Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ БИОТЕСТИРОВАНИЯ ПО ДЛИНЕ КОРНЕЙ ТЕСТОВОГО РАСТЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННОЙ НЕФТЬЮ ВОДЫ

Изобретение относится к инженерной экологии и защите окружающей природной среды. Оно может быть использовано при экологическим нормировании влияния концентрации нефти и нефтепродуктов на природную среду в виде растительности. При этом экологическое нормирование выполняется биотестированием по росту корней различных видов тестовых растений, например, при экологическом мониторинге качества воды рек и водоемов, загрязненной нефтяными сбросами.

Известен способ испытания загрязнения воды по росту корней растения в соответствии с методикой биотестирования по проращиванию семян (Приложение 10. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 "Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения" (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г. № 46), включающий равномерную укладку семян на фильтровальную бумагу в чашке Петри диаметром 10 см, причем в каждую чашку Петри наливают по 5 мл исследуемой воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, затем чашки покрывают и помещают в термостат при температуре 20°С, а при отсутствии термостата эксперимент возможен в комнатных условиях, но тогда из-за колебаний температуры затрудняется сопоставление результатов, проводимых в различное время, эксперимент заканчивается через 72 часа, после чего измеряют длину корней.

Недостатком является то, что в сточных водах не учитывается концентрация нефти. Поэтому способ не применим для экологического нормирования. Однако достоинством является то, что на конкретных местах при биотестированпии сточных вод для орошения рекомендуется применять как тест-растения именно те культурные растения, которые произрастают и применяются в сельском хозяйстве на данном земельном участке.

Известен также способ испытания загрязнения воды по времени роста корней растения по патенту №2402765, включающий выбор тест-растения, например, в виде семян редиса красного круглого, равномерную укладку семян тест-растения на фильтровальную бумагу в контрольной и испытуемой чашке Петри диаметром 10 см, причем в каждую чашку Петри наливают по 5 мл воды при 4-8-кратной повторности полива, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, эксперимент заканчивают через 72 часа, после чего измеряют длину всех корней в каждой чашке Петри.

Недостатком является то, что в пробе воды рек и водоемов не измеряется до биотестирования концентрация нефти и поэтому неизвестно изменение длины корня тестируемого растения. При этом отсутствуют способы экологического нормирования до испытаний проб речной или иной воды

Технический результат - расширение функциональных возможностей биотестирования для экологического нормирования загрязнения воды нефтью и нефтепродуктами повышение точности показателей влияния нефти различной объемной концентрации в водном растворе на рост корней растения на конкретной территории, а в общем случае на рост корней общепринятого тест-растения - редиса красного круглого с белым кончиком.

Этот технический результат достигается тем, что способ биотестирования по длине корней тестового растения загрязненной нефтью воды, включающий выбор тест-растения, например, в виде семян редиса красного круглого, равномерную укладку семян тест-растения на фильтровальную бумагу в контрольной и испытуемой чашке Петри диаметром 10 см, причем в каждую чашку Петри наливают по 5,0 мл воды при 4-8-кратной повторности полива, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, эксперимент заканчивают через 72 часа, после чего измеряют длину всех корней в каждой чашке Петри, отличающийся тем, что общее количество испытуемых чашек Петри принимается по количеству значений объемной концентрации нефти в водном растворе, при этом в контрольной чашке Петри принимается проба воды с нулевой концентрацией нефти, следующие поливы семян в каждой чашке Петри в пределах 4-8-кратной повторности выполняют с возрастанием периода между ними, до очередного налива подготавливают водный раствор испытуемой нефти, для этого нефть заданного объема набирают и выливают в мерную колбу, после чего набирают и выливают воду в ту же мерную колбу, затем перемешивают содержимое колбы, а приготовленным раствором с заданной концентрацией нефти поливают семена тест-растения в чашке Петри в течение 72 часов, причем полив семян в первой испытуемой чашке Петри проводят при 4-8-кратной повторности одной и той же малой концентрацией нового водного раствора нефти, а в каждой последующей чашке Петри полив выполняют водным раствором нефти по возрастанию значения объемной концентрации до тех пор, пока после измерений длины корня всхожесть семян редиса красного круглого не превысит 50%, затем статистическим моделированием выявляют биотехническую закономерность изменения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри и каждой из них в отдельности.

До налива подготавливают водный раствор испытуемой нефти заданной концентрации для одной чашки Петри, для этого пробу нефти заданного объема в миллилитрах набирают градуированной пипеткой с помощью резиновой груши и выливают в мерную колбу, другой градуированной пипеткой набирают природную воду из близлежащего к нефтепроводу или нефтеперерабатывающему заводу и выливают в ту же мерную колбу, причем общий объем приготовленного нефтяного раствора, например, составляет 5,0 мл по таблице концентрации нефти в водном растворе:

Следующие поливы семян в каждой чашке Петри в пределах четырехкратной повторности в комнатных условиях выполняют с возрастанием периода между ними за 72 часа в следующей последовательности:

По результатам измерений после полива семян в каждой чашке Петри водным раствором разной концентрации нефти по возрастанию ее значения с учетом контрольной чашки Петри с нулевой концентрацией нефти выполняют моделирование всхожести семян за 72 часа по формуле:

где n_пр - количество проросших семян редиса красного круглого, шт;

С - объемная концентрация нефти, %;

а ₁…а ₇ - параметры отдельных составляющих готовой статистической закономерности, принимающие конкретные значения для конкретных условий проращивания семян.

По максимальной длине корней у лидеров-проростков в каждой чашке Петри с разной объемной концентрацией нефти статистическим моделированием выявляют биотехническую закономерность:

где L_max - максимальная длина корня от лучшего по качеству семени в каждой чашке Петри, мм;

С - объемная концентрация нефти, %;

а ₁…а ₃ - параметры статистической модели.

Статистическим моделированием общую биотехническую закономерность изменения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри и по каждой в отдельности выполняют в виде обобщенного закона

,

где L₀ - длина корня при поливе водным раствором с нулевой концентрацией

нефти, мм;

С - объемная концентрация нефти, %;

а₁ - активность гибели естественной закономерности;

а₂ - интенсивность снижения объемной концентрации нефти.

Сущность технического решения заключается в том, что экологическое нормирование устанавливает допустимое воздействие концентрации нефти и нефтепродуктов на природную среду, в том числе в случае аварийных разливов. Нормирование объемной концентрации нефти и нефтепродуктов выполняется методом тестирования по росту корней различных видов тестовых растений из общемирового списка, например, редиса красного круглого.

Сущность технического решения заключается также в том, что количество испытуемых чашек Петри принимается равным семи, то есть по количеству значений (надеемся, что они будут стандартизованы) объемной концентрации нефти в водном растворе. При этом общее количество чашек Петри в испытании равно восьми с учетом контрольной чашки Петри, за которую принимается проба воды с нулевой концентрацией нефти.

Сущность технического решения заключается также в том, что при проведении испытания устанавливается единый режим полива вне зависимости от конкретных территорий. Полив семян в каждой чашке Петри в пределах четырехкратной (для средней полосы Европейской части России, на землях юга страны пяти и даже больше кратной) повторности выполняют с возрастанием периода между ними. При этом время первого полива составляет условно (для шкалы времени полива) 0 часов, следующий полив через 12 часов, третий и четвертый полив через 36 и 60 часов соответственно от начала процесса полива, а после 72 часов (здесь мы взяли стандартизованное время по СанПиН, чтобы не путаться с предыдущим нашим изобретением) проращивания семян редиса красного круглого измеряют длину корня проростков.

Сущность технического решения заключается также в том, что метод косвенно определяет влияние заданной концентрации нефти в воде за 72 часа. Тем самым можно узнать экологический ущерб от потери растительности при аварийном разливе нефти и нефтепродуктов на местности конкретной территории, если измерить быстро объемную водную концентрацию разлива.

Положительный эффект достигается тем, что проводится косвенная оценка влияния проб воды с заданным содержанием нефти или нефтепродуктов, что позволяет определить степень возможного загрязнения нефтью и нефтепродуктами непроточных водных объектов, расположенных вблизи земель сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов.

Новизна технического решения заключается в том, что эксперимент по проращиванию семян выполняют по изменению длины корня тест-растения при добавлении в пробу воды заранее перед поливом нефтью различной концентрации и свойств, а затем составляют таблицу влияния объемной концентрации нефти или нефтепродуктов на показатели тест-растения - максимальная длина корня и всхожесть семян.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг.1 показаны 12 семян редиса красного круглого в чашке Петри при поливе водным раствором с объемной концентрации нефти равной 2%; фиг.2 - график распределения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри; на фиг.3 - график рангового распределения 12 семян в первой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 0%; на фиг.4 - то же на фиг.3 во второй чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 2%; на фиг.5 - то же на фиг.3 в третьей чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 4%; на фиг.6 - то же на фиг.3 в четвертой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 6%; на фиг.7 - то же на фиг.3 в пятой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 8%; на фиг.8 - то же на фиг.3 в шестой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 12 %; на фиг.9 - то же на фиг.3 в седьмой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 16%; на фиг.10 - то же на фиг.3 в восьмой чашке Петри при объемной концентрации нефти, равной 20%; на фиг.11 - график распределения максимальной длины корня в каждой чашке Петри от объемной концентрации нефти; на фиг.12 - график изменения количества проросших семян растения в каждой чашке Петри в зависимости от объемной концентрации нефти.

Способ биотестирования по длине корней тестового растения искусственно загрязненной для экологического нормирования нефтью воды включает следующие основные действия.

Проводится отбор пробы природной воды на данной территории, ее консервация и подготовка. В лабораторных условиях проводится испытание биотестированием по длине корней тестового растения с добавлением в части пробы воды нефти и нефтепродуктов.

Семена тест-растения равномерно укладывают на фильтровальную бумагу в чашке Петри диаметром 10 см. В каждую чашку Петри наливают по 5,0 мл пробы воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, эксперимент заканчивают через 72 часа, после чего измеряют длину всех корней в каждой чашке Петри.

Общее количество испытуемых чашек Петри принимается по количеству значений объемной концентрации нефти в водном растворе, при этом в контрольной чашке Петри принимается проба воды с нулевой концентрацией нефти. Следующие поливы семян в каждой чашке Петри в пределах 4-8-кратной повторности выполняют с возрастанием периода между ними.

До очередного налива подготавливают водный раствор испытуемой нефти заданной концентрации для одной чашки Петри, для этого пробу нефти заданного объема в миллилитрах набирают градуированной пипеткой с помощью резиновой груши и выливают в мерную колбу, другой градуированной пипеткой набирают пробу воды и выливают в ту же мерную колбу, затем содержимое колбы перемешивают.

Приготовленным раствором с заданной концентрацией нефти поливают семена тест-растения в чашке Петри в течение 72 часов, причем полив семян в первой испытуемой чашке Петри проводят при 4-8-кратной повторности одной и той же малой концентрацией нового водного раствора нефти.

В каждой последующей чашке Петри полив выполняют водным раствором нефти по возрастанию значения объемной концентрации до тех пор, пока после измерений длины корня всхожесть семян тестируемого растения не превысит 50%. Затем статистическим моделированием выявляют биотехническую закономерность изменения длины корня растения от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри и каждой из них в отдельности.

Способ биотестирования по длине корней редиса круглого красного загрязненной нефтью, например, проб воды с заранее заданной объемной концентрацией нефти, включает следующие действия.

Проводится отбор пробы воды, например речной воды из непроточных мест (стариц и других водоемов, пойменных лугов и др.), ее консервация и подготовка.

В лабораторных условиях проводится испытание биотестированием по длине корней тестового растения - редиса красного круглого.

Семена редиса красного круглого равномерно укладывают на фильтровальную бумагу в чашке Петри диаметром 10 см. В каждую чашку Петри наливают по 5,0 мл пробы речной воды при 4-8-кратной повторности, при этом уровень жидкости в чашках должен быть ниже поверхности семян, эксперимент заканчивают через 72 часа, после чего измеряют длину всех корней в каждой чашке Петри.

Общее количество испытуемых чашек Петри принимается по количеству значений объемной концентрации нефти в водном растворе, при этом в контрольной чашке Петри принимается проба речной воды с нулевой концентрацией нефти.

До очередного налива подготавливают водный раствор испытуемой нефти заданной концентрации для одной чашки Петри, для этого пробу нефти заданного объема в миллилитрах набирают градуированной пипеткой с помощью резиновой груши и выливают в мерную колбу, другой градуированной пипеткой набирают речную воду и выливают в ту же мерную колбу, причем общий объем приготовленного нефтяного раствора, например, составляет 5,0 мл по таблице концентрации нефти в водном растворе:

Приготовленным раствором с заданной концентрацией нефти поливают семена редиса красного круглого в чашке Петри в течение 72 часов, причем полив семян в первой испытуемой чашке Петри проводят при 4-8-кратной повторности одной и той же малой концентрацией нового водного раствора нефти. Следующие поливы семян в каждой чашке Петри в пределах четырехкратной повторности в комнатных условиях выполняют с возрастанием периода между ними за 72 часа в следующей последовательности:

В каждой последующей чашке Петри полив выполняют водным раствором нефти по возрастанию значения объемной концентрации до тех пор, пока после измерений длины корня всхожесть семян редиса красного круглого не превысит 50%.

По результатам измерений длины корня редиса красного круглого после полива семян в каждой чашке Петри водным раствором разной концентрации нефти выполняют моделирование всхожести семян за 72 часа по формуле:

где n_пр - количество проросших семян редиса красного круглого, шт;

С - объемная концентрация нефти, %;

а ₁…а₇ - параметры отдельных составляющих готовой статистической закономерности, принимающие конкретные значения для конкретных условий проращивания семян.

По максимальной длине корней у лидеров-проростков в каждой чашке Петри с разной объемной концентрацией нефти статистическим моделированием выявляют биотехническую закономерность:

где L_max - максимальная длина корня от лучшего по качеству семени в каждой чашке Петри, мм;

С - объемная концентрация нефти, %;

а ₁…а ₃ - параметры статистической модели.

Статистическим моделированием общую биотехническую закономерность изменения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри и по каждой в отдельности выполняют в виде обобщенного закона

,

где L₀ - длина корня при поливе водным раствором с нулевой концентрацией нефти, мм;

С - объемная концентрация нефти, %;

а ₁ - активность гибели естественной закономерности;

а ₂ - интенсивность снижения объемной концентрации нефти.

Пример. Биотестирование по длине корней редиса красного круглого искусственно загрязненной нефтью воды проводили с использованием речной воды, пробу которой брали из реки Малая Кокшага.

В таблице 1 приведены данные проращивания в комнатных условиях (семена были посажены в 20 часов 13 февраля 2011 г.) независимых выборок из 12 семян редиса красного круглого с белым кончиком на восьми чашках Петри при поливе водным раствором нефти.

При проведении эксперимента на фильтровальную бумагу семена редиса красного круглого укладывали в чашке Петри диаметром 10 см. В каждую чашку Петри наливали по 5 мл пробы речной воды с добавлением нефти разной объемной концентрации при четырехкратной повторности.

До очередного налива подготавливали водный раствор испытуемой нефти заданной концентрации для одной чашки Петри. Для этого пробу нефти заданного объема в миллилитрах набирали градуированной пипеткой с помощью резиновой груши и выливают в мерную колбу, другой градуированной пипеткой набирали речную воду и выливали в ту же мерную колбу, содержимое колбы перемешивали.

Приготовленным раствором с заданной концентрацией нефти поливали семена редиса красного круглого в чашке Петри в течение 72 часов, причем полив семян в первой испытуемой чашке Петри проводили при 4-кратной повторности одной и той же малой концентрацией нового водного раствора нефти. Следующие поливы семян в каждой чашке Петри в пределах 4-кратной повторности в комнатных условиях выполняли с возрастанием периода между ними за 72 часа в следующей последовательности:

В каждой последующей чашке Петри полив выполняли водным раствором нефти по возрастанию значения объемной концентрации. Например, на фиг.1 показана испытуемая чашка Петри, в которой полив 12 семян редиса красного круглого проводили водным раствором с объемной концентрации нефти, равной 2%.

Измерение длины всех корней редиса красного круглого в каждой испытуемой чашке Петри проводили через 72 часа проращивания.

Закономерность распределения длины корня редиса красного круглого от концентрации нефти по всей совокупности получили в виде обобщенного закона гибели, то есть

где L - максимальная длина корня редиса красного круглого, мм;

С - объемная концентрация нефти, %.

На фиг.2 представлен график распределения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по всей совокупности чашек Петри. Из графика видно, что чем больше концентрация нефти, тем меньшие значения принимает длина корня редиса красного круглого. При снижении концентрации длина корня возрастает.

Длина корня принимает наибольшие значения при объемной концентрации нефти от 0 до 8%. При объемной концентрации 2% нефть оказывает малое влияние на рост корня редиса красного круглого.

Графики распределения длины корня редиса красного круглого от объемной концентрации нефти по каждой чашке Петри приведены на фиг.3-10.

Высокие коэффициенты корреляции уравнений убеждают в высокой адекватности полученных статистических моделей.

График распределения максимальной длины корня (табл.2) в каждой чашке Петри при поливе водным раствором разной концентрации нефти (фиг.11) также показывает снижение длины корня при увеличении концентрации и имеет закономерность в виде обобщенного закона гибели

где L_max - максимальная длина корня редиса красного круглого, мм;

С - объемная концентрация нефти, %.

Максимальное количество не проросших семян приходится на большую концентрацию нефти (табл.3). При объемной концентрации нефти 20% количество не проросших семян редиса красного круглого составило 50%. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации нефти не проводилось и количество испытуемых чашек Петри с учетом контрольной при проведении биотестирования редисом красным круглым приняли равным восьми.

Идентификацией биотехнического закона была получена закономерность, представленная в виде следующей модели всхожести

где n_пр - количество проросших семян редиса красного круглого, шт;

С - концентрация нефти, %.

Полученная модель (3) показывает волновое возмущение семян редиса красного круглого к содержанию нефти.

Из графика распределения проросших семян редиса красного круглого от концентрации нефти (фиг.12) также видно, что небольшие концентрации нефти не значительно влияют на всхожесть семян, но увеличение концентрации приводит их к гибели.

Проведенные испытания свидетельствуют о снижении роста корней редиса красного круглого при загрязнении речной воды нефтью. Выявлено закономерное уменьшение длины корня редиса красного круглого при увеличении концентрации нефти. Наибольшее количество не проросших семян растения отмечалось в чашке с большей концентрацией нефти.

Предлагаемый способ с высокой точностью описывает влияние нефти на распределение длины корня проростка при загрязнении речной воды.

Применение предложенного способа расширяет возможности экологического мониторинга для выявления и оценки опасных уровней загрязнения водных объектов нефтью, в том числе в результате аварийного загрязнения.