СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОВЕРКИ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ ПОД НАЗВАНИЕМ "СИСТЕМА "ОРГАНИК-КОНТРОЛЬ"
METHOD FOR ENVIRONMENTAL INSPECTION OF FOOD NAMED "ORGANIC-CONTROL" SYSTEM"

Область техники к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к экологии и, в частности, к способам экологической проверки продуктов питания посредством определения экологической обстановки территорий, на которых выращиваются и производятся продукты, и, в конечном итоге, определения химической безопасности названных продуктов для человеческого организма.
Уровень техники
Во всем мире производителям продуктов питания предписывается следить за качеством и безопасностью производимых продуктов, а именно проводить работы по обоснованию безопасности для человека выпускаемых продуктов питания и технологий их производства, критериев безопасности и/или безвредности факторов среды обитания и разрабатывать методы контроля над факторами среды обитания.
Сертификация выпускаемой продукции на предмет ее безопасности может быть осуществлена по критериям экологичности на базе независимых центров и/или лабораторий. Данная система сертификации может предоставить потребителю необходимую достоверную информацию о некоторых экологических аспектах продукции.
Основными критериями экологичности в данной системе является то, что сертифицированные продукты:
• не содержат генетически модифицированные ингредиенты;
• не содержат ингредиенты, выращенные с использованием наиболее распространенных пестицидов, гербицидов, ядохимикатов и искусственных удобрений;
• не содержат искусственные консерванты, красители и вкусовые добавки.
Объектами сертификации в данной системе являются: пищевая продукция, вода, расфасованная в емкости, парфюмерно-косметическая продукция, средства гигиены полости рта, продукция легкой промышленности (одежда, ткани, обувь, изделия из кожи и меха, игрушки), посуда, тара, упаковка, продукция деревообработки, мебель.
На продукцию, прошедшую добровольную сертификацию по критериям экологичности, выдается сертификат и/или разрешение с необходимой маркировкой, например, в Российской Федерации продукция, прошедшая экологический контроль на базе лаборатории АНО ″ТЕСТ Санкт-Петербург″, маркируется экологическим знаком ″ЭКО-ТЕСТ-Плюс″.
Вышеописанная система сертификации не учитывает состояние и изменение окружающей среды, в которой была произведена продукция и выращено сырье для производства, а значит, не учитывает влияние окружающей среды на выпускаемую продукцию. Таким образом упомянутая система сертификации обладает следующими недостатками:
• не позволяет суммировать все без исключения биологически важные данные об окружающей среде, в которой производится продукция, и отражать ее состояние в целом;
• не выявляет наличие в окружающей среде, в которой производится продукция, всего комплекса загрязнителей (только некоторые загрязнители, по которым проводится сертификация);
• невозможность оценки очень слабых воздействий на окружающую среду и производимую на ее территории продукцию при хронической антропогенной нагрузке;
• не позволяет зафиксировать скорость происходящих в окружающей среде изменений;
• не выявляет пути и места скопления различного рода загрязнений (загрязняющих веществ) в экологических системах, а также возможные пути попадания загрязняющих веществ в организм человека.
Все вышеуказанные недостатки позволяют исключить использование метода биоиндикации окружающей среды. Биоиндикация - это оценка качества окружающей среды и ее отдельных характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях, т.е. обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ, например, посредством изменения значимых параметром той или иной популяции.
Ввиду вышесказанного в уровне техники существует необходимость в создании и разработке способов оценки безопасности для человека выпускаемой продукции и технологии ее производства, критериев безопасности и/или безвредности факторов окружающей среды с использованием методик биоиндикации.
Сложностью в осуществлении метода биоиндикации является выборка необходимого биоиндикатора. Биоиндикатор - группа особей одного вида или сообщества, по наличию или по состоянию которых, а также по их поведению судят о естественных и антропогенных изменениях в среде.
Таким образом, биоиндикатор должен быть удобен для проведения биоиндикации, а полученные на нем результаты должны быть достоверными. Для соответствия указанным условиям при биоиндикации в качестве биоиндикатора можно использовать клопа-солдатика.
К преимуществам клопа-солдатика как биоиндикатора можно отнести следующее:
• многочисленность популяций;
• быстрая смена генераций;
• высокий темп протекания метаболизма;
• малоподвижность, что повышает объективность полученных результатов для данной исследуемой области.
В уровне техники уже известны некоторые варианты использования клопов-солдатиков в качестве биоиндикатора.
В патентах RU 2304771 и RU 2329501 раскрывается способ биоиндикации окружающей среды при помощи клопов-солдатиков. Данные патенты неожиданно раскрывают, что изменение меланизированного рисунка передней спинки клопа-солдатика, на который влияет меланин, содержащийся в экзокутикулах клопа-солдатика, может свидетельствовать об уровне антропогенного воздействия на биоту, с которой взяты исследованные особи клопа-солдатика.
В статье ″Изучение динамики половой структуры популяции клопа -солдатика (Pyrrhocoris apterus L.) из различных биотопов″ Вестник СамГУ, Естественнонаучная серия, 2010, 6 (80), стр.173-178 раскрывается определение наличия и уровня влияния антропогенных факторов на окружающую среду посредством анализа соотношения самок и самцов в выборках клопов-солдатиков на исследуемой территории. Было выявлено, что для территорий с благополучной экологической обстановкой характерно соотношение самок и самцов 1:1. Для территорий с повышенным антропогенным влиянием наблюдалось превалирование особей одного из полов.
Основным недостатком вышеописанных способов биоиндикации является то, что измеряемые для клопов-солдатиков параметры находятся в зависимости не только с антропогенными факторами, но и многими природными факторами, например климатическими факторами (Вестник СамГУ, Естественнонаучная серия, 2010, 6 (80), стр.177), что существенно снижает достоверность полученных данных.
Ввиду вышесказанного в уровне техники, помимо необходимости в создании и разработке способов оценки безопасности для человека выпускаемой продукции и технологии ее производства, критериев безопасности и/или безвредности факторов среды обитания с использованием методик биоиндикации, существует также необходимость в создании более удобных и достоверных методик биоиндикации.
Недостатки уровня техники предлагается преодолеть при помощи настоящего нижераскрываемого изобретения, названного авторами как система ″Органик-Контроль″.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к способу экологической проверки продуктов питания для определения химической безопасности продуктов питания для человека, произведенных без использования искусственных добавок и/или выращенных без использования химических веществ.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности экологической оценки выращенных продуктов питания непосредственно в месте их урожая и степени их безвредности для человека.
Технический результат достигается способом по настоящему изобретению, который включает определение содержания тяжелых металлов в почве территорий по выращиванию и производству продуктов питания и биоиндикацию территорий по выращиванию и производству продуктов питания посредством извлечения с территорий всех возможных половозрелых особей клопа-солдатика, получения изображения каждой особи клопа-солдатика, расположения меток-ландмарок на изображении каждой особи клопа-солдатика и вычисления размера центроида клопов-солдатиков.
-2
В рамках настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что значение размера центроида клопа-солдатика, составляющее по меньшей мере 1,73*10 метра, и уровни содержания каждого из тяжелых металлов, меньшие значений предельно допустимых концентраций, выступают в качестве параметров химической безопасности произведенных продуктов питания для человеческого организма.
В предпочтительном варианте изобретения биоиндикацию проводят с сохранением численности и структуры популяции клопа-солдатика.
В одном предпочтительном варианте изобретения размер центроида вычисляют посредством геометрической морфометрии.
В другом предпочтительном варианте изобретения тяжелые металлы определяют посредством атомно-абсорбционной спектроскопии.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения измеряемые тяжелые металлы выбраны из группы, включающей марганец, цинк, медь, хром, никель, свинец и кадмий.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения получение изображения клопа-солдатика проводят на предварительно наркотизированных особях клопа-солдатика.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения изображение клопа-солдатика получают посредством сканирования.
Способ экологической проверки продуктов питания по настоящему изобретению получил название система ″Органик-Контроль″.
Размер центроида - это показатель, который характеризует общие размеры тела, а именно корень квадратный из суммы квадратов расстояний от каждой метки-ландмарки на изображении биоиндикатора (клопа-солдатика для настоящего изобретения) до центра изображения биоиндикатора.
