Оценка содержания тяжелых металлов в почвогрунтах г. Махачкалы Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

БИОЛОГИЯ

УДК 631.423.3

Б01: 10.21779/2542-0321-2024-39-3-109-117

X. М. Гамзатова, Э. М. Сугратова

Оценка содержания тяжелых металлов в почвогрунтах г. Махачкалы

Дагестанский государственный университет, 367025, Россия, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а; [email protected]

Аннотация. Авторами в статье впервые приводятся результаты анализа содержания некоторых тяжелых металлов в почвогрунтах города Махачкалы.

Проведено обследование состояния городских почв по содержанию тяжелых металлов в зависимости от различных условий.

Дана комплексная экологическая оценка почвам в условиях г. Махачкалы, проведен их сравнительный анализ.

Определены концентрации наличия химических элементов в изучаемых грунтах, результаты подвержены статистической обработке с прогнозированием экологических последствий.

Анализ проведенных работ показал, что по суммарному показателю содержания тяжелых металлов наиболее благоприятной является почва на территории завода «Эльтав», суммарные значения которой укладываются в рамки экологических нормативов.

Ключевые слова: городские почвы, антропогенная нагрузка, тяжелые металлы, методы исследования металлов, предельно допустимые концентрации, экологическая нагрузка.

Введение

В результате стремительно развивающейся промышленной деятельности, повсеместной урбанизации и постоянного роста автотранспорта поступление тяжелых металлов в окружающую среду увеличивается из года в год.

Опасность тяжелых металлов заключается в том, что они не подвергаются деградации, а только переходят из одного соединения в другое. Попадая в почву, они накапливаются в ней, ведут себя как экотоксиканты и способны передаваться по пищевым цепям в организм человека. Некоторые тяжелые металлы и металлоиды, помимо прямого токсического воздействия на живые организмы, способны вызывать канцерогенные, мутагенные и тератогенные эффекты [7].

Для сохранения и рационального использования земельных ресурсов необходимо реализовать ряд мер, включая: внедрение устойчивых методов земледелия (консер-вационная обработка почвы, севооборот, внесение органических удобрений); рекультивацию деградированных земель (например, восстановление после добычи полезных ископаемых); мониторинг и контроль за состоянием земельных ресурсов; пропаганду землепользования без ущерба для окружающей среды; законодательное регулирование и соблюдение норм использования и охраны земель. Только комплексный подход, учитывающий естественные особенности земель, хозяйственную деятельность и меры по охране окружающей среды, позволит сохранить и улучшить состояние земельных ре-

сурсов России, обеспечивая их устойчивое использование для будущих поколений [1-3].

Особую актуальность проблема загрязнения почв городов тяжелыми металлами приобретает в связи с постоянным увеличением количества автотранспорта, являющегося одним из основных источников поступления этих поллютантов в окружающую среду. Почвенный покров прилегающих к автомагистралям территорий служит накопителем пыли и твердых частиц, поступающих с выбросами отработанных газов двигателей, продуктами износа шин и тормозных колодок, сыпучими и пылящими грузами и т. д. Из общего количества транспортно-дорожных выбросов около 75 % распределяется на поверхности почв. Именно в таких местах в почве накапливаются разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, обусловливающие ее загрязненность и токсичность [4-7].

Выбор Махачкалы в качестве объекта исследования обусловлен тем, что город является крупным урбанизированным центром республики, где сконцентрированы большие промышленные предприятия республиканского и федерального значения, где рост городского населения, уплотненная застройка, пригородное строительство, интенсивность и увеличение количества автотранспорта обостряют эколого-экономические проблемы [8]. Загрязненность почвы города тяжелыми металлами является показателем ее фитотоксичности.

При строительстве промышленных предприятий и жилых домов сокращается доля зеленых насаждений, что приводит к серьезному обострению экологических проблем. Город Махачкала является интенсивно развивающейся природно-техногенной системой с ухудшающейся экологической ситуацией, для которой характерны процессы преобразования [9-11].

Исходя из этой теоретической предпосылки, с учетом результатов научно-исследовательских работ, выполненных ранее в гигиенических учреждениях страны, была разработана методология экспериментального обоснования предельно допустимой концентрации (ПДК) химических веществ в почве (табл. 1).

