СПОСОБ БИОГЕОХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ КАДМИЕМ

Изобретение относится к исследованиям в области охраны окружающей среды, а именно к способам биогеохимического мониторинга объектов окружающей среды. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки загрязнения регионов кадмием.

Не являясь элементом, необходимым для нормальной жизнедеятельности животных и растений, кадмий почти в течение 150 лет не привлекал внимание биологов. Развитие промышленности востребовало этот рассеянный микроэлемент и привело к заметному увеличению его концентраций в биосфере.

Первое количественное определение кадмия в организмах (водоросли и водные животные) осуществил Д.П.Малюга - сотрудник Биогеохимической лаборатории, возглавляемой в то время В.И.Вернадским [Малюга Д.П. Кадмий в организмах, Доклады АН СССР, 1941. Т.31. С.145-147]. По его данным содержание кадмия в живом веществе составило 0,15 мг/кг. У лиц, умерших от сердечных заболеваний, концентрация кадмия в почках, по его данным, составляет 3,8 мг/кг. Средняя концентрация кадмия в растительности суши составляет 35 мкг/кг, в мертвом органическом веществе - 500 мкг/кг, в океаническом веществе (растворенная часть) - 110 мкг/кг и осадочной толще Земли - 390 мкг/кг. Таким образом, кадмий не концентрируется большинством сухопутных растений (его К_б<1).

В настоящее время существует огромный массив данных о токсическом действии кадмия и его соединений. Из аспектов биологической роли кадмия следует отметить этиологическое значение кадмия в патогенезе ряда заболеваний (итаи-итаи, кадмиоз сельскохозяйственных животных, нефриты, опухолевые заболевания, остеомаляция, гипертоническая болезнь и др.). В ряде городов России выявлены кадмиевые гипермикроэлементозы у детей [Скальный А.В. Распространенность микроэлементозов у детей различных регионов России, Геохимическая экология и биогеохимическое районирование биосферы, Материалы 2-й Российской Школы (тезисы, доклады, воспоминания). М. 1999. С.209-211]. Дефицит кадмия еще недостаточно ясен. Однако снижение роста козлят и воспроизводительных функций коз были установлены на рационе с концентрацией кадмия <15 мкг/кг [Anke М., Glei М., Muller М. et al. Trace and ultra trace elements in human and animal physiology// Thyroid and Trace Elements, 6^th Thyroid-Symposium, Blackwell Wissenschaft, Berlin-Wien. 1996. P.1-12].

Степень всасывания кадмия в желудочно-кишечном тракте равна 0,05, кратность накопления во всем организме - 333, в мышечной ткани - 253, а период полувыведения металла из организма животных и человека достигает 2306-4612 суток. Соединения кадмия обладают широким спектром действия на биологические процессы. Прежде всего, это специфическое действие на углеводный обмен, конформацию макромолекул, действие на ряд окислительно-восстановительных ферментов, метаболические взаимодействия с Са, Zn, Fe, Cu, Se, I и индукция синтеза металлотионеинов (МТ) и образование прочных Cd-MT комплексов.

Современный уровень развития техники характеризуется нижеследующими аналогами нашего изобретения.

Известен способ комплексного мониторинга обследуемой земной поверхности [Заявка РФ №2003115637, кл. G09B 29/00, опубл. 20.06.2006], включающий ее дистанционное зондирование (космическую и/или аэросъемку в видимом и/или невидимом диапазонах электромагнитного излучения), взятие проб и определение по ним состояния почвы, воды, воздуха с предварительным разделением территории на зоны, одинаковые по ландшафтным и/или физико-географическим характеристикам среды обитания. Способ включает оценку экологического состояния почв по интегральной токсичности (гибель тестирующих организмов), а также концентрации ряда токсичных химических элементов (в том числе и кадмия).

Способ многостадиен, продолжителен по времени, трудоемок, требует наличие специализированной микробиологической лаборатории с персоналом и, соответственно, дорог. Он не дает возможности оценивать небольшие по площади участки земной поверхности, тем более поймы рек.

Известен «Способ экологической оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» [Патент РФ №2266537, кл. G01N 33/02, 33/18, 33/24, опубл. 20.12.2005], включающий отбор образцов органов и тканей диких копытных животных с последующим определением в них содержания ряда токсичных химических элементов (в том числе и кадмия).

Способ позволяет производить биогеохимических мониторинг загрязнения среды кадмием в том случае, если имеется достаточно многочисленная популяция диких копытных животных и ведется их регулярная или выборочная лицензионная добыча. Однако в последние годы на основной территории Европейской части Российской Федерации численность этих животных настолько снижена, что о их добыче не может идти речь. Таким образом, практическое применение данного способа на сегодняшний день является затруднительным.

Наиболее близким техническим решением явлется способ биогеохимического мониторинга загрязнения среды кадмием путем ее биотестирования, включающий отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего кадмия, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории [Заявка на выдачу Патента РФ №2008152695, кл. G01N 33/00, опубл. 10.07.2010].

Данный способ мониторинга основан на получении информации о степени загрязненности территории тяжелыми металлами с помощью обножки пчел, собираемой с цветковых растений, произрастающих на данной территории. Способ позволяет оценить загрязнение территории рядом токсичных химических элементов (в том числе и кадмием).

Недостатком способа, как и предыдущего аналога, является ограниченная доступность его применения, поскольку пчеловодство развито далеко не повсеместно. Более того, как раз на территориях, подвергающихся наибольшему техногенному загрязнению тяжелыми металлами (шахты, отвалы, ГОКи, хвостохранилища и т.п.) пчеловодство практически не ведется.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение репрезентативности результатов мониторинга, обеспечение возможности регулярной мониторинговой оценки практически не ограниченного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в способе биогеохимического мониторинга загрязнения среды кадмием путем ее биотестирования, включающий отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего кадмия, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, в качестве биоиндикаторов используют образцы листьев ивы козьей - Salix caprea L. или ивы ломкой - Salix fragilis L., отбор проб производят во время всего периода вегетации в количестве, равном для территории крупного региона, 1 проба на 1000-5000 га, для локального района 1 проба на 100 га, а для речной поймы - 1 проба на 100 метров, при этом определение валового кадмия проводят методом пламенной атомной адсорбции, а сравнение полученных значений ведут с установленными значениями.

Предпочтительно использовать для сравнения значения фонового содержания стронция в воздушно-сухой массе листьев ивы в пределах до 0,6 мг/кг, для зоны риска - от 0,6 до 1,2 мг/кг и для зоны кризиса - от 1,2 до 2,8 мг/кг.

Целесообразно разложение образцов проводить смесью концентрированных азотной и хлорной кислот в соотношении 3:1 при нагревании.

Для анализа используют образцы листьев любого из видов ив: ивы козьей (Salix caprea L.) и ивы ломкой (Salix fragilis L.), т.к. они равнозначны для биоиндикации кадмия в окружающей среде и применим тот вид ивы, который есть в наличии в данной точке пробоотбора.

На основании многолетних исследований лаборатории биогеохимии окружающей среды нами установлено, что для надежного мониторинга кадмиевого загрязнения территории крупного региона достаточна 1 проба на 1000-5000 га, для локального района - 1 проба на 100 га.

В биометрии необходимым и достаточным уровнем достоверности различий принято считать Р-не менее 0,95 (то есть 95%). Такой уровень по нашему мнению для разных территорий может быть достигнут при взятии образцов ивы по пойме через 70-90 метров. Градиент в 100 метров позволяет нам гарантированно достичь необходимого уровня статистической достоверности различий. Дальнейшее увеличение расстояния между точками пробоотбора нецелесообразно вследствие уменьшения масштаба получаемой нами карты. Таким образом, отбор образцов ивы по пойме с шагом 100 метров оптимален для данного вида индикации.

Пример 1.

Для мониторинга Вейделевского района Белгородской области площадью 173000 га отобрали 100 образцов листьев ивы козьей или ивы-ракиты. Для этого равномерно по территории района во время вегетационного периода выбрали 100 мест отбора. На каждом из них произвели отбор листьев ивы таким образом, чтобы объем растительной массы в каждом случае был не менее 1 дм³.

Образцы высушили до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу в течение 3 ч при температуре 105°С, затем охладили в эксикаторе и взвесили. Повторяли высушивание в течение 1 ч и последующее взвешивание до тех пор, пока не достигли постоянного веса (разница в весе при двух последовательных взвешиваниях должна быть не более 0,1% от исходного веса пробы). Высушенную пробу предварительно измельчили и методом квартования отобрали среднюю пробу массой не менее 200 г.

Определений валового кадмия проводили следующим образом.

Отбирали от высушенной квартованной пробы навеску 1 г и измельчали в лабораторной мельнице IKA A11 basic с частотой оборотов 25000 в минуту до размера частиц 0,001-0,1 мм.

От измельченной массы на аналитических весах брали навеску 500 мг, которую помещали в коническую колбу термостойкого стекла объемом 50 мл и заливали смесью концентрированных азотной и хлорной кислот в соотношении 3:1 (объем 4 мл). В таком виде анализируемый образец выдерживали не менее 1 часа. Затем колбы нагревали на песчаной бане до тех пор, пока объем минерализата не достигал примерно 1 мл. Затем производили разбавление минерализата бидистиллированной водой до объема 15 мл. Этот раствор анализировали на содержание валового кадмия методом пламенной атомной абсорбции на атомном спектрофотометре «ААС Квант-2А» согласно [ГОСТ 26933-86 "Сырье и продукты пищевые. Метод определения кадмия", М., 1987., 11 с.]. Определяли среднее арифметическое результатов 100 элементопределений.

Среднее арифметическое определенных валовых концентраций кадмия в листьях ивы оказалось равным 0,34 мг/кг воздушно-сухой массы, что соответствует фоновым территориям. Поэтому экологический статус кадмия в обследованном регионе оценивается как нормальный, территория Вейделевского района Белгородской области практически не загрязнена кадмием.

Пример 2.

Для мониторинга поймы реки Ардон (Республика Северная Осетия -Алания) на участке 3 км от Унальского хвостохранилища вниз по течению были отобраны 30 образцов листьей ивы козьей или ломкой (ракиты). Пробоподготовка и анализ валовых содержаний кадмия проводили аналогично примера 1.

Среднее арифметическое определенных валовых концентраций кадмия в листьях ивы оказалось равным 1,07 мг/кг воздушно-сухой массы, что соответствует территориям экологического риска. Поэтому экологический статус кадмия в обследованном регионе оценивается как повышенный, территория поймы реки Ардон (Республика Северная Осетия - Алания) на участке 3 км от Унальского хвостохранилища вниз по течению является территорией риска по кадмию.

Пример 3.

Для мониторинга территории отвалов Холстинских шахт (Республика Северная Осетия - Алания) площадью около 800 га было отобрано 8 проб листьев ивы козьей или ивы ломкой (ракиты). Пробоподготовка и анализ валовых содержаний кадмия проводили аналогично примера 1.

Среднее арифметическое определенных валовых концентраций кадмия в листьях ивы оказалось равным 2,54 мг/кг воздушно-сухой массы, что соответствует территориям экологического кризиса. Поэтому экологический статус кадмия в обследованном локальном районе оценивается как высокий, территория отвалов Холстинских шахт (Республика Северная Осетия -Алания) является территорией кризиса по кадмию.

Таким образом предлагаемый метод позволяет производить градированную оценку степени загрязнения кадмием как локальных, так и значительных по площади территорий, включая такие сложные для мониторинга участки земной поверхности, какими являются поймы рек. Предлагаемый способ позволяет расширить виды биологических методов адекватной оценки суммарной токсичности различных объектов окружающей среды на кадмий.

Характерным преимуществом предлагаемого способа, относительно аналогов, является возможность оценки таких сложных объектов среды, какими являются речные поймы, имеющие значительную протяженность и сравнительно небольшую ширину.