Accumulation of heavy metals and arsenic in plants in the vicinity of the Chadan coal deposit (Republic of Tuva)

Full Text

Введение

Добыча горючих полезных ископаемых является одним из наиболее интенсивных источников загрязнения окружающей среды. В районах угледобычи техногенное загрязнение связано с отвалами вскрышных пород, шахтными и подотвальными водами, дымами, пылью, аэрозолями, поступающими от предприятий. Так как сам уголь транспортируется за пределы его добычи, то главным источником загрязнения являются отвалы вскрышных пород [1, с. 491]. Особый интерес представляют территории сельскохозяйственных угодий, расположенные рядом с промышленными предприятиями.

Загрязненные почвы приводят к насыщению растений тяжелыми металлами, что является причиной их поступления в корма и в продукцию животноводства, ухудшая их качество [2].

Пастбищные корма и зерновые культуры на загрязненной территории аккумулируют соединения тяжелых металлов, которые при вскармливании животным оказывают токсическое воздействие на организм. Накапливаясь в различных органах и системах ТМ, вызывают качественные и количественные изменения крови, стойкое подавление обмена веществ, ослабление функционирования иммунной системы, различные хромосомные нарушения, проявляющиеся в повышении частот фрагментов и разрывов хромосом [3].

Чаданское каменноугольное месторождение расположено на территории Дзун-Хемчикского района Республики Тыва в 17 км от административного центра г. Чадан. Каменноугольное месторождение начали осваивать в 70-х годах прошлого столетия. Добывают уголь открытым способом. В окрестностях карьера и отвального хозяйства сосредоточены животноводческие стоянки, сенокосные поля и естественные кормовые угодья. Крупный и мелкий рогатый скот выпасается в степях и регулярно заходит на территорию рекультивированных отвалов.

Целью наших исследований явилось изучение содержания Zn, Cd, Mn, Ni и Co в растительности окрестностей отвала «Северный» угольного разреза «Чаданский».

Материалы и методика исследований

Отбор растительных образцов производился в вегетационный сезон 2023 года в соответствии с требованиями к отбору проб при общих и локальных загрязнениях, изложенных в ряде публикаций [4; 5]. Содержание тяжелых металлов определялось на объединенных образцах из наиболее репрезентативных видов растений, занимающих либо доминантную роль в сообществах, либо имеющих высокий показатель постоянства во всех ценозах (ковыль Крылова (Stipa krylovii Roshev.), житняк гребенчатый (Agropyron cristatum (L.) Gaertn.), лапчатка бесстебельная (Potentilla acaulis L.), полынь сизая (Artemisia glauca Pall. ex Willd.), типчак валисский (Festuca valesiaca Gaudin). Для анализа отбирали только надземную часть растений.

Определение содержания тяжелых металлов в растительных образцах проводили после сухого озоления в муфельной печи при температуре +500°C и последующего перевода золы в раствор HCl на атомно-абсорбционном спектрофотометре Квант-2мт, в аккредитованной лаборатории ФГУ Государственная станция агрохимической службы «Тувинская» [6; 7]. Содержание тяжелых металлов в растениях рассчитано на воздушно-сухую массу.

Результаты анализов растительности сравнивались с МДУ (максимально допустимые уровни) для растительных кормов [8], поскольку общепринятые ПДК для растительности в Российской Федерации отсутствуют.

Отбор проб растительности произведен из 3 участков:

Результаты исследований и их обсуждение

Район исследований находится на крайней юго-восточной части Хемчикской котловины (бассейн Верхнего Енисея), восточнее от г. Чадан Дзун-Хемчикского района Республики Тыва, располагаясь на подгорной равнине в топографическом ряду западных склонов небольшого хребта Адар-Тош (южный отрог хр. Западный Танну-Ола), которая является природным геоморфологическим рубежом между Улуг-Хемской и Хемчикской котловинами.

В геологическом строении района месторождения принимают участие осадочные породы верхнего силура, нижнедевонский эффузивно-осадочный комплекс, угленосные осадки средней юры и послеюрские эффузивы [9, с. 109].

Геоморфологически Чаданская угленосная площадь приурочена к северо-восточной окраине крупной Хемчикской котловины, хорошо выраженной в современном рельефе Западной Тувы, и представляет собой безлесую, слабо всхолмленную равнину, окруженную невысокими горами с абсолютными отметками от 800 до 1100–1200 м над уровнем моря.

Климат северо-восточной части Хемчикской котловины резко континентальный, характерный для засушливой степной зоны. Зима малоснежная, безветренная, продолжительная и холодная с сильными, устойчивыми морозами. Снежный покров устанавливается во второй декаде ноября и сохраняется до середины апреля. Высота снежного покрова обычно не превышает 20–25 см. Минимальная зимняя температура воздуха достигает −45…−48°C, а среднегодовая отрицательная – от −2,9 до −4,3°C. Лето жаркое и сухое, весна и осень – довольно теплые и сухие. Максимальная температура воздуха приходится на июнь-август – до +36,9°C.

