Способ определения экологического статуса территорий по содержанию селена

Изобретение относится к области биотестирования объектов окружающей среды. Способ включает биотестирование территории с использованием в качестве биоиндикатора дикорастущей лугово-степной растительности или культур сельскохозяйственных растений, при котором производят отбор проб биоиндикаторов во время фенофазы их цветения в объеме не менее 1 дм³ при высоте среза растений не менее 3 см от поверхности почвы, непосредственно после отбора пробы последнюю измельчают и квартуют до получения усредненной пробы в количестве не менее 100 г, навеску которой в трех повторностях фиксируют спиртом, проводят определение в экстрактах содержания селена спектрофотометрически и сравнивают полученные усредненные значения с минимальным критическим содержанием селена в нативной массе средних укосов дикорастущей или сельскохозяйственной растительности обследуемой территории, которое для лесной зоны составляет 20 мкг/кг, для лесостепной зоны - 30 мкг/кг, для степной зоны - 50 мкг/кг, по выходу за пределы минимального критического содержания селена определяют статус территории, причем в случае превышения полученными усредненными значениями минимального критического содержания селена экологический статус территории оценивается как нормальный, в случае если полученные усредненные значения ниже минимального критического содержания селена, экологический статус территории оценивается как пониженный неблагоприятный. Достигается повышение достоверности определения. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к исследованиям в области охраны окружающей среды, а именно к способам биологического тестирования объектов окружающей среды. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки экологического статуса территорий по содержанию селена.

Селен - халькофильный рассеянный элемент. Он был открыт шведским химиком Я. Берцелиусом в 1817 г. в шламах свинцовых камер сернокислотного завода в Грипсхолме. Его среднее содержание в земной коре равно 5×10^-6% (0,05 мг/кг). Растения континентов содержат селена, как правило, 0,03-0,2 мг/кг сухого вещества, а органы и ткани наземных животных - 0,3-1,7 мг/кг. Как необходимый микроэлемент селен стал известен только в 1957 г. [Ермаков В.В., Ковальский В.В. Биологическое значение селена. М.: Наука, 1974. 298 с.].

При дефиците селена в рационе у животных развиваются мышечная дистрофия и ряд других патологий. Полагают, что суточная потребность в селене для животных 0,1 мг/кг сухого корма, а состояние риска недостаточности оценивается как 0,03-0,05 мг/кг сухого вещества [Ермаков В.В. // Вестник отделения наук о Земле РАН. 2004. №1 (22). 17 с.].

Современный уровень развития техники характеризуется следующими аналогами.

Известен способ биотестирования воды, почвы, биологически активных веществ, в котором для контроля загрязнения окружающей среды используются микробиологические объекты. Способ заключается в регистрации изменчивости характера колониеобразования двух штаммов дрожжей Saccharomyses cerevisae различной плоидности под влиянием среды.

Однако данные организмы реагируют в основном на загрязнение среды различными токсикантами, и способ не применим для адекватной оценки достаточности содержания в среде селена.

[RU 2319959, G01N 33/18, опубл. 20.03.2008 г.]

Известен способ оценки загрязнения экосистем методом биоиндикации антропогенного влияния на окружающую среду, а также выявления синергических биологических эффектов поллютантов в среде. Способ заключается в извлечении из оцениваемой природной среды животных-индикаторов - Elasmucha grisea - с последующим проведением анализа частоты проявления асимметричных морфологических признаков.

[RU 2372617, G01N 33/24, опубл. 10.11.2009 г.]

Известен способ оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, включающий сбор, сушку и измельчение пробы биоиндикатора, сухую минерализацию, определение содержания тяжелых металлов с последующей оценкой. В качестве индикатора используют надземные части полыни Artemisia austriaca.

[RU 2257597, G01V 9/00, опубл. 27.07.2005 г.]

Однако указанные способы возможность селективной оценки экологического статуса селена не обеспечивают.

Известен способ комплексной оценки экологической обстановки и эффективности экологического менеджмента в регионе, разработанный для оценки достаточно крупных районов, разделенных на административно-территориальные образования, включающие города, в том числе промышленные центры. Для сбора первичных данных используют дистанционные методы. Локальный мониторинг проводят по показателям качества окружающей среды с определением территорий с различной экологической обстановкой. При проведении комплексных работ осуществляют оценку изменения ситуации во времени. Затем для каждого административно-территориального образования определяют интегральный показатель оценки эффективности экологического менеджмента и их суммарное значение в целом по региону по заданной формуле.

Способ комплексного мониторинга окружающей среды региона по патенту RU №2369866 сходен с предыдущим аналогом, однако помимо дистанционных в данном случае используются также и контактные (локальные) методы контроля различных параметров. Кроме того, на локальных средствах контроля формируются базы данных, которые затем в форме унифицированных графических и табличных протоколов передаются в центр управления и обработки.

