Спосіб оцінки забруднення грунтів важкими металами

Изобретение относится к области экологии, в частности к мониторингу загрязнения почв сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами. В научной литературе содержится несколько подходов оценки запізнення почв тяжелыми металлами. Все они основаны, главным образом на учете валовых форм элементов-загрязнителей, для которых наиболее полно разработаны и ПДК. Водорастворимую форму тяжелых металлов практически не используют в качестве критерия загрязнения почв, несмотря на наибольшую опасность для экологии именно этой формы, или предлагают лишь в качестве дополнительного диагностического показателя к валовому содержанию (12). В то же время признается, что почва способна фиксировать тяжелые металлы, и, "поскольку почва сама в состоянии переводить значительную часть химических элементовзагрязнителей в малодоступную для растений форму, определение только их валового содержания не может дать правильного представления о величине потока элементов-загрязнителей, попадающих в пищевую цепь " (5). Не отрицая важности учета водорастворимой формы тяжелых металлов, в качестве критерия загрязнения почв ее практически не используют. Ориентация на валовое содержание тяжелых металлов при оценке загрязнения почвы в настоящее время во многом объясняется более легким определением по сравнению с мобильными формами, для чего широко используется спектрография. В известных способах оценки загрязнения биологических объектов предлагаются разные технические решения. Известны: 1) "Способ определения загрязнения воды токсичными веществами с помощью тестовых организмов" (заявка 258737, Польша), 2) "Способ определения устойчивости почвы к загрязнению химическими элементами", основаный на получении ряда кислых вытяжек и их анализе (авт.св. 1483362, СССР), 3) "Способ выявления техногенного загрязнения ландшафтов с глеевой обстановкой", основанный на выделении зон разгрузки внутрипочвенных вод (авт.св, 1388798, СССР), 4) "Способ определения степени загрязнения почв тяжелыми металлами", основанный на приготовлении ряда контрольных почвенных образцов с искусственным загрязнением их (авт.св. 1455300, СССР). Все перечисленные способы оценки непригодны для решения поставленной нами задачи из-за не совпадения анализированных объектов. В первых двух анализируется вода или кислые вытяжки из почв, в последнем – ландшафты. 5) Способ оценки загрязнения почв тяжелыми металлами по разработке "Показатели загрязнения почв тяжелыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге" (Садовникова Л.К., Зырин Н.Г., Почвоведение, № 10, 1985, с.84-89), предназначен для выделения зон техногенного загрязнения (12), В качестве диагностического показателя загрязнения почв тяжелыми металлами признается их общее количество (валовая форма) и как дополнение -формы, переходящие в водную вытяжку (г/л) и ацетатный буферный раствор с рН4,8 и 1 н Ca(NO3)2. Степень загрязнения устанавливается путем сравнения содержания тяжелых металлов в верхнем горизонте и в породе, а также в верхнем горизонте загрязненной и незагрязненной почвы. Границы зон устанавливаются по достоверному различию содержания тяжелых металлов в этих объектах. В соответствии с этим, критерием запрещения использования земли в сельском хозяйстве считают превышение фонового содержания тяжелых металлов в 3 - 5 раз для малобуферных и в 5 - 10, а иногда и в 20 раз для высокобуферных почв. По валовой форме тяжелых металлов нельзя сделать вывод о их негативном влиянии на биологические объекты. Использование этого показателя не достигает той цели, которая поставлена нами. Предлагая подвижную и водорастворимую формы в качестве дополнительных к валовой, авторы не дают конкретного решения при их использовании. Даже сравнение с фоновым содержанием, по аналогии с валовой, не исключает субъективности оценки и не отвечает той цели, которая поставлена нами в заявляемом способе. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ оценки загрязнения с.-х. земель тяжелыми металлами, описанный в статье "Относительные показатели загрязнения в системе почва-растение" (5), решающий ту же задачу, что и предлагаемый способ, т.