Методы мониторинга, оценки и нормирования качества почв и сопредельных сред

Краткое описание технологии. Опасность загрязнения окружающей среды факторами, влияющими на генетический аппарат, постоянно возрастает. В настоящее время одним из широко используемых токсикогенетических методов является так называемый Allium-test, основанный на анализе хромосомных аберраций в меристематической ткани лука репчатого Allium cepa. Преимущества растительной тест-системы Allium cepa состоят в том, что данный метод не требует знания кариотипа и идентификации типов повреждений хромосом, является простым, экономичным и достаточно чувствительным для определения «мутаген» или «не мутаген» фактор.

Метод позволяет регистрировать хромосомные мутации типа делеций и транслокаций, следствием которых является наличие мостов и фрагментов в ана- и телофазе. Метод позволяет выявлять изменение поведения хромосом на веретене деления. Allium-test идеально подходит для проведения микроядерного теста.

Allium-test рекомендован для тестирования образцов различных наноматериалов. Исследование мутагенных свойств наночастиц диоксида титана на корневых меристемах Allium cepa (рис. 1) и лимфоцитах человека показало, что оба теста проявляют сходную чувствительность к данному веществу. При изучении генотоксического потенциала соединений никеля было показано, что Allium-test также высокочувствителен к ним, как лимфоциты и фибробласты человека.

Allium-test получил рекомендацию экспертов ВОЗ как стандарт для цитогенетического мониторинга окружающей среды. Allium cepa хорошо изучен генетически, его использование дает возможность фиксировать влияние изучаемого фактора по мутагенному, митотоксическому и общетоксическому действию. Число объектов тестирования постоянно увеличивается, при этом Allium cepa в настоящее время продолжает оставаться одним из наиболее используемых биотестеров. Allium-test рекомендован для исследования генотоксичности химических, физических и биологических факторов. Allium cepa в качестве тест объекта широко применяется для оценки генетического потенциала химических соединений, природных и сточных вод. Использование же данного метода для тестирования нерастворимых веществ и твердых субстратов, в том числе почв представляет значительную методическую проблему.

Рис. 1. Демонстрация проведения Allium-test

На кафедре радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ классическая схема теста модифицирована для тестирования непосредственно почв.

Система визуализации для объективной регистрации результатов биотестов (рис. 2) представляет собой оборудование, позволяющее фиксировать и передавать микроизображения в блок компьютера, который обрабатывает его по определенной программе. В работе используется система на основе отечественного светооптического микроскопа Микмед-6 с тринокулярной насадкой (ОАО «ЛОМО», Россия), оптико-механического адаптера («НПК «Зенит», Россия) и цифрового фотоаппарата Canon EOS 1100 («Canon Inc.», Япония). Применение данной системы формализует процедуру учета и позволяет приблизиться к решению проблемы стандартизации методов оценки генотоксичности почв.

Рис. 2. Система визуализации для регистрации результатов Allium-test

Одним из примеров конкретного применения данной методики может служить разработанная к настоящему моменту модификация, которая адаптирована для оценки уровня генотоксичности нефтезагрязненных почв. Методика апробирована для почв, содержащих группу стойких органических загрязнителей (СОЗ), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и техногенных и естественных радионуклидов. Кроме того, показана чувствительность модифицированного теста для почв с фоновыми уровнями загрязнения мутагенами химической и радиационной природы. Анализ фазных индексов и спектра хромосомных аберраций позволяет охарактеризовать особенности генотоксического действия для сложного по составу комплекса загрязнителей. При тестировании почв фиксируются основные типы структурных мутаций, описанные для ана-телофазного метода анализа (рис. 3).

Поскольку почва депонирует множество поллютантов, то оценка ее генотоксичности чрезвычайно важна с точки зрения риска транслокационных процессов.

Рис. 3. Некоторые виды хромосомных аберраций и нарушений процесса митоза, выявляемые при тестировании почв (авторские микрофотоснимки)

 

Степень готовности. Проект находится на стадии научно-исследовательской работы. Для реализации разработки необходимо финансирование

Разработчики. Столбова В.В., к.б.н., ст. преп. кафедры радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ, (495)939-25-08, Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Сроки реализации. 1 - 2 года

Ожидаемые результаты. Авторское свидетельство.

