Оценка экологического состояния почв: методы, нормативы и источники загрязнения

Одним из ключевых таких понятий является экологический мониторинг. Это комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды — воздуха, воды, почв, донных отложений, растений, а также пищи и кормов. Его задача — отслеживать изменения, вызванные как природными, так и антропогенными факторами, и контролировать содержание в этих компонентах вредных веществ (токсикантов). Таким образом, экологический мониторинг служит важнейшим инструментом в общей системе экологического контроля.

На сегодняшний день в России функционируют специализированные экологические службы. В частности: Федеральная служба по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор), куда входят Центры лабораторного анализа и технических измерений (ЦЛАТИ), Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и др. В их обязанности входит проведение мониторинга: наблюдение за источниками загрязнений, оценка текущего состояния природы и прогнозирование возможных изменений в ней. Кроме того, на каждом крупном промышленном предприятии созданы экологические отделы, которые непосредственно контролируют и минимизируют воздействие деятельности этого предприятия на окружающую среду.

Обязательному контролю подлежат вредные вещества (токсиканты), которые условно делятся на две основные группы: неорганические (например, тяжелые металлы) и органические (пестициды, фенолы, нитрозамины, бенз(а)пирен и другие ПАУ). Перечень этих соединений постоянно расширяется.Обязательному контролю подлежат вредные вещества (токсиканты), которые условно делятся на две основные группы: неорганические (например, тяжелые металлы) и органические (пестициды, фенолы, нитрозамины, бенз(а)пирен и другие ПАУ). Перечень этих соединений постоянно расширяется.

Важно учитывать, что многие вещества, изначально не обладающие токсичностью, могут превращаться в опасные соединения уже в окружающей среде. Это преобразование происходит под влиянием таких факторов, как солнечный свет, тепло, вода или деятельность микроорганизмов.

Содержание токсикантов в воде, воздухе, почве и других объектах строго регламентируется. Их концентрация не должна превышать установленных нормативов — ПДК (предельно допустимых концентраций), которые определены для каждого конкретного вещества.

Загрязнение почв диоксинами — наглядный пример одной из наиболее серьезных экологических проблем. К этой группе стойких органических загрязнителей (СОЗ) относятся полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ).

Главные опасности диоксинов:

1. Высокая устойчивость. Диоксины крайне медленно разлагаются в природе (период полураспада составляет от 6 до 20 лет), что приводит к их долговременному накоплению в окружающей среде.
2. Токсичность для человека. Эти вещества чрезвычайно ядовиты. Кратковременное воздействие высоких концентраций вызывает поражения кожи и печени, а длительное — нарушает работу иммунной, нервной, эндокринной и репродуктивной систем. Диоксины также являются канцерогенами.
3. Способность накапливаться в пищевой цепи. Основными природными «накопителями» диоксинов являются почва и донные отложения. Оттуда они попадают в растения и организмы животных, в итоге концентрируясь в человеке. Около 97% диоксинов поступают в организм с пищей, преимущественно с говядиной, молоком и молочными продуктами. Выводятся эти вещества крайне медленно, практически накапливаясь в организме.
4. Сложность очистки. Устранение последствий загрязнения сопряжено с большими трудностями. Диоксины устойчивы к кислотам, щелочам и высоким температурам. Их сжигание приводит к вторичному образованию, а экстракция растворителями — экономически невыгодна. Кроме того, образуя прочные связи с органическим веществом почвы, диоксины легко перемещаются: выветриваются с пылью и вымываются водами, создавая новые очаги загрязнения.

Таким образом, проблема диоксинового загрязнения усугубляется совокупностью факторов: устойчивостью веществ, их высокой токсичностью, способностью мигрировать и отсутствием экономически эффективных методов очистки.

Экологический мониторинг представляет собой сложный многоэтапный процесс, достоверность которого напрямую зависит от точности выполнения каждой операции.

Ключевыми стадиями являются:

1. Выбор точек контроля.
2. Отбор проб.
3. Подготовка, транспортировка и хранение проб.
4. Пробоподготовка в лабораторных условиях.
5. Проведение анализа.
6. Обработка и интерпретация полученных данных.

Каждый этап является критически важным, и ошибка на любой из стадий может сделать все исследование недостоверным. Наибольшее значение имеет этап отбора проб. Если проба не была репрезентативной, то есть не отражала реальный химический состав исследуемой среды, последующий анализ теряет всякий смысл. Репрезентативность пробы обеспечивается тем, что содержание контролируемых веществ в отобранном образце должно соответствовать их содержанию в общей массе объекта (водоема, почвы, воздуха) и оставаться неизменным на всех этапах — от момента отбора до непосредственного анализа в лаборатории.

