Миграция и транслокация микроэлементов в системе «Почва - подземные воды - зерновые и овощи» в сельскохозяйственных районах Красноярского края

УДК 613.2:614.31 А.М. Василовский, Е.И. Волошин, С.Е. Скударнов

МИГРАЦИЯ И ТРАНСЛОКАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА - ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ -

ЗЕРНОВЫЕ И ОВОЩИ» В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНАХ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

Исследованиями установлено, что в сельских районах Красноярского края имеются прямые, сильные количественные связи и зависимости, описываемые уравнениями линейной регрессии, между концентрациями в почве, подземных водах, зерновых и овощах, ряда микроэлементов. Показано, как при миграции и транслокации из почвы в подземные воды и сельскохозяйственные культуры обеспечиваются безопасные для здоровья концентрации мышьяка, кадмия, свинца, никеля в питьевой воде и пищевых продуктах.

Ключевые слова: миграция, транслокация, микроэлементы, почва, подземные воды, зерновые культуры, овощи, водоснабжение, сельскохозяйственные угодья.

A.M. Vasilovsky, Ye.I. Voloshin, S.Ye. Skudarnov MIGRATION AND TRANSLOCATION OF MICROELEMENTS IN THE SYSTEM «SOIL - UNDERGROUND WATERS - GRAIN AND VEGETABLES» IN THE AGRICULTURAL AREAS OF KRASNOYARSK REGION

It is determined by the research that there are direct, strong quantitative connections and dependences described by the equations of linear regress among concentrations in soil, underground waters, grain and vegetables of some microelements in the rural areas of Krasnoyarsk region. It is shown, how harmless for health concentrations of arsenic, cadmium, lead, and nickel in drinking water and foodstuff are provided at migration and translocation from soil into underground waters and agricultural crops.

Key words: migration, translocation, microelements, soil, underground waters, grain crops, vegetables, water supply, agricultural lands.

Введение. Процессы миграции и транслокации из почвы в подземные воды и сельскохозяйственные растения микроэлементов определяют их концентрации в водоисточниках централизованного хозяйственнопитьевого водоснабжения, а также в зерновых культурах и овощах. Проблема является актуальной в связи с тем, что, в свою очередь, содержание микроэлементов в почве может быть обусловлено региональными природно-климатическими особенностями и техногенным загрязнением (промышленные выбросы, токсичные примеси минеральных удобрений) [1]. Показано, что крупные промышленные города за счет выбросов в атмосферу загрязняют в радиусе до нескольких десятков километров почву сельхозугодий химическими веществами, что приводит к увеличению токсичных элементов в подземных водах и производимых овощах [2-3]. Вследствие этого имеется необходимость изучения в регионах применительно к их природно-климатическим и социально-экономическим условиям связей и зависимостей между содержанием микроэлементов в почве, подземных водах и сельскохозяйственных культурах с оценкой на предмет обеспечения безопасности для здоровья населения питьевой воды и пищевых продуктов.

Цель исследований - оценка миграции и транслокации из почвы в сопредельные среды микроэлементов, включая высокотоксичные, в сельскохозяйственных районах Красноярского края.

Объекты и методы исследований. Оценка процессов миграции и транслокации микроэлементов проводилась на основе изучения количественных связей и зависимостей: между содержанием их в почве и подземных водах; почве и сельскохозяйственных культурах (зерновые, овощи). Пробы почвы, подземных вод в источниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, зерновых (пшеница, овес, ячмень), овощей (капуста, морковь) отбирались в Балахтинском, Березовском, Большемуртинском, Боготоль-ском, Емельяновском, Козульском, Манском, Назаровском и Пировском районах. Отобрано 80 проб почвы, 390 - зерновых и овощей, 260 - воды источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, в которых определялись кадмий, марганец, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец и цинк. Статистическая обработка материалов проводилась с использованием пакета программ «^аНвИоа 6,0».

Результаты исследований и их обсуждение. В почве сельскохозяйственных угодий Красноярского края в более высоких валовых концентрациях содержатся марганец, цинк, никель и медь; значительно меньше концентрации тяжелых металлов свинца, ртути, кадмия, а также мышьяка (табл. 1). При этом доли подвижных форм микроэлементов в почве значительны у никеля, мышьяка, кадмия, меди, а небольшие у марганца, цинка, свинца.

Таблица 1

Содержание микроэлементов в почвах сельскохозяйственных полей Красноярского края

Микроэлемент X ±т, мг/кг Удельный вес подвижных форм, %

Валовые Подвижные

Кадмий 0,087 ± 0,005 0,035 ± 0,004 40,2

Марганец 301 ± 16,3 16,0 ± 1,7 5,3

Медь 17,4 ± 0,8 6,9 ± 0,6 39,7

Мышьяк 0, +1 3 5, 9 0, +1 8 ,0 4, 78

Никель 23,3 ± 1,1 22,4 ± 1,6 96,1

Ртуть 0,015 ± 0,0006 - -

Свинец 10,25 ± 0,74 0,22 ± 0,019 2,1

Цинк 51,8 ± 1,6 1,3 ± 0,12 2,5

Из почвы микроэлементы в подвижных формах могут мигрировать в подземные воды. Средние концентрации в подземных водоисточниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения сельских населенных пунктов восточной и южной частей края составляют марганца - 0,01-0,32 мг/л, меди -0,004-0,08, цинка - 0,02-0,17, свинца - 0,002-0,02, ртути - 0,0001-0,0006, никеля - 0,005-0,19, кадмия -

0,0003-0,0008, мышьяка - 0,005-0,014 мг/л. Концентрации названных микроэлементов в подавляющем большинстве проб подземных вод не превышают ПДК. В то же время кадмий, мышьяк, никель и свинец относятся к веществам 1 класса опасности, обладающим канцерогенным действием и создающим при потреблении питьевой воды комбинированный канцерогенный риск.

При изучении особенностей формирования состава и концентраций микроэлементов в подземных водах установлено, что имеются прямые, сильные и средние по силе статистически достоверные связи и зависимости между концентрациями микроэлементов в подвижных формах в почве и подземных водах. Эти связи описываются уравнениями линейной регрессии (табл. 2). Из полученных уравнений регрессии следует, что при имеющихся в почвах Красноярского края концентрациях меди, мышьяка, кадмия, ртути и свинца при миграции их в подземные воды в последних обеспечиваются концентрации не выше ПДК названных микроэлементов. Что касается марганца, то его содержание в почвах может с вероятностью 16% обусловливать превышение ПДК в подземных водоисточниках. Действительно концентрации марганца в подземных водах, используемых для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, превышали ПДК в 16,7-20,4% проб.

Таблица 2

Связи и зависимости между концентрациями микроэлементов в подвижных формах в почве и подземных водах сельских районов Красноярского края

Независимая переменная (х), микроэлемент в почве, мг/кг Зависимая переменная (у), микроэлемент в подземных водах, мг/л Уравнение линейной регрессии у = а0 + агХ1, мг/л Коэффициент корреляции (Яху) Р

Марганец Марганец у = 0,0063х -0,0054 0,92 < 0,05

Медь Медь у = 0,02х-0,086 0,81 < 0,05

Мышьяк Мышьяк у = 0,0026х -0,0051 0,71 < 0,05

Кадмий Кадмий у = 0,00015 +0,0064х 0,61 < 0,05

Ртуть Ртуть у = 0,0428х -0,0004 0,88 < 0,05

Свинец Свинец у = 0,002 +0,017х 0,83 < 0,05

Транслокация из почвы в сельскохозяйственные растения микроэлементов в подвижных формах определяет их содержание в зерновых и овощах. Из данных табл. 3 видно, что в сельскохозяйственных культурах имеются более высокие концентрации марганца, меди и низкие - кадмия, мышьяка и свинца.

