СПОСОБ ОЦЕНКИ АНТРОПОГЕННОГО И ОРНИТОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АНТАРКТИДЫ ПО СОСТОЯНИЮ ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫХ МАТОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ASSESSMENT OF ANTHROPOGENIC AND ORNITHOGENIC CONTAMINATION OF ENVIRONMENT OF ANTARCTICA BASED ON CONDITION OF CYANOBACTERIAL TUFTS (VERSIONS)

Изобретение относится к области профилактической медицины и может быть использовано для комплексной оценки загрязнения почвы Антарктиды.
Актуальность охраны почвы Антарктиды связана с глобальным потеплением климата, в результате чего возможно ухудшение эпидемиологической ситуации на континенте. В значительной степени это обусловлено циркуляцией в окружающей среде патогенных и условно-патогенных энтеробактерий, псевдомонад и других малоисследованных возбудителей. Для своевременного ограничения их циркуляции за счет проведения профилактических мероприятий необходимо иметь достоверные способы оценки загрязненности почвы в экстремальных условиях Антарктиды, где существуют уникальные возможности исследования биологических систем в естественной изоляции.
В таких экологических нишах, в отсутствие или слабо выраженной конкуренции со стороны более развитых форм жизни, образуются цианобактериальные маты (ЦБМ), представляющие собой высокоинтегрированные прокариотные сообщества, зачастую связанные синтрофическими отношениями. Основными компонентами ЦБМ являются фотосинтезирующие цианобактерии, факультативные аэробы и анаэробы, грибы. ЦБМ заселяют грунты после освобождения пространства от ледников, участвуют в почвообразовании и первыми реагируют на экологические изменения. Они приурочены к местам таяния льда, концентрации птиц и постоянного антропогенного загрязнения, в том числе и на удалении от объектов РАЭ. Поэтому ЦБМ могут включать в себя соли тяжелых металлов и нефтепродукты. Они являются динамичной системой и реагируют на любые изменения в состоянии окружающей среды.
Для повышения надежности экологических оценок различных видов загрязнения и прогнозов в отношении неблагоприятных последствий этих процессов необходимо использовать не один, а 3-5 методов биоиндикации. Причем в условиях Антарктиды такой выбор весьма ограничен. Поэтому чрезвычайно важно иметь возможность оценить состояние почвы Антарктиды по комплексу наиболее значимых показателей вместо разрозненных единичных данных.
Известно использование в качестве биологических индикаторов высших растений (фитоиндикация загрязнения атмосферного воздуха) [Неверова О.А. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды / О.А. Неверова // Биосфера. - Том №1. - №1. - 2009. - С.82-92], а также губок (индикация загрязнения воды) [Анакина Р.П. Губки - биологические индикаторы и оздоравливающие составляющие пресноводных экологических систем / Р.П. Анакина // Биосфера. - Том №2. - №3. - 2010. - С.397-408].
В связи с отсутствием высших растений на территории Антарктиды на роль биоиндикаторов загрязнения воздушной среды М.М. Андреевым [Андреев М.П., Курбатова Л.Е. Ботанические исследования на Южных Шетландских островах в сезоне 54-й РАЭ / М.П. Андреев, Л.Е. Курбатова // Российские полярные исследования. - №1. - 2012. - С.21-23; Андреев М.П., Курбатова Л.Е. Современные ботанические исследования российских ученых в континентальной Антарктике / М.П. Андреев, Л.Е. Курбатова // Российские полярные исследования. - №1. - 2012. - С.23-24] предложено использовать состояние лишайников.
Однако они не могут служить универсальными индикаторами для всех объектов РАЭ, поскольку в основном присутствуют вокруг полевой базы Беллинсгаузен. Описание немногочисленных видов губок озер Антарктиды носят скудный характер и для их изучения необходимы навыки погружений аквалангиста.
Поэтому к недостаткам вышеперечисленных биологических индикаторов необходимо отнести отсутствие универсальных индикаторов на прибрежных объектах РАЭ.
По мнению авторов такую роль могут выполнять цианобактериальные маты (ЦБМ).
