Способ оценки микроэлементного статуса региона

Изобретение относится к способам выявления загрязненности объектов окружающей среды микроэлементами. Сравнивают содержание микроэлементов в мышечной ткани диких копытных животных (например, лося, косули, кабана) и их сельскохозяйственных видов-аналогов (соответственно, рогатого скота, свиней). При выходе содержания микроэлементов в мышечной ткани животных за пределы критических уровней содержания элементов в пищевых продуктах делается вывод об ухудшении микроэлементного статуса региона. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к экологии, охране окружающей среды и рациональному природопользованию, а именно к способам экологической оценки объектов окружающей среды, с помощью биотестирования. Способ может быть использован для экологического картирования, выявления неблагоприятных участков с повышенным и пониженным содержанием жизненно важных нормируемых элементов исследуемых территорий и дифференцированной оценки микроэлементного статуса региона.

Средние содержания в земной коре различных химических элементов периодической системы неодинаковы. Макроэлементы (С, Н, О, N и др.) в сумме составляют более 90% массы земной коры. На долю всех остальных - микроэлементов - приходится, соответственно, менее 10%. Однако, в связи с четко выраженной для некоторых микроэлементов токсичностью, при отсутствии биологической роли (Pb, Hg, Cd, As и др.) в биологии, биогеохимии и геохимической экологии принято называть их токсичными элементами или тяжелыми металлами. Напротив, те химические элементы, которые содержатся в микроколичествах - порядка 10^-4% - и для которых установлена четко выраженная биологическая роль, получили в геохимической экологии название микроэлементов. В связи с тем, что в санитарно-гигиенических нормативных актах регионального, государственного и международного уровня содержание наиболее жизненно важных микроэлементов нормируется, эти элементы часто именуются жизненно важными нормируемыми микроэлементами.

К жизненно важным нормируемым микроэлементам относятся рассматриваемые нами Cu, Zn, Fe, Mo, Se, Co и Mn. Это связано с тем, что при их дефиците или избытке в среде обитания и рационах животных и человека наблюдаются четко выраженные заболевания, которые так и называются микроэлементозы животных и человека.

Так, при дефиците меди наблюдается гипокупроз или алиментарная анемия, а также энзоотическая атаксия. При недостатке цинка наблюдается паракератоз. Дефицит селена вызывает беломышечную болезнь скота и является причиной уровской (Кашина-Бека) болезни человека, а также энзоотической миоглобинурии лошадей. Избыток вышеназванных элементов также неблагоприятно сказывается на здоровье животных и человека, проявляясь в гипермикроэлементозах: гиперкупрозе, гиперцинковом токсикозе, селенозисе и марганцевом токсикозе.

Современный уровень знаний в данной области можно охарактеризовать следующими аналогами предлагаемого способа.

Известен способ оценки загрязнения окружающей среды цинком, отличающийся тем, что состригают верхнюю часть пера у кур-несушек и определяют в ней содержание цинка, по которой судят о загрязнении территории обитания среды.

Патент РФ №2000104691, G 01 N 33/02, 2001.12.20.

Недостатком способа является сложная предварительная подготовка проб для анализа. Более того, химический состав пера представителен лишь для определения загрязненности тех кормов, которыми кормят птицу. Он не отражает микроэлементный статус территории в целом. Оценка данным способом микроэлементного статуса нескольких жизненно важных микроэлементов невозможна.

Определение загрязнения почвы химическими элементами проводят путем исследования каждого участка почвы индивидуально, определения в отобранных пробах содержания валовых форм химического элемента. То же проводят на фоновой территории, анализируя в этом случае почвообразующую породу, далее проводят сопоставление полученных данных, учитывая коэффициент аккумуляции каждого элемента.

Заявка РФ №94037215, G 01 N 33/24, 1996.09.27.

Недостатком указанного способа является невысокая точность получаемых оценок и невозможность экстраполяции полученных результатов на экосистему большого природного региона.

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 жизненно важных микроэлементов аккумулируется в донных отложениях водоемов, из которых при изменении рН свободно мигрирует. Более того, апробирование донных отложений возможно не на всех участках русла или водоемов и представляет собой достаточно трудоемкий процесс. Все это существенно усложняет организацию наблюдений, снижает достоверность итоговых результатов, вследствие неоднозначности интерпретации получаемых данных.

При оценке плодородия почв в сельском и лесном хозяйстве в пробах конкретных почв физико-химическим анализом определяют содержание физической глины, рН, содержание подвижного фосфора, обменного калия, подвижного магния, а также подвижных форм микроэлементов: В, Mn, Mo, Cu, Zn, Co.

Патент РФ №2071605, G 01 N 33/24, 1997.01.10.

Недостатками данного способа является сложность построения баллотировочной шкалы для непосредственного отнесения конкретной почвы к тому или иному классу (баллу). Способ очень трудоемкий и, соответственно, дорогостоящий.

В настоящее время наряду с химическими методами определения различных микроэлементов в природных объектах разработан ряд способов биологической оценки содержания микроэлементов в различных средах.

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 колебаниям уровней содержания нормируемых микроэлементов в среде.

Для оценки экологического состояния элементного состава территорий регламентируется использовать показатели изменения соотношений C:N, Ca:P, Ca:Sr в различных компонентах среды, а также уровни содержания токсичных и биологически активных микроэлементов. Для этого определяют содержание элементов в укосах растений с пробных площадок и в растительных кормах, проводят анализ порядка 100-300 образцов для оценки микроэлементного статуса региона, а полученные усредненные данные сравнивают с нормативно заданными показателями.

"Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия". Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, Главное научно-техническое управление, 1992, 58 стр.

Предлагаемая методика крайне трудоемка и, соответственно, дорогостоящая.

Известен способ биоиндикации среды, взятый в качестве прототипа, позволяющий проводить мониторинг почвы и воды, и основанный на выборе группы живых организмов в качестве биологических индикаторов качества окружающей среды.

Патент РФ №2213350, G 01 N 33/24, 2003.09.27.

Способ включает выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение элементов среды с индикаторами, обработку полученных данных и заключение по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов о классе качества реальной среды.

В качестве группы индикаторов, в частности при анализе почв, используют группы почвенных беспозвоночных: нематод, дождевых червей, клещей, муравьев, моллюсков, мокриц и др. При анализе водотоков используют макробеспозвоночных донных сообществ: губки, трубочники, пиявки, беззубки, личинки поденок и стрекоз, речной рак и др.

Недостатками указанного способа является необходимость проведения высококвалифицированной диагностики видов организмов, трудоемкость статистической обработки, низкая репрезентативность результатов в плане оценки микроэлементного статуса и невозможность экстраполяции полученных результатов на экосистему большого природного региона.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение репрезентативности результатов биологической индикации микроэлементного статуса территорий, обеспечение возможности многоплановой оценки как значительного по площади региона, так и локального агроценоза при одновременном снижении трудозатрат.

Задачей изобретения является также расширение числа видов биологических индикаторов адекватной оценки микроэлементного статуса различных объектов окружающей среды.

Поставленные задачи решаются путем биоиндикации контролируемой территории, при этом в качестве биоиндикаторов используют мышечную ткань диких копытных животных и их сельскохозяйственных видов-аналогов, определяют содержание в ней микроэлементов, сравнивают полученные результаты с критическими уровнями содержания микроэлементов в пищевых продуктах, выход за границы которых свидетельствует об ухудшении микроэлементного статуса региона.

В качестве биоиндикаторов используют мышечную ткань лося, косули, кабана и мышечную ткань крупного рогатого скота, мелкого рогатого скота, свиней.

Обычно по сравнению результатов содержания микроэлементов в мышечной ткани сельскохозяйственных животных оценивают микроэлементный статус локального агроценоза.

Дополнительно можно судить о наличии антропогенной составляющей изменения микроэлементного статуса локального агроценоза по сравнению содержания микроэлементов в мышечной ткани диких копытных животных и их сельскохозяйственных видов-аналогов

В отличие от лабораторных организмов низших уровней биологической организации в предлагаемом способе используются свободноживущие высшие млекопитающие (лось, косуля, кабан) и их сельскохозяйственные виды-аналоги (крупный и мелкий рогатый скот, свиньи). Потребляя растительные корма как природного (дикорастущие растения), так и антропогенного (сельхозкультуры) происхождения, указанные виды пьют воду и дышат воздухом непосредственно той территории, микроэлементный статус которой оценивается. Для проведения мониторинга не требуется особых трудозатрат на содержание штата микробиологов и микробиологической лаборатории. Пробоотбор образцов мышечной ткани (флексоры позвоночного столба) легко проводится в ходе ежегодных облавных охот на диких копытных животных и плановых убоев скота на мясокомбинатах и в хозяйствах.

Для проведения мониторинга административного района площадью порядка 100 тысяч га достаточно в период зимней охоты на копытных отобрать образцы мышечной ткани лося, косули и кабана, обитающих на территории подвергаемого мониторингу региона (5 особей каждого вида: 5 лосей, 5 косуль и 5 кабанов). Для оценки микроэлементного статуса локального агроценоза (не более 20 тысяч га) достаточно отобрать образцы мышечной ткани крупного и мелкого скота (например, коровы, овцы) и свиней (3 особи). В течение 1 суток с момента добычи или убоя 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 26929-86 "Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов", М., 1987, 12 с.

Способ апробирован на примере 4 элементов: Zn, Cu, Mn, Se. Аналогично можно проводить оценку региона и по другим элементам.

Валовые уровни содержания:

- цинка в мышечной ткани животных определяют согласно ГОСТ 26934-86 "Сырье и продукты пищевые. Метод определения цинка", - М., 1987. 13 с.;

- меди - по ГОСТ 26931-86 "Сырье и продукты пищевые. Метод определения меди", - М., 1987. 17 с.;

- селена - по Ермакову В.В. (Флуориметрическое определение селена в продуктах животноводства, органах (тканях) животных и объектах окружающей среды// Методические указания по определению пестицидов в биологических объектах. - М.: ВАСХНИЛ, 1987. С.8-18;

- марганца - по МУ 01-19.47-11-92 ГКСЭН "Методические указания по атомно-абсорбционным методам определения токсичных элементов в пищевых продуктах", - М., 1992. 22 с.

Полученные результаты усредняют и сравнивают с данными таблицы - критическими уровнями содержания микроэлементов в мышечной ткани животных (в мг/кг сырой массы ткани).

Под усредненной концентрацией элемента в индикаторном органе того или иного вида понимается среднее арифметическое содержание элемента в образцах 5 или 3 особей данного вида (для крупного региона и локального агроценоза соответственно).

Таблица
Микроэлемент	Нижний критический уровень	Верхний критический уровень
Cu	0,5	5,0
Zn	10,0	70,0
Mn	0,1	2,5
Se	0,05	1,0

Было установлено, что микроэлементы в отличие от тяжелых металлов обладают помимо верхнего критического уровня также и нижним критическим уровнем. Иными словами, микроэлементный статус территории ухудшается как в случае повышенного содержания микроэлемента в мышечной ткани, так и в случае его недостатка (содержание ниже нижнего критического уровня). При определении значений верхнего критического уровня содержания микроэлементов (МДУ) следует руководствоваться "Санитарными правилами и нормами. Продовольственное сырье и пищевые продукты, СанПиН 2.3.2.560-96". Значения нижнего критического уровня определены в таблице.

В связи с тем, что утверждение соответствующими государственными ведомствами нормативные документы, устанавливающие МДУ, постоянно пересматриваются, рекомендуем при проведении мониторинговых исследований ориентироваться на последние по времени утверждения.

Оценку экологического статуса микроэлементов целесообразно начать с определения их уровней в мышечной ткани диких копытных животных. Учитывая особенности питания диких копытных, осуществляемого главным образом на территории естественных биогеоценозов, сравнение фактического содержания в их мышцах микроэлементов с данными, приведенными в таблице позволяет адекватно оценить микроэлементный статус относительно крупного региона в целом (порядка 100 тысяч га).

Оценка микроэлементного статуса локального агроценоза заключается в сравнении уровней химических элементов в мышечной ткани сельскохозяйственных животных (крупный рогатый скот, мелкий рогатый скот, свиньи) с нормами, приведенными в таблице. При достаточно полной алиментарной "привязке" животных к анализируемому агроценозу, полученные данные более представительны, чем если бы анализировался уровень микроэлементов в почвенно-растительном комплексе.

Способ позволяет также выявить влияние деятельности человека на антропогенные изменения микроэлементного статуса агроценоза. Для этого необходимо сравнить между собой территории крупного региона и локального агроценоза. В случае, если уровни микроэлементов в мышечной ткани диких копытных укладываются в интервал оптимальных концентраций, а валовое содержание микроэлементов в мышцах сельскохозяйственных животных выходит за границы критических уровней, налицо ухудшение естественного микроэлементного статуса территории в следствие деятельности человека.

Пример.

Для проведения всего комплекса оценки микроэлементного статуса территорий достаточно сравнение уровней микроэлементов в мышечной ткани одной из нижеследующих пар видов-аналогов:

1. Лось - крупный рогатый скот (коровы),

2. Косуля - мелкий рогатый скот (овцы, козы).

3. Кабан - свинья.

Усредненные концентрации микроэлементов в мышечной ткани 5 особей лося, обитающего на территории административного района А и 3 особей крупного рогатого скота (коров), выращенного в хозяйстве В (на территории административного района А) составили (в мг/кг сырой массы ткани):

	Лось	КРС
Медь	0,4	1,0
Цинк	15,6	8,2
Марганец	0,07	1,6
Селен	0,8	2,8

Из полученных результатов следует, что уровни цинка и селена в мышечной ткани лося укладываются в интервалы оптимальных концентраций (таблица), а по меди и марганцу налицо недостаток. У крупного рогатого скота содержание цинка менее нижнего критического уровня, содержание селена превышает верхний критический уровень, а уровни меди и марганца находятся в интервале оптимальных концентраций. На основании вышеизложенного следует, что:

1. Микроэлементный статус крупного региона в целом по цинку и селену оценивается как благоприятный; по меди и марганцу налицо недостаток.

2. Микроэлементный статус локального агроценоза оценивается как неблагоприятный: налицо избыток селена и недостаток цинка, что можно отнести к антропогенным воздействиям в пределах агроценоза.

Таким образом, применение предлагаемого метода позволяет провести оценку микроэлементного статуса крупного региона (порядка 100 тысяч га) и локального агроценоза (несколько тысяч га) и, в ряде случаев, позволяют установить влияние человеческой деятельности на нарушение микроэлементного статуса того или иного химического элемента.

Кроме того, достигается немаловажная задача повышения репрезентативности результатов биологической индикации микроэлементного статуса территорий, а также обеспечивается возможность многоплановой оценки микроэлементного статуса и его изменения по каждому элементу в отдельности при одновременном снижении трудозатрат.

1. Способ оценки микроэлементного статуса региона путем биоиндикации территории, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют мышечную ткань диких копытных животных и их сельскохозяйственных видов-аналогов, определяют содержание в ней микроэлементов, сравнивают полученные результаты с критическими уровнями содержания элементов в пищевых продуктах, выход за границы которых свидетельствует об ухудшении микроэлементного статуса региона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют мышечную ткань лося, косули, кабана.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют мышечную ткань крупного рогатого скота, мелкого рогатого скота, свиней.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что о микроэлементном статусе локального агроценоза судят по содержанию микроэлементов в мышечной ткани сельскохозяйственных животных.