СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ПОЧВ
METHOD OF DETERMINING SOIL TOXICITY

Изобретение относится к области экологии, а именно к мониторингу характеристик различных сред экосистем методами биоиндикации, и может быть использовано для оценки влияния антропогенного фактора на биоту.
Известен способ, при котором осуществляют оценку токсичности почв и окружающей среды по животным-биоиндикаторам, их морфологическим признакам (патент №2372617 от 10.11.2009, МПК G01N 33/24).
Известен также способ, где токсичность почвы и окружающей среды определяют по асимметрии рисунка на покрове клопа-солдатика (патент №2329501 от 20.07.2008, МПК Q01N 33/24).
Известные способы достаточно сложные, поскольку надо выявлять насекомых, перемещающихся по поверхности почвы, изучать их морфологию, классифицировать особи по классу признаков, что усложняет техническое решение.
Наиболее близким техническим решением является способ, в котором определяют количество ногохвосток при оптимальной влажности почвы и по снижению их численности определяют токсичность почвы.
Однако при этом оценку токсичности определяют только в системе севооборота при определенной влажности почвы с интервалом 30-40 дней. Кроме того, количество ногохвосток определяют только в лабораторных условиях под бинокуляром, что усложняет способ. Осуществляемая оценка недостаточно точная, так как при транспортировке образцов почвы в лабораторию часть особей погибает.
Технический результат - упрощение способа и повышение точности оценки.
Техническое решение заключается в том, что токсичность почвы определяют по азотфиксирующей активности клубеньковых бактерий, формирующих клубеньки на корневой системе бобовых трав в 15-20-сантиметровом слое почвы, спустя 2-3 недели после весеннего отрастания и до фазы цветения, а степень токсичности почвы определяют по внутренней окраске азотфиксирующих клубеньков (розовой или красной) и ее наличие менее чем у 50% клубеньков считают экологическим риском, а менее чем у 20% клубеньков - экологическим бедствием.
Способ осуществляется следующим образом.
Отрастание травянистых растений бобовых (клевера, люцерны, эспарцета, донника, козлятника, астрагала и других), на корнях которых в 15-20-сантиметровом слое почвы расположены клубеньковые бактерии, фиксирующие атмосферный азот, начинается в системе севооборотов сельскохозяйственных угодий и в естественных фитоценозах, подверженных загрязнению тяжелыми металлами и радионуклидами, при достаточных для микроорганизмов показателях влажности (60-70%) и тепла (не менее 10-15°C).
Обоснование выбора периода определения токсичности почвы (спустя 2-3 недели после начала весеннего отрастания) объясняется началом формирования клубеньковых бактерий при оптимальной влажности и температуре.
Наличие клубеньков розового или красного цвета (в зависимости от вида бобовых растений) свидетельствует о высокой активности азотфиксации. Если участок токсичен, то клубеньки мелкие и имеют зеленый или бурый цвет. Такая окраска свидетельствует об отсутствии в клубеньках пигмента леггемоглобина, обусловливающего розовую или красную окраску.
Леггемоглобин связывает азот, регулируя азотный обмен растения. При недостатке леггемоглобина снижается количество белка и урожай семян, снижается плодородие почвы.
В отличие от известного способа, определять токсичность почвы можно непосредственно на участках по визуальной оценке бобовых растений-биоиндикаторов без лабораторных и химических анализов, что значительно упрощает способ.
При наличии в почве избыточного количества свинца, кадмия, стронция, радионуклидов, нефтепродуктов и других токсикантов нарушается кислотный режим раствора в корнеобитаемом слое, что приводит к снижению леггемоглобина в азотфиксирующих клубеньках и, следовательно, к исчезновению окраски (розовой или красной).
При учете активных клубеньков на исследуемом участке определяют три категории токсичности почвы:
1 - при наличии окраски более чем у 50% клубеньков - удовлетворительное состояние;
2 - окраска 20-50% клубеньков - экологический риск;
3 - окраска менее 20% клубеньков - экологическое бедствие.
