Куда идет азот?

В ТПУ изучают, как избыток азотных удобрений влияет на почву и грунтовые воды

ДОЦЕНТ КАФЕДРЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ, ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЭКОЛОГИИ ИНСТИТУТА ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ТПУ ЕВГЕНИЯ СОЛДАТОВА СТАЛА ОДНИМ ИЗ ПОБЕДИТЕЛЕЙ КОНКУРСА ПРЕЗИДЕНТСКОЙ ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ПРОЕКТОВ РОССИЙСКОГО НАУЧНОГО ФОНДА (РНФ). ГРАНТ, РАССЧИТАННЫЙ НА ДВА ГОДА, ПОЛУЧИЛ ПРОЕКТ «ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ АЗОТА В АГРОЛАНДШАФТАХ: ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ОЦЕНКА РИСКА ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ».

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».

Экологически чистое сельское хозяйство

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.

Проблема в комплексе

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.

В чем опасность?

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.

Наталья Каракорскова