Способ определения экологического статуса территории на содержание микроэлементов Zn, Cu и Se Российский патент 2025 года по МПК G01N33/00 

Изобретение относится к исследованиям в области геоэкологического мониторинга и охраны объектов окружающей среды и может быть использовано для выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и их дифференцированной оценки по статусу микроэлементов Zn, Cu и Se.

Предлагаемый метод также может быть использован в природопользовании для картирования территорий естественных, сельскохозяйственных и селитебных территорий, а равно и в ресурсоведении.

Известен способ защиты склоновых земель от природных и техногенных катастроф [Патент RU 2540430, кл. А01В 79/02, опубл. 10.02.2015], который включает формирование траншей. Траншеи нарезают каждые 10-12 метров глубиной 60-70 см и шириной 50-60 см. Дно траншей заполняют смесью цеолитсодержащих глин и барита. Между траншеями высаживают хвойные и листопадные деревья. Вдоль нижней кромки траншеи по склону высевают многолетние травы с высокой сорбционной способностью, используя их в качестве биоиндикаторов при оценке и контроле участка. После обнаружения загрязненности тяжелыми металлами и радионуклидами проводят скашивание надземной биомассы, сгребая их в траншеи для полной нейтрализации.

Использование заявленного изобретения, по мнению его авторов, позволяет защитить участок, расположенный вблизи горных разработок, от техногенных и природных катастроф.

Основным недостатком указанного метода является его узкая специализация для нужд защиты территорий от влияния горнорудной промышленности. Кроме того, метод совершенно не дает возможности проводить дифференцированную оценку достаточности в среде таких жизненно необходимых микроэлементов, каковыми являются цинк, медь и селен.

Известен способ испытания полос травяного покрова на пойме малой реки [Патент RU 2392617, кл. G01N 33/00, G01C 13/00, опубл. 20.06.2010], относящийся к исследованиям ландшафтов малых рек в пределах водозащитной полосы. Он может быть использован при биотехнической и биохимической оценке травяного покрова на пойменных лугах, при учете влияния на урожайность травы антропогенных факторов. Сущность: внутри водозащитной полосы малой реки выделяют участок пойменного луга в виде травяных полос. На каждой травяной полосе размечают пробные площадки. Измеряют расстояния от центра каждой пробной площадки до края зеркала воды. После срезки проб травы ее подвергают испытаниям, по результатам которых выявляют закономерности изменения биофизических и биохимических показателей свойств. Заявленным техническим результатом является повышение точности результатов оценки.

Недостатки данного метода сродни недостаткам предыдущего, с той лишь разницей, что в данном случае узкой специализацией являются поймы малых рек, а не горнорудные территории.

Известен способ комплексного мониторинга среды региона [Патент RU 2369866, кл. G01N 33/00, опубл. 10.10.2009], разделенного на административно-территориальные образования, включающие объекты контроля. Способ заключается в том, что для сбора данных измеряют значения характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами и осуществляют оценку изменения во времени показателей качества окружающей среды. До начала сбора данных в центре обработки и управления формируют базу данных по характеристикам окружающей среды региона и правила формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений. Причем на средствах контроля формируют локальные базы данных с допустимыми значениями характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки их состояния. На каждом средстве контроля сравнивают измеренные и допустимые значения характеристик объектов контроля, фиксируют факты их соответствия и несоответствия допустимым значениям. Затем формализуют результаты сравнения в виде унифицированных протоколов, содержащих графическую и табличную формы, отображающие зафиксированные факты соответствия и несоответствия значений контролируемых характеристик их допустимым значениям, значение времени окончания формирования протокола, наименования, номера и фактические значения не соответствующих допустимым характеристик объектов контроля. Сформированные протоколы передают по линиям связи в центр обработки и управления, где формируют объединенный протокол оценки состояния окружающей среды региона, для чего совмещают графические и объединяют табличные формы полученных центром управления и обработки протоколов, фиксируют по графическим формам предыдущих и последнего из сформированных объединенных протоколов факты наличия и направления изменений характеристик окружающей среды, а по табличным формам - фактические значения характеристик и моменты времени окончания формирования протоколов на средствах контроля. Затем формируют из зафиксированных значений временной ряд и используют его при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона во времени. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении оперативности оценки соответствия состояния окружающей среды региона установленным нормам и ее изменений.

Данный метод теоретически может быть использован для оценки статуса микроэлементов, в частности цинка, меди и селена.

Известный способ является сложным, многостадийным, а также требует наличия специально центра управления и контроля. Вследствие перечисленных недостатков, данный метод становится дорогостоящим и сложно выполнимым на практике.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ определения экологического статуса территории на содержание стронция, [Патент RU 2375710, кл. G01N 33/00, опубл. 10.12.2009]/ Данный способ относится к биологическому тестированию объектов окружающей среды для выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки их загрязнения стронцием.

