Способ определения экологического статуса территорий на содержание стронция

Способ определения экологического статуса территорий на содержание стронция

Реферат

Изобретение относится к исследованиям в области охраны окружающей среды, а именно к способам биологического тестирования объектов окружающей среды. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков исследуемых регионов и дифференцированной оценки загрязнения регионов стронцием.

Природный стронций состоит из четырех стабильных изотопов: ⁸⁸Sr(82,56%), ⁸⁶Sr(9,86%), ⁸⁷Sr(7,02%) и ⁸⁴Sr(0,56%).

Содержание стронция в земной коре 3,4·10^-20% по массе, в океанических водах 11097000 т (8,1 мг/л). В свободном виде не встречается. Стронций образует около 40 минералов, из которых промышленное значение имеют целестин (целестит) SrSO₄ и стронцианит SrСО₃. Стронций присутствует в качестве изоморфной примеси в различных магниевых, кальциевых и бариевых минералах, а также содержится в природных минерализованных водах (около 24% общих запасов стронция). Среднее содержание стронция в почвах 0,035% по массе, в речной воде 0,08 мг/л. Часть стронция в океане концентрируется в железомарганцевых конкрециях [Алейникова М.Л., Клименко И.А., Стронций в природных и сбросных водах и способы его извлечения, М., 1980].

Наиболее надежным методом качественного обнаружения и количественного определения стронция в природных и промышленных объектах является пламенная фотометрия. Качественно стронций может быть обнаружен по карминово-красному окрашиванию пламени. Количественно стронций определяют также гравиметрически в виде сульфата (осаждением из водно-этанольного раствора), карбоната или оксалата. Основные источники загрязнения природы стабильным стронцием - сточные воды металлургического, электротехнического, стекольного, керамического и свеклосахарного производств. Радиоактивный стронций может поступать в окружающую среду в результате ядерных испытаний и аварий на АЭ. При крупных ядерных испытаниях выход ⁹⁰Sr составляет 3,5%. Небольшие количества ⁹⁰Sr, образующиеся в ядерных реакторах, из-за дефектов в оболочке твэла могут поступать в теплоноситель, а затем при его очистке попадать в жидкие и газообразные отходы. ⁹⁰Sr как аналог Са активно участвует в обмене веществ у растений. В растения ⁹⁰Sr попадает при загрязнении листьев и из почвы через корни. Особенно много ⁹⁰Sr накапливают бобовые, корне- и клубнеплоды и злаки.

Известен способ определения стронция-90 (⁹⁰Sr) в геологических материалах, пробах почв, золе растений, заключающийся в выделении радионуклида из кислотных вытяжек проб сложного химического состава, его очистки от мешающих радионуклидов на волокнистом полиэфирном сорбенет VS-15, иммобилизированным органическим реагентом и последующим элюированием 0,2 - 0,4 М раствором трилона Б с рН 8-12 [Заявка РФ №92011371/25, G01N 31/00, 1995.06.19].

Указанный способ позволяет определить лишь радиоактивный изотоп Sr-90. Он является трудоемким, многостадийным, продолжительным по времени.

Известен способ определения стронция-90 в твердых образцах, включающий переведение пробы в раствор после озоления и добавления стабильных носителей стронция, осаждения оксалата стронция, его взвешивание, измерение на бета-радиометре и последующий расчет по математической зависимости [Патент РФ №2184382, G01T 1/167 и G01T 1/178, 2001.11.05].

Данный способ также обладает недостатками предыдущего аналога.

Известны способы определения радионуклидов стронция, заключающиеся в выделении из пробы определяемого элемента путем твердофазной экстракции на сорбенте из азотнокислого раствора, содержащего водный раствор додецилсульфоната натрия и спиртовой раствор дициклогексил-18-краун-6. Выделение стронция производится путем динамической сорбции при скорости пропускания раствора 20 мл/мин через силикагель с привитыми гексадецильными группами с последующим количественным элюированием 3М азотной кислотой [Патент РФ №2069868, G01T 1/04, 1996.11.27, Патент РФ №2037894, G21G 4/00 и G01N 30/06, 1995.06.19].

Указанные способы пригодны лишь для определения Sr-89 и Sr-90. Они достаточно трудоемки и дорогостоящи.

