Assessment of ecological and geochemical condition of soils and dust content of atmospheric air in the residential zone of the mining industry center

Full Text

Введение

Экологическая ситуация в целом ряде регионов Российской Федерации на современном этапе вызывает тревогу. Это обусловлено повышенной нагрузкой антропогенного характера, прежде всего на территории урбанизированных систем, которые испытывают постоянное влияние техногенных геохимических потоков загрязняющих веществ, созданных выбросами, стоками и отходами промышленных предприятий, коммунально­бытовых объектов и автотранспорта [1, с. 33; 2, с. 340].

Особое значение имеет загрязнение промышленного города тяжелыми металлами (ТМ). Важнейшими источниками ТМ являются горнорудная промышленность, черная и цветная металлургия, сжигание минерального топлива [3, с. 93]. Добыча руды приводит к потерям ее частиц. Кроме того, под действием ветра частицами такого рода загрязняются обширные области вокруг шахт и карьеров, особенно в наветренном направлении [4, с. 346]. Во время обработки руд для извлечения металлов они попадают на земную поверхность путем выброса из труб плавильных печей [4, с. 347]. Массовые взрывы на карьерах являются крупными источниками пыли и ядовитых газов. Почвы и поверхностные воды на территориях, прилегающих к отвалам карьеров по добыче полиметаллических руд, загрязнены ТМ. Вследствие выветривания горных пород, складированных в отвалы, усиливается запыленность воздуха и происходит резкое ухудшение жизненных условий [3, с. 23].

Запыленность атмосферного воздуха – важнейший экологический фактор, играющий существенную роль в развитии ряда заболеваний. Многими авторами подтверждены корреляционные взаимосвязи, доказывающие влияние качества воздушной среды на заболеваемость населения [5–7]. Выявлено достоверное влияние загрязнения атмосферного воздуха на увеличение таких заболеваний, как бронхит, пневмония, эмфизема легких [5], а также на снижении сопротивляемости организма, что сказывается на росте инфекционных и респираторных заболеваний [8]. Проведение специальных исследований в городах и регионах России доказало, что главным фактором риска на здоровье человека является загрязнение атмосферного воздуха взвешенными веществами, который обусловливает рост смертности населения [9].

В промышленных городах высокая запыленность способствует росту в атмосфере взвешенных частиц, которые являются носителями химических элементов. Различают два типа атмосферной техногенной нагрузки – это выпадение большого количества пыли с низким содержанием химических элементов и выпадение меньшего количества пыли с высоким содержанием поллютантов [2, с. 376].

Город Сибай с населением более 60 тысяч человек, расположенный на юго-востоке Республики Башкортостан, является промышленным центром с функционирующими в течение более полувека горнорудными предприятиями по добыче и переработке медно-цинковой руды. На территории города сформированы две промышленно-коммунальные зоны: юго-западная (Сибайский карьер и шахта, отвалы пустой породы) и восточная (Сибайская обогатительная фабрика, хвостохранилище, Зауральская ТЭЦ). В южной части города находится свалка твердых бытовых отходов. В центральной и южной части города расположен основной исторически сложившийся массив жилой застройки, связанный узкой полосой с северной частью. Селитебная территория состоит из нескольких частей: центр города, с примыкающим к нему с юга жилым районом, и частный сектор, включающий ряд обособленных микрорайонов: на юго-западе – «Горный» и «Южный», на западе – «Золото», на севере – «Обогатителей», на северо-западе – «Аркаим». Относительно недавно на востоке города вырос микрорайон «Восточный», на севере и северо-востоке – микрорайоны «Северный» и «Сарматы».

В настоящее время развитие города набирает темпы, застраиваются и осваиваются свободные территории, все это способствует сокращению зеленых насаждений. Частые ветры в степном Зауралье способствуют дефляции пылевидных частиц с отвалов карьера и хвостохранилищ обогатительной фабрики, расположенных практически на территории города. Имеющиеся зеленые насаждения города не справляются с задержанием пыли из воздуха, в результате чего создается неблагоприятная экологическая обстановка.

