Известно [1, 2], что почвенный покров является одной из главных системных сред, которая обладает функцией массового депонирования загрязняющих веществ. По уровню содержания в почвах экотоксикантов судят о степени антропогенного воздействия как при их непосредственном контакте с почвенным покровом, так и при оседании газо-пылевых частиц на его поверхности из атмосферного воздуха. При этом с точки зрения экологического мониторинга при экспертизе экологического состояния антропогенно преобразованных территорий урбаноземам отдается приоритет, поскольку, с одной стороны, их почвенно-поглощающий комплекс вне зависимости от гранулометрического состава дневных горизонтов и содержания в них органического вещества обладает потенциальной поглощающей способностью, что является критерием степени аккумуляции загрязнителей, а с другой стороны, кумулятивный эффект городских почв в отношении экотоксикантов сильно пролонгирован во времени, что служит индикатором наличия хронического загрязнения местности.

В части наличия длительного поступления поллютантов в почвенный покров среди крупных городов территория Нижнего Новгорода не является исключением [3–5]. Причиной тому является высокоразвитая машиностроительная, нефтехимическая, химическая и иная промышленность, теплоэнергетический сектор и автотранспортные сети, деятельность которых неизбежно сопровождается газо-пылевыми выбросами, сточными водами (в том числе от городских ливневых канализаций) и образованием твердых отходов.

Согласно принципам экологического нормирования загрязняющих веществ в почвах [6] определение уровня концентраций их наиболее подвижных соединений относится к особо значимым показателям. В условиях промывного и периодически промывного водного режима территории за счет достаточно высокой скорости миграции водорастворимых форм экотоксикантов в нижележащие горизонты почвенного тела и в грунтовые воды, а также за счет их значительной аккумуляции в фитомассе городских зеленых насаждений массоперенос и оборот веществ-загрязнителей в сопредельных средах системы «экотоп – биотоп» имеет высокую интенсивность.

Как указывается в современных исследованиях [7–10], в рамках регионального экологического мониторинга экспертиза (рекогносцировочная оценка) почвенного покрова на наличие потенциального накопления легко подвижных форм загрязняющих веществ практически не проводится, вследствие чего данный вопрос имеет высокую актуальность и востребованность для последующего выявления очагов вертикальной миграции экотокискантов и наибольшего их хронического депонирования, в том числе в виде нерастворимых матриц.

Цель исследования: выявление территориальных различий в уровне содержания наиболее подвижных соединений приоритетных загрязняющих веществ в урбаноземах Нижнего Новгорода с последующим анализом интегральной токсичности почвенного покрова.

Материалы и методы исследования

Экспертная оценка проводилась в отношении почв 7 районов города: Нижегородский (ПКиО им. Кулибина), Советский (Сквер 65-летия Победы), Приокский (ПКиО «Швейцария»), Сормовский (ПКиО «Сормовский парк»), Канавинский (ПКиО им. 1 Мая), Ленинский (ПКиО «Дубки») и Автозаводский (ПКиО «Автозаводский»).

В качестве оцениваемых территорий были выбраны указанные выше парковые зоны, максимально приближенные к промышленным предприятиям и автомагистралям города. Почвенный покров представлен урбаноземами различной степени и глубины техногенеза, среди чего доминирует физическое преобразование с признаками как химического загрязнения, так и наличия почвоподобных новообразований (реплантоземов) [11].

Для выявления наибольшей подвижности загрязняющих веществ пробы почв отбирались в период максимального количества весенних осадков (первая половина апреля 2019 г.), потенциально влияющих на растворимость веществ в верхних горизонтах почв. Отбор почв проводился с четырех пробных площадок (10×10 м), заложенных равномерно по территории каждого парка, методом конверта (5 точечных проб → 1 объединенная проба) равномерно с глубины 0–15 см. Территориальное расположение парков в городе и мест отбора показано на рис. 1.

Почвенные образцы доставляли в эколого-аналитическую лабораторию мониторинга и защиты окружающей среды Мининского университета и анализировали путем определения концентраций легко подвижных соединений тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb и Cu) в виде экстрагирования их соединений водной вытяжкой. Также в образцах определяли содержание суммарного количества нефтепродуктов и интегральную токсичность.

Содержание тяжелых металлов в почвах определяли на полярографе TA-Lab инверсионно-вольтамперометрическим методом, содержание нефтепродуктов – на анализаторе ФЛЮОРАТ 02-4М люминесцентным методом, интегральную токсичность – при помощи генно-инженерной бактерии Escherichia coli M-17 на анализаторе токсичности БИОТОКС 10-М биолюминесцентным методом биотестирования [12]. Математическую обработку результатов исследований выполняли методом вариационного анализа в программном обеспечении Microsoft Office Excel 2007.

