Особенности накопления меди в почвах разных функциональных зон города Новокуйбышевска
- Авторы: Старцев А.И.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
- Выпуск: Том 8, № 2 (2019)
- Страницы: 67-71
- Раздел: 03.02.00 – общая биология
- URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/34300
- DOI: https://doi.org/10.17816/snv201982112
- ID: 34300
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Почвенный покров растительности Самарской области характеризуются относительно повышенным содержанием меди. Эта биогеохимическая особенность характерна для природных и техногенно трансформированных экосистем региона. Медь входит в группу элементов 2-го класса опасности. При определенных концентрациях она необходима для нормальной жизнедеятельности всем организмам, но при повышении концентрации в среде обитания или в пище проявляет токсичность. К техногенным источникам меди относят металлообрабатывающие и машиностроительные предприятия, удобрения, автомобильный и железнодорожный транспорт, сточные воды, продукты неполного сжигания топлива, нефтепереработку, характерные для Самарской области. Особенности накопления и распределения меди в почвах урбанизированных территорий региона изучены недостаточно. Ранее подобные исследования проводились только в отдельных районах г. Самары. В статье подробно анализируется уровень техногенного загрязнения медью почвенного покрова г. Новокуйбышевска. Эколого-геохимические исследования в г. Новокуйбышевске осуществлялись в течение 3 лет (2016-2018 гг.) на 7 стационарных пробных площадях в его разных функциональных зонах и на 1 фоновой пробной площади. Объектами исследований служили почвенные образцы, отобранные из верхнего гумусового горизонта (слой 0-10 см). Количественное содержание меди в почвенных образцах определялось методом инверсионной вольтамперометрии. Сравнительный анализ выявил территории г. Новокуйбышевска с относительно высоким, средним и низким уровнем содержания меди в почве. В первую группу вошли парк «Дубки» в его возвышенной части, старая селитебная зона на ул. Кирова, придорожная зона на перекрестке пр. Победы и ул. Дзержинского (93,3-90,7 мг/кг). Во вторую группу со средним уровнем содержания меди (71,0-73,3 мг/кг) вошли сквер «Елочки» и новая селитебная зона на ул. Островского. В третью группу с относительно низким уровнем содержания меди (38,3-54,7 мг/кг) были отнесены три пробные площади: низинная часть парка «Дубки», промышленная зона и фоновый участок. Концентрация меди в почвах всех изученных функциональных зон г. Новокуйбышевска не достигает уровня ОДК, но превышает кларк мировых почв и фоновые показатели. Выявлена тенденция снижения концентрации меди в почвах большинства изученных функциональных зон г. Новокуйбышевска в 2018 г. по сравнению с 2016 и 2017 гг. Относительно низкий уровень содержания меди в почвах промышленной зоны города позволяет исключить нефтеперерабатывающие предприятия из перечня ее основных техногенных источников.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Медь является металлом, антропогенное распространение которого в биосфере началось около 5 тысяч лет назад. Экологи, токсикологи и геохимики включают ее в группу тяжелых металлов и относят ко 2-ому классу опасности. Широкая распространенность и относительно высокая токсичность определяют обязательное изучение уровней накопления меди в природных средах в ходе эколого-геохимического мониторинга. Среди обширной группы тяжелых металлов медь не самый токсичный элемент. В определенных концентрациях она совершенно необходима живым организмам, включая человека. Медь относится к микроэлементам и участвует в важнейших биохимических процессах в организмах животных и растений [1; 2], выступая в качестве кофактора для целого ряда оксидоредуктаз. В тканях здорового человека концентрация меди строго постоянна, а около 95% от ее общего содержания находится в составе гликопротеина крови церулоплазмина, поставляющим медь ко всем органам и тканям [3; 4]. В определенных условиях, в частности, при техногенном загрязнении природных сред медью, ее содержание в тканях организма становится избыточным и вызывает острый токсикоз, сопровождающийся остановкой роста, гемолизом, снижением содержания гемоглобина, деградацией тканей важнейших органов [5].
Двойственное значение этого элемента (эссенциальность и токсичность) объясняет интерес исследователей к особенностям распределения и накопления меди в почвенном покрове природных и урбанизированных экосистем различных регионов мира, поскольку именно из почв избыток меди поступает в растения и далее по пищевым цепям распространяется в биосфере.
