СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОДУКТОВ ПЧЕЛОВОДСТВА
METHOD OF EVALUATING ENVIRONMENTAL POLLUTION WITH HEAVY METALS USING BEEKEEPING PRODUCTS

Изобретение относится к исследованиям в области прикладной экологии и охраны окружающей среды, а именно к способам оценки загрязнения наземных экосистем тяжелыми металлами биоиндикационными методами.
Тяжелые металлы являются составной частью ферментов биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов в живых организмах, однако при их избытке обладают высокой токсичностью для человека и животных. Кроме того, они в той или иной степени сопутствуют всем промышленным и транспортным выбросам, что позволяет по их содержанию в объектах окружающей среды судить о распространении всего комплекса веществ-загрязнителей. Медоносные пчелы (Apis mellifera) равномерно собирают нектар и пыльцу на конкретной территории, в радиусе 2-3 км от пасеки, поэтому анализ содержания в данных объектах различного рода соединений техногенного происхождения позволяет интегрально охарактеризовать степень загрязнения припасечной зоны.
Содержание тяжелых металлов в образцах меда и перги (пыльцы) отражает степень загрязнения этими элементами атмосферного воздуха и почвы.
Заявленный способ может быть использован для экологического картирования исследуемых регионов и дифференцированной экологической оценки региона, т.е. позволяет классифицировать территории по степени загрязнения тяжелыми металлами с градацией по уровням: слабый, средний, сильный.
Анализ исследованного уровня техники показал, что наиболее эффективными способами экологического мониторинга являются способы с использованием технических средств посредством применения технических систем слежения, осуществляющих контроль всех сред в широком диапазоне их параметров. В систему сбора информации входят: группы датчиков экологического контроля, контрольные и диспетчерские пункты, центральный диспетчерский пульт, станция космической связи, а также автомобильные комплексы оперативного действия с соответствующими группами датчиков (патент РФ №2145120, G08C 19/00 от 27.01.2000).
Указанные экологические системы сбора информации позволяют оценить экологическое состояние целого региона, однако являются трудоемкими, многостадийными, продолжительными по времени и чрезвычайно дорогостоящими, что усложняет (затрудняет) их широкое применение на практике.
Альтернативой чисто техническим инструментальным способам контроля загрязнения являются методы биологической индикации. Тяжелые металлы, в отличие от многих других контаминантов, не деградируют в окружающей среде, а способны мигрировать и накапливаться в трофических цепях, вследствие чего могут попасть в рацион человека в больших количествах, чем установленные санитарно-гигиеническими нормативами ПДК. Только посредством биологического мониторинга можно оценить эффекты накопления и концентрирования тяжелых металлов в экосистемах, указать возможные пути их миграции и места накопления.
Известен способ получения информации о загрязненности местности с помощью пчел (патент RU 2114446 C1, G01T 1/169 от 27.06.1998). Этот способ основан на измерении радиоактивности вощины, предназначенной для постановки в улей, а также пыльцы и прополиса, отбираемых из ульев, установленных на обследуемой территории. Результаты измерений обрабатывают и с учетом радиоактивного фона делают выводы о радиоактивной загрязненности местности. Данный метод не предполагает использование образцов меда, между тем как мед - самый удобный объект биоиндикации по сравнению с другими компонентами улья из-за чрезвычайной легкости отбора проб. Кроме того, мед является ценным продуктом как традиционной кухни, так и лечебного питания человека, что делает контроль его качества особенно актуальным. Недостатком рассмотренного способа является также ограниченная область его применения (только радиационный мониторинг).
Наиболее близким решением по сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ оценки загрязнения окружающей среды с использованием продуктов пчеловодства, заключающийся в том, что в августе-сентябре отбирают образцы меда и перги из ульев, расположенных на обследуемой территории, затем определяют в них содержание тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектрометрии и сравнивают с литературными данными по фоновым значениям, выбранный заявителем в качестве прототипа [3].
Недостатками известного способа является;
- невозможность определения фоновых уровней концентраций тяжелых металлов, характерных для данного региона;
- невозможность определения базовых уровней концентраций тяжелых металлов, характерных для данного региона;
- невозможность разработки классов уровней загрязнения среды, и дальнейшего сопоставления получаемых данных по каждой контрольной точке с разработанной градацией с последующей оценкой экологического состояния исследуемой территории в отношении загрязнения региона тяжелыми металлами.