Одним из крупнейших горнодобывающих предприятий цветной металлургии города является Сибайский филиал ОАО «Учалинский ГОК», который функционирует на базе медноколчеданных месторождений. В радиусе 2–5 км вокруг производственных объектов обогатительного комбината отмечаются высокие концентрации валовых и подвижных форм Zn, Cu, Cd и Fe. На антропогенно нарушенных участках выявлены аномальные содержания ТМ в почвах, превышающие ОДК в 2–8 раз [10].

В наземные цепи питания ТМ вводятся преимущественно через растения, которые мобилизуют эти элементы из загрязненной почвы [11, с. 739]. Одним из часто встречающихся видов, используемых в озеленении г. Сибай, является Betula pendula Roth. Известно, что данный вид проявляет устойчивость к ряду тяжелых металлов. Так, у популяций березы была обнаружена металлотолерантность к цинку и свинцу [12–14]. Металлоустойчивость березы также доказывают результаты исследований, свидетельствующие о том, что относительное жизненное состояние насаждений березы повислой, произрастающей на отвалах карьера по разработке медно-колчеданного месторождения (г. Учалы, Республика Башкортостан), оценивалось как «здоровое» [15].

Цель настоящего исследования: изучение эколого-геохимического состояния почв г. Сибай на открытых участках и под древесными растениями, пылеулавливающей способности и накопления ТМ в органах B. pendula Roth.

Материал и методы

Для оценки эколого-геохимического состояния селитебных территорий г. Сибай были отобраны почвы в центральной части города и в микрорайонах «Золото», «Аркаим», «Сарматы», «Южный», «Горный», «Обогатителей», «Восточный» как под травянистой растительностью, так и под кроной B. pendula Roth. в радиусе 1 м от ствола.

Исходный почвенный покров данной территории был представлен в основном черноземами обыкновенными тяжелосуглинистыми. Выбранные для данного исследования пробные площадки отнесены нами к антропогенно преобразованным почвам с измененной верхней частью и ненарушенной средней или нижней частью профиля. Отбор почвенных проб производился на открытых участках между жилыми застройками из слоя 0–10 см в течение летнего периода 2017 г. методом конверта, подготовка к анализу проводилась общепринятыми методами [16, с. 6]. Образцы почвы высушивали, просеивали через нейлоновое сито с диаметром пор ≤1 мм и тщательно перемешивали. 0,2 г почвы расщепляли смесью концентрированных кислот (HF/HNO₃/HCl = 3:1:1), поэтапно нагревали до температуры 160 ± 10°C и выпаривали смесь досуха. К сухому остатку добавляли 1 мл концентрированной азотной кислоты, 20 мл бидистиллированной воды и кипятили до уменьшения объема примерно в два раза. Полученный раствор фильтровали и затем разбавляли до 50 мл бидистиллированной водой. Рабочие растворы для измерения массовой концентрации металлов готовили из Государственных стандартных образцов. Подвижные формы экстрагировали ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) с рН 4,8.

Экологическую оценку запыленности воздуха города Сибай проводили путем исследования содержания пыли на листьях B. pendula Roth. [17, с. 135]. Сбор материала в объеме 1320 листьев (44 дерева, 30 листьев с каждого дерева) проводили на главных улицах города с наиболее интенсивным движением автотранспорта, а также в окрестностях отвалов Сибайского карьера. Исследования проводили в лабораторных условиях путем смыва пыли с листьев дистиллированной водой в стеклянные стаканчики, раствор фильтровали, фильтры высушивали в течение суток и взвешивали на аналитических весах ВК – 150,1.

Массу пыли определяли по разнице в массе осадка на фильтровальной бумаге, предварительно высушенной в сушильном шкафу и взвешенной. Площадь листа высчитывали путем обмера листовых пластинок вдоль и поперек и умножением на поправочный коэффициент, который определяется весовым методом путем взвешивания кальки площадью 100 см² и взвешивания вырезанного из кальки контура листа.

