Особенности распределения тяжелых металлов в почвах урбоэкосистемы г. Хабаровска
Особенности распределения тяжелых металлов в почвах урбоэкосистемы г. Хабаровска
Аннотация
Почвенный покров урбанизированных территорий аккумулирует значительные количества разнообразных тяжелых металлов, которые со временем способны трансформироваться и мигрировать в смежные экосистемы. В работе приведены результаты исследования содержания тяжелых металлов и металлоидов в почвенном покрове, отобранном в различных районах урбоэкосистемы г. Хабаровск в осенний период 2018 года, различающихся по техногенной нагрузке. В ходе исследования методом масс-спектрометрии были определены валовые концентрации и содержания подвижных форм V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Pb. Установлены превышения ПДК подвижных форм марганца, меди, цинка и свинца в районе нефтеперерабатывающего завода, теплоэлектроцентрали и территории студенческого городка Педагогического института ТОГУ.
1. Введение
С каждым годом возрастает техногенная нагрузка на наземные экосистемы биосферы. В связи с развитием промышленности увеличивается содержание токсичных соединений и тяжелых металлов в депонирующих средах. Особо остро стоит проблема загрязнение почвенного покрова урбоэкосистем в связи с его способностью накапливать поллютанты различного генезиса .
Тяжелые металлы и металлоиды не подвергаются биологической или физико-химической деградации, они в течение многих лет аккумулируются в педосфере , а также несут опасность для здоровья населения путем ингаляционного, перорального и накожного поступления в организм . Особая проблема загрязнения почв тяжелыми металлами заключается в том, что они способны включаться в биогеохимические процессы, в результате которых изменяется их миграционная способность. Результатом этого является поступление ТМ в смежные экосистемы и нарушение их устойчивости .
В то же время многие элементы, относящиеся к тяжелым металлам и металлоидам, играют жизненно важную роль в биологических системах и только при повышении концентрации в средах или в организмах проявляется их токсичное воздействие .
Существует множество путей поступления соединений тяжелых металлов в почву. К естественным относят эрозию и разрушение материнских пород. Эти процессы приводят к загрязнению почв литогенными тяжелыми металлами и металлоидами. Антропогенное загрязнение почв тяжелыми металлами связано с их аэрогенным и гидрогенным переносом от промышленных предприятий, тепловых электростанций и транспорта . Еще одним техногенным источником являются отвалы промышленных отходов .
Хабаровск является крупным административным и промышленным центром Хабаровского края. Условия почвообразовательных процессов на территории города складываются различно, чему способствуют геохимические особенности материнских пород. В г. Хабаровске и прилегающих к нему территориях значительные площади занимают аллювиальные засоленные почвы. Однако верхние слои почвенного покрова урбанизированной экосистемы г. Хабаровска подвержены высокой антропогенной нагрузке. Таким образом, исследования особенностей распределения тяжелых металлов в почвах Хабаровска являются достаточно актуальными в настоящее время.
Целью данной работы было проанализировать содержание V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb в почвенном покрове различных районов г. Хабаровска. Большинство исследуемых элементов принадлежат к первым трем классам опасности и обладают высокой токсичностью и биохимической активностью.
2. Методы и принципы исследования
Естественные почвы территории г. Хабаровска и его окрестностей представляют собой бурые лесные (бурозёмы, бурозёмовидные) и луговые (дерновоглеевые и глеевые) почвы. Большая их часть в районе города в разной степени нарушена или заменена антропогенными предпочвенными образованиями , .
В работе исследовали содержание тяжелых металлов (V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Pb) в почвенном покрове с различной степенью техногенной нагрузки. В ходе работы были определены валовые содержания металлов, а также их подвижные формы.
Карта-схема мест отбора проб почвенного покрова
точки отбора проб: 1 – Северный парк; 2 – ННК-Хабаровский НПЗ; 3 – Студенческий городок ПИ ТОГУ; 4 – ТЭЦ-1; 5 - фоновая проба (Воронежские высоты)
Подвижные формы металлов получали экстракцией навесок проб почвы аммонийно-ацетатным буфером (pH 4.8) . Затем определяли содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе ELAN-9000 фирмы Perkin Elmer (США) в лаборатории физико-химических методов исследования Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН.
Для санитарно-гигиенической оценки почвенного покрова рассчитывали суммарный показатель загрязнения. Zc, который представляет собой сумму коэффициентов концентрации (Kc) токсикантов (загрязнителей):
Коэффициент концентрации (Kc) рассчитывается по формуле:
3. Основные результаты
Результаты исследований содержания подвижных и валовых форм металлов представлена в табл.1. Нормирование содержания некоторых ТМ (Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Pb) осуществляется по концентрации их подвижных форм.
Содержание валовых и подвижных форм химических элементов в пробах почвенного покрова участков г. Хабаровска
Показатель ср., мг/кг | Форма | Места отбора проб | |||||
Парк северный | НПЗ | Студ. городок | ТЭЦ-1 | Фон | ПДК, мг/кг | ||
V | Валов. | 59,028 | 45,864 | 62,267 | 42,329 | 35,834 | 150,0 |
Подв. | 0,033 | 0,239 | 0,073 | 0,163 | 0,014 | - | |
Cr | Валов. | 23,147 | 27,568 | 15,494 | 18,092 | 2,446 | 0,05 (Cr⁶⁺) |
Подв. | 2,647 | 3,537 | 2,298 | 2,807 | 1,908 | - | |
Mn | Валов. | 5936,958 | 619,248 | 1440,852 | 551,949 | 685,390 | 1500,0 |
Подв. | 645,596 | 143,115 | 31,078 | 80,533 | 18,298 | 60,0 | |
Co | Валов. | 13,379 | 8,208 | 11,136 | 8,587 | 6,840 | - |
Подв. | 0,050 | 0,199 | 0,047 | 0,222 | 0,065 | 5,0 | |
Ni | Валов. | 35,425 | 21,173 | 22,897 | 21,61 | 14,49 | - |
Подв. | 1,395 | 2,347 | 0,085 | 0,345 | 0,02 | 4,0 | |
Cu | Валов. | 38,297 | 52,836 | 40,369 | 37,473 | 23,243 | - |
Подв. | 0,935 | 4,587 | 0,689 | 1,834 | 0,227 | 3,0 | |
Zn | Валов. | 130,926 | 284,657 | 165,932 | 201,589 | 82,178 | - |
Подв. | 20,854 | 142,989 | 33,975 | 93,928 | 12,633 | 23,0 | |
As | Валов. | 65,234 | 56,785 | 65,682 | 55,805 | 59,606 | 2,0 |
Подв. | 0,122 | 0,415 | 0,210 | 0,484 | 0,077 | - | |
Pb | Валов. | 44,361 | 40,196 | 40,490 | 38,985 | 20,860 | 32,0 |
Подв. | 0,692 | 1,416 | 3,652 | 8,089 | 0,524 | 6,0 | |
Zc | Валов. | 22,635 | 16,732 | 12,182 | 11,000 |
|
|
Подв. | 110,221 | 178,776 | 20,512 | 67,418 |
|
| |
Анализ содержания ванадия, общего хрома, кобальта, никеля, мышьяка показал, что их концентрация в городских почвах не превышает нормативных значений. Однако сравнение их валовых концентраций с таковыми в почвах с наименьшей антропогенной нагрузкой (точка Фон) показывает значительное накопление этих металлов в городском почвенном покрове.
Установлено, что распределение других исследуемых элементов в почвах различной техногенной нагрузки не равномерно. Так, накопление марганца происходило в почвах на территории парка Северный. Превышения ПДК его валовой и подвижной форм в этой точке отбора было в 6,4 и 3,9 раза соответственно.
Повышенными содержаниями свинца характеризуются пробы почв, отобранных в районах города с повышенной антропогенной нагрузкой (ТЭЦ-1, АО «ННК-Хабаровский НПЗ», студенческий городок ПИ ТОГУ). В работе показано, что свинец вносит наряду с марганцем и никелем максимальный вклад в загрязнение почвы от теплоэлектроцентрали г. Хабаровска. Максимальная концентрация установлена в пробе почвы парка Северный (44,361 мг/кг). Вероятно, это связано с плотной сетью автодорог и повышенной плотностью транспорта. В результате анализа изотопных составов Pb исследователями было установлено, что основными источниками свинца в верхнем слое придорожных почв является дорожное покрытие и выхлопные газы от транспортных средств , .
Накопление подвижных форм цинка в большей степени происходило в почве, отобранной на территории нефтеперерабатывающего завода (142,989 мг/кг), превышение ПДК было более чем в 6 раз. Высоким содержанием цинка характеризуется почва в районе ТЭЦ-1 (4 ПДК) и студенческого городка ПИ ТОГУ (1,4 ПДК). Для меди отмечена одна точка с превышением ПДК, район АО «ННК-Хабаровский НПЗ» (1,5 ПДК).
Источником поступления цинка и меди в поверхностные горизонты почвы могут служить износ шин и тормозных накладок . В исследованиях содержания ТМ и мышьяка проводимых на территории г. Хабаровска показано, что присутствует техногенное загрязнение почв преимущественно цинком и свинцом при относительно высоком региональном фоне мышьяка .
Из Постановления Правительства следует, что, одной из характеристик указывающих на ухудшение качества окружающей среды является суммарный показатель содержания в почве загрязняющих веществ равный или превышающий значение 30. В нашем исследовании суммарный показатель загрязнения подвижными формами тяжелых металлов и мышьяка значительно превышал таковой для валового содержания исследуемых элементов. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что загрязнение городской среды г. Хабаровска тяжелыми металлами наиболее интенсивно происходит на территории промышленных предприятий. Значения Zc достигали показателя «очень высокий» (178,776) в пробах почвы, отобранных в районе АО «ННК-Хабаровский НПЗ». В пробах почвы, отобранных в районе парка Северный и ТЭЦ-1 суммарные показатели соответствовали уровню «высокий» (110,221 и 67,418 соответственно). Вероятно, что в этих районах формируются условия, увеличивающие миграционную активность исследуемых элементов.
В соответствии с постановлением Правительства, можно говорить об ухудшении экологической обстановки на исследуемых территориях. Данные территории находятся под высокой техногенной нагрузкой в связи со спецификой их использования.
Таким образом, проанализировав экологическую ситуацию в г. Хабаровске по интегральным показателям, можно выделить районы с наибольшим загрязняющим влиянием на окружающую среду. В почвенном покрове на территории АО «Хабаровский нефтеперерабатывающий завод» и ТЭЦ-1 происходит интенсивное накопление токсичных химических соединений. Включаясь в биогеохимические процессы, тяжелые металлы способны мигрировать в соседние экосистемы, а также включаться в трофические цепи. Учитывая, что обозначенные промышленные предприятия расположены на территории города вблизи жилых микрорайонов, можно говорить о непосредственном влиянии тяжелых металлов на здоровье городского населения.
Принимая во внимание вышесказанное, становится необходимым проведение мероприятий по детоксикации почвенного покрова. Это возможно на основе данных периодического мониторинга почвы и непосредственно связанных с ней экосистем, снежного покрова, атмосферного воздуха и водных объектов.
4. Заключение
По результатам можно сделать выводы о том, что антропогенная нагрузка оказывает большое влияние на химический состав почвенного покрова различных участков города Хабаровск. Наибольшим уровнем накопления исследуемыми элементами характеризуется почва вблизи АО «ННК-Хабаровский НПЗ» и ТЭЦ-1. Также присутствует значительное загрязнение почвы в парке «Северный», обусловленное непосредственной близостью автодорог. Выявлены участки с высоким показателем химического загрязнения по отдельным металлам: марганец — парк «Северный» и цинк — АО «ННК-Хабаровский НПЗ».