Способ диагностики техногенного загрязнения почвогрунтов металлами, преимущественно Mo и W Российский патент 2023 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области экологии и экологической геохимии и может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки наличия природного либо техногенного присутствия Mo-W загрязнения почвогрунтов. Способ также может быть использован для экспресс-оценки при постановке экспедиционных работ в новых районах, где проведение детальных эколого-геохимических исследований затруднительно по времени и трудозатратам.

В предложенном техническом решении рассматриваются 2 химических элемента: Мо и W. Первый является жизненно важным микроэлементом, но проявляет токсические свойства при наличии высоких концентраций. Особенно в случае техногенного загрязнения территории. Для второго биологическая роль на настоящий момент времени выяснена недостаточно. Нашими прежними исследованиями установлено включение W в фермент ксантиноксидаза, наблюдающееся в случае наличия высоких концентраций элемента в среде техногенного происхождения.

Известен способ биохимической диагностики микроэлементного дисбаланса у сельскохозяйственных копытных животных, включает подготовку проб биоиндикаторов, определение в них содержания микроэлементов и оценку полученных результатов. В качестве биоиндикаторов используют образец пахты, выделенный из молока сельскохозяйственных копытных животных. Определяют в нем валовое содержание меди, молибдена и вольфрама. Находят отношение валовых содержаний Cu/Мо и Mo/W. При значениях отношения Cu/Мо, не превышающих 1, и отношения Mo/W, не превышающих 250, считают, что дисбаланс микроэлементов в организме животных и среде их обитания отсутствует. При превышении указанных значений диагностируют наличие микроэлементного дисбаланса. [Патент РФ №2542436, G01N 33/04 G01N 33/55, опубл. 2015 г.].

Способ позволяет быстро и точно диагностировать микроэлементоз дисбаланса Cu, Мо и W у сельскохозяйственных копытных животных. В данном способе применен сходный с предлагаемым нами подход к оценке экологического воздействия не отдельно взятых химических элементов, а их пар.

Однако применение данного способа не позволяет выявлять техногенную составляющую Mo-W загрязнения почвогрунтов в пределах оцениваемой территории. Кроме того, для его реализации необходимо наличие молочного скота, который присутствует далеко не повсеместно.

Известен способ определения загрязненности почвенного покрова техногенными компонентами [Патент РФ №2229738, G01V 9/00, опубл. 27.05.2004]. Данное изобретение относится к мониторингу окружающей среды для выделения участков загрязнения почвенного покрова, установления источников загрязнения и зон влияния промышленных предприятий.

Согласно способу отбирают пробы почв, их высушивают, просеивают до фракции менее 1 мм, просеянную часть каждой пробы анализируют при помощи бинокулярного стереоскопического микроскопа, затем устанавливают процентное соотношение техногенных компонентов, по которым проводят построение изолиний и по трехкратному превышению значений относительно фона выделяют загрязненные предприятиями участки почвенного покрова.

Технический результат: экспрессное определение загрязненности почвенного покрова.

Недостатком предложенного метода является отсутствие возможности дифференциации территории по степени загрязненности (либо она признается загрязненной, либо нет).

Вторым существенным недостатком способа является полное отсутствие «геоэкологической составляющей». То есть решение о признани территории загрязненной принимается исключительно на основании данных бинокулярной стереоскопической микроскопии, без учета экологического влияния загрязнения на почвенный микробиоценоз.

Известен способ определения техногенного загрязнения почв и донных осадков металлами [Патент РФ №2110068, G01N 33/24, опубл. 27.04.1998]. Данный способ относится к экологической геофизике. Предлагается измерять магнитную восприимчивость почв и донных осадков на фоновом и исследуемом участках и судить о степени загрязнения по их сравнению, исходя из соотношения: 1,2-1,3 - умеренное загрязнение; 1,8-2,0 - сильное загрязнение, где κ_изм - магнитная восприимчивость на исследуемом участке, κ_фон - магнитная восприимчивость на фоновом участке. По мнению разработчиков, способ повышает экономичность и эффективность экологических исследований.

Основное внимание авторов способа сосредоточено на почвах и донных отложениях, загрязненных (по их мнению) металлами. В данном случае следует отметить, что применение геофизического метода не позволяет не только дифференцировать наличие техногенного загрязнения (разделить фон и антропогенное влияние), но равно не дает возможности определить геоэкологическое воздействие присутствующих металлов на биогеоценоз. Дело в том, что данный метод позволяет лишь определить валовые уровни металлов. Возможность конкретизации по отдельным химическим элементам полностью отсутствует.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ диагностики хронического и аварийного загрязнения почв тяжелыми металлами посредством анализа активности фермента дегидрогеназы, включающий выделение типичного участка без явного источника эмиссии тяжелых металлов (№1), и другого типичного участка с явным источником эмиссии приоритетных металлов (№2), отбор проб почвогрунтов равномерно по площади обследуемой территории, определение общепринятым способом активности фермента дегидрогеназы. По полученным значениям последней судят о наличии хронического или аварийного загрязнения территории [Патент РФ №2617533, кл. G01N 33/24, опубл. 25.04.2017].