Способ осуществляется путем биотестирования и включает отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего стронция, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, причем в качестве биоиндикаторов используют укосы дикорастущих растений лугово-степной растительности или монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных растений, отбор проб производят во время фенофазы цветения путем полного выкашивания растительности с 1 м последних в количестве, равном для территории крупного региона - 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза - 1 проба на 100 га, при этом выделение стронция из усредненной пробы проводят концентрированной азотной кислотой с последующим определением его в экстракте методом атомной абсорбции, а сравнение полученных значений ведут с фоновым содержанием стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности. Достигается повышение информативности и надежности, а также упрощение определения.

Недостатками способа являются:

1. Отсутствие возможности проведения оценки экологического статуса цинка, меди и селена.

2. Необходимость производить отбор большого количества образцов (по сравнению с предлагаемым нами).

Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:

- понижение трудозатрат и удешевление мониторинговых работ при сохранении информативности и точности оценки экологического статуса.

- достижение возможности адекватной дифференцированной оценки природных и антропогенно-измененных территорий с различным рельефом по экологическому статуса микроэлементов цинка, меди и селена.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения экологического статуса территории на содержание микроэлементов Zn, Cu и Se, включающем отбор проб укосов дикорастущих трав и/или сельскохозяйственных растений, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержание Zn, Cu и Se, сравнение полученных значений с установленными референтными значениями, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, отбор проб проводят в аккумулятивной точке катены, референтные значения в мг/кг воздушно-сухого вещества составляют для цинка - 20-60, для меди - 5-20 и для селена - 0,05-1,0.

Термин «катена» введен Г. Милном в 1935 году для обозначения па-рагенетической системы последовательности почвенных разностей, расположенных по ходу движения от вершины холма до его подножия (базиса эрозии).

Катена ландшафтная - сопряженный ряд элементарных ландшафтных ареалов, объединенных однонаправленными миграционными потоками вещества и энергии [Ворончихина Е., Ландшафт как парагенетиче-ская геосистема, https://helpiks.org/5-34449.html.? ysclid=lye9105b1d3069358].

Ландшафтные катены могут отличаться по структурному разнообразию природных компонентов и по активности проявления вещественно-энергетических потоков. Однако, несмотря на различия, они характеризуются типическими особенностями и составом элементарных ландшафтных ареалов, в соответствии с которыми в каждой катене присутствуют три основных функциональных звена (элювиальное, транзитное и аккумулятивное). В ряде случаев структура катены усложняется переходными элементарными ландшафтами (трансэлювиальными и трансаккумулятивными).

Элювиальное звено катены располагается в ее верхней части и обычно представлено участком водораздела, соответствующим элювиальному ландшафтному ареалу, в котором преобладают денудационные процессы с частичным выносом водорастворимого, мелкофракционного и подверженного дефляции вещества.

Транзитное звено катены объединяет ландшафтные ареалы, приуроченные к склонам. Их особенностью является активное проявление ламинарных процессов перемещения вещественно-энергетических потоков под влиянием гравитации.

Аккумулятивное звено катены характеризуется преобладанием процессов аккумуляции вещества и энергии над всеми прочими функциональными процессами. Аккумулятивные участки катены концентрируют вещество и энергию, поставляемые поверхностными и подземными миграционными потоками. При наличии техногенных объектов, являющихся источниками выбросов и сбросов загрязнителей, оказывающих техногенное воздействие на катену, аккумулятивные ее звенья поглощают наибольший объем загрязняющих ингредиентов, накапливают их в компонентах ландшафта. Именно здесь, в границах участков аккумуляции, создаются предпосылки для формирования потенциально опасных очагов экологического неблагополучия - биогеохимических аномалий.

«Референтные значения» - вещества в объекте, концентрация или содержание которых достаточно хорошо установлена для различных биосубстратов.» [Мирошников С.А., Лебедев С.В., Диапазон концентраций (референтные значения) химических элементов в теле животных, ВЕСТНИК ОГУ No6/июнь 2009, стр. 241-243, (https://studylib.ru/doc/2283652/diapazon-koncentracij-referentnye-nacheniya)]

При оценке статуса МЭ в способе руководствовались следующими референтными значениями оптимальных концентраций в укосах дикорастущих трав и/или сельскохозяйственных растений (в мг/кг воздушно-сухого вещества): Zn: 20-60; Сu: 5-20; Se: 0,05-1,0. Данные референтные значения были определены в результате многолетних работ лаборатории биогеохимии окружающей среды ФГБУН Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН и кафедры ботаники и экологи естественно-географического факультета Государственного образовательного учреждения «Приднестровский государственный университет им. Т.Г. Шевченко».

Пример 1. Оценка статуса Zn, Сu и Se в пределах западного обрыва Большого оврага в устье Кирпиченского Яра (Чернянский район Белгородской области).

В аккумулятивной точке катены, находящейся в центре Большого оврага (длина около 80 метров) отбирают 1 образец среднего укоса дикорастущих видов лугово-степной растительности во время фенофазы цветения. На растительность накладывают рамку размером 1×1 м и фиксируют площадку в зависимости от густоты травостоя, но таким образом, чтобы объем растительной массы с площадки был не менее 1 кг. Наземную часть травяного покрова в пределах рамки полностью срезают ножом или иным подходящим для этого инструментом. Высота среза растений не менее 3 см от поверхности почвы.

