Оценка загрязнения почв

Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений, а так же  почве отведена важнейшая роль в жизни общества, так как она представляет собой источник продовольствия, обеспечивающий 95-97 % продовольственных ресурсов для населения планеты.

Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности, так как эффективная защита окружающей среды от опасных химических реагентов невозможна без достоверной информации о степени загрязнения почв.

Оценку способностей почвы выполнять функции, обеспечивающие стабильность отдельных биоценозов и биосферы в целом получают при помощи специальных методов исследования загрязненных почв. Рассмотрим некоторые из них.

Методы оценки загрязнения почв

1. Оценка опасности загрязнения почв

Прежде чем рассмотреть методы оценки загрязнения почв необходимо познакомиться с некоторыми показателями и положениями, определяющими степень опасности загрязняющих веществ, а также дающих оценку опасности загрязнения почв.

Принцип нормирования химических веществ в почве значительно отличается от принципов, положенных в основу нормирования их в водоемах, атмосферном воздухе, пищевых продуктах. Попавшие в почву химические вещества поступают в организм человека главным образом через контактирующие с почвой среды: воду, воздух и растения (в последнем случае по биологической цепи почва – человек). Поэтому при нормировании химических веществ в почве  учитывается не только та опасность, которую представляет почва при непосредственном контакте с ней, но и последствия вторичного загрязнения контактирующих с почвой сред.

Установление ПДК загрязняющих веществ  в почве находится в первоначальной стадии, поэтому к настоящему времени установлены ПДК лишь для 30 вредных веществ, преимущественно ядохимикатов.

В связи с тем, что вредные вещества поступают в организм человека по пищевым целям, установлены допустимые остаточные количества (ДОК) пестицидов в почве, пищевых и кормовых продуктах (таблица 1).

Таблица 1 «ПДК и ДОК некоторых веществ в почве»

Вещество	ПДК, мг/кг	ДОК, мг/кг
Хлорофос	0,5	1,0
Карбофос	2,0	1,0
Прометрин	0,5	0,1
Полихлоркамфер	0,5	0,1
Гексахлорциклогексан	1,0	1,0

Результаты гигиенических исследований загрязненных почв позволяют оценивать степень опасности загрязнения вредными веществами по уровню их возможного воздействия  на системы «почва – растение», «почвы – микроорганизмы, биологическая активность», «почвы – грунтовые воды», «почва – атмосферный воздух» и опосредованно – на здоровье человека. С гигиенической позиций  опасность загрязнения почвы определяется уровнем возможного ее отрицательного влияния на контактирующие среды, пищевые продукты и непосредственно на человека, а также на биологическую активность почвы и  процессы ее самоочищения.

И именно ПДК химических веществ в почве является основным критерием гигиенической оценки опасности загрязнения почв вредными веществами.

Для оценки загрязнения опасности почвы выбор химических веществ – показателей загрязнения – проводится с учетом:

специфики источников загрязнения, определяющих комплекс химических элементов, участвующих в загрязнении почв  изучаемого региона (таблица 1);

приоритетности загрязнителей в соответствии со списком ПДК химических веществ в почве и их классов опасности;

характер землепользования.

Если нет возможности учесть весь комплекс химических веществ, загрязняющих почву, оценку проводят по наиболее токсичным веществам, то есть относящиеся к наиболее высокому классу опасности.

При отсутствии в документации класса опасности химических веществ, приоритетных для почв исследуемого района, их класс опасности J может быть определен по следующей формуле:

где А – атомный вес соответствующего элемента; S – растворимость в воде химического соединения, мг / л; М – молекулярная масса химического соединения, в которое входит данный элемент; a — среднее арифметическое из шести ПДК химических веществ в разных пищевых продуктах (мясо, рыба, фрукты, хлеб, овощи).

При оценке опасности  загрязнения почв  химическими веществами следует учитывать следующее:

опасность загрязнения тем больше, чем выше фактические уровни содержания контролируемых веществ в почве по сравнению с ПДК;

опасность загрязнения тем больше, чем выше класс опасности контролируемых веществ;

буферность почвы, влияющую на подвижность химических элементов, что определяет их воздействие на контактирующие среды.

Оценка опасности загрязнения почвы населенных пунктов в свою очередь определяется:

эпидемиологической значимостью загрязненной химическими веществами почвы;

роль загрязненной почвы как источника вторичного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха и при ее непосредственном контакте с человеком;

Значимостью степени загрязнения почвы в качестве индикатора загрязнения атмосферного воздуха.

Оценка уровня загрязнения почв как индикаторов неблагоприятного воздействия на здоровье населения  проводится по показателям, разработанных при сопряженных геохимических  и геогигиенических исследованиях окружающей среды городов. Такими показателями являются коэффициент концентрации химического вещества Кс и суммарный показатель загрязнения Zс, равный сумме коэффициентов концентраций химических элементов:

где n – число суммируемых элементов.