Известно, что цианобактериальные маты могут накапливать в себе химические и биологические элементы окружающей среды, увеличиваясь при этом в объеме, становясь полихромными. Увеличение биологических включений в них приводит к снижению показателя pH ЦБМ. Поэтому всесторонняя оценка матов может помочь оценить уровень загрязнения объекта РАЭ. Цианобактериальные маты представлены в условиях Антарктиды повсеместно, а описание их характеристик не представляет технических сложностей.
Наиболее близким к заявляемому способу оценки загрязнения окружающей среды является оценка санитарного состояния почвы по микробиологическим показателям, представленная в МУ №1446-76. Однако в методических указаниях не учитываются данные о качественных и количественных показателях содержания микромицетов, хотя они являются неотъемлемой частью данного биоценоза и представлены в разном количестве и соотношении в ЦБМ в зависимости от степени загрязненности объекта.
Изобретение направлено на разработку способа объективной оценки антропогенного и орнитогенного загрязнения окружающей среды на территории расположения научных станций и полевых баз РАЭ Антарктиды и для контроля качества выполнения экологических, санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий при помощи универсального биологического индикатора - ЦБМ.
Технический результат от использования изобретения выражается в обеспечении повышенной точности, простоты и безопасности осуществления мониторинга за антропогенным и орнитогенным загрязнением.
Авторами предложено 3 варианта оценки:
1) по физико-химическим показателям матов;
2) по микробиологическим показателям;
3) по содержанию в них тяжелых металлов.
Согласно изобретению способ оценки антропогенного и орнитогенного загрязнения окружающей среды Антарктиды предусматривает использование в качестве биологических индикаторов ЦБМ по состоянию изменений, в которых делают вывод о загрязнении окружающей среды.
2
2
2
В образцах ЦБМ определяют физико-химические показатели, а вывод о степени загрязнения делают путем измерения площади, высоты мата, pH, описания его цвета, характеристики подстилающего грунта, наличия биологических включений, при этом если площадь мата составляет <1 м, высота <5 см, pH среды мата 6,5-9, цвет мата монохромный, подстилающий грунт не подвергнут антропогенному воздействию, биологических включений в матах нет, то почва оценивается как чистая; если площадь матов составляет 1-3 м, высота 5-10 см, pH среды мата 5-6,5, <50% площади матов отличается полихромностью, отмечается антропогенное воздействие без нарушения рельефа местности, наблюдаются биологические включения в виде перьев, погадок, бумаги, стройматериалов, то почва считается загрязненной; если площадь мата составляет >3 м, высота >10 см, pH среды мата 3-5, полихромность мата превышает 50% его площади, подстилающий грунт подвергнут антропогенному воздействию с нарушением рельефа местности и изменением водотока, отмечаются биологические включения в виде помета, костей животных и рыб, отходов из мусоросборников, тяжелого мусора, нефтепродуктов, фрагментов металла и строительного мусора, сточных вод, то такая почва считается сильно загрязненной.
Проведенные исследования физико-химических свойств ЦБМ позволили установить уровни загрязнения объектов РАЭ по значениям площади, высоты, цвета, pH ЦБМ, по характеристике подстилающего грунта и наличию биологических включений в них. Выбор значений параметров вытекает из Таблицы 1.
Согласно второму варианту способа в образцах ЦБМ определяют микробиологические показатели, а вывод о степени загрязнения делают путем количественной оценки содержания в матах энтеробактерий, псевдомонад и других нитрифицирующих бактерий, клостридий, термофильных микроорганизмов, микромицетов, причем если в образцах матов определяется энтеробактерий <1 KOE/г (колониеобразующих единиц), псевдомонад и других нитрифицирующих бактерий <10 KOE/г, клостридий <100 KOE/г, термофильных микроорганизмов <1000 KOE/г, микромицетов <1000 KOE/г, при этом в составе матов преобладают индигенные Coniosporium spp., Geomyces pannorum, Thelebolus microsporus, Thelebolus globosus, Phaeosclera dematioide, неспорулирующие и микроколониальные формы грибов, то такая почва считается чистой; если в образцах матов содержание энтеробактерий составляет 1-10 KOE/г, псевдомонад и других нитрифицирующих бактерий 10-1000 KOE/г, клостридий 100-10000 KOE/г, термофильных микроорганизмов 1000-100000 KOE/г, микромицетов 1000-2000 KOE/г, при этом в составе матов представлены индигенные и привнесенные Penicillium, Trichoderma, Cladosporium, Geomyces, то такая почва считается загрязненной; если в образцах матов содержится энтеробактерий >10 KOE/г, псевдомонад и других нитрифицирующих бактерий >1000 KOE/г, клостридий >10000 KOE/г, термофильных микроорганизмов >100000 KOE/г, микромицетов >2000 KOE/г, при этом в составе матов доминируют обитатели антропогенных субстратов с преобладанием Aspergillus, Cladosporium, Penicillium, Trichoderma, то такая почва считается сильно загрязненной.
