Мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами
Обновлено: 28.06.2024
В данной статье рассматривается содержание тяжелых металлов в почвах придорожных территорий на примере города Ульяновска, так как проблема постоянно растущего количества автомобилей обостряется из года в год. Соответственно, было изучено влияние автотранспорта на загрязнение почв по мере приближения к автодороге на расстоянии в 50 метров, 100 метров и 150 метров. На основе полученных данных был высчитан коэффициент концентрации тяжелых металлов в выбранном районе исследования, а также установлена их последовательность по мере влияния на почву, выявлены приоритетные загрязнители. В конце научной работы, резюмируя все полученные результаты, приведены рекомендации по экологическому мониторингу данных территорий.
Ключевые слова: тяжелые металлы, автодорога, транспорт, загрязнение, экологический мониторинг.
MONITORING OF THE CONTENT OF HEAVY METALS IN THE SOIL OF ROADSIDE AREAS IN ULYANOVSK
Kazakova N.A. 1 , Sadretdinova L.R. 2, *, Mukhametshin A.A. 3
1 ORCID: 0000-0001-9303-6333;
2 ORCID: 0000-0003-3054-4896;
3 ORCID: 0000-0001-5979-813;
1, 2, 3 I. N. Ulyanov Ulyanovsk State Pedagogical University, Ulyanovsk, Russia
Abstract
As the problem of an ever-growing number of cars is worsening from year to year, the article sets to examine the content of heavy metals in the soils of roadside areas in the city of Ulyanovsk. Accordingly, the research analyzes the impact of motor vehicles on soil pollution at distances of 50 meters, 100 meters and 150 meters from the studied highway. On the basis of the obtained data, the study calculates the coefficient of concentration of heavy metals in the studied area, establishes their sequence as they affect the soil and identifies the main pollutants. In the conclusion of the article, the study summarizes all the obtained results and provides recommendations for environmental monitoring of these territories.
Keywords: heavy metals, highway, transportation, pollution, environmental monitoring.
Введение
В настоящее время транспорт является одним из ключевых источников загрязнения окружающей среды. Проблема обостряется тем, что количество автотранспорта беспрестанно растет, соответственно увеличивается и объем загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, которые, в результате, накапливаются, в том числе, и в почве в виде тяжелых металлов.
К тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5 г/см3. Не все тяжелые металлы представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накопления более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, олово, цинк, молибден, кобальт, никель [8].
Автотранспорт является специфическим источником загрязнения природной среды, состоящим из множества наземных точечных источников, сосредоточенных на различных автомагистралях. Транспортный поток превращается в постоянно действующий источник техногенного загрязнения. Зоны загрязнения окружающей среды, формируемые выбросами автотранспорта, характеризуются высокими значениями концентрации загрязняющих веществ и распространяются на большие территории. Техногенное воздействие на экосистему придорожной зоны приводит к загрязнению воздушной среды, изменению физико-химических свойств почвогрунтов, их переуплотнению, загрязнению поллютантами, в частности тяжелыми металлами, что вызывает повышение их фитотоксичности, приводящей к ухудшению условий произрастания зеленых насаждений [1].
При проектировании дорог, необходимо учитывать, что автомобильные дороги в зависимости от функционального назначения, характера обслуживаемых транспортных связей, размеров и состава движения, природных условий расположения, чувствительности территории к воздействиям, многочисленных иных факторов могут оказывать различное по видам, характеру и интенсивности воздействие на окружающую среду [10]. Одним из негативных воздействий является загрязнение почвы тяжелыми металлами.
Согласно данным Росстата, на 2016 год количество машин на 1000 человек в Ульяновской области составляет 270,9 автомобилей. Что означает наличие транспортных средств более чем у четверти населения области. А в 2010 году это число было равно лишь 196 автомобилям на 1000 человек.
Такой рост автотранспорта провоцирует увеличение количества выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ, что в свою очередь приводит к увеличению выбросов в атмосферу различных тяжелых металлов и тем самым к ухудшению качества почв [7], [9]. Также, они, в свою очередь, способны накапливаться и мигрировать, а это ведет за собой отклонение от нормы в развитии и существовании растений, что оказывает, затем, влияние на человека.
Целью данной работы послужило изучение содержания тяжелых металлов в почвах придорожных территорий города Ульяновска, а именно участок возле автодороги М5 Урал. Автодорога М5 относится к IV категории дорог (обычные нескоростные) [6]. Расчетная интенсивность движения составляет от 200 до 2000 единиц в сутки (ед./сут.).
На основе этих данных становится возможным сформулировать рекомендации по мониторингу состояния почв на придорожных территориях.
Методы и принципы исследования
В основу работы были положены общепринятые в геохимии и почвоведении методы [2], [3], [5]. Определение концентрации тяжелых металлов в образцах почвы поводили в агрохимцентре г. Ульяновска на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991). Статистический анализ полученных данных проводили с использованием общепринятых методов и пакета прикладных программ MS Excel for Windows (2013).
Во всех отобранных почвенных образцах методом атомно-адсорбционной спектроскопии были определены концентрации тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu, Ni, Cd), которые относятся к разным классам опасности.
Для характеристики техногенного загрязнения тяжелыми металлами используется коэффициент концентрации, равный отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновой концентрации. О токсичности тяжелых металлов можно судить по тому, к какому классу опасности они относятся.
Согласно Постановлению главного санитарного врача РФ от 17.04.2003 353 (ред. от 25.04.2007) были введены классы опасности химических веществ [10, C.15; C. 46-55], которые приведены в таблице (табл. 1).
Таблица 1 – Классы опасности химических веществ
| Класс опасности | Химическое вещество |
| 1 – вещества высокоопасные | Мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен |
| 2 – вещества умеренноопасные | Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром |
| 3 – вещества малоопасные | Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенол |
Объектом исследования послужила почва придорожной территории возле автодороги М5 в Железнодорожном районе города Ульяновска. Пробы были взяты по отдалению от трассы: на 50 м, на 100 м и на 150 м (см. рис. 1) на глубине 0,5 м.
Исследование тяжелых металлов в почвах проводились с сентября по октябрь 2020 года. Результаты данной работы представлены на рисунке (см. рис. 2). Полученные значения измеряются в мг/кг.
Рис. 1 – Места отбора проб
Основные результаты
Рис. 2 – Валовое содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий (мг/кг)
Наибольшую концентрацию тяжелых металлов в почве содержит участок территории, удаленный от трассы на 50 м. Содержание Cu на данной территории наибольшее и составляет 14,4 мг/кг, в то время как ПДК Cu составляет 55 мг/кг. На участке, удаленном на 100 м содержание Cu составляет 11,5 мг/кг, а на участке, удаленном на 150 м лишь 10,4 мг/кг. Из чего можно сделать вывод, что все полученные данные не превышают ПДК. В свою очередь, содержание Cu возрастает по мере приближения к автодороге. То же можно отметить и по отношению к остальным показателям тяжелых металлов.
Концентрация Zn на участке 50 м составляет 35,2 мг/кг. На участке 100 м – 33,4 мг/кг. На участке 150 м – 26,5 мг/кг. ПДК Zn составляет 100 мг/кг, в связи с чем, можно отметить, что превышения данного показателя не выявлено ни в одной из точек отбора.
