Оценка качества урбанизированных территорий (на примере г. Павлодара) и прогнозирование экологической безопасности среды обитания 03. 00. 16 экология
| Вид материала | Автореферат |
- Пространственно-временная структура и динамика орнитофауны урбанизированных территорий, 311.13kb.
- Методическое пособие "Здоровье населения и окружающая среда" Раздел в системе "Социально-гигиенического, 560.42kb.
- Аннотация программы учебной дисциплины "Контроль среды обитания" Цели и задачи дисциплины, 23.66kb.
- Экологические проблемы урбанизированных территорий на примере города Санкт-Петербурга, 187.38kb.
- Космический мониторинг и оценка риска затопления урбанизированных территорий в периоды, 297.34kb.
- Понятие среды обитания и виды ее загрязнения, 246.96kb.
- «Оценка факторов среды обитания и здоровья населения муниципального образования Красноярского, 13.68kb.
- Программа XII международной экологической студенческой конференции мэск-2007 экология, 261.29kb.
- Тема урока: «Среда обитания организмов. Экологические факторы» Цели и задачи урока:, 137.7kb.
- Сведения об организации охраны окружающей среды и экологической безопасности, 15.04kb.
Экспресс-оценка отдаленных последствий влияния загрязнителей на человека. Проблема защиты здоровья населения от негативных последствий техногенной деятельности в настоящее время становится особенно острой, т.к. отмечено общее нарушение приспособительных функций человека и возросший уровень т.н. экологически зависимых заболеваний. В целом современный г. Павлодар представляет собой огромную техногенную геохимическую аномалию, что, несомненно, отражается на состоянии здоровья человека. Анализ на содержание микроядер (МЯ) в эритроцитах периферической крови человека, широко используется в странах Европейского Союза и Японии как обязательный тест при токсикологических исследованиях. Микроядра – правильные, округлой формы, интенсивно окрашивающиеся в красновато-фиолетовый цвет тельца, в основном располагаются единично по периферии эритроцитов. Микроядра могут быть результатом как структурных, так и численных хромосомных аберраций и используются в качестве индикатора этих нарушений, возникающих под воздействием антропогенных загрязнителей, и свидетельствуют о недостаточной эффективности защитных свойств организма. Превышение спонтанного уровня МЯ (более 40/00) свидетельствует о каких-либо аномалиях, нарушениях в здоровье человека или составе крови [Ильинских и др., 1988].
Среди обследованного контингента (451 чел.) микроядра в норме (менее 40/00) установлены у 277 чел., т.е. 61,4%. Аномальное количество МЯ (выше 40/00) отмечено у 174 чел. (38,6%), в т.ч. высокое содержание МЯ – у 152 чел. (14,6%) и очень высокое – у 22 чел. (4,9%).
Накопления микроядер выше нормы наблюдается в возрастных группах неодинаково. В двух младших возрастных группах – менее 30% выборки, в юношеской – рост до 35,2%, максимально – в 1 зрелой (62%), в пожилой и старческой – 50,9% и 45% соответственно (таблица 8).
Таблица 8 - Содержание микроядер выше нормы (> 40/00) по возрастам, %
| МЯ | Возраст (лет), по классификации А.Г.Хрипковой [1978] | ||||||
| 1-12 детский | 13-16 подростк. | 17-21 юношеский | 22-35 зрелый,1 | 36-55 зрелый,2 | 56-74 пожилой | 75-89 старч. | |
| Высокое | 22,4 | 27,5 | 31,5 | 48,0 | 33,7 | 34,5 | 45,0 |
| Очень высокое | - | - | 3,7 | 14,0 | 2,3 | 16,4 | - |
| Всего | 22,4 | 27,5 | 35,2 | 62,0 | 36,0 | 50,9 | 45,0 |
| Примечания: МЯ - количество микроядер в 1 000 эритроцитах периферической крови; высокое (5-120/00); очень высокое (13-180/00). | |||||||
Анализ выборки возрастных групп по соотношению здоровых и аномальных (МЯ > 40/00) клеток выявил в целом благополучную ситуацию (1: 0,6). Однако внутри отдельных возрастных групп отмечена тенденция увеличения аномальных клеток с возрастом. В детском, подростковом и юношеском возрасте нормальное содержание МЯ преобладает над повышенным – от 1:0,4 до 1:0,5. В первой группе зрелого возраста (22-35 лет) клетки с аномальным количеством МЯ встречаются чаще всего, т.е. 1:1,6.