В качестве биондикаторов наземных экосистем широко используются растения. Так, например, известен способ оценки содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе по степени их накопления тканями древесных листостебельных мхов, выполняющих функции сорбирующей поверхности и живого поглотителя тяжелых металлов (патент RU 2321030 C1, G01W 1/00 от 27.03.2008). Недостатком данного метода является то, что листостебельные мхи имеют крайне ограниченный ареал распространения (это зона хвойных и смешанных лесов) и не могут быть использованы в других типах биогеоценозов. Кроме этого, для получения достаточного уровня репрезентативности отбор проб данных объектов на больших территориях требует значительных временных затрат по сравнению с отбором проб пыльцы и меда из ульев.
Другим способом контроля загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, в т.ч. почвы вблизи предприятий черной и цветной металлургии, с использованием биоиндикаторов является использование для анализа наземных органов сосудистых растений, являющихся естественными для данной местности, в частности полыни (Artemisia austriaca) (патент RU 2257597 C1, G01V 9/00, G01N 33/48 от 27.07.2005).
Недостатком данного способа является ограниченный набор видов высших растений, обладающих высокой аккумулятивной способностью по отношению к тяжелым металлам, их ограниченный ареал распространения, а также большие временные затраты, связанные с отбором необходимого количества проб, обеспечивающего достаточную степень репрезентативности.
Другим способом, близким к заявляемому, является использование в качестве индикаторных показателей степени загрязненности территорий тяжелыми металлами органов диких копытных (мышцы, печень, почки), а также их сельскохозяйственных видов-аналогов (крупного рогатого скота и свиней). Содержание тяжелых металлов в данных объектах сравнивается с максимально допустимыми уровнями в пищевых продуктах (патенты RU 2266537 C2, G01T 33/02, G01T 33/18, G01T 33/24 от 20.12.2005 и RU 2280869 C1, G01T 33/50, G01T 33712 от 27.07.2006).
Недостатком метода является недостаточная репрезентативность выборки: по усредненной пробе органов, отобранных у пяти животных каждого вида, авторы, учитывая миграционную способность видов, делают заключение об уровне загрязнения территории порядка 100 тыс. га. Кроме того, применение данного метода ограничено ареалом распространения диких копытных. И наконец, существенным является то, что данным способом возможна оценка загрязнения территорий только за длительный промежуток времени (ежегодно), поскольку он ограничен сезоном отстрела промысловых животных, в то время как отбор продуктов пчеловодства можно производить ежемесячно и даже еженедельно.
Другим известным способом с использованием аккумулирующей способности некоторых органов живых организмов является способ оценки загрязнения окружающей среды цинком, отличающийся тем, что определяют содержание цинка в верхней части пера кур-несушек (заявка №20001046 от 20.12.2001). Недостатком способа является то, что химический состав пера отражает лишь степень загрязненности тех кормов, которыми кормят птицу. Он не отражает микроэлементный статус территории в целом (то есть, прежде всего, степень загрязненности воздуха и почвы).
Целью заявленного способа является устранение указанных недостатков, а именно:
- обеспечение возможности определения фоновых уровней концентраций тяжелых металлов, характерных для данного региона;
- обеспечение возможности определения базовых уровней концентраций тяжелых металлов, характерных для данного региона;
- обеспечение возможности разработки классов уровней загрязнения среды, и дальнейшего сопоставления получаемых данных по каждой контрольной точке с разработанной градацией с последующей оценкой экологического состояния исследуемой территории в отношении загрязнения региона тяжелыми металлами;
- обеспечение возможности повышения репрезентативности результатов мониторинга (соответствия характеристик выборки характеристикам генеральной совокупности в целом);
- обеспечение возможности расширения ареала контролируемой территории при одновременном снижении материальных и временных затрат;
- снижение трудозатрат;
- обеспечение возможности единовременного контроля экологической чистоты как пищевых продуктов (мед, пыльца), так и территорий, с которых производится сбор данных объектов.
2
Поставленные задачи решаются путем использования в качестве биоиндикаторов продуктов пчеловодства - меда и перги (пыльцы), которые представляют собой усредненную пробу, характеризующую степень загрязнения территории припасечной зоны в радиусе рабочего (продуктивного) лета пчел (примерно 9 км). Причем пробы с данной территории собирают вместо человека пчелы, чем и достигается снижение трудозатрат. Существующие пчеловодные хозяйства представляют готовую мониторную сеть. Пчелы вида Apis mellifera могут существовать в широком диапазоне климатических условий и, благодаря непосредственному отношению к сельскохозяйственному производству, широко представлены на территории земного шара. Их распространение лимитируется только наличием медоносной растительности.
