Методические подходы определения санитарно-гигиенических показателей окружающей среды (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Д.Н. Федорин, А.Т. Епринцев

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Учебно-методическое пособие для вузов

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2012

Утверждено научно-методическим советом биолого-почвенного факультета 9 июня 2011 г., протокол № 8

Рецензент кандидат биологических наук И.А. Колтаков

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре биохимии и физиологии клетки биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета всех форм обучения.

Для специальности 020801 – Экология

2

3

Введение

Стандарты качества окружающей среды – это совокупность единых требований к состоянию природных и промышленных объектов. В них предусмотрены меры, позволяющие обеспечить оптимальное состояние окружающей среды, ее качество и состоящие из технических, экономических, организационных норм, определяющих качественные параметры окружающей среды.

В качестве критериев оценки состояния окружающей среды служат показатели естественного ненарушенного состояния природных комплексов или фоновые параметры среды. Нормативные показатели, характеризующие меру возможного воздействия на природу, устанавливают на основе специальных исследований или в результате экспертных оценок. Исключить попадание вредных веществ в окружающую среду в силу экономических и технологических причин невозможно, поэтому приходится вводить нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ. Все существующие нормы ПДК представляют собой компромисс между допустимым и реально существующим уровнем загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы. Нормативные показатели, использующиеся для мониторинга, делятся на две основные группы: санитарно-гигиенические и экологические.

Санитарно-гигиенические показатели устанавливаются исходя из требований экологической безопасности населения, но они не учитывают реакции других организмов на загрязнение. Поэтому для оценки состояния природной среды используют также экологические критерии, которые рассматриваются как мера антропогенного воздействия на экосистемы и ландшафты. К ним относятся индикаторы состояния воздуха, вод, почв и биогеоценотического покрова в целом, а также важное место занимают биоиндикаторы. Сочетание разнообразных критериев дает возможность получить комплексную оценку экологической ситуации. Существует много подходов к решению данной задачи, но в целом поиск комплексных показателей состояния окружающей среды остается сложной и до конца не решенной задачей.

§ 1. ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПОЧВЫ

Контроль за санитарным состоянием почвы включает проведение са- нитарно-физико-химических, санитарно-энтомологических, санитарногельминтологических, санитарно-бактериологических и вирусологических исследований.

Общие принципы нормирования химических загрязняющих веществ в объектах окружающей среды изложены в «Методических рекомендациях по

4

гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве», утвержденных Минздравом СССР в 1982 г.

Санитарно-гигиеническое нормирование учитывает четыре показателя:

–транслокационный (переход загрязняющих веществ из почвы в растения через корневую систему);

–миграционный водный;

–миграционный воздушный;

–общесанитарный (влияние загрязняющего вещества на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность).

Загрязненность почвы органическими веществами, в частности отходами производств химических продуктов из углеводородов нефти и газа, оценивают по комплексному показателю «санитарное число», представляющему собой отношение количеств почвенного белкового и органического азота:

Нормирование содержания вредных веществ в почве предполагает установление таких концентраций, при которых содержание вредных веществ в контактирующих средах не превышает ПДК для водоема и воздуха, а в выращиваемых культурах – допустимых остаточных количеств. В соответствии с методическими рекомендациями нормирование включает три основных направления исследований. Первое направление – определение максимально допустимой концентрации вещества в почве с точки зрения токсикологического действия на человека. Эта концентрация должна гарантировать накопление вещества в выращиваемых культурах не выше допустимого остаточного количества, а попадание его в воздушную среду и грунтовые воды – не выше ПДК. Второе направление – установление органолептических свойств растений, выращиваемых на данной почве, а также воды и атмосферного воздуха. Третье направление – изучение характера и интенсивности действия вещества на процессы самоочищения, протекающие в почве.

Из найденных пороговых концентраций выбирают наименьшую, которую и принимают как предельно допустимую. Исследования проводят в лабораторных условиях с модельными почвами и растениями, а полученные результаты уточняют в полевом эксперименте или в натуральных условиях.

По степени опасности вещества, загрязняющие почву, подразделяют на три класса:

5

1)высокоопасные;

2)умеренно опасные;

3)малоопасные.

Класс опасности определяют не менее чем по трем показателям в соответствии с ГОСТом 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».

Работа 1. Определение основных токсикологических параметров при действии солей тяжелых металлов на развитие организма

Основы метода

Одной из важнейших задач токсикологии является определение токсикологических параметров вредных веществ, т. е. ПДК и ЛД50 (или CL50). Они необходимы для сопоставления с найденными в результате анализов количества (концентрации) вредного вещества и определения степени возможного ущерба, наносимого здоровью этим токсикантом.

Данная работа позволяет на примере растений получить значение ПДК и ЛД50 для различных токсикантов на примере солей тяжелых металлов.