ПОЧВА

Экологический мониторинг состояния почв

Почва — один из важнейших объектов окружающей среды, поскольку она обеспечивает производство более 90% продуктов питания. От её состояния напрямую зависят урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.

Контроль качества почвы должен быть регулярным. Это позволяет своевременно выявлять негативные изменения её физико-химических свойств и предотвращать такие последствия, как:

• нарушение структуры почвы;
• истощение плодородного слоя;
• накопление токсичных элементов.

В отличие от воды и воздуха, почва обладает крайне низкой способностью к самоочищению. Более того, некоторые загрязнители, такие как тяжёлые металлы, не разлагаются, а, напротив, обладают свойством кумуляции (накопления). Загрязняющие вещества поступают в почву различными путями. Часто они попадают из атмосферы с осадками, однако такие вещества, как пестициды (инсектициды, гербициды, фунгициды), целенаправленно вносятся человеком для защиты урожая.

Основные источники загрязнения почв

• Жилые дома и коммунальное хозяйство (бытовые и пищевые отходы, сточные воды, строительный и медицинский мусор).
• Промышленность (соли тяжёлых и цветных металлов, фенол, бензол, цианиды, метанол).
• Теплоэнергетика (зола, шлаки, сажа, оксиды серы).
• Сельское хозяйство (пестициды, минеральные и органические удобрения, болезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов).
• Транспорт (оксиды азота, свинец, углеводороды, продукты износа шин и асфальта).

Предельно допустимые концентрации (ПДК) для почвы

Для оценки степени загрязнения почв используются нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК). Ключевыми для данного объекта среды являются два вида ПДК:

• ПДК_П (мг/кг) — предельно допустимая концентрация химического вещества в пахотном слое почвы. Эта концентрация не должна оказывать прямого или косвенного негативного влияния на здоровье человека, включая контакт с почвой, а также на её естественную способность к самоочищению.
• ПДК_ПР (ДОК) (мг/кг) — предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное количество) вредного вещества в продуктах питания. Данный норматив устанавливает максимально безопасный уровень содержания загрязнителей в сельскохозяйственной продукции.

Методика отбора проб почвы

Отбор проб почвы проводится в зависимости от целей исследования. Для обеспечения репрезентативности (представительности) пробы руководствуются требованиями нормативных документов: ГОСТ 17.4.3.01, ГОСТ 28168, ПНД Ф 12.1:2.2:2.3.2-03. Наиболее распространенным на практике является метод «конверта», при котором точечные пробы отбираются по углам и в центре условного квадрата. Из этих точечных проб формируется объединенная (смешанная) проба, которая и направляется в лабораторию. Дальнейшая подготовка лабораторной пробы к анализу осуществляется в соответствии с ГОСТ 23909-2013. Почва характеризуется наиболее сложной матрицей среди объектов окружающей среды, поскольку содержит множество разнородных органических и неорганических соединений. Эта особенность требует применения специфических методов пробоподготовки и анализа.

Анализ неорганических загрязнителей

Для определения неорганических веществ (тяжёлых металлов и др.) производится полное растворение навески пробы в смеси минеральных кислот. В современных лабораториях этот процесс проводят с помощью систем микроволнового разложения. По сравнению с традиционным разложением на нагревательной плитке, этот метод имеет ключевые преимущества:

• Значительно ускоряет пробоподготовку.
• Гарантирует одинаковые условия для всех образцов.
• Повышает точность и воспроизводимость результатов.

Полученные растворы анализируют методами атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС), оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС) или масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС).

Анализ органических загрязнителей

Для определения органических токсикантов (пестицидов, ПАУ и др.) применяют методы хроматографии:

• Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и ВЭЖХ-МС/МС.
• Газовая хроматография (ГХ) и ГХ-МС.

Краткий обзор методов представлен в таблице ниже. 