Известен способ извлечения стронция из азотнокислых растворов методом экстракции смесью 0,1-0,33 моль/л хлорированного дикарболлида кобальта и 0,015-0,1 моль/л замещенного в 1,1,2,2,12,12,13,13-октафтор-4,7,10-триоксатридекане полиэтиленгликоля [Патент РФ №1626592, C01F 11/00 и C01D 17/00, 1988.06.23]; а также способ определения радиоактивного стронция в молоке, предусматривающий подготовку исходной пробы молока к анализу путем осаждения белков соляной кислотой, отделения сыворотки с заданным значением рН, перевод стронция из сыворотки в анализируемую пробу с последующим определением активности [Патент РФ №1032888, G01N 33/04, 1996.09.20]. Оба способа страдают теми же недостатками - они многостадийны, достаточно дорогостоящи, узко специализированы и потому - мало пригодны для широкомасштабных экологических исследований.

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, G01V 9/00, 1995.02.20].

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

Наряду с химическими способами определения загрязняющих элементов в природных объектах разработан ряд способов биологической оценки загрязненности различных сред.

Известен способ определения токсичности окружающей среды [Патент РФ №2057337, G01N 33/18, 1991.09.24], используемый для объективного относительно быстрого получения информации об уровне суммарной вредности почвы, воздуха, речной и питьевой воды, пресноводных донных отложений. Токсичность окружающей среды определяют с помощью развивающихся эмбрионов и личинок морских ежей, которые для своей среды обитания служат естественным индикатором уровня техногенного загрязнения и являются высокочувствительными к токсическому действию радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов и ряда других токсикантов. Суммарную вредность отдельных химических и физических токсикантов, а также их сочетаний выражают в биологических эквивалентах стронция-90.

Основным недостатком способа является тот факт, что морские ежи не обладают достаточной резистентностью к действию многих токсикантов. Кроме того, токсичность исследуемых сред оценивается опосредованно. Данный способ не дает возможности производить оценку экологического статуса стабильного стронция при его содержаниях в среде, сопоставимых с фоновыми.

Известна «Методика ускоренного радиохимического приготовления счетных образцов проб растительности для определения активности Sr-90», разработанная в ГНМЦ «ВНИИФТРИ»; а также «Методики отбора и подготовки образцов, применяемые службой радиационного контроля в лесном хозяйстве», утвержденные Приказом Россельхоза от 31.03.97 г. №40.

Данные методики касаются исключительно оценки загрязнения среды радиоактивным стронцием.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ биотестирования экологического статуса лесного биогеоценоза по содержанию стронция, включающий отбор равномерно по территории региона одной или нескольких проб в структурных частях древесины на высоте 1 м от поверхности земли, отбор почвенных образцов (подстилка) и растительного материала над ними в пределах среза растений не менее 3 см от поверхности почвы и приготовление счетных образцов для измерения активности радионуклидов в них. Структурные части древесины измельчали на истирателе до фракции не более 0,5 см, а почву и растительную часть проб высушивали до воздушно-сухого состояния в течение 3 ч при 105°С до постоянного веса и просеивали через сито с ячейками 1 мм. Минерализацию материала пробы осуществляли методом сухого озоления в муфельной печи.

Счетный образец получали из пробы (2-15 г) приготовлением таблетки равной толщины.

Содержание изотопа стронция-90 измерялось на бета-спектрометре с последующей машинной обработкой результатов измерений.

Дополнительно определяли содержание стронция-90 по дочернему иттрию-90 по стандартной методике выделения иттрия-90 в виде оксалата, радиометрию осадка которого проводили на малофоновой установке [Методика радиохимического определения стронция-90 в пробах почвы и растительных материалов, 1994 г., стр.12].

Оценку экологического статуса лесного биогеоциноза проводили путем сравнения полученных данных с данными гигиенических нормативов ГН 2.6.1.670.-97, стр.5 "Допустимые уровни содержания цезия-137 и стронция-90 в продукции лесного хозяйства", выход за пределы которых говорит о неблагополучном положении данного региона.

