В настоящее время загрязнение окружающей среды ксенобиотиками, в том числе тяжелыми металлами (ТМ), ведет к появлению техногенных пустынь, избыточному поступлению ТМ в пищевую цепь, к болезням и гибели живых организмов, в том числе человека.
В северо-восточном Казахстане, одном из наиболее индустриально развитых регионов страны, имеет место высокая концентрация промышленных источников поступления ТМ в окружающую среду (предприятия цветной металлургии, горнодобывающие, химические, атомные, нефтепереработки, энергетики и др.), скопилось огромное количество промышленных отходов и обширно загрязнение земель ТМ.
Наряду с антропогенным влиянием огромный вклад в загрязнение региона вносит природная составляющая. Недра Восточного Казахстана богаты полезными ископаемыми, главные из них – многокомпонентные полиметаллические руды. На территории области сосредоточено 24 % балансовых запасов Pb, 41 % Zn, 45 % Cu от общереспубликанских запасов. Балансовые запасы цветных металлов сосредоточены в 25 месторождениях [6].
Для улучшения сложившегося положения, как и на загрязненных территориях других стран мира, актуальна комплексная оценка валового содержания и подвижных форм ТМ в почвах.
Цель исследования: дать комплексную эколого-геохимическую оценку состояния почвенного покрова промышленных зон и урбанизированных территорий северо-востока Казахстана (аспект: тяжелые металлы).
Объект исследования: техногенные территории северо-востока Казахстана.
Материалы и методы исследования
Для достижения поставленной цели в 2012 г. были отобраны пробы почвы в г. Усть-Каменогорск с 69 пробных площадок, в пределах г. Павлодар – с 441, в г. Семей – с 11 площадок. Пробоотбор почв охватывал все имеющиеся типы городских зон: промышленные, жилые, рекреационные. Пробы почв отбирались с верхнего гумусового горизонта как наиболее подверженные загрязнению ТМ. Отбор и определение физико-химических свойств почв осуществлялись в соответствии с ГОСТами и общепринятыми методами [1, 2].
Из элементов группы ТМ для исследования были выбраны четыре – Cu, Zn, Cd, Pb, в связи с тем, что почвенный покров исследуемых промышленных регионов в основном тяготеет к техногенным площадкам цветной металлургии. Кроме того, для почв Усть-Каменогорского и Иртышского промышленных узлов установлена кадмиево-свинцовая геохимическая аномалия [3].
Анализ содержания ТМ в почвенных образцах проводили на базе научной биогеохимической лаборатории кафедры экологии и защиты окружающей среды Государственного университета имени Шакарима г. Семей. Были исследованы валовое содержание и подвижные формы ТМ: кислоторастворимая (экстрагент 1 н. HCl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер CH3COONH4 c pH = 4,8) и водорастворимая (бидистиллированная вода). Содержание ТМ определяли фотоколориметрическим химическим дитизоновым методом Г.Я. Ринькиса [4], основанным на измерении оптической плотности окрашенного экстракта при помощи спектрофотометра СФ-2000-01. Чувствительность метода – 0,01 мкг/мл, стандартное отклонение – ± 4,6 %. Определение проводили в трехкратной повторности.
Статистическая обработка полученных в ходе исследования данных проводилась с использованием программы MicrosoftExcel. Достоверность полученных результатов оценивали при помощи t-критерия Стьюдента.
Эколого-геохимическое состояние почв исследуемого региона охарактеризовано коэффициентом концентрации (Кс), коэффициентом опасности (Ко) и кларком концентрации (Кк). Данные коэффициенты отражают увеличение содержания химических элементов в исследуемой почве в сравнении с фоном, ПДК и кларком в земной коре соответственно.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химические свойства почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей
Согласно приведенным в табл. 1 данным, значительных отличий между почвами городов не наблюдается. Следует отметить, что в результате антропогенной деятельности свойства почв претерпели значительные изменения. Профиль почв нарушен настолько, что их свойства изменены, а отнесение изученных почв к светло- и темно-каштановым правомерно лишь по генезису.
