Arsenic and selenium in shore soils and bottom sediments of Samara city ponds

Natalya Vladimirovna Prokhorova; Прохорова Наталья Владимировна; Yuliya Vladimirovna Makarova; Макарова Юлия Владимировна; Sergey Vyacheslavovich Bugrov; Бугров Сергей Вячеславович; Yuriy Leonidovich Gerasimov; Герасимов Юрий Леонидович; Igor Artemyevich Platonov; Платонов Игорь Артемьевич; Maksim Glebovich Goryunov; Горюнов Максим Глебович

doi:10.17816/snv201982109

Мышьяк и селен в береговых почвах и донных отложениях прудов города Самары

Авторы: Прохорова Н.В.¹, Макарова Ю.В.¹, Бугров С.В.¹, Герасимов Ю.Л.¹, Платонов И.А.¹, Горюнов М.Г.¹
Учреждения:
1. Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Выпуск: Том 8, № 2 (2019)
Страницы: 53-58
Раздел: 03.02.00 – общая биология
URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/34297
DOI: https://doi.org/10.17816/snv201982109
ID: 34297

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Мышьяк и селен включены в группу химических элементов первого класса опасности, что обусловливает необходимость анализа их содержания в природных средах естественных и техногенных экосистем при эколого-биогеохимическом мониторинге. По своим химическим свойствам мышьяк и селен являются металлоидами, или полуметаллами. В очень малых концентрациях они необходимы для нормального функционирования организмов, но при повышении концентраций в среде обитания или продуктах питания проявляют высокую токсичность. Особенно большую опасность представляет накопление мышьяка и селена в аккумулятивных средах и ландшафтах, к которым относятся почвы и замкнутые водоемы. Для урбоэкосистем Самарской области мониторинг содержания мышьяка и селена в компонентах их аккумулятивных ландшафтов ранее не проводился, что подтверждает актуальность и практическую значимость представленных материалов. Авторами были осуществлены эколого-геохимические исследования накопления мышьяка и селена в береговых почвах и донных отложениях двадцати прудов, расположенных в г. Самаре в пределах берегового склона Саратовского водохранилища (Волжского склона) и на водоразделе между Саратовским водохранилищем и р. Самарой. Анализ полученных результатов показал относительно низкий уровень накопления мышьяка в анализируемых субстратах всех изученных прудов. По сравнению с уровнем регионального фона для Среднего Поволжья, изученные аккумулятивные акваландшафты заметно обогащены селеном (в 2-15 раз). Техногенное поступление мышьяка и селена в аккумулятивные ландшафты г. Самары может быть связано с деятельностью металлообрабатывающих и машиностроительных предприятий, а также ТЭЦ. Представленные в статье материалы о содержании мышьяка и селена в береговых почвах и донных отложениях городских прудов г. Самары можно считать пионерными для региона и в дальнейшем использовать в эколого-геохимическом мониторинге региональных урбоэкосистем.

Ключевые слова

пруды, береговые почвы, донные отложения, урбоэкосистемы, мышьяк, селен, тяжелые металлы, металлоиды, эколого-геохимический мониторинг, класс опасности, региональная фоновая концентрация, токсичность химических элементов, изолинейное картирование, город Самара, Самарская область

Полный текст

Введение

Современная урбанизация сопровождается резким ростом загрязнения природных сред городов тяжелыми металлами и металлоидами (полуметаллами) [1]. Источники полиметаллического загрязнения в городах многообразны, а их негативное воздействие особенно остро проявляется в отношении почвы, являющейся основным геохимическим барьером урбоэкосистем. Почва непосредственно контактирует с воздухом, принимая участие в регулировании газового состава атмосферы, служит фильтром, очищающим поверхностные стоки от загрязняющих веществ, а также экраном, осаждающим и удерживающим атмосферные поллютанты. При этом она становится источником вторичного загрязнения водной и воздушной сред города, что создает угрозу нормальной жизнедеятельности организмов, включая человека [1; 2]. Максимальное количество тяжелых металлов и металлоидов накапливается в придорожных зонах и в аккумулятивных ландшафтах, к которым относятся замкнутые водоемы, в частности, искусственные пруды.

