Здесь — живут и жизнь есть
Здесь — живут и жизнь есть
© Олеся Мельниченко

«Экологический мониторинг сельхозугодий с помощью пчел»

доклад сотрудника Национального Исследовательского Университета «МЭИ»,

доктора технических наук Игоря Михайловича Мазурина на секции «Биология в решении глобальных экологических проблем и достижении продовольственной независимости России» научно-практической конференции «Экологические угрозы и национальная безопасность России», которая прошла в Москве в Международном независимом эколого-политологическом университете имени Н.Н. Моисеева (Академия МНЭПУ) 14−16 сентября 2016 года.

О золотоискателях и идее апимониторинга земель

В сентябре 1990-го года я был приглашён на конференцию по экологии, которая проводилась в Москве. Я сделал доклад об аналитических методах, используемых при мониторинге окружающей среды, поскольку в то время я уже имел двадцатилетний опыт работы на масс-спектрометре и мне было что рассказать. Как и сегодня, в 90-е годы наука оказалась не востребована, а реальные заказы остались лишь в области экологии. Тогда и была предложена идея использования биологических объектов для решения прикладных аналитических задач — идея использования пчёл в качестве живых пробоотборников.

Известно, что радиус полета пчелы составляет 2 км. Известно также, что мёд прекрасный консервант. Мёд переходит в твердую фазу на 40−60-й день. Как пересыщенный раствор сахаров, он кристаллизуется и является естественным хранилищем многих привнесённых компонентов, которые могут быть в земле. А в землю, как известно, попадают загрязняющие антропогенные примеси. Они растворимы в воде и транспортируются через стебли растений в нектар. В результате получается простая физико-химическая схема диагностики состояния природной среды по составу примесей в нектаре растений, превращённом пчёлами в мёд. Надо только найти коэффициенты распределения, то есть численные отличия концентрация примеси в мёде от концентрации примеси, измеренной в пробе земли, на которой растут эти растения. Тогда вы можете в мёде увидеть не только весь перечень примесей, но умножив на коэффициент распределения, получить точные значения их концентраций в земле, на которой растут растения, давшие нектар для пчёл.

Идея не нова: так искали золото. На спектрографе получали спектр меда, и если видели линии платиновой группы, то рядом искали месторождение золота.

Об этом я прочитал в 60-х годах, будучи любопытным юношей. А в 90-х, уже повзрослев, столкнулся с проблемой сохранения проб при мониторинге окружающей среды. Первое, что пришло в голову — заморозить или найти консервант. Но когда встал вопрос о мониторинге сельхозугодий (а сейчас в России около 75 млн га пахотной земли), я по простоте душевной рассказал о возможности использования пчёл для этой непростой задачи.

Доказательство возможности апимониторинга

Нам предложили разорённую пасеку в Подмосковье, в Сергиево-Посадском районе. И мы знали, что там очень невеселая ситуация по диоксинам, там есть разные радионуклиды, природные и неприродные, и в качестве оппонентов — серьезный научно-исследовательский институт прикладной химии в Сергиевом Посаде. Мы создали сельскохозяйственный научно-производственный кооператив «Пчела». В уставе определили цель — определение качества земли сельхозугодий на основе данных по анализу мёда.

Денег нам, естественно, не дали. Дали только два гектара земли в пользование, но Акт на землепользование так и не выдали. За выполненную работу до сих пор нам ничего не заплатили, поскольку в 1991 году в государстве произошла смена власти. Спас положение научно-исследовательский кооператив «Элегаз», который закупил оборудование для пасеки, жилые помещения, пчелосемьи и растения, обеспечив тем самым условия работы на пасеке. И мы за 20 лет на экспериментальной пасеке площадью 2 га эту работу выполнили. И даже студентов из РУДН привлекли к этой работе на финишном этапе. Почему мы взяли студентов из РУДН? Нам нужны были серьёзные оппоненты. По образованию в нашей группе не было экологов. Было два аналитика, оба выпускники Энергофакультета МВТУ, то есть инженеры-механики. Один работал в основном с пчёлами, а другой на гаммма-спектрометре. Для оппонирования нужны были профессиональные экологи. И мы их получили благодаря студентам-дипломникам из РУДН.

Вся идея апимониторинга хорошо вписывалась в задачу, которая актуальна и для атомной промышленности, и для энергетики. Это проблема выбросов. Особенно для угольных тепловых станций, поскольку там идет нарастание концентраций радионуклидов в шлейфах из зольных остатков. В природных каменных углях всегда есть незначительные концентрации радиоактивных примесей. Эти примеси выносятся вместе с золой в атмосферу и укладываются на 50−60 кв. км земной поверхности в виде шлейфа за трубой ТЭЦ.