Предложения по сотрудничеству. Возможными потребителями технологии являются экологические и почвенно-агрохимические фирмы и компании.

Краткое описание. Современное развитие химии органического вещества почв дает возможность для поиска индивидуальных маркеров (индикаторов), различных биохимических процессов, протекающих в биосфере не только в настоящем, но и в прошлом. Одним из самых устойчивых компонентов растительного опада в почвах являются лигниновые фенолы. В отличие от гуминовых кислот, формулы и химическое строение которых активно изучаются в течение последнего столетия и до сих пор остаются неизвестными, лигнин достоверно обнаружен в живых тканях растений, их опаде, в почве и выделенных из дневных и погребенных почв гуминовых кислот. Анализ существующих методов определения лигнина показал, что апробированный нами на большом объеме образцов метод мягкого щелочного окисления органического вещества оксидом меди (в азотной среде) оказался наиболее точным для определения фенолов лигнинового происхождения в растительных тканях, дневных и погребенных почвах, гранулометрических фракциях почв, конкреционных новообразованиях и в препаратах гуминовых кислот. Окисление и хроматографическое разделение биополимеров лигнина на простые фенолы позволяет получить информацию о типах растительных тканей. По величинам лигниновых параметров VSC (общее количество продуктов окисления лигнина), С/V (циннамилы/ванилины), S/V (сирингилы/ванилины), К/F (кумарилы/ферулы), кислоты/альдегиды можно выделять разные типы растительных тканей (хвойные и лиственные, древесные и недревесные, травянистые разнотравные и злаковые). При этом выявлено, что наибольшее содержание лигниновых фенолов свойственно не надземным, а подземным тканям растений.

Пропорции лигниновых фенолов в дневных и погребенных почвах благодаря их химической и физиологической специфичности, наряду с их высокой устойчивостью к разложению, предлагается использовать как молекулярные следы наземного органического вещества при реконструкции условий палеосреды. Получаемые результаты коррелируют с данными изотопного состава углерода, 13С-ЯМР-спектроскопии, магнитной восприимчивости и т.д.

Степень готовностиПроект находится на заключительной стадии научно-исследовательской работы. Подана заявка на патент.

Разработчики: Ковалева Н.О. – д.б.н., зав. Лабораторией экологического почвоведения факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.); Ковалев И.В. – д.с.-х..н., в.н.с. факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.).

Сроки реализации. 1 год

Ожидаемые результаты. Внедрение высокотехнологичного метода определения лигниновых фенолов позволит снять дискуссионные вопросы при реконструкции палеосреды.

Предложения по сотрудничеству для инвесторов (заказчиков). Проект направлен на развитие и внедрение технологии молекулярных биомаркеров в практической археологии и палеонтологии и биостратиграфии. Разработка может быть использована компаниями, занимающимися вопросами исторического и природного наследия.

Краткое описание. Экологические риски избыточного поступления соединений серы и тяжелых металлов в наземные экосистемы оцениваются на основе концепции критических нагрузок, разработанной в Европе и развитой авторами для применения на территории России. Современные риски избыточного поступления тяжелых металлов в экосистемы оцениваются путем сравнения реальных содержаний металлов в почвах с критическими, ожидаемые риски – путем сравнения реальных и ожидаемых нагрузок металлов с критическими. Критические содержания и концентрации металлов в почвах и растворах рассчитываются с помощью выведенных на основании токсикологических экспериментов зависимостей от основных свойств почв (pH и содержания органического вещества). В основе анализа лежат экспериментальные данные по составу и свойствам почв, растительности, атмосферных выпадений, водного стока, картографическая информация.

Степень готовности. Готовые технологии.

Разработчики. Коллектив авторов − сотрудников факультета почвоведения МГУ и физического факультета МГУ. Контактные данные: проф. Г.Н. Копцик, тел. +7 495 939 3573, факс +7 495 939 1716, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript., koptsikg@ mail.ru, информация в Интернете http://eco.soil.msu.ru.