В научной литературе имеется достаточно много сведений о загрязнении воды и донных отложений озер, рек и прудов на городских территориях тяжелыми металлами [3–5], но очень мало данных по металлоидам [6]. В низких концентрациях они проявляют себя как микроэлементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности организмов, а в повышенных концентрациях весьма токсичны, что объясняет актуальность мониторинга их содержания в водных экосистемах городов. В частности, к группе металлоидов относятся мышьяк и селен, которые в эколого-геохимических исследованиях часто объединяют с тяжелыми металлами из-за сходного с ними свойства – проявления токсичности при повышении концентрации в среде обитания или в пище [2].

Мышьяк (As) относится к веществам первого класса опасности. Он включен в группу химических элементов, которые обязательно должны выявляться в процессе экологического мониторинга [2; 7]. По своим свойствам это токсичный и канцерогенный элемент, но в очень малых дозах он выполняет важные и разнообразные функции в организме, являясь эссенциальным элементом. В живых клетках мышьяк взаимодействует с тиоловыми группами белков, оказывает влияние на окислительные процессы в митохондриях [8; 9]. Известно, что при длительном употреблении продуктов и воды, содержащих даже низкие концентрации мышьяка, возникают опасные заболевания. Он способен накапливаться в организме, постепенно поражая все органы и ткани, а его высокие дозы приводят к летальному исходу [10; 11]. Наибольшую опасность для человека представляет потребление воды с высоким содержанием этого химического элемента [12]. Неорганические формы мышьяка наиболее токсичны и в природной среде представлены различными минералами, среди которых арсенаты, арсениды, мышьяковистые сульфосоли, сульфиды и др. [13]. При включении мышьяка в пищевые цепи происходит его метилирование с образованием менее токсичных органических соединений [9]. Мышьяк – активный водный мигрант. В процессе гипергенеза он выщелачивается из горных пород и поступает в биогеохимический круговорот [14; 15], в ходе которого образует высокотоксичные подвижные соединения, загрязняющие почвенный покров и акватории [16].

В почве мышьяк может находиться в виде органических или неорганических соединений. Его среднее содержание в почвах мира составляет 5 мг/кг [17], а фоновое содержание для черноземных почв России – 5,6 мг/кг [18]. Российская предельно-допустимая концентрация (ПДК) мышьяка равна 2 мг/кг (с учетом фона), а ориентировочно-допустимая концентрация (ОДК) – от 5 до 10 мг/кг в зависимости от типа почв [7]. В.А. Ковда считал уровень содержания мышьяка в почве в диапазоне 2–20 мг/кг наименее опасным [19]. Установлено, что токсичность мышьяка зависит от степени его окисленности: трехвалентный мышьяк в 2–3 раза токсичнее пятивалентного мышьяка, который менее подвижен и прочнее адсорбируется частицами почвы [20]. Техногенное поступление мышьяка в окружающую среду происходит вследствие сжигания нефтепродуктов, угля, добычи и переработки руд, содержащих мышьяк, минералов серы и фосфора, производства металлов и металлообработки [9], применения пестицидов [21].

Селен (Se) также относится к металлоидам. Он способен вызывать канцерогенез и мутагенез, поэтому включен в группу элементов первого класса опасности [2]. Доказана эссенциальность селена, так как в определенных количествах он необходим для нормального роста и развития живых организмов. В частности, недостаток селена понижает урожайность сельскохозяйственных культур, вызывает беломышечную дистрофию животных, некрозы и дегенерацию их внутренних органов, а его недостаточное потребление человеком приводит к снижению иммунитета и появлению ряда опасных заболеваний (болезни Кешана и Кашина-Бека). Тем не менее большинство соединений селена токсичны, а избыток элемента в организме является причиной острых и хронических отравлений, вызывает нервные расстройства, нарушение функций печени, воспаления [22].