Оборудование, реактивы, материалы: 1) чашки Петри; 2) цилиндры; 3) пробирки; 4) соли тяжелых металлов; 5) семена растений.

Ход работы

Взвешивается навеска соли для приготовления первоначального раствора (1 М) и растворяется в расчетном количестве дистиллированной воды. Методом последовательных разбавлений дистиллированной водой приготавливают растворы с концентрацией 0,3 М, 0,1 М, 0,03 М, 0,01 М, 0,003

М, 0,001 М, 0,0003 М, 0,0001 М, 0,00003 М, 0,000001 М и т. д., с тем, чтобы охватить достаточно большой диапазон концентраций исследуемого вещества. Приготовленные растворы, а также в качестве контроля дистиллированная вода наливаются в чашки Петри по 5 мл, затем туда же помещаются вырезанные кружки фильтровальной бумаги (в случае последующего анализа состава воды после эксперимента они не вкладываются). Отсчитываются семена редиски или другого растения с коротким временем прорастания и помещаются в количестве 50 или 100 семян в каждую чашку Петри. Каждый вариант готовится в трех повторностях.

Чашки Петри закрываются крышками и помещаются в темное место. По мере высыхания в них добавляются порции дистиллированной воды до первоначального объема. Через 7–8 дней производят подсчет проросших семян (степень прорастания), длину корешков, вес растений, предварительно подсушенных фильтровальной бумагой.

6

Полученные результаты записываются в табл. 1, и на их основании строится график.

Т а б л и ц а 1

Рис. 1. Графический метод определения основных токсикологических показателей загрязняющих веществ

На рис. 1 изображена кривая влияния фактора на прорастание семян. Видно, что по мере увеличения концентрации вещества уменьшается величина прорастания семян. На рис. 1 приведены методы определения ПДК как точки пересечения линии, параллельной оси абсцисс, и продолжения кривой зависимости. ЛД50 определяется как концентрация, при которой наблюдается половинное прорастание семян.

Работа 2. Влияние солей тяжелых металлов на активность микроорганизмов почвы

Основы метода

Одно из самых важных мест в почвенных экосистемах занимают микроорганизмы. Они являются последней степенью в большинстве пищевых цепей, т. е. суть редуценты. Такие организмы, как плесневые грибки, используют в качестве пищи органические вещества остатков от растений и животных, минерализуя их, делая доступным для растений различные элементы. Тяжелые металлы могут сильно ингибировать их активность.

7

Оборудование, реактивы, материалы: 1) чашки Петри; 2) цилиндры; 3) пробирки; 4) раствор соли тяжелого металла с концентрацией 0,5 М; 5) фильтровальная бумага; 6) образец почвы.

Ход работы

Из первоначального раствора соли тяжелого металла методом последовательных разбавлений в пять раз готовят растворы с концентрацией 0,1 М, 0,02 М, 0,004 М, 0,0008 М, 0,00016 М, 0,000032 М и воды в качестве кон-

троля. 8 мл этих растворов добавляются в чашки Петри, содержащие слой почвы 0,5 см. Поверх почвы накладывают кружок из фильтровальной бумаги. Чашки Петри устанавливаются в темное место, и регулярно поверхность бумаги смачивается, чтобы избежать высыхания. Эксперимент продолжается до тех пор, пока в контрольном варианте желтая плесень грибков Aspergillus или темно-зеленая Trichoderma не займут большую часть бумажного кружка.

Тогда кружки бумаги вынимают, осторожно освобождая от комочков почвы. Плесневые грибки в ходе своей жизнедеятельности выделяют различные окрашенные вещества, поглощаемые бумагой, и по размеру окрашивания можно судить об активности плесневых грибков. Изображение пятен переносится на кальку, и определяется площадь окрашивания.

На основании полученных результатов составляется график зависимости активности микроорганизмов от концентрации тяжелых металлов в почве (рис. 2).

Рис 2. График зависимости площади колоний микроорганизмов от концентрации тяжелых металлов в среде культивирования

Работа3. Микробиологическийанализпочвы

Основы метода

Почва – наиболее благоприятная среда для развития микроорганизмов. Этому способствуют наличие питательных веществ, влаги, защищенность от солнечного света. В 1 г почвы может содержаться от нескольких миллионов до

8

десятков миллиардов микробов. О росте микроорганизмов в естественных субстратах или в питательных средах судят по изменению количества их клетокили биомассы вединице объема.

В основе метода Коха (метод высева на плотные питательные среды) лежит принцип Коха, согласно которому каждая колония является потомством одной клетки. Это позволяет на основании числа колоний, выросших после посева на плотную питательную среду определенного объема исследуемой суспензии, судить об исходном содержании в ней клеток микроорганизмов. Результаты количественного определения микроорганизмов, проведенного по методу Коха, часто выражают не в числе клеток, а в условных единицах, так называемых колониеобразующих единицах (КОЕ).

Определение числа микроорганизмов этим методом включает три этапа: приготовление разведений; посев на плотную среду в чашки Петри; подсчет выросших колоний.

Для микробиологического анализа исследуемого участка берут среднюю пробу почвы (по диагонали участка в 4–5 точках) весом не менее 1 кг. Отбор проб проводят стерильным буром, лопатой или ножом в стерильные полиэтиленовые мешки или стеклянные банки с корковыми пробками. Анализ необходимо проводить в день взятия пробы. Хранение, даже непродолжительное, может привести к изменениям в количественном и качественном составе микроорганизмов. В случае острой необходимости хранить образцы можно непродолжительное время в холодильнике при +4 – +5 °С. Параллельно с микробиологическим анализом проводят определение содержания воды в пробе, так какконечныйрезультатрассчитываютна1 габсолютно сухой почвы.

При использовании метода агаровых пластинок для количественного учета микробов 1 г почвы разводят стерильной водой в 10 000–100 000 раз для удобства подсчета развившихся колоний.

Оборудование, реактивы, материалы: 1) весы; 2) разновесы; 3) почва в стаканчике; 4) шпатель; 5) калька для взвешивания: 2 колбы с 99 мл стерильной водопроводной воды (воду предварительно прокипятить, отстоять, слить); 6) 2 пробирки с 9 мл стерильной водопроводной воды; 7) 5 стерильных пипеток на 1 мл, карандаш по стеклу; 8) пинцет; 9) спиртовка; 10) спички; 11) 1 пробирка с РПА (расплавленным); 12) стекла предметные; 13) колба с 45 мл стерильной воды; 14) стерильная пипетка на 1 мл градуированная; 15) спирт; 16) карболовый эритрозин; 17) иммерсионное масло; 18) линейка илиполоскимиллиметровойбумаги(10 см).

Ход работы

Приготовление почвенной болтушки при разведении 1:10 000. Взвесив на часовом стекле 1 г почвы на технических весах, вносят ее в колбу с 99 мл стерильной воды и взбалтывают в течение 3–5 мин, не смачивая ватной пробки. После отстаивания в течение 2 мин стерильной пипеткой берут 1 мл поч-

9

венной болтушки и переносят в пробирку с 9 мл стерильной воды (пробирка № 1), также перемешивают 1 мин, дают отстояться 30 с, после чего из пробирки № 1 берут 1 мл почвенной болтушки и переносят в пробирку № 2 с 9 мл стерильной воды и т. д.

Схема разведения в 10 000 раз:

1 гпочвы+ 99 млводы →100 мл(разведение1:100) 1 мл + 9 мл воды 10 мл (разведение 1:1000)

1 мл+ 9 мл воды 10 мл (1:10 000) 1 мл (вчашку Петри)

В некоторых случаях заменяют два последних разведения (по 9 мл) на одно в 99 мл Н2О (в колбе). Получив нужное разведение (в 10 000–100 000 раз и более), берут из этого последнего разведения 1 мл почвенной болтушки и вносят в стерильную чашку Петри. Затем в ту же чашку Петри выливают стерильный расплавленный РПА, имеющий температуру не выше 45 °С, предварительно проведя горлышко пробирки через пламя спиртовки. Осторожным круговым вращением чашки агар сразу же после его внесения перемешивают с суспензией. Этот способ посева в чашки Петри под питательную среду называется глубинным. Чашки с застывшим агаром переворачивают вверх дном, чтобы избежать попадания на поверхность агара конденсационной воды с крышки, и помещают в термостат при 25 °С. Через несколько дней подсчитывают количество выросших колоний и определяют, сколько микробов содержалось в 1 г исследуемой почвы. Для этого число выросших колоний умножают на степень разведения, например на 10 000.

Работа 4. Нейтрализация действия тяжелых металлов на прорастание семян с помощью комплексонов

Основы метода

Одним из методов преодоления токсического действия вредного вещества является связывание токсиканта антидотом, так что его отрицательное действие ослабевает. Ионы тяжелых металлов связываются с поверхностью клеток корня и проникают внутрь клеток, так как последние могут поглощать положительно заряженные ионы. Такие комплексоны, как динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА, Трилон Б), способны образовывать прочные комплексы с катионами и тем самым понижать их концентрацию в свободном состоянии. Так как эти комплексоны имеют значительно большие размеры, нежели сами катионы, они не способны проникнуть внутрь клеток, и следовательно, отрицательное действие ионов тяжелых металлов сильно уменьшается.

Оборудование, реактивы, материалы: 1) чашки Петри; 2) цилиндры; 3) пробирки; 4) раствор соли тяжелого металла с концентрацией 0,5 М; 6) раствор Трилона Б с концентрацией 0,1 М; 7) семена растений.

10