Для определения концентрации металлов в почве и в пыли (Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Fe, Mn и Zn) был использован метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии (спектрофотометр Contr AA, Analytik Jena).

Для токсикологической оценки почв использовали предельно-допустимые концентрации (ПДК) ТМ по их валовым и подвижным формам [18], региональный геохимический фон (РГФ) [19] и почвенные кларки [20].

Отбор растительных образцов проводили в августе 2017 г. с деревьев B. pendula Roth. примерно 20-летнего возраста на высоте 1,3 м от земли. Образцы высушивали и измельчали на мельнице. Содержание ТМ в растениях определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии после сухого озоления в муфельной печи при 500°C и последующего перевода золы в раствор HCl.

Математическую обработку данных проводили с помощью общепринятых методов вариационной статистики с использованием пакета программ Microsoft Excel и Statistica 6.0. Приводятся следующие статистические показатели: n – количество образцов, М – средняя арифметическая, m – ошибка средней арифметической, min и max – минимальное и максимальное значения, p – уровень значимости, Cv – коэффициент вариации.

Достоверность различий оценивали по распределению Стьюдента на доверительном уровне 95%.

Результаты исследований и их обсуждение

Сравнительное изучение содержания металлов в почвах на открытых участках и под древесными растениями

Анализ почв селитебной зоны г. Сибай выявил превышение ПДК по валовому содержанию меди и цинка и по подвижным формам меди в пробах, отобранных как на открытых участках под травянистой растительностью (в 3,0, 2,3 и в 16,3 раза соответственно), так и на участках под кроной березы повислой (в 3,8, 1,1 и в 12,4 раза соответственно) (табл. 1).

 

Таблица 1 – Концентрация тяжелых металлов в поверхностном слое почв г. Сибай, мг/кг

ТМ	Под кроной B. pendula	Под травянистой растительностью	p	ПДК/РГФ/кларк*, ПДК**
	M ± m
Валовые формы
Cu	209,5 ± 69,5	165,7 ± 48,6	0,622	55/49/47
Zn	109,3 ± 49,1	234,0 ± 41,5	0,091	100/223/83
Fe	7586,9 ± 135,5	15782,8 ± 1582,0	0,0063	–/2500/46500
Ni	42,7 ± 5,2	47,8 ± 5,2	0,563	85/58,7/58
Mn	1031,8 ± 62,5	871,0 ± 285,4	0,722	1500/525,4/690
Pb	14,1 ± 1,3	20,8 ± 2,5	0,114	32/20/16
Cd	0,2 ± 0,1	7,1 ± 0,7	0,000047	2,0/1,5/0,13
Co	12,5 ± 2,6	29,6 ± 3,2	0,00077	15,0/16,2/12
Подвижные формы
Cu	37,3 ± 15,3	45,8 ± 8,8	0,510	3,0
Zn	23,8 ± 14,4	87,3 ± 11,4	0,008	23,0
Fe	1378,6 ± 224,4	6276,1 ± 731,6	0,001	–
Ni	3,7 ± 0,8	17,6 ± 1,9	0,0006	4,0
Mn	91,1 ± 14,5	319,6 ± 105,7	0,188	140
Pb	3,4 ± 1,3	15,0 ± 9,1	0,425	6,0
Cd	0,03 ± 0,00	0,9 ± 0,2	0,026	0,2
Co	3,8 ± 1,0	8,0 ± 0,7	0,006	5,0

Примечания. * для валовых форм ТМ, ** для подвижных форм ТМ; жирным показаны значения, достоверно различающиеся при р < 0,01.

 

Валовое содержание кадмия и кобальта в почвах на участках, покрытых травой, превышало РГФ в 4,7 и 1,8 раза соответственно, в то время как на участках под древесными растениями эти показатели были достоверно ниже (р < 0,01) и соответствовали уровню кларка [20].

Концентрация подвижных форм цинка, никеля, кадмия и кобальта в почвах под травянистой растительностью превышала как ПДК (соответственно, в 3,8, 4,4, 4,5 и 1,6 раза), так и их содержание в почвах под березой (разница достоверна при р < 0,01).

Содержание подвижного марганца и свинца также было выше ПДК в почвах на открытых участках, в то время как достоверных различий между концентрацией этих металлов в почвах под травянистой растительностью и под деревьями выявлено не было. Данный факт подтверждает значение зеленых насаждений в качестве барьера, защищающего почву от аэрогенного поступления токсикантов.

Изучение содержания металлов в органах и тканях B. pendula Roth.

В ряде исследований отмечались различия в концентрации металлов между различными тканями и органами деревьев [21; 22]. Как правило, концентрации металлов в листьях выше, чем в коре. На основании полученных данных, представленных в таблице 2, был проведен сравнительный анализ накопления ТМ в органах и тканях B. pendula Roth., произрастающих в селитебной зоне г. Сибай.

 

Таблица 2 – Среднее содержание ТМ в органах B. pendula Roth., мг/кг

ТМ	Содержание, мг/кг			Оптимальная концентрация	Критическая или фитотоксичная концентрация
	в листьях	в коре (бересте)	в лубе
Cu	16,92 ± 5,87	11,50 ± 3,50	4,63 ± 0,88	5–30 [23]	150 [23], 10–20 [24, c. 28]
Zn	1041,50 ± 254,50	1740,50 ± 497,50	1855,25 ± 769,75	150–300 [23]	–
Fe	358,58 ± 11,55	606,88 ± 394,13	336,50 ± 49,25	20–300 [23]	750 [23]
Ni	13,42 ± 0,36	11,50 ± 3,5	8,13 ± 0,13	0,1–5,0 [23]	10–100 [23]
Mn	230,83 ± 136,25	117,25 ± 12,75	194,25 ± 147,50	25–250 [23]	500 [23]
Pb	3,51 ± 2,54	6,00 ± 3,0	1,84 ± 0,41	до 10 [25]	–
Cd	1,43 ± 0,44	1,81 ± 0,48	1,24 ± 0,71	0,05–0,6 [26]	1,0–70,0 [26]
Co	3,67 ± 0,55	4,25 ± 0,50	2,13 ± 0,13	0,5–3,0 [27]	–

 

В органах и тканях березы выявлен повышенный уровень цинка, железа, никеля, кадмия и кобальта.

Сравнительное исследование содержания ТМ в органах и тканях березы повислой свидетельствует об их избирательности по отношению к определенным химическим элементам. Изученные металлы по содержанию сформировали следующий убывающий ряд: в листьях Zn > Fe > Mn > Cu > Ni > Pb = Co > > Cd; в коре Zn > Fe > Mn > Cu = Ni > Pb > Co > Cd и в лубе Zn > Fe > Mn > Ni > Cu > Co > Pb > Cd. Отличия выявлены в содержании меди, никеля, свинца и кобальта. Так, в листьях содержание меди превышает содержание никеля, в коре эти показатели равны, в лубе содержание никеля превышает содержание меди; в листьях содержание свинца одинаково с содержанием кобальта, в коре содержание свинца выше, чем кобальта, в лубе, наоборот, содержание кобальта выше, чем свинца.

По содержанию ТМ исследованные органы и ткани березы повислой располагались в следующем порядке (по убыванию): Cu, Mn, Ni – листья > кора > > луб; Zn – луб > кора > листья, Fe, Cd, Pb и Co – кора > листья > луб. Таким образом, медь, марганец, никель накапливались преимущественно в листьях, железо, свинец, кадмий и кобальт – в лубе, цинк – в лубе и коре.

Выполненные исследования показали, что представители вида B. pendula Roth., произрастающие на территории г. Сибай, испытывают сильное техногенное воздействие. В условиях полиметаллического загрязнения надземные органы березы повислой способны накапливать значительное количество фитотоксикантов, что свидетельствует о перспективности ее использования в качестве вида аккумулянта-фиторемедианта при озеленении городских территорий Зауральского региона Республики Башкортостан.