Концентрация Ni на участке 50 м составляет 12,3 мг/кг, на участке 100 м – 8,3 мг/кг, на участке 150 м – 7,6 мг/кг, что также находится в пределах нормы, так как ПДК Ni составляет 85 мг/кг.
Концентрация Pb на участке 50 м составляет 10,2 мг/кг, на участке 100 м – 9,3 мг/кг, на участке 150 м – 3,4 мг/кг, в то время как ПДК Pb – 30 мг/кг. Соответственно, превышений не обнаружено.
Концентрация Cd на участке 50 м составляет 0,17 мг/кг, на участке 100 м – 0,09 мг/кг, на участке 150 м – 0,09 мг/кг. ПДК Cd составляет 1,0 мг/кг. Все результаты не превышают ПДК.
Для построения ряда накопления тяжелых металлов были рассчитаны показатель коэффициента концентрации (Кк).
(1)
где Су – содержание тяжелых металлов в почве конкретного участка, мг/кг; Сф – фоновое содержание тяжелых металлов в почвах.
Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в почве участка автодороги М5 (212 км) Ульяновской области
| Значение | Pb | Zn | Ni | Cu | Cd |
| К/к | 0,68 | 0,93 | 1,00 | 0,55 | 0,29 |
| фон | 11,2 | 34 | 28 | 22 | 0,40 |
| ПДК | 30 | 100 | 85 | 55 | 1,0 |
Таким образом, максимально аккумулируются в почвах исследуемого участка Zn, Ni и Pb, которые являются приоритетными загрязнителями. Тяжелые металлы в почвенном покрове 212 километра трассы М5 образуют следующую последовательность: Ni ˃Zn ˃Pb˃Cu ˃Cd.
Заключение
Из анализа данных, приведенного выше, можно сделать вывод, что ни по одним показателям превышения ПДК не было замечено. Все показатели находятся в пределах нормы. При этом необходимо особое внимание уделять зонам максимальной техногенной нагрузки, таким как зоны придорожной полосы.
| Конфликт интересов Не указан. | Conflict of Interest None declared. |
Список литературы / References
Список литературы на английском языке / References in English
Мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами в зоне защитных мероприятий объекта уничтожения химоружия Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»
Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Демьяненко А. В., Шингаренко Т. А., Матвеев Н. Н., Плотникова О. М.
В рамках экологического мониторинга территории зоны защитных мероприятий объекта хранения химического оружия в Щучанском районе Курганской области проведены исследования почв в 81 контрольной точке. В пробах почв определялись тяжелые металлы (цинк, медь, марганец, железо). Всего рентгенофлуоресцентным методом на приборе "Спектроскан МАКС G" проанализировано 140 проб. В почвах зоны защитных мероприятий объекта хранения химического оружия в 90% контрольных точек не обнаруживается превышение содержания цинка, меди, марганца и железа. Среди обследованных проб выделяется почва из точки 83 (пойма р. Масс, на границе ЗЗМ со стороны Челябинской области), в которых обнаружено превышение цинка и меди в 1,3 раза в сравнении с ОДК, а железа в 2 раза в сравнении со средним значением района ЗЗМ. Влияние строящегося объекта УХО на загрязнение почв ЗЗМ тяжелыми металлами не отмечается.
Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Демьяненко А. В., Шингаренко Т. А., Матвеев Н. Н., Плотникова О. М.
Влияние соотношения ТЭОС Чн2о на продолжительность инкубационного периода гелеобразования кремниевой кислоты
Состояние среды обитания в зоне защитных мероприятий объектов по хранению и уничтожению химического оружия в период ликвидационных работ
Актуальность применения медико-санитарного паспорта в системе обеспечения химической безопасности на территориях расположения особо опасных химических объектов в Российской Федерации
Текст научной работы на тему «Мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами в зоне защитных мероприятий объекта уничтожения химоружия»
Таким образом, являясь мощным природным сорбентом и ионообменником, бентонитовая глина Зырянского месторождения Курганской области способна влиять на биохимичесие процессы в желудочно-кишечном тракте. Ее можно использовать для коррекции ряда биохимических показателей с целью профилактики различных заболеваний желудочно-кишечного тракта.
1. Бернхард С. Структура и функция ферментов. - М.: Изд-во «Мир», 1971,- 330 с.
2. Брокерхоф X., Дженсен Р. Липолитические ферменты/ Под ред. А.Е.Браунштейна, Е.В.Горяченковой- М.: Изд-во «Мир», 1978,- 396 с.
3. Буклис ЭР. Патологические основы болезней поджелудочной железы и секреция желудка // Росс, журнал Гастроэнтерологии, Гепатологии, Колопроктологии.-2004. - №4.
4. Гоим Р., Минералогия и практическое использование глин. - М.: Мир, 1967.
5. Камышников B.C. Клинико-биохимическая лабораторная диагностика: Справочник: в 2 т. -Т.2. - 2-е изд. - М.: Ин-терпресссервис, 2003. - 463 с.
6. Шатерников В. А.,Медкова И. Л. Метод определения активности панкреатической липазы в сыворотке крови, моче, дуоденальном содержимом и ткани поджелудочной железы //Лабораторное дело,- 1978. - №1,- С.142- 144.
7. Шманько В.И., Критерий оценки биохимического состава желчи. - М.: Лабораторное дело, 1991.
A.B. Демьяненко, Т.А. Шингаренко, H.H. Матвеев, О.М. Плотникова
Региональный центр мониторинга окружающей среды и контроля в зоне защитных мероприятий объекта УХО в Щучанском районе, Курган
МОНИТОРИНГ ЗАГРЯЗНЕНИЯ почв ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В ЗОНЕ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ОБЪЕКТА УНИЧТОЖЕНИЯ ХИМОРУЖИЯ
Аннотация: В рамках экологического мониторинга территории зоны защитных мероприятий объекта хранения химического оружия в Щучанском районе Курганской области проведены исследования почв в 81 контрольной точке. В пробах почв определялись тяжелые металлы (цинк, медь, марганец, железо). Всего рентгенофлуоресцентным методом на приборе "Спектроскан МАКС G" проанализировано 140 проб. В почвах зоны защитных мероприятий объекта хранения химического оружия в 90% контрольных точек не обнаруживается превышение содержания цинка, меди, марганца и железа. Среди обследованных проб выделяется почва из точки 83 (пойма р. Масс, на границе ЗЗМ со стороны Челябинской области), в которых обнаружено превышение цинка и меди в 1,3 раза в сравнении с ОДК, а железа в 2 раза в сравнении со средним значением района ЗЗМ. Влияние строящегося объекта УХО на загрязнение почв ЗЗМ тяжелыми металлами не отмечается.
Ключевые слова: загрязнение почв тяжелыми металлами, объекты уничтожения химического оружия
Экологическая безопасность является неотъемлемой составляющей при хранении и уничтожении химических отравляющих веществ. Основным инструментом обеспечения экологической безопасности выступает система экологического мониторинга компонентов окружающей природной среды: атмосферного воздуха, почв, поверхностных и подземных вод. Наблюдения, проводимые на стадии строительства объекта уничтожения химического оружия (ОУХО), позволяют получить исходные (фо-
новые) данные о состоянии окружающей среды в зоне защитных мероприятий (ЗЗМ). В дальнейшем это поможет правильно оценить влияние объекта по уничтожению химических отравляющих веществ и сделать прогноз экологической устойчивости природного комплекса в зоне защитных мероприятий.
