Specifics of the distribution of heavy metals in the soils of the Khabarovsk urban ecosystem
Specifics of the distribution of heavy metals in the soils of the Khabarovsk urban ecosystem
Abstract
The soil cover of urbanised areas accumulates significant quantities of various heavy metals, which over time are capable of transforming and migrating into adjacent ecosystems. The work presents the results of a study of the content of heavy metals and metalloids in soil samples collected in various areas of the Khabarovsk urban ecosystem during the autumn of 2018, which differ in terms of anthropogenic load. During the research, mass spectrometry was used to determine the total concentrations and levels of mobile forms of V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As and Pb. Exceedances of the maximum permissible concentrations (MPCs) for mobile forms of manganese, copper, zinc and lead were identified in the vicinity of the oil refinery, the combined heat and power plant and the campus of the Pedagogical Institute of the PNU.
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».