Аналитическое оборудование, используемое для анализа почв

Оборудование	ГОСТ	Анализ
ГХМС ГХ с ЭЗД	ГОСТ Р 53217-2008 (ИСО 10382:2002) ГОСТ ISO 10382-2020	- остаточные хлорорганические пестициды (ХОП) - полихлорированные бифенилы (ПХБ) - нелетучие хлоорганические соединения (хлорбензолы) - остаточные гормональные препараты - нитрозамины - полихлорированные дибензо-п-диоксины
ГХМС	ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.60-09	- фенолы
ВЭЖХ-МС/МС		- нелетучие термолабильные пестициды
ВЭЖХ с УФ и флуориметрическим детекторами	ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.62-09 ФР.1.31.2004.01279	- полиядерные ароматические соединения - фенолы
ВЭЖХ с кондуктометрическим детектором и супрессором	ПНД Ф 16.1.8-98	- нитраты - нитриты - сульфаты, фосфаты, хлориды и пр. анионы
ВЭЖХ с кондуктометрическим детектором и супрессором	ГОСТ ISO 20295-2023	- взрывчатые вещества (перхлораты)
ААС	М-МВИ-80-2008 (ФР.1.31.2013.14150) ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98 ГОСТ 26427 ГОСТ 26428 РД 52.18.685-2006	- элементный анализ (тяжёлые металлы)
ИСП-АЭС	ГОСТ ISO 22036-2014	микроэлементы в экстрактах почвы

Для извлечения целевых компонентов (загрязняющих органических веществ) из почвы с целью дальнейшего анализа, применяются различные методы пробоподготовки, такие как:

• Жидкостная экстракция при повышенном давлении (для нелетучих и полулетучих соединений).
• Твердофазная экстракция (для очистки полученного экстракта).
• Анализ равновесной газовой фазы, выделяющейся из почвы при нагревании (статический хедспейс) – для летучих соединений.
• Метод барботажа (динамический хедспейс) – для летучих соединений.

Такие приёмы позволяют избавиться от мешающих примесей, сконцентрировать анализируемые компоненты, тем самым повысить чувствительность и снизить предел обнаружения. Так, например, жидкостная экстракция при повышенном давлении, по сути является заменой методу Сокслета для твёрдых и полутвердых образцов, но позволяет полностью автоматизировать процесс, значительно ускоряет его, а также позволяет существенно уменьшить расход растворителей. Твердофазная экстракция – всё более популярный метод очистки полученных экстрактов. Данный метод имеет несомненные достоинства – позволяет селективно извлекать, концентрировать и очищать пробы, кроме того, обеспечивает высокие показатели точности и воспроизводимости. Сейчас существуют системы, которые полностью автоматизируют метод ТФЭ, избавляя пользователей от недостатков, связанных с использованием ручных манифолдов.

Аналитическое оборудование, используемое для анализа почв

Оборудование	Модель	Назначение
Система микроволнового разложения	Серия ХТ	Кислотное разложение проб для анализа на содержание тяжёлых металлов и токсических элементов методами ААС, ИСП. ИСП-МС
Автоматизированная система жидкостной экстракции при повышенном давлении	HPFE 06 sd	Экстракция углеводородов, пестицидов, гербицидов, ПАУ, ПХБ, ПХДД и пр.
Вертикальный осциллятор/гомогенизатор	V20	Гомогенизация образцов, гомогенизация образцов с одновременной экстракцией, пробоподготовка по методу QuEChERS
Наборы QuEChERS		ТФЭ пестицидов из различных матриц
Автоматизированная система твердофазной экстракции	Fotector	ТФЭ различных соединений
Автоматизированная система упаривания в токе азота	Серия EVA	Концентрирование методом упаривания в токе азота
Автоматизированная система упаривания в вакууме (замена ротационному испарителю)	Серия MPE	Концентрирование методом упаривания в вакууме
Генератор азота	Серия iG	Получение азота для автоматизированной системы упаривания серии EVA. Производительность 35л/мин или 100л/мин
Система для подготовки воды	HyperPurex	Получение воды различных типов

Литература

1. Пробоподготовка в экологическом анализе: практическое руководство / Ю.С. Дугов, А.А. Родин.
2. Аналитические методики для контроля пищевых продуктов и продовольственного сырья. Ч.2. Инструментальные методы эколого-аналитического контроля/ Под. Ред.к.фарм.н. Белова А.Б., Быковского С.Н.
3. ГОСТ Р 70281-2022 Охрана окружающей среды. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения.
4. ГОСТ Р 53217-2008 (ИСО 10382:2002) Качество почвы Определение содержания хлорорганических пестицидов и полихлорированных бифенилов. Газохроматографический метод с электронозахватным детектором.
5. СанПиН 2.1.7.1287-03 Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы.