Загрязнения в почве? Тогда мы идём к вам!

Почва под нашими ногами – это сложная система, которая на первый взгляд кажется всем привычной и не обладающей какой-то важной функцией. Но стоит отметить, что именно почва с её плодородием обеспечивает многие процессы на Земле. В ней обитают многие организмы, невозможно представить без почвы сельское хозяйство, да и в целом большинство наземных растений на земле не могут существовать без почвы. Состояние этого слоя нашей планеты – важный фактор, от которого и будут зависеть многие процессы как естественные, так и технологические. Отдельное внимание стоит уделить загрязнению почвы, так как оно может сильно ухудшить качество почвы. Поэтому сегодня мы рассмотрим то, как это можно проследить.

Первый шаг: Дизайн эксперимента

Всё начинается с тщательного плана:

Определяем цель – будет ли это мониторинг, агрохимическое обследование или оценка фонового состояния и др.

Затем выбираем участок – анализируем данные об интересующем нас почвенном покрове, его землепользовании, изучаем историю участка, гидрологию и т.д.

Разрабатываем схему отбора. Чаще всего поле разбивают на сетку, и в рамках неё определяют точки отбора. Иногда используют «стратифицированно-рандомизованный» метод – делят поле на условные зоны и внутри каждой зоны точки отбора выбирают случайно. Это гарантирует, что результаты будут репрезентативными для всего участка.

Второй шаг: Как взять образец, чтобы не испортить данные

Когда план готов, учёные выходят в поле. Здесь важна точность. Большинство загрязнителей скапливаются в верхнем слое, «пахотном горизонте» – обычно это первые 20-30 сантиметров. Часто берут пробы именно с этой глубины. Чтобы получить усреднённый образец, с одного участка берут не одну пробу, а несколько точечных, которые затем смешивают в одну объединённую (композитную) пробу. Это, как если бы вы попробовали суп не с края кастрюли, а перемешали его и взяли ложку из середины – так картина будет объективнее. Очень важно, чтобы все инструменты – буры, лопаты, пробоотборники – тщательно очищаются перед каждым новым образцом. Малейшая примесь с предыдущего участка может исказить все результаты (рисунок 1).

Рисунок 1 – Отбор точечных почвенных образцов по стратифицированно-рандомизованной схеме. Фигурами неправильной формы представлены страты, точками указаны местоположения отбора проб [8]

Третий шаг: В лаборатории. Подготовка к главному исследованию.

Привезённые из поля образцы – это ещё не готовый материал для анализа. Чтобы приборы могли «увидеть» молекулы загрязнителей, пробу нужно подготовить. Её просеивают через сито c определённым размером ячеек и высушивают. Теперь у нас есть подготовленная почва, с которой можно работать.

Четвёртый шаг: Извлечение целевых аналитов*

*Аналит – анализируемое вещество

Это самая высокотехнологичная часть процесса. Методы кардинально различаются в зависимости от того, что мы ищем – органику или неорганику.

Анализ органики:

Органические молекулы «спрятаны» между частицами почвы, и их нужно оттуда «вымыть». Очень эффективный метод для этого – QuEChERS.

1. Вымывание. К навеске почвы добавляют воду и органический растворитель Он проникает вглубь почвенных частиц и захватывает с собой молекулы загрязнителей.
2. Расслоение. Добавляется специальная смесь солей. Пробирка встряхивается и после центрифугирования содержимое расслаивается: благодаря этому мы получаем на выходе органический растворитель с нашими целевыми аналитами.

Очистка. К полученному экстракту добавляют сорбенты, которые как губка впитывают оставшиеся примеси. На выходе –раствор, готовый к анализу на хромато-масс-спектрометре.

Рисунок 2 – Схематическое представление процедуры анализа ПХБ (полихлорированные бифенилы) в почве с использованием метода QuEChERS и детектирования методом ГХ-МС [3]

Для особенно «упрямых» загрязнителей используют более мощные методы: ультразвуковую экстракцию или экстракцию под давлением, где растворитель, нагретый выше точки кипения, помогает «вытаскивать» аналиты из матрицы.

Анализ неорганических загрязнителей:

Чтобы высвободить ионы металлов, связанные в минеральной части почвы, её также нужно подготовить. Для этого используется «кислотное разложение». Пробирку с почвой заливают сильными кислотами и нагревают в специальных автоклавах, часто с помощью микроволн. На выходе получается прозрачный раствор, в котором «плавают» ионы всех загрязнителей, ранее содержавшихся в этом образце. Этот раствор и будет анализироваться.

Анализ почвы – это мост между невидимым миром молекул и нашим повседневным благополучием. В следующий раз, гуляя по полю или огороду, вспомните, что под ногами скрывается целая вселенная, полная загадок, которые учёные учатся разгадывать с невероятной точностью.

Список источников:

1. Walworth J. Soil sampling and analysis. – 2006.
2. Theocharopoulos S. P. et al. European soil sampling guidelines for soil pollution studies //Science of the Total Environment. – 2001. – Т. 264. – №. 1-2. – С. 51-62.
3. Alsefri S. et al. Development of the QuEChERS extraction method for the determination of polychlorinated biphenyls (Aroclor 1254) in soil samples by using GC-MS //Separations. – 2023. – Т. 10. – №. 4. – С. 250.
4. Michalski R. et al. Ion chromatography-an advantageous technique in soil analysis //ProEnvironment. – 2019. – Т. 12. – С. 82-88.
5. Tsiantas P. et al. Validation and simultaneous monitoring of 311 pesticide residues in loamy sand agricultural soils by LC-MS/MS and GC-MS/MS, combined with QuEChERS-based extraction //Molecules. – 2023. – Т. 28. – №. 11. – С. 4268.
6. Ducret J., Barbeau B. A revised digestion method to characterize manganese content in solids //MethodsX. – 2024. – Т. 12. – С. 102731.
7. Kenessov B. et al. Perspectives and challenges of on-site quantification of organic pollutants in soils using solid-phase microextraction //TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2016. – Т. 85. – С. 111-122.
8. Методика агрохимического обследования почв для дифференцированного внесения удобрений: учебно-методическое пособие / И.А. Сахабиев, К.Г. Гиниятуллин, Е.В. Смирнова. –2025. – 37 с.