Влияние загрязнения почв, как правило, менее заметно, нежели влияние загрязнения воздуха или воды. В почве, в отличие от атмосферы и гидросферы, токсические уровни загрязняющих веществ накапливаются медленнее, но в тоже время они долго в ней и сохраняются, негативно влияя на экологическую обстановку целых регионов [3, 10].
Загрязнение почв тяжелыми металлами является наиболее распространенным и актуальным явлением. Тяжелые металлы - химические элементы с атомной массой больше 40 - являются составной частью биосферы. При низкой концентрации в природной среде они определяются как микроэлементы, а при избыточной - как тяжелые металлы [1]. Из наиболее типичных тяжелых металлов (ТМ) высоко опасными являются мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, титан, бериллий, селен, цинк (1 класс по степени опасности веществ), умеренно опасными - кобальт, никель, молибден, хром, бор, сурьма, медь (2 класс опасности) и мало опасными - барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций (3 класс). Тяжелые металлы опасны тем, что они могут изменять формы при переходе из одной природной среды в другую без биологического разложения, накапливаться в живых организмах и включаться в метаболизм.
В почву тяжелые металлы поступают преимущественно из атмосферы. В природных условиях под воздействием почвенно-климатических факторов и особенностей рельефа могут формироваться зоны с повышенным содержанием тяжелых металлов [3, 10]. В верхних плодородных слоях почв концентрация тяжелых металлов связана с её типом, кислотностью и количеством органического вещества. Высокогумусные или глинистые почвы прочно удерживают ТМ, что предохраняет от загрязнения грунтовые воды и растения, но сама почва становится все более загрязненной, и возможен переход тяжелых металлов в почвенный раствор. Песчаные или малогумусные почвы сами устойчивы к загрязнению, так как слабо связывают ТМ, но они легко отдают их растениям и в грунтовые воды, становясь источником загрязнения. В кислых почвах стронций, барий, медь, кадмий существуют в подвижных формах, а в нейтральных и щелочных почвах - в слабоподвижных или неподвижных; молибден, ванадий, хром, мышьяк, никель в кислых почвах присутствуют в неподвижных формах, а в щелочной среде переходят в токсичные растворимые формы [9].
При мониторинговых наблюдениях проводится изучение фонового содержания тяжелых металлов, их трансформации и миграционной способности в почвенном покрове. Результаты экологических исследований позволят прогнозировать развитие экологической обстановки в ЗЗМ, что немаловажно для принятия рациональных решений при проведении природоохранных, хозяйственных, социальных мероприятий.
ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Нормирование содержания тяжелых металлов в почве является сложным из-за невозможности полного учета всех факторов природной среды (рН, гумус, степень насыщенности основаниями, гранулометрический состав и т.д.), которые могут существенно влиять на количество тяжелых металлов в почвах.
Предложено множество шкал экологического нормирования тяжелых металлов. Валовое содержание тя-
желых металлов характеризует общую загрязненность почвы и отражает потенциальную опасность загрязнения растительной продукции, подземных и поверхностных вод. Для характеристики степени доступности элементов для растений используются их подвижные формы.
В нашей работе исследование почв проведено на приборе «Спектроскан МАКС G» рентгенофлуоресцент-ным методом по методике «МВИ № 2420/69-2004. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа». Оценка степени общего загрязнения почв различными формами тяжелых металлов проведена в сравнении с ОДК (для цинка и меди), ПДК (для марганца) [7] и средним содержанием
железа на территории ЗЗМ ОУХО по результатам собственных данных за 2007 год. Водородный показатель (рН) определяли в солевой вытяжке по методу ЦИНАО по ГОСТ 26483-85 [6].
В рамках экологического мониторинга ЗЗМ ОУХО в 2007 году были проведены исследования почв в 81 контрольной точке [4,5,8]. Контрольные точки отбора проб почв показаны на рис. 1.
В пробах почв определялось валовое содержание тяжелых металлов (цинка, меди, марганца, железа) и водородный показатель (рН) по общепринятым методикам [2, 6, 7]. Всего проанализировано 140 проб почвы (табл. 1).
В исследованных пробах почвы повсеместно отмечается наличие тяжелых металлов - цинка, меди, мар-
Определяемые компоненты в почвах ЗЗМ объекта хранения химического оружия и критерии контроля
Определяемый компонент Критерий контроля (ПДК, ОДК), мг/кг Диапазон определения по методике, мг/кг
Водородный показатель (pH) - 1,0-14,0
Цинк 55*;110**;220*** 10-610
Медь 33*;66**;132*** 20-310
Марганец 1500 100-950
Железо не установлен 10000-80000
"песчаные и супесчаные почвы; "кислые (суглинистые и глинистые) почвы рН 5,5
ганца и железа. Превышений по уровню содержания тяжелых металлов в большинстве проб почв не выявлено.
Содержание в почвах ЗЗМ ОУХО цинка, меди, марганца и железа приведено на рисунках 2-4 в виде объемных диаграмм, где количество цинка и меди в контрольных точках приводится относительно ОДК (ОДК цинка 110 и 220 мг/кг для почв с рН5,5, соответственно; ОДК меди 66 и 132 мг/кг для почв с рН5,5, соответственно), а содержание марганца - относительно ПДК 1500 мг/кг [7]).
По распространению меди в почвах ЗЗМ можно отметить, что до 0,5 ОДК меди содержится примерно в 35% почв, от 0,5 до 0,8 ОДК - в 46% почв и только 19% контрольных точек содержит более 0,8 ОДК меди, из них в одной точке валовое содержание меди в 1,3 раза выше по сравнению с ОДК - это точка 83 в пойме реки Миасс (рис. 3).
Валовое содержание цинка в почвах ЗЗМ УХО (в долях от ОДК)
Рис. 2. Относительное содержание цинка в почвах ЗЗМ ОУХО
Валовое содержание меди в почвах ЗЗМ УХО (в долях от ОДК)
Рис. 3. Содержание меди в почвах зоны защитных мероприятий ОУХО
Содержание марганца в почвах ЗЗМ не превышает установленного уровня ПДК для валовых форм этого элемента (1500 мг/кг почвы). Из всех проанализированных проб почв около 40% содержит до 0,5 ПДК марганца, 56% почв - 0,5-0,8 ПДК и только в почвах 3 точек содержание марганца составляет от 0,8 до 1,0 ПДК, две из которых находятся возле строящегося объекта ОУХО (рис. 4).
Для железа критерии оценки содержания в почвах не установлены, поэтому данные в настоящей работе приведены относительно среднего содержания по ЗЗМ, которое составило 28660 мг/кг почвы по результатам аналитических исследований за 2007 год (рис. 5). Примерно 47% почв содержит железа ниже среднего по этому району, в 41% почв содержание железа выше среднего в 1,3 раза и только в 2 точках превышение содержания железа относительно среднего в 1,7 и 2,0 раза. Эти контрольные точки, обозначенные на рис. 1, располагаются в пойме реки Миасс.