На территории промышленных городов сосредоточены основные природные и техногенные источники поступления меди в окружающую среду. К ее природным источникам относят медьсодержащие минералы почвообразующих пород [4], поверхностные и подземные воды, атмосферные осадки [2]. Среди техногенных источников поступления меди в урбоэкосистемы наиболее значимы выбросы металлообрабатывающих предприятий, минеральные и органические удобрения, пестициды, автомобильный и железнодорожный транспорт, осадки сточных вод, продукты сжигания угля и нефтепродуктов [6; 7].
Ранее в ходе исследований, осуществленных в период 1991–2017 гг., было показано, что почвенный и растительный покров Самарской области вне урбанизированных территорий в определенной степени обогащен медью [8–10]. Эколого-геохимическому опробованию был подвергнут весь почвенный покров Самарской области вне селитебных и промышленных зон на 816 пробных площадях в естественных и сельскохозяйственных ландшафтах. Средний уровень содержания меди, рассчитанный по общей выборке данных, составил 51,7 мг/кг, а при исключении показателей, превышающих ПДК (109 пробных площадей), – 27,0 мг/кг, что выше кларка для мировых почв (20,0 мг/кг) [11]. Позднее Н.М. Троц с соавторами подтвердили повышенный уровень содержания меди в почвах сельхозугодий [10]. То, что определенное обогащение почв Самарского региона медью является естественным процессом, подтверждают данные палеоанализа, которые показали сравнимое с современным уровнем содержание меди в почвах эпохи ранней и средней бронзы, что, возможно, связано с относительной близостью месторождений меди Южного Урала [12; 13]. Эколого-геохимические исследования в урбосреде региона также выявили относительно высокий уровень содержания меди в природных средах, в частности, в почвенном и снеговом покрове на территории г. Самары [14; 15]. Это указывает на значимую представленность данного элемента в техногенных потоках загрязнения крупного промышленного центра с металлообрабатывающей и машиностроительной специализацией. В городах Самарской области с иной промышленной спецификой особенности содержания меди в природных средах специально не оценивались, что и послужило основанием для выполнения настоящего исследования в г. Новокуйбышевске.
Город Новокуйбышевск входит в число городов Самарского промышленного узла. Он располагается к юго-западу от г. Самары на левом берегу Саратовского водохранилища. В границы г.о. Новокуйбышевск входят сельхозугодия, рекреационные, селитебные и промышленные территории [16; 17]. Статус города он получил в 1952 г., а в настоящее время является крупным территориально-производственным комплексом, играющим важную роль в экономике региона и страны в целом [18].
На территории г. Новокуйбышевска работают крупные промышленные предприятия и объединения нефтехимического комплекса, а также предприятия машиностроения, металлообработки, строительной индустрии, пищевой и легкой промышленности. Основная часть крупных промышленных предприятий, относящаяся к так называемому «Центру большой химии», расположена в западной части города. Город Новокуйбышевск является крупным железнодорожным узлом, на его территории представлена развитая сеть автомобильных дорог [19].
Общая характеристика почвенного покрова территории г. Новокуйбышевска была представлена ранее и включала полный обзор литературных источников, содержащих необходимые сведения о нем [16; 20–22]. Исследуемый урбанизированный ландшафт характеризуется достаточно сложным рельефом, включающим водораздельные пространства, их склоны, речные террасы, пойменные участки [16]. Геохимическая обстановка в районе исследований, влияющая на миграцию и аккумуляцию тяжелых металлов, в том числе и меди, благоприятствует их биогенному накоплению в аккумулятивных ландшафтах города [22].
Разнообразие крупных промышленных производств и транспортная составляющая определяют сложность экологической ситуации в г. Новокуйбышевске, в том числе техногенное загрязнение природных сред тяжелыми металлами. Ранее эта проблема для г. Новокуйбышевска уже анализировалась. Полученные результаты были опубликованы, но в этих публикациях рассматривались уровни полиметаллического загрязнения без учета его динамики и геохимической специфики [22–24]. В последующих эколого-геохимических исследованиях на территории г. Новокуйбышевска были получены новые данные о валовом содержании тяжелых металлов в почвах его разных функциональных зон, анализ которых выявил относительно высокий уровень содержания и существенную динамику накопления меди в городских почвах. В г. Новокуйбышевске источниками техногенной меди, кроме традиционных для городской среды, могут быть также нефтеперерабатывающие предприятия. Известно, что в золе нефти медь содержится в количествах, превышающих кларк для осадочных пород [25]. Кроме того, медь может использоваться в технологическом цикле нефтепереработки в качестве промотирующей добавки к катализаторам [26].
