ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високий рівень забруднення обєктів довкілля в Україні призводить до деградації екосистем, підвищення рівня захворюваності населення та погіршення демографічних показників. Ці проблеми особливо актуальні для техногенно-навантажених регіонів України, у тому числі Дніпропетровської області, яка є однією з найбільших індустріально-розвинених, з високим рівнем урбанізації. На території області створена потужна енергетична база, яка стала основою розвитку гірничо-металургійного комплексу.

Тому намітилася цілком обґрунтована тенденція необхідності оцінки екологічного стану довкілля не тільки традиційними фізико-хімічними методами, що встановлюють фактичні значення концентрацій різноманітних забруднювачів, але й шляхом використання цитогенетичних методів біоіндикації. Останні, як відомо, дають відповіді на питання про загальну токсичність і мутагенність забруднених обєктів довкілля та ступінь їх небезпеки для біоти та людини, тобто сприяють розвязанню низки актуальних екологічних проблем у системі сталого розвитку гірничопромислового регіону і держави в цілому.

В Україні проведений ряд біоіндикаційних досліджень для визначення екологічного стану окремих обєктів довкілля або окремих територій: Горова, 1996; Дуган, 1998; Скворцова, 1996; Клімкіна, 2003; Безсонова, 1996; Ковальчук, 1998; Случик, 2001; Коршиков, 1996; Назаренко, 1998, Нікорич, 2001; Дронь, 2002; Руденко, 2002; Морозова, 2005. Натомість майже не проводилися дослідження комплексного впливу забруднювачів окремих гірничо-промислових виробництв на стан компонентів довкілля та здоровя населення.

Тому в дисертаційній роботі розвязується актуальна науково-практична задача, яка полягає у встановленні кількісних і якісних закономірностей деградаційного впливу різних видів гірничої промисловості на стан довкілля та здоровя людини і біоти з використанням методів біоіндикації.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно плану наукових досліджень кафедри екології Національного гірничого університету, відповідно до "Концепції поліпшення екологічного становища гірничодобувних регіонів України", узгодженої Постановою Кабінету Міністрів України за № 1606 від 31 липня 1999 р. та інших нормативно-правових актів з питань моніторингу довкілля та стану здоровя населення.

Теоретичні розробки й експериментальні дослідження за темою дисертації проводилися при виконані держбюджетних і госпдоговірних тем, у яких автор приймав участь як виконавець, а саме: "Проведення дослідження екологічного стану м. Нікополя за програмою медико-екологічного моніторингу. Відпрацювання методології з метою подальшого впровадження в державній системі моніторингу довкілля" - № ДР 0103U008284; "Розробка концепції "Техногенна безпека в гірництві як складова частина стійкого розвитку держави" - № ДР 0102U000342; "Екологічна безпека у гірничо-металургійному комплексі як основа сталого еколого-економічного та соціального розвитку України" - № ДР 0104U004092; "Розробка засобів застосування біогенних ресурсів для зменшення негативного впливу гірництва на соціоекосистеми" - № ДР 0102U003017; "Цитогенетична оцінка ефективності заходів, спрямованих на зниження та запобігання еколого-генетичних наслідків дії підвищеного опромінення на території м. Жовті Води" - № ДР 0104U007690; "Медико-екологічний моніторинг міста Нікополя: створення бази даних цитогенетичного моніторингу м. Нікополя та їх співставлення з реальним радіаційним і хімічним забрудненням території міста" - № ДР 0104U000787; "Обґрунтування використання природних адаптогенів для реабілітації довкілля та людини, ушкоджених діяльністю гірництва" - № ДР 0104U010900; "Комплексний екологічний контроль стану довкілля та здоровя людини біологічними та фізичними методами" - № ДР 0107U000377. Автор брав безпосередню участь у науково-дослідній роботі кафедри, зокрема в проведенні біологічного, цитогенетичного та хімічного моніторингу Дніпропетровської області.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є біоіндикаційна екологічна оцінка наслідків впливу гірничої промисловості на навколишнє середовище та здоровя населення на території гірничопромислових центрів Дніпропетровської області, а також наукове обґрунтування реабілітаційних заходів.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні завдання:

1. Визначити екологічний стан обєктів навколишнього середовища на територіях, порушених діяльністю гірничої промисловості, з використанням біоіндикаційних та фізико-хімічних методів дослідження.

2. Оцінити за даними медичної статистики стан здоровя населення, яке мешкає у гірничопромислових центрах, та екологічну ситуацію за цією ознакою.

3. Оцінити загальну екологічну ситуацію на територіях гірничопромислових центрів за проявами біоіндикаторів та здоровям людини і встановити рівні екологічної та генетичної небезпеки для біоти та людини.

4. Встановити кореляційні звязки між екологічним станом довкілля за токсико-мутагенним фоном та фізико-хімічними параметрами.

5. Обґрунтувати можливість застосування фізіологічно-активних гумінових речовин для поліпшення стану ґрунтів порушених діяльністю гірництва.

Обєкт дослідження - створення комплексної системи біомоніторингу стану довкілля на територіях гірничопромислових центрів.