Отсутствие окраски указывает на загрязнение не только почвы, но и воздуха, которым дышат клубеньковые бактерии, фиксируя молекулярный азот.
В отличие от известного технического решения, оценку азотфиксации и определение токсичности почвы можно проводить от отрастания ранней весной до фазы цветения. Позднее, в период формирования семян, клубеньковые бактерии снижают способность усвоения атмосферного азота и образования леггемоглобина - основного красителя внутри клубенька.
Пример 1. В различных местах загрязненного свинцом участка, площадью 0,5 га, отбирали пять растений клевера, выкапывая их корневую систему на глубину 15 см. На корнях подсчитывали общее количество клубеньков, выделяя клубеньки с розовой окраской. Растения отбирали при оптимальной влажности почвы (65-70%) в благоприятных для клубеньковых бактерий условиях, так как в период засухи они фиксируют атмосферный азот недостаточно активно и оценка токсичности может быть неточной.
На пяти растениях определяли общее количество клубеньков - 826 штук (в среднем 165,2 шт. на 1 растение). При надрезе клубеньков скальпелем, розовых оказалось 118 шт., то есть 14,3%. Из этого заключили, что исследуемый участок относится к 3-й категории («экологическое бедствие»).
Пример 2. Спустя две недели после отрастания бобовых трав в естественном фитоценозе, зараженном мышьяком, при влажности почвы 65%, в восьми точках выкапывали корневую систему растений на глубину 20 см и подсчитывали количество клубеньков на корнях - 612 шт., из которых выделено с окраской 85 шт., то есть 13,9%. Сделали заключение о принадлежности участка к 3-й категории («экологическое бедствие»).
Пример 3. На участке, загрязненном свинцом и ртутью, при влажности почвы 70%, спустя 3 недели после весеннего отрастания эспарцета, клевера и люцерны, у 15 растений (по 5 каждого вида) выкапывали корневую систему на глубину 20 см. Общее количество клубеньков разных видов бобовых составило 1835 шт. Из них выделено 156 шт. или 8,5% с розовой или красной окраской, что классифицировано как «экологическое бедствие».
Пример 4. На участке, загрязненном фтором, отобраны 20 растений семейства бобовые (клевер, астрагал, донник, люцерна, эспарцет), по 5 растений каждого вида. Выкапывали их корневую систему на глубину 15-18 см и подсчитывали количество клубеньков, образовавшихся на корнях растений. Общее количество клубеньков составило 2136 шт., из них выделено окрашенных 862 шт. или 40,4% (категория «экологический риск»).
Пример 5. На участке, загрязненном цинком и кобальтом, извлекали растения, как и в предыдущих примерах. Общее количество клубеньков на 10 растениях составило 1385 шт., из них окрашены 726 шт. или 52,4%. Этот показатель классифицировали как «удовлетворительное состояние». Результаты опытов сведены в таблицу.
Примеры
Токсиканты почвы
Предельно допустимые концентрации, (мг/кг)
Содержание токсикантов на участках, (мг/кг)
Общее количество клубеньков в выборке, (шт.)
Количество клубеньков, окрашенных пигментом, (шт.)
% окрашенных клубеньков
Категория опасности
1.
Свинец
32,0
48,0
826
118
14,3
3
2.
Мышьяк
20+1,0
25+8
612
85
13,9
3
3.
Свинец + ртуть
2,0
2,5
1835
156
8,5
3
4.
Фтор
10,0
18,0
2136
862
40,4
2
5.
Цинк + кобальт
23,0+5,0
37+8
1385
726
52,4
1
Предлагаемый способ позволяет повысить точность оценки загрязненной территории и упростить определение ее токсичности по методу биотестирования клубеньковых бактерий непосредственно в полевых условиях без дополнительных химических анализов.