Среднегодовое количество атмосферных осадков составляет порядка 200 мм. Преобладающее направление ветров – юго-западное, в меньшей мере – южное и северо-западное, наиболее редки восточные ветры [9, с. 111].

Чаданское каменноугольное месторождение на юге граничит с лесными лиственничными отрогами хр. Танну-Ола, плавно переходящими в лесостепь, где преобладают луга и луговые степи на черноземах южных. На подгорных равнинах южной и юго-восточной части разреза распространены настоящие степи на темнокаштановых почвах. Сухие мелкодерновинные степи занимают мелкосопочные формы рельефа, местами выровненные участки с каштановыми среднемощными почвами в основном в северной и западной частях от угольного разреза.

Местность по схеме геоботанического районирования Тувы относится к Хемчикскому сухостепному округу Тувинской котловинной степной провинции [10]. Растительный покров территории Чаданского каменноугольного месторождения однообразный и в основном сложен степными фитоценозами. Коренные степи имеют незначительные (10–20%) территории, занимая в основном непригодные в земледельческом отношении земли (на поверхности каменистых мелкосопочников). Значительные площади (80–90%) степной растительности подвергались распашке и в настоящее время находятся в разновозрастных стадиях залежной сукцессии. С северо-западной стороны местность окружена горными экспозиционными лиственничными лесостепями, где лиственничные (Larix sibirica) лесные сообщества сочетаются с луговыми степями (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub, Phleum phleoides (L.) H. Karst., Poa stepposa Roshev., Helictotrichon altaicum Tzvelev). В шлейфовой части передовых гряд, ниже лесостепей, четкую позицию имеют пояс разнотравно-дерновиннозлаковых (Stipa krylovii, Helictotrichon shellianum (Hack.) Kitag., Carex pediformis C.A. Mey.) карагановых степей из Caragana bungei Ledeb. В равнинной части представлены мелкодерновиннозлаковые (Stipa krylovii, Koeleria cristata (L.) Pers., Cleistogenes squarrosa (Trin.) Keng, Agropyron cristatum, Festuca valesiaca) сухие степи. Мелкосопочные формы рельефа обусловливают формирование петрофитных степных группировок с более богатым составом разнотравья (Thymus krylovii Byczenn., Allium ramosum L., A. anisopodium Ledeb., Stevenia incarnata (Pall. ex DC.) Kamelin, Aizopsis hibrida (L.) Grulich, Aster alpinus L. и др.). Все варианты степей закустарены Caragana pygmaea, Spiraea media Schmidt. По пониженным частям рельефа с близким залеганием грунтовых вод развиваются колючекарагановые (Caragana spinosa (L.) Vahl ex Hornem.) заросли, а также на почвах с признаками засоления сформированы чиевые (Achnatherum splendens (Trin.) Nevski) сообщества. В целом, растительность изученной территории развивается в условиях резко континентального климата и незначительного количества осадков.

Отвал «Северный» располагается с восточной стороны горного отвода угольного разреза «Чаданский», сложен грубообломочной смесью алевролитов, песчаников и аргиллитов с примесью углей. Поверхность отвала отсыпана рыхлой суглинисто-супесчаной смесью четвертичных отложений [11].

Почвенный покров в районе внешнего отвала «Северный» сильно уплотнен, представлен инициальными эмбриоземами. Растительность представлена разновозрастными залежами и пастбищами. Залежи от 3 до 5-летнего возраста представлены мелкобурьянными сообществами с сорными видами: марь остистая (Chenopodium aristatum), солянка холмовая (Salsola collina), рогач песчаный (Ceratocarpus arenarius). На техногенных отвалах более старого возраста отмечены полынно-злаковые сообщества с типично степными видами, но доля сорняков все еще высокая. Встречаются полынь холодная, полынь серая и полынь обыкновенная, житняк гребенчатый, типчак валисского.

Как видим из таблицы 1, концентрации изученных тяжелых металлов в растительности из мониторинговых точек ССВ и ЮЮЗ довольно высокие по сравнению с фоновой точкой. Однако не отмечается превышения допустимого уровня концентрации (МДУ) по всем элементам на всех точках, в том числе в фоновой.

Медь. Концентрации Cu в растительности фонового участка составляет 3,57 мг/кг, в точке ССВ в районе внешнего отвала 8,34 мг/кг, в участке ЮЮЗ – 8,1 мг/кг, таким образом, превышают фоновое значение в 2,2 раза. Однако, как выше отметили, при сравнении с МДУ для растительных кормов (МДУ 30 мг/кг) концентрация меди в пробах растительности вблизи отвала оказалось ниже значений МДУ (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Содержание Cu в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

 

Цинк. Цинк относится к химическим элементам, играющим важную роль в жизни растительных и живых организмов. Основные функции микроэлемента в растениях связаны с метаболизмом углеводов, протеинов и фосфатов, также с образованием ДНК и рибосом. Цинк играет важную роль в формировании генеративных органов и плодоношении. Недостаток цинка задерживает рост растений [12].

Цинк обладает высокой биофильностью среди халькофильных металлов. МДУ (максимально допустимый уровень) цинка в растительных кормах составляет 50 мг/кг.

Содержание цинка в пробах растительности в фоновой точке составляет 13,8 мг/кг, в участке ССВ отвала составляет 27 мг/кг и в ЮЮЗ – 37,5 мг/кг (превышает фон в 1,9 и 2,7 раза соответственно). Тем не менее все показатели ниже значений МДУ для Zn в растительных кормах (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Содержание Zn в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

 

Свинец. МДУ свинца в растительных кормах составляет 5,0 мг/кг. При попадании в организм животных и человека, соединения свинца депонируются в костях и печени, вызывают интоксикацию, внутриутробную смерть плода, заболевания печени, ЦНС [13].

По нашим данным, содержание Pb варьирует от 0,94 мг/кг в растительности фонового участка и до 1,08 мг/кг в ССВ и 1,5 мг/кг в ЮЮЗ (рис. 3). В участке ЮЮЗ свинец в 1,5 раза превышает фоновые значения.

 

Рисунок 3 – Содержание Pb в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

 

Кадмий. Кадмий – элемент чрезвычайно высокой токсичности. Ионы кадмия обладают большой подвижностью в почвах, легко транслоцируются в растения и по пищевым цепям поступают в организм человека и животных.

Кадмий не является физиологически важным элементом для растений, которые, однако, легко его поглощают. В растениях кадмий подавляет образование антоциана и хлорофилловых пигментов, может тормозить фотосинтез, нарушать транспирацию, изменять проницаемость клеточных мембран. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием кадмия в растениях, – это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев [14].

 

Таблица 1 – Содержание тяжелых металлов в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

№ п/п	Мониторинговые участки	Содержание в мг/кг на воздушно-сухое вещество
		Cu	Zn	Pb	Cd	Co
1	Фоновая точка	3,57 ± 0,82	13,8 ± 2,9	0,94 ± 0,33	0,14 ± 0,05	0,10 ± 0,03
2	ССВ	8,34 ± 1,92	27,0 ± 5,7	1,08 ± 0,38	0,16 ± 0,06	0,14 ± 0,04
3	ЮЮЗ	8,10 ± 1,86	37,5 ± 7,8	1,5 ± 0,52	0,16 ± 0,06	0,13 ± 0,04
4	МДУ [8]	30	50	5,0	0,3	3

 

Среди природных источников поступления кадмия в окружающую среду основное значение имеют каменный уголь, полиметаллические руды, фосфориты [2, с. 678].

В степях и пустынях щелочная среда неблагоприятна для миграции кадмия [2, с. 678].

Биофильность Cd невелика из-за его ядовитости, среднее содержание в золе наземных растений составляет 3–7 мг/кг [2, с. 678].

Содержание кадмия во всех пробах растений из 2 участков отвала «Северный» (рис. 4) оказались достаточно близкие к фоновому значению и составили от 0,14 до 0,16 мг/кг, что ниже значений МДУ (0,3 мг/кг).

 

Рисунок 4 – Содержание Cd в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

 

Кобальт. В степных ландшафтах он относительно подвижен. Слабая аккумуляция растениями не препятствует его выносу из верхних горизонтов каштановых почв. МДУ Со в растительных кормах составляет 3 мг/кг [8].

В пробах растений из 3 участков концентрация Со незначительная и составляет от 0,1 мг/кг в фоновой точке до 0,13–0,14 мг/кг вблизи отвала «Северный» (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Содержание Со в растительности отвала «Северный», мг/кг возд. сух. в-ва

 

Выводы

Сравнение аккумуляции тяжелых металлов в растительности из наветренной стороны ССВ и подветренной стороны ЮЮЗ отвала «Северный» Чаданского угольного разреза с их содержаниями в фоновом участке показали, что в участках ССВ и ЮЮЗ концентрации следующих элементов незначительно превышают естественное содержание (фон): Cu – 2–2,2 раза, Zn – 2–2,7, Pb – 1,5 раза.

Концентрации Cd и Co в пробах растительности из участков ССВ и ЮЮЗ колеблется в пределах 0,13–0,14 мг/кг и не превышают естественное содержание (фон).

Также сравнение содержания Cu, Cd, Zn, Pb, Co в растительности из 2 точек отвала «Северный» и фоновой территории показал, что их концентрации гораздо ниже максимально допустимого уровня для растительных кормов.

 

***

Работа выполнена в рамках договора № ТГРК-Д-23-0125 на выполнение работ «Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды на территории объекта размещения отходов и в пределах его воздействия на окружающую среду внешнего отвала «Северный» участка «Чаданский» ООО «ТГРК» в 2023 году» от 14.02.2023 г. и Государственного задания.

About the authors

Chochagai O. Oorzhak

Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ubsunurflower@mail.ru

engineer of Geobotany and Soil Ecology Laboratory

Russian Federation, Kyzyl

Andrey M. Samdan

Tuva State University

Email: andrejsamdan@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology and Ecology Department

Russian Federation, Kyzyl

Svetlana S. Kurbatskaya

Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: lana.kurbatskaya@mail.ru

doctor of geographical sciences, professor, chief researcher, head of Geobotany and Soil Ecology Laboratory

Russian Federation, Kyzyl

References

Supplementary files