Валовое содержание марганца в почвах ЗЗМ УХО (в долях от ПДК)
Рис. 4. Содержание марганца в почвах зоны защитных мероприятий ОУХО
Содержание железа в почвах ЗЗМ УХО (в долях отсреднего по ЗЗМ)
Рис. 5. Содержание железа в почвах зоны защитных мероприятий ОУХО
Таким образом, в почвах зоны защитных мероприятий объекта УХО в 90% контрольных точек не обнаруживается превышение содержания цинка, меди, марганца
и железа. В пробах почвы из точки 83 (пойма р. Масс) обнаружено превышение цинка и меди в 1,3 раза в сравнении с ОДК, а железа в 2 раза в сравнении со средним значением района ЗЗМ, что может указывать на трансграничное загрязнение района ЗЗМ предприятиями соседней Челябинской области. Влияние строящегося объекта УХО на загрязнение почв ЗЗМ тяжелыми металлами не обнаружено.
1. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях.
- П.: Агропромиздат, 1987.
2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Наука, 1970.
3. Агротехногенное загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами: источники, масштабы, рекультивация.
4. ГОСТ 17.4.1.02-83 "Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения".
5. ГОСТ 17.4.3.01-83, "Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб". ГОСТ 17.4.4.02.84, "Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа". РД 52.18.156-93, Методические указания "Охрана природы. Почвы. Методы отбора представительных проб почвы и оценка загрязнения сельскохозяйственного угодья остаточными количествами пестицидов".
6. ГОСТ 26483-85 "Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО".
7. Гигиенические нормативы: ГН 2.1.7.020-94 "Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами (валовое содержание). Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91"; ГН 2.1.7.2041-06 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве".
8. Егоров В.П. Почвы Курганской области. - Курган, 1995.
9. Ильин В.Б. Тяжёлые металлы в системе почва - растение. - Новосибирск: Наука, 1991.
10. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв / Под ред. Д.С.Орлова, В.Д.Василевской. - М.: Изд-во Моек унта, 1994.
С.А. Шибанова, А.И. Рыкова
Курганский государственный университет
ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ ТЭ0С-Н20 НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА ГЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ
Аннотация: Целью данной работы было экспериментальное выявление зависимости вязкости золя кремниевой кислоты и времени инкубации от концентрации исходных компонентов (тетраэтоксисилан (ТЭОС), вода).
Золь получали из ТЭОС и дистиллированной воды, изменяя молярное соотношение данных компонентов от 1 до 50. В качестве гелеобразующего звена системы использовали концентрированную соляную кислоту (плотность 1,19 г/мл). Получение золя проводили при температуре 333 К в течение 90 минут при скорости перемешивания 460 об/мин. Вязкость системы (сПз) в процессе гелеобразования измеряли с помощью программируемого вискозиметра DV-ll+Pro с точностью ±1,0 % шкалы значений вязкости.
Значения вязкости в точках начала гелеобразования жестко не коррелируют с продолжительностью инкубационного периода и колеблются в пределах от 48,3 сПз до 124,7 сПз. Процесс гелеобразования в системе ТЭОСвода происходит при различных значениях концентрации исходного компонента (тетраэтилоксисилана), которая заметно влияет на скорость
процесса образования геля. В интервале соотношений ТЭОС--=-Н20 от 1 -^3 до 1-^20 продолжительность инкубационного периода созревания геля при прочих равных условиях наименьшая и составляет 22 - 26 минут.
Изменение активности антиоксидантной системы растений происходит при многих патологических процессах, а также при различных видах внешних воздействий, в том числе при действии на живые организмы фосфорсодержащих поллю-тантов и ксенобиотиков, среди которых могут быть фосфорсодержащие удобрения, пестициды и фосфорорганические отравляющие вещества (ФОВ), образующие при гидролизе фос-фонаты.
Ключевые слова: гелеобразование кремниевой кислоты, вязкость, золь-гель технология
Кремнезем - самое распространенное вещество на Земле. В природе он встречается в виде минералов, в растворенном состоянии в водах, во многих растениях и организмах животных. Последние десятилетия наблюдается интенсивный рост областей науки и техники, связанных с получением и применением различных коллоидных и микрогетерогенных форм кремнезема с развитой поверхностью - золей, гелей и порошков.
Силикагель - высушенный гель кремниевой кислоты пористого строения с сильно развитой внутренней поверхностью. С каждым годом он находит все более широкое применение в самых разнообразных отраслях: химической, фармацевтической, нефтяной промышленности. Его используют для осушки различных газов и жидкостей, для очистки масел и промышленных вод, для хро-матографического разделения веществ, в качестве изолирующего вещества при добыче нефти.
В настоящее время идут интенсивные исследования влияния различных факторов на процесс гелеобразования, так как изменение условий в процессе синтеза золя ведет к получению гелей с различными свойствами. Исследований по данному вопросу много, но результаты весьма противоречивы [1]. Мало исследованной остается область влияния условий, при которых идет получение золя кремневой кислоты, на продолжительность гелеобразования [2].
Целью данной работы было экспериментальное выявление зависимости вязкости золя кремниевой кислоты и времени инкубации от концентрации исходных компонентов (тетраэтоксисилан (ТЭОС), вода).
Объектами исследования в данной работе являются золь и гель кремниевой кислоты, а предметом - процесс гелеобразования золя, полученного при различных концентрациях тетраэтоксисилана.
В основе исследования лежит золь - гель метод, включающий две стадии:
1) получение золя в результате жидкофазного гидролиза ТЭОС;
2) образование геля из золя («золь-гель» переход) вследствие процесса гидролитической конденсации.
Золь получали из ТЭОС и дистиллированной воды, изменяя молярное соотношение данных компонентов. В качестве гелеобразующего звена системы добавляли концентрированную соляную кислоту (плотность 1,19 г/мл). Получение золя проводили при температуре 333 К в течение 90 минут при скорости перемешивания 460 об/мин. Вторая стадия заключалась в подщелачивании золя 6М раствором гидроксида натрия до рН = 4. Контроль за изменением рН осуществляли с помощью рН-метра. Вязкость системы (сПз) в процессе гелеобразования измеряли с помощью программируемого вискозиметра 0\/-11+Рго с точностью ±1,0 % шкалы значений вязкости.
В данной работе исследовались области молярного соотношения ТЭОС Н20 от 1 до 50. Для каждого значе-
Актуальные аспекты мониторинга загрязнения почв тяжелыми металлами (обзор) Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»
Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Н.К. Кулданбаев
В работе представлен обзор научных работ, где почва используется в качестве объекта исследования для мониторинга состояния окружающей среды , качества продуктов питания, оценки эффективности восстановительных мероприятий при очистке загрязненных территорий. Изучение химического состава почвы позволяет проследить пути распространения загрязнителей от их источника до конечного объекта исследований, провести текущий анализ и сделать прогноз ожидаемых последствий на будущее.
Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Н.К. Кулданбаев
Эколого-гигиеническая оценка почв национального парка Заамин (Джизакская обл. , Республика Узбекистан)
CURRENT ASPECTS OF THE SOIL MONITORING CONTAMINATED BY HEAVY METALS (REVIEW)
The paper presents an overview of scientific papers, where the soil is used as an object of study for environmental monitoring, food quality, estimation of efficiency of remediation activities at cleaning contaminated areas. The chemical composition of the soil allows to track the spread of pollutants from their source to the final object of study, conduct ongoing analysis and to predict the expected consequences for the future.
Текст научной работы на тему «Актуальные аспекты мониторинга загрязнения почв тяжелыми металлами (обзор)»
Научно-производственное объединение «Профилактическая медицина» (г. Бишкек, Кыргызская Республика)
АКТУАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ОБЗОР)
В работе представлен обзор научных работ, где почва используется в качестве объекта исследования для мониторинга состояния окружающей среды, качества продуктов питания, оценки эффективности восстановительных мероприятий при очистке загрязненных территорий. Изучение химического состава почвы позволяет проследить пути распространения загрязнителей от их источника до конечного объекта исследований, провести текущий анализ и сделать прогноз ожидаемых последствий на будущее. Ключевые слова: окружающая среда, почва, тяжелые металлы, национальный парк, растения
Активная хозяйственная и промышленная деятельность человека на фоне природных и техногенных катаклизмов весьма негативно отражаются на состоянии окружающей среды. Многие красивые заповедные места потеряли свой первозданный вид, большое их количество уже безвозвратно утеряно, а новые тем временем интенсивно осваиваются людьми. При этом с каждым днем самому человеку все труднее найти для обитания «здоровое» чистое место, сегодня даже особо охраняемые зоны находятся под повышенной нагрузкой различных химических загрязнителей, которые поступают через воздух, атмосферные осадки и поверхностные воды [16, 20, 22, 24, 26-28, 30]. Биогеохимические процессы, промышленные отходы, сточные воды и твердые бытовые отходы являются источниками токсических веществ, в том числе тяжелых металлов, которые загрязняют сельскохозяйственные поля для выращивания продуктов питания [12, 14, 16, 23, 25]. Более 90% продуктов питания выращивается на почве, через растительную пищу в организм человека может поступать до 70-90% различных токсических веществ. Поэтому качество почвы является объектом повышенного внимания ученых. Текущие результаты многочисленных исследований по оценке качества объектов окружающей среды констатируют факт неуклонного роста количества загрязнителей в почве, воде, донных осадках, растительной биомассе [1, 6-9, 14, 19, 21, 26, 29-33].
Систематический контроль качества и свойств почвы позволяет выявлять изменения плодородия почвы, устанавливать возможное увеличение уровней загрязнителей, в том числе в результате неправильного землепользования. Это также дает возможность фермерам и управленцам на основе научных знаний использовать рекомендации по устойчивому управлению природными ресурсами и восстановлению плодородия почвы [4, 7, 23, 25, 27].
Особую значимость исследованию почвы на различные загрязнители придает тот факт, что почва является биокосным телом для ее микробного населения [18]. Согласно С. В. Шарковой (2007), почвенные микроорганизмы, будучи основными редуцентами, активно участвующими в процессах деструкции органического вещества, в первую очередь и в наибольшей степени претерпевают изменения, происходящие в почве под действием негативных факторов среды. При этом нарушается функционирование микробной компоненты и как следствие, образование микробных ядов, токсичность которых чрезвычайно высока [18].
Сочетанное негативное влияние тяжелых металлов почвы и кислотных дождей на экосистему показано в работе R. Venanzoni и W. Werner (1988), которые утверждают, что подкисление почвы приводит к изменению катион-обменного насыщения (Ca+Mg), Al и (Fe+H) и изменению буферной емкости. Кроме того, такие металлы как свинец и медь аккумулируются в верхних слоях почвы вдоль основной стволовой зоны дерева. Все это приводит к увеличению поступления тяжелых металлов в растение [33]. Аналогичные результаты получены в ходе экспериментальных исследований A. Kim и соавт. (2010). Авторы доказывают, что снижение рН почвы приводит к повышению доступности тяжелых металлов для прилегающей экосистемы, и, в первую очередь, для растений, что является результатом изменения катион-обменного процесса и частичного растворения минералов в окружающей среде [24].
Фитосоциологический анализ, проведенный на территории национального парка Альта Мургия (Южная Италия, провинция Апулия), показал, что на загрязненной почве тяжелыми металлами существенно сокращается биологическое разнообразие
растительности [28]. Схожие выводы, но уже относительно микрофлоры почвы, делают кыргызские ученые Т.Д. Доолоткельдиева и Ч.М. Омургазиевой (2009), которые в своей работе показывают ингибирующее действие ртути и свинца. Согласно результатам их исследований, повышение уровня тяжелых металлов в почве ведет к значительному сокращению численности почвенных микроорганизмов и изменению их видовой структуры, при этом действие микроэлемента ртути более выражено по сравнению с таковым других элементов [2].
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и их негативные последствия мотивируют ученых изучать процессы выноса и накопления химических элементов различными звеньями экосистемы и, в первую очередь, растениями. С одной стороны, растения рассматриваются в качестве биоиндикационных показателей степени загрязненности, как местности, так и самого объекта исследования. С другой стороны, интерес в научно-практическом плане представляет поиск таких видов растений, которые имеют хорошую способность накапливать токсические вещества и, тем самым, могут быть использованы для очистки и восстановления загрязненной среды [1, 9, 13, 15-17, 22, 25, 27].
В работе Л.В. Хынг и соавт. (2011) было изучено распределение микроэлементов в чайном дереве (Camellia sinensis), кукурузе (Zea Mays L), овощной
культуре (Sauropus androgynus) и траве ветивер (Vetiveria zizanioides L. Nash). Содержание 22 элементов в растениях было определено с помощью рентгенофлюоресцентного, гамма-активационного и трекового методов анализа. Результаты анализа показали, что аккумуляция цинка в овощной культуре Sauropus androgynus в 16 раз больше, чем в почве, на которой произрастало растение. При этом данный вид растения имел наибольшую депонирующую способность к элементу цинка, чем другие виды исследованных растений. На основе полученных результатов авторы предлагают использовать овощную культуру Sauropus androgynus в качестве биоиндикатора загрязнения почвы на цинк, а также применять его в качестве природного очистителя загрязненных территорий. Исследования А.М. Русанова и Д.М. Турлибековой (2011) показали существенное накопление тяжелых металлов в плодах шиповника, высаженных в пределах города Орск, который является промышленным центром Оренбургской области России, где развита нефтеперерабатывающая, химическая отрасли, машиностроение, цветная металлургия и энергетика [15]. В работе Z. Hseu и соавт. (2010) рассматриваются вопросы фито-восстановление рисовых полей, загрязненных тяжелыми металлами, а также способность разных сортов риса поглощать микроэлементы. Авторы отмечают, что тяжелые металлы, источниками которых являются сточные воды, аккумулируются не только вдоль ирригационных систем на глубине 0-30 см поверхности почвы, но далее широко распределяются по всей площади рисовых полей. Z. Hseu и соавт. предлагают для улучшения качества поливной воды удалять из каналов иловые осадки, где депонированы высокие концентрации тяжелых металлов. Исследователи указывают, что из всех тяжелых металлов кадмий и цинк обладают наибольшей способностью накапливаться в зернах риса, особенно в его индийском сорте. При этом поглощение Cd и Zn корневой системой риса является конкурентным: увеличение цинка в почве затормаживает поглощение кадмия. На Схеме 1. показана идентификация, транспорт и восстановление загрязненных тяжелыми металлами рисовых полей в Тайване [23].
