Результат интеллектуальной деятельности: Способ биогеохимической фитоиндикации статуса территорий

Изобретение относится к области экологии и охраны среды обитания человека. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки Cs/Sr статуса различных по площади территорий. Способ также может быть использован для экспресс-оценки при постановке экспедиционных работ в новых районах, где проведение детальных почвенно-флористических исследований затруднительно по времени и трудозатратам.

В предложенном техническом решении рассматриваются 2 химических элемента: Ca и Sr. Первый является макро-, а второй - микроэлементом. Для обоих биологическая роль четко установлена. Согласно нашим многолетним наблюдениям, для целей экологической оценки территории гораздо целесообразнее рассматривать статус кальция и стронция совместно, а не по отдельности. Это связано с естественным антагонизмом во многих биохимических процессах, протекающих в организме животных и человека. Таким образом, к настоящему времени назрела проблема оценки территорий (как природных, так и сельскохозяйственных угодий) по соотношению Ca/Sr.

Впервые внимание на роль геохимических факторов в этиологии незаразных эндемических болезней животных и человека было обращено основоположником учения о биогеохимических провинциях, академиком А.П. Виноградовым [Виноградов А.П., Биогеохимические провинции и эндемии, Докл. АН СССР, 1938 г., Т. 18. №4-5, С. 283-286]. Значение в развитии патологии придавалось как микроэлементам, так и макроэлементам, в частности кальцию.

Следующим этапом в понимании экологического значения содержаний макро- и микроэлементов в различных звеньях пищевой цепи явилась монография члена-корреспондента ВАСХНИЛ В.В. Ковальского [Ковальский В.В., Геохимическая экология (очерки), Москва, Наука, 1974 г., 298 с.]. В данном фундаментальном труде уделено значительное внимание вопросам влияния повышенных концентраций общего стронция на костно-суставные патологии животных и человека в различных регионах бывшего СССР.

Известен способ биохимической диагностики микроэлементного дисбаланса у сельскохозяйственных копытных животных, включающий 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. Заявленный способ позволяет быстро и точно диагностировать микроэлементный дисбаланс Cu, Мо и W у сельскохозяйственных копытных животных. [Патент РФ №2542436, G01N 33/04 G01N 33/55, опубл. 2015 г.]. В данном способе применен сходный с предлагаемым нами подход к оценке экологического воздействия не отдельно взятых микроэлементов, а их пар.

Однако применение данного способа не позволяет производить оценку кальций-стронциевого соотношения в среде, кроме того для его реализации необходимо наличие молочного скота, который присутствует далеко не повсеместно.

Известен способ определения экологического статуса территорий на содержание стронция, который 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 м² последних в количестве, равном для территории крупного региона - 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза в количестве - 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 [Патент РФ №2375710, G01N 33/00, опубл. 2009 г.].

Недостатком способа является отсутствие возможности оценки совместного воздействия на организмы кальция и стронция при их различном содержании в среде, а также необходимость проведения работ строго в период фенофазы цветения основных видов дикого травостоя или культурных растений.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ биогеохимической фитоиндикации статуса территорий по отношению валовых концентраций Ca/Sr, включающий отбор проб биоиндикаторов в виде укосов дикорастущих растений или сельскохозяйственных травянистых растений, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общих стронция и кальция атомно-абсорбционной спектрометрией, определение отношения Ca/Sr и сравнение полученного значения с установленными данными, по принадлежности к которым определяют экологический статус территории [Петренко Д.В., Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах, автореф. … к.б.н., Москва, 2014, стр. 60-86].

В известном способе рассматривается распространение стронция в различных объектах, в том числе и в растениях, в связи с техногенным загрязнением, а так же подробно рассмотрено соотношение Ca/Sr в почвах и природных водах. Растениям уделено незначительное внимание.

В способе указан «безопасный» с точки зрения автора биогеохимический критерий соотношения Ca/Sr в водных объектах, равный 100. Для растений указана величина соотношения - 80. По нашему мнению, это очень сильно заниженный показатель, соответствующий экологическому кризису.

Несмотря на то, что в прототипе рассматривается территория заведомо подвергающаяся техногенному загрязнению, автор в подавляющем большинстве случаев констатирует наличие безопасного соотношения Ca/Sr в растительных кормах. По нашему мнению, это связано с тем, то территория исследований приходилась на область, где в почвах типоморфным элементом является кальций. То есть, выявление экологически неблагоприятного соотношения Ca/Sr там оказывается заведомо невозможным.

Основное внимание автора прототипа сосредоточено на почвах и водах, которые гораздо дальше в экологическом плане отстоят от животных и человека, по сравнению с растениями.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в градированной экологически адекватной оценке различных по площади территорий посредством определения отношения валовых концентраций Ca/Sr в растительном комплексе травостоя в течение всего вегетационного периода, а так же в расширение числа биогеохимических методов оценки экологического неблагополучия различных объектов окружающей среды.