Таблица 3

Содержание микроэлементов в сельскохозяйственных культурах, выращенных в Красноярском крае

Микроэле- X ±т, мг/кг

мент Капуста Морковь Пшеница Овес Ячмень

Марганец 12,08 ± 1,13 10,75 ± 1,61 21,69 ± 1,60 19,21 ± 1,96 19,9 ± 3,04

Медь 2,2 ± 0,28 3,55 ± 0,29 3,41 ± 0,25 2,49 ± 0,11 3,06 ± 0,26

Кобальт 0,19 ± 0,07 0,13 ± 0,06 0,13 ± 0,02 0,11 ± 0,008 0,084 ± 0,015

Цинк 12,9 ± 0,6 8,5 ± 0,38 28,8 ± 2,6 18,8 ± 1,06 26,0 ± 3,9

Свинец 0,20 ± 0,027 0,14 ± 0,023 0,132 ± 0,011 0,195 ± 0,026 0,206 ± 0,029

Кадмий 0,016 ± 0,005 0,010 ± 0,003 0,038±0,005 0,016 ±0,004 0,017 ± 0,006

Никель 0,55 ± 0,06 0,72 ± 0,15 0,49 ± 0,05 1,64 ± 0,1 0,38 ± 0,07

Мышьяк 0,077 ± 0,005 0,045 ± 0,006 0,055±0,006 0,082 ± 0,005 0,061 ± 0,008

При этом концентрации микроэлементов 1 класса опасности мышьяка, кадмия, свинца не превышают допустимых по гигиеническим нормативам. В то же время содержание марганца в зерновых может при потреблении в соответствии с физиологическими нормами продуктов питания, приготовленных из пшеницы, ячменя и овса, обусловливать превышение допустимых суточных доз марганца (5 мг/сутки). Содержание меди, цинка и никеля в зерновых и овощах обеспечивает при потреблении приготовленных из них продуктов питания суточную потребность человека в названных микроэлементах.

Изучение особенностей транслокации микроэлементов из почвы в сельскохозяйственные культуры показало, что имеются прямые, сильные статистически достоверные связи, описываемые уравнениями линейной регрессии между концентрациями марганца, свинца, мышьяка, кадмия, никеля и меди в подвижных формах в почве, с одной стороны, и содержанием их в пшенице, овсе, ячмене, капусте и моркови, с другой стороны (табл. 4).

Таблица 4

Связи и зависимости между содержанием микроэлементов в подвижных формах в почве сельскохозяйственных угодий и концентрациями их в зерновых и овощах в Красноярском крае

Зависимая переменная (у), сельскохозяйственная культура, мг/кг Независимая переменная (х), микроэлемент в почве, мг/кг Уравнение линейной регрессии у = ао + а1  Х1, мг/кг Коэффициент корреляции ^ху) Р

Пшеница Марганец у = 8,48 + 0,86х 0,80 < 0,05

Свинец у = 0,078 + 0,308х 0,77 < 0,05

Мышьяк у = 0,04х - 0,12 0,74 < 0,05

Ячмень Марганец у = 1,7х - 2,17 0,96 < 0,05

Свинец у = 0,063 + 1,373х 0,83 < 0,05

Кадмий у = 2,0х - 0,039 0,71 < 0,05

Мышьяк у = 0,048х - 0,151 0,83 < 0,05

Никель у = 0,08х - 1,37 0,95 < 0,05

Овес Марганец у = 1,58х - 3,45 0,91 < 0,05

Свинец у = 0,056 + 1,25х 0,58 0,05

Никель у = 0,1 82х - 3,5 0,95 < 0,05

Капуста Марганец у = 0,84 + 0,53х 0,81 < 0,05

Медь у = 0,11 + 0,31х 0,96 < 0,05

Свинец у = 0,048 + 0,802х 0,79 < 0,05

Кадмий у = 1,6х - 0,024 0,91 < 0,05

Морковь Мышьяк у = 0,012 + 0,013х 0,89 < 0,05

Кадмий у = 0,7х - 0,008 0,67 < 0,05

Никель у = 0,9х - 19,4 0,87 < 0,05

Из уравнений регрессии следует, что за счет транслокации влияние содержания в почве микроэлементов в подвижных формах на концентрации в зерновых может составлять марганца 64-83%, свинца -

34-69, мышьяка - 55-69, никеля - 90%, в овощах - кадмия 45-83%. Доли вклада транслокации подвижных форм микроэлементов в почве и концентрации их в сельскохозяйственных культурах могут достигать марганца 62-92%, свинца - 46-83, мышьяка - 23-81, кадмия - 44-68, никеля - 14%.