Метки-ландмарки оптимально располагают на изображении особи кллопа-солдатика, чтобы учесть все возможные морфологические изменения. В рамках настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что расположение меток-ландмарок на изображении клопа-солдатика из 34 точек является наиболее оптимальным.
-2
В рамках настоящего изобретения неожиданно обнаружено, что уменьшение размера центроида клопа-солдатика менее 1,73*10 метров указывает на ухудшенные условия обитания для исследуемой популяции клопа-солдатика на исследуемой территории, характеризующиеся повышенным уровнем антропогенного воздействия. Что может свидетельствовать о том, что продукты питания, произведенные и/или выращенные на данной территории, могут быть химически вредными для человека.
Если исследуемая территория характеризуется содержанием тяжелых металлов, превышающим значения предельно допустимых концентраций для любого из металлов, то продукты питания, произведенные и/или выращенные на названной территории, могут быть химически вредными для человека.
Краткое описание чертежей
На фигуре представлено оптимальное распределение меток-ландмарок на поверхности особи клопа-солдатика (34 точки). Данное распределение используется для определения изменения форм тел клопов-солдатиков.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение позволяет проводить эффективную экологическую проверку продуктов питания на предмет их химической безопасности для человеческого организма.
В настоящем изобретении был впервые использован метод биоиндикации территорий за счет изучения морфометрии клопа-солдатика.
Способ по настоящему изобретению включает определение содержания тяжелых металлов в почве территорий по выращиванию и производству продуктов питания и биоиндикацию территорий по выращиванию и производству продуктов питания посредством извлечения с территорий всех возможных половозрелых особей клопа-солдатика, получения изображения каждой особи клопа-солдатика, расположения меток-ландмарок на изображении каждой особи клопа-солдатика и вычисления размера центроида клопов-солдатиков.
-2
В рамках настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что значение размера центроида клопа-солдатика, составляющее по меньшей мере 1,73*10 метра, и уровни содержания каждого из тяжелых металлов, меньшие значений предельно допустимых концентраций, выступают в качестве параметров химической безопасности произведенных продуктов питания для человеческого организма.
В предпочтительном варианте изобретения биоиндикацию проводят с сохранением численности и структуры популяции клопа-солдатика.
В одном предпочтительном варианте изобретения размер центроида вычисляют посредством геометрической морфометрии.
В другом предпочтительном варианте изобретения тяжелые металлы определяют посредством атомно-абсорбционной спектроскопии.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения измеряемые тяжелые металлы выбраны из группы, включающей марганец, цинк, медь, хром, никель, свинец и кадмий.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения получение изображения клопа-солдатика проводят на предварительно наркотизированных особях клопа-солдатика.
В еще одном предпочтительном варианте изобретения изображение клопа-солдатика получают посредством сканирования.
Способ экологической проверки продуктов питания по настоящему изобретению получил название система ″Органик-Контроль″.
Размер центроида - это показатель, который характеризует общие размеры тела, а именно корень квадратный из суммы квадратов расстояний от каждой метки-ландмарки на изображении биоиндикатора (клопа-солдатика для настоящего изобретения) до центра изображения биоиндикатора.
Метки-ландмарки оптимально располагают на изображении особи кллопа-солдатика, чтобы учесть все возможные морфологические изменения. В рамках настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что расположение меток-ландмарок на изображении клопа-солдатика из 34 точек является наиболее оптимальным, например, как это представлено на фигуре.
-2
В рамках настоящего изобретения неожиданно обнаружено, что уменьшение размера центроида клопа-солдатика менее 1,73*10 метров указывает на ухудшенные условия обитания для исследуемой популяции клопа-солдатика на исследуемой территории, характеризующиеся повышенным уровнем антропогенного воздействия, что может свидетельствовать о том, что продукты питания, выращенные на данной территории, могут быть химически вредными для человека.
Если исследуемая территория характеризуется содержанием тяжелых металлов, превышающим значения предельно допустимых концентраций для любого из металлов, то продукты питания, произведенные и/или выращенные на названной территории, могут быть химически вредными для человека.
Метод геометрической морфометрии и его применение для клопа-солдатика
В экологических исследованиях широко применяются методы, основанные на использовании живых организмов в качестве тест-объектов.
Их морфометрические показатели можно использовать для оценки стабильности развития и качества среды.
В качестве объекта исследования был использован клоп-солдатик. Данный вид широко распространен в большинстве биотопов, в частности в средней полосе России. Используя различные информативно значимые биоиндикационные признаки этих насекомых, можно обнаружить нарушения в экосистемах на очень ранних этапах, когда незначительные сдвиги не регистрируются другими методами. В ходе исследования использовались методы, включающие в себя выборочные популяционные наблюдения и метод геометрической (компьютерной) морфометрии.
Областью исследований геометрической морфометрии является разнообразие формы морфологических структур - физических тел, на поверхности которых можно осмысленно расставить метки и снять с них декартовы координаты. Это разнообразие может быть неопределенной индивидуальной изменчивостью, различиями между таксонами, полами, кастами насекомых, биоморфами и экотонами и другими дискретными группами.
Изменения формы, исследуемые геометрической морфометрией, раскладываются на две составляющие - однородную (аффинную, линейную) и неоднородную (неаффинную, нелинейную). Первая, называемая однородной компонентой формы, включает нелокализуемые изменения: это глобальные растяжение/сжатия, которые одинаковы в окрестностях всех меток, их ″моделью″ может служить превращение прямоугольника в ромб. Вторая включает локальные растяжения/сжатия, искривления, изгибы и т.п. Эти изменения различны в окрестностях разных меток (локализуемы) и могут быть представлены как искривления сторон прямоугольника. В данном случае в качестве исходных переменных не стандартные линейные измерения, а декартовы координаты меток (ландмарки), расставляемые на сравниваемых морфологических объектах. Соответственно, разница между последними по их форме определяется как разница между конфигурациями меток. Исходным описанием морфологического объекта в геометрической морфометрии, как указано выше, является совокупность декартовых координат меток на его поверхности. Для сравнимости разных объектов метки на каждом из них должны взаимно однозначно соответствовать меткам на любом другом. Это значит, что некоторая точка на поверхности морфологического объекта, с которой соотнесена данная метка, должна быть в определенном смысле ″одной и той же″ у всех сравниваемых объектов. В соответствии с основанием, по которому устанавливается соответствие меток, выделяют несколько их типов.
Метки типа I устанавливаются в соответствии с классическими критериями гомологии (прежде всего специального качества). Таковы, например, метки, фиксированные в местах крепления определенных сухожилий на кости или слияния определенных жилок на крыле насекомого.
Для фиксации меток типа II значение имеют не только строго биологические, но и геометрические соображения - например, размещение меток в определенных точках наибольшей кривизны какого-либо контура (края зуба или листа).
Метки типа III определяются почти исключительно геометрически: их помещают в каких-либо экстремальных точках контура кривой (например, на концах большего диаметра овала). Только соотносимые метки типа I и отчасти II можно считать гомологичными
Метод геометрической морфометрии применительно к клопу-солдатику включает в себя ряд этапов:
• сканирование каждой особи с разрешением 47244-94488 пикселей/метр (1200-2400 dpi (пикселей/дюйм)) и сохранение отсканированного результата в формате ″JPG″;
• создание TPS-файла для каждой выборки при помощи программы tpsUtil;
• двукратную расстановку меток-ландмарок для каждой особи в программе TPSdig. Файлы с подготовленными изображениями клопа-солдатика помещали в отдельный каталог. Предпочтительно метки-ландмарки расставляют так, как это представлено на фигуре;
• обработку TPS-файлов в программах TPSrewl, PAST и Excel. Предлагаемая методика позволяет выявить информационно значимые показатели параметров тела насекомых с целью использования их в качестве биоиндикаторов в мониторинге экологического состояния различных природных биотопов.