И если эти примеси не смываются, то за 10−15 лет шлейф от трубы угольной электростанции может стать для человека опасным, так как содержание радионуклидов превысит 500 беккерелей на килограмм. И что тогда надо делать? Выселять людей или срезать слой земли. Или менять топливо.

Идея апимониторинга предельно проста и не оригинальна, хотя в процессе наработки статистических данных мы разработали несколько «ноу-хау». По этой причине мы её не защищали как авторскую.

Мне довелось рассказать о возможностях апимониторинга в 1994 году в США, куда я попал в составе делегации от Минэкологии. Речь шла о проблеме загрязнения почвы мышьяком. Один из слушателей спросил: «А вы не могли бы вот у нас в штате Вашингтон эту задачу реализовать?» Я спросил: «А что у вас случилось?» «Да, — говорит, — пчелы все погибли, потому что, когда добывали серебро, то мышьяком всю эту землю пропитали, и даже пчелы теперь там не живут». Я говорю: «Ну, вам осталось только бежать вслед за пчелой, потому что если пчела не живет, то что там человеку делать?» Он: «Ну вы можете это сделать?» Я говорю: «Конечно можем, только денег у вас в Америке не хватит, потому что надо весь грунт на глубину в несколько метров перерабатывать и удалять следы мышьяка, так как его присутствие для человека смертельно даже в очень малых концентрациях».

А мы, прежде всего, хотели доказать, что мониторинг с помощью пчел вообще возможен. И поскольку пчеловодство — это не простая задача круглогодичного содержания. За 20 лет мы многому научились.

Но самое главное наше доказательство — это то, что на основе меда можно относительно просто определять содержание радионуклидов и диоксинов в почве.

Но на большее нас не хватило, поскольку с 2010 года началась компания по отбору земли у пользователей с возможностью её выкупа у государства по льготной цене. Поскольку кооперативу «Пчела» в 1991 году Акта на землепользование не дали (хотя по закону были обязаны), то кооперативу было оставлена лишь возможность выкупа всего экспериментального участка на общих основаниях с перспективой оплаты налогов на землю, как на частную собственность. Такие условия для научного кооператива оказались практически невыполнимыми. И мы прекратили исследования, фактически проработав в течение 20 лет в качестве полностью независимого научного предприятия.

Метод апимониторинга имеет широкие возможности по анализу окружающей среды. Пчёлам не надо выписывать пропуск на закрытую территорию. Для них доступны любые объекты. У метода уникальная эффективность: одна пчелосемья дает данные для анализа с площади 1200 гектар. За период весенне-летнего взятка таких анализов можно получить от 5 до 10, а при хорошем навыке и до 20 проб, просто перевозя улей с места на место с шагом 3−4 км. Это уже 10−15 тыс. га. Сравните со стандартным анализом, когда берётся проба с каждого гектара. Единственный недостаток метода — это то, что апимониторинг дает интегральное значение загрязнения, и поэтому можно пропустить локальный источник загрязнений. Здесь необходимо отметить, что интегральный характер пробы — это одновременно и главное достоинство метода, но об этом я еще расскажу более подробно.

Кроме того, пробу можно хранить неограниченное время, и постепенно создать банк данных с материальным носителем (затвердевшим мёдом), практически неизменным во времени. То есть мы получаем возможность видеть процесс во времени, что самое ценное для экологии: по архивным данным мы сможем сделать прогноз.

Я думаю, что перспектива этого метода очевидна, а сам метод имеет высокую ценность для экологии.

Поскольку целью исследовательских работ начального этапа было выяснение возможностей апимониторинга, то конкретные задачи состояли в определении коэффициентов разделения для определяемых компонентов через отношение их концентраций в земле и в мёде, поскольку каждое растение их переносит из земли в нектар по разному. Кроме того, перенос компонентов ещё зависит и от средней температуры летнего периода.

Помимо чисто физико-химических задач, была ещё и технологическая задача. Надо было научиться работать с пчелами так, чтобы чисто взять пробу и не захватить загрязнения с прошлого года. Выяснилось, что не все типы ульев подходят для данной задачи. В итоге мы взяли улей Караваева.