Результаты исследования и их обсуждение

Данные табл. 1 отражают содержание водорастворимых соединений цинка в почвах Нижнего Новгорода. Выявлено, что относительно уровня предельно допустимой концентрации (23,0 мг/кг) уровень подвижности цинка в городских почвах был достаточно мал, а абсолютные значения содержания водорастворимых фракций элемента варьировали от 0,2 % до 2,8 % от ПДК.

Так, если в отношении свинца коэффициент вариации был сдержанным и свое максимальное значение принимал единожды в почвенном покрове территории ПКиО им. 1 Мая (до 80 %), то в отношении накопления меди уровень варьирования показателя по территории оказался высоким и достигал 83–101 % (Нижегородский, Приокский, Канавинский и Ленинский районы). Очевидно, что соединения свинца медленнее, чем соединения меди, переходят в водорастворимую форму и по большей части представлены кислоторастворимыми формами, на которые установлены санитарно-экологические нормы федерального уровня.

Таблица 4

Уровень территориальных различий в концентрациях водорастворимых соединений меди (Cu) в урбаноземах Нижнего Новгорода

Относительно санитарно-экологических норм (6,0 мг/кг по Pb; 3,0 мг/кг по Cu) накопление в урбаноземах города водорастворимых фракций свинца составляло от 3,1 % (Сквер 65-летия Победы) до 8,1 % (ПКиО «Сормовский парк»), а накопление водорастворимых фракций меди – от 0,03 % (ПКиО «Автозаводский») до 0,20 % (Сквер 65-летия Победы и ПКиО «Швейцария»).

В целом нужно отметить, что из всех изученных приоритетных экотоксикантов городских почв содержание легко подвижных форм меди оказалось на самом минимальном уровне, что может быть связано с относительно низким содержанием пула медьсодержащих матриц в исходном почвенном покрове.

Наибольшее суммарное содержание нефтепродуктов в городских почвах, представленное на рис. 2, достигало 19,13 мг/кг на территории ПКиО «Дубки» (Ленинский район) и 15,81 мг/кг на территории ПКиО «Швейцария» (Приокский район).

Средний уровень концентрации нефтепродуктов в урбаноземах (9,52 и 8,45 мг/кг) был установлен соответственно на территории ПКиО им. Кулибина и ПКиО «Автозаводский». Минимальное содержание нефтепродуктов было выявлено в почвах ПКиО «Сормовский» (1,69 мг/кг), ПКиО им. 1 Мая (2,80 мг/кг) и Сквера 65-летия Победы (4,36 мг/кг).

Относительно интегральной токсичности почв города (рис. 2) прежде всего необходимо указать на наличие тенденции ее зависимости от содержания нефтепродуктов в почвах. Кроме того, почвы ПКиО «Дубки» проявляли острую токсичность (3 группа токсичности), почвы ПКиО «Швейцария», ПКиО им. 1 Мая и ПКиО «Автозаводский» – среднюю токсичность (2 группа), а почвы ПКиО им. Кулибина, Сквера 65-летия Победы и ПКиО «Сормовский парк» – допустимую токсичность (1 группа).

Если рассматривать влияние накопления в почвенном покрове водорастворимых фракций тяжелых металлов на проявление им токсических свойств, то на территории ПКиО «Швейцария» и ПКиО «Дубки» имеется вероятность такого влияния от повышенного содержания цинка и кадмия, а на территории ПКиО им. Кулибина – от повышенного содержания цинка и свинца.

Заключение

Экспертиза территориальных различий в уровне концентраций легко подвижных форм приоритетных экотоксикантов, проведенная в черте Нижнего Новгорода, показала наличие относительно высокого содержания водорастворимых соединений кадмия – преимущественно в нагорной части города, и свинца – преимущественно в его заречной части.

Наибольшее суммарное содержание нефтепродуктов в городских почвах отслеживалось в ПКиО «Швейцария», расположенного вдоль одной из крупных автотрасс (пр. Гагарина), а также в ПКиО «Дубки», расположенного в промышленном центре и также испытывающего техногенный пресс в виде газо-пылевых выбросов от автотранспорта.

Интегральная токсичность урбаноземов, определенная по отношению к биотесту Escherichia coli M-17, в целом имеет удовлетворительный характер, сильно варьирует по территории города и имеет тенденцию зависимости от количества накопленных нефтепродуктов, а также от содержания металлов 1 класса токсичности – Zn, Cd и Pb.

Для проведения репрезентативной экологической оценки токсичности урбаноземов Нижнего Новгорода необходимо единовременно отслеживать степень накопления в них подвижных (кислоторастворимых) и валовых форм тяжелых металлов, а также нефтепродуктов, хлоридов, сульфатов, сероводорода и показателей кислотно-основного состояния. Такой набор показателей позволит не только выявить очаги загрязнения почвенного покрова, но и определить функциональную зависимость интегральной токсичности от конкретных загрязняющих веществ в определенных почвенных разностях.