способ определения и прогнозирования санитарно- гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства

Формула изобретения

1. Способ определения и прогнозирования санитарно-гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства, включающий взятие почвенных образцов, подготовку образцов, проведение анализов, в том числе и на содержание аммонифицирующей микрофлоры, растущей на мясо-пептонном агаре, математическую обработку результатов анализов и выдачу заключения о состоянии почвы в зоне обследуемого объекта, отличающийся тем, что дополнительно проводят анализы по определению активности ферментов в почве: каталазы (H₂O₂:H₂O - оксидоредуктаза. КФ I.III.6), нитратредуктазы (восстановленный НАД: нитрат-оксидоредуктаза. КФ I. 6.6.1) и уреазы (карбамид-амидогидролаза. КФ 3.5.1.5), а также определяют содержание в почве продуктов разложения загрязняющих веществ - нитратов и аммиака, причем по совокупности результатов проведенных анализов выделяют при стадии стресса почвы, характеризующиеся активностью ферментов, продуцируемых в процессе жизнедеятельности почвенной микрофлоры, а рекультивационные мероприятия по восстановлению почвы назначаются исходя из стадии стресса почвы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взятием образцов почвы в обследуемой зоне, которое производят из поверхностного слоя почвы в горизонте 0 - 5 см через 50 м и на расстоянии не менее 350 м от объекта загрязнения, причем в качестве контрольного варианта при исследованиях берут пробы почвы аналогичного состава из той же местности, но не ближе 5 км от обследуемого объекта, взятые одновременно с основными образцами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание аммиака и нитрат ионы в образцах почвы определяют методами, используемыми при определении активности ферментов уреазы и нитратредуктазы,- приборным способом на фотоколориметрах параллельно с определением активности ферментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сельскохозяйственному производству, в частности, к промышленному свиноводству, преимущественно к почвенной микробиологии в зонах промышленного животноводства, и может быть использовано в охране окружающей среды для определения и прогнозирования состояния почвы санитарно-защитных зон для ослабления влияния свинокомплексов на состояние окружающей среды и для выдачи рекомендаций по природоохранным мероприятиям на прилегающих территориях, а также для проведения ветеринарного и зоогигиенического контроля по их исполнению.

Известен "Способ определения биологической активности почвы" (см.а.с. N 1458390, C 12 Q 1/00, опубл. 15.02.89. Бюл. 6), при котором определяются показатель уровня почвенного плодородия и степень влияния загрязнения почв на функциональные свойства почвенной микробиоты путем использования мочевины в количестве 0,5-2,0% от массы почвы в качестве легкодоступного для микроорганизмов органического вещества, а оценку результата ведут по скорости накопления аммиака и изменения цвета индикаторной бумаги. При высокой скорости такого экспресс-метода недостатками его являются невысокая точность определения (pH визуально по цвету индикаторной бумаги) и то, что определяется только один показатель, что не позволяет объективно оценить состояние почвы и способность ее самоочищаться в условиях техногенного воздействия.

Известен также "Способ определения биогенности породы отвалов угольных шахт" (см. а.с. N 920070, C 12 Q 1/06, опубл. 15.04.82. Бюл. N 14), при котором в качестве теста состояния почвы в отвалах рекультивированных пород используется посев микроорганизмов на полоски фильтровальной бумаги, пропитанной 3-5% мясо-пептонным агаром, содержащим индикатор 2,3,5-трифенилтетразолий, заменяющий, по мнению авторов, их определение в чашках Петри на мясо-пептонном агаре и сокращающий время выращивания тестовых микроорганизмов.

Недостатками такого способа являются его одностороннее действие, направленное на решение конкретной задачи, что затрудняет его применение, в частности при определении загрязнения окружающей среды в местах расположения свинокомплексов.

Кроме того, известно, что при санитарном надзоре за охраной почв и при санитарной оценке загрязненной почвы по общепринятой полной программе проводят следующие лабораторные исследования:

1. Санитарно-физические (механический состав, влажность, фильтрационную способность и др.);

2. Санитарно-химические (отношение азота белкового к общему органическому - санитарное число, пестициды, микро- и макроэлементарный состав почвы, тяжелые металлы и др.);

3. Санитарно-бактериологические (коли-титр, титр анаэробов, титр термофильных бактерий и др.);

4. Санитарно-гельминтологические (яйца гельминтов).