Изучение пылезадерживающей способности листовой пластины B. pendula Roth. в условиях г. Сибай

Листья растений являются естественными планшетами-накопителями аэрозольного материала. При этом количество пыли на листовой пластине прямо пропорционально ее площади, а также зависит от ее поверхности: шершавые, складчатые, опушенные, липкие листья осаждают и удерживают большее количество пыли, чем гладкие. Метод взвешивания позволяет определить пылезадерживающую способность растений лишь частично, поскольку часть пыли сдувается ветром и смывается осадками. Для полной оценки пылезадерживающей способности растений требуются длительные обследования на стационаре. Однако и разовые наблюдения могут дать некоторое представление о способности растения задерживать и осаждать из воздуха пылеватые частицы [28].

Результаты определения пылезадерживающей способности B. pendula Roth. в условиях г. Сибай представлены в таблице 3.

Из представленных данных видно, что средние показатели накопления пыли в г. Сибай колеблются от 3,53 г/м² в районе отвалов Сибайского карьера до 48,90 г/м² – на ул. Белова. Наиболее «чистой» территорией центральной части города являются ул. Чайковского и ул. Ленина.

Листья березы, собранные вблизи отвалов Сибайского карьера, в минимальном количестве накапливают пыль. Данный факт может быть обусловлен тем, что отвалы Сибайского карьера располагаются за чертой город на открытой и интенсивно проветриваемой местности, чем и объясняется сильное рассеивание пыли.

Содержание тяжелых металлов в пыли

Содержание ТМ в накапливаемой на листьях деревьев пыли представлено в таблице 4.

 

Таблица 3 – Сравнительная оценка массы пыли на листьях B. pendula Roth. на улицах г. Сибай, г/м²

Место отбора	M ± m	Min ÷ max	Сv, %	р
ул. Белова (n = 9)	48,90 ± 16,14	7,28 ÷ 131,89	33,0	0,08
ул. Чайковского (n = 6)	8,62 ± 2,37*	3,25 ÷ 18,59	27,5	0,045*
пр. Горняков (n = 11)	41,04 ± 10,38*	8,88 ÷ 99,51	25,3	0,043*
ул. Ленина (n = 10)	9,87 ± 0,45*	4,85 ÷ 18,59	16,75	0,009*
Отвалы Сибайского карьера (n = 8)	3,53 ± 0,64	0,34 ÷ 3,25	42,4	–

Примечание. * статистически значимое различие между содержанием пыли на листьях березы повислой, произрастающей в окрестностях отвалов Сибайского карьера и в городе.

 

Таблица 4 – Концентрация металлов в пыли, находящейся на поверхности листовой пластины B. pendula Roth., мг/кг

Место отбора	Металлы и их содержание
	Cu	Zn	Ni	Mn	Co	Pb	Cd	Fe
ул. Белова	7,51	154,2	0,43	27,9	0,21	0,38	0,04	63,23
ул. Чайковского	8,61	112,8	2,11	32,35	0,19	0,94	0,06	112,75
пр. Горняков	12,54	13,02	1,56	41,00	0,21	1,25	0,003	170,31
ул. Ленина	9,38	85,94	1,65	32,95	0,24	1,25	0,06	152,75
Отвалы Сибайского карьера	13,78	157,30	2,21	93,62	1,96	1,10	1,26	154,31

 

Содержание металлов в пыли на листьях березы повислой на ул. Чайковского располагалось в следующий убывающий ряд: Zn = Fe > Mn > Cu > Ni > > Pb > Co > Cd, на улице Ленина – Fe > Zn > Mn > > Cu > Ni > Pb > Co > Cd.

Содержание металлов в пылевых частицах на более загрязненной городской территории можно расположить следующим образом: на улице Белова Zn > Fe > Mn > Cu > Ni > Pb > Co > Cd, на пр. Горняков – Fe > Mn > Zn > Cu > Ni > Pb > Co > Cd.