Способность риса поглощать и аккумулировать в себе тяжелые металлы подтверждается в работе А. С. Шаназаровой и А. Т. Ахматовой (2012). Результаты их исследований показали, что содержание свинца в пробах риса сорта «Элита», ввозимого из Китая в Кыргызстан, превышало ПДК данного элемента, установленной для КР и России, в 2,4 раза - 1,2 мг/кг против 0,5 мг/кг [17]. Высокий уровень промышленной деятельности в городах обусловливает ухудшение экологического состояния окружающей экосистемы. Особенно это наглядно проявляется в отношении почв города, которые являются своеобразной депонирующей средой, накапливающей различные загрязняющие вещества [1, 3-6, 9-11, 31]. Согласно данным Л.В. Мосина и соавт. (1985), концентрация свинца в почве с начала прошлого столетия к концу 80-х годов возросла с 6 мг/кг до 140
мг/кг. В почвах крупных мегаполисов, как например Москва, концентрация свинца в почве в отдельных районах достигает 990 мг/кг и более, что превышает ПДК в 32 мг/кг в 30 раз и почти в 100 раз кларковое содержание этого элемента [9].
Аналогичные заключения делают американские ученые, которые изучали содержание тяжелых металлов в почве, листве и хвое деревьев лесов, расположенных вблизи городов. Результаты их исследований показали высокий уровень металлов в пробах, взятых вдоль шоссе внутри лесов. Пробы, отобранные в глубине леса вдали от дорожных магистралей, содержали значительно меньшее количество тяжелых металлов. При этом уровень металлов в сосновых иглах был больше, чем в листве деревьев, что свидетельствует о большей аккумулирующей способности хвои [31]. Тревожное заключение относительно состояния городской среды Бишкека и Оша Кыргызской Республики (КР) дается В. В. Ермаковым и соавт. (2002). Авторы указывают, что если раньше в крупных городах Кыргызстана приоритетными источниками загрязнения окружающей среды были промышленные предприятия, то сегодня ведущими источниками стали выхлопные газы автотранспорта, выбросы ТЭЦ и малых котельных, а также печи индивидуального сектора. При этом проблема усугубляется тем, что по причине дороговизны качественного угля и газа, частный сектор вынужден использовать уголь с низкой калорийностью и высокой зольностью. Согласно авторам, содержание химических элементов в почвенном покрове, отобранных в центральной части г. Бишкек, превышало фоновые показатели в 10-15 раз по ртути, в 2-5 раза по цинку и меди, в 2-3 раза по селену и в 6 раз по кобальту. Для г. Ош также были установлены высокие уровни тяжелых металлов в пробах почвы, отобранных вблизи промышленных объектов и местах интенсивного движения транспортных средств: по цинку превышение составило от 2 до 4 раз, по ртути - от 2 до 3 раз [3]. Таким образом, на основе анализа данных литературы можно сделать заключение, что почва является одним из наиболее часто используемых материалов, дающих ясное представление о текущем экологическом состоянии объекта исследования. Популярность почвы для аналитических целей объясняется ее чувствительностью к изменениям окружающей среды, способностью хорошо аккумулировать различные поллютанты и, поэтому, служить достоверным индикатором загрязнения.
Дополнительно, почва является удобным материалом для отбора, обработки и химического анализа, проведения экспериментальных исследований, мониторинга эффективности восстановительных мероприятий при очистке загрязненных территорий. Изучение химического состава почвы позволяет хорошо проследить пути распространения загрязнения от источника до конечного объекта исследований, провести текущий анализ и сделать прогноз ожидаемых последствий на будущее.
1 Гладков, Е. А. Влияние комплексного взаимодействия тяжелых металлов на растения мегаполисов [Текст] / Е. А. Гладков // Экология. - 2007. - №1. - С. 71-74.
2 Доолоткельдиева, Т. Роль почвенных микроорганизмов в биоиндикации и биоремедиации загрязнения тяжелыми металлами [Текст] / Т. Доолоткельдиева, Ч. Омургазиева. - Бишкек : Аят, 2009. - 170 с.
4 Королева, Ю. В. Новые данные о биоконцентрировании ТМ на территории Балтийского региона [Текст] / Ю. В.Королева, И. А. Пухлова // Вестник БФУ им. И. Канта. - 2012. - №1. - С. 99-106.
5 Лепнева, О. М. Влияние антропогенных факторов на химическое состояние почв города (на примере г. Москвы) [Текст]: автореф. дис. . канд. биол. наук / О. М. Лепнева. - М., МГУ, 1987. - 22 с.
7 Мамытов, А. М. Почвенные ресурсы и вопросы земельного кадастра Кыргызской Республики [Текст] / А. М. Мамытов; -Бишкек: Кыргызстан, 1996. - 240 с.
8 Мосина, Л. В. Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) [Текст] / Л. В. Мосина, Э. А. Довлетярова, С. Ю. Ефремова и др. // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. - 2012. - №29. - С. 383-386.
9 Мосина, Л. В. Влияние антропогенных факторов на накопление тяжелых металлов в почвах некоторых насаждений ЛОД ТСХА [Текст] / Л. В. Мосина, В. В. Паракин, Н. М. Грачева и др. // Лесные экосистемы и вопросы моделирования. М.: Изд-во МСХА, 1985. - С. 42-44.
10 Мудрый, И. В. Эколого-гигиеническая оценка микробиологических процессов в почве при загрязнении анионными поверхностно-активными веществами и тяжелыми металлами [Текст] / И. В. Мудрый // Гигиена и санитария. - 2002. -№1. - С. 22-25.
12 Олигер Т. А., Юрьев В. С. Применение эколого-геохимического картирования в области гигиены окружающей среды //Гигиена и санитария. 1994. - №1. - С.23-25.
13 Отмахов, В. И. Атомно-эмиссионная методика анализа грибов на содержание тяжелых металлов и использование ее для целей экомониторинга [Текст] / В. И. Отмахов, Е. В. Петрова, Т. Н. Пушкарева и др. // Известия ТПУ. - 2004. - №6. - С. 44-48.
14 Романенко, Н. А. Методология оценки качества почвы для социально-гигиенического мониторинга [Текст] / Н. А. Романенко, И. А. Крятов, Н. И. Тонкопий // Гигиена и санитария. -2004. - №5. - С. 17 - 18.
15 Русанов, А.М. Тяжелые металлы в плодах шиповника города Орска [Текст] / А. М. Русанов, Д. М. Турлибекова // Вестник ОГУ. - Оренбург, 2011. - №12. - С. 299 - 300.
16 Степанова, Л. П. Оценка состояния природной среды для выявления зон экологического неблагополучия [Текст] / Л. П. Степанова, А. И. Мышкин, Е. А. Коренькова // Вестник ОрелГАУ. - 2009. - №4. - С.50-52.
17 Шаназарова, А. С. Содержание солей тяжелых металлов в различных сортах риса, выращиваемого в Кыргызстане и ввозимого из зарубежья [Текст] / А. С. Шаназарова, А. Т. Ахматова // Вестник КРСУ. - 2012. - Т. 12, №7. - С. 164-167.
18 Шаркова, С. Ю. Воздействие ТМ на почвенную микрофлору [Текст] / С. Ю. Шаркова, Е. В. Надежкина // Плодородие. -2007. - №8. - С. 40.
19 Хынг, Л. В. Определение распределения микроэлементов по компонентам растительных экосистем [Текст] / Л. В. Хынг, О. Д. Маслов, М. В. Густова и др. // Письма в ЭЧАЯ. - 2011. - Т. 8, №7 (167). - С. 690-697.
20 Brunetti, G., Farrag, K., Soler-Rovira, P., Ferrara, M., Nigro., F. & Senesi, N. (2012). Heavy metals accumulation and distribution in durum wheat and barley grown in contaminated soils under Mediterranean field conditions. Journal of Plant Interactions, 7(2), 160-174.
21 Chon, H.T., Lee, J.S., & Lee, J.U. (2011). Heavy Metal Contamination of Soil, Its Risk Assessment and Bioremediation. Geosystem Engineering, 14(4), 191-206.
22 Gonzalez, M.J., Fernandez, M. & Hernandez, L.M. (1990). Influence of acid mine water in the distribution of heavy metal in soils of Donana national park. Application of multivariate analysis. Environmental Technology, 33(11), 1027-1038.
23 Hseu, Z.Y., Su, S.W., Lai, H.Y. et al. (2010). Remediation techniques and heavy metal uptake by different rice varieties in metal-contaminated soils of Taiwan: New aspects for food safety regulation and sustainable agriculture. Soil Science and Plant Nutrition, 56, 31-52.
24 Kim, A.Y., Kim, J.Y., Ko, M.S., & Kim, K.W. (2010). Acid Rain Impact on Phytoavailability of Heavy Metals in Soils. Geosystem Engineering, 33(4), 133-138.
26 Moles, R. (1992). Trampling Damage to Vegetation and Soil Cover at Paths within the Burren National Park, Mullach Mor, Co. Clare. Irish Geography, 25(2), 129-137.
27 Ogbonna, P.C., Odukaesieme C., & Teixeira da Silva, J.A. (2013). Distribution of heavy metals in soil and accumulation in plants at an agricultural area of Umudike, Nigeria. Chemistry and Ecology, 29(7), 595-603.
28 Perrino, E.V., Brunetti, G. & Farrag, K. (2012). Plant Communities in Multi-Metal Contaminated Soils: A Case Study in the National Park of Alta Murgia (Apulia Region - Southern Italy). International Journal of Phytoremediation, 16(9), 871-888.
29 Reimann, C., Arnoldussen, A., Englmaier, P., et al. (2007). Element concentrations and variations along a 120-km transect in southern Norway - Anthropogenic vs. geogenic vs. biogenic element sources and cycles. Applied Geochemistry, 22, 851-871.
30 Shepard Jr., G.H., Rummenhoeller, K., Ohl-Schacherer, J. & Yu, D.W. (2010). Trouble in Paradise: Indigenous Populations, Anthropological Policies, and Biodiversity Conservation in Manu National Park, Peru. Journal of Sustainable Forestry, 29(2-4), 252-301.
31 Tong, S.T.Y., & Farrell, P.M. (1991). The concentration profile of heavy metals in an urban forest. Environmental Technology, 32(1), 79-85.
33 Venanzoni, R., & Werner, W. (1988). Monitoring effects of air pollution with the aid of trunk base phenomena in Italian beech forests soil. Giornale botanico italiano, 322(3-4), 167-178.
34 Zhang, Z., Abuduwaili, J., & Jiang, F. (2013). Determination of Occurrence Characteristics of Heavy Metals in Soil and Water Environments in Tian-Shan Mountains, Central Asia. Analytical Letters, 46(13), 2122-2131.
Scientific and Production Center for Preventive Medicine (Bishkek, the Kyrgyz Republic)
CURRENT ASPECTS OF THE SOIL MONITORING CONTAMINATED BY HEAVY METALS (REVIEW)
Resume: The paper presents an overview of scientific papers, where the soil is used as an object of study for environmental monitoring, food quality, estimation of efficiency of remediation activities at cleaning contaminated areas. The chemical composition of the soil allows to track the spread of pollutants from their source to the final object of study, conduct ongoing analysis and to predict the expected consequences for the future. Keywords: environment, soil, heavy metals, national park, plant
13.3.3. Организация наблюдений и контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами
Перед осуществлением полевой программы наблюдений за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в природных и сельскохозяйственных ландшафтах необходимо провести планирование работ, т.е.:
q определить примерное количество точек отбора почв, которые дадут основной физический материал;
q составить схему их территориального размещения;
q наметить полевые маршруты пли последовательность обработки площадей;
q установить календарные сроки исполнения задания.
Помимо этого следует проверить наличие и качество топографического материала, а также тематических карт (почвенных, геоботанических, геологических, геохимических и др.).
Необходимо собрать следующие сведения об источниках загрязнения почв:
q используемое сырье;
q объем производства;
а также установить связь с учреждениями, которые заинтересованы в предполагаемых обследованиях.
Наблюдения за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в городах и на окружающей территории носят характер экспедиционных работ и поэтому включают в себя все мероприятия по подготовке к ним. Время проведения экспедиционных работ и отбора почв не имеет значения. Однако удобнее сбор материалов проводить в сухое время года, в период уборки урожая основных сельскохозяйственных культур, т.е. летом и в начале осени. При развернутых стационарных наблюдениях отбор проб производится независимо от времени экспедиционных работ. Повторные наблюдения за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами ранее обследованных территорий осуществляются через 5 – 10 лет.
При выборе участков наблюдения на территориях, используемых сельским хозяйством, исходным рабочим документом служит топографическая основа определенного масштаба (обычно 1:10 000). Контуры (схема) города (рабочего поселка) или промышленного комплекса размещаются, как правило, в центре плана местности, который переснимается с топографической основы. Из геометрического центра (города, промышленного комплекса, завода и т.д.) с помощью циркуля наносятся окружности на следующих расстояниях: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2; 3; 4; 5, 8; 10, 20; 30; 50 км, т.е. обозначается зона возможного загрязнения почв тяжелыми металлами.
Протяженность зоны загрязнения почв определяется скоростью и частотой ветров данного румба (розой ветров), характером выбросов в атмосферу (плотностью вещества, дисперсностью частиц), высотой труб, рельефом территории, растительностью и т.д.
На подготовленный таким образом план местности наносятся контуры многолетней розы ветров по 8 – 16 румбам. Самый большой вектор, соответствующий наибольшей повторяемости ветров, откладывается в подветренную сторону; его длина составляет 25 – 30 см, т.е. 25 – 30 км. Таким образом, в контур, образованный розой ветров, схематически включается территория наибольшей загрязненности тяжелыми металлами (рис. 13.1). В направлении радиусов строятся секторы шириной 200 – 300 м вблизи источников загрязнения с постепенным расширением до 1 – 3 км; в местах пересечения осей секторов с окружностями располагаются ключевые участки, на них располагают сеть опорных разрезов, пункты и площадки взятия проб /1/.
Под ключевым участком понимается участок (1 – 10 га и более), характеризующий типичные, постоянно повторяющиеся в данном районе сочетания почвенных условий и условий рельефа, растительности и других компонентов физико-географической среды. Основную долю ключевых участков следует располагать в направлении двух экстремальных лучей (румбов) розы ветров.
При нечетко выраженной розе ветров участки должны характеризовать территорию равномерно в направлении всех румбов розы ветров. Если есть основание полагать, что миграция тяжелых металлов связана с водными потоками, то направление лучей нужно согласовывать с вектором водной миграции. Общее количество участков должно быть равно 15 – 20.