По А.П. Виноградову, содержание селена в почвах мира равно 0,01 мг/кг [17], но в настоящее время его кларк для мировых почв считается не установленным и требует уточнения. В частности, для почв США кларк селена показан на уровне 0,4 мг/кг [20]. Есть данные о том, что содержание селена в почве ниже 0,125 мг/кг указывает на его дефицит; содержание в пределах 0,125–0,175 мг/кг считается недостаточным; в пределах 0,175–3,0 мг/кг – оптимальным; свыше 3,0 мг/кг – избыточным [23]. Основными источниками селена в природе являются вулканическая активность и выветривание материнских пород (в особенности базальтов) [24]. Селен накапливается в углях. Почвы, сформировавшиеся на черных углистых сланцах, имеют более высокую концентрацию селена по сравнению с почвами, сформировавшимися на известняках [25]. Антропогенными источниками поступления селена в окружающую среду являются добыча полезных ископаемых и сжигание ископаемого топлива, внесение фосфатных удобрений или использование в качестве удобрений осадков сточных вод, ирригация, выплавка металлов из их руд, а также переработка ядерного топлива [12].

Все вышесказанное подтверждает актуальность изучения особенностей накопления и распределения мышьяка и селена в природных средах конкретных регионов. Первые достаточно значимые исследования накопления этих элементов в почвенном покрове Самарской области были осуществлены более 20 лет назад. Они позволили получить региональные фоновые значения концентраций мышьяка и селена для почв [26; 27]. Региональный фоновый показатель для мышьяка в целом укладывается в существующие нормы и составляет 7,36 мг/кг. Показатель по селену получился явно завышенным (12,29 мг/кг), что, возможно, связано с погрешностью используемого метода анализа в отношении этого элемента (характеристического рентгеновского излучения, или PIXE). В настоящее время среднее содержание селена в почвах лесостепи Среднего Поволжья оценивается как 0,16 мг/кг [28], что более соответствует данным по другим регионам России и мира.

Поскольку мышьяк и селен относятся к элементам первого класса опасности, особую значимость представляют данные об уровнях их содержания в природных компонентах урбоэкосистем, прежде всего в почвах и замкнутых водных объектах, как аккумулирующих геохимических системах. Исследования накопления мышьяка и селена в городских почвах Самарского региона проводились эпизодически [29]. В отношении донных отложений водоемов существуют данные по Саратовскому и Куйбышевскому водохранилищам [30]. Объективных сведений о накоплении мышьяка и селена в донных отложениях малых замкнутых водоемов (озерах и прудах) на территории городов Самарской области не найдено. Эти обстоятельства определили направленность настоящего исследования, целью которого является изучение особенностей накопления и распределения мышьяка и селена в береговых почвах и донных отложениях городских прудов на территории г. Самары.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования были выбраны 20 прудов, расположенных в г. Самаре в пределах берегового склона Саратовского водохранилища (Волжского склона) и на водоразделе между Саратовским водохранилищем и р. Самарой. Так как у большинства прудов нет устоявшихся и общепринятых названий, в качестве таковых использованы обозначения их местоположений (табл. 1).

Средние пробы береговых почв и донных отложений для каждого пруда отбирали по общепринятым в почвоведение, гидрологии и биогеохимии методикам [31; 32]. Количественное определение валового содержания мышьяка и селена в пробах осуществляли методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [33] на оптико-эмиссионном спектрометре «PlasmaQuant^® PQ 9000» («Analytik Jena AG», Германия) в специализированной лаборатории кафедры химии Самарского университета.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 представлены количественные данные о валовом содержании мышьяка и селена в береговых почвах и донных отложениях изучаемых городских прудов. Концентрация мышьяка изменяется в достаточно широких пределах как в береговых почвах (от 2,08 до 8,25 мг/кг), так и в донных отложениях (от 1,26 до 13,80 мг/кг) прудов. Средние концентрации мышьяка для общих выборок по береговым почвам и донным отложениям составляют 4,93 и 5,65 мг/кг соответственно. Согласно гигиеническим нормативам ГН 2.1.7.020-94 [7], ОДК мышьяка для почв Самарской области равна 10 мг/кг. Для донных отложений нормативы по мышьяку не разработаны, поэтому при оценке степени их загрязнения используется ОДК и региональный фоновый показатель для почв.

