способ определения токсичности почв

Формула изобретения

Способ определения токсичности почв, включающий биотестирование по количеству организмов при оптимальной влажности почвы, отличающийся тем, что токсичность почвы определяют по азотфиксирующей активности клубеньковых бактерий, формирующих клубеньки на корневой системе бобовых трав в 15-20-сантиметровом слое почвы, спустя 2-3 недели после весеннего отрастания и до фазы цветения, степень токсичности почвы определяют по внутренней окраске азотфиксирующих клубеньков (розовой или красной), при наличии окраски более чем у 50% клубеньков оценивают состояние почвы как удовлетворительное, наличие ее у 20-50% клубеньков - считают экологическим риском, а менее чем у 20% клубеньков - экологическим бедствием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области экологии, а именно к мониторингу характеристик различных сред экосистем методами биоиндикации, и может быть использовано для оценки влияния антропогенного фактора на биоту.

Известен способ, при котором осуществляют оценку токсичности почв и окружающей среды по животным-биоиндикаторам, их морфологическим признакам (патент № 2372617 от 10.11.2009, МПК G01N 33/24).

Известен также способ, где токсичность почвы и окружающей среды определяют по асимметрии рисунка на покрове клопа-солдатика (патент № 2329501 от 20.07.2008, МПК Q01N 33/24).

Известные способы достаточно сложные, поскольку надо выявлять насекомых, перемещающихся по поверхности почвы, изучать их морфологию, классифицировать особи по классу признаков, что усложняет техническое решение.

Наиболее близким техническим решением является способ, в котором определяют количество ногохвосток при оптимальной влажности почвы и по снижению их численности определяют токсичность почвы.

Однако при этом оценку токсичности определяют только в системе севооборота при определенной влажности почвы с интервалом 30-40 дней. Кроме того, количество ногохвосток определяют только в лабораторных условиях под бинокуляром, что усложняет способ. Осуществляемая оценка недостаточно точная, так как при транспортировке образцов почвы в лабораторию часть особей погибает.

Технический результат - упрощение способа и повышение точности оценки.

Техническое решение заключается в том, что токсичность почвы определяют по азотфиксирующей активности клубеньковых бактерий, формирующих клубеньки на корневой системе бобовых трав в 15-20-сантиметровом слое почвы, спустя 2-3 недели после весеннего отрастания и до фазы цветения, а степень токсичности почвы определяют по внутренней окраске азотфиксирующих клубеньков (розовой или красной) и ее наличие менее чем у 50% клубеньков считают экологическим риском, а менее чем у 20% клубеньков - экологическим бедствием.

Способ осуществляется следующим образом.

Отрастание травянистых растений бобовых (клевера, люцерны, эспарцета, донника, козлятника, астрагала и других), на корнях которых в 15-20-сантиметровом слое почвы расположены клубеньковые бактерии, фиксирующие атмосферный азот, начинается в системе севооборотов сельскохозяйственных угодий и в естественных фитоценозах, подверженных загрязнению тяжелыми металлами и радионуклидами, при достаточных для микроорганизмов показателях влажности (60-70%) и тепла (не менее 10-15°C).

Обоснование выбора периода определения токсичности почвы (спустя 2-3 недели после начала весеннего отрастания) объясняется началом формирования клубеньковых бактерий при оптимальной влажности и температуре.

Наличие клубеньков розового или красного цвета (в зависимости от вида бобовых растений) свидетельствует о высокой активности азотфиксации. Если участок токсичен, то клубеньки мелкие и имеют зеленый или бурый цвет. Такая окраска свидетельствует об отсутствии в клубеньках пигмента леггемоглобина, обусловливающего розовую или красную окраску.

Леггемоглобин связывает азот, регулируя азотный обмен растения. При недостатке леггемоглобина снижается количество белка и урожай семян, снижается плодородие почвы.

В отличие от известного способа, определять токсичность почвы можно непосредственно на участках по визуальной оценке бобовых растений-биоиндикаторов без лабораторных и химических анализов, что значительно упрощает способ.

При наличии в почве избыточного количества свинца, кадмия, стронция, радионуклидов, нефтепродуктов и других токсикантов нарушается кислотный режим раствора в корнеобитаемом слое, что приводит к снижению леггемоглобина в азотфиксирующих клубеньках и, следовательно, к исчезновению окраски (розовой или красной).