В аспекте половой дифференциации интересен факт аналогичного соотношения норма/патология как 1:0,6 у мужчин и у женщин. Однако, внутри возрастных групп этот показатель разный. У мальчиков и девочек детского возраста частота появления МЯ одинаковая 1:0,3. У мальчиков-подростков МЯ отмечены чаще, чем у девочек - 1:0,5 и 1:0,3 соответственно. У девочек юношеского возраста отмечен рост частоты МЯ – 1:0,6. В первом зрелом возрасте и у мужчин, и у женщин проявление аномальных клеток достигает наивысшего значения - 1:1,2 и 1:2,1 соответственно.
Проведен анализ накопления микроядер у обследованных людей по возрастным категориям с учетом пола. В целом по выборке (451 чел.) соотношение полов составило 1:1. Накопления МЯ выше нормы отмечено у 39,2% мужчин и 42,4% женщин в целом по выборке. У женщин аномальные клетки выше спонтанного уровня чаще встречаются, начиная с юношеского возраста, пик аномальных клеток наблюдается в 1 взрослом возрасте (67,9%) и устойчиво высокий уровень (50%) – в пожилом и старческом возрасте.
У мужчин заметен резкий скачок накопления аномальных эритроцитов в 1-м взрослом возрасте (54,5%) и сохранение высокого уровня (40-52%) во 2-м взрослом, пожилом и старческом возрасте.
В нашем исследовании учитывали не только возрастные и половые различия, но и профессиональную деятельность. Обследованных мужчин по роду их деятельности разделили на четыре категории, это лица, работающие на тяжелом производстве, подвергающиеся воздействию экстремальных трудовых нагрузок и вредных веществ; работающие в условиях, близких к комфортным и мало подвергающиеся воздействию трудовых нагрузок; безработные (лица, которые находятся без работы более 1 года и не имеют постоянной работы); пенсионеры – лица, которые вышли на пенсию по выслуге лет и по состоянию здоровья. Преимущественное накопление МЯ отмечено у мужчин, занятых на тяжелом производстве (65,9%).
В выборке из 84 женщин в возрасте от 36 до 55 лет, у 65 женщин (77,4%) отмечены незначительные структурные изменения в клетках крови и накопление микроядер в рамках нормы 0-40/00 Высокое содержание от 5 до 12 микроядер наблюдается у 33 (39,3%) женщин. Среди обследованных - не беременные женщины - 70 (83,3%), из которых у 26 (37,1%) женщин - повышенное содержание МЯ. Таким образом, нами установлена тенденция резкого накопления МЯ в возрасте 22-35 лет (1 взрослый) как у мужчин (54,5%), так и у женщин (67,9%). Далее в пожилом и старческом возрасте повышенное содержание МЯ сохраняется у 40-50% лиц обоих полов.
Показатель наличия микроядер в клетках крови человека рассмотрен также в аспекте распределения по территории г. Павлодара (таблица 9).
Таблица 9 – Содержание микроядер у человека по участкам города (237 чел.)
| Участок | Кол-во лиц с МЯ выше нормы | Кол-во лиц с МЯ, % | |||
| абс. | % | Н | В | О/В | |
| 1 | 29 | 53,7 | 46,3 | 46,3 | 7,4 |
| 2 | 9 | 39,1 | 60,9 | 39,1 | - |
| 3 | 20 | 38,5 | 61,5 | 34,6 | 3,9 |
| 4 | 14 | 33,3 | 66,7 | 30,9 | 2,4 |
| 5 | 11 | 36,7 | 63,3 | 26,7 | 10 |
| 6 | 14 | 38,9 | 61,1 | 33,3 | 5,6 |
| Итого | 97 | 41 | 59 | 36 | 5 |
| Примечания: Н – норма (0-40/00); В – высокое (5-120/00); О/В – очень высокое (13-180/00). | |||||
Показатель повышенного содержания МЯ по участкам города представляет ряд: 1>2>6>3>5>4. Наиболее неблагополучным является I участок, где 53,7% обследованных лиц имеют повышенное содержание микроядер (выше 40/00). Участки 6, 3 и 2 характеризуются одинаково высоким показателем МЯ (38-39%). Данные участки граничат с северной (1 и 2 участки) и восточной (6 участок) промышленными зонами города.
Таким образом, в целом по всей территории города отмечен высокий уровень накопления МЯ (41%), что может являться опосредованной цитогенетической реакцией организма человека на длительное негативное влияние эмиссий со стороны промышленных зон г. Павлодара, а также Экибастузских золоотвалов и Аксуского ферросплавного завода, переноса загрязняющих веществ по руслу р. Иртыш от предприятий Восточно-Казахстанской области.