Содержание мышьяка в береговых почвах большей частью уступают региональному фону и ОДК. Несколько выше регионального фонового показателя концентрация мышьяка в береговых почвах большого пруда на ул. Солнечной.

Сравнительный анализ полученных данных о содержании мышьяка в донных отложениях городских прудов в основном не выявил превышений ОДК и регионального фонового показателя для почв. Исключением являются донные отложения пруда СГСПУ, в которых концентрация мышьяка выше ОДК и регионального фона (13,8 мг/кг), а также донные отложения большого пруда на ул. Солнечной, содержащие мышьяк на уровне, слабо превышающем региональный фон (7,78 мг/кг).

На рис. 1 представлено пространственное распределение мышьяка в береговых почвах изучаемых прудов.

Рисунок 1 – Пространственное распределение мышьяка в береговых почвах прудов г. Самары. П1–П20 – обозначения прудов (согласно табл. 1)

Таблица 1 – Содержание селена и мышьяка в береговых почвах и донных отложениях прудов г. Самары, мг/кг воздушно-сухой пробы

№	Пруд	Координаты	Мышьяк		Селен
№	Пруд	Координаты	Берег	Дно	Берег	Дно
1	Пруд Самарского государственного социально-педагогического университета (СГСПУ)	53°12′48″ с.ш., 50°12′20″ в.д.	6,70	13,80	0,82	2,42
2	Пруд Самарского государственного экономического университете (СГЭУ)	53°13′00″ с.ш., 50°12′48″ в.д.	6,04	–	1,11	–
3	Пруд на ул. Смольной	53°13′15″ с.ш., 50°12′39″ в.д.	6,15	5,52	0,68	1,16
4	Большой пруд профилактория «Поволжье»	53°14′19″ с.ш., 50°11′07″ в.д.	2,83	–	0,29	–
5	Малый пруд профилактория «Поволжье»	53°14′15″ с.ш., 50°11′04″ в.д.	6,45	3,01	0,72	0,14
6	Большой пруд на ул. Солнечной	53°14′29″ с.ш., 50°11′32″ в.д.	8,25	7,78	0,00	0,77
7	Малый пруд на ул. Солнечной	53°14′29″ с.ш., 50°11′30″ в.д.	3,89	5,78	0,11	0,57
8	Большой пруд на 5-й просеке	53°14′44″ с.ш., 50°10′58″ в.д.	2,08	–	0,07	–
9	Малый пруд на 5-й просеке	53°14′45″ с.ш., 50°11′12″ в.д.	2,49	1,26	0,07	0,00
10	Левый пруд рядом с автобусной остановкой «ТЦ Пирамида»	53°15′18″ с.ш., 50°12′24″ в.д.	6,13	–	0,42	–
11	Правый пруд рядом с автобусной остановкой «ТЦ Пирамида»	53°15′19″ с.ш., 50°12′25″ в.д.	7,32	–	0,73	–
12	Пруд возле бывшего Ипподрома	53°15′01″ с.ш., 50°12′56″ в.д.	4,35	6,63	0,28	1,00
13	Большой пруд в 13-м микрорайоне	53°14′56″ с.ш., 50°13′55″ в.д.	6,39	6,54	0,57	0,83
14	Малый пруд в 13-м микрорайоне	53°14′54″ с.ш., 50°13′55″ в.д.	3,53	5,41	0,66	0,39
15	Пруд в Дубовой роще	53°14′46″ с.ш., 50°14′25″ в.д.	4,56	3,55	0,66	0,68
16	Пруд Островной	53°14′45″ с.ш., 50°14′45″ в.д.	5,65	4,53	0,76	0,56
17	Церковный пруд	53°14′53″ с.ш., 50°14′34″ в.д.	4,56	2,78	0,74	0,49
18	Первый пруд на 8-й просеке	53°15′49″ с.ш., 50°11′52″ в.д.	3,65	–	0,16	–
19	Второй пруд на 8-й просеке	53°15′47″ с.ш., 50°11′39″ в.д.	–	6,54	–	1,10
20	Пруд на ул. Бронной	53°16′09″ с.ш., 50°13′46″ в.д.	2,76	5,96	0,62	0,83
	Средняя концентрация:		4,93	5,65	0,50	0,78

Примечание. (–) – данные отсутствуют.

