Регистрация / Вход
Прислать материал

Применение метода расчета локальных экологических норм для определения влияния содержания тяжелых металлов на дыхание почв провинции Павия (Италия)

Сведения об участнике
ФИО
Коновалов Алексей Глебович
ФИО (на английском языке)
Konovalov Aleksey Glebovich
Название организации
МГУ им. М.В. Ломоносова
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Методология биодиагностики
Название доклада
Применение метода расчета локальных экологических норм для определения влияния содержания тяжелых металлов на дыхание почв провинции Павия (Италия)
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Дмитрий Рисник, биологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова
Аннотация
В работе был апробирован метод локальных экологических норм как альтернатива концепции предельно допустимых концентраций (ПДК), лежащей в основе системы экологического нормирования в России. Метод ЛЭН позволяет рассчитать величины границ нормы индикаторов (ГНИ) и границ нормы факторов (ГНФ). Границы норм индикаторов разделяют классы качества окружающей среды по уровню благополучия по биологическим показателям, границы норм факторов – классы с различной степенью допустимости и недопустимости значений фактора. В работе были использованы данные по биологическим и физико-химическим показателям состояния почв, полученные итальянскими учеными при работе над "проектом Павия" в 2004-2005 гг. “Проект Павия” – это проект комплексной оценки экологического состояния почв в итальянской провинции Павия, принадлежащей региону Ломбардия. В качестве биоиндикаторов рассмотрены следующие показатели качества почв: базальное дыхание Cбаз, биомасса микроорганизмов, метаболический коэффициент, коэффициент минерализации. В качестве факторов были использованы концентрации в почвах тяжёлых металлов – Mn, Hg, Co, Cu, Cr, Pb, Zn, Cd, As, Ni. Для всех индикаторов и факторов были установлены нижние границы нормы. По всем факторам, за исключением содержания кобальта, установленные границы нормы не противоречат нормативам, т.е. метод ЛЭН позволил дополнить нормативы нижней границей зоны толерантности. По итогам работы можно сделать вывод о том, что метод локальных экологических норм хорошо подходит для определения границ норм для содержания тяжёлых металлов и металлоидов. Основными эффективными почвенными биоиндикаторами из апробированных в работе выступают показатели почвенного дыхания и минерализации органического вещества, что отражает чувствительность почвенного микробоценоза к содержанию тяжёлых металлов и металлоидов. Использование метода ЛЭН помогает преодолевать некоторые недостатки концепции ПДК и традиционных методов статистического анализа.
Ключевые слова
ПДК, ЛЭН, ГНИ, ГНФ, биоиндикаторы, факторы, тяжёлые металлы, почвы, почвенное дыхание, минерализация.
Введение

Вопросы экологического нормирования почв являются одним из приоритетных направлений деятельности в сфере охраны окружающей среды, но на сегодняшний день действующая в России система нормирования имеет некоторые недостатки. В основе её лежат ПДК (предельно допустимые концентрации), которые и являются санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды.

Концепция предельно допустимых концентраций сталкивается с рядом трудностей, заставляющих усомниться в её эффективности [1]:

1) Экстраполяция нормативов ПДК на реальные природные объекты не всегда правомерна.

2) Нормативы ПДК применяют как единые нормативы для значительных административных территорий, поэтому они не могут охватить и учесть специфику функционирования экосистем в различных природно-климатических зонах и биогеохимических провинциях.

3) Существующие списки нормативов ПДК не содержат многие вещества: канцерогены, мутагены, некоторые радиоактивные загрязнения, и т.п.

4) Возможна ошибочная оценка ПДК высококумулятивных веществ, ввиду кратковременности лабораторного изучения.

5) При обосновании ПДК не учтён разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ [2].

6) Нормативы ПДК не учитывают многообразие форм химических компонентов.

7) Не учтено, что токсическое воздействие многих веществ существенно меняется в зависимости от условий среды, таких как температура, рН и др.

8) Если в лабораторных опытах на тестовую популяцию воздействует единственный испытуемый фактор и предполагается, что действие остальных не приводит к неблагополучию, то в природных экосистемах нет изолированного действия факторов, т.е. все они одновременно влияют на каждую из биологических характеристик и могут совместно приводить к неблагополучию.

9) Существующие методы определения ПДК предусматривают расчет лишь максимально допустимых нагрузок на испытуемые популяции, в то время как к неблагополучию биоты могут и слишком низкие значения некоторых факторов [3].

10) Кроме химических веществ, негативное влияние на биологические организмы, и человека в частности, оказывают многие другие факторы, например, тепловое, радиационное, электромагнитное, шумовое или биологическое загрязнения, определением ПДК для которых никто не занимается.

Методы и материалы

Материалы

В работе были использованы данные по биологическим и физико-химическим показателям состояния почв, полученные итальянскими учеными при работе над "проектом Павия" в 2004-2005 гг. “Проект Павия” – это проект комплексной оценки экологического состояния почв в итальянской провинции Павия, принадлежащей региону Ломбардия.

Мониторинг состояния почв включал определение содержания тяжёлых металлов и металлоидов, макроэлементов, элементов-биогенов, показателей дыхания и микробиологического состояния почв (коэффициент минерализации, кумулятивное дыхание, базальное дыхание, метаболический коэффициент, биомассу микроорганизмов в пересчёте на углерод) [4].

В ходе исследования были проведены 3 мониторинговые кампании. Для их проведения была использована мониторинговая сеть LUCAS  (Land Use Cover Area from Statistical Survey) с ячейками 18x18 км. Нами были использованы данные по 2 и 3 кампаниям. В ходе второй кампании было отобрано в пределах регулярной сети 34 пробы, в ходе третьей – 116, причём в третьей кампании пробы отбирали в пределах шести областей провинции с максимальным уровнем промышленной нагрузки. Пробы отбирали методом конверта с квадратов 5x5 метров с поверхности до 30 см.

В качестве негативных факторов рассмотрены концентрации тяжелых металлов и металлоидов: As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn (в мг/кг почвы), кроме того, определяли содержание  алюминия в %.

В качестве биоиндикаторов рассмотрены следующие показатели качества почв:

1. Базальное дыхание Cбаз – равновесная скорость дыхания почвы, которая является следствием минерализации органического вещества в почве (мг C-CO2/кг почвы в день). Величина Cбаз может быть интерпретирована как минимальная скорость метаболизма, необходимая для поддержания функционирования организма.

2. Биомасса микроорганизмов в пересчёте на углерод Cмик (мг/кг почвы).

3. Метаболический коэффициент qCO2 (мг C-CO2 в час / мг биомассы микроорганизмов), показывает степень эффективности ассимиляции пулом микроорганизмов доступного органического вещества, единица измерения (qCO2 = Cбаз / Cмик / 24). Этот показатель тем выше, чем ниже эффективность ассимиляции.

4. Коэффициент минерализации qM ­­­­– отношение суммарного базального дыхания за период исследования к содержанию суммарного органического углерода в почве [5].

 

Методы

Как альтернатива концепции ПДК в работе рассмотрен метод локальных экологических норм (метод ЛЭН). Метод ЛЭН позволяет [6, 7, 8]:

- выявить существенные для экологического неблагополучия факторы среды,

- ранжировать их по вкладу в частоту случаев неблагополучия,

- рассчитать величины границ нормы индикаторов (ГНИ) и границ нормы факторов (ГНФ). Границы норм индикаторов разделяют классы качества окружающей среды по уровню благополучия по биологическим показателям, границы норм факторов – классы с различной степенью допустимости и недопустимости значений фактора,

- оценить достаточность программ наблюдения за потенциально опасными факторами среды,

- сопоставить индикационный потенциал различных биологических характеристик.

Различные значения индикаторной характеристики соответствуют различным уровням благополучия-неблагополучия или, другими словами, принадлежат различным классам качества окружающей среды по биологическим показателям. Исключительно важная черта in_situ-методологии состоит в том, что, назначая биоиндикатор, специалист априорно не указывает границы между этими классами качества. Значения ГНИ представляют один из главных результатов совместного анализа биологических и физико-химических данных.

Второй главный результат применения in_situ-методологии – границы нормы для факторов окружающей среды (ГНФ), которые играют роль границ классов качества окружающей среды по физико-химическим показателям.

Метод ЛЭН основан на компьютерном анализе взаимного распределения биологических и физико-химических характеристик, а именно на поиске таких ГНФ и ГНИ, чтобы благополучные значения индикатора соответствовали допустимым значениям фактора, а недопустимые значения фактора – неблагополучным значениям индикатора.

 

Для неблагополучия низких значений индикатора и недопустимости низких значений факторов, положение границ проиллюстрировано на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Классы значений индикаторы и фактора при одновременном воздействии нескольких факторов среды. Области ''а'', ''b'', ''c'', ''d'' обозначают качественные классы на диаграмме: ''а'' – благополучие индикатора при допустимых значениях фактора, ''b'' – благополучные значения индикатора при недопустимых значениях, ''с'' – неблагополучие индикатора при допустимых значениях фактора, ''d'' – неблагополучие индикатора при недопустимых значениях.

 

Если выбранная биологическая характеристика действительно является индикатором, то область ''b'' на диаграмме должна быть пустой, поскольку благополучие индикатора при недопустимых значениях фактора невозможно. При рассмотрении воздействия одного фактора область ''с'' также должна быть пустой, однако в реальной ситуации к неблагополучию индикатора может приводить совокупное действие других факторов среды.

Полученные результаты

Для каждой кампании все индикаторы были упорядочены, по критерию количества значимых факторов и по критерию достаточности. Достаточность – доля наблюдений, недопустимых хотя бы по одному из факторов, участвующих в анализе, среди всех наблюдений, неблагополучных по индикатору. Ещё одной важной характеристикой, описывающей вклад фактора в степень неблагополучия конкретного индикатора, является полнота. Полнота – доля наблюдений, недопустимых по заданному фактору и неблагополучных по заданному индикатору, среди всех неблагополучных по этому индикатору наблюдений.

В таблицах 1 и 2 приведены границы ГНИ и ГНФ по сводным данным по 2-й и 3-й пробоотборным кампаниям. Уровень значимости результатов α = 0.05, количество точек в выборке – 149.

 

Таблица 1. Области нормы индикаторов и достаточность программы наблюдений для отражения причин неблагополучия.

Индикатор

Область нормы по индикатору

Достаточность программы наблюдений

Число значимых факторов

Cмик

>157.1

0.95

10

Cбаз

>11.3

0.90

10

qM

>2.45

0.82

8

qCO2

>0.4

0.60

2

 

Таблица 2. Области нормы факторов и полноты их вклада в неблагополучие индикаторов.

Индикатор

Фактор

Область нормы по фактору

Полнота

Индикатор

Фактор

Область нормы по фактору

Полнота

Cмик

Co, мг/кг

>10.5

0.70

Cбаз

Zn, мг/кг

>74

0.55

Cu, мг/кг

>25.7

0.65

Cu, мг/кг

>22.4

0.54

Cr, мг/кг

>67

0.61

Pb, мг/кг

>17.8

0.45

Zn, мг/кг

>75

0.60

Ni, мг/кг

>27

0.40

Ni, мг/кг

>34

0.55

Cr, мг/кг

>48

0.38

Cd, мг/кг

>0.2

0.52

Al, %

>4.3

0.34

Mn, мг/кг

>381

0.50

Cd, мг/кг

>0.15

0.32

Al, %

>4.7

0.44

Hg, мг/кг

>0.05

0.32

As, мг/кг

>7.2

0.40

As, мг/кг

>5.9

0.30

Pb, мг/кг

>15.9

0.30

Co, мг/кг

>6.4

0.30

qM

Al, %

>5.3

0.57

qCO2

Co, мг/кг

<12.9

0.44

Cr, мг/кг

>64

0.57

Al, %

<6

0.40

Cu, мг/кг

>24.1

0.57

 

Mn, мг/кг

>378

0.50

As, мг/кг

>7.2

0.39

Ni, мг/кг

>26

0.38

Cd, мг/кг

>0.17

0.35

Zn, мг/кг

>60

0.32

         Из таблицы 1 видно, что биомасса микроорганизмов и базальное дыхание более чувствительны к концентрациям тяжёлых металлов, и для этих же факторов характерна наибольшая достаточность программы наблюдений.

Таблицу 2 необходимо читать следующим образом: значения концентрации никеля ниже 27 мг/кг приводят к снижению базального дыхания ниже 11,3 мг C-CO2/кг почвы в день, 40% неблагополучных значений индикатора сопряжены с негативными значениями концентрации никеля.

Проведено сравнение полученных границ с отечественными и зарубежными нормативами.

Для ряда тяжёлых металлов в России имеются установленные нормативы ПДК (для валового содержания в почве) [9].

Устойчивость почвы к воздействию тяжёлых металлов в набольшей степени определяют кислотно-щелочные условия и гранулометрический состав. Для различных сочетаний гранулометрического состава и кислотности среды в России установлены различные нормативы ОДК [10].

         В Италии Министерством окружающей среды также были установлены нормативы содержания ряда тяжёлых металлов в почвах [11].

 Установленные нами границы норм укладываются в диапазон средних значений для почв Италии [12].

В работе Водяницкого [13] утверждается, что при невысоком загрязнении, когда почва еще сохраняет растительность, тяжелые металлы (в первую очередь Cr), стимулируя микробиологическую активность, усиливают дыхание почвы и выделение СО2. Это совпадает с тем, что для базального дыхания выявлены нижние ГНФ ряда тяжёлых металлов, т.е. их снижение содержания ниже определённого порога приводит к снижению уровня почвенного дыхания.

Данные по существующим нормативам и ГНФ, полученные при помощи метода ЛЭН приведены в табл. 3. Поскольку исследуемые почвы имеют суглинистый гранулометрический состав с pH близким к нейтральному в таблице приведены ОДК для почв с аналогичными свойствами.

 

Таблица 3. Сопоставление нормы содержания тяжёлых металлов в почвах и границ области нормы факторов (усредненные по разным индикаторам).

Перечень элементов

ПДК [9]

ОДК для суглинистых почв, pHKCl > 5,5 [10]

Нормативы для почв Италии [11]

Область нормы по фактору

Mn, мг/кг

1500

 

 

>380

Hg, мг/кг

2.1

 

 

>0.05

Co, мг/кг

5

 

 

(6.4-10.5;12.9)

Cu, мг/кг

 

132

120

>22.4-25.7

Cr, мг/кг

 

 

120

>48-67

Pb, мг/кг

32

130

100

>15,9-17,8

Zn, мг/кг

 

220

150

>60-75

Cd, мг/кг

 

2

 

>0.15-0.20

As, мг/кг

 

10

 

>5.9-7.2

Ni, мг/кг

 

80

 

>26-34

 

По всем факторам, за исключением содержания кобальта, установленные границы нормы не противоречат нормативам, т.е. метод ЛЭН позволил дополнить нормативы нижней границей зоны толерантности. Однако границы нормы фактора по кобальту противоречат действующим ПДК, это может быть обусловлено тем, что ПДК для кобальта взята для подвижной формы, а не для валового содержания, как у остальных элементов в таблице.

Заключение

По итогам работы можно сделать вывод о том, что метод локальных экологических норм хорошо подходит для определения границ норм для содержания тяжёлых металлов и металлоидов. Основными эффективными почвенными биоиндикаторами из апробированных в работе выступают показатели почвенного дыхания и минерализации органического вещества, что отражает чувствительность почвенного микробоценоза к содержанию тяжёлых металлов и металлоидов. Использование метода ЛЭН помогает преодолевать некоторые недостатки концепции ПДК и традиционных методов статистического анализа.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект № 16-04-01024).

Цитируемая литература
1. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. Теоретические и методические основы технологии регионального контроля природной среды по данным экологического мониторинга. М.: НИА-Природа, 2004. – 271 с.
2. Фрумин Г.Т. Экологически допустимые уровни воздействия металлами на водные экосистемы // Биол. внутр. вод, 2000. № 1. С. 125–131.
3. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н., Фурсова П.В. Insitu-методология оценки качества среды обитания: Основные положения // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2012; 6: С. 35–37.
4. Roberto M. Cenci, Fabrizio Sena. Dioxins, Trace elements, bioindicators and biodiversity on soil. EUR 23935 EN – Joint Research Centre – Institute for Environment and Sustainability, 2009.
5. Moscatelli M.C., Lagomarsino A., Marinari S., De Angelis P. et al. Soil microbial indices as bioindicators of environmental changes in a poplar plantation. Ecological Indicators, 2005. V. 5, pp. 171–179.
6. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н., Рисник Д.В. "In situ"-технология установления ло-кальных экологических норм // Вопросы экологического нормирования и разработка системы оценки состояния водоемов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2011. – С. 32-57.
7. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н., Фурсова П.В. Insitu-методология оценки качества среды обитания: основные положения // Использование и охрана природных ресурсов в Рос-сии. 2012. № 6. – С. 35-37.
8. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Рисник Д.В. и др. Поиск связей между биологическими и физико-химическими характеристиками экосистемы Рыбинского водохранилища. Часть 3. Расчет гра-ниц классов качества вод // Компьютерные исследования и моделирование, 2013. Т. 5. № 3. – С. 451−471.
9. ГН 2.1.7.2041-06 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.
10. ГН 2.1.7.2042-06 Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве.
11. Imperato M., Adamo, P., Naimo D., Arienzo M. Spatial distribution of heavy metals in urban soils of Naples city (Italy). Environmental Pollution, 2003. V. 124, pp. 247–256.
12. Abollino O., Aceto M., Malandrino M., Mentasti E. et al. Heavy metals in agricultural soils from Piedmont, Italy. Distribution, speciation and chemometric data treatment. Chemosphere. 2002 Nov;49(6):545-57.
13. Водяницкий Ю.Н. Загрязнение почв тяжёлыми металлами и металлоидами и их экологическая опасность (аналитический обзор). // Почвоведение. 2013. №7. ¬¬¬– С. 872-881.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Application of local ecological norms method for determination of soil heavy metals content influence on respiration of soils of Province Pavia (Italy).

Aleksey Konovalov, Dmitry Risnik.

The method of local ecological norms was used in the research as an alternative of maximum available concentrations conception on which russian system of ecological regulation is based. This method allows to calculate the values of boundaries of indicator’s norm and boundaries of factors norm. Boundaries of indicators norm divide the classes of environment quality by the level of biological indices well-being, boundaries of factors norm divide the classes of different degree of factor values acceptability or non-unacceptability. In the research there were used the data of biological, physical and chemical indices of soil quality obtained by Italian scientists during the work on “Pavia” Project in 2004-2005. This project is a project of complex monitoring of soil ecological condition of Italian province Pavia.

Basal respiration, soil microbial biomass, metabolic quotient and mineralization quotient were taken as soil bioindicators. Mn, Hg, Co, Cu, Cr, Pb, Zn, Cd, As, Ni soil concentration were taken as factors. Lower norm boundaries were determined for all indicators and factors. The determined norm boundaries of all factors except Co don’t contradict established by law standards, so the method of local ecological norms complemented the standards with the lower boundaries of tolerance zone.

To conclude we can say that the local ecological norms method is well applicable for determination of norms boundaries of heavy metals and metalloids. The main effective soil bioindicators from used in the research are soil basal respiration and mineralization quotient. This fact reflects the sensibility of microbial cenosis to heavy metals and metalloids concentration. The usage of local ecological norms method helps to overcome the disadvantages of maximum available concentrations conception and of some conventional statistic analysis methods.