Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Почва выполняет множество разнообразных функций в глобальной экосистеме: обеспечение устойчивости функционирования биогеоценозов; связывание поллютантов и перевод их в безопасное для живых организмов состояние; регуляция химического состава природных вод и др. В почве происходят процессы гумусообразования и биогенной аккумуляции химических элементов. Вместе с тем почва является одним из природных объектов, испытывающих наиболее сильное антропогенное воздействие.

Техногенное загрязнение биосферы особенно остро ощущается в крупных промышленных центрах, к числу которых относится Екатеринбург. Критическая экологическая ситуация в столице Урала обусловлена чрезмерным поступлением в окружающую среду экотоксикантов из различных антропогенных источников. Почва, являясь частью биосферы, тесно связана с другими ее компонентами – атмосферой и гидросферой – потоками вещества, энергии и информации. В этой связи все загрязнители так или иначе неизменно попадают в почву. Кроме того, почвы с избыточным содержанием поллютантов сами являются источником вторичного загрязнения поверхностных и подземных вод, приземного слоя воздуха.

Почвы городских ландшафтов представляют собой сложные природно-антропогенные биогеохимические системы. Например, дерново-подзолистые почвы в пределах города в результате антропогенной деятельности постепенно трансформируются в новое состояние – урбанозем, в котором зональные почвы смешаны со строительным мусором, кирпичной крошкой, стеклом и т.д. [1, с. 89]. Техногенные загрязнители, попадая в почву, накапливаются в ней, меняют химический состав и природные миграционные потоки. Из наиболее опасных поллютантов выделяют тяжелые металлы с низкими значениями кларков в земной коре (Pb, Cd, Hg и др.), образующих контрастные по сравнению с фоном геохимические аномалии и обладающие сильным негативным воздействием на живые организмы, в том числе на человека [2–4].

Машиностроительные и металлургические предприятия, теплоэнергетика, транспорт являются основными поставщиками тяжелых металлов в окружающую среду и, следовательно, источниками образования техногенных геохимических аномалий в городских почвах. Согласно [5, с. 14] многие города Свердловской области характеризуются высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами и образованием полиэлементных геохимических аномалий Cd – Cu – Pb – Zn. Очевидно, почва является достаточно емким акцептором для тяжелых металлов, которые быстро накапливаются в ней и очень медленно удаляются, что приводит к постепенной металлизации почв урбанизированных территорий [6, с. 76].

Цель данной работы заключалась в определении степени загрязнения почвенного покрова города Екатеринбурга тяжелыми металлами.

Актуальность работы обоснована необходимостью регулярного мониторинга и оценкой состояния окружающей среды в связи с ухудшающейся экологической ситуацией в Екатеринбурге.

Материалы и методы исследования

Для проведения анализа были отобраны пробы почв в разных районах города Екатеринбурга (табл. 1) в соответствии с требованиями к отбору проб по ГОСТ 17.4.3.01-83 [7].

Таблица 1

Места отбора проб почв в Екатеринбурге

Подготовка проб к определению валового содержания тяжелых металлов состояла из следующих этапов: 1) высушивание проб в сушильном шкафу при температуре не выше 40С; 2) растирание проб почв в ступке и просеивание их через сито; 3) получение кислых вытяжек в результате выдержки почвенных образцов в растворе азотной кислоты в течение суток с последующей их фильтрацией.

Значения рН измеряли потенциометрическим методом с помощью иономера РХ 150.

Валовое содержание тяжелых металлов (меди, свинца, кадмия, цинка, никеля) определяли методом инверсионной вольтамперометрии (ИВА) с использованием инверсионного вольтамперометрического анализатора по ТУ 4215-001-05828695-95 (НПВП «ИВА», г. Екатеринбург). Аналитическим сигналом при этом является ток растворения продукта предварительного электролиза с электрода (при определении меди, свинца, кадмия, цинка) или катодного восстановления комплексного соединения на электроде (при определении никеля).

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 представлены точки отбора почвенных проб в разных районах Екатеринбурга. При отборе проб авторы придерживались принципа максимально возможного охвата территории города; из рис. 1 видно, что места отбора проб находятся как вблизи промышленных предприятий, так и на некотором удалении от них.

Рис. 1. Участки отбора почвенных проб в городе Екатеринбурге  – примерное расположение некоторых промышленных предприятий

Таблица 2

Концентрации валовых форм тяжелых металлов в пробах почв Екатеринбурга

Согласно почвенно-географическому районированию [8, с. 51] почвы Екатеринбурга и его окрестностей относятся к среднеуральской южно-таежной почвенной провинции, где преобладают почвы с кислой реакцией среды. Одной из особенностей этой провинции является повышенное содержание железа по сравнению с алюминием за счет специфики почвообразующих пород. В большей степени здесь распространены дерново-подзолистые почвы; по гранулометрическому составу – среднесуглинистые. Последнее особенно актуально, поскольку аккумуляция многих тяжелых металлов происходит в результате адсорбции их соединений глинистыми и суглинистыми отложениями, а также оксидами (гидроксидами) железа в составе почв.

Найденное содержание валовых форм тяжелых металлов приведено в табл. 2.

При оценке степени загрязнения почв авторы руководствовались значениями ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) тяжелых металлов с учетом характера среды и гранулометрического состава почв [9, с. 7]. Как следует из табл. 2, исследуемые почвы имеют слабокислую среду, и, как было сказано выше, в составе почв преобладают среднесуглинистые фракции.

Результаты, представленные в табл. 2, свидетельствуют о загрязнении проб № 1–6, 8–10 и 16 тяжелыми металлами (Pb, Ni, Zn, Cu) в разной степени.

Техногенное загрязнение почв в городах тяжелыми металлами происходит главным образом за счет их непосредственного попадания при работе различных промышленных предприятий и автотранспорта. Однако возможно поступление экотоксикантов из атмосферного воздуха (оседание продуктов сгорания топлива) или из загрязненных грунтовых вод. В крупных промышленных центрах атмотехногенный путь загрязнения почв доминирует, что подтверждается зависимостью содержания тяжелых металлов в почве от их концентрации в атмосферном воздухе [10, с. 204].

Почвы характеризуются большим разнообразием веществ минеральной и органической природы, которые связывают металлы, попадающие в почвенный покров, в новые прочные, чаще всего труднорастворимые, соединения (соли, гидроксиды, комплексы). Кроме того, фиксация тяжелых металлов в почве возможна и за счет процессов комплексообразования с гумусовыми кислотами, адсорбции глинистыми минералами, оксидами и гидроксидами железа, алюминия, марганца и т.д.

К основным источникам поступления свинца в почвы городских ландшафтов относятся предприятия металлургии, автотранспорт, отработанные аккумуляторы и т.д. Загрязнение почв свинцом может охватывать значительные по площади территории: даже на значительном расстоянии от источника загрязнения содержание растворимых форм свинца в почве может значительно превышать его допустимые нормы. Для свинца характерно закрепление в почве в результате образования солей гуминовых кислот – гуматов и адсорбции алюмосиликатами [11, c. 235]. Из рис. 2 видно, что наибольший вклад в загрязнение почв с участков № 3–5, 9 вносят находящиеся неподалеку от мест отбора проб промышленные предприятия (Уральский турбинный, Верх-Исетский металлургический, дизель-моторный заводы, теплоэлектростанция и др.).

Как следует из табл. 2, большая часть проб (№ 1–6, 9, 10, 16) загрязнена никелем, к источникам поступления которого можно отнести сжигание органического топлива, осадки сточных вод и выбросы металлообрабатывающих и металлургических предприятий. В почвах никель связывается с органическими соединениями, оксидами и гидроксидами железа и марганца в составе ультраосновных горных пород, содержащих тяжелые глины и суглинки [12, с. 76]. Участки отбора проб, загрязненных никелем, располагаются либо вблизи оживленных транспортных развязок (№ 2), либо рядом с промышленными предприятиями (№ 1, 3–6, 9, 10, 16) (рис. 2).

Антропогенное загрязнение почв цинком связано с использованием цинковых удобрений, работой горнодобывающих и металлургических заводов. Цинк в отличие от свинца аккумулируется в верхнем почвенном профиле в виде органоминеральных комплексов. Цинк наряду с кадмием и медью довольно активно адсорбируется глинистыми минералами и оксидами железа, переходя в неподвижное состояние. По загрязнению исследуемых почв цинк уступает никелю: превышение допустимого содержания цинка обнаружено в шести пробах – № 4–6, 9, 10, 16.

К основным источникам загрязнения почв медью можно отнести металлургические предприятия. Накопление меди в верхних слоях почвы происходит также в процессе сжигания топлива, в результате истирания шин и тормозных колодок автомобилей. В нейтральных и слабокислых почвах медь присутствует главным образом в неподвижной форме в виде комплексных соединений с гуминовыми кислотами и в адсорбированном состоянии на поверхности оксидов марганца и железа. Как следует из табл. 2, повышенное содержание меди выявлено в пробах почв № 3, 9, 16.

Поступление кадмия в почву происходит при сжигании топлива, в процессе работы автотранспорта и предприятий металлургической и горнодобывающей промышленности и др. Пополняют запасы кадмия в почвах урбанизированных территорий и отработанные никелево-кадмиевые батареи. Кадмий в почвах может аккумулироваться как в виде малоустойчивых органических комплексов, так и виде труднорастворимых солей: сульфидов, фосфатов и др. В исследуемых почвенных пробах содержание кадмия не превышает его ОДК.