Многочисленными исследованиями микробного пейзажа грунта Антарктиды было показано, что основными представителями являются энтеробактерии, псевдомонады, клостридии, термофильные микроорганизмы и микромицеты.
Выбор значений параметров вытекает из Таблицы 1.
Согласно третьему варианту способа в образцах ЦБМ определяют содержание тяжелых металлов (ртути (Hg), кадмия (Cd), свинца (Pb), мышьяка (As), цинка (Zn), никеля (Ni), кобальта (Со), хрома (Cr), молибдена (Мо), меди (Cu), сурьмы (Sb)), а вывод о степени загрязнения делают путем расчета суммарного показателя загрязнения по формуле Zc=Σ(Kci+…+Kcn)-(n-1), где Kci, … Kcn - отношение показателя найденного тяжелого металла в цианобактериальном мате к его фоновому значению, n - число определяемых суммируемых веществ, при этом, если суммарный показатель загрязнения Zc<16, то почва считается чистой; если Zc находится в пределах от 16 до 128, то почва считается загрязненной; если Zc>128, то такая почва считается сильно загрязненной.
Исследования, направленные на определение в ЦБМ тяжелых металлов, показали, что в условиях Антарктиды их концентрация и состав сильно отличаются в различных пунктах РАЭ. В связи с этим оценка по отдельным химическим показателям, предложенным в СанПиН 2.1.7.1287-03 будет затруднена. Более объективная характеристика будет получена при оценке загрязненности тяжелыми металлами в их суммарном показателе, как предложено в ГОСТ 17.4.3.06.-86 и МУ 2.1.7.730-99. Способы оценки, представленные в этих документах, могут служить аналогами заявляемому способу оценки загрязнения окружающей среды Антарктиды с условием, что содержание тяжелых металлов определяется не в почве, а в цианобактериальных матах, кумулирующих в себе загрязнители воздушной, водной и грунтовой среды.
Кроме того, использование всесторонней оценки загрязнения окружающей среды Антарктиды не предусмотрено ни одним имеющимся документом. Поэтому предлагаемый комплексный подход, включающий 3 варианта оценки, позволит более полно охарактеризовать состояние окружающей среды Антарктиды.
Данные, подтверждающие выбор критериев оценки санитарного состояния объекта ВАЭ по физико-химическим и микробиологическим характеристикам ЦВМ, представлены в Таблице 1.
Учитывая аккумулирующие свойства ЦБМ, возможно определять пороговые величины токсических веществ, которые в данной местности могут находиться в подпороговых количествах и располагаться неравномерно. В сводных данных по вышеперечисленным параметрам будут определяться критерии оценки санитарного состояния окружающей среды (почвы и воды) по микробиологическим и физико-химическим показателям (Таблица 2), что позволит прогнозировать влияние этих вредных воздействий на здоровье полярников и жизнь фауны. Полученные объективные параметры будут использоваться в составлении Предписаний руководству РАЭ для принятия управленческих решений.
Возможность сохранения матов при температуре бытового холодильника позволит продолжить их исследования в стационарных условиях для выявления покоящихся (некультивированных) форм бактерий, что может дать материал для прогноза активации патогенных бактерий во внешней среде. Именно с ними могут быть связаны механизмы сохранения возбудителей сапронозных инфекций в межэпидемические и межэпизоотические периоды, как и необъяснимая сегодня «внезапность» возникновения эпидемий и эпизоотии.
Изобретение реализуется следующим образом.
