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.
УДК 504. 054 (574) На правах рукописи
Шаймарданова Ботагоз Хасымовна
Оценка качества урбанизированных территорий
(на примере г. Павлодара) и прогнозирование экологической
безопасности среды обитания
03.00.16 - экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Республика Казахстан
Алматы, 2010
Работа выполнена в Павлодарском государственном
педагогическом институте
| Научный консультант | доктор биологических наук, профессор Бигалиев А.Б. |
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук, профессор Исаева А.У. |
| | доктор биологических наук, профессор Бабенко А.С. |
| | доктор биологических наук, профессор Брагина Т.М. |
| Ведущая организация | Казахский национальный аграрный университет |
Защита состоится 19 ноября 2010 г. в 14.00 час. на заседании объединенного диссертационного совета ОД 53.24.01 при РГП «Институт микробиологии и вирусологии» Комитета науки Министерства образования и науки РК по адресу: 050010, г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 103
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГП «Институт микробиологии и вирусологии» Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан
Автореферат разослан «_______» октября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук Бекмаханова Н.Е.
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Работа посвящена разработке схемы комплексной оценки качества среды урбоэкосистемы с использованием современных и нетрудоемких при анализе биоиндикационных показателей. На основе системного биоэкологического мониторинга городской среды и учета многофакторных корреляционных связей возможно прогнозирование экологической безопасности среды обитания промышленного города (на примере г. Павлодара).
Актуальность проблемы
Уровень активной техногенной нагрузки на городскую природную среду в промышленных центрах увеличивает степень экологического риска в целом для населения. Многофакторное антропогенное влияние на окружающую среду становится все более интенсивным и масштабным. Неблагоприятные факторы внешней среды, как природные, так и антропогенные, воздействуют на качество здоровья населения, вызывая сложный спектр ответной реакции организма: присутствие загрязнителей в органах и тканях, субклиническая патология, заболеваемость, смертность. В связи с этим биологический мониторинг за уровнем содержания химических элементов в урбоэкосистемах, состоянием биоты, в т.ч. здоровье населения, приобретает исключительное значение. Использование растений и животных как биоиндикаторов для оценки качества среды, позволяет вычленить воздействие неблагоприятных экологических факторов природного и техногенного происхождения.
В условиях существующего мощного антропогенного пресса, выбросов в течение 50 лет от комплекса предприятий угольной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей промышленности, возросшего автотранспортного парка в г. Павлодаре здоровье населения испытывает достаточно сильное воздействие. Особенно важным становится изучение реакции биоты как приближенной к человеку модели профилактического воздействия, и в первую очередь, токсичных элементов – тяжелых металлов. Это и обусловило актуальность проведения комплексного экологического исследования, отражающего реакцию биоты и человека, результаты которого могут быть использованы в природоохранной работе и оздоровительных мероприятиях в Павлодарской области.
Цель работы - оценка степени трансформации урбоэкосистемы химическими элементами-загрязнителями и разработка научных основ экологической безопасности городской среды в условиях техногенной нагрузки (на примере г. Павлодара).
Определены задачи:
1. Оценить уровень накопления тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu) в системе «почвогрунты – растения – животные - человек».
2. Дать сравнительную оценку состояния биотических компонентов городской среды.
3. Определить пространственное распределение (зональность) токсичных элементов в различных компонентах окружающей среды: почва - биосубстраты (растения, животные, человек).
4. Изучить проявление экозависимых заболеваний у детского населения в условиях техногенной нагрузки.
5. Разработать схему оценки ожидаемых последствий влияния комплекса загрязнителей на биоту (и человека) в условиях урбоэкосистемы.
Научная новизна
В диссертационной работе представлены оригинальные данные по накоплению токсичных элементов на разных уровнях пищевой цепи, а также морфологические отклонения (стерильность пыльцы, асимметрия листьев), фенологические реакции (внешние проявления неблагополучия жизненного состояния городского древостоя, фитопатология) в системе почва-растения-животные-человек.
Впервые использован комплекс биоиндикационных, геохимических и количественных показателей на биосубстратах (растения, мышевидные грызуны, кровь человека, волосы детей) в оценке качества природной среды урбоэкосистемы г. Павлодара. Приведены экспериментальные данные, характеризующие различные аспекты состояния природной среды, в т.ч. и здоровья человека: увеличение аномалии эритроцитов в виде микроядер по сравнению со спонтанным уровнем и динамика экозависимых заболеваний.
Впервые сопоставлены различные факторы воздействия окружающей среды и дана комплексная оценка реальной экологической ситуации: от выбросов загрязняющих веществ до проявления ответной реакции биоты, в.т.ч. человека. Определен и использован комплекс биоиндикационных показателей для оценки текущего состояния и прогнозирования последующей трансформации системы почва-растительность-животные-человек, имеющие теоретическое и практическое значение для нормирования техногенных нагрузок и экологического районирования территорий урбоэкосистем.
Автором впервые изучено накопление широкого спектра элементов (26) в составе волос человека (дети 12-14 лет) и растительном биосубстрате (листья Populus nigra) в разной степени техногенно трансформированной природной среде Павлодарской области. Установлены уровни накопления токсичных элементов для выделения на территории города участков экологического неблагополучия для биоты. Проведена конкретная дифференциация зоны исследования и выделены зоны риска на территории г. Павлодара.
Биогеохимический анализ накопления металлов в приземном слое атмосферы (косвенная оценка по загрязнению снежного покрова) и почвенном покрове, а также в биосубстратах (растения, животные, волосы детей) позволил выделить металлы (Zn, Hg, Sе, Rb) в качестве индикаторов зонирования. Варьирование их содержания является показателем экологической напряженности в природной среде на территории г. Павлодара.
Использование комплекса биоиндикационных показателей (жизненное состояние деревьев, асимметрия листьев, стерильность пыльцы) растительного компонента, биосубстратов (ткани органов, кровь) животных и человека и элементного состава биотических компонентов (листья деревьев, волосы человека) урбоэкосистемы позволили выделить наиболее экологически неблагополучные участки (зоны) природной среды города. Выработаны нормативные геохимические и биологические показатели для экологического зонирования территории промышленного центра на примере г. Павлодара.
Положения, выносимые на защиту
- Доказательства техногенной трансформации урбоэкосистемы г. Павлодара, выявленные в виде: флуктуирующей асимметрии листьев и стерильности пыльцы растений, изменения показателей жизненного состояния массовых видов деревьев, изменения элементного состава биосубстратов, увеличения частоты микроядер в клетках крови человека и закономерности накопления и миграции поллютантов в системе «почва - растения - животные - человек».
- Картосхемы зонирования территории урбоэкосистемы путем выделения наиболее экологически неблагополучных участков по результатам биоиндикации.
- Результаты цитогенетического и элементного анализа как критерий оценки экологически зависимых заболеваний у детей школьного возраста и взрослого населения в условиях длительного техногенного воздействия.
- Установленные коррелятивные связи между уровнем заболеваемости человека и степенью трансформации компонентов среды обитания, разработка методологических основ (схема) оценки качества природной среды и прогнозирования экологического риска.
Апробация практических результатов
Основные результаты диссертации докладывались на международных научно-практических конференциях: «Новые информационные технологии в решении проблем производства, строительства, коммунального хозяйства, экологии, образования, управления и права» (Пенза, РФ, 2001); «Third Annual Conference of the Central Eurasian Studies Society», University of Wisconsin-Madison, (USA, 2002); «Russia’s Environment: Prospects and Possibilities», Miami University. Oxford, Ohio (USA, 2002); «Урбанизация и номадизм в Центральной Азии: история и проблемы» (Алматы, 2003); «Актуальные проблемы экологии» (Караганда, 2003), «Влияние экологической ситуации в регионе на здоровье и социально-экономическое положение женщин» (Павлодар, 2004); «Науковий потенциал свiту - 2006» (Днiпропетровськ, Украина, 2006); «Экологическая безопасность урбанизированных территории в условиях устойчивого развития» (Астана, 2006, 2008); «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, 2006, 2008, 2009, 2010); «Проблемы сохранения и изучения культурного и природного наследия Прииртышья» (Павлодар, 2008); «Архитектура и строительство в новом тысячелетии» (Алматы, 2008); «Биологическое разнообразие и устойчивое развитие природы и общества», КазНУ им. аль-Фараби (Алматы, 2009); «Современные проблемы науки, образования и производства» (Нижний Новгород, РФ, 2009); «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте’2009» (Одесса, 2009); «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» (Тюмень, РФ, 2009); интернет-конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании‘2009» (Одесса, 2009.) «Экологический мониторинг и биоразнообразие» (Ишим, РФ, 2009); «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2009).
Практическая ценность работы
Установлены приоритетные химические элементы (токсиканты) как индикаторные загрязнители для оценки качества урбоэкосистемы г. Павлодара.
Составлены картосхемы распределения элементов в составе биосубстратов (растения, животные, человек) на территории г. Павлодара. Выделенные экологически неблагополучные участки рекомендованы природоохранным структурам г. Павлодара для организации практического восстановления природной среды. Предложены региональные показатели элементного состава листьев тополя и волос детей для оценки качества природной среды. Создана база данных, включающая показатели содержания 26 химических элементов в биосубстратах (растения, человек), которые могут быть использованы в качестве референтных значений не только в изучаемом регионе, но и в Республике Казахстан в целом. Разработанный комплекс биоиндикационных методов позволяет использовать его для проведения биоэкологического мониторинга.
Работа выполнена в рамках научной темы «Биоэкологический мониторинг урбоэкосистемы г. Павлодара» (2005-2009 гг.) по плану НИР Павлодарского государственного педагогического института. Результаты работы востребованы и получили реализацию в природоохранных проектах Департамента санитарно-эпидемиологического надзора Павлодарской области и Иртышского департамента экологии МООС в 1999-2009 годах (приложение И, акты внедрения). Результаты данного исследования включены как иллюстрационно – учебный материал в курсы лекций и для проведения практических занятий по дисциплинам «Экология и устойчивое развитие», «Экологическая биология» и «Экология региона», а также «Экотоксикология», «Геоэкология», «Геохимия окружающей среды» и «Геоэкологический мониторинг».
Личный вклад автора заключается: в выборе задач и способов их решения, обосновании научных положений, подборе комплекса биоиндикационных методов для системного анализа качества природной среды урбоэкосистемы г. Павлодара, постановке экспериментальной части исследования, статистической обработке и анализе первичных данных, интерпретации полученных результатов.
Публикации. Материалы диссертационной работы отражены в 60 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и списка использованных источников, включающего 423 наименования. Общий объем работы составляет 257 страниц. Работа иллюстрирована 83 таблицами, 79 рисунками и 8 приложениями.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту профессору, д.б.н. Бигалиеву Айтхаже Бигалиевичу.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Данное исследование направлено на реализацию принципов устойчивого развития и экологической безопасности в соответствии с долгосрочной Стратегией развития Казахстана до 2030 года, в которой одним из главных приоритетов развития на ближайшие двадцать лет определено в одном ряду с улучшением условий и повышением уровня жизни казахстанцев, также и стабилизация качества состояния окружающей среды, сохранение природных ресурсов для будущих поколений.
Во введении определены актуальность работы, цель и задачи исследования, подходы и способы их реализации. В рамках биоэкологического мониторинга осуществляются системные наблюдения за изменениями состояния окружающей среды в природно-антропогенных экосистемах, которые позволяют оценивать и прогнозировать изменения природной среды в целом и ее биотических компонентов под влиянием воздействующих факторов.
Раздел 1 Обзор литературы. Приведен анализ отечественной и зарубежной литературы по проблеме мониторинга качества среды на урбанизированных территориях. Рассмотрены основные методологические подходы и классификации, параметры и уровни мониторинга. Показана чрезвычайная актуальность проведения крупномасштабных исследований состояния урбоэкосистем как ноосферной компоненты среды обитания биоты.
Установлено, что производственные условия могут влиять на изменение геохимических особенностей территорий, как на локальном уровне, так и в региональном и глобальном масштабах [Виноградов, 1972 и др.]. Данные литературы свидетельствуют, что в отдельных регионах, характеризующихся избыточным содержанием химических элементов, формируются техногенные геохимические провинции [Сает и др.,1990; Жук и др., 1991; Ермаков, 2008; Рихванов, 2009; Панин, 2010; Алексеенко, 2010]. Автор в сравнительном плане рассматривает биоиндикационные методы для оценки экологических рисков. Использование в качестве биоиндикаторов высокочувствительных биосубстратов и их микроэлементный состав – является весьма перспективным направлением для оценки существующей экологической обстановки и прогнозирования возможных рисков для здоровья населения и биоты.
Ключевой экологической проблемой Павлодарской области является загрязнение атмосферного воздуха тепловыми электрическими станциями, повышенные выбросы золы. Эмиссии от предприятий электроэнергетики, металлургии и угледобывающей промышленности составляют более 94,4 % от полного объема выбросов загрязняющих веществ по Павлодарской области.
Многочисленные источники поступления загрязняющих веществ вызывают сочетанное воздействие на биологические объекты урбоэкосистемы г. Павлодара. Проведенный анализ позволяет выделить наиболее значимые источники загрязнения окружающей среды:
- аэрогенные выбросы по розе ветров (юго-запад, запад) зольных частиц от предприятий электроэнергетики (ЭГРЭС-1,2 и Аксуская ГРЭС), угледобывающей промышленности (разрезы Северный, Восточный и Богатырь) и металлургии (Аксуский завод ферросплавов);
- зола угля и мазута ТЭЦ-1,2 и 3, «Алюминий Казахстана» расположенные в северной и восточной промзонах г. Павлодара;
- предельные и непредельные углеводороды, бенз(а)пирен, метан, бензол, толуол, ксилол, фенол, оксиды алюминия, углерода, азота, серы и др., пары соляной и азотной кислот и др. загрязняющие вещества в выбросах Павлодарского нефтеперерабатывающего завода (ПНХЗ), предприятий «Каустик», «Казэнергокабель», «Кастинг» и др.
Раздел 2 Материалы и методы исследования Разнообразные аспекты реакции биоты на многофакторное техногенное воздействие проанализированы с помощью интеграции следующих методологических подходов: морфологический, цитогенетический, геохимический, биогеохимический, статистический и геоинформационный (таблица 1).
Таблица 1 - Объекты и методы анализа
| Объект | Метод |
| 1. Почвогрунты на территории г. Павлодара, 140 почвенных проб. Фон - пос.Актогай, 80 км на север от города. | Геохимический анализ, метод вольтамперометрической инверсии (ВАИ), прибор СТА [ГОСТ Р8563-96, ТУ 08-47/120]. |
| 2. Древесные растения массовых видов (более 73 тыс. растений). Betula pendula Roth.(3 267), Populus nigra L.(22 192), Pinus sylvestris L. (14 726), Ulmus pumila (Ulmus pinnato-ramosa Dieck.ex Koehne) (10 078), Acer negundo L. (22 993 ). | Видовое определение, анализ жизненного состояния и фитопатологии: определитель «Флора Казахстана» [1956-1966], Иллюстрированный определитель Казахстана [1969], Определитель растений Средней Азии [1987], Определитель растений Новосибирской области [2000], С.К.Черепанов [1995], Ю.В.Синадский [1977], Н.А.Черемесинов [1973], З.Кирай [1974], Н.П.Головина [1977], К.В.Попкова [1989] и др. |
| 3. Листья березы повислой Betula pendula. Более 4000 листьев от 400 деревьев из 33 точек сбора. Фон – пос.Актогай. | Анализ флуктуирующей асимметрии. Методические рекомендации: В.М.Захаров, Е.Ю.Крысанов [1996], А.Б.Стрельцов [2003], Н.Н. Ильинских [2005], О.П.Мелехова [2007]. |
| 4. Пыльца травяной растительности: пырей обыкновенный Elytrigia repens (Agropyron repens (L.)P.Beauv.) и одуванчик лекарственный Taraxacum officinale Wigg., 100-105 тыс. пыльцевых зерен соответственно. 30-44 точек отбора. | Анализ стерильности пыльцевых зерен (микроскопирование), стандартная окраска ацетокармином [Дженсен, 1965; Абрамова, Карлинский, 1968; Паушева, 1988; Бигалиев, Шарипова, 2001]. Фоновый участок – Баянаульский национальный природный парк (БНПП), 185 км на юго-запад от г. Павлодара. |
| 5. Листья тополя черного Populus nigra (60 проб). Фоновые участки - пос.Железинка - в 180 км на север | Химический анализ, метод инструментального нейтронно-активационного анализа - ИНАА [ГОСТ 17.4.1.02-83]. Методика МАГАТЭ [1989]. |
Продолжение таблицы 1
| Объект | Метод |
| 6. Листья березы повислой Betula pendula (72 пробы). Фоновые участки - в Баянаульском национальном природном парке (БНПП), в 185 км на юго-запад от г.Павлодара | Химический анализ, метод вольтамперометрической инверсии (ВАИ), прибор СТА [ГОСТ Р8563-96, ТУ 08-47/120]. |
| 7. Ткани (костно-мышечная, печень) мышевидных грызунов ( Mus musculus), 30 проб. | Химический анализ, метод ВАИ, прибор СТА [ГОСТ Р8563-96, ТУ 08-47/120]. |
| 8. Биосубстраты (волосы) детей 12-14 лет. 120 проб. | Химический анализ, метод ИНАА [ГОСТ 17.4.1.02-83]. Стандартная методика МАГАТЭ [Жук, Кист,1990]. |
| 9. Периферическая кровь человека. Препараты мазков крови (451 чел.), не менее 10 тыс. эритроцитов. Всего более 4 500 000 клеток. | Метод анализа микроядер в клетках крови, микроскопирование [Ильинских, 1988, 1992; Захаров, Кларк, 1993]. |
| 10. Здоровье учащихся, 32 667 чел. | Популяционно-статистический анализ заболеваемости учащихся из 38 школ Павлодара |
Полученные результаты статистически обработаны по стандартным показателям с учетом малых выборок [Плохинский, 1970; Доспехов, 1979, Поцелуев, 1994; Язиков, Шатилов, 2000, Михальчук, 2006]. Построение таблиц, диаграмм и графиков проводили с помощью программ Statistica 6 и Microsoft Excel. Геоинформационный анализ распределения элементов, построение моноэлементных картосхем осуществляли с помощью программ Arc GIS 9.
Основная часть исследований проведена на базе Павлодарского государственного педагогического института (ПГПИ, г. Павлодар) в лаборатории системных экологических исследований. Изучение микроэлементного состава образцов биосубстратов (листья, волосы) проводили методом ИНАА на исследовательском реакторе ИРТ-Т в лаборатории ядерно-геохимических методов исследования Томского политехнического университета (Россия).