В окрестностях отвалов Сибайского карьера ряд металлов выглядит следующим образом: Zn > Fe > > Mn > Cu > Ni > Co > Cd > Pb.

В большинстве изученных образцов пылевых частиц на первом – втором месте по содержанию находились цинк и железо (на пр. Горняков – марганец), на третьем – марганец (на пр. Горняков – цинк), на четвертом – медь, на пятом – никель, на шестом – свинец (на территории отвалов – кобальт), на седьмом – кобальт (на отвалах – кадмий), на восьмом – кадмий (на отвалах – свинец).

Концентрация всех изученных металлов в пыли на отвалах карьера выше по сравнению с пылью на улицах города, за исключением свинца и железа.

Заключение

Почвы селитебной зоны г. Сибай загрязнены такими металлами, как медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, марганец и свинец.

Пониженное содержание ряда ТМ (железа, кадмия, кобальта и подвижных форм никеля) в почвах под кроной B. pendula Roth. по сравнению с открытыми участками подтверждает роль древесных растений в качестве барьера, защищающего почву от аэрогенного поступления токсикантов.

Медь, марганец, кобальт, никель накапливались преимущественно в листьях, цинк – в лубе и коре, свинец и кадмий – в коре B. pendula Roth. Выявлено высокое содержание цинка в коре и лубе березы повислой. Данный результат, возможно, объясняется тем, что береза не только толерантна к цинку [12; 13], но и является его накопителем. Вопросы механизмов металлического гомеостаза в березе требуют специального рассмотрения.

Центральная часть города является более запыленной по сравнению с территорией отвалов Сибайского карьера в связи с их расположением за чертой города на открытой и интенсивно проветриваемой местности, что способствует рассеиванию пыли. Вместе с тем частицы пыли на территории отвалов карьера в значительно большей степени загрязнены марганцем, кобальтом и кадмием по сравнению с пылью в центральной части города.

Приведенные результаты исследований подтверждают положительную роль зеленых насаждений в борьбе с пылью на урбанизированных территориях. Показана перспективность использования березы повислой в качестве вида аккумулянта-фиторемедианта при озеленении городских территорий Зауральского региона Республики Башкортостан.

About the authors

Rezeda Firgatovna Khasanova

Sibay Branch Institute of Strategic Studies of Republic of Bashkortostan; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Email: rezeda78@mail.ru

doctor of biological sciences, leading researcher of Ecology and Environmental Management Laboratory; associate professor of Natural Sciences Department

Russian Federation, Sibay, Republic of Bashkortostan; Sibay, Republic of Bashkortostan

Irina Nikolaevna Semenova

Sibay Branch Institute of Strategic Studies of Republic of Bashkortostan; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Email: alexa-94@mail.ru

doctor of biological sciences, senior researcher of Ecology and Environmental Management Laboratory; professor of Natural Sciences Department

Russian Federation, Sibay, Republic of Bashkortostan; Sibay, Republic of Bashkortostan

Yuliya Samigullovna Rafikova

Sibay Branch Institute of Strategic Studies of Republic of Bashkortostan

Email: ifaganu@mail.ru

candidate of biological sciences, senior researcher of Ecology and Environmental Management Laboratory

Russian Federation, Sibay, Republic of Bashkortostan

Yalil Tukhvatovich Suyundukov

Sibay Branch Institute of Strategic Studies of Republic of Bashkortostan; Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Email: yalil_s@mail.ru

doctor of biological sciences, chief researcher of Ecology and Environmental Management Laboratory; deputy director for scientific work

Russian Federation, Sibay, Republic of Bashkortostan; Sibay, Republic of Bashkortostan

Irina Valerievna Ilyina

Sibay Institute (Branch) of Bashkir State University

Author for correspondence.
Email: iiv2212@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Botany Department

Russian Federation, Sibay, Republic of Bashkortostan

References

Supplementary files