Екологічні особливості міграції меркурію (Hg2+), хрому (Сr6+) та цинку (Zn2+) в системі «вода–ґрунт–біота» (на прикладі екосистем Обухівського району Київської області)

Abstract

Анотація Зростання антропогенного впливу на біосферу останніми десятиріччями призвело до посиленої деградації як природних, так і урбо- та агроекосистем. Актуальним чинником у цьому процесі є надлишкове потрапляння у біосферу хімічних елементів техногенного походження, які не утилізуються, а включаються у біогеохімічні цикли, накопичуються в екосистемах, спричиняючи їх забруднення. Це, передусім, токсичні метали (ТМ), які є серйозною загрозою екологічній безпеці довкілля, оскільки є високотоксичними речовинами канцерогенної та мутагенної дії. Екологічна оцінка міграції токсичних металів в ландшафтах природно-заповідного фонду є вкрай важливою, оскільки ці метали мають значний вплив на функціонування популяцій флори і фауни. Багаточисленне використання сполук металів у промисловості, сільському господарстві, медицині призвело до їхнього широкого розповсюдження в навколишньому природному середовищі. Токсичність сполук цих полютантів залежить від низки факторів: дози, маршруту впливу, виду хімічної сполуки, а також фізіологічних особливостей біоти, яка піддається впливу забруднювачів. Через їх високий ступінь токсичності, такі елементи як хром і меркурій знаходяться серед пріоритетних металів, що вважаються системними токсикантами, які, як відомо, викликають пошкодження органів та тканин, навіть за низьких рівнів впливу на живі організми. Хром, цинк і меркурій є одними з основних забруднювачів навколишнього середовища, особливо в районах з високим антропогенним навантаженням. Дослідження екологічних особливостей міграції та біоакумуляції меркурію (Hg2+), хрому (Сr6+) та цинку (Zn2+) в системі «вода‒ґрунт‒біота» є дуже актуальною в Обухівському районі Київської області і потребує екологічних досліджень на всіх рівнях організації біологічної речовини. Екологічний стан в Обухівському районі протягом останніх років залишається подекуди критичним. Основне навантаження на довкілля, як і у попередні роки, створює Трипільська ТЕС ПАТ «Центренерго» та полігон твердих побутових відходів № 5 ПрАТ «Київспецтранс», який розташований у селі Підгірці Обухівського району Київської області. В селі Трипілля Обухівського району суттєвими об’єктами-забруднювачами є стихійне місце видалення відходів, яке займає площу майже п’ять гектарів земель лісового фонду, та численні складові приміщення з невикористаними і непридатними до використання хімічними залишками засобів для захисту рослин. Крім того, періодичне горіння торфовищ в адміністративних межах села Великі Дмитровичі Обухівського району також погіршує стан навколишнього природного середовища. Всі зазначені фактори прямо чи опосередковано викликають забруднення компонентів екосистеми токсичними металами. Усунення наслідків та попередження забруднення можливе за умови не тільки всебічного моніторингу, включаючи спостереження за станом і функціонуванням біоорганізмів, але й встановлення закономірностей міграції полютантів у системі «вода‒гідробіонт», «ґрунт‒рослина» тощо. Тому такі дослідження є надзвичайно пріоритетними, затребуваними та важливими для України, потребують всебічного поглибленого вивчення, оскільки екологічна безпека та збереження біорізноманіття є важливими завданнями для забезпечення сталого розвитку нашої держави. Наукова новизна одержаних результатів. Розв’язано актуальну проблему щодо інтенсивності накопичення, біоакумуляції та біодоступності меркурію, хрому та цинку у ґрунті та водному середовищі, у тест-організмах: Taraxacum officinale L., Chelidonium majus L., Ceratophyllum demersum L., Blicca bjoerkna (Linnaeus, 1758) та Esox lucius (Linnaeus, 1758). - уперше проведено комплексне дослідження щодо екологічного оцінювання міграції Hg2+, Сr6+, Zn2+ у біосистемах «ґрунт–рослина», «вода–гідробіонт» у різних локалітетах Обухівського району Київської області; - з’ясовано інтенсивність біоакумуляції Hg2+, Сr6+, Zn2+ у тест-організмах; - встановлено, що вища біодоступність у меркурія спостерігається у водному середовищі; - проаналізовано вміст та накопичення Hg2+, Сr6+, Zn2+ в екосистемах Обухівського району Київської області різного рівня антропогенного впливу; - доведено, що найбільшим вмістом токсичних металів Hg2+, Сr6+, Zn2+ характеризувався ґрунт у с. Підгірці (полігон ТПВ №5), найменшим – територія об’єкту природно-заповідного фонду (ландшафтний заказник місцевого значення «Урочище «Калинове», с. Витачів). Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи були використані в роботі сектору екології та природних ресурсів Обухівської районної військової (державної) адміністрації Київської області у 2019–2022 роках та слугували для прийняття управлінських рішень, покладені в звіти стану навколишнього природного середовища Обухівського району Київської області 2019‒2022 років, матеріали роботи є базовою основою Паспорту екологічного стану Обухівського району 2019– 2022 років. Оцінку вмісту Сr6+ у поверхневих водах Канівського водосховища (м. Українка), використано у випробувальній санітарно-промисловій лабораторії ПАТ «Київський картонно-паперовий комбінат», апробовано на підприємстві за акредитованою методикою МВВ № 081/12-0114-03 «Поверхневі, підземні та зворотні води. Методика виконання вимірювань масової концентрації хрому загального, хрому (VI) та хрому (III) екстракційно-фотоколорометричним методом з дифенілкарбазидом». Отримані результати дисертаційної роботи використано в 2021 році при реалізації проєкту «Реконструкція та технічне переоснащення полігону твердих побутових відходів № 5 у с. Підгірці Обухівського району Київської області. Рекультивація ділянки № 1», а саме у виконанні заходів післяпроєктного моніторингу згідно з висновком з оцінки впливу на довкілля, задля попередження забруднень токсичними металами та покращення екологічної ситуації регіону. Результати дисертаційного дослідження використовуються при викладанні лекцій спеціалістами ГУ Держпродспоживслужби в Київській області за темами: «Забруднення навколишнього середовища пестицидами і агрохімікатами», «Охорона атмосферного повітря, ґрунту, водних джерел від забруднення пестицидами і агрохімікатами». Результати дисертаційної роботи на прикладі екологічного впливу токсичних металів на екосистеми Обухівського району Київської області використовуються при викладанні дисципліни «Основи екотоксикології» на другому освітньому рівні «Магістр» спеціальності 101‒ Екологія ДЗ «Державна екологічна академія післядипломної освіти та управління». Метою дисертаційної роботи було виявити екологічні особливості міграції меркурію (Hg2+), хрому (Сr6+) та цинку (Zn2+) у системах «ґрунт‒рослина» у природних та трансформованих ландшафтах Обухівського району Київської області та «вода‒гідробіонт» Канівського водосховища. На основі теоретичних узагальнень та експериментальних досліджень висвітлено екологічні особливості міграції токсичних металів Hg2+, Сr 6+ та Zn2+ в системі «вода–ґрунт–біота» на прикладі екосистем Обухівського району Київської області. Літературний огляд закордонних та вітчизняних джерел за останні 20 років підтвердив, що питанням моніторингу, міграції токсичних металів та їхніх сполук у ґрунті, біоакумуляції у рослинах та гідробіонтах приділяється достатньо уваги світової наукової спільноти в Україні, Європі, Азії, США та потребує детального вивчення. Вибір металів для досліджень ґрунтувався не тільки на їхній відповідності найбільш поширеній групі полютантів у номенклатурному й територіальному аспектах, а й належності, наприклад, цинку до важливих мікроелементів, що беруть участь у процесах життєдіяльності організмів. Для досягнення поставленої мети дисертаційної роботи та для отримання необхідних результатів щодо дослідження екологічних особливостей міграції Hg2+, Сr6+, Zn2+ в системі «вода‒ґрунт‒біота» нами було обрано такі тест-організми у наземних та водних екосистемах Обухівського району Київської області: Taraxacum officinale L., Chelidonium majus L., Ceratophyllum demersum L., Blicca bjoerkna (Linnaeus, 1758) та Esox lucius (Linnaeus, 1758). Обґрунтовано локалітети для відбору проб за 4 варіантами: 1) локація в зоні діяльності ПАТ «Центренерго» Трипільської ТЕС ( Українська ОТГ, м. Українка); 2) локація ТПВ полігон № 5 (Козинська ОТГ, с. Підгірці); 3) локація-фонконтроль ‒ об’єкт природно-заповідного фонду, ландшафтний заказник місцевого значення «Урочище «Калинове» (Обухівська ОТГ, с. Витачів); 4) локація Канівського водосховища (в зоні діяльності ПАТ «Центренерго»Трипільської ТЕС,Українська ОТГ, м. Українка). Для обґрунтування репрезентативності у виборі локацій об’єктів дослідження використано інтерактивну екологічну карту – екогеопорталу «Довкілля Обухівщини». Встановлено, що найбільшим вмістом Hg2+, Сr6+, Zn2+ характеризувався ґрунт полігону побутових відходів (полігон ПВ № 5, с. Підгірці), найменшим – проби ґрунту, які відібрано на території об’єкту природно-заповідного фонду (ландшафтний заказник місцевого значення «Урочище «Калинове», с. Витачів), що, вочевидь, пов’язано із різним ступенем полікомпонентного антропогенного навантаження. Виявлено, що найбільший вміст Cr6+ у фітомасі T. officinale зафіксований у локалітеті полігону побутових відходів, у контрольному варіанті (території об’єкту ПЗФ) найбільшим був вміст Zn2+. Виявлена тенденція щодо Cr6+, вочевидь, пов’язана із довготривалим полікомпонентним забрудненням полютантами території, де розташовано полігон ТПВ. При інтерпретації результатів визначення ТМ у фітомасі T. officinale враховувались еколого-біологічні особливості тест-рослини. Значення цинку як облігатного мікроелемента підкреслило його важливість для нормального функціонування рослин і біологічних процесів. Оскільки цинк присутній у великих концентраціях у системі «ґрунт–рослина», це свідчить про його значну роль у багатьох аспектах фізіології рослин. Доведено лінійну залежність вмісту Hg2+ та Cr6+ у фітомасі T. officinale від концентрації металів у ґрунті (коефіцієнт кореляції 0,99), на відміну від Zn2+ (коефіцієнт кореляції = - 0,32). Лінійна формалізація та високий коефіцієнт кореляції свідчать про тісний звʼязок між забрудненням ґрунту Hg2+ та Cr6+ та їх акумуляцією у рослинах T. оfficinale. Це може бути важливим фактором для індикації забруднення довкілля токсичними металами та прогнозуванням потенційної загрози для екосистеми та здоровʼя людей. Проте, Zn2+ характеризувався степеневою формалізацією залежності вмісту у фітомасі T. officinale від концентрації металу у ґрунті. Коефіцієнт кореляції між вмістом цього металу у ґрунті та фітомасі T. officinale був від’ємним (r = – 0,32), що свідчить про зворотній та не тісний зв’язок між вмістом цинку у ґрунті та рослинах цього виду. Варто враховувати, що інші фактори, такі як властивості ґрунту, фізико-хімічні процеси та взаємодія рослини з навколишнім середовищем, також можуть впливати на акумуляцію цинку у рослинах. Ch. majus використовували як тест-рослину для вивчення екологічних особливостей виключно Hg2+. Встановлено, що у фітомасі Ch. majus максимальним вмістом Hg2+ характеризувався локалітет полігону побутових відходів, мінімальним – локалітет об’єкту природно-заповідного фонду. За вмістом Hg2+ у фітомасі Ch. majus досліджувані території можна ранжувати таким чином: «полігон ТПВ № 5» > «Трипільска ТЕС» > «Урочище Калинове». За інтенсивністю біоакумуляції T. officinale полютантів з ґрунту на досліджуваних територіях отримано такий ряд металів: Cr6+ > Hg2+ > Zn2+. За інтенсивністю біоакумуляції Ch. majus меркурію локації можна ранжувати таким чином: «Трипільска ТЕС» > «полігон ТПВ № 5» > «Урочище Калинове». Визначено, що вміст Hg2+, Сr6+ та Zn2+ у донних відкладах значно більше, ніж у поверхневих водах Канівського водосховища. Це є свідченням накопичення та міграції токсикантів у донних відкладах, де вони можуть зберігатися багато років. Донні відклади можна розглядати як своєрідне депо токсичних металів. Максимальну концентрацію Cr6+ зафіксовано у B. bjoerkna, в той же час, C.demersum характеризувався більшим вмістом Hg2+ та Zn2+, порівняно з іншими досліджуваними гідробіонтами. Досліджено інтенсивність біоакумуляції Hg2+, Сr6+, Zn2+ в системі «вода‒гідробіонт». Накопичення токсичних металів у системі «вода‒гідробіонт» зменшувалось у ряду: Hg2+ > Zn2+ > Cr6+. Максимальну концентрацію меркурію в гідробіонтах можна пояснити його високою біодоступнсістю у водних екосистемах. Серед досліджуваних водних організмів найбільшими коефіцієнтами біоакумуляції характеризувався C. demersum. Коефіцієнти біоакумуляції для Hg2+ у гідробіонтах зменшувались у ряду: C. demersum > B. bjoerkna > E. lucius. Доведено, що інтенсивність накопичення меркурію біотест-організмами C. demersum, B. bjoerkna, E. lucius у гідроекосистемі достовірно більша (за критерієм Фішера), ніж Т.officinale в системі «ґрунт‒рослина», що свідчить про вищу біодоступність меркурію у водному середовищі. Відтак меркурій слід вважати індикаторним забрудником при моніторингу та контролі токсичних металів у екосистемах Обухівського району Київської області. Отже, в контексті формування сучасної парадигми екологічних знань, вплив Hg2+, Сr6+, Zn2+ доцільно розглядати як такий, що може призвести до зниження природно-ресурсного потенціалу соціоекосистеми різних ієрархічних порядків.