Важно было знать, что искать. Мышьяк, фосфорорганику, диоксины или соли металлов? Приоритет отдали радионуклидам, так как это наиболее актуальная задача для угольных ТЭЦ и АЭС. Кроме того, при поиске радионуклидов в мёде нужен только гамма-спектрометр, а для поиск диоксинов — хромато-масс-спектрометр, специальный дорогой прибор с высоко квалифицированным аналитиком. У нас уже не выпускают такие, да и специалистов теперь тоже не найдёшь. А для поиска тяжелых металлов в почве нужно разрабатывать специальные методики. Нам на это времени и средств не хватило. О государственной помощи за двадцать лет работы мы и думать позабыли.

Но самым тяжелым в нашей работе оказалось общение с администрацией Подмосковья в период конца 90-х — начала 2000 годов. Мы продержались почти 20 лет, и за это время мы успели выполнить стартовый этап всей работы и набрать достаточный массив данных для утверждения о научной состоятельности метода, по крайней мере, по радионуклидам и диоксинам.

Преимущества апимониторинга

  1. интегральный характер пробы (1 проба на 1200 га);
  2. универсальный характер пробы меда (единая проба для анализа на содержание радионуклидов и диоксинов);
  3. простота хранения и обработки;
  4. неограниченная длительность хранения;
  5. небольшой объем пробы — от 100 до 300 см3;
  6. постоянство состава пробы;
  7. при ежегодном апимониторинге любое отклонение от результатов предыдущих измерений хорошо заметно;
  8. доступность взятия пробы даже на недоступной территории;
  9. по данным апимониторинга можно легко составить крупномасштабную карту загрязнения почвы;
  10. апимониторинг вполне соответствует условиям и задачам государственного мониторинга земель (ст.67 Земельного кодекса РФ).

Метод этот очень выгоден для государственного мониторинга пахотных земель. По Земельному Кодексу владелец земли обязан каждые пять лет обновлять данные по качеству земли на основе мониторинга загрязнений.

Если мы продаем сельхозпродукцию, то мы должны сопровождать ее данными мониторинга по этой земле. Так принято во всех странах, кроме России.

После обоснования и опробирования нашей методики мы представили ее Правительству. Дмитрий Медведев перебросил письмо в Минсельхоз. Минсельхоз ответил, что денег на эту работу не предусмотрено.

Однако, проблема сама не исчезнет, потому что разница в затратах огромная: если использовать традиционной метод, даже с шагом 10 га, то потребуется 7,5 млн проб на всю нашу пахотную землю. На пчелах мы сокращаем количество проб на два порядка и делаем диагностику в более выгодных условиях. То есть и затрат будет на два порядка меньше, чем по традиционному методу.

По стоимости каждого отдельного анализа методы мало отличаются. Экономия возникает за счёт уменьшения общего количества проб.

Если использовать традиционный метод, то в России приборов, во-первых, не хватит на эту работу. Не хватит и персонала, который способен профессионально выполнить эту работу. Именно поэтому в России невозможно выполнение задачи мониторинга пахотной земли каждые пять лет, даже если учесть, что она за 20 лет практически уменьшилась вдвое.

Табл. 1. Сравнение затрат на проведение мониторинга земель традиционным методом анализа с «шагом» измерения в 10 га и апимониторинга с интегральным «шагом» 1200 га (в ценах 2011 г.)

Вид анализа

Стоимость

Для почвы с шагом 10 га

Для мёда с шагом 1200 га

1.

Отбор одной пробы

400 руб.

1000 руб.

2.

Анализ одной пробы на содержание тяжелых металлов

2300 руб.

2300 руб.

3.

Анализ одной пробы на содержание радионуклидов

3000 руб.

3000 руб.

4.

Цена исследования одной пробы традиционным (неполным) методом

5700 руб.

6300 руб.

5.

Анализ одной пробы на содержание диоксинов

25 000 руб.

25 000 руб.

6.

Цена полного исследования одной пробы

30 700 руб.

31 300 руб.

7.

Разовый мониторинг для 75 млн га неполным методом

42,7 млрд руб.

410 млн руб.

8.

Разовый мониторинг для 75 млн га полным методом с анализом по диоксинам

230 млрд руб.

2 млрд руб.

Обоснование необходимости мониторинга. В соответствии с главой 31 Налогового кодекса РФ с 1 января 2006 года начисление земельного налога производится от кадастровой стоимости земельных участков, напрямую зависящих от качества земли.

Таким образом Земельный налог идет как функция от кадастровой стоимости участков и зависит от качества земли, то есть от уровня загрязнения её регламентируемыми примесями.

Польза от использования апимониторинга заметна не только для задачи анализа больших площадей. Она очень полезна и для региональных чиновников, торгующих небольшими земельными участками. Аномалии содержания природных радионуклидов для России не редкость. То, что мы обнаружили в Сергиево-Посадском районе, характерно для всего Подмосковья, поскольку через него проходят линии геологических разломов. По этим разломам и происходит вынос наружу глубинных компонентов земной коры, в том числе и природных радионуклидов. Но владелец земли, продавший участок без достоверного анализа по составу примесей, может получить от покупателя претензию на возврат по суду части неоправданной цены на купленный им участок, если в земле этого участка обнаружатся сверхнормативные примеси.

Аналитические данные от СЭС, по нашим данным, вообще никакой достоверностью в отношении природных радионуклидов не обладают. Гамма-спектрометров в СЭС не числится. По этой причине продавцы земли, то есть администрация районов, является заложницей своего незнания. Это в полной мере соответствует сегодняшнему уровню продажи земельных участков, выполняемого без подробного анализа качества земли по среднепотолочной цене, без паспорта качества земли с достоверными данными по примесям.

Обнаруженная нами аномалия по сверхнормативному содержанию природного радионуклида калия (40К) не вызвала никакой реакции ни со стороны администрации Сергиево-Посадского района, ни Министерства сельского хозяйства РФ. Интерес был проявлен только в научной среде, на кафедре геологии МГУ, где мы и опубликовали результаты наших исследований.

Понятно, что радиофобия в России имеет место, но с другой стороны мы должны когда-то и правду говорить — зачем тогда наука?

Пример 1. Дзержинская ТЭЦ (ТЭЦ-22 Мосэнерго)

Рассмотрим в качестве примера ситуацию с землями вокруг ТЭЦ-22, расположенной в г. Дзержинский Московской области.

Одна ТЭЦ может вам дать очень быстро 60 кв. км зараженной территории. Если не идет смыв с земли, если нет уклонов, то за 10−15 лет наберется столько радионуклидов, что людей надо будет отселять. Это достоверный факт, от которого не уйдешь.

Для выработки 1 кВт мощности необходимо 0,2 кг (200 г) хорошего угля. Годовая выработка ТЭЦ-22 составляет 9 млрд кВт-ч электроэнергии, для чего сжигают 1,8 млн тонн угля. На 1 кВт приходится 0,5 г золы, которая попадает в атмосферу, а всего за год от работы ТЭЦ-22 на землю выпадает 4500 тонн золы. Если оценить площадь шлейфа в 60 кв. км, то получится, что ежегодно на 1 кв. м выпадает около 80 г золы (при ПДК = 0,248 г на куб. м). В шлейфе есть участки концентрации золы на порядок превышающей среднее значение — 800 г на кв. метр.

ТЭЦ-22 использует уголь из Кузнецкого бассейна. Удельная активность угля: по радию — 50,1 Бк/кг, по торию — 36,5 Бк/кг. Активность выпадающей за год золы (при расчете на 800 грамм золы) в зоне максимальной концентрации равна примерно 40 Бк.

В окрестности ТЭЦ-22 идёт постоянное накопление активности от зольных остатков. Непосредственный и постоянный анализ почвы необходим!

Шлейф от ТЭЦ покрывает около 60 кв. км, то есть 6000 га прилегающих земель. Традиционный отбор проб при шаге 100 на 100 м (1 га) для 60 га требует 6000 проб. Оператор за 1 день может собрать 50 проб; 6000 проб будут отобраны за 120 дней. За рабочий день на гамма-спектрометре можно проанализировать 3−4 пробы. Получается, что 6000 проб будут измерены за 50 месяцев.

С использованием одной небольшой пасеки весь цикл измерений можно выполнить за один сезон. (Из расчета занятости одного человека, отбирающего пробы, и одного оператора, выполняющего анализ почвы на гамма-спектрометре).

Контролировать загрязнение почвы от шлейфа ТЭЦ для этих 60 кв. км с помощью пчел не сложно. Кроме того, неоходимость перехода на газовое топливо или на мазут становится обоснованной и очевидной. Но в любом случае, динамический контроль реального состояния почвы на пчелах провести на два порядка дешевле, чем делать традиционную съемку погектарно.

Пример 2. Апимониторинг земель в Сергиево-Посадском районе Московской области

Рассмотрим результаты апимониторинга, полученные на экспериментальном участке СНПК «Пчела» в Сергиево-Посадском р-не Московской области в период 2000—2009 годов.

Таблица 3. Содержание радионуклидов в июльском сборе мёда, полученном в Сергиево-Посадском р-не Московской области в период 2000—2009 годов.