Чтобы лучше понять взаимосвязь между качеством почв, природными и хозяйственными условиями района, проводится предварительное рекогносцировочное обследование местности. Во время рекогносцировки проверяются и закрепляются почерпнутые из литературы или других источников сведения, формируются личные воззрения и закрепляются в памяти многие важные особенности объекта предстоящих обследований. Рекогносцировочные обследования проводятся маршрутным путем более или менее подробно в зависимости от природной сложности территории, степени ее изученности, площади и масштаба обследований.
При детальных обследованиях загрязнения почв вокруг единичного источника загрязнения достаточно один – два раза пересечь участок (рис. 13.2, а). При больших площадях (обследование сельскохозяйственных полей, местности вокруг городов и т.д.) рекогносцировочное обследование требует значительных усилий и времени. Чтобы охватить маршрутами местность, ее пересекают по главным орографическим элементам (рис. 13.2, б) /1/.
В результате рекогносцировки выявляются:
q основные ландшафтные особенности территории;
q общие закономерности пространственных изменений почвенного покрова;
q главные формы почвообразования и др.
Параллельно идет ознакомление с:
q местным фондовым материалом;
q сведениями о климате и микроклимате;
q погодными условиями последних лет;
q заболеваниями людей, причина которых – повышенное содержание тяжелых металлов в экосистеме.
Некоторая затрата рабочего времени на рекогносцировочное обследование территории до начала основных работ, как правило, окупается экономией сил и времени в последующем проведении полевых работ.
При оценке степени загрязнения территории тяжелыми металлами ввиду чрезвычайно большой трудоемкости и стоимости не всегда применяется сплошная съемка загрязненных почв.
Целесообразнее и экономичнее прослеживать пути воздушного и водного загрязнения почв, анализируя объединенные образцы из верхних слоев почв с площадок. Более детальное исследование нужно проводить на ключевых участках, расположенных в секторах-радиусах вдоль преобладающих воздушных потоков.
Изучение процессов загрязнения почв на ключевых участках проводится более детально, чем на остальной территории; оно довольно трудоемко и требует много времени. Ключевые участки размещают на обследуемой территории так, чтобы они характеризовали все возможные ландшафтно-геохимические условия, разнообразие генезиса, состава и сочетания почв, типичные биоценозы и, конечно, фоновые и техногенные участки.
При наблюдениях за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами большое значение имеет сравнение изменений, происходящих по мере увеличения или уменьшения влияния того или иного фактора, и вызванных этими изменениями закономерных смен степени загрязнения почв различными ингредиентами в пространстве. Наиболее четко эти закономерности можно выявить на почвенно-геоморфологических профилях, секущих всю территорию вдоль преобладающих направлений ветра, что является исключительно ценным методом познания сопряженных связей между распределением загрязняющих веществ в почвах и средой.
Под почвенно-геоморфологическим профилем следует понимать заранее выбранную узкую, стремящуюся к линии полосу земной поверхности, на которой установлена корреляция степени загрязнения почв с одним или несколькими экологическими факторами (рис. 13.3).
Почвенно-геоморфологические профили закладываются по векторам розы ветров. Профили не могут полностью заменить ключевые участки, особенно в тех случаях, когда изменение степени загрязнения почв обусловлено характером микрорельефа, связь которого с загрязнением почв наиболее наглядно проявляется на большой территории. Следовательно, почвенно-геоморфологические профили и ключевые участки должны дополнять друг друга.
Достоверно установлено, что техногенные выбросы, загрязняющие почвенный покров через атмосферу, сосредоточиваются в поверхностных слоях почвы. Тяжелые металлы сорбируются, как правило, в первых 2 – 5 см от поверхности. Загрязнение нижних горизонтов происходит в результате обработки почвы (вспашки, культивации, боронования), а также вследствие диффузионного и конвективного переноса через трещины, ходы почвенных животных и растений. Поэтому наиболее четкая картина загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами может быть получена при отборе проб почв с глубины 0 – 10 и 0 – 20 см на пашне и с глубины 0 – 2,5; 2,5 – 5,0; 5 – 10; 10 – 20; 20 – 40 см на целине или старой залежи.
Объединенная проба составляется, как правило, методом конверта. Все дальнейшие операции с первичной обработкой почв аналогичны операциям, осуществляемым при контроле за загрязнением почв пестицидами.
После отбора проба почвы направляется на анализ в лабораторию. К каждой пробе прилагается талон, содержащий основные необходимые сведения о самой почве и условиях ее отбора.
В сопроводительном талоне указывается:
q порядковый номер образца;
q месяц и год отбора;
q либо фактическое название, либо номер или условное обозначение пункта наблюдения, расшифрованное в рабочем журнале.
При наблюдениях за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в сопроводительном талоне указываются:
q расстояние от источника загрязнения или внешней границы города, а также направление от источника загрязнения – азимуты по 16 направлениям (север, северо-северо-восток, северо-восток и т.д.);
q показатели рельефа местности:
ü крутизна склонов;
ü их экспозиция (северная, восточная, южная и западная);
ü часть склона (верхняя, средняя или нижняя треть);
ü основные точки и линии рельефа территории, на которой закладывается площадка;
ü вершины, котловины, водоразделы, поймы;
q глубина залегания грунтовых вод, определяемая по глубине колодцев (открытых и артезианских);
q сельскохозяйственная культура (настоящая и предшествующая) или естественная растительность и их состояние (удовлетворительное, хорошее, неудовлетворительное);
q состояние поверхности почвы:
ü наличие или отсутствие микроповышений или микропонижений, борозд, кочек;
ü отмечается качество обработки почвы.
Пробы почв и сопроводительные талоны к ним сохраняются в лаборатории в течение полутора – двух лет.
В целях установления интенсивности поступления тяжелых металлов в почву ежегодно проводится отбор проб снега. Объединенный образец снега с площади 1 га составляется из 20 – 40 точечных проб. Пробы снега следует брать ранней весной до начала подснежного стока талой воды.
В городах естественная почва, как правило, заменена насыпными сильно перекопанными грунтами. Насыпной слой может представлять собой вынутую при строительстве пустую породу и привезенный грунт или дерн, который укладывают на газоны.
Программа наблюдений за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в городах должна учитывать:
q планировку населенного пункта;
q гипсометрию местности;
q высоту построек;
q густоту расположения построек;
q влияние всего этого на направление потоков воздуха;
q распределение атмосферных осадков и ливневого стока;
q долю участия в загрязнении территории города автотранспорта и местных промышленных предприятий и предприятий энергетики.
Помимо этого, в городах неизбежно бытовое (локальное) загрязнение и наличие неорганизованных старых и современных свалок, сжигание мусора. В этих условиях отбор почв приходится производить:
Содержание тяжелых металлов в отобранных пробах, как правило, имеет высокую дисперсию.
В связи с этим отбор проб почв в городских условиях следует производить по сетке квадратов такого масштаба, который обеспечил бы частоту отбора проб почв не менее 5 – 6 образцов на 100 га. Такая частота проб почв обеспечивает получение данных для составления карт загрязненности почв на территории городов. Отбор проб осуществляется методом конверта со стороной 5 – 10 м с глубины 20 см.
Читайте также: