Статья: Химическое загрязнение среды: накопление тяжелых металлов дикорастущими ягодами и грибами, оценка риска их потребления населением Среднего Урала

УДК: 613.2 + 504.5:661

Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202

Химическое загрязнение среды: накопление тяжелых металлов дикорастущими ягодами и грибами, оценка риска их потребления населением Среднего Урала

В.С. Безель, С.В. Мухачева

М.Р. Трубина, Е.Л. Воробейчик

Аннотация

поллютант загрязненный ягода токсический

В.С. Безель доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

С.В. Мухачева кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ

М.Р. Трубина кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ

Е.Л. Воробейчик доктор биологических наук, заведующий лабораторией экотоксикологии популяций и сообществ

На основании данных о концентрациях тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb) в съедобных грибах (8 видов, 359 образцов) и ягодах (6 видов, 419 образцов) произрастающих в зоне действия крупного медеплавильного комбината (г. Ревда, Средний Урал), оценивали поступление этих поллютантов с готовой продукцией в организмы взрослого и детского населения, проживающего на загрязненных территориях. Показано, что уровни накопления металлов в образцах определяются как их видовой спецификой, так и удалением от источника загрязнения. Сделан вывод о том, что употребление в пищу ягод, из зон сильного и умеренного загрязнения не оказывает существенного влияния на формирование дополнительной токсической нагрузки, тогда как грибная продукция вносит значительный вклад.

Ключевые слова: химическое загрязнение, тяжелые металлы, ПДК, дикорастущие ягоды.

Annotation

Heavy metal (Cu, Zn, Cd, PB) concentrations were analyzed in edible mushrooms and the berries near the copper-smelting plant (Revda, Middle Ural) and on control sites. Intake of these pollutants in organisms of adults and children with processed foods were estimated. It was shown that berries doesn't influence a toxic load, whereas mushrooms make an essential contribution. Pb intake with food can increase by 13 %, Сd - for 60 % due to the inclusion in a diet of mushrooms collected in strongly and moderately polluted areas. The special caution is caused by intake of Cd and Pb in an organism of children using in edible mushrooms from polluted sites

Пищевые рационы населения крупных городов в настоящее время состоят главным образом из привозных, в том числе импортных продуктов растительного происхождения, подлежащих государственному санитарно-гигиеническому контролю. Рационы населения малых городов и сельских поселений в большей мере основаны на продуктах местного производства (в том числе плодо-овощной продукции из личных подсобных хозяйств, сборах дикорастущих ягод и грибов), санитарный контроль над которыми практически отсутствует. В Уральском регионе, где велик объем промышленных выбросов металлургических предприятий, проблема приобретает особую актуальность. Приоритетными загрязнителями в этих районах являются тяжелые металлы, важное свойство которых заключается в способности длительно аккумулироваться в природных депонирующих средах (почва, лесная подстилка) и оказывать хроническое воздействие на растительность и животных. В окрестностях действующих предприятий это воздействие постоянно возрастает вследствие поступления и длительного накопления в объектах окружающей среды токсикантов.

Способность дикорастущих ягод и особенно грибов к избыточному концентрированию ряда химических элементов в зонах, подверженных атмосферному загрязнению от предприятий цветной металлургии, отмечена во многих публикациях (Баркан и др., 1990; Бакайтис и др., 2006; Безель и др., 2009; Demirba, 2000; Kalaи et al., 2004; Cocchi et al., 2006; Yamaз et al., 2007 и др.). Как правило, авторы ограничиваются определением повышенных концентраций химических элементов, часто не рассматривая съедобные грибы и ягоды в качестве растительных пищевых ресурсов. Между тем особо важна оценка того, представляет ли это содержание реальную опасность для здоровья лиц, потребляющих эти продукты в пищу. В лучшем случае загрязнение растительной продукции сравнивается с действующими ПДК (например, Ревич, 2011). Подобные оценки, как правило, не предполагают учёта объёма потребления пищевых продуктов и основанного на нем уровня поступления токсикантов в организмы человека.

