Результат интеллектуальной деятельности: Способ биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами

Изобретение относится к области применения спектральных методов в биоиндикации для мониторинговых исследований и прогнозирования состояния окружающей природной среды.

Изобретение связано с экологией, а именно с биомониторингом состояния окружающей среды, в частности с биомониторингом аэрозольного загрязнения атмосферы металлами. Изобретение позволяет определить уровень аэрозольного загрязнения атмосферы металлами, в т.ч. ретроспективный, а также прогнозировать состояние окружающей среды.

Известный уровень техники.

С развитием уровня техники методы контроля состояния окружающей среды расширяются и дополняются новыми способами измерения. Особенно эффективно и гармонично физико-химические методы дополняют биологические, основанные на поиске биоиндикаторов чувствительных к состоянию окружающей среды, что определяет перспективность их использования для анализа состояния разных компонентов экосистем. Актуальность биоиндикационных методов при экологическом мониторинге загрязнения не вызывает сомнения, т.к. они дают полную информацию о состоянии природных систем. Воздействие поллютантов вызывает изменения не только в организме биоиндикатора, но и приводит к изменению в структуре его популяций. Оценка состояния некоторых видов биоиндикаторов с применением инструментальных методов позволяет осуществлять мониторинг и позволяет прогнозировать вероятность развития критического (чрезвычайного) состояния природных экосистем на ранних стадиях их трансформации.

На сегодняшний день лихеноиндикация является одним из перспективных и наиболее разработанных методов экологического мониторинга, который позволяет достоверно и без больших затрат определять степень загрязнения воздуха, почвы и оценивать воздействие предприятий на окружающую среду. Основаниями применения лихеноиндикации для целей биомониторинга служат низкая способность лишайников к авторегуляции и высокая степень зависимости их состояния от физико-химических параметров среды.

Значительная чувствительность лишайников к загрязнению воздуха обусловлена их структурно-функциональными особенностями, а именно отсутствием надежных защитных поверхностных структур, предохраняющих от негативного влияния окружающей среды или снижения водных потерь. Эти особенности позволяют использовать лишайники в качестве биоиндикаторов состояния окружающей среды. Традиционная лихеноиндикация основана на выявлении качественных характеристик (особенностей анатомо-морфологического строения и физиолого-биохимического состояния лишайников, специфики видового состава лихенофлор и т.д.). Биоиндикация, основанная на оценке уровня содержания экотоксикантов, является основой для разработки количественных методов оценки аэротехногенного загрязнения воздуха.

Из уровня техники известны:

- Способ оценки степени атмосферного загрязнения с помощью лишайников RU 2260934 С1, 27.09.2005. В известном способе степень атмосферного загрязнения определяют по морфологическому состоянию эпифитных лишайников, а именно по показателю жизненности биоиндикатора - фрактальной размерности талломов лишайников, определяемой путем компьютерной обработки отсканированных изображений талломов лишайников.

- Способ определения степени загрязнения воздуха по величине индекса лихеноиндикации - лишайникового индекса RU 2568840 С1, 20.11.2015, вычисляемого с использованием величин: охвата дерева, лишайниковой куртины, характеристики расположения лишайников на дереве и числу талломов модельных видов лишайников на дереве.

- Способ лихеноиндикации загрязнения атмосферного воздуха RU 2218753 С2, 20.12.2003. Сущность метода состоит в оценке качества атмосферного воздуха путем определения внешних признаков лишайников на деревьях, статистической обработки результатов наблюдений, вычисления величины показателя состояния биоиндикатора, сравнения его с нормативными критериями экологического состояния среды его обитания. При этом в качестве показателя состояния лишайников используется комплексный показатель жизненности биоиндикатора.

- Способ лихеноиндикации степени загрязненности атмосферного воздуха RU 2552953 С1, 10.06.2015. Способ предусматривает выделение территории пробной площадки размером 25×25 м, определение внешних признаков лишайников на пробной площадке, определение имеющихся индикаторных видов лишайников и частоты их встречаемости. На основе полученных данных рассчитывается лихеноиндкекс, по представленной классификации лихеноиндекса определяется степень загрязненности атмосферного воздуха.

- Способ биоиндикации загрязнения воздуха RU 2459202 С1, 20.08.2012. Сущность метода состоит в оценке качества атмосферного воздуха по состоянию лишайников-биоиндикаторов. При осуществлении способа используют палетку, изготовленную из прозрачной и гибкой полимерной пленки толщиной 0,2 мм, в форме прямоугольника размером 6×28 см с закругленными краями, на поверхности палетки выгравирован измерительный прямоугольник, шириной 5 см и длиной 20 см, разграфленный на ячейки размером 1×1 см, прикрепленный концами на коре дерева.

- Способ выявления на местности зон экологических аномалий RU 2296322 С1, 27.03.2007. Метод включает прокладку на местности параллельных маршрутов, осмотр на маршрутах деревьев и кустарников, определение видового разнообразия и плотности популяции лишайников, статистическую обработку данных наблюдения, картирование местности по показателю жизненности лишайников.

К недостаткам известных способов следует отнести:

- невозможность определения качественного состава загрязнителей и выяснения их концентраций в многокомпонентной смеси загрязняющих веществ;

- субъективную оценку уровня жизненности и состояния лишайников;

- неточность и неполноту общей оценки состояния атмосферы с помощью этих способов.

Современные аналитические приборы дали возможность получать более точные данные о составе и концентрациях поллютантов, поглощенных лишайниками. Однако возможности разных методов неодинаковы. Для разных групп поллютантов приходится подбирать методы, позволяющие достичь наиболее точного их определения даже в смеси. Выбор конкретного физико-химического метода при исследовании лишайников зависит, прежде всего, от химической природы поллютантов, уровня их содержания, технических возможностей определения этих характеристик в биологических объектах. Разработанных к настоящему времени способов оценки состояния окружающей среды с помощью физико-химического анализа лишайников очень мало. К их числу принадлежат следующие известные способы:

- Способ определения экотоксикантов в атмосфере промышленных зон RU 2430357 С1, 27.09.2011. Сущность метода состоит в определении кислотных поллютантов в атмосфере промышленных зон методом Фурье-ИК-спектроскопии лишайников.

- Способ определения аммонийных соединений в атмосфере животноводческих комплексов RU 2548744 C1, 20.04.2015. Сущность метода состоит в определении аммонийных поллютантов в атмосфере животноводческих комплексов методом Фурье-ИК-спектроскопии лишайников.

- Способ определения качества окружающей среды методом ЭПР-спектроскопии лишайников RU №2549471 С1, 27.04.2015. Сущность метода состоит в оценке качества атмосферного воздуха методом ЭПР-спектроскопии лишайников сравнением концентраций парамагнитных центров образцов талломов лишайников со стволов деревьев, произрастающих в индустриальной зоне и фоновой зоне, не загрязненной антропогенными выбросами в окружающую среду.

К недостаткам известных способов следует отнести:

- сложность идентификации близких членов гомологических рядов токсических соединений;

- низкая чувствительность приборов к большинству металлов;

- невозможность точного определения всего спектра имеющихся металлов, а также уровня их содержания;

- невозможность ретроспективного анализа загрязнения атмосферы.

Твердые компоненты аэрозольного загрязнения атмосферы размером 1-5 мкм опасны для организмов. Металлы в составе твердых частиц аэрозольных выбросов находятся в форме собственных оксидов или солей, а также в адсорбированном состоянии на частицах литогенного или техногенного происхождения. Высокая чувствительность эпифитных (произрастающих на стволах деревьев) лишайников к качеству атмосферного воздуха обусловливает широкое применение метода лихеоиндикации. В лишайниках, выросших в зоне загрязнения, содержание металлов в несколько раз выше, чем в фоновой зоне. На основе результатов анализа лишайников можно установить уровень аэрозольного загрязнения атмосферы металлами даже в случаях, когда регистрация загрязнения прямым измерением параметров атмосферного воздуха не дает результата.

Из уровня техники известны следующие способы определения содержания металлов в лишайниках:

- Инверсионная вольтамперометрия (ИВА), позволяющая определять металлы в очень малых концентрациях (до 10^-8 - 10^-9 моль/дм³). Недостатком способа является то, что он позволяет работать только с металлами, образующими амальгамы.

- Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), обладает чрезвычайно большой специфичностью по отношению к определяемым металлам, высокой чувствительностью к низким концентрациям металлов, возможно измерение при малых количествах пробы. Однако способ является одноэлементным методом и не дает возможности работать со спектрами металлов.

- Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСР-МС), обладает высокой чувствительностью при определении ультранизких концентраций металлов. Способ обладает высокой производительностью, но его применение возможно только в специализированных лабораториях, укомплектованных штатом высококвалифицированных специалистов.

Для проведения биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами необходимо использовать многоэлементный метод измерения металлов в эпифитных лишайниках. В результате проведенных исследований на образцах эпифитных лишайников для идентификации и количественного определения в них содержания металлов определен экспрессный высокочувствительный метод - атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП). Отличительной особенностью метода по сравнению с оптическими спектральными и многими химическими и физико-химическими методами анализа являются возможность бесконтактного, экспрессного, одновременного количественного определения большого числа элементов в широком интервале концентраций с приемлемой точностью при использовании малой массы пробы и несложной пробоподготовке, основанной на окислительно-кислотной минерализации проб исследуемых биосубстратов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка эффективного и высокочувствительного способа определения содержания металлов в лишайниках, повышение эффективности мониторинговых исследований.

В результате проведенных серий исследований был определен вид эпифитного лишайника - Hypogymnia physodes (L.) Nyl., исследованием предварительно подготовленных образцов слоевищ (талломов) которого методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой возможно достичь заявляемого технического результата.

Hypogymnia physodes (L.) Nyl.:

- широко распространена в разных типах природных и антропогенно-трансформированных территорий, является среднеустойчивым к атмосферному загрязнению видом;

- имеет достаточно сложную морфологическую структуру: слоевище листоватое, розетковое, полурозетковое, лопасти 1-5 см длиной и 1-6 мм шириной, слегка выпуклые, вильчато- или перисто-разветвленные; верхняя и нижняя поверхности морщинисто-складчатые. Это определяет большую площадь контакта поверхности слоевища с окружающей средой, а также значительную скорость накапливания металлов;

- не обладает высокой специфичностью химического состава;

- проявляет большую сорбционную способность по отношению к многим металлам, что дает возможность идентифицировать наличие металлов в окружающей среде при их крайне низком содержании;

- слоевище способно накапливать и сохранять длительное время широкий спектр поглощенных металлов;

- рост слоевища, в умеренно-континентальном климате, от центра к периферии на 0,5-1,5 мм/год позволяет за счет выбора зон изъятия образцов из слоевища выявлять поступление металлов в экотопы, происходившие в прошлом, а нарастание дегенеративных изменений, распространяющихся с течение времени от центра слоевища, определяет срок ретроспективы - 5 лет;

- совокупность особых свойств вида позволяет получать интегральную оценку состояния окружающей среды на больших территориях.

Возможность ретроспективного мониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами по срезам краевых (периферийных) участков лопастей слоевища Hypogymnia physodes (L.) Nyl. обусловлена тем, что зона роста у листоватых лишайников находится по краю таллома, т.е. во время роста они равномерно увеличиваются по краям, образуя округлые слоевища. Нарастание лишайников в течение года незначительно и во многом зависит от климатических условий. В умеренно-континентальном климате, с умеренно прохладной длительной зимой (самый холодный месяц февраль, со средней температурой около -80°С), нежарким влажным летом (самый теплый месяц в году июль, со средней температурой около +190°С) и годовым количеством осадков 600-650 мм годовой прирост лишайника Hypogymnia physodes в среднем составляет 0,5-1,5 мм в год. Краевые поперечные срезы лопастей слоевища лишайника делают тонким лезвием. Слоевище лишайника помещают на покровное стекло, с помощью препаровальной иглы расправляют лопасти слоевища лишайника, через 2,5-5,0 мм наносят насечки по краям лопастей и осуществляют краевые срезы лопастей лишайника толщиной, равной годичному приросту слоевища и определяемой по климатическим данным анализируемого периода.

Технический результат заявляемого изобретения достигается при использовании способа биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами, включающего:

- сбор талломов лишайников со стволов деревьев, произрастающих в антропогенно-трансформированной и фоновой (не загрязненной антропогенными выбросами) зонах;

- очистку материала;

- кольцевое изъятие образцов из слоевища от переферии к центру;

- сушку образцов;

- измельчение;

- окислительно-кислотную минерализацию проб;

- растворение минерального остатка в дистиллированной воде;

- снятие АЭС-ИСП спектров;

- определение мониторинговых показателей исследуемой территории путем сравнением величин превышения содержания металлов в образцах лишайников, собранных в антропогенно-трансформированной зоне, над концентрацией металлов в образцах лишайников из фоновой зоны в ретроспективе на 5 лет.

В исследованиях используют образцы одного и того же вида лишайника.

Заявляемый способ иллюстрируется Таблицами 1-4.

Таблица 1. Пункты сбора образцов Hypogymnia physodes (L.) Nyl.

Таблица 2. Интервалы фоновых показателей содержания металлов.

Таблица 3. Значения средних концентраций металлов в образцах Hypogymnia physodes (L.) Nyl. из Бобачевской рощи г. Твери, мг/кг.

Таблица 4. Уровень превышения фоновых значений концентраций металлов в образцах Hypogymnia physodes (L.) Nyl. из Бобачевской рощи г. Твери

Способ осуществляется следующим образом и включает этапы:

- сбор талломов в фоновой и антропогенно-трансформированной зоне, включающий их срезание острым скальпелем вместе с тонким слоем субстрата без нарушения целостности коры дерева на высоте 1,2-1,5 метров с деревьев, не имеющих аномалий в развитии коры, механических травм и повреждений, вызванных фитопатогенными организмами; при выборе зон сбора талломов учитывается функциональное зонирование территорий, возможные варианты негативного воздействия (пожары, влияние трансграничных переносов);

- пробоподготовка, включающая очистку слоевищ лишайников от посторонних примесей, промывание их в дистиллированной воде, отбор краевых (периферийных) участков лопастей слоевища лишайника, сушку при температуре 25°С до постоянного веса, измельчение просушенного материала в агатовой ступке, окислительно-кислотную минерализацию проб при 200°С в течение 30 минут (20 мин - время набора рабочей температуры до 200°С, 10 мин - поддержание температуры) в микроволновой печи в герметично закрытом тефлоновом сосуде с концентрированной HNO₃ при давлении 60 psi, растворение минерального остатка в колбе с дистиллированной водой через 30 минут после охлаждения до комнатной температуры;

- проведение анализа пробы, включающее определение содержания металлов с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой, например iCAP 6300 Duo (Thermo Scientifia, USA), последовательным вводом через капилляр в горелку откалиброванного спектрометра холостого и каждого из анализируемых растворов с регистрацией атомного поглощения и массовой концентрации металлов в анализируемом растворе, дальнейший расчет уровня аэрозольного загрязнения атмосферы в антропогенно-трансформированных зонах сравнением его с уровнем аэрозольного загрязнения атмосферы металлами в фоновой зоне.

Повторность измерений каждой пробы - 10-кратная. При измерении концентрации металлов, имеющих несколько спектральных линий, значение рассчитывается как среднеарифметическое. Для остальных элементов концентрацию рассчитывают по одной линии.

Тверская область является крупнейшим регионом в Центральном федеральном округе (ЦФО), что определяет наличие широкого спектра территорий, испытывающих техногенное воздействие. При этом в пределах Тверской области сохранились уникальные природные комплексы и особо охраняемые природные объекты федерального значения (Центрально-Лесной государственный природный биосферный заповедник (ЦЛГПБЗ) и национальный парк (НП) «Завидово»), что определило место апробации заявляемого способа биомониторинга аэрозольного загрязнения атмосферы металлами.

Пример выполнения способа.

Сбор образцов Hypogymnia physodes (L.) Nyl. осуществляют в фоновой зоне - ЦЛГПБЗ и НП «Завидово» Таблица. 1. Обе территории являются особо охраняемыми природными территориями федерального значения, значительны по площади (площадь ЦЛГПБЗ составляет 24 415 га, с учетом охранной его зоны - 70 476 га; площадь НП «Завидово» - около 133 000 га), хорошо изучены и имеют высокий уровень видового разнообразия.

Общее число пунктов сбора образцов - 17: ЦЛГПБ3 - 10, НП «Завидово» - 7. При их выборе учли функциональное зонирование территорий, возможные варианты негативного воздействия (пожары, влияние трансграничных переносов).

Образцы Hypogymnia physodes (L.) Nyl. собирают на высоте 1,5 метров преимущественно на северо-восточной стороне стволов деревьев, не имеющих аномалий в развитии коры, механических травм и повреждений, вызванных фитопатогенными организмами. Из каждого пункта сбора (Таблица 1) собирают по 10 образцов Hypogymnia physodes (L.) Nyl., общее число образцов 170.

Слоевища лишайников очищают от посторонних примесей, промывают в дистиллированной воде, помещают на покровное стекло, с помощью препаровальной иглы расправляют лопасти слоевища лишайника, через 2,5-5,0 мм наносят насечки по краям лопастей и осуществляют краевые срезы лопастей лишайника толщиной определенной по климатическим данным анализируемого периода и равной 1,0 мм для каждого анализируемого года, образцы сушат при температуре 25°С. Из просушенного материала берут навеску 0,5 г образца, измельчают ее в агатовой ступке и помещают в тефлоновый сосуд с 10 мл конц. HNO₃. Герметично закрытый тефлоновый сосуд с содержимым помещают в микроволновую печь, например MARS-6 (GEM, USA), для минерализации пробы. Время выдержки в печи составляет 30 минут (20 мин - время набора рабочей температуры до 200°С, 10 мин - поддержание этой температуры), давление до 60 psi. Спустя 30 мин после охлаждения, пробу растворяют в колбе на 100 мл, доведя до метки дистиллированной водой.

Определение содержания металлов проводят с помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно связанной плазмой, например, iCAP 6300 Duo (Thermo Scientifia, USA). Для исследования образцов лишайников с помощью АЭС-ИСП-анализа необходима предварительная калибровка, включающая приготовление 100 мл холостого раствора путем разбавления концентрированной азотной кислоты дистиллированной водой соотношением 1:1; приготовление рабочих растворов металлов с помощью одноэлементных стандартных образцов, например, производства Inorganic Ventures (USA), осуществление калибровки спектрометра по приготовленным растворам разных концентраций. Холостой и каждый из анализируемых растворов последовательно через капилляр вводят в горелку подготовленного к работе спектрометра, регистрируют атомное поглощение и массовую концентрацию элемента в анализируемом растворе. Повторность измерений каждой пробы 10-кратная. При измерении концентрации элементов, имеющих несколько спектральных линий, значение рассчитывают как среднеарифметическое. Для остальных элементов концентрацию рассчитывают по одной линии.

С помощью АЭС-ИСП-анализа в образцах Hypogymnia physodes (L.) Nyl. из Бобачевской рощи обнаружено 17 металлов - Al, As, Cd, Со, Cr, Cu, Ge, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Sn, Ti, V, Zn. Сравнение значений концентраций выявленных металлов в образцах Hypogymnia physode s(L.) Nyl. из Бобачевской рощи со значениями возможных интервалов фоновых показателей выявило превышение уровня содержания по семи металлам - Fe, Al, Ti, Pb, Cu, Mo, Cr в период 2011-2016 годы - Таблица 3.

Выявленные металлы по уровню превышения фоновых значений концентраций на 2016 год образуют следующий ряд - Таблица 4.

Заявляемым методом проведен биомониторинг аэрозольного загрязнения атмосферы металлами индустриальных зон Тверской области.