е. оценивает загрязнение тяжелыми металлами почву как источник загрязнения пищевой цепи. Оценку по прототипу осуществляют по двум формам соединений тяжелых металлов - валовой и подвижной - на основе сопоставления их содержания в загрязненных почвах с контрольными, незагрязненными, а также загрязненных и незагрязненных растений. Цель достигается по результатам сравнения показателей анализируемых объектов и контролей. Кроме того, предлагаются еще два показателя для сравнительной оценки защитных возможностей почвы и растений по отношению показателя активного загрязнения к показателю накопления. Однако известный способ имеет следующие недостатки: используя валовую и подвижную формы тяжелых металлов, авторы считают их недостаточными для оценки загрязнения почв с большим содержанием легкорастворимых форм тяжелых металлов, так как, по их мнению, такие экстрагенты, которые применяют для извлечения подвижных форм, "будут способствовать созданию более негативных представлений о загрязнении пищевой цепи, чем это есть в действительности". Поэтому авторы вводят ряд дополнительных относительных показателей по загрязненности растений и активному накоплению тяжелых металлов в почве. Большое количество показателей усложняет оценку, делая ее трудоемкой, и не дает представления о количестве водорастворимой, наиболее мобильной формы тяжелых металлов. Поскольку эталоны сравнения в данном способе непостоянны и меняются в зависимости от вида почвы и растений, оценка носит субъективный характер. Для определения содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве по прототипу необходимы разные реагенты в зависимости от типа почв (кислые, щелочные и т.д.). В основу предлагаемого изобретения поставлена задача - усовершенствование способа оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, в котором используются показатель, экстрагент (вода) и эталон, независящее от вида почв, что обеспечивает универсальность их применения в любых условиях и дает возможность судить не только о наличии загрязнения, но и его степени. Поставленная задача решается тем, что в способе оценки загрязнения почв, включающем определение содержания мобильных соединений тяжелых металлов в твердой фазе почвы и сравнение его с эталоном, определяют содержание водорастворимой формы тяжелых металлов, а в качестве эталона используют ПДК подвижных форм тяжелых металлов и о степени загрязнения почвы судят по их соотношению. Общим с прототипом признаком является определение содержания в почве мобильных форм тяжелых металлов, но в отличии от него в предлагаемом нами техническом решении оценка загрязнения дается не по сумме валовой и подвижной формам, а по водорастворимой, как наиболее мобильной и наиболее экологически опасной форме. Большая информативность оценки загрязнения с.-х. земель по водорастворимой форме тяжелых металлов по сравнению с другими формами объясняется тем, что почва обладает механизмом не только защиты от элементов-загрязнителей, обеспечивающим перевод легкорастворимых соединений в труднорастворимые, но и обратным - переводу поступающи х тр уднорастворимых в легкорастворимые в зависимости от свойств почв. Миграция же тяжелых металлов в надземные и подземные воды и другие биологические объекты всегда имеет тесную зависимость от наличия в почве водорастворимых их соединений. Общим признаком прототипа и предлагаемого способа является сравнение искомых показателей с эталоном. Отличие в том, что в прототипе эталоном служит фоновое содержание тяжелых металлов, которое непостоянно из-за зависимости от вида почвы, тогда как в предлагаемом техническом решении эталоном служит конкретная величина ПДК по ГОСТ, которая постоянна на всех видах почв. Использование ПДК подвижных форм тяжелых металлов в качестве эталона сравнения водорастворимых форм объясняется следующим обстоятельством: Во-первых, данных по ПДК подвижных форм тяжелых металлов значительно больше чем, водорастворимых; Во-вторых, по величине в почве водорастворимая форма тяжелых металлов наиболее близка к подвижным формам. В-третьих, тот факт, что величина водорастворимой формы соединений тяжелых металлов не может быть больше подвижной, гарантирует констатацию факта загрязнения почвы тяжелыми металлами в случае превышения ПДК подвижных форм. Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что преимуществом предлагаемого способа оценки загрязнения почв тяжелыми металлами является: 1. По предлагаемому способу оценка загрязнения почвы дается по показателю водорастворимая форма тяжелых металлов, присутствие которой в почве наиболее опасно для биологических объектов, а не по валовой и подвижной формам как в прототипе. Подвижная, тем более, валовая формы такой опасности могут и не представлять. 2. Преимуществом предлагаемого технического решения является использование одного показателя (водорастворимая форма), а не двух (валовая и подвижная), как в прототипе, что снижает затраты на аналитические работы и упрощает оценку. 3. Преимуществом заявляемого технического решения является использование в качестве эталона сравнения конкретной величины -ПДК по ГОСТ, доступной по справочной литературе, тогда как по прототипу требуется определение эталона в каждом конкретном случае. 4. Преимуществом заявляемого технического решения является универсальность эталона сравнения (ПДК) для всех видов почв, тогда как в прототипе эталон сравнения для разных почв различен, что по нашему способу упрощает оценку. 