Предмет дослідження - біоіндикаційна оцінка екологічного стану територій гірничопромислових центрів Дніпропетровської області на основі зміни тест-ознак біоіндикаторів.

Методи дослідження. При виконані роботи застосовані наступні методи: біоіндикації, зокрема, тест "Стерильність пилку рослин-фітоіндикаторів" - для оцінки токсичності атмосферного повітря та Allium-тест - для оцінки токсико-мутагенної активності ґрунтів; атомно-абсорбційний метод для визначення вмісту в ґрунтах рухомих форм важких металів; медико-статистичний - для оцінки стану здоровя населення за даними медико-соціальної статистики; кореляційний аналіз - для оцінки ступеню впливу важких металів на відповідні реакції біоіндикаторів; математичного моделювання на основі рівнянь регресії - для встановлення залежностей зміни стану здоровя населення від стану довкілля; лабораторні і натурні дослідження - для обґрунтування ефективності використання гумінових сполук для реабілітації порушених ґрунтів. Статистична обробка даних проводилася з використанням стандартного програмного забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів.

Вперше проведена комплексна біоіндикаційна оцінка впливу діяльності гірничої промисловості на стан обєктів навколишнього середовища за цитогенетичними тестами "Стерильність пилку рослин-фітоіндикаторів", "Частота аберантних хромосом", "Мітотичний індекс" та здоровям населення за поширенням загальної захворюваності, що дозволило на їх основі розробити систему оцінки рівнів екологічної небезпеки для здоровя населення.

Удосконалена і дістала подальшого розвитку відома методика екологічного обстеження та районування території за ступенем впливу антропогенних чинників на стан обєктів довкілля з використанням інтегральних цитогенетичних методів.

Обґрунтована доцільність використання Allium-тесту, для кількісної оцінки ступеню забрудненості ґрунтів рухомими формами важких металів (Mn, Pb, Zn, Cr, Cu, Ni, Co, Cd), шляхом зіставлення з результатами фізико-хімічного аналізу відповідних зразків ґрунту.

Запропоновано технічне рішення зі зниження токсичності та мутагенності ґрунтів, порушених впливом гірничої промисловості, шляхом обробки їх розчином гумату натрію у певних концентраціях, залежно від рівнів забруднення.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблені та апробовані методи біоіндикації для оцінки рівнів екологічної небезпеки для людини та біоти на територіях, що зазнають впливу гірничої промисловості, які запропоновані для впровадження у Державну систему моніторингу довкілля (лист Міністерства екології та природних ресурсів України №7124/04-10 від 25.06.2004).

На основі виконаних досліджень розроблені методичні рекомендації "Обстеження та районування території за ступенем впливу антропогенних чинників на стан обєктів довкілля з використанням інтегральних цитогенетичних методів" (МР 2.2.12-141-2007 затверджені Наказом МОЗ від 13.03.2007 №184; та рекомендовані для практичного використання листом МОЗ №05.01.01-09/58-3248 від 17.05. 08).

Визначено ряд біоіндикаційних тест-ознак для подальшого проведення ефективного біомоніторингу в межах Дніпропетровської області (лист Виконавчого комітету Жовтоводської міської Ради у Дніпропетровській області № 1/1-912 від 24.12.04) та впровадження їх на інших територіях (Акт впровадження у Науково-експериментальному фітоцентрі УААН від 07.06.05, Акт впровадження на ДП "НВО "Павлоградський хімічний завод" від 04.02.08).

На основі отриманих результатів розроблений спосіб зниження токсичності ґрунтів, порушених діяльністю гірничої промисловості, шляхом обробки їх розчином гумату натрію. (Патент України 79802 UA від 25.07.07).

Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальний процес Національного гірничого університету (Акт впровадження від 10.04.2008 р.) та Керченського державного морського технологічного університету (Акт впровадження від 14.04.2008 р.) при підготовці фахівців за спеціальністю 8.07081 "Екологія та охорона навколишнього середовища". Введено новий розділ у лекційну частину курсів "Біоіндикація" та "Цитогенетичний моніторинг довкілля" - "Застосування цитогенетичних методів біоіндикації для оцінки стану обєктів довкілля". Розроблено ряд лабораторних та практичних занять, які дозволять студентам опанувати нові методи оцінки стану обєктів довкілля та здоровя населення.

