Ученые нашли альтернативу дорогостоящим и трудоемким методикам оценки содержания тяжелых металлов в почве. Авторы разработали новый подход к экспресс-анализу на основе относительно недорогого прибора — портативного рентген-флуоресцентного анализатора. Он позволил измерить концентрации свинца, меди и цинка в почвах Москвы с точностью до 75–90%. Предложенный подход позволит проводить экспресс-анализ почвы в течение трех часов, что в 16 раз быстрее и в 5–7 раз дешевле, чем с применением традиционных методик. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Soils and Sediments.
Накопление в почве таких тяжелых металлов, как никель, медь, цинк и кадмий, может привести к снижению ее экологического качества, что оказывает негативное воздействие на состояние растений, а также создает риски для здоровья людей. Поэтому содержание тяжелых металлов в почве необходимо контролировать. Сделать это можно с помощью рентгено-флуоресцентного анализа — подхода, при котором через интересующий образец пропускают рентгеновские лучи и наблюдают их взаимодействие с веществом. По полученным спектрам рассеяния света определяют, какие элементы и в каком количестве присутствуют в образце. Однако простой и недорогой, а потому наиболее доступный прибор для рентгено-флуоресцентного анализа почвы — pXRF — недостаточно точен, поскольку на его измерения влияют влажность почвы, размер ее частиц, количество углерода. Из-за этого, если, например, проанализировать одну и ту же почву в сухом и влажном состоянии, можно получить сильно различающиеся данные о ее загрязненности. В результате достоверно оценить количество тяжелых металлов с помощью прибора pXRF оказывается практически невозможно. Альтернативные лабораторные методы анализа требуют дорогостоящего оборудования и трудоемкой подготовки образцов, поэтому ученые стремятся сделать прибор pXRF более точным и универсальным.
Исследователи из Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва) адаптировали прибор pXRF для оценки загрязненности разных по свойствам почв: глинистых, песчаных и торфяных. Ученые откалибровали прибор, то есть настроили его таким образом, чтобы результаты измерений концентраций металлов не зависели от других характеристик почвы. Факторы влажности и пористости почвы авторы исключили пробоподготовкой — для этого образцы почвы измельчили, после чего просушили и механически уплотнили.
Далее исследователи приготовили растворы с разными концентрациями четырех наиболее часто встречающихся в почвах тяжелых металлов — меди, никеля, свинца и цинка. Затем измерили концентрации прибором pXRF, чтобы убедиться, что он работает корректно. После ученые внесли в калибровочные — то есть тестовые — смеси грунтов, отличающиеся между собой по составу и органическому веществу, выбранные для эксперимента металлы в концентрациях от 5 до 10 000 миллиграмм на килограмм почвы, чтобы охватить наиболее часто встречающиеся типы грунтов. Поскольку разные почвы отличаются способностью поглощать воду, авторы разработали протокол для равномерного «загрязнения» калибровочных смесей. Показатели загрязненности калибровочных смесей, которые определил прибор pXRF, сравнили со значениями концентраций, реально внесенных в почву. Это позволило исследователям найти коэффициенты для корректировки показаний прибора. Их учитывают на этапе обработки результатов, то есть показания прибора дополнительно умножают на полученные коэффициенты.
Ученые проверили точность предложенного подхода, измерив содержание тяжелых металлов в почвах из трех локаций на территории Москвы: сквера Репина в центре города, кампуса РУДН на юго-западе и лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева на северо-западе. Авторы взяли образцы почвы, измельчили их, просушили и просеяли через сито. Полученную почвенную массу исследовали с использованием pXRF-анализатора.
Наибольшее содержание тяжелых металлов — меди, никеля, свинца и цинка — оказалось в сквере Репина (до трех раз больше, чем на других площадках). На территории лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии было повышено содержание меди и свинца, на территории кампуса РУДН — никеля и кадмия. Несмотря на то, что концентрации металлов в почвах Москвы превысили норму, они оказались значительно ниже, чем те, которые наблюдаются в других крупных городах, таких как Нью-Йорк, Лондон, Манила и Кесон-Сити. Напрямую металлы в таких количествах не оказывают пагубного влияния на здоровье людей, но при возможных увеличениях концентраций могут иметь определенные последствия в виде аллергий, заболеваний легких и кожи. Поэтому важно регулярно измерять содержание токсичных и потенциально опасных веществ в городских почвах.
Параллельно авторы оценили загрязнение с помощью стандартного лабораторного метода анализа, который, хотя и обеспечивает высокую точность измерений, требует дорогостоящего оборудования и длительной подготовки образцов. Оказалось, что результаты измерений pXRF несколько завышают реальные показатели загрязненности. Так, наиболее точной (с достоверностью почти 99%) оценка была в случае определения количества свинца. При оценке меди и цинка ошибка составила 10–25%. Наименее точно pXRF измерил уровень никеля — с погрешностью 30%. Это говорит о том, что для одних металлов предложенный подход оказывается достаточно эффективен, а для других еще требует доработки.
«Такой метод оценки загрязненности почв позволил эффективно и экономически выгодно подойти к оценке состояния почв в мегаполисе. Предложенная методика позволяет затратить в 5–7 раз меньше средств за счет более дешевого оборудования и минимальной потребности в расходных материалах. Подобные подходы нужны для эффективного мониторинга состояния почв и оценки их влияния на здоровье населения. В дальнейшем мы планируем адаптировать метод под полевые измерения, чтобы он не требовал даже предварительной подготовки образцов в лаборатории, — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Ромзайкина, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник научного центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» РУДН.