Срок реализации. 1-3 года в зависимости от конкретных задач.

Ожидаемые результаты. Оценка устойчивости наземных экосистем по отношению к кислотообразующим соединениям серы и тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu, Ni, Zn и др.) и экологических рисков их избыточного поступления (рис. 4). Карты критических нагрузок соединений серы и тяжелых металлов и зон избыточного поступления поллютантов в наземные экосистемы. Сведения о соответствии фактического и прогнозируемого состояния окружающей среды установленным нормативам качества окружающей среды. Рекомендации по сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Заключение о необходимости ремедиации земель, нарушенных в результате техногенного загрязнения.

Предложения по сотрудничеству. Возможные заказчики: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральное агентство лесного хозяйства, региональные Министерства природных ресурсов, управления научно-технического развития и экологической безопасности промышленных предприятий.

 

Рис. 4. Зоны риска избыточного поступления серы в экосистемы Кольского полуострова.

Краткое описание. Комплексные системы экстенсивных и интенсивных наблюдений (рис. 5), оценки и прогноза изменений состояния экосистем под воздействием природных и техногенных факторов. Экстенсивный мониторинг включает периодическую оценку пространственной и временной изменчивости состояния природных экосистем (растительности и почв). Интенсивный мониторинг включает систематические регулярные наблюдения, оценку и прогноз состояния природных экосистем (почв, древостоя, напочвенного покрова, атмосферных выпадений, почвенных вод, метеоусловий и др.) на стационарных участках, оборудованных на уровне мировых стандартов.

Степень готовности. Готовые технологии.

Разработчики. Коллектив авторов под руководством проф. Г.Н. Копцик, имеющих многолетний опыт организации и проведения экологического мониторинга в России (государственный природный заказник «Звенигородская биостанция МГУ и карьер «Сима», НП «Русский Север», НП «Смоленское Поозерье» и др.) и за рубежом (Норвегия, Финляндия, Нидерланды, Великобритания, Германия и др.). Контактные данные: +7 495 939 3573, факс +7 495 939 1716, e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript., Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript., информация в Интернете http://eco.soil.msu.ru.

Срок реализации. 1-3 года в зависимости от конкретных задач.

Ожидаемые результаты (в зависимости от конкретных задач). Получение объективных данных о состоянии окружающей среды для обоснования экологически сбалансированного природопользования в целях устойчивого развития и улучшения состояния окружающей среды. Сведения о соответствии фактического и прогнозируемого состояния окружающей среды установленным нормативам качества окружающей среды. Заключение о необходимости рекультивации и ремедиации земель, нарушенных в результате техногенного воздействия. Оценка эффективности проводимых природоохранных мероприятий. Материалы комплексного экологического обследования территорий для последующего придания им правового статуса особо охраняемых природных территорий. Наблюдения, оценка и прогноз воздействия техногенных и естественных факторов на состояние лесных экосистем особо охраняемых природных территорий.

Предложения по сотрудничеству. Возможные заказчики: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральное агентство лесного хозяйства, региональные Министерства природных ресурсов, управления научно-технического развития и экологической безопасности промышленных предприятий.

Рис. 5. Осадкосборники и опадоуловители на участке интенсивного экологического мониторинга

Краткое описание: Система для унифицированного учета почвенных ресурсов города создает базу для осуществления эффективного экологического менеджмента почвенного покрова, как на отдельных участках землепользования, так и для всего города в целом. Систематическое изучение генетической сущности городских почв и их естественной и антропогенной эволюции позволяет выработать систему ухода за почвами отдельных земельных участков соответствующую природным закономерностям, отвечающую безопасности населения и экологическим нормам.

Необходимым этапом для проведения оценки почв города в рамках отдельных земельных участков является полевое обследование территории. Исследование и картографирование городских почв является весьма трудной задачей, поскольку они имеют достаточно сложное строение из-за горизонтальной и вертикальной вариабельности, поэтому к ним нельзя полностью применить методики картографирования природных почв.