В отношении транслокации заслуживают внимания данные о связях и зависимостях ряда микроэлементов в зерновых культурах, выращиваемых в Красноярском крае. Из данных табл. 5 видно, что имеются прямые, сильные статистически достоверные связи между концентрациями в зерновых свинца, с одной стороны, и кадмия, никеля, марганца, с другой стороны. Отмечаются прямые, сильные и средние по силе статистически достоверные связи между содержанием кадмия, с одной стороны, и никеля, марганца, цинка - с другой, между концентрациями цинка и марганца, никеля, меди.

Таблица 5

Связи и зависимости между содержанием микроэлементов в зерновых Красноярского края

Зависимая переменная (у), микроэлемент в зерновых, мг/кг Независимая переменная (х), микроэлемент в зерновых, мг/кг Уравнение линейной регрессии у = а0 + а1  х1, мг/кг Коэффициент корреляции (Рху) Р

Свинец Кадмий у = 0,072 + 8,72х 0,78 < 0,05

Никель у = 0,75х - 0,051 0,91 < 0,05

Марганец у = 0,039х - 0,18 0,92 < 0,05

Кадмий Никель у = 0,003 + 0,059х 0,80 < 0,05

Марганец у = 0,003х - 0,007 0,78 < 0,05

Цинк у = 0,019 + 0,002х 0,60 < 0,05

Цинк Марганец у = 0,73х - 1,33 0,65 < 0,05

Никель у = 1,07 + 14,3х 0,66 < 0,05

Медь у = 9,65х - 5,94 0,96 < 0,05

При этом влияние концентраций одних микроэлементов на концентрации других микроэлементов в зерновых колеблется в пределах 36-92%. Установленные зависимости свидетельствуют об единых механизмах транслокации микроэлементов из почвы в зерновые культуры и дают возможность управлять процессами формирования микроэлементного состава зерновых культур.

Заключение. Таким образом, техногенно и природно обусловленное содержание микроэлементов в почвах сельскохозяйственных угодий Красноярского края определяется за счет миграции и транслокации в подземные воды, зерновые культуры и овощи с концентрацией в них ряда чрезвычайно опасных веществ 1 класса опасности (свинец, мышьяк, ртуть, кадмий, никель), обладающих канцерогенным действием, а также веществ, необходимых для нормального функционирования ферментных систем организма человека (медь, цинк, марганец). При сложившемся уровне содержания данных микроэлементов в почвах Красноярского края их концентрация, за исключением марганца, в подземных водоисточниках централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, зерновых продуктах и овощах соответствует требованиям гигиенических нормативов. Процессы миграции и транслокации микроэлементов из почвы в подземные воды и сельскохозяйственные культуры должны учитываться при применении минеральных удобрений.

Литература

1. Волошин Е.И. Микроэлементы в агроценозах Красноярского края / Краснояр. гос. аграр. ун-т. -Красноярск, 2006. - 288 с.

2. Зайцев В.И., Михайлуц А.П. Гигиеническая оценка загрязнений окружающей среды при многолетней эксплуатации сосредоточенных химических предприятий. - Кемерово, 2001. - 195 с.

3. Куркатов С.В. Гигиенические и медико-социальные проблемы обеспечения санитарноэпидемиологического благополучия населения Красноярского края: автореф. дис. ... д-ра мед. наук. -Кемерово, 2004. - 45 с.

---------♦'----------