[RU 2243554, G01N 33/00, опубл. 27.12.2004 г.]

[RU №2369866, G01N 33/00, опубл. 10.10.2009 г.]

Указанные методы чрезвычайно многостадийны, трудоемки и, соответственно, дороги. Кроме того, они не позволяют вычленить в «экологическом менеджменте» природную составляющую, относящуюся к селену.

Известен способ оценки микроэлементного статуса региона, позволяющий получить достоверные данные о состоянии среды как локального биогеоценоза, так и крупного региона в целом. Способ основан на биоиндикации территории, с использованием в качестве биоиндикаторов мышечной ткани диких копытных животных и их сельскохозяйственных видов-аналогов, затем определяют содержание в ней микроэлементов, сравнивают полученные результаты с критическими уровнями содержания элементов в пищевых продуктах, а по выходу полученных данных за границы нормы судят об ухудшении микроэлементного статуса региона.

Однако в результате произошедшего в последние годы сокращения численности применяемых в данном прототипе биоиндикаторов (дикие копытные животные) его практическое использование в большинстве регионов Российской Федерации крайне затруднено, а в ряде областей вообще невозможно.

[RU №2280869, G01N 33/50, опубл. 27.07.2006 г.]

В связи с этим назрела необходимость разработки нового метода оценки статуса территории по содержанию селена.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ определения экологического статуса территории путем ее биотестирования, включающий отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания тестируемого элемента, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, при этом 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 определяемого элемента из усредненной пробы проводят концентрированной азотной кислотой с последующим определением его в экстракте методом атомной адсорбции, а сравнение полученных значений ведут с фоновым содержанием стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности.

Способ предназначен для определения экологического статуса территорий на содержание стронция, а в связи с тем, что селен является легколетучим элементом, подверженным сравнительно быстрому алкилированию, и не предотвращаются потери элемента, известный способ не обеспечивает достоверность получаемых результатов.

[RU №2375710, G01N 33/10, опубл. 10.12.2009 г.]

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа, обеспечивающего возможность оценки экологического статуса селена при одновременном повышении репрезентативности его результатов.

Поставленная задача решается разработанным способом определения экологического статуса территорий на содержание селена, характеризующимся тем, что он включает биотестирование территории с использованием в качестве биоиндикатора дикорастущей лугово-степной растительности или культур сельскохозяйственных растений, отбор проб биоиндикаторов во время фенофазы их цветения в объеме не менее 1 дм³, непосредственно после отбора пробы последнюю измельчают и квартуют до получения усредненной пробы в количестве не менее 100 г, навеску которой в трех повторностях фиксируют спиртом, проводят определение в экстрактах селена спектрофотометрически и сравнивают полученные усредненные значения с минимальным критическим содержанием селена в нативной массе средних укосов дикорастущей или сельскохозяйственной растительности обследуемой территории, по выходу за пределы которого определяют статус территории.

Обычно отбор проб ведут путем полного выкашивания растительности с 1 м² последней, а для обеспечения репрезентативности результатов биотестирования локального региона отбор проб производится в количестве не менее 3 проб на 100 га.

Целесообразно использовать минимальные критические уровни содержания селена в нативной массе средних укосов дикорастущей растительности в пределах от 20 до 50 мкг/кг: для лесной зоны - 20 мкг/кг, для лесостепной зон - 30 мкг/кг, для степной зоны - 50 мкг/кг.

Селен является легколетучим элементом, поэтому наиболее точным количественным методом определения селена является спектрофлуориметрический. После разложения биоматериала смесью хлорной и азотной кислот шестивалентный селен восстанавливают соляной кислотой до Se (IV) с образованием диазоселенола в реакции селенита с 2,3-диаминонафталином [Ермаков В.В. Флуориметрическое определение селена в продуктах животноводства, органах (тканях) животных и объектах окружающей среды. Методические указания по определению пестицидов в биологических объектах. М. ВАСХНИЛ, 1997. С.8-18].

Выбор указанных критических уровней селена обусловлен результатами многолетних исследований, проводимых в лаборатории биогеохимии окружающей среды Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН. Установлено, что естественное (фоновое) содержание общего селена в средних укосах дикорастущих видов лугово-степной растительности, а также надземной биомассе монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных травянистых растений составляет не менее 20 мкг/кг нативного вещества для средних укосов травянистой растительности лесной зоны, не менее 30 мкг/кг - для лесостепной зоны и не менее 50 мкг/кг - для степной.

Обычно в качестве индикаторов экологического статуса селена в агроценозах используют надземную биомассу монокультур однолетних либо многолетних сельскохозяйственных травянистых растений, например клевера, люцерны или вико-овсяной смеси.

Способ применим и для проведения биотестирования крупного региона (10000-50000 га), для этого достаточно исследовать не менее 10 образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности, отбирая их равномерно по территории региона. Для биотестирования локального агроценоза достаточно исследовать по 2-3 образца надземной биомассы монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных травянистых растений на каждые 100 га.

Пример 1

Для биотестирования Корочанского района Белгородской области площадью 173000 га отбирают 10 образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности. Для этого равномерно по территории района во время фенофазы цветения растительности выбирают 10 мест отбора. На растительность накладывают рамку размером 1×1 м и фиксируют площадку в зависимости от густоты травостоя, но таким образом, чтобы объем растительной массы с каждой площадки был не менее 1 дм³. Надземную 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. Образцы растений непосредственно после срезания квартуют до получения средней пробы массой 100 г. Это необходимо для получения наиболее представительной пробы. Выделение селена проводят следующим образом. Пробу измельчают 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 берут в трех повторностях навеску массой 5 г, которую помещают в герметичную тару и фиксируют 5 мл 96%-ного этилового спирта. Поскольку селен является легколетучим элементом, подверженным сравнительно быстрому алкилированию, это предотвращает потери элемента. В таком виде пробы непосредственно анализируют, или они пригодны для анализа в течение полугода по вышеприведенной методике В.В.Ермакова.

При наличии 10 анализируемых проб результаты измерений усредняют.

Среднее арифметическое определенных валовых концентраций селена оказалось равным 69 мкг/кг нативной массы, что выше минимального критического уровня для степной зоны. Поэтому экологический статус селена в обследованном регионе оценивается как нормальный.

Пример 2

Для биотестирования агроценоза Чернянского района Белгородской области площадью 350 га, занятого многолетним сенокосом клевера, было отобрано 4 пробы надземной биомассы растений.

Отбор проб, их подготовку и определение селена проводят аналогично примеру 1. Среднее арифметическое определенных валовых концентраций селена оказалось равным 31 мкг/кг нативной массы, что выше минимального критического уровня для лесостепной зоны. Поэтому экологический статус селена в обследованном регионе оценивается как нормальный.

Пример 3

Для биотестирования агроценоза Тверского района (Тверской области) площадью 120 га, занятого многолетним сенокосом вико-овсяной смеси, было отобрано 2 пробы надземной биомассы растений.

Отбор проб, их подготовку и определение стронция проводят аналогично примеру 1. Среднее арифметическое определенных валовых концентраций селена оказалось равным 18 мкг/кг нативной массы, что меньше нижнего критического уровня. Поэтому экологический статус селена в обследованном агроценозе оценивается как пониженный неблагоприятный.

Для проведения биотестирования предлагаемым способом не требуется особых трудозатрат на содержание штата микробиологов и микробиологической лаборатории. Пробоотбор образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности, а также надземной биомассы монокультур однолетних либо многолетних 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 биотестирования экологического статуса селена позволяет получить репрезентативные данные об общем состоянии окружающей среды. Способ прост в исполнении, трудозатраты на его реализацию невелики.

1. Способ определения экологического статуса территорий на содержание селена, характеризующийся тем, что он включает биотестирование территории с использованием в качестве биоиндикатора дикорастущей лугово-степной растительности или культур сельскохозяйственных растений, при котором производят отбор проб биоиндикаторов во время фенофазы их цветения в объеме не менее 1 дм³ при высоте среза растений не менее 3 см от поверхности почвы, непосредственно после отбора пробы последнюю измельчают и квартуют до получения усредненной пробы в количестве не менее 100 г, навеску которой в трех повторностях фиксируют спиртом, проводят определение в экстрактах содержания селена спектрофотометрически и сравнивают полученные усредненные значения с минимальным критическим содержанием селена в нативной массе средних укосов дикорастущей или сельскохозяйственной растительности обследуемой территории, которое для лесной зоны составляет 20 мкг/кг, для лесостепной зоны - 30 мкг/кг, для степной зоны - 50 мкг/кг, по выходу за пределы минимального критического содержания селена определяют статус территории, причем в случае превышения полученными усредненными значениями минимального критического содержания селена экологический статус территории оценивается как нормальный, в случае, если полученные усредненные значения ниже минимального критического содержания селена, экологический статус территории оценивается как пониженный неблагоприятный.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбор проб ведут путем полного выкашивания растительности с 1 м² последней.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения репрезентативности результатов биотестирования локального региона отбор проб производится в количестве не менее 3 проб на 100 га.