Особистий внесок здобувача. Дисертантом особисто здійснено аналіз літературних джерел, участь у експедиціях у різні гірничопромислові центри Дніпропетровської області. Проведено відбір зразків ґрунту, рослин, збір медико-статистичних даних про захворюваність населення, виконані експериментальні дослідження, статистична обробка даних та їх основний аналіз. Особисто здійснено оформлення роботи, написано основні розділи та висновки, підготовлено публікації за результатами досліджень, а також представлено їх на наукових семінарах та конференціях. Формулювання завдань, аналіз результатів та їх інтерпретація проведені спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дослідження. Результати досліджень, основні положення та висновки дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на: V Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Екологія. Людина. Суспільство." (Київ, 2002); Міжнародній конференції "Антропогенно-змінене середовище України: Ризики для здоровя населення та екологічних систем" (Київ, 2003); XIV зїзді гігієністів України: "Гігієнічна наука та практика на рубежі століть" (Дніпропетровськ, 2004); Форумі гірників - 2005, (Дніпропетровськ, 2005); Міжнародній конференції "Радіобіологічні ефекти: ризики, мінімізація, прогноз" (Київ, 2005); III Міжнародній науково-практичній конференції "Валеологія: сучасний стан, напрямки та перспективи розвитку" (Харків, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції "Перший Всеукраїнський зїзд екологів" (Вінниця, 2006); Третій Міжнародній конференції "Чистота довкілля в нашому мiстi" (Севастополь, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції "Досягнення та перспективи застосування гумінових речовин у сільському господарстві" (Дніпропетровськ, 2008); Всеукраїнській науковій конференції "Мониторинг природных и техногенных сред" (Сімферополь, 2008) та ін. Результати роботи доповідалися на наукових семінарах кафедри екології Національного гірничого університету.

Публікації. Основні матеріали дисертаційної роботи висвітлені у 18 наукових працях; 4 статтях у фахових наукових виданнях, 13 матеріалах і тезах доповідей Міжнародних та вітчизняних конференцій, отримано 1 патент на винахід.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, опису матеріалів і методів дослідження, результатів роботи та їх обговорення, узагальнення, висновків та списку використаних джерел літератури (213 найменувань, з них 43 - іншомовних). Робота викладена на 150 сторінках друкованого тексту та містить 20 рисунків і 98 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В огляді літератури розглянута екологічна ситуація у гірничопромислових центрах України та Придніпровського регіону. Описані основні критерії та підходи до екологічної оцінки стану навколишнього середовища, проаналізовані недоліки та преваги санітарно-гігієнічної оцінки стану довкілля. Проаналізовані можливості використання методів біоіндикації в екологічній оцінці стану компонентів навколишнього середовища. Визначені фактори, які негативно впливають на здоровя населення, яке мешкає в зоні впливу гірничої промисловості. Проаналізовані існуючі критерії оцінки стану здоровя населення та екологічних факторів, що впливають на рівень захворюваності населення. Були виявлені значні можливості використання методів біоіндикації в екологічних дослідженнях стану довкілля, а також нормування рівнів антропогенного навантаження на території гірничопромислових центрів та прогнозування захворюваності населення. В огляді літератури звернута увага на відсутність єдиних критеріїв оцінки стану довкілля за допомогою методів біоіндикації, а також універсальних методів оцінки стану здоровя населення.

Обєкти і методи дослідження. Обєктом дослідження була вибрана територія Дніпропетровської області, на якій були виділені різні за видом гірничої промисловості міста: Вільногірськ (видобуток поліметалічних руд), Жовті Води (уранові руди), Павлоград (вугільна промисловість), Нікополь (гірничо-металургійна промисловість). В якості контролю була використана територія курорту ЛОК "Солоний Лиман" Новомосковського району Дніпропетровської області. На території кожного міста були вибрані від двох до чотирьох тест-полігонів, які охоплювали як промислові, так і селітебні зони. На кожному з них виділяли від 4 до 8 моніторингових точок, на яких проводився відбір зразків ґрунтів та рослин. Всього досліджено 52 моніторингові точки.

Інтегральна оцінка екологічного стану довкілля за токсико-мутагенним фоном і здоровя населення проведена за методикою проф. А.І. Горової (рис. 1). Стан атмосфери та ґрунтів за токсико-мутагенним фоном оцінювався за цитогенетичними біотестами. Оцінка здоровя населення базувалася на аналізі медичної статистики про розповсюдженість усіх класів хвороб.

Показники біоіндикаційних та популяційних блоків було переведено в єдину безрозмірну систему умовних показників ушкоджуваності біосистем:

, (1)

де УПУ_і - i-ий умовний показник ушкоджуваності біопараметру, спричинений несприятливими умовами довкілля; П_комф. і П_крит. - експериментально встановлені значення біопараметру в комфортних та критичних для організму умовах, відповідно; П_реал - значення біопараметру у досліджуваному варіанті.

Усереднений умовний показник ушкодженості біоіндикаторів визначали

, (2)

Рис.1. Структурна схема еколого-соціального моніторингу, за проф. А.І. Горовою

Інтегральний показник, що характеризує стан довкілля за загальним токсико-мутагенним фоном (ІУПУ_{біоінд.}), передбачає паритетність складових і обчислювався за формулою:

, (3)

де УПУ₁, УПУ₂, УПУ₃…. УПУ_m - інтегровані показники біоіндикації якості атмосфери, гідросфери та педосфери (m - число вибраних тест-показників).

Інтегральний показник, що характеризує стан популяційного здоровя населення, обчислювався за формулою:

ІУПУ_попул= 0,4•ІУПУ_дітей + 0,3•ІУПУ_доросл + 0,3•ІУПУ_генет , (4)

де ІУПУ_дітей - фізичне здоровя дітей; ІУПУ_доросл - фізичне здоровя дорослого населення; ІУПУ_генет - генетичне здоровя населення.

Інтегральний показник, що характеризує природний рух населення обчислюється за формулою:

, (5)

де УПУ₁ - народжуваність; УПУ₂ - смертність; УПУ₃ - смертність дітей у віці до 1 року.

Інтегральний показник, що характеризує загальну екологічну небезпеку (ЕН) для людини та біоти, обчислювався за формулою:

ЕН = 0,6•ІУПУ_біоінд +0,4• ІУПУ_попул (6)

Інтегральний показник, що характеризує еколого-генетичну небезпеку (ЕГН) для людини та біоти від дії мутагенів довкілля, обчислюється за формулою:

ЕГН = 0,6•ІУПУ_біоінд + 0,4•ІУПУ_генет. (7)

Для оцінки рівня ушкодження здоровя населення та стану довкілля, а також визначення рівнів екологічної і еколого-генетичної небезпеки, використовували єдину уніфіковану шкалу приведену в табл. 1.

Таблиця 1

Шкала оцінки стану здоровя людини, екологічного стану довкілля і рівнів екологічної і еколого-генетичної небезпек (за А.І. Горовою)

Комплексна екологічна оцінка стану обєктів довкілля та здоровя населення на територіях гірничопромислових центрів Дніпропетровської області. Стан атмосфери та ґрунтів за токсико-мутагенним фоном оцінювався за цитогенетичними біотестами "Стерильність пилку рослин-фітоіндикаторів" і Allium-тест.

Результати оцінки токсичності атмосфери на досліджуваній території (рис. 2) свідчать про "незадовільний" його стан у гірничопромислових містах. Найбільша токсичність атмосферного повітря спостерігається у мм. Жовті Води та Вільногірськ. На контрольній території стан атмосфери оцінюється як "еталонний". Рівень ушкодженості біосистем на територіях гірничопромислових міст у 3-3,6 разів більше аналогічних показників на контрольній території.

В результаті оцінки токсичності ґрунтів виявлений "катастрофічний" екологічний стан ґрунтів у мм. Жовті Води і Вільногірськ та "незадовільний" у мм. Нікополь і Павлоград. На контрольній території ЛОК "Солоний Лиман" стан ґрунтів оцінений як "еталонний". Токсичність ґрунтів на територіях досліджуваних міст у 8,2-11 раз більша ніж на контрольній території. Що стосується мутагенності ґрунтів, то на території міст Жовті Води і Вільногірськ відмічається їх "катастрофічний" стан за цією ознакою. У містах Нікополь та Павлоград екологічний стан ґрунтів - "незадовільний". На контрольній території, виявлено "задовільний" стан ґрунтів. Мутагенність ґрунтів у досліджуваних містах у 2,5-4 рази вища ніж на контрольній території.

Рис. 2. Порівняльна характеристика токсико-мутагенної активності обєктів довкілля на територіях гірничо-промислових центрів Дніпропетровської області

Загальна токсико-мутагенна активність ґрунтів, змінюється від "еталонної" ситуації на контрольній території до "катастрофічної" у м. Жовті Води та Вільногірськ. На територіях міст Нікополь і Павлоград стан ґрунтів оцінений як "незадовільний" з "загрозливим" станом біосистем. Стан ґрунтів на контрольній території оцінений як "еталонний" і рівень ушкодженості біосистем менше у 3,5-5,2 раз у порівнянні з досліджуваними гірничопромисловими містами.

Інтегральна оцінка екологічного стану обєктів довкілля за їх токсико-мутагенною активністю вказує на те, що на території міст Жовті Води та Вільногірськ виявлена "катастрофічна" екологічна ситуація. На території міст Нікополь та Павлоград вона "незадовільна". Інтегральна еколого-генетична оцінка території ЛОК "Солоний лиман" виявила "еталонний" стан обєктів довкілля. Токсико-мутагенна активність обєктів довкілля на територіях гірничопромислових міст у 3,8-5 раз вища ніж на контрольній території.

В результаті хімічного аналізу вмісту рухомих форм важких металів (ВМ) у досліджуваних пробах ґрунтів виявлено різноманітні концентрації, що пояснюється наявністю специфічних видів гірничого виробництва. Так на території м. Нікополь пріоритетними металами є манган та цинк. У м. Жовті Води відмічено найбільший вміст мангану, цинку, ніколу та купруму. Для м. Павлоград пріоритетними ВМ є цинк та хром. У м. Вільногірськ - хром, кадмій і нікол. На контрольній території підвищеного вмісту ВМ не відмічено.

Для оцінки ступеню забруднення ґрунтів ВМ, проводилося порівняння фактичних концентрацій металів у досліджуваних зразках з ГДК рухомих форм ВМ. На території м. Жовті Води виявлено перевищення концентрації цинку над ГДК у 2,28, мангану - у 1,43, а також хрому - у 1,67 рази. У м. Нікополь відмічено перевищення вмісту цинку у 1,3 рази та мангану - у 2,5 рази. В сельбіщній зоні м. Вільногірськ виявлено перевищення вмісту мангану над ГДК у 1,6 рази.