Анализ заболеваемости детского населения г. Павлодара. Анализ данных при выкопировке медицинских карт учащихся из средних учебных заведений г. Павлодара (2006 г.) позволил проследить общую динамику заболеваемости по основным группам болезней. Отмечен высокий уровень заболеваний: центральной нервной системы – 90,8 на 1000 детей; сколиоза - 67,7; патологии органов зрения – 45. В меньшей степени выражены желудочно-кишечные заболевания (26,2), заболевания органов дыхания (22,7) и органов сердечно-сосудистой системы (7,3).
Нами проведен анализ структуры заболеваемости детей из 38 школ г. Павлодара с учетом их территориального расположения (рисунок 11). В северной части города (1 и 2 участки) наиболее распространены болезни органов желудочно-кишечного тракта (33), болезни органов дыхания (37), патология органа зрения (69) и сколиоз (100). У детей, проживающих в южной части города (5 и 6 участки) выявлен высокий показатель болезней сердечно-сосудистой системы (20). Максимальные показатели болезней органов дыхания, болезни центральной нервной системы установлены у детей из западной части города. В восточной части города (2 и 4 участки) максимально выражены - заболевания желудочно-кишечного тракта (33), патология органов зрения (69) и сколиоз (100).
Рисунок 11 - Распространение заболеваний у школьников г. Павлодара
Примечания: ось ординат - заболеваемость на 1000 детей; ось абсцисс – распределение по участкам.
При ранжировании данных показателей выделены участки города с максимальным уровнем заболеваемости (таблица 10).
Таблица 10 - Ранжирование участков г. Павлодара по заболеваемости детей
| Ранг | Участок города | Преобладающая заболеваемость |
| 6 | Северо-западный | Болезни органов дыхания |
| 2 | Северо-восточный | Болезни желудочно-кишечного тракта; Патология органа зрения; Нарушение осанки; сколиоз |
| 1 | Западный | Болезни центральной нервной системы |
| 5 | Восточный | Болезни желудочно-кишечного тракта |
| 4 | Юго-западный | Болезни центральной нервной системы |
| 3 | Юго-восточный | Болезни сердечно-сосудистой системы |
По итогам популяционно-статистического анализа нами установлена корреляционная зависимость между содержанием химических элементов в волосах и нозологическими заболеваниями у детей школьного возраста. Применение множественного корреляционно-регрессионного анализа (коэффициент корреляции Пирсона - r, индекс детерминации - R2) выявило высокую корреляционную связь между уровнем содержания скандия и патологией центральной нервной системы (r=0,88; R2=0,77; p<0,05); заметную корреляционную связь между содержанием в волосах рубидия (r=0,80; R2=0,64; p<0,05), ртути (r=0,78; R2=0,61; p<0,05), железа (r=0,77; R2=0,59; p<0,05) и патологией нервной системы. Также отмечена весьма высокая, высокая и заметная корреляционная связь между содержанием цинка (r=0,97; R2=0,94; p<0,05), тория (r=0,86; R2=0,74; p<0,05), бария (r=0,74; R2=0,55; p<0,05) и сколиозом.
Ранжирование в сравнительном аспекте накопления химических элементов (Кс) в различных природных средах и показателя заболеваемости детей школьного возраста выявило положительную выраженную связь между ними. Наиболее неблагополучными районами являются северо-восточный и западный (рисунок 12).
Рисунок 12 - Тенденция взаимосвязи показателей здоровья детей и химической трансформации окружающей среды на территории г. Павлодара
Примечания: ось ординат – ранг по показателю здоровья; ось абсцисс – участки города.
В разделе 5 Обсуждение результатов исследования приведен сравнительный анализ литературных данных с собственными результатами исследования состояния урбоэкосистемы г. Павлодара. Анализ качества окружающей среды с помощью индикаторных биосубстратов позволяет судить о биологическом воздействии антропогенных стрессоров с новой стороны, недоступной методам, связанным с физическими или химическими изменениями в природе. При этом удается устанавливать долгосрочные тенденции и буферную способность биологических систем в отношении разнообразных и большей частью одновременно действующих нарушающих факторов. С позиций экологического нормирования, т.е. определения допустимого предела нарушения природной среды до сохранения ее способности к самовосстановлению при данном уровне природопользования, качество природной среды г. Павлодара, по нашему мнению, соответствует средней степени экологического неблагополучия согласно классификации Т.А.Трифоновой [2005].