Таблица 1. Отнесение химических веществ, попадающих в почву из выбросов, сбросов, отходов, к классам опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83)

Класс опасности Химическое вещество

Высокоопасные (1) Мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен

Умеренно опасные (2) Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром

Малоопасные (3) Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон

Объект и методы исследования

Объектами исследования являются урбанизированные почвы города Махачкалы.

Исследования проводились в период с 2023 по 2024 год на различных участках.

Выбор ключевых площадок для отбора образцов осуществлялся маршрутным методом с центра г. Махачкалы (рис. 1). На карте отмечены точки отбора почвенных образцов. Образцы почвы отбирались с глубины 10-20 см. Взятые для анализа пробы подвергались химическим анализам в лаборатории кафедры почвоведения биологического факультета ДГУ

статьи

= - -■ " 1

Иач Кнх^рщй

Кяхуллн

А/1ьйурМКй|П

Гарин

1-ИКШ

Рис. 1. Карта Махачкалы с обозначением точек исследования

Образцы были отобраны на ключевых участках: студенческий городок ДГУ, Джума-мечеть, Центральная площадь им. Ленина, парк Ленинского комсомола, окрестность завода «Эльтав», автозаправка «Белнефть», частный огород (Пятый поселок). Дальнейшее хранение и подготовку образцов почв осуществляли в соответствии с требованиями методики.

Для оценки почв по содержанию концентрации тяжелых металлов (кадмия, цинка, меди, никеля, свинца) проводили экстрагирование 1н. раствором соляной кислоты методом полярографии.

Наибольшее распространение получили два метода определения содержания тяжелых металлов: полярографический (широко применяемый при массовых анализах) и атомно-абсорбционный.

Полярографический метод анализа впервые был предложен в 1922 г. чешским учёным Я. Гейровским. Этот метод даёт возможность определять примеси металлов, содержащихся в технических образцах в количестве около 0,001-0,0001 %.

Полярографический метод основан на использовании концентрационной поляризации, возникающей в процессе электролиза, на электроде с малой поверхностью. По характерной кривой, показывающей изменение силы тока в зависимости от приложенного напряжения, можно с достаточной точностью определить качественный и количественный состав анализируемого вещества. Кривая силы тока в момент восстановления анализируемого иона поднимается резко вверх, образуя полярографическую волну. По расположению этой волны можно судить о качественном составе электролита, по высоте волны - о концентрации восстанавливающегося иона.

Рис. 2. Аппарат Киппа и полярограф

Особенности полярографического метода анализа: 1) быстрота аналитического определения, не превышающая нескольких минут; 2) большая чувствительность, позволяющая вести аналитические определения малых количеств исследуемого вещества (до 10~5 моль/л); 3) независимость результатов определений от индивидуальных особенностей экспериментатора; 4) возможность одновременно вести определение нескольких элементов, не прибегая к предварительному их разделению.

Результаты и обсуждение

Почвы города Махачкалы характеризуются относительно слабо дифференцированным почвенным профилем, характерным для каштановых почв.

Дефицит влаги и его увеличение в северном направлении затрудняет развитие растительного покрова, усиливая минерализацию органического вещества. При этом ослабляются процессы гумусообразования с аккумуляцией карбонатов.

Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте, где они связываются алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Состав и количество удерживаемых в почве элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения.

Часть тяжелых металлов удерживается этими компонентами прочно и не только не участвует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности для живых организмов. Отрицательные экологические последствия загрязнения почв связаны с подвижными соединениями металлов.

Показатели концентрации тяжелых металлов хорошо отображает таблица 2.

Таблица 2. Содержание тяжелых элементов в почвах, мг/кг

№ Компонент мг/кг Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4 Образец 5 Образец 6 Образец 7 ПДК

1. Медь (Си2+) 9,8 5,9 9,2 2,5 0,38 4,2 3,8 50

2. Кадмий (Сё2+) 0,42 0,42 0,35 0,39 0,20 0,59 0,49 1,0

3. Никель (№2+) мг/кг 3,5 5,9 3,9 2,0 2,6 5,1 4,5 36

4. Цинк (2п2+) 153 з,з 50 4,5 8,6 73 29 60

5. Свинец (РЬ2+) 23 13 14 31 6,6 22 8,3 60

В исследуемых почвах участка № 1 - студенческий городок (42, 97823° с. ш., 47,49657° в. д.), расположенный на территории ДГУ, - анализ показал, что изучаемые элементы содержатся в следующих количествах: Си - 9,8-10 мг/кг, Сё - 0,42 мг/кг, N1 -3,5 -4,1 мг/кг, 2п-153 мг/кг, что значительно превышает ПДК; РЬ - 23 мг/кг.

Пробный участок № 2, расположенный на территории Джума - мечети (42, 969790° с. ш., 47,49183° в. д.), по содержанию изучаемых элементов отличался оптимальными значениями: Си - 5,9-6, 0 мг/кг, Сё - 0,42 мг/кг, N1 - 5,9-6,0 мг/кг, Тп -3,3 мг/кг; РЬ - 13 мг/кг.

Почва участка № 3, расположенного на территории Центральной площади им. Ленина (42,98044° с. ш., 47,50448° в. д.) также не выделялась пиковыми значениями. Содержание элементов в ней: Си -9,2-10 мг/кг, Сё - 0,35 мг/кг, N1 - 3,9-4,0 мг/кг, Хп -50 мг/кг; РЬ-14 мг/кг.

Обращают на себя внимание почвы территории парка Ленинского комсомола -участок № 4 (42,98683° с. ш., 47,49221° в. д.), анализ которых показал, что изучаемые элементы содержатся в ней пределах допустимых значений: Си - 2,5 мг/кг, Сё - 0,39 мг/кг, N1 - 2,0 мг/кг, Ъъ. - 4,5 мг/кг, за исключением РЬ - 31 мг/кг, что выше, чем во всех изучаемых точках, но не превышает ПДК.

Анализ почвы пробного участка № 5, расположенного на территории завода «Эльтав» (42,99452° с. ш., 47,45385° в. д.), показал, что изучаемые элементы в ней содержатся в низком количестве, не превышая ПДК относительно других: Си - 3,8-4,1 мг/кг, Сё - 0,20 мг/кг, N1 - 2,6-2,8 мг/кг, Тп - 8,6 мг/кг; РЬ составил - 6,6 мг/кг, что ниже, чем во всех изучаемых почвах.

Анализ почвы пробного участка № 6 возле автозаправки «Белнефть» (43,00247° с. ш., 47,456° в. д.) показал, соотношение изучаемых элементов в следующих количествах: Си - 4,2 мг/кг, Сё - 0,59 мг/кг, N1 - 5,1 мг/кг, Тп - 73-78 мг/кг, что значительно превышает ПДК; РЬ - 22 мг/кг.

Анализ почвы пробного участка № 7, расположенного в частном секторе - огород в Пятом поселке (43,00247° с. ш., 47,45664° в. д.), характеризуется следующим количественным составом: Си - 3,8, мг/кг, Сё - 0,49 мг/кг, N1 -4,5мг/кг, Ъъ. - не превышал 29 мг/кг; РЬ - 8,3мг/кг.

Сравнение исследуемых почв по содержанию тяжелых элементов по таблице ПДК (табл. 3) показало, что на участках № 1 и №6 превышена концентрация цинка. Есть основание полагать, что эти участки больше подвержены выбросам промышленных и коммунально-бытовых отходов.

Таблица 3. Предельно допустимое содержание подвижной формы тяжелых металлов в почве, мг/кг экстрагент 1 н. HCL (X. Чулджиян и др., 1988. - С. 5-24)

Элемент Содержание, мг/кг

Си 50

Cd 1,0

Ni 36

Zn 60

Pb 60

Таблица 3 отражает концентрации предельно допустимых подвижных форм тяжёлых металлов. Полученные данные позволяют построить элементный ряд накопления тяжёлых металлов. На всех исследуемых территориях содержание элементов и их соотношение было различным. В почвах не прослеживалась зависимость между соотношением компонентов и их концентрациями. Однако с уверенностью можно отметить, что почвы города Махачкалы испытывают нагрузку по содержанию цинка, в три и более раза превышающему допустимые значения (рис. 3).

Содержание тяжелых металлов в исследуемых почвах 200

150

100 п

50 L__ ______1-л

0 1 2 3 4 5 6 7 ■ Ряд1 ■ Ряд2 ■ РядЗ ■ Ряд4 ■ Ряд5

Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в исследуемых почвах

В целом по остальным компонентам в почвах исследуемых участков не выявлено превышение концентрации по отношению к ПДК. Наша дальнейшая задача - выявление территорий, наиболее загрязненных по сумме тяжелыми металлами, что представляет важную проблему, которая требует более детального и глубокого изучения. Полученные материалы могут служить основой для экологического мониторинга в связи с усилением техногенного воздействия.

Для экологической оценки и степени загрязнения почв города Махачкалы нами был проведен статистический анализ по имеющимся данным.

Исходя из имеющихся показателей, вычислены значения степени загрязнения по каждому компоненту и суммарный показатель по опытным участкам.

По степени суммарного загрязнения и сравнительной оценке пробных площадей города Махачкалы высокие показатели загрязнения тяжелыми металлами были обнаружены на участке территории Дагестанского государственного университета и на пробном участке, расположенном у автозаправки «Белнефть». На остальных исследуемых

участках суммарные показатели не превышали ПДК.

Участки по сумме загрязнителей

□ 1 0 2 ИЗ В4 135 иб 17

Рис. 4. Диаграмма участков по сумме загрязнителей

Территория студенческого городка ДГУ - участок № 1 является чрезвычайно опасной территорией по категории загрязнения почв и по сравнению с другими исследуемыми участками имеет высокое значение по сумме загрязнителей - 189,72 мг/кг. Можно сделать вывод, что данные почвы в большей степени подвержены антропогенной нагрузке.

Участок № 2 - территория Джума-мечети относится к умеренно опасной или слабо загрязнённой территории по категории загрязнения почв. Значение загрязнителей составляет 28,52 мг/кг.

Территория Центральной площади им. Ленина - участок № 3 относится опасной территории по категории загрязнения почв. Значение суммы загрязнителей в почвах этого участка составляет 77,45 мг/кг.

Участок № 4 - парк им. Ленинского комсомола по категории загрязнения почв относится к менее опасной, сумма загрязнителей - 40,39 мг/кг.

Участок № 5 - территория завода «Эльтав» относится к умеренно опасной территории по категории загрязнения почв. В сравнении с другими исследуемыми участками ее показатель по сумме загрязнителей имел наименьшее значение и составил -18,38 мг/кг. Почвы данного участка практически можно отнести к категории допустимой, так как ее показатель превышает лишь на две единицы по величине суммарный показатель норматива.

Участок № 6 - территория автозаправки «Белнефть» по категории загрязнения почв относится к опасной территории. Ее значение по сумме загрязнителей составило 104,89 мг/кг.

Участок №7- частный огород (Пятый поселок) относится к опасной территории по категории загрязнения почв. Значение этого участка по сумме загрязнителей составляет 46,09 мг/кг.

Исходя из результатов, отмечаем, что почвы исследуемых участков города Махачкалы по сумме загрязнителей не относятся к допустимой категории загрязнения почв. По диаграмме и в соответствии с таблицей 5 в почвах значительно превышается

суммарное количество тяжелых элементов, особенно в почвах участка № 1 территория ДГУ, на втором месте участок № 6 - автозаправка «Белнефть». Средние позиции заняли территория Центральной площади им. Ленина, парк Ленинского комсомола и частный огород (Пятый поселок). Наиболее чистой территорией по суммарному содержанию в почве тяжелых металлов, является территория завода «Эльтав», суммарные значения которой укладываются в рамки экологических нормативов.

Заключение

1. На всех исследуемых территориях содержание тяжелых элементов в почвах и их соотношение было различно и составило в мг/кг: медь - в пределах 0,38-9,8 (ПДК-50), кадмий - 0,20-0,59 (ПДК-1,0), никель - 2,0-5,9 (ПДК - 36), цинк - 3,3-153 (ПДК - 60), свинец - 6,6-31 (ПДК - 60).