Часть физико-химических показателей оценивается на месте без изъятия образцов: высота, площадь цианобактериальных матов, цвет, характеристика подстилающего грунта, наличие биологических включений. Показатель pH среды мата определяется либо на месте, либо в лаборатории РАЭ после изъятия образца мата.
Микробиологические показатели определяются в условиях лаборатории на РАЭ согласно нормативным документам, предусматривающим выделение микроорганизма из объекта внешней среды. Отбор проб, их регистрация и исследование проводят в соответствии с установленными требованиями.
Содержание тяжелых металлов допускается определять в стационарной лаборатории после возвращения из научной экспедиции. Все показатели, полученные из каждой отдельной пробы, заносят в общую таблицу (Таблица 2) и дают оценку санитарного состояния каждого объекта РАЭ.
Примеры оценки антропогенного и орнитогенного загрязнения окружающей среды Антарктиды по состоянию цианобактериальных матов представлены в Таблице 2.
Таблица 1
Критерии оценки санитарного состояния объекта РАЭ по физико-химической и микробиологической характеристике ЦБМ
Оцениваемые показатели ЦБМ
Категория почвы
Чистая
Загрязненная
Сильно загрязненная
1. Физико-химическая характеристика матов:
Площадь (м<sup>2</sup>)
<1
1-3
>3
Высота (см)
<5
5-10
>10
Цвет (пигментообразование)
Монохромный*
Полихромный <50%
Полихромный >50%
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Не подвергнут антропогенному воздействию
Антропогенное воздействие без нарушения рельефа местности
Антропогенное воздействие с нарушением рельефа местности и изменением водотока
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Нет
Перья, погадки, бумага, стройматериалы
Помет, кости животных и рыб, отходы из мусоросборников, тяжелый мусор, нефтепродукты, фрагменты металла и строительного мусора, сточные воды
PH среды матов
6,5-9
5-6,5
3-5
2. Микробиологическая характеристика матов (КОЕ/г)
Энтеробактерии
<1
1-10
>10
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
<10
10-1000
>1000
Клостридии
<100
100-10000
>10000
Термофильные микроорганизмы
<1000
1000-100000
>100000
Микромицеты
<1000**
1000-2000***
>2000****
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
<16
16-128
>128
Примечания:
* в зависимости от подстилающего грунта
** в составе матов преобладают индигенные Coniosporium spp., Geomyces pannorum, Thelebolus microsporus, Thelebolus globosus, Phaeosclera dematioide, неспорулирующие и микроколониальные формы грибов
*** в составе матов представлены индигенные и привнесенные Penicillium, Trichoderma, Cladosporium, Geomyces
**** в составе матов доминируют обитатели антропогенных субстратов с преобладанием Aspergillus, Cladosporium, Penicillium, Trichoderma
***** Zc - суммарный показатель загрязнения. Расчитывается по формуле: Zc=Σ(Kci+…+Kcn)-(n-1), где Kci, … Kcn - отношение показателя найденного тяжелого металла в ЦБМ к его фоновому значению, n - число определяемых суммируемых веществ. Фоновые значения тяжелых металлов представлены в нормативно-технической документации (ГН 2.1.7.2041-06. ГН 2.1.7.2042-06. Москва 2006).
Таблица 2
Примеры оценки санитарного состояния объекта РАЭ по характеристике ЦБМ
Пример 1 - чистый объект.
Оцениваемые показатели ЦБМ
Результаты оценки
Полевая база Дружная-4S 69044,877′E 073042,417′ЦБМ с доминированием нитчатых водорослей, между камнями на склоне к дороге от станции
1. Физико-химическая характеристика матов:
Площадь (м<sup>2</sup>)
1
Высота (см)
3
Цвет (пигментообразование)
Монохромный (зеленый)
<img file="00000001.tif" he="55" wi="72" img-content="undefined" img-format="tif" />
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Не подвергнут антропогенному воздействию
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Нет
PH среды матов
7
2. Микробиологическая характеристика матов (KOE/г)
Энтеробактерии
0
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
5
Клостридии
0
Термофильные микроорганизмы
500
Микромицеты
900
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
12
Пример 2 - загрязненный объект
1. Физико-химическая характеристика матов:
Станция ПрогрессS 69022,976′E 076024,009′Орнитофильное местообитание, грунт с зачаточными мхами и водорослями
Площадь (м<sup>2</sup>)
3
Высота (см)
5
Цвет (пигментообразование)
Полихромный (<50%)
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Антропогенное воздействие без нарушения рельефа местности
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Перья, погадки, стройматериалы
PH среды матов
6
2. Микробиологическая характеристика матов (КОЕ/г)
Энтеробактерии
10
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
1000
Клостридии
500
<img file="00000002.tif" he="54" wi="71" img-content="undefined" img-format="tif" />
Термофильные микроорганизмы
10000
Микромицеты
1300
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
30
Пример 3 - загрязненный объект
1. Физико-химическая характеристика матов:
Станция Мирный
Площадь (м<sup>2</sup>)
3
S 66031,817'
Высота (см)
10
E 092059,463'
Цвет (пигментообразование)
Полихромный (<50%)
Остров Хасуэл, недалеко от колоний пингвинов
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Антропогенное воздействие без нарушения рельефа местности
<img file="00000003.tif" he="54" wi="73" img-content="undefined" img-format="tif" />
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Перья, погадки, стройматериалы
PH среды матов
5,5
2. Микробиологическая характеристика матов (KOE/г)
Энтеробактерии
10
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
500
Клостридии
1000
Термофильные микроорганизмы
10000
Микромицеты
2000
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
56
1. Физико-химическая характеристика матов:
Пример 4 - загрязненный объект
Площадь (м<sup>2</sup>)
3
Полевая база Дружная-4
Высота (см)
8
S 69044,877′
Цвет (пигментообразование)
Полихромный (50%)
E 073042,417′
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Антропогенное воздействие без нарушения рельефа местности
ЦБМ на склоне к дороге от станции
<img file="00000004.tif" he="54" wi="73" img-content="undefined" img-format="tif" />
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Перья, погадки, отходы горюче-смазочных материалов
PH среды матов
5
2. Микробиологическая характеристика матов (KOE/г)
Энтеробактерии
5
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
1000
Клостридии
1000
Термофильные микроорганизмы
100000
Микромицеты
2000
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
120
Пример 5 - сильно загрязненный объект
1. Физико-химическая характеристика матов:
Площадь (м<sup>2</sup>)
10
Станция Прогресс
Высота (см)
15
S 69023,128'E 076023,367′Поверхностный слой первично почвы с ЦБМ, в понижении рельефа, по ручью
Цвет (пигментообразование)
Полихромный (>50%)
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Антропогенное воздействие с нарушением рельефа местности и изменением водотока
<img file="00000005.tif" he="57" wi="72" img-content="undefined" img-format="tif" />
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Помет, кости животных и рыб, отходы из мусоросборников, нефтепродукты, сточные воды.
PH среды матов
4,5
2. Микробиологическая характеристика матов (KOE/г)
Энтеробактерии
100
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
5000
Клостридии
20000
Термофильные микроорганизмы
500000
Микромицеты
3000
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
140
Пример 6 - сильно загрязненный объект
1. Физико-химическая характеристика матов:
Площадь (м<sup>2</sup>)
15
Станция Мирный
Высота (см)
25
S 66031,784′E 092059,501′
Цвет (пигментообразование)
Полихромный (>50%)
Остров Хасуэл, грунт из глубокой трещины в породе, толстый слой, покрытый ЦБМ, следы пингвинов
Характеристика подстилающего грунта в зависимости от антропогенного воздействия
Антропогенное воздействие с нарушением рельефа местности и изменением водотока
<img file="00000006.tif" he="55" wi="72" img-content="undefined" img-format="tif" />
Наличие биологических включений (орнитогенных, антропогенных)
Помет, кости животных и рыб, отходы от нефтепродуктов, сточных вод.
PH среды матов
4,5
2. Микробиологическая характеристика матов (KOE/г)
Энтеробактерии
50
Псевдомонады и др. нитрифицирующие бактерии
2000
Клостридии
20000
Термофильные микроорганизмы
100000
Микромицеты
3500
3. Характеристика загрязнения тяжелыми металлами (Zc)*****
140