Образец растений высушивают до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу в течение 3 ч при температуре 105°С, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Повторяют высушивание в течение 1 ч и последующее взвешивание до тех пор, пока не достигают постоянного веса (разница в весе при двух последовательных взвешиваниях должна быть не более 0,1% от исходного веса пробы). Высушенную пробу предварительно измельчают и методом квартования отбирают среднюю пробу массой не менее 200 г.

В таком виде образец доставляют в лабораторию и подвергают анализу на содержание Zn, Cu и Se общепринятыми методами атомно-абсорбционной спектрометрии.

Для сравнения и проверки работоспособности предлагаемого способа аналогичным образом были отобраны, подготовлены и проанализированы на содержание Zn, Cu и Se общепринятыми методами атомно-абсорбционной спектрометрии образцы укосов дикорастущих трав в элювиальной и транзитной точка.

Как видно из таблиц №1 и №2, результаты оценок предлагаемым и известными способом совпадают. Но для реализации оценки предлагаемым методом достаточно обработать в 3 раза меньшее количество образцов.

Пример 2. Оценка статуса Zn, Cu и Se в пределах агробиогеоценозов восточного макросклона речной долины р. Оскол (Чернянский район Белгородской области).

Площадь территории, подвергаемой обследованию, составляет чуть менее 42000 га. Исходя из норм по количеству проб при обычном обследовании известным способами, следует отбирать не менее 9 проб укосов сельскохозяйственных растений. Это как раз составляет 3 катены, расположенные перпендикулярно течению реки Оскол. В соответствии с предлагаемым способом, в аккумулятивных точках этих трех катен были отобраны по одной пробе средних укосов сельскохозяйственных растений. Отбор образцов, пробоподготовка и анализ на содержание Zn, Cu и Se общепринятыми методами атомно-абсорбционной спектрометрии были проведены аналогично примеру 1.

Для сравнения и проверки работоспособности предлагаемого способа аналогичным образом были отобраны, подготовлены и проанализированы на содержание Zn, Cu и Se известным способом атомно-абсорбционной спектрометрии образцы укосов сельскохозяйственных растений в элювиальной и транзитной точках катены.

Как видно из данных таблиц №3 и №4, результаты оценок предлагаемым и известным способом совпадают. Но для реализации оценки предлагаемым методом достаточно обработать в 3 раза меньшее количество образцов.

Пример 3. Оценка статуса Zn, Cu и Se в пределах урбоценоза северного склона насыпи автодороги М-7 «Волга» в районе п. Нагорный (Петушинский район Владимирской области).

В соответствии с предлагаемым способом, в аккумулятивной точке насыпи (длина - около 130 метров) были определены уровни Zn, Cu и Se в одном образце среднего укоса дикорастущих трав. Отбор образцов, пробоподготовка и анализ на содержание МЭ общепринятыми методами атомно-абсорбционной спектрометрии были проведены аналогично примеру 1.

Для сравнения и проверки работоспособности предлагаемого способа аналогичным образом были отобраны, подготовлены и проанализированы на содержание Zn, Cu и Se общепринятыми методами атомно-абсорбционной спектрометрии образцы средних укосов дикорастущих трав в элювиальной и транзитной точках катены.

Как видно из данных таблиц №5 и №6, результаты оценок предлагаемым и известным способом совпадают. Но для реализации оценки предлагаемым методом достаточно обработать в 3 раза меньшее количество образцов.

Это позволяет существенно сократить трудозатраты и время, а также снизить стоимость определения экологического статуса территории на содержание микроэлементов, преимущественно Zn, Cu и Se как для локальных (небольших по площади) биогеоценозов, так и для значительных территорий, сопоставимых с административными районами. Сокращение трудозатрат, времени и стоимости происходит на всех этапах работ: на стадии экспедиционного пробоотбора; транспортировки и хранения отобранных образцов; при первичной пробоподготовке и аналитическом определении уровней микроэлементов.

Изобретение относится к области геоэкологии и может быть использовано для определения экологического статуса территории на содержание микроэлементов Zn, Cu и Se. Сущность: отбирают пробы укосов дикорастущих трав и/или сельскохозяйственных растений в аккумулятивной точке катены. Отобранные пробы высушивают до постоянного веса. Выделяют усредненную пробу и определяют в ней содержание Zn, Сu и Se. Сравнивают полученные значения с установленными референтными значениями, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории. Технический результат: сокращение трудозатрат и временных затрат. 6 табл.

Способ определения экологического статуса территории на содержание микроэлементов Zn, Сu и Se, включающий отбор проб укосов дикорастущих трав и/или сельскохозяйственных растений, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания Zn, Сu и Se, сравнение полученных значений с установленными референтными значениями, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, при этом отбор проб проводят в аккумулятивной точке катены, референтные значения в мг/кг воздушно-сухого вещества составляют для цинка 20-60, для меди 5-20 и для селена 0,05-1,0.