Также инновационной является методика прижизненного сканирования насекомых. Ее применение позволяет проводить исследования без нарушения структуры популяции. Данная методика включает в себя сбор насекомых, наркотизацию серным эфиром партиями по 10 насекомых в течение 1-2 минут, сканирование каждой особи с разрешением 47244 пикселей/метр (1200 dpi (пикселей/дюйм)), возвращение насекомых в естественную среду обитания.
После подготовительных этапов обработки (создание каталогов изображений, расстановка меток-ландмарок) проводили расчеты в программе PAST. Это - прокрустово преобразование координат всех меток по каждой оцифрованной особи, выравнивание их относительно одного общего центра. Далее вычислили главные компоненты формы тела насекомых и их вклад в общую изменчивость. В наиболее благоприятных условиях основная часть изменчивости распределяется между первыми двумя главными компонентами.
-2
Также получены достоверные данные относительно размера центроида клопов-солдатиков. Размер центроида - это показатель, который характеризует общие размеры тела - корень квадратный из суммы квадратов расстояний от каждой метки-ландмарки (метки), поставленной на изображении клопа-солдатика, до центра изображения клопа-солдатика. Снижение данного показателя менее 1,73*10 метра указывает на ухудшенные условия обитания для исследуемой популяции, характеризующиеся повышенным уровнем антропогенного воздействия. Повышенный уровень антропогенного воздействия на исследованной территории свидетельствует о химической небезопасности выращенных и произведенных в ней продуктов питания.
Контроль содержания тяжелых металлов в почве
Многочисленные литературные данные свидетельствуют о том, что тяжелые металлы, в частности свинец и кадмий, в экспериментах на животных оказывают тератогенный, эмбрионотропный и мутагенный эффекты. Кроме того, взаимодействуя между собой, тяжелые металлы оказывают на организм синергический тератогенный эффект. Вместе с тем, попадая в природную среду антропогенным путем, тяжелые металлы могут непредсказуемо изменять свои биологические свойства под влиянием разнообразных физико-химических факторов. Следствием мутагенного и тератогенного воздействия тяжелых металлов на организм человека является возрастание врожденных пороков развития у новорожденных детей (Вестник ОГУ, 11, 2005, Приложение ″Здоровье сберегающие технологии в образовании″, стр.190-193). Таким образом, крайне важно контролировать содержание тяжелых металлов в почве и продукции.
Для контроля содержания тяжелых металлов в почве местности, на которой расположено производство продуктов питания и производится выращивание некоторых объемов сырья для производства продукции, может использоваться любой приемлемый метод. Предпочтительно для определения содержания тяжелых металлов используется метод атомно-абсорбционной спектроскопии.
Этот метод позволяет определить порядка 70 индивидуальных элементов с помощью атомизации пробы в пламени. К достоинствам данного метода относится чрезвычайно высокая специфичность при определении элементов, позволяющая использовать упрощенную пробоподготовку. В основе спектрального анализа лежит изучение строения света, который излучается или поглощается исследуемым веществом.
Полученные значения по содержанию тяжелых металлов на исследованных территориях сравнивают со значениями ПДК (предельно допустимая концентрация) для каждого из металлов. По результатам сравнения, если не было превышения ПДК (предельно допустимой концентрации) для каждого из металлов, делается вывод о соответствии исследованных территорий требованиям по экологичности, а значит, продукты питания, произведенные на данной территории, будут безопасными для человека.
Примеры
Ниже представлены некоторые неограничивающие иллюстративные примеры к настоящему изобретению.
Пример 1. Биоиндикация различных экосистем Белгородской области Российской Федерации с помощью клопов-солдатиков
На первом этапе происходит сбор особей для измерения с исследуемого места. Характеристика популяций клопов-солдатика представлена ниже в таблице №1.