Целью настоящего исследования является оценка динамики накопления меди в почвенном покрове разных функциональных зон г. Новокуйбышевска.
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования были выбраны почвы из верхнего горизонта (0–10 см) на 8 стационарных пробных площадях, заложенных на территории г. Новокуйбышевска в 2016 г. [22]. Три пробные площади располагались в рекреационных зонах, в частности, в низинной и возвышенной части парка «Дубки» и в сквере «Елочки». Для оценки динамики содержания меди в почвах селитебной зоны города по одной пробной площади было заложено в его относительно старом (ул. Кирова, 5) и новом (ул. Островского, 36) районах. Одну пробную площадь заложили в районе непосредственного влияния промышленной зоны. Еще одна пробная площадь располагалась на придорожном участке возле автотранспортного кольца на пр. Победы. В качестве фонового (контроль) был выбран участок природного ландшафта в 10 км к югу от городской черты [22].
Средние образцы почв на каждой пробной площади отбирали в августе 2016, 2017 и 2018 гг. по общепринятым методикам [27]. Количественное валовое содержание меди в исследуемых почвах определяли методом инверсионной вольтамперометрии [28] в специализированной мониторинговой лаборатории г. Новокуйбышевска. Для сравнительного анализа и оценки опасности выявленных уровней содержания меди в почвах города использовали ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК) [29], кларк для почв мира [30], региональный кларк [9] и кларк содержания меди в черноземах Российской Федерации [31].
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ полученных данных показал, что в целом по г. Новокуйбышевску средний уровень содержания меди в его почвенном покрове был максимальным в 2017 г. (80,4 мг/кг), несколько меньшим в 2016 г. (74,4 мг/кг) и минимальным в 2018 г. (64,6 мг/кг). Все эти показатели не достигали уровня ОДК (132 мг/кг), но в 3–4 раза превышали кларк мировых почв и в 2,5–3 раза – фоновые концентрации. Сравнение средних показателей содержания меди в почвах отдельных функциональных зон г. Новокуйбышевска за период исследований (2016–2018 гг.) позволило выделить 3 группы пробных площадей. В первую группу с относительно высоким уровнем содержания меди (93,3–90,7 мг/кг) вошли парк «Дубки» в его возвышенной части, старая селитебная зона на ул. Кирова, придорожная зона на перекрестке пр. Победы и ул. Дзержинского. Во вторую группу со средним уровнем содержания меди (71,0–73,3 мг/кг) вошли 2 пробные площади: сквер «Елочки» и новая селитебная зона на ул. Островского. В третью группу с относительно низким уровнем содержания меди (38,3–54,7 мг/кг) были отнесены три пробные площади: низинная часть парка «Дубки», промышленная зона и фоновый участок.
На рис. 1 представлена трехгодичная динамика содержания меди в почвенном покрове всех исследованных функциональных зон г. Новокуйбышевска. Как следует из диаграммы, за 3 года исследований выявляемые концентрации меди варьировали от 31,0 до 106,0 мг/кг воздушно сухой почвы. При этом минимальный показатель был установлен в почве промзоны в 2018 г., а максимальный – в почве возвышенной части парка «Дубки» в 2017 г. Стабильно высоким в период исследований было содержание меди на трех пробных площадях, отмеченных выше. Так, в возвышенной части парка «Дубки» содержание меди варьировало от 69,0 до 106 мг/кг. В жилом районе старой постройки (ул. Кирова, д. 5) ее содержание в период исследований менялось слабо и укладывалось в диапазон 85,0–98,0 мг/кг. В почве придорожной зоны на перекрестке пр. Победы и ул. Дзержинского концентрация меди снижалась от 2016 г. (104,0 мг/кг) к 2018 г. (78,0 мг/кг), но укладывалось в диапазон высоких концентраций.
Минимальный уровень содержания меди весь период исследований был выявлен на пробных площадях в промзоне и на фоновом участке. При этом даже динамика изменения содержания меди на этих участках в период 2016–2018 гг. была очень сходной: 34,0–49,0–36,0 мг/кг – в почвах промзоны, 34,0–50,0–31,0 мг/кг – в почвах фонового участка.
К среднему уровню содержания меди были отнесены показатели, выявленные в низинной части парка «Дубки», в сквере «Елочки» и в новом районе города на ул. Островского. Варьирование концентрации меди в почвах этих пробных площадей в целом укладывалось в диапазон от 43,0 до 80,0 мг/кг. Исключение составил единственный очень высокий показатель (102 мг/кг), полученный в 2016 г. для почв селитебной зоны на ул. Островского [22]. В остальные годы исследований концентрация меди в почве этой пробной площади неуклонно снижалась до 63,0 мг/кг в 2017 г. и до 48 мг/кг – в 2018 г. (рис. 1). Такая динамика содержания тяжелого металла на территории новостроек может быть связана с усиленным загрязнением в период строительства и с последующей миграцией элемента за ее пределы в аккумулятивные зоны.
Сравнение полученных данных с нормативными показателями выявило следующее. Ни на одной из изученных пробных площадей содержание меди не превышает ОДК (132 мг/кг). Тем не менее, все выявленные концентрации оказались в 1,5–5 раз выше кларка для мировых почв (20,0 мг/кг), в 1,2–4,2 раза – выше фоновых концентраций для черноземов РФ и почв Самарской области (25,0 и 27,0 мг/кг соответственно). Наиболее значимы эти превышения для почв крупного парка, старой части жилой зоны и придорожного участка самой напряженной автотранспортной магистрали г. Новокуйбышевска.
Рисунок 1 – Динамика валового содержания меди в почвах разных функциональных зон г. Новокуйбышевска в период 2016–2018 гг.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования динамики накопления меди в почвенном покрове г. Новокуйбышевска, позволили выявить связь этого процесса с особенностями урбогенеза на данной территории. Был выявлен относительно высокий и средний уровень содержания меди в почвах рекреационных зон, зависящий от характера рельефа и растительности, близости автомагистралей, локального переноса загрязнителей. Приоритет в техногенном поступлении меди в городскую среду явно принадлежит автодорогам, на что указывает высокий уровень содержания меди в почвах придорожной зоны. Старый жилой массив более обогащен медью, чем территория новостроек. На всех городских пробных площадях установлено снижение концентрации меди (достоверное или заметная тенденция) в 2018 г. по сравнению с 2016 и 2017 гг.
Относительно низкий уровень содержания меди в почвах промзоны г. Новокуйбышевска связан с отсутствием сформированного гумусового горизонта из-за постоянного нарушения строительством и прокладкой коммуникаций, что не способствует закреплению металлов в верхнем горизонте почвы. Возможно, в потоках загрязнения от нефтеперерабатывающих предприятий в г. Новокуйбышевске содержание меди не велико. Поэтому основными источниками этого элемента здесь являются сжигание автомобильного топлива, амортизационные потери при эксплуатации автотранспортных средств, региональный и локальный перенос вещества, содержащего соединения меди.
Концентрация меди в почвах фонового участка, превышающая кларк мировых почв в период исследований в 1,6–2,5 раза, подтверждает ранее установленную закономерность, заключающуюся в относительно повышенном содержании данного элемента на неурбанизированных территориях Самарской области.
Об авторах
Александр Игоревич Старцев
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Автор, ответственный за переписку.
Email: a.i.startsev@yandex.ru
аспирант кафедры экологии, ботаники и охраны природы
Россия, СамараСписок литературы
- Удрис Г.А., Нейланд Я.А. Биологическая роль меди. Рига: Зинатае, 1990. 188 с.
- Белкина Н.А., Вапиров В.В., Ефременко Н.А., Романова Т.Н. К вопросу о путях естественной миграции меди в Онежское озеро // Принципы экологии. 2012. № 1. С. 25-28.
- Битюцкий Н.П. Микроэлементы и растение. СПб.: Изд-во С.-Петербургского государственного университета, 1999. 232 с.
- Бондаренко А.П., Калиева А.А. Биогеохимический потенциал и здоровье: учеб.-метод. пособие. Ч. 2. Павлодар: Павлодарский государственный университет им С. Торайгырова, 2007. 179 с.
- Зинина О.Т. Влияние некоторых тяжелых металлов и микроэлементов на биохимические процессы в организме человека // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. Вып. 4. Хабаровск: Институт повышения квалификации специалистов здравоохранения, 2001. С. 99-105.
- Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов. М.: Знание, 1991. 32 с.
- Байдина Н.Л. Загрязнение городских почв и огородных культур тяжелыми металлами // Агрохимия. 1995. № 12. С. 99-104.
- Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Издательство «Самарский университет», 1998. 131 с.