Оценка опасности загрязнения почв комплексом металлов по показателю Zс, отражающую дифференциацию загрязнения  воздушного бассейна городов, как металлами, так и другими наиболее распространенными ингредиентами (пыль, оксид углерода, оксиды азота), проводится по оценочной шкале, приведенных в таблице 2. Градации оценочной шкалы разработаны на основе изучения показателей состояния здоровья населения, проживающего на территории с различным уровнем загрязнения почв.

Таблица 2. Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения  почв по суммарному показателю загрязнения Zс

Категория загрязнения почв	Значение Zс	Изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения
Допустимая	Менее 16	Наиболее низкий уровень заболевания детей и минимальная частота встречаемости  функциональных отклонений
Умеренно опасная	16 … 32	Увеличение уровня общей заболеваемости
Опасная	32 … 128	Увеличения уровня общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы
Чрезвычайно опасная	Более 128	Увеличения уровня общей заболеваемости детского населения, женщин с нарушением репродуктивной функции (увеличение числа преждевременных родов и др.).

 

2. Биотестирование как наиболее целесообразный метод определения интегральной токсичности почвы

 

Предельно допустимая концентрация ядовитых веществ (ПДК) в воде, почве, продуктах питания в  настоящее время является основой мониторинга вредных веществ в окружающей среде. Однако следует отметить, что превышение ПДК химических веществ  в исследуемых субструктурах служит лишь косвенным показателем их токсичности. Не всегда удается установить прямую зависимость между содержанием загрязнителя в среде и ее пригодностью для обитания живых организмов. Почва может быть сильнозагрязненной, но нетоксичной или слаботаксичной и, наоборот, слабозагрязненной, но сильнотоксичной. Токсичное действие одних компонентов может быть нейтрализовано или усилено присутствием других, поэтому токсичность почвы не определяется токсичностью отдельных соединений, содержащихся в ней. Необходимо оценивать интегральную токсичность почвы, отражающую влияние всего комплекса.

Наиболее целесообразным методом определения интегральной токсичности почвы является биотестирование. Показателем степени токсичности при биотестировании служит изменение выбранной тест-функции биоиндикаторного организма при его взаимодействии с пробой среды. Успешное применение биотестирования для диагностики состояния экосистемы во многом зависит от правильного подбора тест-объекта.

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы животные, растения, микроорганизмы. Уровень организации тестируемой биологической системы может варьировать от доклеточного (макромолекулы) до надорганизменного (сообщества). Большенство исследователей полагает, что применение единственного биологического параметра для целей биотестирования ненадежно из-за разнообразных механизмов отклика тест-организма на различные антропогенные загрязнения. Наиболее полный анализ интегральной токсичности  достигается при применении набора биотестов с использованием различных тест-организмов при контроле их биологических параметров.

Наиболее очевидными критериями выбора тест-организмов являются простота работы и точность получаемых в результате тестирования данных. Под простотой понимается легкость выделения тест-организма из природных источников, его хранения, размножения, постановки пробы на токсичность, обработки и интерпритации полученных результатов. Точность в данном случае – это наличие однозначных, ярко выраженных изменений тестируемой функции индикаторного организма в результате воздействия интересующего загрязнителя.

Во некоторых случаях для оценки токсичности почвы необходимо  в качестве тест-объектов брать микроорганизмы. Достоинства микробиологических тестов обусловлены следующими причинами. Благодаря небольшим размерам микробные клетки имеют относительно большую поверхность контакта с окружающей сркдой, что определяет их высокую чувствительность к происходящим в ней изменениям. Высокие скорости роста и размножения микроорганизмов дают возможность за сравнительно короткий срок проследить за воздействием любого неблагоприятного фактора на протяжении десятков и даже сотен поколений. К тому же они компактны и в большинстве случаев не требуют значительных материальных затрат для поддержания жизнедеятельности. Применение микроорганизмов для оценки интегральной токсичности почвы и создание на их основе комплексной системы чувствительных, достоверных и экономичных биотестов является перспективной областью исследований.

К недостаткам микробиологических тестов следует отнести достаточно высокую способность микроорганизмов к образованию устойчивых мутантных штаммов, что может в некоторых случаях приводить к получению недостоверных результатов.

Один из простых в исполнении и информативных способов оценки микроботоксичности загрязненных почв – это учет численности микроорганизмов, которая, как правило, достаточно легко отражает микробиологическую активность почвы, скорость разложения органических веществ и круговорота минеральных элементов. Так, к примеру, в случае загрязнения почвы нефтью на основе данного показателя можно не только судить о степени загрязненности, но и о потенциальной возможности почвы к восстанолению. Но определение общей численности бактерий в этом случае в качестве показателя токсичности может быть рекомендовано для сильнозагрязненных почв, так как в зависимости от своей концентрации, нефть способна как стимулировать, так и угнетать развитие микроорганизмов.

В природных экосистемах микроартроподы, являющиеся почвенными безпозвоночными, широко используются для мониторинга на уровне комплекса видов. На территории с интенсивной антропогенной нагрузкой они часто остаются единственной группой, по которой можно судить о степени воздействия на почву. Почвенные ногохвостки (коллемболы) очень чувствительны к воздействию органических веществ, поэтому их можно с успехом применять при определении интегральной токсичности загрязненных почв, в частности тест-показателем может служить процент выживщих особей коллембол, продолжительность их жизни, поведенческие реакции.

Описанные выше тесты  доступны и просты в исполнении, не требуют сложного лабораторного оборудования и могут быть рекомендованы исследователям разных уровней подготовки. Их преимущество является также то обстоятельство, что работы ведуться с объектами, типичными для почвенной среды обитания в естественных условиях. Набор тест-объектов из семян растений, микроорганизмов, почвенных беспозвоночных и ферментов можно использовать как в полном объеме, так и частично в зависимости от целевого назначения исследований. Если пробы с почвенными ногохвостками и активность ферментов  дают хорошую колличественную характеристику токсичности почвы при низкой и средней степени ее загрязнения, то микробиологические тесты удобны для описания состояния сильнозагрязненных высокотоксичных почв.

3. Биодиагностика техногенного загрязнения почв

Высокая чувствительность почвы к любым негативным и позитивным воздействиям позволяет использовать биологические показатели в качестве параметров биомониторинга.

Биологическая активность — производная совокупности абиотических, биотических и антропогенных факторов почвообразования. В почве зоо- и микробоценозы объединяются в единую систему с продуктами их жизнедеятельности— внеклеточными и внутриклеточными ферментами, а также с абиотическими компонентами почвы.

Основные положения предлагаемой методологии следующие:

одновременное изучение показателей биологической активности почвы;

выявление наиболее информативных эколого-биологических показателей и возможного интегрального показателя экологического состояния почвы;

учет пространственной и временной вариабельности биологических свойств почвы;

использование сравнительно-географического и профильно-генетического подходов для оценки состояния почвы.

Исследование состояния деградированных почв будет наиболее полным в том случае, если будут определены:

прямые показатели загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами (валовое содержание тяжелых металлов, содержание их подвижных форм, содержание нефтепродуктов, мощность загрязненного слоя);

показатели устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами и нефтепродуктами (емкость катионного обмена, степень насыщенности основаниями, содержание гумуса, реакция среды);

Биологические показатели изменения свойств почвы под воздействием металлов-загрязнителей и нефтепродуктов (активность почвенных ферментов, например инвертазы, каталазы, интенсивность выделения углекислого газа, целлюлозоразлагающая способность, общая численность почвенных микроорганизмов, структура микробоценоза и др.).

Для практических целей определение всего комплекса показателей весьма трудоемко и требует дорогостоящего оборудования. Более целесообразно определять показатели, объективно отражающие уровень и последствия загрязнения.

Общие закономерности изменения свойств почвы по мере возрастания содержания загрязняющих веществ могут быть  сформулированы только на основе экспериментальных материалов. В результате многолетних исследований установлены наиболее информативные показатели биологической активности почвы для биодиагностики и биомониторинга. К ним относятся, прежде всего, биохимические показатели, поскольку они лучше коррелируют с уровнем загрязнения и имеют меньшее варьирование в пространстве и во времени по сравнению с микробиологическими. Из изученных рекомендуется использовать ферментативную активность—активность каталазы, которая является одним из показателей стабилизации почвенных условий. Ее изменение связано с загрязненностью и буферной способностью почвы (рис. 1).

При слабом загрязнении происходит стимуляция окислительно-восстановительных процессов.

В проведенных исследованиях активность каталазы была максимальной при коэффициенте Zc концентрация загрязняющих веществ, равном 2 – 8, при Zc = 32 и более она практически не проявлялась.

При коэффициенте Zc равном 2 – 8, уровень загрязнения является допустимым, при 8 – 32 – средним, при 32 – 64 – высоким, при Zc > 64 – очень высоким.

Из всех изученных ферментов каталаза наиболее чувствительна, поэтому ее активность может быть использована в качестве критерия оценки восстановления функций почв.