Недостатками известного способа являются:

1. Невозможность установить причину повышенного уровня тяжелых металлов: природный фон или человеческая деятельность.

2. Отсутствие селективности способа по Мо и W, поскольку он адаптирован под тяжелые металлы.

Молибден - жизненно необходимый микроэлемент, а вольфрам - инертный химический элемент с невыясненной до конца биологической ролью.

3. Сам подход с выбором заведомо «чистого» и «грязного» участков также вызывает ряд вопросов. Во-первых, если мы и так знаем, где есть загрязнение, то, что же мы можем выяснить? Только ли дифференцировать «хронику» от «аварии» или еще что-то? Во-вторых, как способ будет работать, если в пределах «грязного» участка на хроническое загрязнение наложится мощный аварийный выброс? Ведь, судя по описанию, в данном случае произойдет нивилирование активности фермента.

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:

обнаружение техногенной составляющей Mo-W загрязнения, то есть на установление причины повышенного уровня металлов - природный фон или результат человеческой деятельности;

дифференциация степени присутствия техногенного загрязнения (в случае его наличия);

определение наличия или отсутствия техногенной составляющей загрязнения непосредственно на заданном участке территории.

Поставленная задача решается тем, что в способе диагностики техногенного загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, преимущественно Мо и W, включающем отбор проб почвогрунтов равномерно по площади обследуемой территории, измерение общепринятым способом активности фермента дегидрогеназы и оценку уровня загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, измеряют дополнительно активность

фермента пероксидазы, устанавливают отношение активностей пероксидазы и дегидрогеназы, при этом при техногенном загрязнении Mo - W уровень активности почвенной пероксидазы в 2 раза превышает таковой у почвенной дегидрогеназы, при отсутствии техногенного загрязнения при высоких валовых концентрациях Мо и W уровень активности пероксидазы не превышает таковой у дегидрогеназы, а при значениях отношения акивостей пероксидазы и дегидрогеназы, находящихся в интервале от 1 до 2, почвогрунт имеет слабое техногенное загрязнение.

Целесообразно при отборе проб распределять точки отбора равномерно по площади обследуемой территории при площади менее 1 гектара - 3 образца, от 1 до 3 гектаров - 5 образцов, более 3 гектаров - по 2 образца на каждый полный или неполный гектар, а их транспортировку осуществлять в замороженном состоянии до -18±3°С.

Предлагаемый способ специально разработан под Мо и W.

Выбор указанных критических диапазонов отношений активностей ферментов и количества образцов на единицу обследуемой площади обусловлен результатами многолетних исследований, проводимых в лаборатории биогеохимии окружающей среды Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН. Установлено, что в естественных (фоновых) условиях на территориях, где отсутствует техногенная составляющая Mo-W загрязнения почвогрунтов, даже при высоких валовых концентрациях Мо и W уровень активности пероксидазы не превышает таковой у дегидрогеназы. В условиях техногенного Мо и W загрязнения наблюдается ситуация, когда уровень активности почвенной пероксидазы в 2 и более раза превышает таковой у почвенной дегидрогеназы. Соответственно, при значениях отношения активностей внеклеточных почвенных ферментов А_{пероксидаза}/А_{дегидрогеназа}, находящегося в интервале от 1 до 2, почвогрунт имеет слабое техногенное загрязнение.

Осуществление транспортировки в замороженном состоянии до -18±3°С позволяет добиться большей воспроизводимости аналитических данных по активности почвенных ферментов.

Пример 1

Для геоэкологического обнаружения техногенной составляющей Mo-W загрязнения почвогрунтов площадки в пределах конуса выноса карьера «Мукуланский» (Тырныауз, заброшенный ГОК вольфрам-молибденового комбината) площадью 1,2 га было отобрано 5 образцов почвогрунта, содержащего большое количество техногенного материала (карьер работал с 1968 по 1992 года).

Образцы отбирали общепринятым способом (конверт, квартование), замораживали до температуры -18°С в морозилке бытового компрессорного холодильника, установленного в багажном отделении автомобиля (при отсутствии такового, можно использовать термосумку с сухим льдом) и доставляли в лабораторию. В лабораторных условиях проводили измерения активности почвенных ферментов. Величины активностей ферментов по образцам почвогрунта представлена в таблице 1.

Средние арифметические активностей ферментов по 5 почвенным образцам, округленные до целых, оказались равны: 346 условных единиц для пероксидазы и 149 условных единиц для дегидрогеназы. Значение отношения А_{пероксидаза}/А_{дегидрогеназа} для данного случая составляет ≈2,32. Исходя из этого, данная пробная площадка признается техногенно загрязненной.

Пример 2

Для геоэкологического обнаружения техногенной составляющей Mo-W загрязнения почвогрунтов площадки в пределах городского парка города Тырныауз площадью 0,7 га было отобрано 3 образца почвогрунта. Условия пробоотбора, хранения и измерения активности почвенных ферментов аналогичны с примером 1. Величины активностей по 3 почвенным образцам представлены в табл. 2.

Средние арифметические активностей ферментов по 3 почвенным образцам, округленные до целых, оказались равны: 236 условных единиц для пероксидазы и 240 условных единиц для дегидрогеназы. Значение отношения А_{пероксидаза}/А_{дегидрогеназа} для данного случая составляет ≈0,98. Исходя из этого, на данной пробной площадке отсутствует техногенное загрязнение.

Пример 3

Для геоэкологического обнаружения техногенной составляющей Mo-W загрязнения почвогрунтов площадки в пределах горного луга на левом берегу реки Баксан на траверсе карьера «Высотный» площадью 2,5 га было отобрано 5 образцов почвогрунта, содержащего незначительное количество техногенного материала (карьер работал с 1968 по 1992 года). Условия пробоотбора, хранения и измерения активности почвенных ферментов аналогичны с примером 1. Величины активностей по 5 почвенным образцам представлены в табл. 3.

Средние арифметические активностей ферментов по 5 почвенным образцам, округленные до целых, оказались равны: 361 условных единиц для пероксидазы и 335 условных единиц для дегидрогеназы. Значение отношения А_{пероксидаза}/А_{дегидрогеназа} для данного случая составляет ≈1,08. Исходя из этого, данная пробная площадка имеет признаки слабого техногенного загрязнения.

Таким образом, использованием предлагаемого способа достигается повышение репрезентативности результатов мониторинга, обеспечение возможности регулярной мониторинговой оценки практически не ограниченного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат. Характерным преимуществом предлагаемого способа, относительно аналогов, является возможность оценки таких сложных объектов среды, какими являются речные поймы, имеющие значительную протяженность и сравнительно небольшую ширину, а также межгорные котловины.

Способ не требует предварительных знаний «чистоты» или «загрязненности» участков. Он позволяет определять наличие или отсутствие техногенной составляющей загрязнения непосредственно на заданном участке территории.

Исходя из вышеописанного, для проведения геоэкологического мониторинга техногенной составляющей Mo-W загрязнения почвогрунтов предлагаемым способом не требуется особых трудозатрат. Пробоотбор образцов почвогрунтов легко проводится в ходе однодневных командировок. В результате проведения работ предлагаемым способом достигается возможность обследования как локальных территорий, так и значительного по площади региона. Заключение основывается на геоэкологическом эффекте, проявляющемся в изменении активности почвенных ферментов: пероксидазы и дегидрогеназы. Способ прост в исполнении, трудозатраты на его реализацию невелики.

Изобретение относится к области экологии и экологической геохимии, может быть использовано для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки наличия природного либо техногенного присутствия Mo-W загрязнения почвогрунтов. Способ диагностики техногенного загрязнения почвогрунтов металлами, преимущественно Мо и W, включает отбор проб почвогрунтов равномерно по площади обследуемой территории, определение активности фермента дегидрогеназы и активности фермента пероксидазы, определение отношения активностей пероксидазы и дегидрогеназы, при этом при техногенном загрязнении Mo-W уровень активности почвенной пероксидазы в 2 раза превышает таковой у почвенной дегидрогеназы, при отсутствии техногенного загрязнения при высоких валовых концентрациях Мо и W уровень активности пероксидазы не превышает таковой у дегидрогеназы, а при значениях отношения акивостей пероксидазы и дегидрогеназы, находящихся в интервале от 1 до 2, почвогрунт имеет слабое техногенное загрязнение. Изобретение позволяет установить причины повышенного уровня металлов - природный фон или результат человеческой деятельности, обеспечивает повышение репрезентативности результатов мониторинга и возможность регулярной мониторинговой оценки практически не ограниченного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 3 пр.

1. Способ диагностики техногенного загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, преимущественно Мо и W, включающий отбор проб почвогрунтов равномерно по площади обследуемой территории, измерение общепринятым способом активности фермента дегидрогеназы и оценку уровня загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, отличающийся тем, что измеряют дополнительно активность фермента пероксидазы, устанавливают отношение активностей пероксидазы и дегидрогеназы, при этом при техногенном загрязнении Mo-W уровень активности почвенной пероксидазы в 2 раза превышает таковой у почвенной дегидрогеназы, при отсутствии техногенного загрязнения при высоких валовых концентрациях Мо и W уровень активности пероксидазы не превышает таковой у дегидрогеназы, а при значениях отношения акивостей пероксидазы и дегидрогеназы, находящихся в интервале от 1 до 2, почвогрунт имеет слабое техногенное загрязнение.

2. Способ диагностики загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, преимущественно Мо и W по п. 1, отличающийся тем, что при отборе проб распределяют точки отбора равномерно по площади обследуемой территории при площади менее 1 гектара - 3 образца, от 1 до 3 гектаров - 5 образцов, более 3 гектаров - по 2 образца на каждый полный или неполный гектар.

3. Способ диагностики загрязнения почвогрунтов тяжелыми металлами, преимущественно Мо и W по п. 1, отличающийся тем, что транспортировку проб почвогрунтов осуществляют в замороженном состоянии до -18±3°С.