Сущность заявленного способа оценки загрязнения окружающей среды с использованием продуктов пчеловодства заключается в том, что в течение сезона летной активности пчел отбирают образцы меда и перги из ульев, расположенных на обследуемой территории, определяют в них содержание тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектрометрии и сравнивают с литературными данными по фоновым значениям, отличается тем, что предварительно многократно отбирают пробы меда и перги, для определения фоновых и базовых уровней концентраций тяжелых металлов, характерных для данного региона, разрабатывают градацию (классы) уровней загрязнения, данные по каждой контрольной точке, сопоставляют с разработанной градацией и оценивают экологическое состояние исследуемой территории в отношении загрязнения региона тяжелыми металлами.
Способ реализуется следующим образом:
Из ульев, расположенных на контролируемой территории отбираются пробы меда и перги. Для этого пластиковым ножом вырезаются куски свежеотстроенных сотов с медом и пергой размером 10×10 см и упаковываются в полиэтиленовые пакеты с указанием даты и места сбора. В лаборатории мед извлекается из сотов при помощи шприца, а перга тонким пластиковым шпателем. До анализа пробы хранятся в стеклянных бюксах с плотно притертыми крышками при температуре +5°С. Навески каждого образца массой 5 г берутся в трехкратной повторности. Количественное определение проводится методом атомной абсорбции с пламенной атомизацией на приборе типа AAS-3 с предварительной сухой минерализацией по ГОСТ Р 52097-200 и последующим разложением 1 н раствором HCl. Цифровые данные обрабатываются с использованием компьютерной программы статистической обработки OriginPro 7.0. Полученные результаты по каждой контрольной точке сравнивают с характерными для данного региона фоновыми и базовыми уровнями содержаний тяжелых металлов в меде и перге, а также с предельно-допустимыми концентрациями свинца и кадмия для меда и биологически активных добавок на основе пыльцы (СанПиН 2.3.2.1078-01).
2
Пример конкретной реализации. Заявленный способ реализован и опробован на практике. В качестве примера в таблице приведены градации уровней загрязнения цинком, свинцом и кадмием припасечных зон на территории крупного региона площадью 68 тыс. км, разработанных на основании анализа 60 образцов меда. Пробы отбирались в пригородных районах и на фоновых участках. В современных условиях глобального загрязнения под фоновыми территориями понимают зоны с проявлением антропогенного воздействия в минимальной степени и соответственно под фоновым уровнем понимают отсутствие аномалии. За базовый уровень концентрации принимают средние величины выборки, статистическая вероятность которой 95%.
Элемент
Концентрация в меде, мг/кг сырого вещества
ПДК
Фоновый уровень ±σ
Базовый уровень ±σ
Уровни загрязнения
слабый
средний
сильный
Zn
----
1,59±0,89
2,76±2,97
3-6
6-12
>12
Pb
1
0,08±0,03
0,22±0,20
0,2-0,5
0,5-1
>1
Cd
0,05
0,02±0,02
0,038±0,035
0,02-0,05
0,05-0,1
>0,1
В отдельных проанализированных образцах меда обнаруженные концентрации составили (мг/кг): цинка - 15,90; кадмия - 0,12 и свинца - 0,92, что позволило охарактеризовать соответствующие припасенные зоны как территории сильного и среднего уровня загрязнения.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из изученного уровня техники не выявлена совокупность признаков, характеризующих предлагаемое решение, приводящих к реализации заявленных целей (задач).
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. оно не является очевидным для специалистов в области прикладной экологии и охраны окружающей среды.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. оно испытано на территории Республики Татарстан силами сотрудников факультета географии и экологии КГУ посредством использования сертифицированного лабораторного оборудования, с получением заявленных технических результатов.
Литература
1. Билалов Ф.С., Колупаев Б.И., Скребнева Л.А. Определение загрязнения окружающей среды с помощью апимониторинга. / В сб.: Эколого-токсикологическая характеристика г.Казани и пригородной зоны. - Казань: Изд-во КГУ. - 1991. - С.78-86.
2. Билалов Ф.С., Колупаев Б.И., Котов Ю.С., Мухарамова С.С., Скребнева Л.А. Контроль загрязнения окружающей среды с помощью пчел и продуктов пчеловодства (апимониторинг). / В сб: Эколого-токсикологическая характеристика г.Казани и пригородной зоны. - Казань: Изд-во КГУ. - 1991. - С.130 - 137.
3. Билалов Ф.С., Колупаев Б.И., Котов Ю.С., Мухарамова С.С., Скребнева Л.А. Пчелопродукты и контроль окружающей среды. // Пчеловодство. - 1992. - №9/12. - С.4-6 (прототип).
4. ГОСТ Р 52097-2003. Продукты пчеловодства. Минерализация проб для определения токсичных элементов. - М.: Госстандарт России. - 2003. - 6 с.
5. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.3.2.1078-01. "Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов", утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 6 ноября 2001 г. (с изменениями от 31 мая 2002 г., 20 августа 2002 г., 15 апреля 2003 г.).