СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

Изобретение относится к почвоведению, микробиологии, ботанике и охране окружающей среды от аэротехногенных воздействий, а именно к определению загрязнения почв выбро-сами промышленных предприятий.
Данный способ позволяет в течение 2-3 ч. определить степень аэротехногенного загряз-нения почв выбросами промышленных предприятий, используя морфологические измене-ния природной популяции одноклеточной диатомовой водоросли Hantzshia amphioxys (Ehr.) Jrun. f. amphioxys.

Изобретение относится к почвоведению, микробиологии, ботанике, охране окружающей среды от аэротехногенных воздействий, а именно к определению загрязнения почв выбросами промышленных предприятий.
Известен способ определения степени загрязнения почв тяжелыми металлами [1]. Сущность способа заключается в выращивании почвенных микроорганизмов непосредственно в почве с внесением в нее органических источников углерода, а степень загрязнения определяют по изменению структуры и состава сообществ микроорганизмов в почве путем ее прямого микроскопирования в сканирующем электронном микроскопе. По структуре и составу микробного сообщества, выращенного непосредственно в почве, анализируется стабильность микробной системы почв к воздействию тяжелых металлов, а определение степени загрязнения осуществляется по изменению этой стабильности.
Недостатком способа является необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов для определения состава микробного сообщества в электронном микроскопе, а также длительность (30 суток) выращивания микроорганизмов в почве.
Наиболее близким техническим решением является способ определения степени загрязнения почв, сущность которого заключается в выращивании водорослей после посева почвы в водной питательной стерильной среде, или при выдерживании в увлажненном состоянии на свету до появления микроскопических разрастаний. Степень загрязнения определяется по изменению структуры и состава сообществ (группировок) почвенных водорослей.
Недостатками данного способа являются:
- трудоемкость, так как для появления микроскопических разрастаний водорослей в водных и почвенных культурах требуется 30 суток и более;
- недостаточная чувствительность и информативность, так как способ, основанный на изменении структуры и состава сообществ почвенных водорослей, является в значительной степени качественным (не поддающийся непосредственному измерению).
Цель изобретения - снижение трудоемкости, повышение чувствительности и информативности определения степени аэротехногенного загрязнения почвы.
Поставленная цель достигается тем, что в способе определения степени аэротехногенного загрязнения почв, включающем отбор проб и их микроскопирование, в качестве биологического индикатора используют природную популяцию диатомовой почвенной водоросли Hantzschia amphioxys f.amphioxys из свежевзятой пробы, в течение 2-3 часов определяют её морфологические изменения (длину створки), а степень загрязнения оценивают по разности этого показателя в контрольной и испытуемой пробе путем прямого микроскопирования обычным световым микроскопом.
При осуществлении способа проводят измерение размеров отдельных особей в выборках из природных популяций одноклеточной диатомовой водоросли Hantzschia amphioxys (Ehr.) Jrum. f. amphioxys и затем вычисляют биометрические характеристики среднеарифметического значения длины створок (Х, мкм), среднего квадратичного отклонения (SX, мкм) и вариансы (2, мкм).
Размеры определяют с помощью окулярмикрометра путем прямого микроскопирования свежевзятой почвы, так как Hantzchia amphioxys f. amphioxys легко обнаруживается среди почвенных частиц под обычным световым микроскопом при увеличении Х7 (окуляр) и Х60 (Х70) (объектив). В качестве контрольных выбирают участки в районах незначительного аэротехногенного воздействия. На анализ одного почвенного образца требуется 2-3 часа. Степень загрязнения оценивают по разности средних значений длины створок в контрольной и испытуемой почве.
Предлагаемый способ, основанный на количественной оценке состояния биоиндикатора с помощью биометрических характеристик, является более точным, информативным, позволяет значительно ускорить определение степени загрязнения почвы (2-3 часа) по сравнению с прототипом (более 30 суток).
На диаграмме фиг.1 (табл.1) показано уменьшение размеров Hantzchia amphioxys f. amphioxys (% к контролю) в зависимости от расстояния источников выбросов загрязняющих веществ (во всех направлениях, отличие от контроля до 5% не достоверно).
Эксперименты по определению аэротехногенного загрязнения почв проводились в естественных условиях на зональных светлых и темных сероземах, испытывающих влияние выбросов промышленных предприятий.