Характер изолиний показывает, что наибольшие концентрации мышьяка характерны для южной и юго-западной частей города, что может быть связано с влиянием ТЭЦ, металлургического завода и машиностроительных предприятий. Определенное повышение содержание мышьяка также наблюдается для почв территорий, расположенных вблизи оживленных автомагистралей на ул. Ново-Садовой и Московском шоссе.

В характере распределения и накопления мышьяка между береговыми почвами и донными отложениями не обнаруживается значительных различий. Из тринадцати прудов, для которых есть соответствующие данные, для семи прудов большая концентрация мышьяка установлена в их береговых почвах, а для шести прудов – в их донных отложениях. Средняя концентрация мышьяка в донных отложениях прудов слабо превышает его среднюю концентрацию в береговых почвах (табл. 1).

Содержание селена варьирует в пределах от 0,0 до 1,11 мг/кг в береговых почвах изучаемых прудов и от 0,0 до 2,41 мг/кг в их донных отложениях (табл. 1). Для оценки опасности загрязнения селеном изучаемых субстратов можно использовать только региональный фоновый показатель для Среднего Поволжья – 0,16 мг/кг [28]. В береговых почвах большинства городских прудов содержание селена в основном превышает этот показатель в 1,8–6,6 раза. Для небольшой части прудов в их береговых почвах селен содержится в более низких концентрациях. В береговых почвах первого пруда на 8-й просеке концентрация селена равна региональному фону.

В донных отложениях большинства прудов содержание селена также превышает региональный фоновый показатель для почв в 2,4–15,1 раза. В донных отложениях одного пруда (малый пруд на 5-й просеке) селен не выявлен, еще в одном (малый пруд профилактория «Поволжье») его концентрация была ниже фонового показателя (табл. 1). Установленные уровни содержания селена в береговых почвах и донных отложениях прудов г. Самары в основном укладываются в диапазон оптимальных концентраций для почв [23].

Наиболее высокие концентрации селена в береговых почвах городских прудов наблюдаются в южной и восточной частях изучаемой территории г. Самары, наименьшие – в северо-западной ее части (рис. 2).

Рисунок 2 – Пространственное распределение селена в береговых почвах прудов г. Самары. П1–П20 – обозначения прудов (согласно табл. 1)

Выявлена тенденция обогащения донных отложений прудов селеном по сравнению с почвами прилегающих к ним территорий. Так, для восьми прудов из тринадцати более высокие концентрации селена характерны для донных отложений (в 1,5–5,4 раза выше, чем в почвах). Общие средние концентрации селена также указывают на приоритет донных отложений перед береговыми почвами в его аккумуляции: 0,777 и 0,495 мг/кг соответственно.

Заключение

Проведенные исследования показали, что содержание мышьяка в донных отложениях и береговых почвах прудов г. Самары в целом соответствует существующим нормам. Слабое превышение ОДК (в 1,4 раза) обнаружено в донных отложениях только одного пруда, превышение региональной фоновой концентрации – в донных отложениях двух прудов.

Содержание селена и в береговых почвах, и в донных отложениях большинства изученных прудов превышает фоновую концентрацию для почв Среднего Поволжья в 2–15 раз. Наиболее чистым в отношении селена является малый пруд на 5-й просеке, для которого выявлены очень низкие концентрации селена в береговых почвах и его отсутствие в донных отложениях. Для пяти прудов характерны низкие концентрации селена в их береговых почвах, но повышенное относительно фона его содержание в донных отложениях.

Изолинейное картирование обнаружило определенную связь загрязнения прудов и прилегающих к ним территорий мышьяком и селеном с промышленными предприятиями, расположенными в юго-западной, южной и юго-восточной частях города. Техногенное поступление мышьяка также возможно от автотранспортных магистралей.

Полученные результаты являются новыми для промышленных городов Самарской области и могут быть использованы в геохимическом мониторинге региональных урбоэкосистем по мышьяку и селену, а также в сравнительном анализе техногенного загрязнения водных объектов.