Недостатками методики является: во-первых, отсутствие возможности оценки лугово-степных экосистем; во-вторых, отсутствие учета влияния на экологическую ситуацию стабильного стронция и сложность самой методики и проведения с ее использованием оценочных работ больших регионов.

[Репях С.М., Катанаева М.А., Ковалев А.Г., Руденко Л.Н. Изучение Пространственной неоднородности накопления техногенных радионуклидов в компонентах лесного биогеоценоза Красноярского края, ж. Химия растительного сырья, 2000, №1, с.51-56].

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение репрезентативности результатов биотестирования, обеспечение возможности оценки экологического статуса стронция в пределах как локального, так и значительного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат.

Задачей изобретения является также расширение числа методов биотестирования, применяемых для адекватной оценки экологического статуса стабильного стронция.

Поставленная задача решается тем, что способ определения экологического статуса территорий на содержание стронция путем ее биотестирования включает отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего стронция, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, при этом в качестве биоиндикаторов используют укосы дикорастущих растений лугово-степной растительности или монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных растений, отбор проб производят во время фенофазы цветения путем полного выкашивания растительности с 1 м² последних в количестве, равном для территории крупного региона 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза в количестве 1 проба на 100 га, при этом выделение стронция из усредненной пробы проводят концентрированной азотной кислотой с последующим определением его в экстракте методом атомной адсорбции, а сравнение полученных значений ведут с фоновым содержанием стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности.

Для сравнения получаемых данных используют значения фонового содержания стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности в пределах от 20 до 500 мг/кг.

Выбор критических уровней стронция, характерных для фоновых содержаний (природных, относящихся к территории, неподверженной антропогенному воздействию) стронция от 20 мг/кг до 500 мг/кг, обусловлен следующим.

На основании многолетних исследований, проводимых в лаборатории биогеохимии окружающей среды Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, установлено, что естественное (фоновое) содержание общего стронция в средних укосах дикорастущих видов лугово-степной растительности, а также надземной биомассе монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных травянистых растений составляет не менее 20 и не более 500 мг/кг воздушно-сухой массы, что и рекомендовано нами за единицу сравнения при определении экологического статуса территорий [Ковальский В.В. "Геохимическая экология", (очерки) - М.: Наука, 1974. - 298 с.].

Исследования показали, что низкое значение (значительно ниже фонового минимального содержания стронция 20 мг/кг) в средних укосах монокультур сельскохозяйственных растений приводит к нарушению формирования костной ткани животных и человека, а превышение его концентрации в средних укосах дикорастущих растений лугово-степной растительности от фонового максимального содержания стронция 500 мг/кг и более приводит к развитию у сельскохозяйственных животных стронциевого рахита и развитию ахондроплазии животных и человека. При избытке стронция прежде всего поражаются костная ткань, печень и кровь. ПДК стронция в воде 8 мг/л, в воздухе для гидроксида, нитрата и оксида стронция 1 мг/м³, для карбоната, сульфата и фосфата 6 мг/м³.

Обычно, в качестве индикаторов экологического статуса стронция в агроценозах используют надземную биомассу монокультур однолетних либо многолетних сельскохозяйственных травянистых растений, например, клевера, люцерны или вико-овсяной смеси.

Для проведения биотестирования крупного региона (10000-50000 га) достаточно исследовать 10 образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности, отбирая их равномерно по территории региона. Для биотестирования локального агроценоза достаточно исследовать по 1 образцу на каждые 100 га надземной биомассы монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных травянистых растений.

Пример 1

Для биотестирования Вейделевского района Белгородской области площадью 173000 га отбирают 10 образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности. Для этого равномерно по территории района во время фенофазы цветения растительности выбирают 10 мест отбора. На растительность накладывают рамку размером 1×1 м и фиксируют площадку в зависимости от густоты травостоя, но таким образом, чтобы объем растительной массы с каждой площадки был не менее 1 кг. Наземную часть травяного покрова в пределах рамки полностью срезают ножом или иным подходящим для этого инструментом. Высота среза растений не менее 3 см от поверхности почвы.

Образцы растений высушивают до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу в течение 3 ч при температуре 105°С, затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Повторяют высушивание в течение 1 ч и последующее взвешивание до тех пор, пока не достигают постоянного веса (разница в весе при двух последовательных взвешиваниях должна быть не более 0,1% от исходного веса пробы). Высушенную пробу предварительно измельчают и методом квартования отбирают среднюю пробу массой не менее 200 г.

