СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ СЕРОСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ГОРОДСКИХ И ПРИЛЕГАЮЩИХ К НИМ ТЕРРИТОРИЙ МЕТОДОМ ФИТОИНДИКАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01W1/00 G01N33/00 

Изобретение относится к биомониторингу состояния окружающей среды, в особенности атмосферы на территории городов и вблизи промышленных предприятий. В частности оно относится к поиску биоиндикаторов, обладающих повышенной чувствительностью к загрязнителям для использования в системе биомониторинга.

Биомониторинг состоит из регулярного использования биологических методов получения информации о содержании таких загрязнителей, как тяжелые металлы и соединения серы в атмосфере. В качестве биоиндикаторов могут служить высшие растения. Этот метод позволяет определять степень, динамику и характер нарушения среды под воздействием промышленных загрязнителей.

В настоящее время исследования по использованию различных видов растений в качестве биоиндикаторов ведутся во многих странах мира. Повышенное внимание уделяется поискам индикаторов такого токсичного загрязнителя атмосферы, как сера, доля которой в структуре других загрязнителей в районах с развитой тяжелой и химической промышленностью может составлять 18-20% (Состояние окружающей природной среды Кемеровской области в 1998 году. Доклад госкомитета по охране окружающей среды Кемеровской области, Кемерово, 1999. - 182 с.).

Наиболее часто используемым биоиндикатором на содержание серы вблизи промышленных источников газообразных выбросов во многих странах являются хвойные деревья (это характерно для большинства европейских стран: Польши, Финляндии, Германии, Австрии, России и др., а также для таких стран, как Китай, Индия, Канада и др. (БД РЖ ВИНИТИ "Охрана окружающей среды", 1986-2000 гг.).

Многими авторами наиболее чувствительными биоиндикаторами к соединениям серы признаются эпифитные лишайники (Manninen S и др. (Финляндия). БД РЖ ВИНИТИ, реф. 92.4.72.588; Цветков В.Ф., там же, реф. 92.5.72.689; Лобанова О.А. и др., там же, реф. 00.1.83.357 и др.).

Например, в статье Лобановой О.А. и др. "Исследование накопления серы в лесных экосистемах на территории Архангельского промышленного узла" (БД РЖ ВИНИТИ, запись в БД 148951) описано исследование накопления серы в лесных экосистемах на примерах хвои ели и эпифитных лишайников. Сделан вывод о большей целесообразности использования в качестве биоиндикаторов эпифитных лишайников как обладающих большей чувствительностью. По уровню накопления общей серы в них были выделены 4 экологические зоны: 1) с содержанием >0,120%; 2) с содержанием в пределах 0,100-0,120%; 3) с содержанием в пределах 0,080-0,100%; 4) с пониженным содержанием в пределах 0,050-0,080%, характерным для относительно экологически чистого контрольного района.

Однако эпифитные лишайники не характерны для биоценозов городской черты и прилегающих к ним районов. Их чувствительность высока уже в загородных районах. А в городской черте для их существования, вероятно, нет фитогеноспецифических условий.

Известно использование листьев и побегов березы повислой с целью аккумуляции в них выбросов тяжелых металлов (например, Са, Sr, Mn, Fe и др.) (Гиниятуллин Р.Х. //Леса Башкортостана: современное состояние и перспективы. Матер. науч. -практич. конф., Уфа [1997] - Уфа, 1997. - С. 102-104. - Рус). Отмечается, что насаждения березы повислой представляют практический интерес с учетом к накоплению тяжелых металлов и ограничению циркуляции загрязнителей в окружающей среде.

Известно использование березы повислой в составе городских зеленых насаждений как вида древесного растения, обладающего средней чувствительностью к длительным загрязнениям SO₂ (см. табл. 3.6. в кн. под ред. Р.Шуберта. Биоиндексация загрязнений наземных экосистем. - М.: Мир, 1988. - С. 222).

Однако в работе отсутствуют сведения о возможности использования березы повислой в качестве индикатора накопления определенных количеств сернистых соединений и на этой основе более точного определения зон загрязнения ими.

Как уже отмечалось выше, во многих странах в качестве биоиндикаторов загрязнения атмосферы сернистыми соединениями служат такие древесные растения, как сосна и ель, хвоя которых обладает хорошей газопоглотительной способностью.

Например, известно, что территория Австрии покрыта биоиндикационной сетью, позволяющей следить за повреждениями биоценозов окружающей среды под действием сернистых выбросов. Сеть начала разворачиваться с 1983 г. и включала 317 пунктов (по сетке 16•16 км). Теперь она включает более 1500 пунктов отбора проб хвои, которые анализируются в Институте химии леса и проблем эмиссии. По содержанию в хвое серы проводят экологическое зонирование древостоев: при содержании серы в однолетней и двухлетней хвое 0,080 и 0,101% древостой относят к 1 классу повреждений; 0,081-0,110% и 0,101-0,140% - ко 2 классу; 0,111-0,150 и 0,141-0,190% - к 3 классу; а больше 0,190% - к 4 классу (БД РЖ ВИНИТИ, в БД 79353, реф. 92.9.72.494, автор Stefan Klaus).

Однако хвойные деревья являются недостаточно чувствительными биоиндикаторами серы в атмосфере, например, по сравнению с эпифитными лишайниками, и, следовательно, недостаточно эффективными для ранней диагностики появления серы в атмосфере, особенно в городской черте и прилегающих районах.

Таким образом, основной задачей изобретения является поиск наиболее чувствительного биоиндикатора сернистых соединений среди древесных растений, широко используемых для озеленения городов и прилегающих территорий промышленных узлов.

Задачей также является проведение фитоиндикационных исследований с помощью найденного биоиндикатора, использование их данных для проведения экологического зонирования по содержанию серы городской территории и прилегающих к ней районов; а на основе экологического зонирования проведение ранней диагностики появления сернистых соединений в атмосфере.

Поставленная задача решается следующим образом: при определении степени загрязнения атмосферы, преимущественно городских и прилегающих к ним территорий, серосодержащими соединениями методом фитоиндикации с использованием биоиндикаторов - древесных растений, растущих на этих территориях, по накоплению в них серы, с последующим проведением экологического зонирования этих территорий по степени загрязненности их серой, предлагается в качестве биоиндикатора использовать березу повислую, в листьях которой определять количество экзогенной серы и степень загрязнения территории определять по количеству накопления экзогенной серы в них и на основании этого количества проводить экологическое зонирование территории.

При этом, количество экзогенной серы в листьях березы повислой определяют по разнице между количеством общей серы в листьях в месте определения и количеством ее в листьях в участке контроля.

И экологическое зонирование исследуемых территорий проводят следующим образом: при определении количества экзогенной серы в листьях березы повислой в пределах (мас.% сухого вещества) менее 0,030 экологическую зону относят к относительно чистой; при определении количества экзогенной серы в пределах 0,031-0,100 экологическую зону относят к среднезагрязненной и при определении количества экзогенной серы в пределах 0,101-0,125 и выше экологическую зону относят к повышенно загрязненной.

В прикладной экологии существует множество подходов и методов оценки экологической безопасности и экологических нормативов допустимого антропогенного воздействия на природные экосистемы.

В данном изобретении выбирается один из методов - фитоиндикация, использование которой в системе биомониторинга предпочтительно в связи с тем, что зеленые растения являются базовой составляющей любого биоценоза и их состояние во многом определяет состояние всей экосистемы. Одним из фитоиндикационных показателей может служить газопоглотительная способность растений. Уровень аккумуляции загрязнителей ассимиляционными органами растений и накопления эксгалатов в органах растений по сравнению с контролем (в относительно чистой зоне для растений) широко используются как диагностический показатель загрязнения атмосферы и повреждения растений. В качестве экспериментальных данных использовались данные по газопоглощению и накоплению серы ассимиляционными органами ряда растений, таких как сосна обыкновенная (pinus sylvestris), ель сибирская (picea sibiricus) и береза повислая (betula pendula).

Известно, что вследствие мезофильного строения листа и высокой степени открытия устьиц, лиственные породы обладают более высокой интенсивностью газообмена и большей поглотительной способностью по сравнению с хвойными породами.

В результате исследований было установлено, что максимальной поглотительной способностью в отношении серосодержащих газообразных выбросов обладает береза повислая (содержание общей серы в листьях березы повислой было выше на 38-155% ее фонового содержания в контрольной зоне). Большая газопоглотительная способность указывает на повышенную чувствительность березы повислой.

Хвойные породы - ель сибирская и сосна обыкновенная показали меньшую газопоглотительную способность. При сравнении исследуемых хвойных пород было установлено, что сосна в условиях городской среды обладает большей поглотительной способностью по серосодержащим выбросам, чем ель: содержание серы в ней составляет 27-72%, против 16-37% у ели.

Газопоглотительную способность дерева определяют по величине экзогенной серы в ее ассимиляционных органах, которую находят по разнице между общей серой в органе растения и ее содержанием в контроле. Т.е. содержание экзогенной серы в растении можно определить как содержание чисто техногенной серы. Поэтому содержание экзогенной серы в листьях березы повислой или ее газопоглотительная способность являются достоверными показателями ее индикационной способности.

Данные поглотительной способности березы повислой сернистых соединений коррелировали с расчетами средних концентраций серосодержащих примесей (с указанием вклада отдельных предприятий) долгосрочной модели атмосферной диффузии, в основу которой положена модель Гауссовского факела для расчета краткосрочных приземных концентраций при заданных метеоусловиях (направление ветра, скорость ветра и класс устойчивости атмосферы) с последующим осреднением в зависимости от климатической повторяемости метеоусловий. Параметры выбросов источников взяты по материалам сводного тома ПДВ г. Кемерово. Учтены данные о выбросах сернистого ангидрида, сероводорода, серной кислоты и сероуглерода от промышленных предприятий и котельных установок. В процессе моделирования рассчитывалась безразмерная сумма:
С_s=С₁/ПДК₁+С₂/ПДК₂+С₃/ПДК₃+С₄/ПДК₄,
где индексы 1, 2, 3, 4 относятся к сернистому ангидриду, сероводороду, серной кислоте и сероуглероду соответственно. Расчеты проводились в точках, совпадающих с точками проведения экспериментов по определению серы в листьях березы повислой. Для простейшей фильтрации случайных ошибок при сопоставлении результатов использовано осреднение по квадратам с шагом 3 км.

На основании определения общей серы в листьях березы повислой и расчета экзогенной серы в них было проведено экологическое зонирование территории города Кемерово и прилегающих районов.

Способ осуществляется следующим образом. Объектом исследования служили деревья березы повислой в возрасте 30-50 лет, широко представленные в биогеоценозе г. Кемерово и прилегающих территорий. Для получения объективных данных о степени газопоглотительной способности исследуемых древесных растений в отношении серосодержащих примесей было установлено 10-15 тестовых стационарных площадок в каждом из районов города, привязанных к административным для удобства работы и интерпретации данных. В качестве контроля использовались древесные породы загородной зоны, произрастающие в 30 км различных направлений от городской черты.

Для аналитических целей на каждом участке из средней части кроны пяти модельных деревьев отбирали среднюю пробу листьев, не имеющих визуальных повреждений. Листья обмывались дистиллированной водой, подсушивались и фиксировались в сушильном шкафу при 105^oС в течение 15 мин с последующим досушиванием при 65^oС в течение 2 ч. В фиксированных и измельченных листьях общую серу определяли спектрофотометрическим методом. Проводились статистические расчеты достоверности полученных результатов по описанной выше методике.

Определяли общее содержание серы в пробе на исследуемом участке, сравнивали с содержанием серы в контроле и по их разнице определяли содержание экзогенной серы пробы. Данные, полученные таким образом со всех стационарных тестовых площадок, были сведены в таблицу 1.

Аналогичные исследования были проведены в отношении принимаемых за сравнение пород хвойных деревьев (сосны обыкновенной и ели сибирской). Данные исследований приведены в таблицах 2 и 3.

Сравнение данных таблиц 1, 2 и 3 показывает, что наибольшей поглотительной способностью (количеством экзогенной серы) обладает береза повислая, которая может служить биоиндикатором серы в атмосфере. Показания количеств экзогенной серы в пределах менее 0,030% являются показателем относительной чистоты зоны; показания около 0,031-0,039% могут служить признаком появления небольших количеств серы в атмосфере относительно чистой зоны; показания около 0,060-0,100% - для относительно чистой зоны довольно велики.

Таким образом, показания начальных количеств экзогенной серы каждой из зон могут служить не только биоиндикатором степени загрязнения атмосферы сернистыми соединениями, но и служить ранней индикацией загрязнений этих зон.

Изобретение относится к биомониторингу окружающей среды, а именно к определению степени загрязнения серосодержащими соединениями атмосферы. Степень загрязнения определяют методом фитоиндикации с использованием биоиндикатора. В качестве биоиндикатора используют березу повислую и степень загрязнения определяют по количеству накопленной экзогенной серы в ее листьях. Количество экзогенной серы в листьях определяют по разнице между количеством общей серы в месте определения и количеством серы в них на участке контроля. На основании полученных данных проводят экологическое зонирование территорий. Изобретение позволяет проводить раннюю индикацию загрязнения зон серосодержащими соединениями. 2 з.п.ф-лы, 3 табл.

1. Способ определения степени загрязнения серосодержащими соединениями атмосферы городских и прилегающих к ним территорий методом фитоиндикации с использованием биоиндикаторов - древесных растений, произрастающих на этих территориях, и проведение зонирования данных территорий по степени накопления серы в биоиндикаторах, отличающийся тем, что в качестве биоиндикатора используют березу повислую и степень загрязнения определяют по количеству накопления экзогенной серы в ее листьях, на основании которого проводят экологическое зонирование территорий. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество экзогенной серы в листьях березы повислой определяют по разнице между количеством общей серы в месте определения и количеством серы в них на участке контроля. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экологическое зонирование проводят следующим образом: при определении количества экзогенной серы в листьях березы повислой в пределах (мас. % сухого вещества) менее 0,030 экологическую зону относят к относительно чистой, при определении количества экзогенной серы в пределах 0,031-0,100 экологическую зону относят к среднезагрязненной, и при определении количества экзогенной серы в пределах 0,101-0,125 и выше зону относят к повышенно загрязненной.