Названиепробы

Год

(характер лета)

Ra-226 ±(D0,95%)Бк/кг

Th-232 ±(D0,95%)Бк/кг

К-40 ±(D0,95%)Бк/кг

Cs-137 ±(D0,95%)Бк/кг

Мёд (июльский сбор)2000

3,4±44

9±24

0

5±3,7

2007 (жаркое)

3,2±77

8,7±14

0

9±5,3

2008 (холодн.)

4±20

8,2±13

0

3±2,3

2009 (холодн.)

6,5±22

4,1±26

0

3±2,3

2008 для сравн. мёд Австралии

3,1±36

6,9±13

0

3±2,8

Это июльский сбор меда, который был получен в сельскохозяйственном кооперативе. Радий, торий, калий и цезий. Анализ выполнен Сергеем Прокопьевичем Колотухиным на гамма-спектрометре. Это данные по медовой пробе. Ниже. в Таб. 4, приведены данные для почвы и золы травы.

Таблица. 4. Данные активности почвы и золы травы, полученные на экспериментальном участке СНПК «Пчела» в Сергиево-Посадском р-не Московской области в период 2008—2009 годов.

Названиепробы

Год

Ra-226±D0,96Бк/кг

Th-232±D0,96Бк/кг

К-40±D0,96Бк/кг

Cs-137±D0,96Бк/кг

Аэфф±D0,96Бк/кг

Почва

2008

26±21

34± 15

489±25

6±4,7

120±29

Почва

2009

16±11

31±13

474±27

5±4,8

104±20

Зола травы

2008

42±18

52±10

6472±190

16±5,9

692±14

Зола травы

2009

26+18

30±18

4898±180

18±4,8

554±34

В земле, конечно, концентрации радионуклидов выше. Но самое интересное заключается в том, что сороковой калий в траве имеет высокие концентрации, поскольку входит в состав растительной клетки. Травяной скелет состоит из солей калия и натрия. В зольных остатках травы мы получили до 6000 беккерелей, потому что произошло обогащение.

То есть может случиться так, что безобидные зольные остатки от сгоревшего сена могут стать для человека далеко не безопасными, потому что суммарная эффективность накапливается в золе и быстро достигает 600−800 беккерелей и выше. Люди могут по незнанию получить солидную дозу облучения от золы растений в совершенно безобидных обстоятельствах. Этот эффект апимониторинг и позволил определить.

При относительно невысоких загрязнениях земли метод работает достаточно надёжно и очень эффективно. Но если использовать пчелу на сильных загрязнениях, например, когда люди добывая серебро мышьяком отравили целый американский штат, то здесь по выживаемости пчелы можно судить о безопасности нахождения человека на контролируемой площади. Здесь пчела уже выступает в роли инструмента определения предельных значений загрязнения окружающей среды.

Надо заметить, что концентрация радионуклидов в меде, собранном в аномально холодные годы, естественно меньше, потому что растения не так интенсивно работают по вытяжке из земли элементов, которые потом переходят в мед.

Содержание цезия-137-й и тория-232 в холодный период в травяной золе в два раза, а по сороковому калию в десять раз выше по сравнению с содержанием эти элементов в земле.

Но в мёде 40К практически отсутствует по причине его полного усвоения растением. В нектар этот компонент не доходит, потому его нет и в мёде.

Сегодня мы не выполняем работы по апимониторингу, поскольку у нас нет прав на землю экспериментальной пасеки. Но где-то надо все-таки продолжать эти работы. Дело в том, что на маленьком клочке 10−20 соток много не наработаешь. Надо хотя бы 5−10 гектар иметь для того, чтобы продолжать эту работу. Но налог на землю в отсутствии финансирования удавит любого инвестора. Если государство так и не будет давать ни копейки на эти работы, то, конечно, их никто не будет продолжать.

Но, с другой стороны, если ставить вопрос о продолжении работ, то здесь нужны, судя по зарубежному опыту, базовые лаборатории для разных регионов. Для России необходимо набрать хотя бы с десяток лабораторий для разных климатических условий. И чтобы передать в регионы уже отработанную методику, надо еще, по моему мнению, лет пять-десять работать, учить студентов, как это делать. И тогда в будущем Россия может эффективно использовать пчел для задач мониторинга окружающей среды, и это будет неплохая работа с точки зрения ее важности для государства.

Основные выводы

1. Методика апимониторинга вполне состоятельна в решении задач государственного мониторинга земель.

2. Методика апимониторинга значительно более выгодна, по сравнению с традиционными методами мониторинга земель.

3. Государство должно для реализации Земельного Кодекса создать базовые лаборатории по мониторингу земель под эгидой либо Минсельхоза, либо Минприроды. Для СЭС эта задача невыполнима из-за отсутствия аналитического оборудования и квалифицированного персонала.