Спосіб прогнозування екологічного стану ґрунту в зоні техногенного забруднення

Спосіб прогнозування екологічного стану ґрунту в зоні техногенного забруднення, що передбачає визначення екологічного стану ґрунту шляхом відбору зразків ґрунту, проведення аналізів, математичну обробку результатів, який відрізняється тим, що відбір зразків, проведення аналізу та математичну обробку одержаних даних проводять також в рослинах, і за результатами одержаних даних будують для кожного типу ґрунтів гра фіки залежності урожайності від рівня забруднення за кожним його елементом, використовують їх для подібних ґрунтів та забруднювачів для визначення екологічного стану ґрунтів та прогнозування впливу забруднення на урожайність та її якість. UA (21) a200611387 (22) 30.10.2006 (46) 25.07.2008, Бюл.№ 14, 2008 р. (72) САМОХВАЛОВА ВАЛЕНТИНА ЛЕОНІДІВН А, UA, ФАТЄЄВ АН АТОЛІЙ ІВАНОВИЧ, UA (73) НАЦІОН АЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР "ІНСТИТУТ ГРУНТОЗНАВСТВА ТА АГРОХІМІЇ ІМ. О.Н.СОКОЛОВСЬКОГО" УААН, UA (56) UA 45259 A,15.03.02. UA 69953 A, 15.09.04. RU 2041910 C1, 20.08.95. RU 2064748 C1, 10.08.96. RU 2129160 C1, 20.04.99. Вальков В.Ф. и др. Экология почв. Часть3. Загрязнение почв. 1.Тяжелые металлы в почвах. Природные и техногенные аномалии. [он лайн], 2004 [знайдено 2008-05-23]. Знайдено в Інтернет ГОСТ 17.4.3.01-83 Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб.-М.: Издвостандартов, 1984.- 15 с. ГОСТ 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, C2 2 (19) 1 3 83563 тей забруднювача та ґрунту, глибини проникнення токсиканту, щільності й площі ґрунту, який підлягає реабілітації. Спосіб не передбачає визначення рівнів забруднювачів за яких доцільно проведення інактивація токсичності в системі ґрунт - рослина. Вказані способи детоксикації забруднювачів характеризуються різними рівнями ефективності їх використання за умов сталого впливу техногенного забруднення, однак не містять інформації щодо визначення за яких саме рівнів забруднення ґрунтової системи слід розпочинати проведення заходів з інактивації токсичності. Окрім того, не передбачають паралельного визначення рівнів поглинання, накопичення забруднювачів в агрофітоценозі, продуктивності рослин за умов забруднення, які є важливими діагностичними показниками прояву токсичності, необхідності проведення заходів з санації системи грунт-рослина. Зазначені способи детоксикації не ураховують специфіки забруднення (спектр, рівні, характер забруднення), що порушує необхідну збалансованість між економічною та екологічною доцільністю проведення заходів з детоксикації, з урахуванням складу забруднювачів, видових особливостей рослин, властивостей ґрунту. Отже, для підвищення ефективності проведення заходів детоксикації в системі ґрунт - рослина необхідним є, насамперед, визначення рівнів забруднення, які сприяють прояву токсичності та визначенню доцільності використання інактиваторів токсичності. Детоксиканти забруднювачів мають відповідати вимогам високої ефективності, економічної доцільності та екологічної необхідності, адаптивності використання в системі ґрунт - рослина. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, який досягається, е спосіб визначення та прогнозування санітарногігієнічного стану ґрунту [3]. Згідно з запропонованим способом проводять відбір зразків ґрунту, їх аналіз разом з визначенням рівнів ферментативної активності ґрунтової системи за результатами якого виділяють стадії стресу грушу, у відповідності до яких пропонується рекультиваційні заходи, причому проби ґрунту беруть в шарі 0 - 50см через кожні 50м на відстані не менш 350м від джерела забруднення, як контрольний беруть зразок ґрунту того ж складу па відстані не менш 5км. Такий підхід сприяє комплексному вивченню стану ґр унтів та забезпечує е фективність прогнозування їх самовідновлепня за умов забруднення органічними та неорганічними речовинами, які містять азот. Проте, спосіб не містить інформації щодо розрахунків рівнів вмісту забруднювачів за яких слід розпочинати проведення заходів з санації ґрунтів, адже рівень активності ензимів ґрунту за умов забруднення не може бути єдиним універсальним тест-показником на який слід орієнтуватись для діагностики токсичних властивостей нолютантів та прогнозування процесів самовідновлепня ґрунтової системи за умов сталої або перманентної дії фактору забруднення. Окрім того, за умов забруднення відбуваються порушення природного вмісту макро - і мікроелементів як у біокосних так і у біологічних системах. Крім того, прототип не містить інформації щодо урахування складних явищ синергізму та анта 4 гонізму макро -і мікроелементів в системі ґрунт рослина, що визначають прояв токсичних властивостей забруднювачів та впливають на характер процесів самовідновлення системи ґрунт - рослина. Адже рівень ферментативної активності є відповідною реакцією на вплив забруднювачів в системі, а характер її функціонування та прояв властивостей пов'язаний з перерозподілом хімічних елементів. Таким чином прототип містить лише складові вплив - відповідь, не містить необхідної важливої складової, що визначає стан системи ґрунт - рослина за умов забруднення - коергизм елементів. Технічне рішення також не передбачає паралельних визначень тест показників у системі ґрунт - рослина, використання принципу перетворення кризи у потрібну функцію, що значно звужує його застосування та унеможливлює його запровадження для вирішення завдання доцільності проведення заходів з інактивації токсичності, прогнозування стану системи ґрунт - рослина, яка містить біокосну та біологічну складову, за умов дії забруднювачів. Аджє за умов забруднення постає задача пошуку критичного поля значень концентрацій забруднювачів, які ведуть до виведення системи ґрунт - рослина із стану рівноваги (гомеостазу). Тобто необхідно виявити концентрації забруднювачів, поглинання та накопичення яких спричиняє дестабілізацію в системі ґрунт - рослина, зниження родючості ґрунтової системи та продуктивності агрофітоценозів. В основу винаходу поставлена задача підвищення точності визначення рівнів забруднення, шляхом розширення джерел інформації про ступень забруднення системи ґрунт - рослина, за яких є необхідним проведення детоксикаційних заходів у зонах те хногенезу та забезпечення зниження трудомісткості способу, та як наслідок, визначення зон очікуваної урожайності. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому способі визначення та прогнозування екологічного стану ґрунту в зоні техногенного забруднення, який включає відбір зразків ґрунту, проведення аналізів, математичну обробку результатів згідно з винаходом відбір зразків проведення аналізу та математичну обробку одержаних даних проводять також і в рослинах і за результатами одержаних даних строять для кожного тину ґр унтів гра фіки залежності урожайності від рівня забруднення за кожним його елементом, використовують їх для подібних ґрунтів та забруднювачів для визначення екологічного стану ґрунтів та прогнозування виливу забруднення на урожайність та її якість. Такий підхід допомагає виявити ефект впливу забруднення, визначитись з протидією йому, що підвищує рівень інформативності про стан системи ґрунт - рослина в умовах забруднення та надає можливість прогнозувати стан стресу системи ґрунт - рослина, у відповідності до якого пропонуються заходи з детоксикації. Останнє сприяє інтексифікації процесу розробки інактиваторів токсичності, що дозволяють зв'язувати токсичні сполуки забруднювачів, переводячи їх в малорухомі форми, сорбувати і високоефективно знешкоджувати, 5 83563 знижувати накопичення забруднювачів агрофітоценозами. Відповідно до нами запропонованого способу вище перелічені недоліки усуваються, тому що по - перше, використовується принцип перетворення кризи системи (забруднення системи, токсичність) у необхідну функцію (інактивація токсичності), по друге, реалізується пошук оптимуму для прояву негативу в системі ґрунт - рослина, но - третє, виявляються рівні вмісту забруднювачів в системі ґрунт - рослина, які визначають мінімальні значення показників які досліджуються в тест - культурах за умов токсичної їх дії. В польових умовах було досліджено токсичний вплив забруднювачів, наприклад ВМ, на продуктивність рослин агрофітоценозу. Моделювались моно-та поліелементний характер забруднення ґрунту на рівні забруднення Cd, Pb, Cr, Ni, які у 3, 5, 10, 15 разів перевищують їх фоновий вміст у чорноземі опідзоленому важкосуглинковому Лісостепової зони України. Такі рівні забруднення забезпечували прояв токсичності ВМ в системі ґрунт - рослина. Дослідження включали проведення мікропольового досліду (15 варіантів у трикратній повторюваності). В якості біотестів токсичного впливу забруднення Ґрунту ВМ використовували тест - рослини (суданська трава {Sorghum vulgare sudanence), гречка (Fagopyrum esculentum), горох (Pisum sativum var.commune), овес (Avena sativa L.), морква {Dancus carol а), буряк столовий (Beta vulgans L.), кукурудза (Zea mays)). Продуктивність агрофітоценозів, їх якісний склад визначали у кінні вегетаційного періоду. Спосіб визначення рівнів вмісту забруднювачів ґрунту, наприклад ВМ, за яких доцільна детоксикація включає декілька етанів: відбір ґрунтових,рослинних проб та підготування їх до аналізу, визначення існуючого рівня вмісту хімічних елементів в об'єктах довкілля, розробку моделей поведінки металів-токсикантів у системі ґрунт - рослина з метою прогнозу рівнів забруднення агрофітоценозів, розробку критичного поля значень концентрацій ВМ для подальшої ліквідації токсичної дії забруднювачів. Відбір ґрунтових, рослинних проб та підготування їх до аналізу здійснюють згідно вимог діючих стандартів ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.0284 та ГСТУ41-()0032626-()0-023-2000 |4,5,6]. Визначення рівнів забруднення системи ґрунт - рослина проводиться для органічних забруднювачів згідно з існуючими методиками (наприклад, МВВ 31-497058-017-2003 та МВВ 31-497058-009-2002 [7,8|), а для ВМ - за використання аналітичного методу атомно-абсорбційної спектрофотометрії. Для розробки моделей в системі ґрунт - рослина досліджується існуюча взаємодія факторів, їх вплив на тест об'єкти у модельних лабораторних та вегетаційних дослідах, з подальшою математичною обробкою та оцінкою отриманих результатів, пошуком оптимального поєднання факторів, за дії яких відмічається максимально можливе зменшення або збільшення тест-показників. Далі розраховуються сімейства ізоквант по кожній парі факторів за оптимального значення іншого. Такий підхід забезпечує реалізацію можливості отримати розрахункові значення для любого набору факто 6 рів, які досліджуються в системі, за конкретних рівнів кожного з них з можливістю подальшої візуалізації. Відповідно до запропонованого способу результатом аналізу системи ґрунт - рослина виступає параметр оптимізації, тобто реакція - відгук на дію факторів (рівні техногенних навантажень, вміст ВМ в системі ґрунт - рослина). При цьому реакція (параметр) відповідає вимогам ефекти висоті з точки зору досягнення мети, універсальності, кількісної визначеності величини, статистичної достовірності. Ведеться пошук оптимуму для прояву фітотоксичності ВМ, ви ходячи з того, що множину відгуків у системі ґрунт - рослина слід узагальнити до єдиного кількісного параметру, дотримуючись правила комбінування відгуків в узагальнений (інтегральний) показник. Таким показником для системи грунт-рослина є продуктивність культур агроценозів.Використовуючи регресійний аналіз в рамках пакету Statistica 6.0 послідовно обираються фактори, які сумісно пов'язані, позначаються межі визначення кожного із них та межі сумісної області визначення у факторному просторі, яке сформовано координатними осями. Результатом подальшого проектування смуг відгуку на площину є ізокванти (сімейство ізоліній), при цьому кожна смуга відповідає сталому значенню параметра оптимізації (смуга рівного відгуку). У відповідності до ізоквант у кожному випадку визначення рівнів металів-токсикантів у системі ґрунт - рослина аналізується вид функції відгуку (модель), яка дозволяє прогнозувати значення відгуків у ти х станах, які не вивчались експериментальне. Таким чином, модель є базою для визначення прояву забруднення, блокуванні процесу транслокації контамінантів, розробки методів та видів заходів детоксикації негативного впливу контамінантів. Визначення критичного поля значень концентрацій металів-токсикантів у системі ґрунт - рослина для пошуку параметрів вмісту р ухомих форм ВМ (Cd, Pb, Ni, Cr) у ґрунті, за яких доцільно проводити інактивацію токсичності забруднювачів, проводилась за використання багатофакторного регресійного аналізу. Результатом є ізокванти (сімейство ізоліній), що характеризують існуючі залежності між рівнем забруднення ґрунту ВМ (Х2), тривалістю їх післядії (Х1), досліджуваними параметрами (У). В якості останніх використовувались рослинно-фізіологічні критерії (продуктивність тестових рослин, показники їх якості) (Фіг.1-3). Далі використовуючи метод накладення ізоквант на лініях перетину максимумів і мінімумів, знаходили вихідні параметри вмісту р ухомих форм ВМ (кислоторозчинна та легкодоступна рослинам форми) ґрунту (Фіг.1-2). Результатом пошуку є встановлені рівні вмісту рухомих форм Cd, Pb, Ni, Cr в Грунті, які визначають мінімальні (табл. 1) та максимальні (табл.2) значення тест-показників якості культур агроценозів. Так, визначення рівнів вмісту Cd та Pb в ґрунті, за яких доцільно розпочинати проведення інактивації токсичності в системі ґрунт - рослина представлено відповідно на фігурах 1 і 2. В якості показника токсичного ефекту ВМ в дослідженнях виступає верхній критичний рівень вмісту елементу, який дорівнює найменшій конце 7 83563 нтрації його в рослинах, за якої виникають токсичні ефекти або візуальні симптоми токсичності, зниження продуктивності агрофітоценозів. Граничні показники фітотоксичності ВМ у ґрунті за різних рівнів техногенних навантажень наведено в таблиці 3.В попередніх дослідженнях нами було встановлено суттєві специфічні нелінійні залежності між рівнями забруднення ґрунтів ВМ та вмістом азоту, фосфору, калію, ВМ та мікроелементівметаболітів в рослинах. Виявлено елементи вміст яких ви ходить за межі дефіциту і надлишку за поліелементного характеру забруднення ВМ, що сприяло розробці граничних рівнів надходження, накопичення забруднювачів у системі ґрунт - рослина. Отримані ізокванти та графіки підтверджують достовірність та конкретизують результати. Визначення максимально безпечних доз для рослин (доза ВМ, що суттєво не впливає на урожай) і граничнодопустимих доз ВМ (зниження урожаю не більше ніж 10%) сприяло встановленню границь токсичності металів-токсикантів для тестових культур, які характеризуються різними особливостями екскреторної можливості до поглинання та накопичення забруднювачів у діапазоні діючих концентрацій ВМ ґрунтового розчину (діапазон між максимальними концентраціями, які не ведуть до зниження урожаю та мінімальними дозами, які сприяють зниженню продуктивності, накопиченню вище ГДК металів-токсикантів та загибелі біотестів). Отримана аналітична інформація статистично обробляється. Аналіз ефективності кожного з етанів дослідження виявив те, що значення токсичних концентрацій ВМ для кожного елементу - це несталі величини, що відображає існуючі в системі явища коергизму (антагонізму, синергізму) металівтоксикантів та макро - і мікроелементівметаболітів, збільшення резистентності рослин до забруднення. Встановлено, що у діапазоні діючих концентрацій ВМ (діапазон між максимальними концентраціями, які не ведуть до зниження продуктивності рослин та мінімальними концентраціями ВМ, які ведуть до зниження врожаю, накопичення вище 1'ДК металів - токсикантів та загибелі рослин) у ґрунтовому розчині ВМ за умов поліелементного забруднення характеризуються більшою токсичністю в порівнянні з токсичністю окремих елементів. Результуючий вплив ВМ на систему грунт-рослина залежить від складу забруднення, чутливості рослин. Ґрунтових умов, форм сполук ВМ та їх співвідношення. 8 Відмітними рисами запропонованого способу, в порівнянні з відомими способами та підходами, полягає в наступному: - універсальність, спосіб придатний для всіх тинів техногенно забруднених ґрунтів з різними буферними властивостями, здатністю до самоочищення та за різних рівнів вмісту забруднювачів різного характеру та природи; - ефективність для комплексного вивчення стану системи ґрунт - рослина за умов забруднення, прогнозування її відновлення; - експресність для визначення граничних рівнів токсичності забруднювачів ґрунту, порогових концентрацій полютанту в рослинах, діапазонів критичних, допустимих та оптимальних значень концентрації забруднювачів, об'єктивної оцінки безпечних та небезпечних рівнів забруднення різного характеру і природи, визначенню оптимуму для прояву токсичності в системі ґрунт - рослина, ініціюванню проведення заходів детоксикації. Перелік посилань: 1. Пат. Рос. RU №2041910 С09К 17/14, С09К 101:00 «Средство для снижения степени токсичности загрязненных металлами, в том числе тяжелыми, лесных и сельскохозяйственных почв » 2. Пат. Рос. RU №2064748 А01В 79/02, В09С 1/100 «Способ реабилитации почв». 3. Пат. Рос. RU №2129160 C12Q 1/02, 1/06, 1/26, 1/30, 1/34, Л01В 79/02 «Способ определения и прогнозирования санитарно-гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства». 4. ГОСТ 17.4.3.01-83 Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. -М.: Изд-во стандартов, 1984. - 15с. 5. ГОСТ 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. -М.: Изд-во стандартов, 1985. - 11с. 6. ГСТУ 41-00032626-00-023-2000 Охорона довкілля. Рекультивація земель під час спорудження нафтових і газових свердловин. - К., 2000. - 69с. 7. ГОСТ 17.4.3.03-85 Охрана природы. Почвы. Общие требования к методам определения загрязняющих ве ществ. -М.: Изд-во стандартов, 1986. 15с. 8. MBB 31-497058-017-2003 Грунти. Визначення масової частки нафтопродуктів у ґр унті за методом гравіметрії. 9. MBB 31-497058-009-2002 Грунти. Визначення масової частки нафтопродуктів в ґрунті методом інфрачервоної спектроскопії. 9 83563 10 Таблиця 1 Тест - показники: Рухомі фор- Продуктивність тестових ми ВМ, мг/кг культур зерно солома Cdбуф, 2,9-5,8 3.6-5.1 CdHCL 4,7-8,9 6,8-8,4 Рbбуф 8,7-30,4 10,9-19,7 РbHCL 27,2-81,5 38,1-54,3 Niбуф 19,3-26,8 16,3-26,8 NiHCL 67,8-85,9 67,8-81,4 Crбуф 6,8-13,5 10,6-18.4 СrHCL 24,4-43,3 32,5-51,4 Протеїн N Р2О5 K2О 1.1-3.9 2,6-6,8 8,7-15,3 38,0-48,0 10,4-26.8 54,3-85,9 4.8-16.4 18.9-46,0 5.8-18,4 21,7-51,4 0-2.2 0-4.7 2.2-6.5 21.7-38.0 15.5-18.4 46.0-51,4 Вміст металу 1,08-4,0 2.6-6,8 8.7-15.3 38,0-48,9 13.4-25,3 58,8-81,4 4.8-14,5 16,2-40.6 зерно 0-0,3 0-0,5 0-2,9 0-9,04 0-5,8 0-16,2 солома 0 0-0,5 0 0-9,04 0-0,9 0-2.7 Таблиця 2 Тест-показники: Рухомі форми Продуктивність тестоВМ, мг/кг вих к ультур зерно солома Cdбуф, 0-0,3 0 CdHCL 0-0.5 0-0,3 Рbбуф 0-2,2 0-3,5 РbHCL 0-21,2 0-21,7 Niбуф 0-1,5 0-1,5 NiHCL 0-9,04 0-9,04 Crбуф 0-0,9 0-0,9 СrHCL 0-5,4 . 0-2,7 N Р2О5 K2O 15міст металу Протеїн зерно 6.1-6,9 2.2-5,8 6,1-6.9 3,9-5,4 9,4-10,0 3.15-9.45 9,5-10.0 7.3-8,4 0-4.4 6.6-34.9 0-21.0 0-21,7 27.1-86.9 0-38.0 19,3-24,0 19.3-22.3 23.8-28.2 67,8-72,3 67.8-72.3 72.3-85.9 0.9-3,8 1.9-4.8 0-0,9 0-2,8 1.9-3,9 0-5,4 2.7-10,8 0 0-5.4 18,9-21.7 солома 4,7-5,8 7,9-8.9 22.3-26.8 72,3-85.9 1.9-5.8 2,7-8.1 Примітка: в таблицях 1 та 2: Мeоуф. - легкодоступна рослинам форма метала грунту; MeHCL - кислоторозчинна форма метала ґрунту. Таблиця 3 Рів ень фітотоксичності при в місті металу-токсиканту в грунті, мі/кг Культури Cd Суданська 8,4трав а 9,0 1,2Гречка 9,0 0,5Горох 6.5 0,6Ов ес 6.0 5,0Моркв а 6.0 Столов ий 4.0буряк 6.5 5.4Кукурудза 40,0 солянок исла в итяжка Pb 11,090,0 14,058,0 20,465,0 45,680,0 20,090,0 21.072.0 Ni 2,0-100,0 буферна ацстатно-амонійна в итяжка Cr 10,018,0 Cd Pb Ni Cr 0,2-40,0 2,0-10,0 1,5-2 1,5-2 6,0-7.4 1,2-5.3 2 3.0-9.0 1.0-24.0 1.2-5,2 20,0-60.0 6,2-21,9 0,5-2,8 4,3-20.0 4,1-18.0 4,0-160.0 4,0-28,0 2,5-3,0 2.7-19.3 25,0120,0 0,5-6,0 3,8-26,0 Токсичні рів ні техногенних нав антажень (перев ищення в місту до фону), разів Cd Pb Ni Сr 1,5 2 1.5 2 2 іJ 2 2 1,1-5.8 3 1.5-2 1.5 2 1,5-60.5 1,0-5,5 10 1.5 10-15 6-10 2.0-17.0 2.0-70,0 1,2-5.5 6 10-15 8-15 >28 2.2-16.0 1,2-5.5 10 1-6 8,2-20,6 0,5-4,0 4.2-19.0 12.0-75,0 2.0-30,2 0.3-2,8 21,0-1 159.0 1,5-2 >3,2 100,0 18,0-63.0 4,0-21,0 0,7-2,1 10-15 7-15 2-3 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83563 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601