2. Почвы города Махачкалы испытывают нагрузку по содержанию цинка, в 3 и более раза превышающему допустимые значения (150 и 73 мг/кг).

3. Исследуемые почвы участков города Махачкалы по сумме загрязнителей не относятся к допустимой категории загрязнения почв. В почвах значительно превышено суммарное количество тяжелых элементов (на первом месте - территория ДГУ, на втором месте - участок автозаправки «Белнефть»),

4. По суммарному показателю содержания ТМ наиболее благоприятной, является почва на территории завода «Эльтав», суммарные значения которой укладываются в рамки экологических нормативов.

Литература

1. Абдулагатов, И. М. Тяжёлые металлы в почвах Республики Дагестан и оценка риска для здоровья человека / И. М. Абдулагатов, М. А. Яхияев, Ш. К. Салихов, А. Ф. Караева II Гигиена и санитария. 2023. Т. 102, № 2. - С. 113-120.

2. Луганова, С. Г. Влияние ряда микроэлементов в почвах и природных водах Дагестана на здоровье населения / С. Г. Луганова, М. А. Яхияев, Ш. К. Салихов, А. У. Гамзаева II Микроэлементы в медицине. 2018. Т. 19, №3,- С. 41-48.

3. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях: монография / Ю. В. Алексеев. - Ленинград: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

4. Водяницкий, Ю. Н. Тяжелые металлы и металлоиды в загрязненных почвах: монография /Ю.Н. Водяницкий. - M.: РАСХН, 2008. - 164 с.

5. Абдурахманов, Г. М. Корреляция между развитием патологий и превышением ПДК загрязняющих веществ в окружающей среде Республики Дагестан / Г. М. Абдурахманов, Э. С. Эржапова, М. Г. Даудова II Юг России: экология, развитие. 2013. Т. 8,№3.-С. 117-125.

6. Добровольский, Г. В. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы: монография / Г. В. Добровольский, Е. Ф. Никитин. - М.: Наука, 2000. -185 с.

7. Забелина, О. Н. Оценка экологического состояния почвы городских рекреационных территорий на основании показателей биологической активности на примере г. Владимира: специальность 03.02.08 «Экология»; диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук / О. Н. Забелина - Владимир: Владимирский государственный университет. 2014. - 147 с.

8. Залибеков, 3. Г. Анализ антропогенного использования почвенных ресурсов Дагестана / 3. Г. Залибеков II Почвоведение. 1979. № 5. - С. 34-48.

9. Ладонин, Д. В. Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-

загрязненных почвах: монография / Д. В. Ладонин. - Москва: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2019. -312 с.

10. Мотузова, Г. В. Соединения микроэлементов в почвах: системная организация, экологическое значение, мониторинг / Г. В. Мотузова. - 2-е изд. -М.: ЛИБРОКОМ, 2009. - 168 с.

11. Околелова, А. А. Тяжелые металлы в почвах антропогенных ландшафтов Волгограда / А. А. Околелова, Е. В. Баева, А. С. Касьянова [и др.] // Молодой ученый. 2013.№4.-С. 159-161.

Поступила в редакцию 27 августа 2024 г.

Принята 14 сентября 2024 г.

UDC 631.423.3

DOI: 10.21779/2542-0321-2024-39-3-109-117

Assessment of the Content of Heavy Metals in Soils of Makhachkala Kh. M. Gamzatova, E. M. Sugratova

Dagestan State University, 367025, Russia, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; [email protected]

Abstract. The authors present for the first time the results of the analysis of the content of some heavy metals in the soils of the city of Makhachkala. A survey of the state of urban soils on the content of heavy metals, depending on various conditions, was carried out. A comprehensive ecological assessment of soils in the conditions of Makhachkala is given, and their comparative analysis is carried out. The concentrations of the presence of chemical elements in the studied soils have been determined, the results are subject to statistical processing with the prediction of environmental consequences. The analysis of the work carried out showed that, according to the total indicator of the content ofheavy metals, the soil on the territory of the Eltav plant is the most favorable, the total values of which fall within the framework of environmental standards.

Keywords: urban soils, anthropogenic load, heavy metals, metal research methods, maximum

permissible concentrations, environmental load.

Received 27 August, 2024 Accepted 14 September, 2024