5. Преимуществом заявляемого способа является также и то, что разработанный в Никитском ботаническом саду "Способ определения водорастворимых и подвижных форм микроэлементов в почве" (заявка № 95010047 от 03.01.1995), позволяет определить водорастворимую форму по твердой фазе почвы методом спектрографии, который значительно облегчает и ускоряет получение показателя для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами. Заявляемый способ осуществляется следующим образом, Почвенный образец подготавливается так же, как к анализу водной вытяжки почв (Руководство по химическому анализу почв, Е.В.АринушкинагМ.,1970), и анализируется любым методом определения водорастворимых микроэлементов в почве. Водорастворимая форма тяжелых металлов определялась по "Способу определения водорастворимых и подвижных форм микроэлементов в почве", разработанный в Государственном Никитском ботаническом саду (заявка № 95010047 от 03.01.1995), позволяющий методом спектрографии одновременно определять неограниченное (в зависимости от разрешающей способности спектрографов) количество элементов по твердой фазе почвы, не прибегая к использованию химреактивов. Подготовка почвы та же, что и для спектрального анализа (15). Отсутствие водорастворимой, наиболее мобильной и потому наиболее опасной для экологии формы тяжелых металлов указывает на отсутствие загрязнения почвы. При обнаружении величина водорастворимой формы сравнивается с ПДК подвижных форм (7 - 11 и: др.) и в зависимости от равенства или кратности превышения ПДК делается заключение о слабой, средней или сильной степени загрязнения почвы, согласно формуле заявляемого технического решения. Оценка степени загрязнения почвы тяжелыми металлами по предлагаемому способу дана на примере хрома. Пример: Содержание и оценка степени загрязнения хромом почвы под садом по предлагаемому способу методом спектрографии с использованием разработки по заявке № 95010047 от 03.01.1995 Таблица Слой почвы см 0-20 20-40 40-60 60-80 80-100 Содержание хрома в почве мг/кг Кратность Оценка степени валовое ПДК подвижных в почве водораст-римос форм по ГОСТ превышения ПДК загрязнения в исходной подвижных форм почвы хромом после почве промывки 151,8 116,0 35,8 6 в 6 раз сильная 148.2 122,4 25,8 6 в 4 раза сильная 166,7 141,3 24,8 6 в 4 раза сильная 163,8 145.6 18,2 6 в 3 раза средняя 143,1 143,2 0 6 0 Почва “чистая” По оценке предлагаемого способа почва сильно загрязнена хромом до глубины 60см, средне - в слое 60 - 80см и не загрязнена в слое 80 - 100см. Если же оценить загрязнение по валовой величине ПДК (7-І 1), то весь почвенный профиль нужно признать загрязненным, в том числе и слой 80 - 100см. Во-вторых, оценка по величине валовой формы ПДК будет одинаковой для слоев 40 - 60 и 60 - 80см, тогда как по содержанию водорастворимой формы у первого сильная, у второго - средняя степень загрязнения, что более вероятно, если учитывать почвенные процессы. То же подтверждает и сравнение содержания хрома в слоях 0 - 20 и 80 - 100см, которые мало отличаются друге от друга по валовому содержанию, но очень сильно по содержанию водорастворимого хрома. Подобным образом по предлагаемому способу можно определить любые тяжелые металлы, в том числе и такие как Cd, Hg, Pb, Cu, Zn. Література: 1. Авт.св. № 258737 G01N 33/24, Польша. Изобрет. стран мира,№ 23,1988. 2. Авт.св. № 1483362, G01N 33/24, СССР. Открыт, и изоб.,№ 20,1989. 3. Авт.св. № 1388798 G01N 33/24, СССР. Открыт, и изоб., № 14,1988. 4. Авт.св. № 1455300 G01N 33/24, СССР. Открыт, и изоб., № 4, 1989. 3. Ильин В.Б., Степанова Н.Д. - Относительные показатели загрязнения в системе почва-растение. Почвоведение, № 1, 1979, с,61-67(прототип). 6.Поповичева Л.Л.- Влияние мелиорантов на состояние свинца в загрязненных дерново-подзолистых почвах и его поступление в растения. (автореф.), М.,1988. 7.Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве. САН Π и Η 42-128-443387. Издание официальное. 8. Дмитриев М.Т. и др. - Справочник (Санитарно-химический анализ загрязняющих ве ществ в окружающей среде). - М., изд. Химия, 1989, 368 С. 9. Временные методические рекомендации по проведению геолого-экологических исследований при геологоразведочных работах ( для условий Украины). 10. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.,1992. 11. Методические рекомендации по обследованию и картографированию почвенного покрова по уровням загрязненности промышелнными выбросами. Мм 1987. 12. Садовникова Л.К., Зырин Н.Г. Показатели загрязнения почв тяжелыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге. - Почвоведение, № 10, 1985, с.84-89. 13. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. -М.,1970. 14. Н.Зырин Н.Г., Обухов А.И., Белицина Г.Д. - Методические указания по спектрографическому определению микроэлементов в почвах и золе растений, - М.: МГУ, 1971. 106 с.