В рамках исследования Евгения Солдатова планирует изучить влияние химических и микробиологических процессов на преобразование азота, начиная от поверхности до грунтовых вод, выявить источники поступления соединений азота в грунтовые воды, а также оценить возможные риски для населения. О том, что планируется сделать в ходе научных работ, ученый ТПУ рассказала корреспонденту газеты «За кадры».
Органические и неорганические азотные удобрения являются одними из наиболее широко используемых как промышленными агрохолдингами, так и частными хозяйствами. Зачастую такие удобрения применяются в избыточных количествах — растения просто не успевают усваивать весь азот, что приводит к его миграции через зону аэрации в подземные воды. При этом нарушение баланса химических элементов в различных средах и оболочках Земли ведет к нарастанию экологической напряженности. Особенно актуальна эта проблема, рассказывает Евгения Солдатова, в аграрных регионах, где широко развито сельское хозяйство. Основной риск для населения в данном случае связан с загрязнением грунтовых вод, которые часто используются в сельской местности для питьевых и бытовых нужд.
— Мой проект направлен на изучение механизмов миграции и трансформации соединений азота в системе «почва — подземные воды» на примере агроландшафтов района озера Поянху в китайской провинции Цзянси и агроландшафтов Томской области. С Китаем мы работаем достаточно давно. В провинции Цзянси, начиная с 2011 года, мы с коллегами из Восточно-китайского технологического университета и Китайского геологического университета проводили полевые работы по совместному изучению грунтовых и минеральных вод провинции. Изучение цикла азота для них является актуальной проблемой, так как провинция Цзянси — это аграрный регион с хорошо развитым сельским хозяйством, там выращивают рис, рапс, хлопок и другие культуры, занимаются животноводством и так далее. При этом с соединениями азота там наблюдаются явные проблемы. Например, самая большая концентрация нитратов, зафиксированная нами в грунтовых водах в тех местах, где мы брали пробы, — составляет порядка 200 мг/л, тогда как норма Всемирной организации здравоохранения для питьевых вод — 50 мг/л, — говорит ученый-политехник.
Евгения Солдатова добавляет, что на данный момент химический состав грунтовых вод уже достаточно хорошо изучен. Сейчас политехники планируют провести полевые работы и отобрать пробы комплексно — грунтовые воды вместе с почвой и породами зоны аэрации. Причем отбор проб как в начальный, так и в завершающий этап роста растений, чтобы отследить динамику процессов, происходящих с азотом в различные периоды существования агроценозов (искусственных экосистем, созданных человеком — ред.), выяснить, как на эти процессы влияет внесение удобрений, изучить формирование нетипичных условий геохимической среды. Полученные результаты будут способствовать оптимизации сельскохозяйственной деятельности.
Элементы геохимического цикла азота активно изучаются учеными из разных областей науки. Опубликовано довольно большое количество работ, посвященных обогащению соединениями азота подземных вод и почв, их преобразованию под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, идентификации источников азотного загрязнения, накоплен большой объем информации об изотопном составе соединений азота в различных веществах. При этом, несмотря на большое разнообразие исследований, они главным образом посвящены изучению поведения соединений азота в отдельных средах и субстратах (растениях, почвах, подземных и поверхностных водах — ред.).
— В то же время очевидной является необходимость рассмотрения системы «почва — подземные воды» как единого целого, так как формирование химического состава подземных вод, в частности их обогащение соединениями азота, начинается еще в почвенном горизонте. То есть внесение удобрений в почву и хранение отходов животноводства на поверхности земли может негативно влиять на состав подземных вод, особенно грунтовых. При этом грунтовые воды часто являются основным источником питьевой воды в сельскохозяйственных районах. Кроме того, в сельской местности не везде есть централизованная система канализации, а значит, бытовые стоки также могут попадать в подземные воды, обогащая их соединениями азота. В рамках нашего исследования отдельное внимание также будет уделено выявлению источников поступления соединений азота в подземные воды, — рассказывает Евгения Солдатова. Отметим, что для определения источников азота политехники планируют использовать изотопный анализ нитратов.
— Изотопный анализ нитратов ([delta]15N и [delta]18О) для выявления источников загрязнения подземных вод активно используют наши зарубежные коллеги. Для России этот метод достаточно нов, возможно, из-за того, что проблема нитратного загрязнения подземных вод для нашей страны не так актуальна, как, например, для Китая. Анализ будет проводиться в Гентском университете, в Бельгии. Мы уже сотрудничали с ними: я ездила изучать поставленную у них методику изотопного анализа нитратов и помогала проводить анализ, — поясняет Евгения Солдатова.
Ученый подчеркивает, что способ, который планируется использовать для выявления источников соединений азота, позволит также проследить некоторые процессы трансформации соединений азота, связанные, к примеру, с нитрификацией и денитрификацией.
Нитрат-ион характеризуется повышенной токсичностью для живых организмов и негативно воздействует на состояние здоровья человека. Нитраты, в свою очередь, способны преобразовываться в нитриты под действием фермента нитратредуктазы, а те, вступая в реакцию с гемоглобином крови, приводят к окислительным реакциям в организме. В итоге образуется метгемоглобин — форма гемоглобина, неспособная переносить кислород, что приводит к кислородному голоданию.
Также нитраты вызывают развитие вредной микрофлоры кишечника, что способствует попаданию токсинов в организм человека и интоксикации. Кроме того, нитраты могут негативно воздействовать на активность обменных процессов в организме и угнетать иммунную систему, понижая устойчивость организма к отрицательному воздействию факторов окружающей среды, вызывая, к примеру, частые простудные заболевания.
— Мое исследование поможет не только проанализировать процессы, происходящие с азотом в системе «почва — грунтовые воды», но и выявить конкретные источники поступления соединений азота в подземные воды. Кроме того, в проекте будет оценен риск развития неканцерогенных эффектов у населения исследуемых территорий при потреблении воды с повышенной концентрацией соединений азота и суммарный риск для здоровья людей с учетом собранной информации о химическом составе грунтовых вод. При его расчете будут приняты во внимание все потенциально опасные элементы, обнаруженные в изучаемых водах. По результатам оценки будет проведено картирование рисков с использованием ГИС-технологий, — подытоживает ученый.
Как уже говорилось ранее, пробы будут браться не только в китайской провинции Цзянси, но и в пределах агроландшафтов Томской области, с целью выявить, как на цикл азота влияют различные ландшафтно-климатические условия и интенсивность сельскохозяйственной деятельности. В Томской области пробоотбор планируется провести в районе тепличных комплексов, сельскохозяйственных полей или крупных садово-огородных товариществ. Конкретные участки пока не определены.
