16 декабря в Доме ученых ОИЯИ в смешанном формате прошло рабочее совещание по применениям метода меченых нейтронов в экологии. В фокусе внимания участников совещания были возможности, которые данные метод открывает в проведении измерений содержания углерода в почве. Почва является одним из важнейших резервуаров углерода, и такие измерения, повышение их экспрессности приобретают все большую актуальность в глобальной экологической повестке.
В России стартовал проект по созданию сети карбоновых полигонов – специальных территорий, выделенных для разработки технологий повышения накопления углерода в различных природных резервуарах, а также приборов и технологий мониторинга выбросов и поглощения парниковых газов. В совещании приняли участие представители уже стартовавших и готовящихся к запуску проектов карбоновых полигонов, а также специалисты в области экологии и почвоведения.
Метод меченых нейтронов (ММН) соответствует многим ожиданиям от новых методов измерений в экологических исследованиях и, в том числе:
- имеет значительный потенциал к повышению «производительности», а значит – к увеличению охвата мониторинга;
- не требует пробоподготовки;
- способен дать информацию по слоям почвы без извлечения проб;
- потенциально способен определять влажность и плотность почвы, или непосредственно измерять содержание углерода в соответствующем слое на единицу площади;
- прибор на его основе может быть в мобильном/полевом исполнении;
- анализ грунта будет проводиться достаточно быстро.
Сущность этого метода представил собравшимся начальник сектора исследований нейтронно-ядерных взаимодействий ЛНФ, руководитель проекта TANGRA Юрий Копач. Он рассказал о том, что в ОИЯИ с 2014 года развивается проект TANGRA, установки которого основаны на методе меченых нейтронов. Ключевой целью проекта являются фундаментальные исследования, однако сам ММН находит применение в различных прикладных областях. Так, коммерческие установки, созданные на основе ММН, с успехом применяются для детектирования взрывчатых и наркотических веществ, а также для неразрушающего анализа горных пород.
«Мы посмотрели литературу, и оказалось, что уже более 10 лет существуют попытки определения углерода в почве данным методом, который, на первый взгляд, имеет ряд преимуществ для этого рода деятельности, — сказал Юрий Копач. – Сейчас почвоведы используют в основном химический анализ проб почвы, которому предшествует достаточно трудоемкая и длительная процедура сбора образцов и подготовки проб… ММН же может быть использован для быстрого анализа без извлечения проб, но ясно, что оценить реальные возможности метода, конкретные сценарии его применения и, впоследствии, проработать методические вопросы можно только в партнерстве с профильными специалистами. При этом необходимо исходить из специфики ММН: если при химическом анализе берутся небольшие пробы из разных мест на обследуемой территории, то при использовании установки ММН анализируется среднее значение по значительному физическому объему. Нейтроны проникают до глубины более 150 см, однако реальный анализируемый объем – это слой глубиной порядка 30-50 см и с площадью около 40х40 см, или отдельные слои, например, 0-10 см и 10-20 см.».
О проксимальных методах анализа, в частности – с использованием компактных приборов для рентгенофлуоресцентного анализа, используемых сегодня специалистами в области педометрии – «математического почвоведения», рассказал координатор исследовательского центра «SMART URBAN NATURE» Вячеслав Васенев, по мнению которого, один из вариантов облика перспективной «полевой» аналитической платформы – передвижная минилаборатория, объединяющая возможности нескольких методов анализа.
Начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ Инга Зиньковская, на примере результатов анализа содержания химических элементов, в том числе тяжелых металлов, в почвах Молдавии и в выращенной на них сельхозпродукции, рассказала об опыте и возможностях сектора по участию в экологических и агро проектах.
Она отметила, что нейтронно-активационный анализ (НАА) может определять до 45 элементов Периодической таблицы.
«НАА – высокоточный количественный метод, недеструктивный (образцы не растворяются) и не требующий пробоподготовки, — рассказала она. – На основе НАА не может быть создан переносной прибор, но наши возможности, уверена, будут актуальным дополнением к другим методам анализа в экологических исследованиях».
Детали облика прибора для определения углерода в почве на основе ММН представили Альбина Ахунова и Егор Разинков (коллаборация TANGRA, от ООО «Диамант»). А.И.Ахунова рассказала об опыте применения ММН для измерения углерода в почве исследовательскими группами в США. Е. А. Разинков представил оригинальные результаты измерений углерода в почве в стендовых испытаниях, проведенных в ОИЯИ, а также при помощи прототипа мобильной установки на основе ММН на территории первого в России карбонового полигона в Калужской области.
Итоги совещания были подведены на завершающем круглом столе, участники которого обсудили ряд принципиальных вопросов. Была отмечена необходимость корректно определить точность и чувствительность метода, сопоставляя его результаты с результатами уже опробованных методов, например, химического анализа. Уточнения требуют другие параметры метода, сценарии его применения, в том числе, например, с учетом необходимости учитывать растительность, ее корневую систему, особенности сложения почв и т.п.
Отмечена необходимость решения проблемы оценки содержания собственно органического углерода. Среди вероятных путей решения были отмечены использование ММН в комбинации с другими методами, реализация особых сценариев применения, например, в условиях, когда минеральную фракцию можно считать достаточно стабильной при заметной динамике органической.
Основным итогом совещания стал обозначенный интерес будущих возможных пользователей к методике ММН и создаваемой установке. Так, мобильная/полевая установка эксперимента TANGRA привлекла внимание присутствовавших на совещании специалистов в области карбоновых полигонов. Им интересна возможность измерять содержание углерода экспрессно, в различных слоях почвы непосредственно в условиях полигона/экспедиции. Также, по мнению выступавших экспертов в области природопользования, возможности метода меченых нейтронов представляют большой интерес в свете нынешнего развития сельского хозяйства в РФ.
Первые практические шаги, которые договорились совместно проработать участники совещания, — формирование программы и методики совместных экспериментов, сценариев использования метода ММН в тематике карбоновых полигонов и экологических исследований.