Для оцінки забрудненості ґрунтів рухомими формами ВМ за "МУ 2.1.7.730-99 Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест" були розраховані коефіцієнти забруднення ґрунтів хімічними речовинами (Kc), для оцінки забруднення ґрунтів розрахували сумарний показник забруднення (Zс) (табл. 2).

Таблиця 2

Категорії небезпеки забрудненості ґрунтів досліджуваних міст рухомими формами важких металів

Примітка: РНТ - категорія забруднення ґрунтів (Д - допустима; ПН - помірно небезпечна; Н - небезпечна). Тест-полігони: 1 - район південного трубного заводу, м. Нікополь; 2 - район феросплавного заводу м. Нікополь; 3 - центр міста Нікополь; 4 - район ж/м Новопавлівка та Лапінка м. Нікополь; 5 - сельбіщна зона м. Жовті Води; 6 - промислова зона м. Жовті Води; 7- сельбіщна зона м. Вільногірськ; 8 - промислова зона м. Вільногірськ; 9 - сельбіщна зона м. Павлоград; 10 - промислова зона м. Павлоград; 11 - рекреаційна територія ЛОК "Солоний лиман"; 12 - сільськогосподарські угіддя с. Новотроїцьке.

Небезпечними для здоровя населення є ґрунти на територіях промислових зон міст Вільногірськ і Жовті Води, так як Z_с перевищує величину 32. На контрольній території ЛОК "Солоний Лиман" Z_с=1,5, отже загроза для здоровя населення відсутня. За результатами дослідження виділені території з "помірно небезпечним" забрудненням ґрунтів - сельбіщна зона м. Жовті Води, і "допустимим" - інші тест-полігони. На території гірничопромислових центрів виявлено перевищення коефіцієнту Z_с у 6,3-26 разів у порівнянні з контролем.

Результати аналізу показників природного руху населення (табл. 3) свідчать про "середній" рівень ушкодженості біосистем у більшості гірничопромислових центрів Дніпропетровської області, який є близьким до середньообласного рівня. У м. Вільногірськ спостерігається найменший - "нижче за середній" - рівень ушкодженості біосистем, а у м. Жовті Води "вище за середній", що вказує на "загрозливий" стан демографічних процесів у цих містах.

Аналіз показників, що характеризують генетичне здоровя, вказує на те, що на досліджуваній території Дніпропетровської області інтегральний середньообласний показник генетичного здоровя має "середній" рівень ушкодження та "конфліктний" стан. Найгірша ситуація спостерігається у м. Жовті Води. Серед усіх показників, що характеризують генетичне здоровя найбільші рівні ушкодженості виявлені за поширенням вроджених аномалій розвитку у дітей та новоутворення у дорослих, які мешкають у мм. Жовті Води та Вільногірськ.

Таблиця 3

Порівняльна оцінка показників стану здоровя населення досліджуваних міст Дніпропетровської області, ІУПУ середні за 1999-2003 рр.

Аналіз показників, які характеризують здоровя дитячого населення вказує на їх "конфліктний" і "загрозливий" стан на досліджуваній території. Стан здоровя дитячого населення у мм. Жовті Води, Нікополь і Павлоград є гіршим, ніж у середньому по області й оцінюється як "загрозливий", а у м. Вільногірськ і контролі оцінений як "конфліктний" з "середнім" рівнем ушкодженості. Пріоритетними захворюваннями серед дитячого населення для всіх досліджених гірничопромислових міст є хвороби органів дихання.

Аналіз інтегральних показників, що характеризують стан здоровя дорослого населення вказує на їх зміну від "насторожуючого" до "загрозливого" стану. У середньому в області за досліджений період стан здоровя дорослого населення оцінений як "загрозливий". Аналогічна ситуація спостерігається у мм. Жовті Води та Павлоград. На території мм. Нікополь і Вільногірськ стан здоровя дорослого населення оцінений як "конфліктний" з "середнім" рівнем ушкодженості. Найкраща ситуація спостерігається у Новомосковському районі, де виявлено "нижче за середній" рівень ушкодженості та "насторожуючий" стан здоровя дорослого населення.

Результати аналізу інтегральних показників, що характеризують здоровя населення, дозволили виділити території з "загрозливим" станом - мм. Жовті Води, Павлоград; "конфліктним" - мм. Нікополь, Вільногірськ. На контрольній території спостерігається "насторожуючий" стан здоровя населення.

Аналіз результатів комплексних досліджень стану довкілля та здоровя населення на території гірничопромислових міст Дніпропетровської області за результатами біоіндикаційних досліджень (рис. 3), вказує на значне перевищення (у 2,5-11 разів) умовних показників ушкодженості біоіндикаторів у всіх досліджуваних містах у порівнянні з контролем. Виявлено, що більшість використаних біоіндикаційних показників мають високі рівні ушкодженості. Найбільш чутливим є показник, що характеризує токсичність ґрунтів (Мітотичний індекс), за яким на території досліджуваних міст спостерігається найбільше перевищення аналогічних показників на контрольній території.