Установлена специфика участков города по накоплению химических элементов в различных средах (снег, органы и ткани растительных и животных объектов, волосы человека), по проявлению повышенной стерильности пыльцы трав, форм нозологий у детского населения (патологии центральной нервной системы, органа зрения, органов дыхания, сколиоз). Отмечена высокая корреляционная связь токсичных элементов в субстратах: снег (Cr, Ba, Cs, Rb), листья (Cr, Co, Sb, Sr, Ba, U), волосы (Sc, Zn, Rb, Sb, Th, Se, Sr). Специфичность накопления в биологических тест – объектах токсичных химических элементов позволяет использовать их в качестве экспресс - индикаторов состояния окружающей среды.
Полученные данные об уровнях накопления металлов изученными биоиндикаторными организмами вносят вклад в понимание их роли в миграции ХЭ и формировании качества ОС. Полученные новые факты вошли в базу данных для анализа участия биоты (комплекса организмов) в самоочищении природной среды и улучшении ее качества, что существенно для экологической безопасности городской среды.
Показатели здоровья и химической трансформации окружающей среды проявили аналогичную картину распределения. Наиболее неблагополучные - северо-восточный, юго-западный и западный участки, что, по-видимому, связано с эмиссией техногенных выбросов промышленных зон гг. Павлодара, Экибастуза, Аксу и трансграничным переносом загрязняющих веществ по р. Иртыш. Разработанная схема оценки риска влияния факторов городской среды включает нормативные геохимические и биологические показатели для экологического зонирования территории промышленного центра на примере г. Павлодара. Результаты по закономерностям накопления и миграции ТМ в окружающей среде, в органах и тканях тест-объектов, индукции генетических изменений (флуктуирующая асимметрия растений, стерильность пыльцы, микроядра в крови и экозависимая заболеваемость человека) рекомендованы как критерии оценки качества урбоэкосистемы в изменяющихся условиях. В целом, использованная система биоиндикационных методов и показателей рекомендуется как экспериментально-апробированная модель для проведения долгосрочного биоэкологического мониторинга и прогнозирования экологической безопасности промышленного города. Установленный уровень накопления ХЭ в биосубстратах, превышение фоновых значений для выбранных биоиндикаторов и проявление некоторых экологически зависимых заболеваний у детей позволяют прогнозировать потенциальный риск в целом для здоровья населения.
Заключение
Окружающая среда г. Павлодара подвержена природной и техногенной трансформации, что подтверждается результатами проведенных биоиндикационных исследований (асимметрия листьев, стерильность пыльцы травяных растений, жизненное состояние массовых видов деревьев, элементный состав биосубстратов, накопления микроядер в клетках крови человека), которые существенно отличаются от фоновых региональных и биосферных параметров. Накопление поллютантов (элементов 1-3 класса опасности) как в почвогрунтах, так и в биосубстратах, носит неравномерный, локально-очаговый характер на территории г. Павлодара.
1 Краткие выводы по результатам диссертационных исследований:
1. Установлена методами физико-химического анализа закономерность распределения токсичных элементов в системе «почвогрунты-растения-животные-человек». Накопления исследованных металлов представляют геохимические ряды (по Кс): в почвогрунте (Pb30 > Cd20 > Zn15,8 > Cu1,7), в листьях березы повислой (Zn1,9 = Cu1,9 > Cd1,7 > Pb1,2) и тополя черного (Cr21,6 > Sb8,2 > Zn6,7 > Ba1,7 > Co1,5 > Sr1,1), в органах и тканях мыши домовой (Cd7,0 > Cu2,2 > Pb1,8 > Zn1,4) и в волосах человека (Rb68,0 > Zn4,3 > Se2,6 > Hg2,5). Выявлена геохимическая специфика элементов высокой токсичности в рассмотренных биосубстратах на территории г. Павлодара.
2. Выявлено угнетение жизненного состояния массовых видов древесной растительности (47,6%), рост флуктуирующей асимметрии листьев (по фенологическим и морфологическим показателям) до Кс=1,3-1,4; патология развития, составляющие ряд экологической устойчивости - «береза повислая > тополь черный> сосна обыкновенная > клен ясенелистный > вяз приземистый».
3. Установлено в периферической крови человека аномальное увеличение частоты клеток с микроядрами (выше 4 0/00) у 38,6% обследованных, аномалии пыльцы у травяных растений (Кс=15,3-18,6), свидетельствующие о потенциальной генетической опасности загрязнителей среды.