При учете активных клубеньков на исследуемом участке определяют три категории токсичности почвы:

1 - при наличии окраски более чем у 50% клубеньков - удовлетворительное состояние;

2 - окраска 20-50% клубеньков - экологический риск;

3 - окраска менее 20% клубеньков - экологическое бедствие.

Отсутствие окраски указывает на загрязнение не только почвы, но и воздуха, которым дышат клубеньковые бактерии, фиксируя молекулярный азот.

В отличие от известного технического решения, оценку азотфиксации и определение токсичности почвы можно проводить от отрастания ранней весной до фазы цветения. Позднее, в период формирования семян, клубеньковые бактерии снижают способность усвоения атмосферного азота и образования леггемоглобина - основного красителя внутри клубенька.

Пример 1. В различных местах загрязненного свинцом участка, площадью 0,5 га, отбирали пять растений клевера, выкапывая их корневую систему на глубину 15 см. На корнях подсчитывали общее количество клубеньков, выделяя клубеньки с розовой окраской. Растения отбирали при оптимальной влажности почвы (65-70%) в благоприятных для клубеньковых бактерий условиях, так как в период засухи они фиксируют атмосферный азот недостаточно активно и оценка токсичности может быть неточной.

На пяти растениях определяли общее количество клубеньков - 826 штук (в среднем 165,2 шт. на 1 растение). При надрезе клубеньков скальпелем, розовых оказалось 118 шт., то есть 14,3%. Из этого заключили, что исследуемый участок относится к 3-й категории («экологическое бедствие»).

Пример 2. Спустя две недели после отрастания бобовых трав в естественном фитоценозе, зараженном мышьяком, при влажности почвы 65%, в восьми точках выкапывали корневую систему растений на глубину 20 см и подсчитывали количество клубеньков на корнях - 612 шт., из которых выделено с окраской 85 шт., то есть 13,9%. Сделали заключение о принадлежности участка к 3-й категории («экологическое бедствие»).

Пример 3. На участке, загрязненном свинцом и ртутью, при влажности почвы 70%, спустя 3 недели после весеннего отрастания эспарцета, клевера и люцерны, у 15 растений (по 5 каждого вида) выкапывали корневую систему на глубину 20 см. Общее количество клубеньков разных видов бобовых составило 1835 шт. Из них выделено 156 шт. или 8,5% с розовой или красной окраской, что классифицировано как «экологическое бедствие».

Пример 4. На участке, загрязненном фтором, отобраны 20 растений семейства бобовые (клевер, астрагал, донник, люцерна, эспарцет), по 5 растений каждого вида. Выкапывали их корневую систему на глубину 15-18 см и подсчитывали количество клубеньков, образовавшихся на корнях растений. Общее количество клубеньков составило 2136 шт., из них выделено окрашенных 862 шт. или 40,4% (категория «экологический риск»).

Пример 5. На участке, загрязненном цинком и кобальтом, извлекали растения, как и в предыдущих примерах. Общее количество клубеньков на 10 растениях составило 1385 шт., из них окрашены 726 шт. или 52,4%. Этот показатель классифицировали как «удовлетворительное состояние». Результаты опытов сведены в таблицу.

Примеры	Токсиканты почвы	Предельно допустимые концентрации, (мг/кг)	Содержание токсикантов на участках, (мг/кг)	Общее количество клубеньков в выборке, (шт.)	Количество клубеньков, окрашенных пигментом, (шт.)	% окрашенных клубеньков	Категория опасности
1.	Свинец	32,0	48,0	826	118	14,3	3
2.	Мышьяк	20+1,0	25+8	612	85	13,9	3
3.	Свинец + ртуть
		2,0	2,5	1835	156	8,5	3
4.	Фтор	10,0	18,0	2136	862	40,4	2
5.	Цинк + кобальт
		23,0+5,0	37+8	1385	726	52,4	1

Предлагаемый способ позволяет повысить точность оценки загрязненной территории и упростить определение ее токсичности по методу биотестирования клубеньковых бактерий непосредственно в полевых условиях без дополнительных химических анализов.