Найбільші рівні ушкодженості біоіндикаторів спостерігаються на територіях видобутку та збагачення уранових руд (м. Жовті Води), а також видобутку поліметалічних руд (м. Вільногірськ). Менші рівні ушкодженості біоіндикаторів спостерігаються на територіях розробки вугільного родовища (м. Павлоград) та розробки марганцевого родовища (м. Нікополь). Слід відмітити, що у м. Жовті Води спостерігається найгірша ситуація за всіма біоіндикаційними показниками. На території інших міст рівень ушкодженості біоіндикаторів менший, ніж у м. Жовті Води, але відмічено перевищення показників на контрольній території.

Рис. 3. Порівняльна характеристика екологічного стану досліджуваних міст Дніпропетровської області за результатами біоіндикаційних досліджень. 1 - Токсичність атмосферного повітря за тестом "Стерильність пилку рослин-фітоіндикаторів", ІУПУ; 2 - Токсичність ґрунтів за тестом "Мітотичний індекс", ІУПУ; 3 - Мутагенність ґрунтів за тестом "Частота аберантних хромосом", ІУПУ; 4 - Загальний токсико-мутагенний фон довкілля, ІУПУ_{біоінд.}; 5 - Генетичне здоровя населення ІУПУ_генет.; 6 - Здоровя дитячого населення, ІУПУ_дітей; 7 - Здоровя дорослого населення, ІУПУ_доросл; 8 - Популяційне здоровя, ІУПУ _попул.

Аналіз результатів оцінки рівнів екологічної і еколого-генетичної небезпеки для біоти на досліджуваній території, вказує на "високий" рівень екологічної небезпеки (ЕН) для біоти на території м. Жовті Води (табл. 4). На території міст Вільногірськ, Павлоград і Нікополь спостерігається "вище за середній" рівень ЕН. На контрольній території рівень ЕН - "нижче за середній" Слід відмітити, що аналогічна ситуація спостерігається і за рівнем еколого-генетичної небезпеки (ЕГН), виключенням є місто Нікополь, де виявлено "середній" рівень ЕГН.

Таблиця 4

Оцінка рівнів екологічної і еколого-генетичної небезпеки для людини та біоти на територіях міст з різним видом гірничої промисловості

Таким чином, на території гірничопромислових міст виявлене перевищення рівнів ЕН в 2,4-3,5 рази, а ЕГН в 2,4-3,2 рази в порівнянні з контрольною територією. За рівнем ЕН досліджувані міста ранжували наступним чином: Жовті Води > Вільногірськ > Павлоград > Нікополь > ЛОК "Солоний лиман".

Моделювання впливу забруднювачів довкілля на стан біоти та здоровя населення. Для обґрунтування можливості використання цитогенетичних методів біоіндикації для кількісної оцінки ступеню забрудненості ґрунтів рухомими формами важких металів встановили залежності зміни ушкодженості біоіндикаторів від рівня забрудненості досліджуваних територій ВМ.

Установлені парні та множинні кореляційні звязки між вмістом у ґрунтах рухомих форм ВМ та відповідними відгуками біоіндикаторів, що дозволило обґрунтувати можливість використання Allium-тесту для кількісної оцінки ступеню забрудненості ґрунтів рухомими формами важких металів (Mn, Pb, Zn, Cr, Cu, Ni, Co, Cd), що здатні впливати на біологічні обєкти.

Той факт, що на території міст, де виявлений найвищий рівень ушкодження біоіндикаторів, виявлені високі коефіцієнти сумації забруднення ґрунтів Z_с, і навпаки, дозволив побудувати модель, яка характеризує прямий вплив негативної дії забруднювачів ґрунтів на рівень ушкодженості біоіндикаторів (рис. 4). Аналіз моделі виявив, що при стовідсотковій відсутності ушкодженості біоіндикаторів величина сумарного показника забруднення ґрунтів становить Z_с ? 4, тобто рівень ушкодженості біоіндикаторів "низький", а рівень небезпеки території - "допустимий". Підставивши кінцеві значення інтервалів величини ІУПУ=1 у отриману модель, отримали значення величини Z_с ?200.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта сумації Zс від інтегрального умовного показника ушкодженості біоіндикаторів ІУПУ

Підставивши кінцеві значення кожного з інтервалів шкали оцінки ушкодженості біоіндикаторів у отриману модель (рис. 4), визначили відповідні значення коефіцієнтів сумації Z_с. Співставлення діапазонів шкал оцінки рівнів ушкодженості біоіндикаторів і небезпеки забрудненості ґрунтів за показником Z_c дозволило створити узагальнену оціночну шкалу оцінки небезпеки від забруднення ґрунтів ВМ за результатами біоіндикації (табл. 5). Отримана шкала дозволяє визначити рівень забруднення території важкими металами за відповідним рівнем ушкодженості біоіндикаторних тест-систем.

Для ефективного управління станом навколишнього середовища необхідна інформація про рівні забрудненості природного середовища та реакцію на них біологічних обєктів, включаючи людину. У звязку з цим, була проведена кількісна оцінка стану здоровя населення і рівня забрудненості довкілля за біотестами, а також побудована математична модель їх взаємного звязку (рис. 5).