5. Санитарно-энтомологические (личинки и куколки мух);

6. Радиометрические.

В некоторых случаях программа лабораторных исследований может быть ограничена отдельными показателями.

Для санитарно-гигиенической оценки почвы в первую очередь исследуют те показатели, которые зависят от загрязнений, характерных для данной местности (см. Гершун В.И., Бойко И.А. Практикум по ветеринарной гигиене. Уч. пособие. Белгород// Белгородская государственная с/х академия, 1995 г., с. 40-47. раздел "Санитарная оценка почвы").

Недостатком такой общепринятой программы оценки загрязненности почв является то, что в ней (в части санитарно-бактериологических исследований) не предусматривается определение способности почвы к самоочищению и восстановлению нормального функционирования за счет микробиологических процессов, без чего невозможно прогнозировать нагрузку на почву от внешних загрязнений и предлагать меры к очистке почв, в частности при дальнейшей эксплуатации свинокомплексов, так как единственный, определяемый по этой программе показатель самоочищения почвы - титр термофилов, проводимый посевом почвенных разведений в 1,5% мясо-пептонный агар не дает полной всесторонней картины активности микрофлоры и не показывает способность микрофлоры противостоять внешним загрязнителям.

Кроме того, по существующим методикам, для проведения санитарно-микробиологических исследований отбор почвенных образцов производят с глубины до 20 см, что справедливо для культурных пахотных земель, но несколько искажает общую картину жизнедеятельности микрофлоры на территории свинокомплексов, где поверхностный слой почвы не обрабатывается и наибольшая активность микрофлоры происходит только в поверхностном (0-5 см) прогреваемом слое почвы, а в нижних уплотненных слоях почвы процессы жизнедеятельности резко понижаются и не влияют на самоочищение почвы,

Задачей изобретения является разработка способа комплексного определения и прогнозирования санитарно-микробиологического и гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства, позволяющего, используя стандартное оборудование ветеринарных лабораторий, разносторонне определить биохимическое, микробиологическое и санитарно-гигиеническое состояние почв, их способность к самовосстановлению и самоочищению и дать обоснованные рекомендации по рекультивации земель в охранной санитарно-защитной зоне свинокомплекса и дальнейшему эффективному их использованию.

Задача решается тем, что помимо определения в почвенных образцах, взятых в заданном порядке в поверхностном слое почвы, аммонифицирующей микрофлоры, растущей на мясо-пептонном агаре, а также уровня содержания загрязняющих почву веществ - нитрат- и нитритионов, аммиака, дополнительно определяют показатели биохимических процессов в почве, в частности ферментативную активность почв по активности ферментов каталазы, нитратредуктазы и уреазы. После чего путем сравнения активности указанных ферментов с уровнем содержания в почве продуктов разложения загрязняющих веществ - нитратов и аммиака, и на основании анализа результатов исследований, по совокупности полученных данных ставят диагноз состояния почвы, выделяя три стадии стресса почвы, характеризующие развитие в почве "общего адаптационного синдрома" - синдрома, специфического по характеру ответных реакций, проявляющихся в изменениях в биологической активности поверхностного слоя почвы в санитарно-защитной зоне свинокомплексов, и неспецифическому по своему происхождению (действию различных по химической природе поллютантов). Считается, что в первой стадии стресса почвы происходят видимые изменения, свидетельствующие о серьезном нарушении естественных биологических процессов в поверхностном слое почвы. Во второй стадий происходит мобилизация защитных резервов почвенной микрофлоры (биоты) и восстановление израсходованных запасов защитных сил живого организма, каковым является почва.

Если же действие повреждающих факторов продолжается, то наступает третья стадия стресса, в которой содержащиеся в почве микроорганизмы и сама почва теряют свою резистентность, утрачивают адаптацию, в результате чего наступают истощение и гибель и почва теряет способность к самоочистке и восстановлению.

В зависимости от определенной стадии стресса почвы назначаются меры по рекультивации почв либо по повышению ее способности к самоочистке и проводится прогнозирование возможности восстановления и нормализации свойств почв в санитарно-защитной зоне свинокомплекса.

Способ осуществляется следующим образом.

