Features of copper accumulation in the soils of different functional areas of Novokuybyshevsk

Full Text

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.

About the authors

Alexander Igorevich Startsev

Author for correspondence.
Email: a.i.startsev@yandex.ru

postgraduate student of Ecology, Botany and Nature Protection Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Dynamics of the gross copper content in soils of different functional zones of Novokuibyshevsk in the period 2016–2018.

Download (31KB)

Indexing metadata