Пример 1. Исследования выбросов алюминиевого завода.
B качества биоиндиката использовали Hantzchia amphioxys f. amphioxys, из темных сероземов, формирующихся при достаточном увлажнении в зимне-весенний период, с содержанием гумуса от 2,5 до 4,0%, со слабо щелочной реакцией среды (рН = 7,7 - 7,9).
Отбор почвенных проб, загрязненных фтором промышленных выбросов, осуществляют в местах, расположенных по концентрическим окружностям или вдоль трансекты преобладающего направления ветра на участках с выраженной дерниной, расположенных на разных удалениях от источника воздействия, выборочным методом с соблюдением случайности отбора. На каждом участке отбирают 5 индивидуальных почвенных образцов. Глубина взятия почвенных образцов из верхнего дернового горизонта 0 - 1 см. Отбор проб проводят в период вегетации растений в условиях аридного климата Средней Азии - в ранне-весенний (март-апрель) и осенний (октябрь-ноябрь) влажные сезоны года. Препараты для микроскопирования готовят из свежевзятой почвы.
В препаратах, приготовленных из индивидуальных почвенных образцов, проводят измерение длины створок не менее чем у 20 особей в каждом образце. В пяти индивидуальных почвенных образцах (на каждом участке) измерения проводят не менее, чем у 100 особей.
Сведения о размерах особей Hantzchia amphioxys f. amphioxys, зафиксированные в дневнике (журнале), представляют первичный фактический материал для соответствующей обработки. Они группируются в вариационные ряды или ряды распределений.
Длина створок, мкм 24 26 28 30 32 34
Число случаев (особей частоты) 2 4 3 6 8 10
Частоты выражаются абсолютными или относительными числами - в процентах от общей численности вариантов, составляющих данную совокупность. По вариационному ряду вычисляют общую среднюю величину длины створки (Х), среднее квадратичное отклонение (SX) и показатель вариации (б2).
Пример расчета токсичности почвы.
Среднее значение длины створок в контроле (условно фоновая почва) - 44,8 мкм, что принимают за 100%, а размеры клеток в загрязненных почвах - за Х.
Контроль - 44,8 - 100
Опыт - 29,7 - Х
Х = 66,3
Токсичность почвы или процент ингибирования роста равен 100 - 66,3 = 33,7%.
Параллельно проводились химические анализы на содержание в почве воднорастворимого фтора (HF). Ингибирование роста не более, чем на 15%, отмеченное при содержании в почве водорастворимого фтора от 2,1 до 3,6 мг/кг, свидетельствует о начинающемся, еще слабом, загрязнении почв. Ингибирование роста на 20 - 30% происходит при содержании фтора от 5 до 10 мг/кг и является показателем средней степени загрязнения почв. При максимальном уровне фтора в почве от 75,05 до 119,22 (Х=92,94) на отдельных участках промплощадки практически полностью подавлено развитие Hantzchia amphioxys (Ehr.) Jrum. f. amphoxys - обнаруживались лишь единичные пустые панцири (мертвые клетки). Это свидетельствует о сильном загрязнении почвы фтором. Уменьшение длины створок, не выходящее за пределы стандартного отклонения от средних значений в контроле (до 5%), показывает, что данная почва не испытывает влияния загрязняющих веществ (в основном фтора).
Наличие корреляции ингибирования роста от содержания в почве водорастворимого фтора (фиг.2) доказывает принципиальную возможность использования предлагаемого способа для оценки загрязнения почв фтором, являющимся основным компонентом в выбросах алюминиевого завода.

Пример 2. Исследования в районе азотно - тукового завода, где основными загрязняющими веществами являются аммиак, окислы азота и углерода, а также пыль карбомида.
В качестве биоиндикатора использовали - штамм из светлых сероземов, развивающихся в жарких и засушливых условиях, отличающихся высокой карбонатностью, незначительным содержанием гумуса (не более 1%), слабо обеспеченных подвижными фосфатами.
Источник загрязнения - Вахшской азотно-туковый завод (ВАТЗ). Выбрасывает в атмосферу аммиак, окислы азота и углерода, а также пыль карбомида.
При загрязнении техногенным азотом в качестве индикационных использованы такие показатели, как средние значения длины клеток (Х) и варинса (2). (табл.2).
При содержании аммиака, достигающем 7,8 ПДК, в радиусе до 1 км от завода процент ингибирования достигает 20%. Появляются отклонения от нормальной кривой распределения и возникает ассиметричность распределения длины панциря Hantzchia amphioxys (Ehr.) Jrum. f. amphioxys (положительная ассиметрия). Она выражается в виде скошенной вариационной кривой, вершина которой находится левее центра распределения (Х).
По мере удаления от источника загрязнения и снижения концентрации аммиака до 1,3 ПДК на расстоянии 1,5-3,0 км отмечается стимуляция роста. При этом значительно увеливается значение вариансы (2). Изменяется и характер кривой распределения частот - появляется многовершинность (отрицательный эксцесс).

Пример 3. Исследования в районе Яванского электрохимического завода, где основным загрязняющим природную среду веществом является хлор.
Индикационным показателем загрязнения хлором является возрастание величины 2 (вариансы) по сравнению с контролем (табл.3).
Предлагаемый способ может быть использован для исследования и контроля загрязнения почв в различных почвенно-климатических условиях (биологического мониторинга) фтористыми соединениями (в основном высокотоксичным HF) в районах выбросов загрязняющих веществ металлургических производств, кирпичных, керамических, стекольных заводов, заводов по производству фосфатных удобрений, азотных соединений и хлора. Hantzschia amphioxys f. amphioxys чувствительна также к загрязнению среды выбросами ТЭЦ и цементных заводов. Возможно использование предлагаемого способа при оценке размеров ареалов воздействия выбросов различных загрязняющих веществ на природную среду и при разработке предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в почве.
Таблица 1

Биометрические показатели длины створок
Hantzsсhia amphioxys f. amphioxys

Направление от
источника загрязнения Расстояние
от источника загрязнения, км
X  SX, мкм
б2, мкм
Промплощадка 0,0 33,20,63 1,21
Юго-западное (ЮЗ) 0,2 29,60,93 3,48
_”_ 1,5 36,21,44 8,36
_”_ 5,0 36,60,44 7,48
_”_ 10,0 38,20,78 1,82
_”_ 20,0 38,00,56 1,93
_”_ 50,0 40,01,23 2,06
Северо-восточное (СВ) 0,3 34,50,87 3,05
_”_ 3,0 36,00,85 2,91
_”_ 20,0 39,20,27 1,80
_”_ 25,0 44,41,37 7,52
Контроль (СВ) 50,0 44,81,52 9,35

Таблица 2

Направление от
источника загрязнения Расстояние
от источника загрязнения, км
Х  SX, мкм
2, мкм
Контроль (северное) 20,0 42,20,67 45,600
У административного
корпуса 0,0 34,00,66 32,400
Сквер у завода 0,0 35,91,29 31,500
Юго-восточное (ЮВ) 0,8 35,80,43 19,600
Южное (Ю) 1,5 51,42,30 208,000
—”— 3,0 47,21,69 80,000
—”— 7,4 42,11,17 8,237

Таблица 3

Направление от
источника загрязнения Расстояние
от источника загрязнения, км
Х  SX, мкм
2, мкм
Северное (контроль) 20,0 42,160,41 20,7
Промплощадка (цех №1) 0,0 43,800,36 20,8
Заводская территория (у административного корпуса) 0,0 44,500,85 46,7
Восточное (В) 0,8 50,701,10 197,0
Юго-западное (ЮЗ) 2,3 49,90,80 71,6
—”— 4,5 41,4 0,88 73,3



Фиг. 1




Фиг. 2

Авторское свидетельство СССР № 1092412, кл. G 01N 33/24, 1984.
Штина Э.А. “Принципы и методы использования почвенных водорослей для биоинди-кации загрязнения почвы” // Тр.ВНИИ с.-х. микробиологии.- 1983. - Т.52.-С26-32.