При приезде на объект обследования (свинокомплекс) намечают точки взятия почвенных образцов. Первая точка определяется непосредственно около помещения, где содержится свинопоголовье, но не на дороге или уплотненной площадке, а в месте, где может быть какая-то травянистая растительность. Следующие точки взятия проб отмечаются через 50 метров по направлению преобладающих ветров, либо по водостоку. Расстояния по 50 метров приняты по результатам практических опытов как обеспечивающее требующую точность прогноза и не требующее очень большого количества измерений. Последние образцы берутся на расстоянии 350-500 метров в зависимости от величины определяемой санитарной зоны и требований заказчика.

Одновременно со взятием почвенных образцов в обследуемой санитарной зоне берут контрольные образцы почв такого же типа, но за пределами санитарной зоны на расстоянии от обследуемого объекта в 3-5 километрах, в местах, где нет влияния свинокомплекса, но те же почвенные и природные условия. Масса почвенного образца берется порядка 0,5 кг по общепринятым методикам, принятым в почвоведении, в частности описанным в книге: Практикум по агрохимии/ Под ред. В.Г.Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 1989, 304 с.

Взятые образцы маркируются, пакуются и доставляются в лабораторию для проведения анализов и исследований.

Обработка образцов в лаборатории проводится по стандартным методикам в зависимости от заданной программы. Кроме общепринятых параметров дополнительно определяют ферментативную активность почв, в частности используя методы определения ферментов в почве в модификации А.Ш. Галстяна (1974). Данными методами определяются каталаза (H₂O₂ : H₂O - оксидоредуктаза, КФ 1.111.6), уреаза (карбамид - амидогидролаза, КФ 3.5.1.5), нитроредуктаза (восстановленный НАД: нитрат-оксидоредуктаза КФ 1.6.6.1).

Результаты всех полученных измерений и исследований обрабатываются методами математической статистики, сводятся в таблицы и представляются в виде графиков по ходу взятия образцов с указанием контрольных вариантов. После чего проводится анализ санитарно-гигиенической обстановки в зоне свинокомплекса с определением зон стрессового состояния почвы, выделением трех зон стресса в зависимости от совокупности полученных результатов исследования. При необходимости назначаются дополнительные уточняющие исследования и определяются меры по рекультивации почв в санитарно-защитной зоне свинокомплекса.

Пример определения и прогнозирования санитарно-гигиенического состояния почвы в защитной зоне промышленного свиноводческого комплекса

Исследования проводились на почвах станции искусственного осеменения племпредприятия "Свердловское", расположенной в пос. "Красный Октябрь" Богдановичского района в 80 км от г.Екатеринбурга. Производственная направленность данного хозяйства - хряки-производители и племенное свиноводство. Участок, на котором брали образцы почвы, ровный с небольшим уклоном в сторону водоема (на расстоянии 400 м), хорошо освещаемый солнцем, покрытый травянистой растительностью, почвы дерново-подзолистые, наиболее типичные для региона.

Образцы почвы отбирались на глубине 0-5 см, в пяти повторностях на каждой из пробных площадей, расположенных на расстоянии 50 м друг от друга в сторону господствующей розы ветров (северо-восточное направление), с учетом того, что загрязняющие вещества скапливаются преимущественно в верхнем горизонте почвы. В качестве контрольных использовали образцы почв с участков, расположенных на расстоянии 5 км от хозяйства, не загрязненных промышленными отходами, сходных по физико-химическим свойствам и по характеру растительности на них с исследуемыми почвами.

Обработка взятых образцов почвы проводилась в лаборатории кафедры микробиологии и санитарной гигиены Уральской государственной сельскохозяйственной академии по общепринятым методикам и, в частности по методикам, описанным в книге: Практикум по агрохимии./Под ред.В.Г.Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 1969 (раздел "Агрохимический анализ почвы", с. 4 и раздел "Ферментативная активность почв", с.72-95).

Результаты исследований после математической обработки сведены в таблицы N 1 и N 2, а также представлены в виде графиков на фиг. 1, 2, 3.

В таблице N 2 приведены также стадии "стресса" почвы определенные согласно предлагаемому способу и известной теории Г. Селье.

