CC BY
78
МЕТОДОЛОГИЯ НА УКИ
УДК 631.811.94
А.Н. КОЛЬЦОВА, В.В. СИРОТКИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ ГОРОДА ЧЕБОКСАРЫ
Социологические прогнозы свидетельствуют о том, что к концу текущего десятилетия в городах будет сосредоточено не менее 50% населения. В связи с этим актуальными являются исследования, направленные на установление причин возникновения и устранение загрязнений, вызванных антропогенной деятельностью человека. В настоящее время наиболее распространенными техногенными загрязнителями являются тяжелые металлы (ТМ) [1]. ТМ влияют на физико-химические свойства почвы, а также на процессы развития растений, животных и человека [2, 3]. Возрастающие масштабы антропогенной деятельности человека приводят к необходимости изучения распределения ТМ в городских почвах, а также контроля, связанного с анализом и проверкой загрязнений ТМ установленным нормам и требованиям. В данной статье исследовано распределение наиболее распространенных ТМ (хрома, меди, марганца, никеля, свинца, цинка и кобальта) в почвах города Чебоксары, а также рассмотрены методы регулирования их содержания.
Определение загрязнения почв ТМ основывается на их пороговых концентрациях, превышение которых создает опасность для здоровья человека. Согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 [4], по степени опасности ТМ подразделяются на три класса опасности. Из исследованных нами металлов к первому классу высоко опасных ТМ относятся свинец и цинк, ко второму классу (умеренно опасным ТМ) - хром, медь, никель, кобальт и к третьему классу (мало опасным ТМ) - марганец. Для металлов всех классов загрязнение почвы считается допустимым при содержании этих металлов, не превышающем их ПДК. Загрязнение почвы умеренное при превышении ПДК не более чем в пять раз (для металлов второго класса) и в десять раз (для металлов третьего класса). При содержании металлов первого, второго и третьего классов, не превышающем их ПДК соответственно в три, десять и пятнадцать раз, загрязнение становится опасным. При большем содержании металлов загрязнение считается чрезвычайно опасным.
Город Чебоксары находится в северной части Чувашской Республики и его территория относится к Приволжскому субрегиону, в котором преобладают дерново-подзолистые и песчано-подзолистые почвы [5]. Песчаноподзолистые и дерново-подзолистые почвы характеризуются малым со-
держанием гумуса, вследствие чего слабо связывают катионы ТМ и легко отдают их растениям. Это создает условия для накопления ТМ в растениях, что может приводить к возникновению различных заболеваний у населения, употребляющего эти растения в своей еде. Поэтому такие почвы «устойчивы» к загрязнению подвижных катионов ТМ, пропуская их через себя. Если же катионы ТМ прочно связаны с составными частями почвы, то они труднодоступны для растений и непосредственно не оказывают вредного воздействия на экосистему. Они входят в состав нерастворимых соединений (оксидов, гидроксидов и солей) и накапливаются в почве. Накапливая ТМ, почва становится природным их переносчиком в атмосферу, гидросферу и живую материю. В результате антропогенного воздействия происходит возрастание общей концентрации ТМ по сравнению с фоновым их распределением. Если почвенные условия позволяют ТМ перейти в почвенный раствор в виде катионов, то возникает опасность загрязнения почвы. При этом под влиянием ионов ТМ меняются агрохимические и воднофизические свойства почвы, увеличивается ее кислотность, уменьшаются буферная способность, биологическая активность, содержание подвижного фосфора, нарушается естественное соотношение химических элементов в почвенном растворе и их поступление в растения. Наиболее сильное влияние на поступление ТМ в растения и проявление их токсического действия оказывает кислотность почвы. Она вызвана кислотными дождями, которые в условиях города Чебоксары связаны с сжиганием топлива (нефти, угля, газа) и деятельностью химических, машиностроительных и электротехнических производств. Повышенная кислотность почвы способствует переводу неподвижных катионов ТМ нерастворимых соединений (минералов и пород) в подвижную форму и повышению их содержания в растениях.
Проведенные нами исследования [6] показали, что среднее содержание ТМ в почвах Приволжского субрегиона, расположенных в зоне естественной фоновой концентрации (вне зоны антропогенного влияния), составляет (мг/кг): для хрома и меди не выше 6 мг/кг, марганца - 65, никеля - 100, свинка 10, цинка - 8, кобальта - 5. Сопоставление полученных результатов с данными ГОСТ 17.4.1,02-83 показывает, что эти почвы характеризуются допустимым уровнем содержания ТМ.
В городе Чебоксары проживает население численностью более 400 тыс. человек. Его территория состоит из трех районов: Московского, Ленинского и Калининского (рис. 1). Московский район занимает северозападную часть города. На его территории расположены такие предриятия, как ЧНППП «Элара», ЧПО им. В.И. Чапаева, ОАО «Контур», ОАО «Металлист», ликеро-водочный завод, ОАО «Монолитстрой», мебельная фабрика и ряд других более мелких предприятий и организаций. Ленинский район занимает центральную и южную части города. Он более насыщен промышленными предприятиями (ОАО ЧЭАЗ, ЗЭИМ, ВНИИР, «Электроприбор»,
«Чувашпромвентиляция», ЗАО «Чебоксарская керамика», авторемонтный завод). Калининский район занимает северо-восточную часть города. На его территории расположены ТЭЦ-2, ОАО «Промтрактор» и «Текстиль-маш», хлопчатобумажный комбинат, ЖБК-9, ОАО «Чувашкабель», агрегатный завод и ряд других предприятий. Перечисленные предприятия относятся к предприятиям: электроэнергетики (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2); химической промышленности (ЧПО им. В.И. Чапаева); машиностроения и металлообработки (ОАО «Текстильмаш», «Промтрактор», «Контур», «Энергозапчасть», «Металлист», «Чувашкабель», ЧЭАЗ, ЗЭИМ, Электроприбор); строительных материалов (ЖБК-9, ОАО «Монолитстрой» и «Чебоксарская керамика», Мостоотряд 41); лесной и деревообрабатывающей промышленности (мебельная фабрика). В условия города Чебоксары основными источниками поступления ТМ в почвы являются выбросы предприятий тяжелого машиностроения, черной и цветной металлургии, электротехнической промышленности, электростанций и котельных, сжигающих уголь и мазут, автомобильные выбросы, а также кислотные дожди, приводящие, как отмечалось выше, к растворению нерастворимых минералов и пород.
Нами исследовалось содержание ТМ в почвах санитарно-защитных зон крупных предприятий и жилых районов города Чебоксары. Полученные данные показывают следующее превышение содержания ГМ в почвах санитарных зон предприятий по отношению к фоновой их концентрации: 1) по хрому - в три раза в почвах, прилегающих к ЧПО им. В.И. Чапаева, тогда как в почвах, находящихся поблизости других предприятий Московского, а также Ленинского и Калининского районов его содержание находится в пределах нормы; 2) по меди- в 2-3 раза в почвах санитарных зон всех промышленных предприятий; 3) по марганцу - в 1,5 раза в почвах, прилегающих к ЧПО им. В.И. Чапаева и агрегатному заводу, в почвах же санитарных зон остального большинства предприятий его содержание соответствует фоновому; 4) по никелю - в 4 раза в почвах ОАО ЧЭАЗ и в 2 раза в почвах санитарных зон всех остальных предприятий; 5) по свинцу - в 5-6 раз в почвах, прилегающих к ОАО ЧЭАЗ и ЖБК-9, в 2-3 раза - в почвах санитарных зон других предприятий; 6) по цинку - в 2-3 раза в почвах санитарных зон агрегатного завода, ОАО ЧЭАЗ и ЖБК-9, в почвах же других предприятий содержание цинка не превышает фонового; 7) по кобальту - в 2-3 раза в почвах, находящихся вблизи большинства предприятий, за исключением почв санитарной зоны ОАО «Контур», в которых содержание кобальта не превышает фонового уровня. Близость санитарных зон промышленных предприятий к жилым массивам приводит к загрязнению в целом городских почв ТМ.
В таблице и на рис. 2-8 приведены данные о содержании ТМ и составленные нами карты распределения ТМ в почвах города Чебоксары. При составлении карт использовались результаты исследования более 300 проб почв, обработка которых велась на компьютере в среде Мар1пК>.
Рис. 3. Содержание меди в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
0-6; ШШ 6-8:
Рис. 1. Схема г. Чебоксары
I - Московский район;
II - Ленинский район;
III - Калининский район
р. Bti.ua
Рис. 2. Содержание хрома в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
" . О** НИ 3-*
I 6-9; І '"і - от 9
/
р. Наш
Л.
Рис. 4. Содержание марганца в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
^ 0-30; ШШШ, 30-60;
— 60-90; ШЯШ -от90
Рис.5. Содержание никеля в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
0-130; | 130-260;
■■ 2М1-ЗЧ(»: Г. ^ -.и луо
Рис. 6. Содержание свинца в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
0-15; 15-30;
8181111 30-45; Г. ™ -от45
р. Во.и*
Рис. 7. Содержание цинка в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
“| 0-5; 5-10;
| 10-15; 1 5 - от 15
Рис. 8. Содержание кобальта в почвах (мг/кг) г. Чебоксары (масштаб 1:100000):
10-15;
■ от 15
Среднее содержание (интервалы изменения) тяжелых металлов (мг/кг) в почвах административных районов города Чебоксары
Тяжелые металлы Московский район Ленинский район Калининский район
Хром 7,73 (0,89-17,74) 1,65 (0,89-2,41) 2,38 (0,91-5,42)
Медь 8,68 (6,57-11,76) 10,76 (10,07-11,37) 10,63 (8,83-11.40)
Марганец 46,22 (28,99-94,28) 40,93 (38,78-43,08) 53,10 (30,83-102,78)
Никель 164,92 (115,69-207,84) 318,52 (225,27-411,76) 161,44 (126,36-192,16)
Свинец 19,09 (7,91-33,72) 33,72 (12,67-64,79) 32,22 (4,44-55,93)
Цинк 8,12 (4,84-13,13) 12,92 (9,26-16,18) 12,74 (5,12-25,04)
Кобальт 9,04 (3,70-11,80) 13,25 (11,02-15,48) 9,71 (8,54-11,35)
Как видно из таблицы и рис. 2-8, наибольшее содержание меди, никеля, свинца, цинка и кобальта наблюдается в почвах Ленинского района. Незначительно меньше содержатся эти металлы в почвах Калининского района и в среднем на 30-40% меньше их обнаружено в почвах Московского района. Это объясняется тем, что в Ленинском и Калининском районах преобладают предприятия тяжелого машиностроения с широким спектром применяемых в производстве ГМ, в том числе и перечисленных ТМ. Повышенное содержание свинца в почвах всех районов города связано с автотранспортом, при эксплуатации которого используются бензины, содержащие тетраэтилсвинец. Хрома больше содержится в почвах Московского района, тогда как в почвах Калининского района его меньше в среднем в три раза, а в почвах Ленинского района в четыре раза. Содержание марганца незначительно убывает в ряду почв Ленинского, Московского и Калининского районов. Из сопоставления полученных данных с результатами исследований [6] следует, что превышение фонового уровня ТМ в почвах города Чебоксары в среднем составляет: для свинца в 3-4 раза; меди, никеля, цинка и кобальта в 2-3 раза, хрома в 1,5 раза и для марганца в 1,2 раза. Таким образом, превышение фона в почвах всех трех административных районов города наблюдается практически по всем ТМ. По содержанию меди, марганца и цинка эти почвы не превышают отметки «допустимое загрязнение», по содержанию хрома и кобальта - отметки «умеренное загрязнение», по содержанию никеля и свинца - отметки «опасное загрязнение».