4.Установлены закономерности пространственного распределения токсичных элементов и биологических показателей растений и животных в различных компонентах природной среды. Наиболее экологически неблагополучные участки изученной урбоэкосистемы: северо-восточный, юго-западный и западный. Дана оценка качества окружающей среды урбоэкосистемы г.Павлодара как средняя степень экологического неблагополучия.
5.Выявлена территориальная приуроченность заболеваний и нозологические формы детского населения в условиях техногенной нагрузки: западный участок (болезни центральной нервной системы) > северо-восточный участок (болезни желудочно-кишечного тракта; патология органа зрения; нарушение осанки; сколиоз) > юго-восточный участок (болезни сердечно - сосудистой системы) > юго-западный участок (болезни центральной нервной системы) > восточный участок (болезни желудочно-кишечного тракта) > северо-западный участок (болезни органов дыхания).
6. Предложена экспериментально апробированная схема оценки риска влияния факторов городской среды (на модели г. Павлодара) и прогнозирования экологической безопасности. Установлены допустимые критерии уровня накопления токсичных элементов в компонентах системы «почва-растения-животные-человек». Разработаны и внедрены практические рекомендации по использованию результатов исследования при организации биоэкологического мониторинга.
2 Оценка полноты выполнения поставленных задач
При выполнении исследований установлено накопление токсичных элементов 1-3 класса опасности в системе «почвогрунты – растения – животные - человек». В сравнительном плане рассмотрены биотические компоненты природной среды урбоэкосистемы г. Павлодара и выявлены отклонения их характеристик от фоновых показателей. Впервые для данной городской среды установлен локально-очаговый характер распределения токсичных элементов, приведены картосхемы зонального распределения ТМ в почве и биосубстратах (растения, животные, человек). В работе выдержана логическая последовательность изложения результатов в соответствии с поставленными целью и задачами.
3 Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов
В результате проведенного системного исследования урбоэкосистемы г. Павлодара дана оценка ее качества, т.е. реальной экологической ситуации. Описанные механизмы накопления, трансформации токсичных элементов в органах и тканях растений, животных и человека позволяют прогнозировать реальные пути их миграции в биотической цепи. Выявленные закономерности накопления элементов в волосах детей, микроядер в клетках крови человека, а также территориальная приуроченность заболеваемости детей позволяют оценить реальную опасность для здоровья населения г. Павлодара.
Суммируя все эти данные можно констатировать, что подобная схема, разработанная и апробированная нами на примере модели г. Павлодара, позволяет проводить оценку реальной и потенциальной опасности техногенного воздействия на урбоэкосистему в целом и здоровье городского населения. Это позволило дать конкретные рекомендации для служб экологического мониторинга и природоохранных учреждений города, наряду с применением современных технологий в промышленной среде, активно внедрять биоиндикационный метод в мониторинг городской среды обитания. Экспериментально апробированная нами модель-схема, учитывающая необходимые экономические затраты, может быть успешно использована при оценке качества среди урбоэкосистем и прогнозировании экологической безопасности населения в других регионах Казахстана.
Результаты диссертационной работы отражены в многочисленных публикациях (более 60) и практическом руководстве по диагностике болезней и защите древесных растений Павлодарской области (2005), а также апробированы в хоздоговорных природоохранных проектах, успешно выполненных в 1998-2009 гг. по заказу Департамента природных ресурсов и рационального природопользования Павлодарской области.
4 Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области
Данное системное исследование является чрезвычайно актуальным для урбанизированных территорий, т.к. позволяет с помощью предложенной методологии биоиндикационного анализа оценить реальное качество природной среды и степень потенциальных экологических рисков для окружающей среды обитания и здоровья человека. В настоящей работе, в отличие от аналогичных исследований, проведенных на окружающей среде, дана оценка внешних воздействий на биоту, здоровье населения, т.е. последствий влияния на биотическую среду. Научный уровень представленной диссертации соответствует современным международным стандартам биоэкологических мониторинговых исследований. Высокий научно-методический уровень достигнут использованием обширной теоретической базы литературных источников, а также привлечением современных инструментальных методов физико-химического анализа и чувствительных нетрудоемких биоиндикационных тест-объектов. Данное научное направление актуально и перспективно для решения такой крупной прикладной проблемы как оценка рисков и прогнозирование экологической безопасности промышленных центров Республики Казахстан.