поллютантов на популяцию E.coli в системе почва-растение. Москва, 2007.

35. Металлургические предприятия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ecolosorse.ru/ecologs-392-2.html

36. Микроорганизмы и охрана почв (под ред. Д. Г. Звягинцева), Москва, 1989

37. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. - 286 с

38. Мудрый И.В., Короленко Т.К. Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм.Издание: Врачебное дело, 2002.

39. Никаноров A.M. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах / A.M. Никаноров, A.B. Жулидов // СПб.: Гидрометеоиздат. -1991. 312 с.Медицинские Диссертации

40. Никитина З.И. Экология микроорганизмов и санация почв техногенных территорий. Дальнаука, 2003

41. Никифорова Л.О., Белопольский Л.М. Влияние тяжелых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ, Москва, БИНОМ, 2007

42. Обухова О.В. Влияние солей тяжелых металлов на рост и факторы патогенности условно-патогенных бактерий. Гигиена и санитария, 2011, №1

43. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М. Тяжелые металлы в почвах и растениях в условиях техногенеза. Вестник, 1996

44. Работнова И.Л., Позмогова И.Н. Хемостатное культивирование и ингибирование роста микроорганизмов. М., Наука, 1979.

45. .Роль тяжелых металлов в экосфере,

46. Рыльский А.Ф. Действие тяжелых металлов на пигментсинтезирующие грамотрицательные бактерии, 2009.

47. Савченко О.В. Загрязнение почвы тяжелыми металлами в г. Владивостоке, Медицина труда и промышленная экология, 2011.

48. Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т., Мониторинг микробных сообществ почв. №9, С. 139-141, 2011.

49. Сенцова О.В., Максимова В.Н. Действие тяжелых металлов на микроорганизмы. //Успехи микробиологии. С. 227-252, 1985.

50. Соболева Е.В., Ковековдова Л.Т., Свинец в почве. Автореферат, Уссурийск, 2003.

51. Содержание тяжелых металлов Pb, Ni, Zn, Cu, Mn, Zr, Cr, Co и Snв почвах Центральной зоны Республики Беларусь. Позняк С.С.,Журнал "Проблемы региональной экологии" №6, 2011

52. Содержание металлотионеинов в печени и почках крыс разного возраста при внутрибрюшинном введении нитрата кадмия. Кобялко В.О., Мирзоев Э.Б., Губина О.А., Фролова Н.А.

53. Трошина Е.Н. Загрязнение почвы тяжелыми металлами на территории крупного промышленного центра. Медицина труда и промышленная экология, №12, 2008.

54. Тяжелые металлы в воде. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cnshb.ru/akdil/0033a/base/k009.shtm

55. Тяжелые металлы в почвах больших городов. Соловьева О.А., Прохорова В.Н., 2012

56. Холопов Ю.А. Реакция микроорганизмов почв лесных ценозов на загрязнение тяжелыми металлами. Москва, 1998.

57. Чертко Н.К. Геохимическая экология: Учеб. пособие. – Мн.: БГУ, 2002. – 79 с

58. Шилов B.B. Токсикология свинца / B.B. Шилов, E.B. Полозова, A.C. Богачева, Н.М. Фролова // Пособие для врачей. СПб: Издательство Политехнического университета. 2010. - С. 4-5.

59. Шулькин В.М. Тяжелые металлы в речных и прибрежно-морских экосистемах.

60. Экологические проблемы [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://www.mikrobiki.ru/nauka

61. Энциклопедии, словари, справочники. Отравления рыб. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cnshb.ru/akdil/0033a/base/k009.shtm

 

Код для цитирования: Скопировать