Городские почвы очистить от ТМ трудно и в настоящее время основным методом очистки является сбор и вывоз загрязненных почв с последующей укладкой на их место экологически чистых грунтов. Другой метод
очистки основан на обработке почв гуминовыми и гумино-минеральными веществами, которые связывают ионы ТМ и переводят их в водонерастворимые формы. При этом увеличивается буферность почв и формируется оптимальная их структура. Недорогостоящим способом очистки от ТМ является засевание почв быстрорастущими культурами: клевером и люцерной. Эти культуры дают большую зеленую массу и интенсивно извлекают ТМ из почвы. Эффективным является метод, основанный на снижении растворимости ТМ за счет образования их катионами с анионами фосфорной и угольной кислот нерастворимых солей. Это подтверждено проведенными нами исследованиями по вводу в почву растворимых соединений фосфорной (аммофос, суперфосфат и двойной суперфосфат) и угольной (поташ) кислот, показавшими резкое снижение подвижных ионов ТМ в почве. Как уже отмечалось, защитные свойства почв в районе расположения города Чебоксар ограничены из-за малого содержания в них гумуса и высокой их кислотности. Эффективных приемов повышения защитных свойств почв является их известкование. Уменьшение кислотности почвы с рН=4,0-5,0 до 6,5-7,0 позволяет снизить содержание ТМ в растениях в 5-10 раз, что согласуется с данными [1]. Органические удобрения, являясь хорошими сорбентами катионов ГМ, способствуют увеличению их содержания в растениях и уменьшению в почве. Неорганические же удобрения и известкование почв способствуют образованию нерастворимых соединений ТМ, что приводит к увеличению содержания ТМ в форме неподвижных катионов в почве и понижению их содержания в растениях. Следовательно, комплексное использование органических и неорганических удобрений, а также известкование позволяют регулировать содержание ТМ в почве.
Таким образом, нами на примере города Чебоксары с развитой промышленной инфраструктурой исследовано распределение некоторых наиболее распространенных в городских почвах ТМ, а также рассмотрены методы регулирования их содержания. Полученные результаты позволили построить карты распределения ТМ и разработать рекомендации для понижения их содержания в почвах города Чебоксары. Проведенные исследования показывают необходимость мониторинга загрязнения городских почв, представляющего собой систему, включающую регулярные наблюдения за фактическим уровнем, определение прогностических уровней, оценку выявление источников и последствий загрязнения почвы ТМ.
Литература
1. Алексеев Ю В. Тяжелые металлы в почве и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
2. Кабата-Пендиас А.. Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989.
439 с.
3. Сусликов В.Л. Геохимическая экология болезней. Атомовигы М.: Гелиос АРВ, 2000 672 с.
4. Мазур И.И., Молдаванов О.И Курс инженерной экологии. М.: Высшая школа, 2001. 510 с.
5. Михайлов Ф.Я. Дерново-подзолистые почвы Чувашской Республики. Чебоксары: Чу-вашкнигоиздат, 1974. 154 с.
6. Кольцова А Н.. Сироткин В. В // Исследование загрязнения почв Чувашской Республики тяжелыми металлами // Вестник Чувашского университета. 2003. № 2. С. 122-130.
КОЛЬЦОВА АННА НИКОЛАЕВНА родилась в 1980 г. Окончила Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры природопользования и геоэкологии Чувашского государственного университета. Имеет 15 работ в области картографии и геоэколог ии.
СИРОТКИН ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ родился в 1967 г. Окончил Санкт-Петербургский государственный университет. Доктор географических наук, доцент кафедры природопользования и геоэкологии Чувашского государственного университета. Имеет 65 работ в области рационального использования природных ресурсов, геоэкологии и почвоведения. ____ ________
