СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГРУНТОВ, ГОРНЫХ ПОРОД И ПОДЗЕМНЫХ ВОД Российский патент 1998 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а более конкретно к обнаружению, картированию и мониторингу ореолов загрязнения в грунтах, горных породах и подземных водах.

Применение изобретения наиболее эффективно при контроле локальных зон загрязнения промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения.

Известны способы контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод, которые методологически можно разделить на три группы: первая объединяет методы биотестрования, вторая методы биоиндикации, третья гео- и гидрогеохимические методы.

Способы контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод, известные под общим названием "биотестирование", заключаются в отборе образцов грунтов, горных пород и подземных вод, обработке материалом отобранных проб тестовых организмов и исследовании в лабораторных условия реакций тестовых организмов на эту обработку [1] При этом реакция тестовых организмов служит критерием для выявления ореола загрязнения. Основные отличия между известными методами биотестирования заключаются: а) в выборе тестовых организмов, в качестве которых могут быть использованы, например, бактерии, дрожжи, водоросли, высшие растения, насекомые, млекопитающие и т.д. б) в выборе регистрируемой реакции тестового организма на обработку материалом пробы, например изменение продуктивности, мутации, летальный исход и т.д. [2-7]
Однако способы этой группы обладают следующими недостатками:
невысокая надежность за счет того, что реакция тестового организма в лабораторных условиях не всегда адекватна реакции биоты реального природного объекта; отсутствуют универсальные тестовые организмы, дающие однозначную реакцию на широкий спектр загрязняющих веществ;
высокая трудоемкость способа за счет необходимости соблюдения специальных требований по "чистоте" лабораторных исследований и квалификации исполнителей.

Способы контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод, известные под общим названием "биоиндикация", заключаются в том, что о загрязнении судят по изменению временной и структурно-функциональной организации биоценоза в условиях воздействия загрязняющих веществ. При этом исследуют присутствие, поведение или интенсивность развития индикаторных организмов, по которым судят о степени загрязнения окружающей среды [1, 8] Основные отличия между известными методами биоиндикации заключаются в выборе индикаторных организмов, в качестве которых могут быть использованы бактерии, водоросли, низшие и высшие растения, насекомые, рыбы, млекопитающие и т.д. При выборе индикаторных организмов исходят из конкретных задач, так как для каждого (специфичного по составу) загрязнения требуется индивидуальный набор индикаторных организмов [1]
Способы второй группы обладают следующими недостатками:
низкая воспроизводимость за счет существенного влияния на результаты исследований природно-климатических, сезонных и ландшафтных факторов; значительных расхождений в результатах исследований при применении различных индикаторных организмов;
этим способам присущ также общий с первой группой проанализированных способов недостаток высокая трудоемкость, которая обусловлена тем, что наиболее достоверные результаты достигаются лишь путем многолетних исследований;
способы контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод, известные как "гео- и гидрогеохимические методы", заключаются в отборе образцов грунтов, горных пород и подземных вод, определении в них концентраций химических элементов и соединений, картировании и мониторинге ореолов загрязнения по аномальным значениям концентраций в пробах контролируемых элементов и соединений. При этом аномальность значений концентраций контролируемых элементов и соединений устанавливают по отношению к фоновому уровню или к предельно допустимым концентрациям (ПДК) (9, 10, 11]
Способы этой группы позволяют более достоверно (по отношению к способам первых двух групп) выявлять распределение в окружающей среде загрязняющих компонентов и контролировать ореолы загрязнения.

Способы третьей группы обладают следующими недостатками:
невысокая надежность за счет того, что, по оценкам различных экспертов, перечень элементов и соединений, подлежащих контролю, включает от 6 тыс. до нескольких десятков тысяч наименований [12 14] По требованиям нормативных документов перечень подконтрольных веществ и соединений в различных элементах окружающей среды включает несколько сотен наименований [15-23] Эти требования значительно превышают возможности современных химико-аналитических лабораторий. Поэтому на практике обнаружение, картирование и мониторинг ореолов загрязнения проводится по ограниченному комплексу показателей, и его результаты не во всех случаях могут быть признаны достоверными;
повышение надежности контроля требует значительного увеличения контролируемых показателей, что неизбежно приводит к увеличению стоимости и трудоемкости исследований.

Известна группа способов, наиболее близких по технологическим приемам биохимического анализа [24 26] В частности, биохимический анализ в минеральных средах осуществляется в соответствии с патентами РФ [24, 25] а биохимический анализ водной среде осуществляется способом, близким к описанному Шаффнером и Вейссманном [26] Однако эти методы направлены на достижение иного, чем в изобретении, технического результата. Так, патенты РФ [24, 25] направлены на решение геологических задач, а описанный Шаффнером и Вейссманном метод решает задачи прикладной биохимии. Экологические проблемы этими методами не решаются.