Перечень свойств необходимый для изучения устанавливается в соответствии с особенностями экологического законодательства города и его географического положения, вида функционального использования и воздействия на почвенный покров. Оценка почв и воздействия послужит основой для дальнейших управленческих решений. Результаты обследования должны быть отражены в паспорте почв или акте обследования почв, сделанном по единому образцу.

Процедура проведения работ по обследованию почв состоит из следующих этапов: составление перечня основных источников антропогенного воздействия на почвы земельного участка и установление ареалов их влияния; оценка экологического качества почв (полевые работы; лабораторно-аналитические работы; составление картосхемы почв); определение соответствия показателей качества обследованных городских почв и воздействия на них установленным требованиям; составление акта обследования.

Степень готовности: идея, задел в виде научных публикаций, уже проведенных НИР.

Разработчики: д.б.н. Яковлев А.С., к.б.н. Прокофьева Т.В. (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.), Мартыненко И.А., к.б.н.М.В. Евдокимова (сотрудники каф. географии почв, земельных ресурсов и оценки почв)

Срок реализации: 9 месяцев

Ожидаемые результаты: Текст пошаговых методических рекомендаций по проведению крупномасштабного обследования для картографирования и экологической оценки почв земельного участка на городской территории с таблицами для расчета количества разрезов на единицу площади, системой условных обозначений (цветовые и штриховые решения) для карт почв, почвообразующих пород и картограмм качества, матричными таблицами для визуализации оценки качества почв по почвенным выделам.

Работа позволит эффективно и унифицировано проводить обследование почв для получения картографической и оценочно-экологической информации для реестров земельных и почвенных ресурсов, для разработки мероприятий по охране экологическому менеджменту и учету почв земельных участков.

Предложения по сотрудничествуВозможный заказчик: Департамент природопользования правительства крупного города или области.

Краткое описание технологии. Предлагаемая система почвенно-экологического мониторинга включает наблюдение, оценку и прогноз герметичности объектов подземного хранения природного газа, эксплуатация которых, как правило, сопровождается некоторыми потерями газа в пласте. Выбор почвенного покрова в качестве объекта мониторинга обусловлен преимущественным окислением метана в нем над возникающими ореолами рассеяния. Система включает следующие мероприятия: анализ геологических структур и выявление зон вертикальной и горизонтальной трещиноватости; проведение газо-геохимической съемки почв и установление степени загазованности вторичных скоплений газообразных углеводородов; оценка активности бактериального образования, окисления метана и эмиссии метана в атмосферу в почвах различных геохимических зон, литолого-геоморфологических и гидротермических условий. Необходимая корректность исследований газового состава, активности бактериального окисления и других параметров контролируется фоновым мониторингом. Годовое суммарное количество окисленного и эмиссионного метана представляют потери этого газа при хранении. Прогноз потерь газа осуществляется с помощью составления прогнозных карт. Заключительным и поверочным этапом мониторинга является анализ твердофазных геохимических признаков трансформации почв под влиянием природного газа.

Степень готовности. Завершена НИР, результаты апробированы на двух подземных хранилищах газа.

Разработчики. К.б.н., с.н.с. Кулачкова С.А. (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.), кафедра географии почв ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Срок реализации. Для адаптации системы мониторинга на новом газохранилище необходимы предварительные исследования в течение 1 года

Ожидаемые результаты. Предлагаемая система нововведений в области мониторинга герметичности подземных газохранилищ позволит выявить источники, пути диффузионно-конвективного переноса, ореолы рассеяния, бактериального окисления, утилизации, эмиссии в атмосферу неучтенного природного газа и модифицированных газов, твердофазных геохимических признаков трансформации почв под влиянием флюидов, на основе чего можно делать выводы о герметичности подземных резервуаров и оценивать естественные потери природного газа.

Предложения по сотрудничеству. Система мониторинга предназначена для использования на подземных газохранилищах и разрабатываемых нефтегазовых месторождениях.

Краткое описание. В результате аварии на Чернобыльской АЭС значительная часть территории Тульской (главным образом Плавского и Чернского районов) и Брянской (Новозыбковский район) подверглась загрязнению радиоактивными изотопами (рис. 6). Поскольку последние прочно сорбируются почвой и способны перемещаться вместе с ней, процессы эрозии почв должны быть определяющими в горизонтальном переносе радионуклидов (рис. 6). Интенсивность перераспределения радионуклидов на склонах определяется степенью загрязнения почвы и величиной смыва. Вклад смыва почвы в баланс радиоцезия на склоновых землях может показаться небольшим. С другой стороны, эта величина почти в 20 раз превышает отчуждение радиоцезия с урожаем сельскохозяйственных культур. Таким образом, на современном этапе фактор эрозии является, как минимум, вторым по значимости в расходной статье баланса радиоцезия на пахотных склонах.

Степень готовности. Метод готов для патентования.

Разработчики. Сотрудники кафедры эрозии и охраны почв факультета почвоведения МГУ: академик РАН, профессор М.С. Кузнецов (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.), профессор кафедры, доктор биологических наук В.В.Демидов.

Срок реализации. 2 года.

Ожидаемые результаты. Разработанный метод по оценке загрязнения радионуклидами дает возможность делать прогноз о миграции и аккумуляции радионуклидов (и других загрязняющих веществ) продуктами эрозии.

Рис. 6. Карта-схема районирования территории Плавского и Чернского районов по интенсивности отчуждения 137Cs с твердым поверхностным стоком.

 

Предложения по сотрудничеству. Возможные заказчики: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, региональные Министерства природных ресурсов, Министерство экологии и природопользования Правительства Московской области, управления научно-технического развития и экологической безопасности промышленных предприятий.

Краткое описание. В современном градостроительстве широко используются насыпные грунты, содержащие строительный и бытовой мусор, заторфованные грунты, иловые осадки сточных вод полей фильтрации, представляющие опасность в связи со способностью генерировать биогаз, содержащий метан (55-65%), углекислый газ (35-45%), примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. Наличие углеводородных газов в зоне строительства влияет на пожаро-взрывоопасность жилых домов. В этой связи в своде правил по инженерно-экологическим изысканиям для строительства рекомендовано проведение газогеохимических исследований на участках преобладания названных выше грунтов. Эти работы включают проведение шпуровых газовых и эмиссионных съемок с целью выявить пожароопасные грунты по содержанию метана и углекислого газа (рис. 7). Но, помимо пожароопасных свойств подобные грунты несут и экологическую опасность, особенно существенную при строительстве жилых домов и социальных объектов, и которую нужно учитывать при разработке новых нормативных документов по инженерно-экологическим изысканиям. Она связана с негативным влиянием повышенных концентраций газов на здоровье человека.

Существующая методика газогеохимических исследований усовершенствована путем:

1) разработки экологических норм содержания названных газов;

 

Рис. 7. Пример прогнозной карты изменения содержания СО2 в почвенно-грунтовом воздухе на одном из объектов строительства на насыпных грунтах

2) разработки методов прогноза сезонных изменений газовых характеристик (ранее временной аспект не учитывался, но показатели содержания метана и диоксида углерода существенно меняются в зависимости от сезонных флуктуаций, и необходимой мерой улучшения качества работ является введение строгих экологических регламентов на время проведения работ и установление закономерностей, отражающих динамику показателей в течение всего года);

3) разработки методики определения и оценочных критериев для активности бактериального окисления метана, дополняющей преставления об общем содержании метана в газогенерирующем теле, а также характеризующей способность грунтов утилизировать метан, что снижает пожароопасность грунтов, но приводит к появлению в почвах и приповерхностных слоях атмосферы значительных концентраций углекислого газа.

Степень готовности. Методика апробирована на множестве объектов в г.Москве и Московской области.

Разработчики. Коллектив газогеохимической лаборатории факультета почвоведения МГУ: к.б.н., с.н.с. Кулачкова С.А. (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.) (каф. географии почв), Лебедь-Шарлевич Я.И.

Сроки реализации. Обследование объекта в среднем занимает две недели-месяц.

Предложения по сотрудничеству. Методика может использоваться организациями, осуществляющими инженерно-экологические изыскания и экологический контроль.

 

Научная работа