Было установлено, что наиболее информативным показателем экологического состояния техногенно загрязненных почв является интегральный показатель биологического состояния (ИПБС). При расчете ИПБС максимальное значение каждого  показателя в выборке принимается за 100 % и по отношению  к нему в процентах выражается значение этого же показателя в других пробах, то есть относительный показатель

Б1 = Б / Бmax ´ 100%,

где Б – значение показателя в пробе; Бmax – максимальное значение показателя.

Затем определяется среднее значение показателя

Бср = (Б1 + Б2 + Б3 + … + Бn) / n,

где n – число показателей.

Интегральный показатель биологической активности рассчитывается по формуле

ИПБС = (Бср / Бср max) ´ 100%,

При диагностике за 100% принимается значение каждого показателя в незагрязненной почве.

Интегральный показатель биологического состояния почвы для всех уровней загрязнения находится в прямой зависимости от содержания в ней тяжелых металлов (рис. 2).

 

Влияние степени загрязнения на биологические процессы в почве целесообразно определять по отклонению активности внеклеточных биологических процессов от контроля согласно экотоксикологическим нормативам: <10% — мало опасный, 25 – 50 – опасный и  > 50% — очень опасный уровень влияния.

Различные типы почв при одинаковом характере и степени загрязнения проявляют различную устойчивость. Для серой лесной почвы средний  уровень загрязнения уже очень опасен, в этом случае восстановление биоценотических функций затруднено или практически невозможно. В черноземе выщелоченном снижение ИПБС на 50% происходит только при высоком уровне загрязнения.

Результаты биомониторинга техногенно загрязненных почв могут широко применяться при оценке воздействия на окружающую среду, экологическом нормировании загрязнения почв, прогнозировании экологических последствий  какой-либо хозяйственной деятельности на данной территории, проведение экологической экспертизы, аудита и сертификации предприятий.

Заключение

Почвы загрязняются различными вредными химическими веществами, пестицидами, отходами сельского хозяйства, промышленного производства и коммунально-бытовых предприятий. Поступающие в почву химические соединения накапливаются и приводят к постепенному изменению химических и физических свойств почвы, снижают численность живых организмов, ухудшают ее плодородие. В связи с тем, что почва является неотъемлемым звеном биосферы и играет важнейшую роль в жизни общества всей планеты чрезвычайно важно изучение ее современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.

Таким образом, в настоящее время необходимо иметь такие методы оценки загрязнения почв, которые могли бы дать объективное представление о состояние почвы, то есть о том, насколько она способна выполнять отведенные ей функции. Рассмотренные методы, такие как биотестирование и биодиагностика загрязненных почв выполняют требования современности по исследованию загрязненных почв.

Биотестирование является наиболее целесообразным методом определения интегральной токсичности почв. Он доступен и прост в применении, не требует сложного лабораторного оборудования и может быть рекомендован исследователям разных уровней подготовки. В свою очередь и биодиагностика техногенного загрязнения почв является достаточно простым методом, который способен дать реальную оценку состояния почв. Это стало возможным после долгих лет исследований, когда были обнаружены наиболее информативные показатели, объективно отражающие уровень и последствия загрязнения и не требующие для своего определения дорогостоящего оборудования. В настоящее же время, когда обострено противоречие между экономикой и экологией, важно, чтобы методы оценки загрязнения почв могли не только давать объективное представление о состоянии почв, но, и были доступны в материальном плане.

Список использованной литературы

1. Буторина М. В., Дроздова Л. Ф., Иванов Н. И. Инженерная экология и экологический менеджмент: Учебник. - М.: Логос, 2004. - 520с.: ил.

2. Демина Т. А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды. - М.: изд-во Аспект-пресс, 1995.

3. Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы. - М.: Наука, 2001.

4. Исмаилов Н. М. Нефтяное загрязнение и биологическая активность почв. - М.: Наука, 1991.

5. Коробкин В. И., Передельский Л.В. Экология. - Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2003. - 576с.

6. Бурлака В. А., Казарин В. Ф. Восстановление плодородия почв, загрязненных высокоминерализованными пластовыми водами // Экология и промышленность России. 2005. Февраль. - С. 21 - 25.

7. Девятова Т. А. Биодиагностика техногенного загрязнения почв // Экология и промышленность России. 2006. Январь. - С. 36 - 37.

8. Киреева Н. А., Новоселова Е. И, Ямалетдинова Г. Ф. Диагностические критерии самоочищения почвы от нефти // Экология и промышленность России. 2001. Декабрь.

9. Киреева Н. А., Тарасенко Е. М. Биотестирование как метод оценки загрязнения почв нефтью // Экология и промышленность России. 2004. Февраль. - С. 26 - 29.

10. Смирнова Н. В., Шведова А. В. Влияние свинца и кадмия на фитотоксичность почвы // Экология и промышленность России. 2005. Апрель. - С. 32 - 35.