- Прохорова Н.В. Эколого-геохимическая роль автотранспорта в условиях городской среды // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2005. № 5 (39). С. 188-199.
- Троц Н.М., Прохорова Н.В., Троц Б.Б., Ахматов Д.А., Чернякова Г.И., Горшкова О.В., Виноградов Д.В., Костин Я.В. Тяжелые металлы в агроландшафтах Самарской области. Кинель: РИО Самарской ГСХА, 2018. 220 с.
- Прохорова Н.В. К вопросу о фоновой концентрации меди в почвах Самарской области // Бюллетень Самарская Лука. 2002. № 12. С. 145-149.
- Прохорова Н.В. Палеоанализ в региональном эколого-геохимическом мониторинге почв // Пространственно-временная организация почвенного покрова: Теоретические и прикладные аспекты: мат-лы междунар. науч. конф. 1-3 марта 2007. СПб.: Издательский Дом С.-Петербургского государственного университета, 2007. С. 90-94.
- Черных Е.Н. Каргалы. Забытый мир. М.: Nox, 1997. 177 с.
- Козлов А.Н., Прохорова Н.В. Использование ГИС в изучении особенностей распределения меди в почвах Октябрьского района г. Самары // Геохимия биосферы: тез. докл. III междунар. совещ. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2001. С. 263-264.
- Рогулёва Н.О., Прохорова Н.В. Эколого-геохимические особенности снежного покрова парков города Самары // Вестник СамГУ, Естественнонаучная серия. 2007. № 8 (58). С. 206-212.
- Атлас земель Самарской области. Самара, 2002. 101 с.
- Города Самарской области: Статистический сборник. Самара: Самарский областной комитет государственной статистики, 1999. 248 с.
- Курятников В.Н. Новокуйбышевск. Страницы истории. Самара: Издательский дом «Агни», 2008. 304 с.
- Государственный доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Самарской области за 2015 год. Вып. 26. Самара, 2016. 296 с.
- Почвенная карта Куйбышевской области. Масштаб 1: 300 000. М.: ГУГК, 1988.
- Почвы Куйбышевской области / под ред. Г.Г. Лобова. Куйбышев: Куйбыш. кн. изд-во, 1985. 392 с.
- Старцев А.И., Прохорова Н.В. Эколого-геохимические особенности почв разных функциональных зон города Новокуйбышевска // Самарский научный вестник. 2017. Т. 6, № 1 (18). С. 83-88.
- Прохорова Н.В., Старцев А.И. Эколого-геохимическая трансформация почвенного покрова в зоне влияния нефтеперерабатывающего предприятия // Проблемы развития предприятий: теория и практика: мат-лы 14-й междунар. науч.-практ. конф. Ч. 3. 12-13 ноября 2015. Самара: Издательство СГЭУ, 2015. С. 164-166.
- Старцев А.И., Прохорова Н.В. Особенности техногенного загрязнения почвенного покрова промышленной зоны г. Новокуйбышевск // Системы контроля окружающей среды - 2016: тезисы междунар. науч.-практ. конф. 24-27 октября 2016. Севастополь: ИПТС, 2016. С. 119.
- Доценко В.В. Геохимия и происхождение нефти и газа. Ростов-на-Дону: Изд-во «ЦВВР», 2007. 308 с.
- Восьмериков А.В. Наноразмерные порошки металлов и их применение в катализе // Нанотехника. 2008. № 1. С. 27-32.
- ГОСТ 28168-89. Межгосударственный стандарт. Почвы. Отбор проб. Издание официальное. Введ. 01.04.1990. М.: Стандарт информ, 2008. 7 с.
- Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм тяжелых металлов и токсичных элементов (Cd, Pb, Cu, Zn, Bi, Tl, Ag, Fe, Se, Co, Ni, As, Sb, Hg, Mn) в почвах, грунтах, донных отложениях, осадках сточных вод методом инверсионной вольтамперометрии. ФР.1.34.2005.01734. М.: ЗАО «НПКВ Аквилон», 2005. 42 с.
- ГН 2.1.7.2511-09. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. 11 с.
- Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: АН СССР, 1957. 238 с.
- Ильбулова Г.Р., Ильбулова Г.Р., Биктимерова Г.Я., Семенова И.Н., Семенова И.Н. Аккумуляция меди растениями Bromopsis inermis (Leys.) в условиях техногенного загрязнения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 12. Ч. 8. С. 1471-1475.
Дополнительные файлы