В настоящем сообщении делается попытка оценить принципиальную возможность и ориентировочную степень вредного влияния на здоровье населения уровней загрязнения тяжелыми металлами, реально существующих в грибах и ягодах, которые произрастают на территории, загрязняемой газо-пылевыми выбросами крупного предприятия цветной металлургии - Средне-Уральского медеплавильного завода (СУМЗ). Выбор данного источника выбросов продиктован тем, что создаваемая им ситуация типична для предприятий первичной и вторичной металлургии меди на Урале, действовавших в прошлом и в настоящее время. Перечень исследованных металлов обусловлен тем, что все они относятся к наиболее весомым компонентам загрязнения окружающей среды предприятиями данной отрасли. С другой стороны, кадмий и свинец являются облигатными ядами, то есть не относятся к биологически необходимым элементам (как медь или цинк).

Материалы и методы

Сбор проб проводился в Ревдинско-Первоуральском промышленном районе Свердловской области. Наиболее крупными загрязнителями здесь являются: Среднеуральский медеплавильный завод (СУМЗ), ПО «Хромпик», Первоуральский новотрубный завод, Билимбаевский завод термоизоляционных материалов и ряд других предприятий. Основные ингредиенты выбросов промышленных предприятий - газообразные соединения серы и пылевые частицы с сорбированными токсичными элементами (Cu, Pb, Cd, Zn, As, Hg, Fe и др.). Почвы района характеризуются, полиэлементным накоплением тяжелых металлов. Валовое содержание меди в почвах доходит до 420 мг/кг, цинка и свинца - до 1000 мг/кг, кадмия - 11,5 мг/кг (Безель и др., 2010).

В качестве условно «чистых» территорий приняты участки, расположенные на расстоянии 20 - 34 км (фоновый) и 35 - 55 км (контрольный) от возможных источников аэрогенного загрязнения. По мере приближения к СУМЗу выделены зоны умеренного (буферная, 3-10 км) и сильного (импактная, 1-3 км) загрязнения. Изучены два варианта биотопов, типичных для южной тайги Среднего Урала - ельники-пихтарники и вторичные березняки. Именно эти варианты биотопов активно используются местным населением для сбора грибов и ягод.

При выборе ключевых участков для исследования исходили из следующих условий: 1) выбранный район должен принадлежать к типичным для региона эколого-географическим зонам; 2) выделенные участки должны быть подвержены антропогенному загрязнению промышленными выбросами в различной степени. Мера токсического воздействия может быть определена по содержанию соединений металлов в почвах или в атмосферных осадках (снежный покров); 3) участки должны располагаться вблизи населенных пунктов, население которых активно использует естественные ресурсы. Степень загрязнения природной среды на выбранных участках характеризовали концентрациями приоритетных поллютантов в подстилке и величине рН (табл. 1).

Образцы съедобных грибов (8 видов, n = 359) и ягод (6 видов, n = 419) на всех участках были собраны в июле-сентябре 2009 г. В пределах одной зоны сбор образцов каждого вида проводили в точках, расположенных друг от друга на расстоянии не менее 500 м. Пробы грибов (срединный продольный срез толщиной около 0,5 см, очищенный от земли) и ягод (без черешков) высушивали в сушильном шкафу при температуре + 75 ⁰C до воздушно-сухой массы. Далее образцы (около 0,1 г) измельчали, взвешивали на аналитических весах KERN-770 с точностью 0.00001 г и озоляли в микроволновой печи MWS-2 (Berghof, Германия) методом мокрой минерализации в 65% азотной кислоте (осч). Концентрацию элементов (Cu, Zn, Pb, Cd) определяли методом атомной абсорбции на спектрометре AAS 6 Vario (Analitik Jena AG, Германия) с использованием пламенного (для Cu, Zn) или электротермического (Pb, Cd) варианта атомизации. Анализы выполнены в лаборатории экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН, аккредитованной на техническую компетентность (аттестат РОСС.RU0001.515630).

Таблица 1 - Концентрации металлов (мкг/г) и рН лесной подстилки в разных зонах токсической нагрузки

Для пересчета содержания металлов на единицу сырой массы ягод и грибов были построены калибровочные кривые. Коэффициент «усушки» составил в среднем для ягод 7,52, для грибов - 9,96. При расчете уровней накопления металлов в готовой грибной продукции (жареные грибы) для построения калибровочных кривых сырые образцы ужаривали до готовности (около 2 часов). При обработке данных использовали стандартные статистические процедуры.

Результаты и их обсуждение

Концентрация элементов в дикорастущих ягодах. Результаты анализа содержания элементов в ягодах, собранных в лесных массивах на разном удалении от источника выбросов, приведены в табл. 2. Уровни накопления металлов определяются как видовой спецификой, так и удалением от источника загрязнения. Концентрации меди и цинка в ягодах из зон сильного и умеренного загрязнения, как правило, были выше фоновых значений, но не превышали ПДК. На загрязненных участках средние уровни кадмия и свинца были выше ПДК у шиповника (в 1,2-3,2 раза), брусники (в 1,2-4,8 раза), черники (в 1,4-1,7 раза), малины (в 1,2-5,6 раза), костяники (в 2,3-5,9 раза) и земляники (в 1,3-11 раз). У костяники, малины и земляники с незагрязненных территорий средние концентрации также превышали ПДК по кадмию (в 2,8-5 раз) и свинцу (в 1,2-1,3 раза).

Концентрация элементов в съедобных грибах. Результаты химического анализа содержания элементов в массовых видах съедобных грибов, собранных в лесных массивах на разном удалении от СУМЗа, приведены в табл. 3. Концентрации металлов в плодовых телах грибов зависят как от видовой принадлежности, так и от уровня загрязнения территории.

Для удобства анализа все грибы были разделены на две группы: трубчатые и пластинчатые. Результаты двухфакторного дисперсионного анализа показывают, что уровни накопления всех проанализированных элементов в образцах зависели от расстояния до завода, на загрязненных участках их содержание существенно превышало фоновые и контрольные значения. Принадлежность к группе не играла существенной роли (за исключением меди), хотя пластинчатые грибы накапливали тяжелые металлы несколько более интенсивно. По сравнению с контрольной выборкой в трубчатых и пластинчатых грибах из импактных зон концентрация кадмия была соответственно в 6,0 и 9,5 раза выше, свинца - в 5,8 и 17,7, меди - в 2,7 и 4,2, цинка - в 1,6 и 2,2 раза (табл. 4).

Опасность использования в пищу природной продукции для населения должна оцениваться на основании данных о предельно-допустимых уровнях загрязнения полного пищевого рациона.

Полученные данные позволяют заключить, что в дикорастущих ягодах превышение ПДК по кадмию было зарегистрировано на всех участках у земляники (от 74-88% проб на контрольной и фоновой территории до 100% в зонах загрязнения), малины (около 40% на незагрязненных участках и 85-100% проб на импактной и буферной территориях) и черники (от 19-25% на фоновой и контрольной территориях, до 43-65% в окрестностях СУМЗа). Повышенное содержание кадмия также отмечено в ягодах шиповника с буферных и импактных участков (40-80% проб) и брусники из импактной зоны (2/3 образцов). На всех обследованных территориях отмечали повышенную аккумуляцию свинца, концентрация которого превышала ПДК: у земляники и черники - примерно у 1/3 образцов из фоновой и импактной зон и более 60% в буферной зоне. У шиповника, малины и брусники - от 25 до 40% на "чистых" участках, около 40-50% - в зоне умеренного загрязнения, около 80% - в импактной зоне.

В грибах, собранных на импактной территории, 100% пластинчатых и более 90 % трубчатых грибов содержали повышенные количества свинца и кадмия, в буферной зоне - 90-100% образцов (соответственно) накапливали больше кадмия, 35-57% - свинца. В фоновой зоне кадмий в концентрациях выше нормативных значений содержали от 1/3 до 2/3 образцов, свинец - от 9 до 17%. Важно подчеркнуть, что в условиях Среднего Урала даже на относительно чистых территориях количество проб с повышенным содержанием токсических элементов может достигать 70 %.

Сравнение концентраций элементов в образцах, используемых населением в пищу, с ПДК может дать лишь ориентировочную оценку токсичности продукта, поскольку эти гигиенические нормативы предполагают систематическое (ежедневное) использование конкретного вида продукта в пищу. В реальной ситуации местное население употребляет грибы эпизодически (сезонно), вследствие чего оценить их токсическую опасность можно лишь на основе анализа структуры питания. Информация о количестве потребляемых грибов и особенностях рациона местного населения была получена специалистами Екатеринбургского Медицинского научного центра профилактики и охраны здоровья с помощью специальной анкеты, разработанной для городского населения Свердловской области, в том числе г. Ревды и г. Первоуральска, где проводились исследования (Katsnelson et al., 2010). Результаты анкетирования показали, что жители этих городов ежесуточно потребляют в среднем от 2.6 г (дети) до 5,1-5,8 г (взрослые) готовой грибной продукции (Кацнельсон и др., 2011). При этом доля населения, потребляющего грибы регулярно, составляет от 30% (дети) до 69% (взрослые).