СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УЧАСТКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2005 года по МПК G01V9/00 

Предлагаемый способ используется для определения положения участков окружающей среды (ОС), загрязненных токсичными металлами, воздействующими на почву и растительный покров, и пищевые цепи, благодаря антропогенному воздействию на ОС. Эта информация необходима для рационального использования природных ресурсов и для оценки стоимости земельных участков.

Известен способ определения участков накопления концентраций металлов в почвах ОС путем отбора проб почв, пробоподготовки, спектрального анализа валовых концентраций химических элементов и обработки результатов [1].

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ определения зон загрязнения участков ОС, в котором осуществляют отбор проб из гумусового горизонта почвы, пробоподготовку, анализ проб почвы на валовое содержание тяжелых металлов и обработку результатов [2]. Однако известный способ не дает возможности определить всю полноту деградации ОС, поскольку не определяет подвижных форм металлов в растительности и состояние хлорофилла в растительности.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение достоверности определения степени деградации ОС.

Для достижения технического результата предлагается способ определения участков загрязнения ОС, в котором осуществляют отбор проб гумусового горизонта почвы, пробоподготовку, анализ проб почвы на валовое содержание тяжелых металлов. Дополнительно проводят отбор проб превалирующего вида растительности, подготавливают пробу растительности для дальнейшего определения подвижных форм тяжелых металлов путем проведения кислотной вытяжки и определения в ней содержаний тяжелых металлов. Затем осуществляют подготовку проб растительности для определения содержания в пробе хлорофилла путем растирания высушенных растений, экстракции хлорофилла этанолом из навески 30 мг измельченной пробы. В аликвоте фотометрически, в пучке света с длиной волны 660 нм определяют оптическую плотность, по значениям которой определяют содержание хлорофилла в пробах. Проводят статистическую обработку результатов по комплексу аналитических данных в почве и растительности и при совпадении положительных аномальных полей тяжелых металлов в почвах и растительности и отрицательных аномалий содержания хлорофилла в растительности определяют наличие зон различной степени деградации участков ОС с последующим построением карт экологического состояния ОС.

Теоретическое обоснование предлагаемого способа

21 февраля 2000 года в Канаде американский исследователь М. Imhoff впервые сделал сообщение о сенсационных результатах исследований урбанизированных территорий Земли Американского Аэрокосмического Агентства NASA. В своем докладе он отмечает, что фотосинтетическая способность поверхности Земли внутри урбанизированных районов может быть уменьшена на целых 20 дней. При этом за счет возникновения обширных городских островов повышенной температуры удлиняется сельскохозяйственный сезон без улучшения производительности земли, что в свою очередь объясняется более ранним и длительным периодом листопада и более низкой пиковой производительностью сезона.

Совершенно очевидно, что выводы этого доклада в полной мере, а в местах концентрации промышленности и в большей мере, можно отнести и к обширным территориям промышленных зон.

В глобальном масштабе такой феноменальный эффект техногенной экспансии может иметь драматические последствия, особенно для северного полушария, где эта экспансия наиболее интенсивна.

Многочисленными исследованиями показано, что загрязнение окружающей среды происходит путем формирования подвижных форм химических элементов в загрязняющих источниках с последующей оккупацией окружающего пространства в составе миграционных сред - воды, атмосферы [4, 5]. Более того, как показано нашими исследованиями, существует постоянный поток химических элементов из зоны аэрации через почву в атмосферу посредством растительности [3, 4, 5]. В большой степени это касается также токсичных тяжелых металлов, которые, как это следует из наших исследований (фиг.1, 2, 3), причастны к уменьшению содержания хлорофилла в растительности, то есть к его деградации, а значит и уменьшению фотосинтетической активности растительности. Статистическая обработка наших данных по урбанизированной территории (г. Москва) показала значимую отчетливую отрицательную корреляцию между концентрациями Cu, Sn, Ag, Co, Mo, W, Sr, Sc в растительном покрове и содержаниями в нем хлорофилла.

На фиг.1 показаны валовые концентрации и развитие подвижных форм свинца в почвах и растительности и содержание хлорофилла в растительном покрове по профилю через Салаирский рудник и г. Салаир.

Условные обозначения. Содержание подвижных форм свинца: 1 - в почвах, 2 - в растительности; 3 - валовые концентрации свинца в почвах, 4 - содержание хлорофилла (в условных единицах). Функциональные зоны (5 - 7): 5 - лесо-сельскохозяйственная, 6 - селитебная, 7 - горно-промышленная, 8 - рудоносная толща.

На фиг.2 показаны содержания молибдена и хлорофилла в растительном покрове по профилю через г. Москву от МКАД до Садового кольца. Мо - молибден, CHL - хлорофилл.

На фиг.3 показано развитие дефицита хлорофилла в растительном покрове (укосы травы) на загрязненной территории интенсивного долгосрочного функционирования горнодобывающей промышленности. Город-рудник Салаир.

Условные обозначения: 1 - распространение пониженных содержаний хлорофилла, 2 - территория рудного поля, 3 - зоны повышенных концентраций подвижных форм свинца в растительном покрове, 4 - зоны повышенных концентраций комплекса элементов (Pb, Cu, Zn, Ag, Ba, As, Cd, Мо) в гумусовом горизонте почвы, 5 - обогатительные фабрики, 6 - транспортные магистрали, 7 - перспективный на оруденение участок.

На фиг.4 представлена схема районирования территории, подверженной долгосрочному воздействию горнорудных предприятий.

Условные обозначения. Участки окружающей среды: 1 - неподверженные или слабо подверженные загрязнению тяжелыми металлами, 2 - средне загрязненные тяжелыми металлами, 3 - сильно загрязненные тяжелыми металлами, высокая степень деградации окружающей среды, 4 - граница рудного поля, 5 - граница города рудника Салаир, 6 - обогатительные фабрики, 7 - хвостохранилища, 8 - транспортные магистрали, 9 - перспективный на оруденение участок.

Сущность предлагаемого способа

Предлагаемый способ основан на использовании почвенно-геохимического (ПГ) и фитогидрогеохимического (ФГМ) методов изучения состояния окружающей среды и поисков месторождений полезных ископаемых [2, 3, 4, 5]. ПГ и ФГМ позволяют выявлять наличие и определять количественные характеристики аномалий валовых концентраций в гумусовом горизонте почвы (ВКП) и подвижных форм металлов (ПФМ) в зеленой массе наземных растений (трава, листья), непосредственно воздействующих на растение. Подвижные формы элементов, в том числе и токсичные, в отличие от стабильно закрепленных в зеленой массе, активно участвуют в процессах, происходящих в растении, и влияют на его жизнь, в том числе и на состояние хлорофилла - основного компонента жизнеобеспечения на нашей планете.

Но объективно оценить выявленные аномалии металлов с экологической точки зрения затруднительно без конкретного показателя, связанного с жизненным состоянием растения.

В результате загрязнения почв тяжелыми металлами формирующиеся в поровых водах подвижные формы этих металлов попадают в транспирационный раствор, загрязняют зеленую массу, оказываясь причастными непосредственно к загрязнению трофических цепей для биогеоценозов и, следовательно, человека. В случае значительного накопления подвижных форм этих металлов в массе листа металлы разрушают хлорофилл, приостанавливая процессы фотосинтеза. Происходит деградация хлорофилла (фиг.1, 2, 3). В планетарном масштабе такой эффект губителен для человеческой цивилизации. Момент уменьшения содержаний хлорофилла можно считать началом глубоких негативных изменений окружающей среды, поскольку с одной стороны загрязняются пищевые цепи, а с другой идет деградация хлорофилла, определяющего жизнеобеспечение всего живого.

Исходя из изложенного, предлагается включить в комплекс исследований определение фундаментального показателя жизнеобеспечения биогеоценозов - содержания хлорофилла в тех же пробах зеленой массы растений. По результатам этого комплекса исследований (ВКП+ПФМ+хлорофилл) судят о степени влияния токсичных металлов на загрязнение растительности, состояние биогеоценозов и окружающей среды.

Пространственное совпадение положительных аномалий ВПК и ПФМ с отрицательными аномалиями хлорофилла свидетельствует о том, что загрязнение растительности металлами приводит к опасным для окружающей среды последствиям (зона высокой степени деградации). Совпадение двух из негативных показателей должно привлечь внимание к участку с целью выяснения причин загрязнения ОС (участки 2-го порядка). Это позволяет проводить картирование территорий с разной степенью негативных изменений ОС. Содержания хлорофилла в растении падают в случае загрязнения металлами гумусового горизонта почв и распространения подвижных соединений металлов в растительности. Наши исследования (см. выше) показали значимую отчетливую отрицательную корреляцию между концентрациями металлов в растительном покрове и содержаниями в нем хлорофилла.

Предлагаемый способ определения зон загрязнения окружающей среды проводят в районах интенсивного техногенного воздействия на окружающую среду, в промышленных зонах, горно-добывающих районах, городских агломерациях.

Способ осуществляют путем опробования гумусового горизонта почвы по сети, соответствующей масштабу 1:25000. Отобранные образцы почвы подготавливают для определения в них спектральным анализом валовых концентраций тяжелых металлов. Одновременно проводят отбор проб превалирующего вида растительности по той же сети опробования - листьев деревьев и/или кустарников, и/или укосов трав на исследуемой территории. Листья деревьев и кустарников отбирают равномерно со всех сторон кроны на одной высоте от поверхности земли. Траву без корневой системы собирают с площадки размером 10×10 м. Одну часть растительной пробы используют для приготовления кислотной вытяжки с последующим определением в ней тяжелых металлов. Другую часть пробы высушивают, растирают и используют для определения хлорофилла.

Масса отбираемых проб не более 250 г, необходимых для получения достоверных результатов анализов металлов и хлорофилла.

Пробы отбирают в новые чистые неокрашенные полиэтиленовые мешки. На мешки наносят маркировку, позволяющую однозначно определить точку отбора каждой пробы.

Подготовленные пробы анализируют следующим образом:

1. Валовые концентрации элементов в почвах определяются известными эмиссионно-спектральным или атомно-абсорбционным методами анализа.

2. Подвижные (метастабильные) формы металлов в растительности из солянокислых экстракций определяют атомно-абсорбционным методом.

3. Соляно-кислые экстракции из растительности проводятся следующим образом: в коническую колбу помещают 25 г свежей растительности (листьев или укосов травы), прибавляют 200 мл безметальной дистиллированной воды и 2 мл HCl (1:1), смесь интенсивно встряхивают в течение 5 минут. Экстракт сливают в чистую посуду для определения металлов.

4. Хлорофилл определяют следующим образом:

- растения высушивают в темном матерчатом мешочке, в сухом затемненном месте;

- представительную пробу истирают в ступке или на истирателе и просеивают через сито диаметром 1 мм;

- из навески пробы в 30 мг производят экстракцию этанолом в сосуде с пробкой, встряхивают и на сутки оставляют в темном месте, несколько раз перемешивая в течение суток;

- раствор декантируют в кювету длиной 3 мм и фотометрируют на фотокалориметре при длине волны в 660 нм. Количество хлорофилла вычисляют по формуле:

С=а/0,8ξL,

где С - концентрация хлорофилла в мг/л,

а - результаты замера на фотокалориметре,

L - длина кюветы в см,

ξ - коэффициент молярной экстракции, равный 10⁵,

0,8 - переводной коэффициент.

Затем проводят статистическую обработку результатов анализов: валового содержания в гумусовом горизонте почвы, концентраций подвижных форм металлов в растительности и содержания хлорофилла в растительности, производят построение карт геохимических и биогеохимических аномалий.

Для этого по известным статистическим программам определяют фоновые и аномальные концентрации.

По совпадению положительных аномальных полей тяжелых металлов в гумусовом горизонте почвы и в растительности и отрицательных аномалий содержаний хлорофилла в растительности определяют наличие зон различной степени деградации участков ОС.

Пример. Исследования проводились в пределах полиметаллического рудного поля в районе г. Салаир. В пределах города находится полиметаллическое рудное поле, а в непосредственной близости - обогатительные фабрики и хвостохранилища.

Технологические процессы добычи руд привели к обширному загрязнению гумусового горизонта почвы целым комплексом металлов. Растительность широко загрязнена подвижными формами свинца. Определена значительная площадь с дефицитом хлорофилла ("хлорофилловая дыра").

Как следует из приведенной выше фиг.2, на состояние хлорофилла негативно воздействуют и другие металлы, накапливающиеся в растительном покрове.

Исследования проводились в масштабе 1:25000. Вес проб почв и растительности в пределах 100 г. Определение металлов в гумусовом горизонте почвы проводилось спектральным анализом; определение подвижных форм свинца в растительности - атомно-абсорбционным анализом из соляно-кислотных вытяжек с рН=4; определение содержания хлорофилла - фотометрическим анализом в пучке света с длиной волны 660 нм из экстракций этанолом, из навески высушенной измельченной пробы весом 30 мг по формуле: С=а/0,8ξL, где С - концентрация хлорофилла в мг/л, а - результаты замера на фотокалориметре, L - длина кюветы в см - 0,3, ξ - коэффициент молярной экстракции, равный 10⁵, 0,8 - переводной коэффициент. Например, в одной из точек опробования, в которой замер составил 0,24, концентрация хлорофилла в мг/л составит: С=0,24/0,3×10⁵×0,8=10.

По результатам анализов всех трех показателей проводилась статистическая обработка данных, построение карт биогеохимических аномалий для всех показателей на территории Салаирского рудного поля, что показано на фиг.3.

На фиг.4 показано распространение зон деградации участков ОС, выделенных по перечисленным трем показателям, повышенным валовым концентрациям в гумусовом горизонте почвы, подвижным формам металлов (на примере свинца) и пониженным содержаниям хлорофилла: 1 - фоновые и слабо загрязненные участки; 2 - участки загрязнения, оконтуренные по аномальным полям двух из трех показателей загрязнения; 3 - участки высокого загрязнения, оконтуренные но аномальным полям всех трех показателей загрязнения (зоны деградации ОС). Границы совпадения аномалий на фиг.4 всех трех показателей, а именно повышенных концентраций комплекса элементов в гумусовом горизонте почвы - Ag, Pb, Mo, Be, Co, Cr, Cu, Zn Ni; повышенных концентраций подвижных форм свинца в растительности; пониженных содержаний хлорофилла в растительности в комплексе оконтуривают площади, где идет активное прохождение технологических процессов добычи, переработки и транспортировки руд и продуктов их обогащения, а также обваловка карьеров, мощение дорог рудными отвалами, также являющимися источниками загрязнения ОС. К ним примыкают загрязненные участки ОС, оконтуренные по аномальным полям двух из трех предлагаемых показателей. Таким образом, получена карта районирования исследованной территории по степени загрязненности. По совпадению аномалий всех трех показателей были выявлены участки наиболее глубокой деградации окружающей среды и даны рекомендации по рекультивации участков загрязнения территории.

Техническая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в повышении достоверности определения степени деградации зон ОС путем комплексного определения: валовых концентраций тяжелых металлов в гумусовом горизонте почвы, подвижных форм тяжелых металлов в растительности, определению хлорофилла в растительном покрове и комплексной обработки результатов с последующим построением карт с выделением зон деградации ОС.

Использованная литература

1. С.В. Григорян, А.П. Соловов, М.Ф. Кунин. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. Москва, "Недра". 1983 г. 191 с.

2. Геохимия окружающей среды (Авторы: Ю.А. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др.), Москва, "Недра". 1990 г. 335 с.

3. Биогеохимический способ поиска нефтегазоносных структур // Комогорова Л.Г., Стадник Е.В., Колотов Б.А., Рубейкин В.З., Киселева Е.А. Бюл. Отар. И изобретений. Авт. свид. №1260907/01-9/00. - М., - 1986.

4. Геохимические аспекты влияния локальных объектов на биогеоценозы. Сб. "Загрязнение промышленными предприятиями природной среды." Пущино, 1986.

5. Б.А. Колотов, В.З. Рубейкин, Е.А. Киселева. Фитогидрогеохимический метод индикации окружающей среды. Биогеохимическая индикация окружающей среды. Тезисы докладов к Всесоюзному симпозиуму, посвященному 125-летию со дня рождения В.И. Вернадского. Ленинград. Наука. 1988 г.

Предлагаемый способ определения участков загрязнения окружающей среды используется для оконтуривания участков окружающей среды (ОС), загрязненных токсичными металлами, воздействующими на почву и растительный покров, и пищевые цепи, благодаря антропогенному воздействию на ОС. Эта информация необходима для рационального использования природных ресурсов и для оценки стоимости земельных участков. Способ включает определение участков загрязнения ОС, в котором осуществляют отбор проб гумусового горизонта почвы, пробоподготовку, анализ проб почвы на валовое содержание тяжелых металлов. Дополнительно проводят отбор проб превалирующего вида растительности, подготавливают пробу растительности для дальнейшего определения подвижных форм тяжелых металлов путем проведения кислотной вытяжки и определения в ней содержаний тяжелых металлов. Затем осуществляют подготовку проб растительности для определения содержания в пробе хлорофилла путем растирания высушенных растений, экстракции хлорофилла этанолом из навески измельченной пробы, в аликвоте фотометрически, в пучке света с длиной волны 660 нм определяют оптическую плотность, по значениям которой определяют содержание хлорофилла в пробах. Проводят статистическую обработку результатов по комплексу аналитических данных в почве и растительности и при совпадении положительных аномальных полей тяжелых металлов в почвах и растительности и отрицательных аномалий содержания хлорофилла в растительности определяют наличие зон различной степени деградации участков ОС с последующим построением карт экологического состояния ОС. Технический результат: повышение достоверности определения степени деградации окружающей среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения участков загрязнения окружающей среды, в котором осуществляют отбор проб гумусового горизонта почвы, пробоподготовку, анализ проб почвы на валовое содержание тяжелых металлов, отличающийся тем, что дополнительно проводят отбор проб превалирующего вида растительности, подготавливают пробу растительности для определения подвижных форм тяжелых металлов путем проведения кислотной вытяжки и определения в ней содержаний тяжелых металлов, затем осуществляют подготовку проб растительности для определения содержания в пробе хлорофилла путем растирания высушенных растений, экстракции хлорофилла этанолом из навески измельченной пробы, в аликвоте фотометрически в пучке света с длиной волны 660 нм определяют оптическую плотность, по значениям которой определяют содержание хлорофилла в пробах, затем проводят статистическую обработку результатов по комплексу аналитических данных в почве и растительности и при совпадении положительных аномальных полей тяжелых металлов в почвах и растительности и отрицательных аномалий содержания хлорофилла в растительности определяют наличие зон различной степени деградации участков окружающей среды с последующим построением карт экологического состояния окружающей среды.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения в пробе содержаний хлорофилла отобранные пробы растительности высушивают в темном матерчатом мешочке в сухом затемненном месте, представительную пробу истирают в ступке или на истирателе, просеивают через сито диаметром 1 мм; затем из навески пробы в 30 мг производят экстракцию этанолом в сосуде с пробкой, встряхивают и на сутки оставляют в темном месте, несколько раз перемешивая в течение суток; после этого раствор декантируют в кювету длиной 3 мм и фотометрируют на фотокалориметре.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержание хлорофилла определяют по формуле

С=а/0,8ξL,

где С - концентрация хлорофилла, мг/л;

а - результаты замера на фотокалориметре;

L - длина кюветы, см;

ξ - коэффициент молярной экстракции, равный 10⁵;

0,8 - переводной коэффициент.