способ экологической оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

Формула изобретения

1. Способ экологической оценки загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами путем биоиндикации контролируемой территории, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют внутренние органы и мышцы диких копытных животных, определяют содержание в них тяжелых металлов, сравнивают полученные результаты с максимально допустимыми уровнями тяжелых металлов в пищевых продуктах, по превышению значений которых судят о наличии загрязненности территории, причем наличие долговременного загрязнения региона тяжелыми металлами определяют по превышению их концентрации в почках диких копытных животных, а наличие залпового выброса ртути и свинца определяют по превышению их концентрации в мышцах и печени диких копытных животных.

2. Способ экологической оценки загрязнения объектов окружающей среды тяжелыми металлами по п.1, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют внутренние органы и мышцы преимущественно лося, косули, кабана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованиям в области охраны окружающей среды, а именно к способам экологического мониторинга объектов окружающей среды, с помощью биотестирования. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков, исследуемых регионов и дифференцированной оценки загрязнения региона тяжелыми металлами.

Современный уровень техники характеризуется следующими аналогами предлагаемого способа.

Известны способы экологического мониторинга регионов, путем создания системы слежения за экологическим состоянием населенных пунктов и целых регионов, осуществляющих мониторинг всех сред в широком диапазоне их параметров, независимо от источников загрязнения. В систему сбора информации входят: группы датчиков экологического контроля состояния среды, контрольные и диспетчерские пункты промышленных стоков предприятий, центральный диспетчерский пункт, станция космической связи с сетью спутников космической экологической разведки, а также автомобильные комплексы оперативного действия с соответствующими группами датчиков, связанные с диспетчерским пунктом.

Патент РФ №2145120, G 08 C 19/00, 27.01.2000.

Указанные экологические системы сбора информации позволяют оценить экологическое состояние целого региона, однако являются трудоемкими, многостадийными, продолжительными по времени и чрезвычайно дорогостоящими.

Известен способ установления техногенной загрязненности почв тяжелыми металлами, включающий отбор проб почв на исследуемой территории и их химический анализ с последующим сопоставлением полученных данных с фоновыми ( на фоновой территории) и нормативными величинами содержания загрязняющих веществ.

Патент РФ №2029321, G 01 V 9/00, 20.02.1995.

Недостатком способа является сложная предварительная подготовка проб для анализа. Более того, химический состав почв в зонах техногенного загрязнения отличается пространственно-временной неоднородностью, что обуславливает необходимость организации длительных геохимических наблюдений за распределением загрязняющих веществ.

Аналогично вышеизложенному проводят экомониторинг тяжелых металлов в водоемах путем химического анализа воды и донных отложений. ( Справочник по гидрохимии, под редакцией А.М.Никанорова. - Л., Гидрометеоиздат, 1989, с.49-55).

Недостатком способа, основанном на анализе воды, является возможность определения лишь тяжелых металлов, находящихся в растворенной, ионной форме. Известно, что масса тяжелых металлов аккумулируется в донных отложениях водоемов, из которых при изменении рН свободно мигрирует. Более того, опробирование донных отложений возможно не на всех участках русла или водоемов и представляет собой достаточно трудоемкий процесс. Все это существенно усложняет организацию наблюдений, и снижает достоверность итоговых результатов, вследствие неоднозначности интерпретации получаемых данных,

В настоящее время наряду с химическими методами определения различных токсикантов в природных объектах разработан ряд способов биологической оценки токсичности различных сред.

По литературным данным, наиболее распространены способы биотестирования вод, где в качестве тест-организмов используют дафний.

International Standart Organization (ISO)/ 6341:1989 (E) "Water quality-Determination of the mobility of Dapnia magma Staus International Standart Organization Publications, London. Great Britain".

Недостатком способа является тот факт, что дафнии не обладают достаточной резистентностью к действию токсикантов и, токсичность вод оценивается косвенно.

Известен экспресс-способ оценки качества вод, загрязненных промышленными, сельско-хозяйственными и бытовыми токсикантами и их смесями, применяемый при экологической экспертизе, картировании и мониторинге природных и грунтовых вод. Способ основан на оценке возникающих в тестируемой воде изменений поведенческих реакций моллюсков. В качестве тест-организмов используют специально выведенных путем близко-родственного скрещивания в стандартных "экологически чистых" лабораторных условиях моллюсков "Ampulla gigas".

Патент РФ №2082167, G 01 N 33/18, 20.06.1997.

Способ является очень трудоемким, требует большого количества тест-организмов, многократных повторных измерений и последующей трудоемкой статистической обработки.

Одним из методов биотестирования является способ биологического мониторинга экологических систем и объектов, основанный на регистрации продолжительности жизни тест организмов в исследуемой среде и определения индекса биоактивности проверяемого объекта (экспресс-биотест). В качестве тест-организмов используют инфузории-парамециум каудатум, а само биотестирование проводят в 3 этапа.

Патент РФ №2125261, G 01 N 33/18, 27.03.1999.

Недостатком указанного способа является необходимость постановки специальных микробиологических исследований и низкая репрезентативность получаемых результатов, связанная с применением низкоорганизованных живых организмов, невозможность проведения оценки экологической ситуации в относительно крупном регионе.

Известен способ определения токсичности окружающей среды, взятый за прототип, основанный на исследовании тест-объекта в контрольной и опытной пробах с использованием в качестве тест-объекта эмбрионов и личинок морских ежей в морской воде. Эмбрионы и личинки морских ежей для своей среды обитания служат естественным индикатором уровня техногенного загрязнения и являются высокочувствительными к токсическому действию металлов и других токсикантов. К тест-объектам в морской воде добавляют исследуемые пробы окружающей среды в виде проб почвы или воздуха, или речной и питьевой воды или пресноводных донных отложений или отдельных химически компонентов, или их сочетаний. Оценку токсичности проводят по летальности и количеству аномалий развития эмбрионов и личинок по сравнению с контрольной пробой с выражением токсичности в относительных токсических единицах.

Патент РФ 2057337, G 01 N 33/18, 27.03.1996.

Способ используется как наиболее надежный биотест для определения суммарной токсичности водной среды, как среды обитания тест-объектов, однако оценку токсичности воздуха, почвы и донных отложений можно проводить только опосредованно, и тем более сложно получить информацию об экологической ситуации в относительно крупном регионе. Более того, использование специальных оценочных единиц и необходимость доставки тест-объектов в места биоиндикации или исследуемых проб к местам обитания морских ежей, делает способ неудобным для массового использования и трудозатратным.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение репрезентативности результатов мониторинга, обеспечение возможности многоплановой оценки значительного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат.

Задачей изобретения является также расширение видов биологических методов адекватной оценки суммарной токсичности различных объектов окружающей среды на тяжелые металлы.

Поставленные задачи решаются путем биоиндикации контролируемой территории, при этом в качестве биоиндикаторов используют внутренние органы и мышцы диких копытных животных, определяют содержание в них тяжелых металлов, сравнивают полученные результаты с максимально допустимыми уровнями тяжелых металлов в пищевых продуктах, по превышению значений которых судят о наличии загрязненности территории, при этом наличие долговременного загрязнения региона тяжелыми металлами определяют по превышению их концентрации в почках диких копытных животных, а наличие залпового выброса ртути и свинца определяют по превышению их концентрации в мышцах и печени диких копытных животных.

В качестве биоиндикаторов используют внутренние органы и мышцы, преимущественно, лося, косули, кабана.

Обычно, в качестве индикаторных органов диких копытных животных используют мышцы, почки, печень.

Целесообразно наличие долговременного загрязнения региона определять по превышению концентрации тяжелых металлов в почках диких копытных животных.

Целесообразно наличие залпового выброса ртути и свинца определять по превышению их концентрации в мышцах и печени диких копытных животных.

В отличие от лабораторных организмов низших уровней биологической организации в предлагаемом способе используются свободноживущие высшие млекопитающие (лось, косуля, кабан). Потребляя растительные корма как природного (дикорастущие растения), так и антропогенного (сельхозкультуры) происхождения, указанные виды пьют воду и дышат воздухом непосредственно той территории, которая подвергается экологическому мониторингу. Для проведения мониторинга не требуется особых трудозатрат на содержание штата микробиологов и микробиологической лаборатории. Пробоотбор образцов печени, почек и мышечной ткани (флексоры позвоночного столба) легко проводится в ходе ежегодных облавных охот на диких копытных животных. В результате проведения экомониторинга предлагаемым способом достигается возможность дифференциации вида загрязнения: долговременное (в течение нескольких лет) поступление тяжелых металлов в окружающую среды или же мощный кратковременный (в течение последних недель) выброс загрязнителей.

В таблице 1 представлены виды диких копытных и индикаторные органы долговременного загрязнения среда тяжелыми металлам.

Таблица №1
Виды	Органы-индикаторы
	мышцы	почки	печень
Лось	-	Pb, Cd	-
Косуля	-	Cd	-
Кабан	-	Hg	Pb

В таблице 2 представлены виды диких копытных и индикаторные органы краткосрочного загрязнения среды тяжелыми металлами.

Таблица №2.
Виды	Органы-индикаторы
	мышцы	почки	печень
Лось	РЬ	Hg, Cd	Hg, Pb
Косуля	РЬ	Hg, Cd	Hg, Pb
Кабан	Hg	Hg, Cd	Hg, Pb

Пробелы в таблице 1 означают, что исследуемый орган указанного виды не используется для мониторинга долгосрочного загрязнения среды тяжелыми металлами. В связи с тем, что максимально-допустимые уровни (МДУ) тяжелых металлов (ТМ) в пищевых продуктах постоянно пересматриваются, при экомониторинге среды предлагаемым способом рекомендуется пользоваться последними, по времени утверждения нормативными актами Санэпиднадзора.

МДУ тяжелых металлов в пищевых продуктах (в мг/кг сырой массы ткани) представлены в таблице №3 [Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов, СанПиН 2.3.3.1087-01].

Таблица №3
Элементы	Органы-индикаторы
	мышцы	почки	печень
Pb	0,5	0,6	0,6
Hg	0,03	0,1	0,1
Cd	0,05	0,3	0,3

Для проведения мониторинга административного района площадью порядка 100 тысяч га достаточно в период зимней охоты на копытных отобрать образцы органов лося, косули и кабана (мышцы, почки, печень), обитающих на территории подвергаемого мониторингу региона (5 особей каждого вида: 5 лосей, 5 косуль и 5 кабанов). В течение 1 суток с момента добычи животных от их органов отбирают пробы по 10 г., помещают их в полиэтиленовый контейнер и фиксируют 10 мл 48%-ным этиловым спиртом. Отобранные образцы доставляют в лабораторию, где производят дальнейшую пробоподготовку для последующего анализа по ГОСТ 26929-94 "Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов".

Определение концентрации ртути в отобранных пробах проводят методом атомно-абсорбционной спектроскопии "холодного пара" согласно ГОСТ 26927-86 "Сырье и продукты пищевые, метод определения ртути", М., 1987, 17 с.

Определение концентрации свинца в отобранных пробах проводят по ГОСТ 26932-86 "Сырье и продукты пищевые. Метод определения свинца", М., 1987, 12 с.

Определение концентрации кадмия в отобранных пробах проводят методом атомно-абсорбционной спектроскопии согласно по ГОСТ 26933-86 "Сырье и продукты пищевые. Метод определения кадмия", М., 1987., 11 с.

Полученные результаты усредняют и сравнивают с данными таблиц 1-3.

Под усредненной концентрацией элемента в индикаторном органе того или иного вида понимается среднее арифметическое содержание элемента в образцах 5 особей данного вида.

Для выявления долговременного загрязнения среды свинцом и кадмием пригодна усредненная конценрация этих металлов в почках лося; для индикации долговременного загрязнения среды кадмием, кроме этого пригодна усредненная концентрация этого металла в почках косули; для определения ртутного долгосрочного загрязнения используется также усредненная концентрация этого металла в почках кабана, а усредненная концентрация свинца в печени этого вида находит применение для биоиндикации долговременного загрязнения среды этим химическим элементом.

Для индикации краткосрочного загрязнения среды свинцом применение находит усредненная концентрация этого элемента в мышцах лося и косули, а также его концентрация в печени всех видов; при определении наличия краткосрочного загрязнения среды кадмием используют усредненную концентрацию элемента в почках всех трех видов копытных; для биомониторинга краткосрочного загрязнения среды ртутью применимы усредненные концентрации металла в почках и печени всех трех видов диких копытных, а также усредненная концентрация в мышцах кабана.

Пример.

В ходе плановых облавных охот отобраны образцы мышц, почек и печени лося, косули и кабана. Для каждого виды отобрали по 5 особей. Все образцы были проанализированы, а полученные данные для каждого органа и вида животных были усреднены (среднее арифметическое для каждой из 5 особей).

Каждую полученную таким образом усредненную концентрацию сравнили с данными таблицы №3 на предмет превышения реального содержания над приведенным в таблице утвержденным МДУ по каждому элементы для каждого органа.

Большинство усредненных концентраций тяжелых металлов в органах диких копытных оказалось ниже МДУ (таблица №3). Однако концентрация свинца и кадмия в почках лося оказались выше МДУ и составили 0,8 мг/кг сырой массы ткани и 0,5 мг/кг, соответственно. Усредненные концентрации свинца в мышечной ткани лося и косули также оказались выше МДУ, установленным Госсанэпиднадзором для мышечной ткани, составив 0,9 мг/кг и 0,8 мг/кг сырой массы ткани, соответственно.

Из данных таблицы №1 имеем индикаторное значение почек лося по кадмию и свинцу.

Из таблицы №2 имеем индикаторное значение мышц лося и косули по свинцу.

Таким образом, усредненных концентрациях свинца и кадмия в почках лося, соответственно: 0,8 и 0,5 мг/кг, имеет место долгосрочное поступление указанных химических элементов в окружающую среду обследуемого региона; при концентрации свинца в мышечной ткани лося и косули, соответственно: 0,9 и 0,8 мг/кг - налицо мощный залповый выброс токсиканта.

Для выявления долговременного загрязнения среды тяжелыми металлами используют полученные концентрации металлов в почках всех копытных, для выявления краткосрочного загрязнения - в почках и печени. Так, при усредненных концентрациях свинца и кадмия в почках лося, соответственно: 0,8 и 0,5 мг/кг, имеет место долгосрочное поступление указанных химических элементов в окружающую среду обследуемого региона; при концентрации свинца в мышечной ткани лося и косули, соответственно: 0,9 и 0,8 мг/кг - налицо мощный краткосрочный выброс токсиканта и т.п.

Таким образом, предлагаемый способ проведения экологического мониторинга загрязнения окружающей среды свинцом, кадмием и ртутью позволяет получить репрезентативные данные об общем состоянии окружающей среды относительно крупного (порядка 100 тысяч га) региона в целом. Учитывая динамику миграций копытных по территории, информация носит интегральный характер, то есть вероятность ошибочной оценки существенно снижается.