Аналіз отриманих залежностей виявив, що забруднення довкілля не впливає на основні демографічні процеси, тому цей параметр (тренд 1) було виключено із подальшого аналізу закономірностей між станом здоровя та станом довкілля, як неінформативний. Найбільшу чутливість, тобто величину зростання ушкодженості здоровя від рівня забрудненості, дав тест стерильності пилку фітоіндикаторів, а найменшу - мітотичний індекс. Початковий рівень здоровя населення за проведеними тестами змінювався приблизно в межах від 0,2 до 0,320 УПУ, а граничний - від 0,680 до 1,000 УПУ.

Таблиця 5

Шкала оцінки небезпеки від забруднення ґрунтів рухомими формами важких металів за результатами біоіндикації

Рис.5. Залежності різних показників здоровя населення від оцінок стану довкілля за кожним з трьох запропонованих біотестів. а - Стерильність пилку рослин-фіто-індикаторів; б - Частота аберантних хромосом; в - Мітотичний індекс;

1- природний рух населення;

2 - генетичне здоровя;

3 - здоровя дитячого населення;

4 - здоровя дорослого населення.

Відносно близький характер трендів 2-4 і скупченість даних указали на можливість побудови узагальненої залежності інтегрального здоровя населення від інтегрального забруднення довкілля на основі паритетності трьох факторів здоровя та трьох запропонованих біотестів. Ця залежність інтегрального здоровя населення Y від рівня забруднення довкілля X була побудована з використанням усього масиву отриманих даних, окрім демографічних показників, і наведена моделлю у вигляді Y=Y₀·exp(C·X)=0,2497 · exp(0,9984X), R²=0,604 (рис.6).

Модель залежності інтегрального здоровя населення від рівня забруднення навколишнього середовища, оціненого за біотестами ("Стерильності пилку рослин-фітоіндикаторів", "Мітотичний індекс" та "Частота аберантних хромосом"), у вигляді експоненти загального виду з двома параметрами (Y₀ і С) адекватно описує вплив забруднення на здоровя населення.

Рис. 6. Залежність інтегрального здоровя населення від інтегрального забруднення довкілля, оціненого за результатами біоіндикації

Засоби реабілітації ґрунтів забруднених важкими металами. У результаті проведених досліджень гірничопромислових міст Дніпропетровської області виявлені території з високим рівнем токсико-мутагенної активності ґрунтів і підвищеним вмістом рухомих форм ВМ. Хімічне забруднення ґрунтів ВМ на територіях з високим рівнем техногенного навантаження є актуальною проблемою сьогодення. Зниження рівня екологічної небезпеки від забруднення ґрунтів ВМ можна здійснити за рахунок обмеження їх надходження із ґрунтів до рослин та організму людини. Одним з методів обмеження міграції ВМ є використання гумінових сполук, які мають високі сорбційні властивості та при взаємодії з рухомими формами ВМ, утворюють слабо розчинні металоорганічні комплекси. Був розроблений спосіб детоксикації ґрунтів для забезпечення прискорення процесів відновлення природних властивостей деградованих ґрунтів.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі сформульована та вирішена науково-практична задача з підвищення ефективності оцінки екологічного стану гірничопромислових територій для визначення рівнів екологічної небезпеки для біоти та людини. Були встановленні закономірності взаємозвязку між рівнем забрудненості обєктів навколишнього середовища та станом біоти і здоровя населення, що мешкає на цих територіях.

У результаті проведеного дослідження можна зробити наступні висновки:

1. Установлено, що на території досліджених гірничопромислових центрів Дніпропетровської області загальна токсичність атмосферного повітря, токсичність та мутагенність ґрунтів за результатами біоіндикації у 3-3,6, у 8,2-11 і 2,5-4 рази перевищує відповідні значення на контрольній території (ЛОК "Солоний Лиман"). Найбільша токсичність атмосферного повітря та токсико-мутагенна активність ґрунтів спостерігається на територіях міст Жовті Води та Вільногірськ, екологічна ситуація в цих містах оцінена як "катастрофічна".

2. У результаті фізико-хімічного аналізу вмісту рухомих форм ВМ у ґрунтах встановлено, що найбільш небезпечними для здоровя населення є ґрунти, промислової зони м. Вільногірськ, а також промислової і сельбіщної зони м. Жовті Води. За результатами аналізу виділені міста з "небезпечним" рівнем забруднення ґрунтів - мм. Жовті Води та Вільногірськ, помірно небезпечним - інші досліджувані території. На території гірничопромислових центрів спостерігається перевищення коефіцієнта сумації у 6,3-26 раз у порівнянні з контролем.

3. На територіях тест-полігонів (промислові зони міст Жовті Води та Вільногірськ) виявлено небезпечний для здоровя рівень забруднення ґрунтів рухомими формами ВМ, коефіцієнт сумації Z_c тут змінюється від 32,63 до 39,92, а рівень ушкодження біоіндикаторів УПУ змінюється від 0,617 до 0,895, що вказує на "критичний" та "небезпечний" стан біоіндикаторів і відповідно "катастрофічний" стан ґрунтів за токсико-мутагенною активністю, і навпаки - на контрольній території Z_c=1,5 і УПУ=0,036-0,120, що вказує на "сприятливий" стан біоіндикаторів і "еталонний" стан ґрунтів. На територіях з розвинутою гірничою промисловістю відмічається збільшення коефіцієнту сумації забруднення ґрунтів ВМ, що віддзеркалюється в підвищенні рівня ушкодженості біоіндикаторів і вказує на підвищення токсичності і мутагенності досліджуваних ґрунтів.