Таким образом, определяемые тяжелые металлы по их вкладу в техногенное загрязнение исследуемых почв можно расположить в ряд Ni > Zn > Pb > Cu > Cd, что хорошо согласуется с данными проведенных авторами ранее исследований [13, с. 178].

Для оценки степени техногенного загрязнения почв необходимо воспользоваться интегральным показателем загрязнения [14, с. 63]:

, (1)

где KCi – коэффициент концентрации i-го металла; n – число определяемых металлов;

KCi = Ci / Сфi , (2)

где Ci – фактическое содержание металла в почве; Сфi – фоновое содержание металла.

С учетом коэффициентов токсичности тяжелых металлов [12, с. 9] расчетная формула интегрального показателя загрязнения приобретает следующий вид:

(3)

где KTi – коэффициент токсичности i-го металла.

Фоновые концентрации тяжелых металлов в почвах регионов [5, с. 140], используемые для сравнения различных геохимических систем и оценки техногенной трансформации ландшафтов, зачастую существенно отличаются от условных кларков этих элементов в земной коре [3, с. 2] (табл. 3).

Таблица 3

Условные кларки тяжелых металлов, их фоновые концентрации и коэффициенты токсичности

Таблица 4

Уровни загрязнения участков отбора почв

По величине Zc можно выделить следующие градации загрязнения почв:

− Zc > 128 – чрезвычайно опасная экологическая ситуация при максимальном уровне загрязнения;

− 64 < Zc < 128 – очень высокий уровень загрязнения (очень опасная экологическая ситуация);

− 32 < Zc < 64 – высокий уровень загрязнения (экологическая ситуация опасная);

− 16 < Zc < 32 – средний уровень загрязнения, умеренно опасная экологическая ситуация;

− Zc < 16 – низкий уровень загрязнения, неопасная экологическая ситуация [5, с. 17].

Результаты, представленные в табл. 4, свидетельствуют о высоком уровне загрязнения почв № 3, 4, 5, 9. Среди загрязнителей доминирует кадмий, несмотря на то, что его содержание не превышает значения ОДК (табл. 2). Возможно это связано со сложностями определения региональных фоновых концентраций тяжелых металлов.

Как видно из рис. 2, загрязнение ниже среднего уровня отмечается только для четырех участков отбора проб: № 7, 11, 12, 14. Однако с учетом коэффициентов токсичности металлов значения суммарного показателя загрязнения резко возрастают, и низкий уровень загрязнения при этом свойствен лишь одной пробе почвы – № 11.

Рис. 2. Значения интегральных показателей загрязнения почв на участках отбора проб

Выявлено, что исследуемые почвы, отобранные в разных районах города Екатеринбурга, характеризуются слабокислой реакцией среды, что свидетельствует о существовании тяжелых металлов в основном в неподвижной форме в виде органоминеральных комплексов с гуминовыми кислотами. Загрязнение почв имеет атмотехногенный характер и определяется близостью расположения источников загрязнения. Установлено, что в почвах Екатеринбурга формируются техногенные геохимические аномалии состава Cd3-20 Pb3-18 Zn2-9 Ni1-9 Cu1-7. Наибольшим загрязнением характеризуются почвы (№ 3, 4, 5, 9), расположенные неподалеку от металлургических комбинатов; рассчитанный для этих почв интегральный показатель загрязнения соответствует высокому уровню загрязнения.

Таким образом, очевидно, что в результате техногенного воздействия уровень металлизации почв в Екатеринбурге достаточно высок.

Как видно из рис. 2, загрязнение ниже среднего уровня отмечается только для четырех участков отбора проб: № 7, 11, 12, 14. Однако с учетом коэффициентов токсичности металлов значения суммарного показателя загрязнения резко возрастают, и низкий уровень загрязнения при этом свойствен лишь одной пробе почвы – № 11.

Заключение

Выявлено, что исследуемые почвы, отобранные в разных районах города Екатеринбурга, характеризуются слабокислой реакцией среды, что свидетельствует о существовании тяжелых металлов в основном в неподвижной форме в виде органоминеральных комплексов с гуминовыми кислотами. Загрязнение почв имеет атмотехногенный характер и определяется близостью расположения источников загрязнения. Установлено, что в почвах Екатеринбурга формируются техногенные геохимические ассоциации состава Cd3-20 Pb3-18 Zn2-9 Ni1-9 Cu1-7. Наибольшим загрязнением характеризуются почвы (№ 3, 4, 5, 9), расположенные неподалеку от металлургических комбинатов; рассчитанный для этих почв интегральный показатель загрязнения соответствует высокому уровню загрязнения.

Таким образом, очевидно, что в результате техногенного воздействия уровень металлизации почв в Екатеринбурге достаточно высок.