Таблица №1
Характеристики популяционных выборок клопов-солдатиков
№ попу-ляции
Место обитания
Объем выборки клопа-солдатика
Краткая характеристика мест обитания популяции
1
г. Алексеевка. Парк культуры и отдыха. Алексеевский район
169
Центр города. Солнечная поляна, ствол дерева, пни деревьев
2
ДОУ №50 г. Алексеевка. Алексеевский район
145
Центр города в непосредственной близости от дороги и крупного завода
3
Участок заповедника Белогорье ″Лес на Ворскле″. Борисовский район
121
Территория, не подвергающаяся прямому антропогенному воздействию. Поляна на окраине леса
4
Урочище Лиман. Красногвардейский район
88
Условно ненарушенное место обитания популяции. Участок под липой
Все собранные особи наркотизируются диэтиловым эфиром партиями по 10 насекомых в течение 1-2 минут. Наркотизированные особи сканируются с разрешением 47244 пикселей/метр (1200 dpi (пикселей/дюйм)), а затем возвращаются в естественную среду обитания. Таким образом, в рамках настоящего изобретения используется инновационная методика прижизненного сканирования насекомых. Ее применение позволяет проводить мониторинговые исследования без нарушения численности и структуры популяции.
Сканированное изображение каждой особи сохраняется в формате JPG. Далее создается TPS-фаил для каждой выборки при помощи программы tpsUtil. Метки-ландмарки расставляются так, как это представлено на фигуре. Файлы с подготовленными изображениями клопа-солдатика помещаются в отдельный каталог.
После подготовительных работ (создание каталогов изображений, расстановка меток-ландмарок) проводят расчеты в программе PAST. Это прокрустово преобразование координат всех меток по каждой оцифрованной особи, выравнивание их относительно одного общего центра.
Далее получают достоверные данные относительно размера центроида клопа-солдатика, который характеризует общие размеры тела - корень квадратный из суммы квадратов расстояний от каждой метки-ландмарки (метки), установленной на изображении клопа-солдатика, до центра изображения. Данные по размерам центроида обрабатывают в программе Excel с получением усредненных значений размера центроида для каждой популяции особей клопа-солдатика. Усредненные значения размера центроида для исследуемых популяций клопа-солдатика представлены ниже в таблице №2.
Таблица №2
Усредненные значения размеров центроида для популяций клопа-солдатика
Место обитания популяции
Усредненные значения размеров центроида (м.)
г. Алексеевка. Парк культуры и отдыха. Алексеевский район
1,74* 10<sup>-2</sup>
ДОУ №50 г. Алексеевка. Алексеевский район
1,70*10<sup>-2</sup>
Участок заповедника Белогорье ″Лес на Ворскле″. Борисовский район
1,82*10<sup>-2</sup>
Урочище Лиман. Красногвардейский район
1,79*10<sup>-2</sup>
-2
В рамках настоящего изобретения было неожиданно установлено, что размер центроида клопа-солдатика менее 1,73*10 метра указывает на ухудшенные условия обитания для исследуемой популяции клопа-солдатика, характеризующиеся повышенным уровнем антропогенного воздействия. В связи с этим продукты питания, произведенные и выращенные на данной территории, могут быть химически вредны для человека.
Пример 2. Анализ содержания тяжелых металов в почве территории выращивания сырья для продуктов питания и производства данных продуктов
Измерение содержания тяжелых металлов в почве проводили на базе Белгородского Государственного Университета с использованием метода атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной атомизацией. Анализ проб проводился на приборе фирмы ″Nippon Jarre Ash″, модель АА-780 (страна производства Япония). Для контроля применяли стандартные образцы растворов, утвержденные Госстандартом и внесенные в государственный реестр средств измерений. Ошибка метода составляла 4-7%.
Пробоотбор проводили в полном соответствии с известными в уровне техники подходами (Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. ЦИНАО, М., 1992).
Посредством проведенного анализа были получены данные о содержании в почве и продукции тяжелых металлов, таких как марганец (Mn), цинк (Zn), медь (Cu), хром (Cr), никель (Ni), свинец (Pb) и кадмий (Cd). Полученные данные были сопоставлены со значениями ПДК для каждого из указанных металлов (Нормативные данные по предельно-допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды: Справочный материал. Дополнение 1. Санкт-Петербург: НТЦ ″Амекос″, 1997). Отсутствие превышения значений ПДК (предельно допустимых концентраций) по вышеуказанным металлам позволяет говорить о безопасности территорий, где производилась продукция и выращивалось для нее сырье, а следовательно, и о безопасности самой выпускаемой продукции.