4. Установлено парні та множинні кореляційні звязки між вмістом у ґрунтах рухомих форм ВМ та відповідними відгуками біоіндикаторів, що дозволило обґрунтувати можливість використання Allium-тесту для кількісної оцінки ступеню забрудненості ґрунтів рухомими формами ВМ (Mn, Pb, Zn, Cr, Cu, Ni, Co, Cd), що здатні впливати на біологічні обєкти.

5. Виявлено, що демографічна ситуація у досліджуваних містах знаходиться приблизно в однаковому "конфліктному" стані за виключенням мм. Жовті Води та Вільногірськ, де виявлено "загрозливу" і "насторожуючу" ситуацію відповідно. Найгірша ситуація спостерігається за показником "народжуваність" в більшості досліджуваних міст. Досліджувані території можна ранжувати в порядку покращення ситуації наступним чином: Жовті Води > Нікополь > Дніпропетровська область > Новомосковський район > Павлоград > Вільногірськ.

Стан генетичного здоровя, оцінений як "критичний" на території м. Жовті Води, "загрозливий" - м. Павлоград, "конфліктний" - мм. Нікополь, Вільногірськ і в Дніпропетровській області; і "насторожуючий" у Новомосковському районі. Досліджувані території, в порядку покращення ситуації можна розташувати наступним чином: Жовті Води > Павлоград > Дніпропетровська область > Вільногірськ > Нікополь > Новомосковський район.

Стан здоровя дітей оцінений як "конфліктний" у м. Вільногірськ, Новомосковському районі і Дніпропетровській області та "загрозливий" у мм. Жовті Води, Нікополь і Павлоград. Досліджувані території в порядку покращення ситуації ранжували наступним чином: Жовті Води > Нікополь > Павлоград > Дніпропетровська область > Вільногірськ > Новомосковський район.

На території мм. Нікополь і Вільногірськ виявлено "конфліктний" стан здоровя дорослого населення, на території Новомосковського району він "насторожуючий", у мм. Жовті Води, Павлоград і в Дніпропетровській області - "загрозливий". Досліджувані території за станом здоровя дорослого населення ранжували наступним чином: Жовті Води > Павлоград > Дніпропетровська область > Вільногірськ > Нікополь > Новомосковський район.

6. На території гірничопромислових міст виявлене перевищення рівнів екологічної небезпеки в 2,4-3,5 рази, а еколого-генетичної небезпеки в 2,4-3,2 рази в порівнянні з контрольною територією. За рівнем екологічної небезпеки в порядку покращення ситуації досліджувані міста ранжували наступним чином: Жовті Води > Вільногірськ > Павлоград > Нікополь > ЛОК "Солоний лиман".

7. Отримано математичну модель залежності умовних показників здоровя населення Y від умовних показників забруднення довкілля X, визначених на основі паритетності трьох факторів - здоровя дітей, дорослих і генетичного здоровя і трьох біотестів - "Стерильність пилку рослин-фітоіндикаторів", "Частота аберантних хромосом" і "Мітотичний індекс", що з достатньою достовірністю представлена моделлю у вигляді експоненти Y=Y₀·exp(C·X)=0,25·exp(X) (R²=0,604), яка може бути використана для прогнозу стану довкілля за показниками здоровя населення у вигляді X=ln4·Y або X=1,39+lnY. Залежність показників інтегрального здоровя населення від інтегрального забруднення довкілля описується прогресуючою експонентою, параметри якої визначаються рівнем природної захворюваності населення в умовах навколишнього середовища, близьких до комфортних, що складає близько 25% і не залежить від забруднення, а інтенсивність росту захворюваності від забруднення близька до одиниці.

В області низьких значень умовного показника забруднення середовища зміни стану здоровя відносно невеликі за рахунок певної адаптації населення до забруднювачів, граничний рівень якої відповідає рівню захворюваності населення близько 0,5 (50%). Оскільки фактичне погіршення здоровя прогресує з ростом забруднення, граничне значення його умовного показника, що відповідає захворюваності населення 0,5 (50%), за запропонованою моделлю складає 0,7 (70%) і рекомендується як гранично допустиме значення (ГДЗ) умовного показника забруднення довкілля, перевищення якого не є допустимим.

8. Встановлена можливість використання гумінових речовин для зниження токсичності порушених гірництвом ґрунтів. Отримані лінійні залежності, що характеризують ефективність зниження рівня токсичності ґрунтів при обробці розчином гумату натрію (100 мг/л) представлені рівнянням y=0,52x+76,68 (R²=0,75), зниження мутагенності також має лінійний характер і описується рівнянням y=0,23x+1,96 (R²=0,59). Інтенсивність зниження токсичності та мут ...........