Согласно этой теории в первой стадии происходят видимые изменения в организме (в почве), свидетельствующие о серьезном нарушении естественных биологических процессов при действии стрессора. Для восстановления нормальной функции организма во второй стадии происходят мобилизация всех его защитных резервов и восстановление израсходованных запасов защитных сил организма. Если же действие повреждающего фактора продолжается, то наступает третья стадия, в которой живой организм (почва) теряет свою резистентность, утрачивает адаптацию, в результате чего наступает истощение и даже его гибель.

Иначе говоря, при I стадии адаптационного синдрома почвы находятся в начальной стадии стресса и обладают большими адаптационными возможностями для их восстановления и стабилизации.

При II стадии адаптационного синдрома почвы находятся в критическом состоянии под воздействием загрязняющих веществ, но они обладают достаточными адаптационными способностями к восстановлению нарушенной загрязнениями экосистемы.

III стадия свидетельствует о глубоких нарушениях и необратимости почвообразовательных процессов.

На фиг. 1-3 показана динамика изменения исследуемых параметров в виде графиков в зависимости от расстояния от объекта загрязнения.

На графиках с индексом - а - показаны параметры общих показателей: нитриты, кислотность (pH) и окисляемость.

На графиках с индексом - б - показаны параметры: нитратредуктаза, уреаза, аммиак, каталаза и микрофлора.

Проведя всесторонний анализ полученных результатов (таблица 1 и 2) и пользуясь наглядными графиками (фиг.1-3), можно сделать следующие выводы. Максимальной насыщенностью микроорганизмами характеризуется почва пробной площади, удаленной от источника загрязнения на 250 м (табл. 2). Численность микроорганизмов аммонификаторов достигает 6, 2, 10 на 1 г сухого вещества. Минимальное содержание микроорганизмов выявлено на ППП 50 м - 1.0.10 на 1 г сухого вещества. Несколько иные тенденции отмечены в ферментативной активности почвы исследуемых участков (табл. 2). Почва на ППП 150 м нитратредуктазы (а также высоким содержанием микрофлоры - 5.5.10 на 1 г сухого вещества), тогда как наименьшая активность каталазы выявлена на ППП 200 м, уреазы - на ППП 250 м, нитраредуктазы - на ППП 50 м. Динамика изменения активности ферментов и содержания микрофлоры по мере удаления от источника загрязнений отходами свиноводства выявила ряд закономерных взаимообуславливаемых процессов (фиг. 1-3), свидетельствующих о разной степени напряженности адаптивных реакций почвенной биоты в ответ на вредное воздействие загрязняющих веществ. Так, высокий уровень активности ферментов нитраредуктазы и уреазы на ППП 150 м сопровождается наиболее высокими показателями содержания нитрат- и нитритионов, аммиака, резким снижением содержания сероводорода, что указывает на наиболее сильно выраженный процесс разложения органических веществ, попадающих в почву, индуцирующий усиление окислительно-восстановительных реакций в ней, о чем свидетельствует высокая (в шесть раз превосходящая активность контрольных почвенных образцов) активность каталазы. Поскольку содержание сероводорода на более близких к источнику загрязнения (50-100 м) и отдаленных участках (ППП 300 и ППП 350 м) значительно превышает таковое на ППП 150 и ППП 200 м, а окисляемость почвы, свидетельствующая о наличии органических веществ в ней, также наиболее высока на участке 250-350 м от источника загрязнения, следовательно, процессы разложения органических веществ в этих почвах идут менее интенсивно, чем на участке 150-200 м. Результаты исследования позволяют считать процессы, происходящие в почвах, подвергающихся влиянию загрязнения отходами свиноводства, процессами адаптации, то есть свидетельствуют о развитии в них адаптационного синдрома (стресса), и в данных почвах могут быть выделены стадии стресса.

Таким образом, в результате исследований установлено, что почвы в санитарно-защитной зоне свиноводческого предприятия, подвергающиеся длительному воздействию загрязнения отходами свиноводства, находятся в условиях стресса, или "общего адаптационного синдрома" - синдрома, специфического по характеру ответных реакций, проявляющихся в изменениях в биологической активности почвы, и неспецифического по своему происхождению (действию различных по химической природе загрязняющих веществ).

Применение в исследованиях показателей биологической активности почвы (содержания микрофлоры, ферментативной активности) и сопоставления их с уровнем содержания загрязняющих веществ позволило обнаружить стадийность адаптационного синдрома в почвах свиноводческих предприятий. Так, участок, на котором происходит более интенсивное разложение органических веществ, согласно теории стресса, находится в состоянии II стадии адаптационного синдрома (150-250 м). Состояние I стадии стресса выявлено в исследованиях в почвах, удаленных от источника загрязнения на расстояние 300-350 м, поскольку на этом участке снижены показатели содержания микрофлоры, активности ферментов уреазы и нитраредуктазы по сравнению с контролем. В наиболее близкорасположенном к источнику загрязнения участке 0-100 м, характеризующемся низкими показателями активности ферментов и содержания микрофлоры и высоким уровнем содержания загрязняющих веществ (сероводорода, аммиака, нитрат- и нитритионов) отмечается развитие третьей стадии стресса. Почвы в зонах антропогенного воздействия при развитии III стадии стресса особенно нуждаются в рекультивационных мероприятиях, которые определяются в соответствии с потребностями их дальнейшего использования.

Установлено, что под влиянием загрязняющих веществ различной химической природы, источниками которых являются, в частности, свиноводческие предприятия происходят в разной степени выраженные изменения и нарушения биологической активности почв (ферментативной и микробиологической) в зависимости от расстояния и направления от источника загрязнения. При этом активность окислительных ферментов в почвах под свиноводческими предприятиями изменяется в зависимости от количества накапливаемых загрязняющих веществ. С увеличением накопления их до критического уровня в почвах, как правило, снижается активность ферментов каталазы, уреазы и нитраредуктазы.

Для оценки санитарно-гигиенического состояния почвы и ее способности к самоочищению, то есть обратимости или необратимости нарушений в почвообразовательных процессах под влиянием загрязнения отходами свиноводства, предложено проводить комплексные исследования, включающие дополнительно к обычно используемым методам определение активности ферментов: каталазы как теста на интенсивность окислительных процессов в почве, уреазы и нитраредуктазы как показателей активности процесса самоочищения почвы от загрязняющих веществ.

На основании анализа результатов комплексного исследования по изменению окислительных процессов в почвах в разных зонах загрязнения, оцениваемых по уровню активности каталазы, уреазы, нитраредуктазы, а также по численности микроорганизмов аммонификаторов (растущих на МПа) сформулирована гипотеза о развитии адаптационного синдрома (стресса) в почвах под влиянием загрязняющих отходами свиноводства веществ различной химической природы. По состоянию микробиологической активности и активности оксидоредуктаз (каталазы, уреазы и нитраредуктазы) в почве выделены три стадии стресса, в каждой из которых определены две фазы ее развития с постепенным переходом из одной в другую.

В частности, в зоне среднего загрязнения (на удалении 350 м и 300 м от свинарника) выделены первая и вторая фазы I стадии стресса, характеризующиеся отсутствием усиления окислительных процессов в почве, связанных с мобилизацией механизмов адаптации, но при наличии сдвигов в микробиологической и ферментативной активности. В зоне сильного загрязнения отходами свиноводства (на удалении 250 м) выявлена первая фаза II стадии стресса, характеризующаяся резким увеличением численности микроорганизмов аммонификаторов и изменением показателей окислительных процессов в почве по сравнению с контролем. На удалении 100-200 м от источника загрязнения при наличии высокого уровня накопления загрязняющих почву веществ выделена вторая фаза II стадии стресса, при которой наблюдается резкое усиление окислительных процессов в почве. Непосредственно на территории свинарника выделена первая, а на расстоянии 50 м от него - вторая фаза III стадии стресса со значительным снижением численности микрофлоры и интенсивности окислительных процессов в почве (вторая фаза).

Предложенный способ с использованием метода биоиндикации и определения активности ферментов для оценки санитарно-гигиенического состояния почвы на свинокомплексе подтвердили целесообразность применения способа, поскольку он пригоден как для диагностики физиологического состояния почвы, так и для оценки работы очистных сооружений и эффективности проводимых мероприятий по обеззараживанию почвы в зонах загрязнения отходами свиноводства. Анализ результатов ферментативного анализа с определением стадии стресса в загрязненных почвах позволяет прогнозировать развитие процесса адаптации в них и своевременно рекомендовать проведение рекультивационных мероприятий.