Наиболее близким по достижению технического результата является способ контроля загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами по величине суммарного показателя загрязнения (СПЗ) [11] относящийся к группе "гео- и гидрогеохимических методов". Известный способ заключается в отборе образцов, определении концентрации тяжелых металлов, сопоставлении этих концентраций с фоновым уровнем, выделении элементов с аномальным содержанием и расчете СПЗ по формуле:

где Zc суммарный показатель загрязнения;
n количество учитываемых загрязняющих элементов с аномальным содержанием;
Kc_i коэффициент концентрации i^го загрязняющего компонента, рассчитываемый из соотношения где C_i и Cф_i - содержание компонента в пробе и его фоновое содержание.

По величине рассчитанного значения Zc контролируют ореол загрязнения.

Данный способ также применяется при контроле загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод широким спектром загрязняющих компонентов. При этом в ряде случаев, особенно при контроле загрязнения окружающей среды техногенными новообразованиями, фоновое содержание загрязняющего компонента заменяют его предельно допустимой концентрацией (ПДК), значение которой устанавливается государственным или ведомственным нормативом [15-23]
Недостатками известного способа являются низкая надежность, высокая трудоемкость, высокая стоимость. Низкая надежность обусловлена тем, что применяемый в известном способе суммарный показатель является формальной расчетной величиной, не отражающей реальной опасности загрязнения, так как в нем не учитываются синергетические эффекты от воздействия комплекса загрязняющих веществ и эффекты, обусловленные конкретной гео- и гидрогеохимической обстановкой, на которую накладывается загрязнение.

Сущность предлагаемого способа поясняется примерами, в каждом из которых отражены результаты его применения на реальных объектах, приведен сопоставительный анализ с результатами, полученными известными способами; рассмотрены преимущества по отношению к известным способам.

Техническим результатом изобретения являются повышение надежности, точности и экспрессности при уменьшении трудозатрат и стоимости за счет того, что контроль ореолов загрязнения с неизвестным (частично известным) составом загрязняющих компонентов проводят по одному показателю. Преимущества этого показателя подтверждены результатами специальных исследований [32, 33]
Физическая основа предлагаемого способа заключается в следующем. Существенным моментом функционирования экосистем является равновесие между синтезом и деструкцией биомассы [29, 30] Поддержание равновесного уровня биомассы обеспечивается постоянным потреблением биотой энергии. Загрязнение можно определить как создание условий, при которых энергетика экосистемы отклоняется от уровня, соответствующего нормальному функционированию. Изменение потока энергии, вызванное нарушением круговорота веществ, приводит к дестабилизации экологического равновесия и смещению равновесного уровня биомассы. В каждой функционирующей экосистеме имеет место деятельность микроорганизмов и, следовательно, синтез микробных клеток, выражающийся в поддержании микробной биомассы на равновесном уровне [29] Скорость метаболизма у микроорганизмов необычайно высока: время удвоения их биомассы измеряется часами. Вследствие этого уровень микробной биомассы в природных экосистемах экспрессно отражает реакцию биоты на загрязнение и может рассматриваться как информативный показатель изменений в окружающей среде, выходящих за пределы нормальных колебаний [30] В предлагаемом способе в качестве показателя уровня микробной биомассы использована концентрация высокомолекулярных органических соединений протеинового ряда, содержание которых в бактериальных клетках не зависит от конкретного биологического вида и составляет 50% от веса сухой биомассы.

Пример 1. Контроль за миграцией ореола загрязнения донных грунтов Невской Губы восточной части Финского залива при манипулировании затворами дамбы.

Данный пример реализации предлагаемого способа поясняется фиг. 1 - изменение положения аномалий концентрации высокомолекулярных органических соединений протеинового ряда (А) и микробной биомассы (Б) в донных грунтах Невской Губы восточной части Финского залива при манипулировании затворами дамбы.

На фиг. 1 приведено сопоставление результатов трех опробований донных грунтов Невской Губы восточной части Финского залива на содержание высокомолекулярных органических соединений протеинового ряда и на содержание микробной биомассы, определяемой методом Виноградского в модификации Шульгиной [31] Исследования проводились с целью контроля за изменением положения ореолов загрязнения донных грунтов при манипулировании затворами дамбы. Источник загрязнения очистные сооружения г. Санкт-Петербурга. Как видно из фиг. 1, схемы миграции ореолов загрязнения, полученные двумя независимыми способами, близки. Однако точность аналитических определений известным методом достигла ± 27% а предлагаемым ±6%
Пример 2. Выявление ореола загрязнения горных пород в районе полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор".

Данный пример реализации предлагаемого способа поясняется фиг. 2 - биогеохимические (А) и геохимические (Б) аномалии в районе полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор".

На фиг. 2 приведены результаты опробования горных пород четвертичного возраста в районе полигона по захоронению токсичных отходов "Красный Бор" предлагаемым способом (А) и известным геохимическим способом (Б).

Полигон "Красный Бор" является единственным местом захоронения высокотоксичных отходов производств, расположенных в г. Санкт-Петербурге. В связи с этим его следует рассматривать как потенциальный источник загрязнения повышенной опасности. Как видно из фиг. 2, ореолы загрязнения, выявленные двумя независимыми способами, локализуются в районе полигона и имеют близкие очертания. Однако геохимический способ базировался на определении концентрации более чем 20 загрязняющих компонентов, а предлагаемый способ на проведении одного вида аналитических определений концентрации высокомолекулярных органических соединений протеинового ряда. Таким образом, предлагаемый способ явился менее трудоемким, более дешевым и экспрессным.

Пример З. Выявление источника загрязнения подземных вод хозяйственно-питьевого водопользования в районе г. Кировска (Мурманская обл.).

Данный пример реализации предлагаемого способа поясняется фиг. 3 ореол загрязнения подземных вод, выявленный предлагаемым способом и методом изотопии азота (водозабор г. Кировска, Мурманская обл.).

На фиг. 3 приведены результаты опробования подземных вод в районе водозабора.

Сущность проблемы заключалась в определении источника поступления азотсодержащих веществ в подземные воды хозяйственно-питьевого водоснабжения в районе водозабора. Потенциальными источниками поступления азота являлись рудники, на которых активно применяются азотсодержащие взрывчатые вещества, и канализационные системы жилых поселков. Последнее наиболее опасно, так как в этом случае повышенные концентрации азота на водозаборе являются свидетельством фекального загрязнения подземных вод. Поставленная задача была решена двумя независимыми способами: предлагаемым и известным способом изотопии азота [32] который основан на том, что в азоте биогенного и техногенного генезиса наблюдается различное соотношение изотопов ¹⁴N/¹⁵N. Результаты применения двух способов практически близки: доказано поступление фекально-загрязненных вод в водозаборные скважины. При этом стоимость применения предлагаемого способа была на порядок ниже, чем известного.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в повышении надежности контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод при одновременном снижении трудозатрат и стоимости, а также повышении экспрессности. Стоимость аналитических исследований при контроле загрязнения предлагаемым способом примерно в 10 раз ниже по сравнению с известным способом. Так, стоимость аналитических исследований при контроле загрязнения известным способом только по десяти компонентам, по расценкам государственной геологической службы Финляндии, составляет 300 финских марок (или 300 тыс. рублей в пересчете по курсу на май 1996 г.).

Источники информации
1. А. А.Зенин, Н.В.Белоусова. Гидрохимический словарь. Л. Гидрометеоиздат, 1988.

2. Руководство по краткосрочным тестам для выявления мутагенных и канцерогенных химических веществ. В сер. Гигиенические критерии состояния окружающей среды, N 51, Международная программа химической безопасности. Совместное издание Программы ООН по окружающей среде, Международной организации труда и Всемирной организации здравоохранения. Женева, 1989. Издание на русском языке по разрешению ВОЗ. М. Медицина, 1989.

3. Н.С.Строганов. Принципы оценки нормального и патологического состояния водоемов при химическом загрязнении. В кн. Теоретические вопросы водной токсикологии. Л. Наука, 1981, c.16-29.

4. Л. А. Лесников. Основные задачи, возможности и ограничения биотестирования. В кн. Теоретические вопросы биотестирования./Сборник АН СССР. Волгоград: Институт внутренних вод, 1983.

5. О современном состоянии и перспективах развития научно-исследовательских работ по биотестированию природных и сточных вод./Доклад временной научно-технической комиссии. -М. 1978, с. 27.

6. С. А.Патин. Биотестирование как метод изучения и предотвращения загрязнений водоемов. В кн. Биотестирование природных и сточных вод. М. Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 7-9.

7. А.Н.Крайнова. Состояние и перспективы применения методов биотестирования для оценки загрязнения водной среды. В кн. Экологическая химия водной среды. Материалы 2-й всесоюзной школы. Ереван, 11-14 мая 1988 г. М. Госкомиздат, 1988, с. 108-124.

8. Советский энциклопедический словарь./Под ред. А.М.Прохорова. М. Советская Энциклопедия, 1985, с. 140.

9. Ю.Е.Сает, Б.А.Ревич, Е.П.Янин и др. Геохимия окружающей среды. М. Недра, 1990.

10. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию масштаба 1 1000000 1 500000. Утверждены первым заместителем министра геологии СССР М.Д.Пельменевым 1 июня 1990 г. М. ВСЕГИНГЕО, 1990.

11. Л. А.Островский, В.Н.Островский, Р.К.Шахнова. Методические рекомендации по составлению эколого-геологических карт масштаба 1 1000000 - 1 500000, сводная легенда и макеты. М. ВСЕГИНГЕО, 1994 (прототип).

12. Л.А.Лесников. Биотестирование в системе охраны вод. Тезисы докладов всесоюзного симпозиума "Практические вопросы биотестирования и биоиндикации". Черноголовка, 2-4 февраля 1982 г. Черноголовка, 1983, с. 23-27.

13. А.М.Никаноров, Н.М.Трунов, А.В.Жулидов, И.А.Лапин. Принципы и задачи экологического нормирования пресноводных экосистем. В кн. Экологическая химия водной среды. Материалы 2-й всесоюзной школы. Ереван, 11-14 мая 1988. - М. Госкомиздат, 1988.

14. В.П.Форощук. К вопросу об экологическом нормировании содержания антропогенных веществ в водной среде. Тезисы докладов VII всесоюзного симпозиума по проблемам прогнозирования и контроля качества воды водоемов. - Таллин, 1985.

15. ГОСТ 17.4.1.02-83. Государственный стандарт союза ССР. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. - М. Издательство стандартов, 1989.

16. ГОСТ 2874-82 Вода питьевая. Гигиенические требования контроля за качеством. М. Госстандарт, 1984.

17. ГОСТ 17.1.3.04-82. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных и подземных вод от загрязнения пестицидами. М. Издательство стандартов.

18. ГОСТ 17.1.3.11-84. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных и подземных вод от загрязнения минеральными удобрениями. М. Издательство стандартов.

19. ГОСТ 17.1.3.04 82. Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния. М. Издательство стандартов.

20. Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. М. 1983, N 2932-83 от 24.10.83.

21. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДК). N 3210 от 01.02.85.

22. Предельно допустимые концентрации химических веществ в почве (ПДК). Санитарные правила и нормы. N 128- 4275-87.

23. Нормы радиационной безопасности НРБ-76-87. М. Энергоатомиздат, 1988.

24. Патент РФ N 1404940 "Способ определения степени оглеенности пород". Авторы Т.Н.Нижарадзе и др.

25. Патент РФ N 2039369 "Способ поиска залежей углеводородов". Авторы Т. Н.Нижарадзе и др.

26. W.Schaffner, C.Weissmann Anal.Biochem. 56, n2, p.502-502.

27. С. К.Снедакер. Разработка имитационных моделей для определения биологического воздействия загрязнителей на морские системы. В кн. Человек и биосфера, вып.3. М. МГУ, 1979, с. 24-33.

28. М.В.Гусев. Разработка стандартных методов измерения микробиологической продукции. В кн. Человек и биосфера, вып.3. М. МГУ, 1979, с. 34-42.

29. Дж. Кернс-младший, Дж.Р.Ланца. Изменения в сообществах водорослей и простейших, вызываемые загрязнением. В кн. Микробиология загрязненных вод. М. Медицина, 1976, с 206-225.

30. З.Г.Разумовский, Т.Я.Чижик, Б.В.Громов Практические занятия по почвенной микробиологии. Л. ЛГУ, 1960.

31. Э. М.Прасолов, Е.С.Субботин, И.В.Токарев, А.Е.Горштейн. Определение источников нитратного загрязнения водозабора г. Кировска./Доклады АН CССР, 1991, N 5,316(1).

32. В. В.Хаустов. Формирование подземных вод района вольфрам-молибденового месторождения Тырныауз и вопросы охраны бассейна р.Баксан от загрязнения. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. -Л. ЛГИ, 1989.

33. А.М.Томилин. Оценка экологического состояния водных объектов с применением белковых критериев. /Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. -Л. ЛГИ, 1992.

Использование: в области охраны окружающей среды, для обнаружения, картирования и мониторинга ореолов загрязнения в грунтах, горных породах и подземных водах. Сущность изобретения: в качестве информативного показателя изменений в окружающей среде используется концентрация высокомолекулярных органических веществ протеинового ряда, аномальная концентрация которых отражает реакцию биоты на загрязнение. 3 ил.

Способ контроля загрязнения грунтов, горных пород и подземных вод, заключающийся в отборе проб грунтов, горных пород и подземных вод, выявлении, оконтуривании и контроле ореолов загрязнения, отличающийся тем, что контроль ореола загрязнения осуществляют по аномальным концентрациям в пробах высокомолекулярных органических соединений протеинового ряда.