Выделение стронция проводят следующим образом.

Отбирают от высушенной квартованной пробы навеску 1 г и измельчают в лабораторной мельнице IKA All basic с частотой оборотов 25000 в минуту до размера частиц 0,001-0,1 мм.

От измельченной массы на аналитических весах берут навеску 100 мг, которую помещают в полиэтиленовую коническую пробирку объемом 50 мл (типа Rustech) и заливают концентрированной азотной кислотой объемом 1 мл. В таком виде анализируемый образец выдерживают не менее 1 часа. Затем объем дистиллированной водой доводят до 50 мл; осадок отфильтровывают, а экстракт анализируют на содержание валового стронция методом атомной адсорбции на атомном спектрофотометре «ААС Квант Z.ЭТА».

При наличии 10 анализируемых проб результаты измерений усредняют.

Среднее арифметическое определенных валовых концентраций стронция оказалось равным 679 мг/кг воздушно-сухой массы, что выше предела 500 мг/кг. Поэтому экологический статус стронция в обследованном регионе оценивается как повышенный, что говорит о наличии загрязненности территории антропогенным стронцием.

Пример 2

Для биотестирования агроценоза Ново-Оскольского района Белгородской области площадью 350 га, занятого многолетним сенокосом клевера, было отобрано 4 пробы надземной биомассы растений. Отбор проб, их подготовку и определение стронция проводят аналогично примеру 1. Среднее арифметическое определенных валовых концентраций стронция оказалось равным 243 мг/кг воздушно-сухой массы, что ниже предела 500 мг/кг. Поэтому экологический статус стронция в обследованном регионе оценивается как нормальный.

Пример 3

Для биотестирования агроценоза Нелидовского района Тверской области площадью 120 га, занятого многолетним сенокосом вико-овсяной смесью, было отобрано 2 пробы надземной биомассы растений. Отбор проб, их подготовку и определение стронция проводят аналогично примеру 1. Среднее арифметическое определенных валовых концентраций стронция оказалось равным 18 мг/кг воздушно-сухой массы, что меньше нижнего предела 20 мг/кг. Поэтому экологический статус стронция в обследованном регионе оценивается как пониженный неблагоприятный.

Для проведения биотестирования предлагаемым способом не требуется особых трудозатрат на содержание штата микробиологов и микробиологической лаборатории. Пробоотбор образцов средних укосов дикорастущих видов лугово-степной растительности, а также надземной биомассы монокультур однолетних либо многолетних сельскохозяйственных травянистых растений легко проводится в ходе однодневных командировок. В результате проведения биотестирования предлагаемым способом достигается возможность адекватной оценки экологического статуса как локального агроценоза, так и значительного по площади региона.

Таким образом, предлагаемый способ проведения биотестирования экологического статуса стронция позволяет получить репрезентативные данные об общем состоянии окружающей среды как относительно крупного (порядка 10000-50000 га) региона в целом, так и локального (от 100 га) агроценоза. Способ прост в исполнении, трудозатраты на его реализацию невелики.

1. Способ определения экологического статуса территорий на содержание стронция путем ее биотестирования, включающий отбор проб биоиндикаторов, высушивание их до постоянного веса, выделение усредненной пробы, определение в ней содержания общего стронция, сравнение полученных значений с установленными данными, по выходу за пределы которых определяют экологический статус территории, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют укосы дикорастущих растений лугово-степной растительности или монокультур однолетних и многолетних сельскохозяйственных растений, отбор проб производят во время фенофазы цветения путем полного выкашивания растительности с 1 м² последних в количестве, равном для территории крупного региона 1 проба на 1000-5000 га, а для локального агроценоза в количестве 1 проба на 100 га, при этом выделение стронция из усредненной пробы проводят концентрированной азотной кислотой с последующим определением его в экстракте методом атомной адсорбции, а сравнение полученных значений ведут с фоновым содержанием стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют значения фонового содержания стронция в воздушно-сухой массе средних укосов дикорастущей растительности в пределах от 20 до 500 мг/кг.