Поставленная задача решается тем, что в способе биогеохимической фитоиндикации статуса территорий по отношению валовых концентраций Ca/Sr, включающем отбор проб биоиндикаторов в виде укосов дикорастущих растений или сельскохозяйственных травянистых растений, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общих стронция и кальция атомно-абсорбционной спектрометрией, определение отношения Ca/Sr и сравнение полученного значения с установленными данными, по принадлежности к которым определяют экологический статус территории, отбор проб производят во время вегетационного периода, сравнивают полученные значения с установленными диапазонами значений Ca/Sr в воздушно-сухой массе средних укосов травянистой растительности, по принадлежности к которым определяют экологический статус территории, при этом при значениях отношения Ca/Sr больше 400, считают статус территории относительно благоприятным, при значениях отношения 150-400 считают статус территории рискованным, а при значениях меньше 150 статус территории считают кризисным.

Целесообразно отбор проб производить путем полного выкашивания растительности с 1 м² в количестве, равном для территории крупного региона - 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза - 1 проба на 100 га.

Традиционно считается, что наилучшим временем для сбора любого растительного материала, от лекарственного сырья, до гербарных образцов, является фенофаза цветения. Для гербария это связано с тем, что по цветкам наиболее точно определяется родовая и видовая принадлежность растения. В случае с лекарственным сырьем это связано с тем, что ко времени цветения любое растение достигает полного развития всех систем и органов. Именно к этому моменту происходит накопление достаточного количества не только питательных веществ, но и синтезированных самим растением специфических соединений, которые и являются действующими началами (с точки зрения фармакологии).

В нашем случае дело обстоит несколько иначе. В течение вегетационного периода имеют место изменения концентрации кальция и стронция в надземной части травянистых растений (диких и сельскохозяйственных). Однако эти изменения происходят параллельно. То есть повышению уровня кальция соответствует повышение уровня стронция. И наоборот. Это связано с геохимической близостью этих элементов, с одной стороны, а также с их физиологическим сходством (участие в одних и тех же биохимических реакциях). Собственно от этой самой близости и происходит вред при повышении содержания в биогеохимической пищевой цепи содержания стронция, относительно кальция.

Нами установлено, что в течение всего вегетационного периода соотношение кальция к стронцию в растениях существенно не изменяется.

Выбор указанных критических диапазонов отношения Ca/Sr 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 отсутствуют проявления эндемических заболеваний животных и человека, связанных с содержанием в среде кальция и стронция, значение отношения концентраций этих элементов превышает 400. В районах распространения уровской (Кашина-Бека) и кешанской болезни значение отношения обычно не превышает 150. При промежуточных значениях этого отношения существует риск развития костно-суставной патологии животных и человека.

Пример 1

Для фитоиндикации Волоконовского района Белгородской области площадью 168000 га было отобрано 30 образцов средних укосов дикорастущих видов травянистой растительности. Для этого равномерно по территории района в июле было выбрано 30 мест отбора. На растительность накладывали рамку размером 1×1 м и фиксировали площадку. Надземную часть травяного покрова в пределах рамки полностью срезали ножницами или иным подходящим для этого инструментом. Высота среза растений не менее 3 см от поверхности почвы. Образцы растений непосредственно после срезания квартовали до получения средней пробы массой около 100 г. Это необходимо для получения наиболее представительной пробы. Образцы высушили, доставили в лабораторию и подвергли анализу атомно-абсорбционной спектрометрией. Среднее отношение Ca/Sr по 30 образцам оказалось равным 419. Кальциево-стронциевый статус Волоконовского района оценен как относительно благоприятный.

Пример 2

Для биотестирования Улетовского района Забайкальского края площадью 243000 га было отобрано 50 образцов средних укосов дикорастущих видов травянистой растительности. Отбор, подготовка и анализ проведен аналогично первому примеру. Среднее отношение Ca/Sr по 30 образцам оказалось равным 286. Кальциево-стронциевый статус Улетовского района оценен как зона риска.

Пример 3

Для биотестирования лугового биогеоценоза в балке на месте нахождения бывшего села Елгино Газимурозаводского района Забайкальского края площадью 340 га было отобрано 4 образца средних укосов вико-овсяной смеси с сенокоса. Отбор, подготовка и анализ проведен аналогично первому примеру. Среднее отношение Ca/Sr по 4 образцам оказалось равным 128. Кальциево-стронциевый статус биогеоценоза оценен как зона кризиса.

Таким образом, 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.

Исходя из вышеописанного, для проведения биогеохимической фитоиндикации предлагаемым способом не требуется особых трудозатрат. Пробоотбор образцов средних укосов дикорастущих видов травянистой растительности, а также сельскохозяйственных травянистых растений легко проводится в ходе однодневных командировок. В результате проведения биотестирования предлагаемым способом достигается возможность адекватной оценки экологического статуса как локального агроценоза, так и значительного по площади региона.

Таким образом, предлагаемый способ проведения биогеохимической фитоиндикации кальций-стронцивого статуса территории позволяет получить репрезентативные данные об общем состоянии окружающей среды как относительно крупного (порядка 10000-50000 га и более) региона в целом, так и локального (от 100 га) агроценоза. Способ прост в исполнении, трудозатраты на его реализацию невелики.