Таблица 1
Физико-химические свойства почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар, Семей
|
Место отбора |
рН |
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г |
С орг., % |
Р2О5, мг/100 г |
К2О, мг/100 г |
Азот гидролизуемый, мг/ 100 г |
Содержание карбонатов, % |
Физическая глина, % |
Полуторные оксиды, % |
ЕКО, мг-экв./ 100 г |
|
г. Усть-Каменогорск |
5,7–8,4 |
17,0–36,8 |
1,8–2,8 |
14,4–32,2 |
35,0–68,0 |
2,5–5,0 |
0,6–2,2 |
4,4–28,6 |
2,2–5,8 |
5,8–14,4 |
|
г. Павлодар |
6,2–8,2 |
16,2–37,6 |
1,5–2,5 |
14,0–31,8 |
34,0–66,8 |
2,2–4,8 |
0,2–1,4 |
6,2–18,7 |
2,4–6,8 |
5,0–16,6 |
|
г. Семей |
7,0–8,6 |
16,0–38,0 |
2,1–4,3 |
12,7–29,7 |
33,4–67,7 |
2,0–4,3 |
0,4–2,0 |
5,0–30,3 |
2,0–6,4 |
6,4–18,5 |
Основная часть почв (78,6 %) характеризуюется слабощелочной и щелочной реакцией, значения рН среды колеблются от 7,65 до 8,36, остальная часть почвенных проб (21,4 %) имеет нейтральную и близкую к нейтральной реакцию среды, значения рН колеблются от 6,6 до 7,5. Изменение природных кислотно-щелочных свойств городских почв может иметь как положительные, так и отрицательные аспекты: с одной стороны, нейтральная и близкая к нейтральной реакции среды более благоприятны для роста и развития растений и в них контакты растений с ТМ менее опасны, а с другой – создаются условия для аккумуляции ТМ, при этом металлы задерживаются в почве и не переходят в сопредельные среды.
В городских почвах состав и степень гумификации органического вещества не соответствует природным аналогам. Большая часть почв исследуемых городов характеризуется низкой степенью содержания органического вещества (42,9 % случаев), что, однако, соответствует его уровню содержания в естественных почвах региона. На 32,1 % площадок почвы характеризуются средним уровнем содержания органики, а на 10,7 % – повышенным и 14,3 % – высоким содержанием, что связано с загрязнением верхних горизонтов почв, в основном приуроченных к автотрассам, органополлютантами от автотранспорта, частицами сажи и пыли от битумно-асфальтных смесей.
Почвы характеризуются высоким содержанием элементов питания растений (Р2О5 – 32,2 мг/100 г почвы; К2О – 68,0 мг/100 г почвы), что связано с периодическим внесением органических удобрений. Также вероятными причинами присутствия повышенных концентраций Р и К в почвах города могут быть промышленное загрязнение, жизнедеятельность домашних животных, а также миграция соединений элементов, входящих в состав строительного и бытового мусора. Выявленные в большинстве обследованных почв высокие концентрации Р и К не являются токсичными, однако способствуют нарушению баланса между макро- и микроэлементами.
Содержание гидролизуемого азота в почвах колеблется от 20,0 ± 0,25 до 50,0 ± 0,35 мг/кг почвы. На всех пробных площадях содержание нитратов больше, чем в естественной почве (6,42 ± 0,33 мг/кг). Антропогенные факторы нарушают естественные процессы биологической фиксации и миграции нитратов, повышая их количество. Предприятия теплоэнергетики и транспорт являются одним из основных источников антропогенного загрязнения городских почв легкогидролизуемым азотом.
Почвы городских газонов характеризуются более значительной емкостью поглощения (38,0 мг-экв/100 г почвы). В составе обменных катионов в них больше Ca и Mg, присутствует в большем количестве (2–3 %) обменный Na.
Таким образом, физико-химические свойства антропогенных почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей создают предпосылки для закрепления накопленных в них ТМ, поступающих на поверхность с выбросами автотранспорта и промышленных предприятий.
Валовое содержание и содержание подвижных форм ТМ в почвах городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей
Валовое (общее) содержание ТМ свидетельствует о запасе этих элементов в городских почвах, который может быть как природного, так и техногенного происхождения. Однако в силу буферной способности почвы не является информативным показателем наличия реальной опасности загрязнения и обеспечивает первичную оценку состояния городской почвы.
Валовое содержание (мг/кг) Zn в почвах г. Усть-Каменогорск варьирует в пределах от 103 до 4506; Cd – от 0,27 до 29,73; Pb – от 22,07 до 1351,77; Cu – от 20 до 727,67 (табл. 2). Средняя концентрация металлов превышает фоновый уровень от 6,9 (для Cu) до 25 раз (для Cd).
Таблица 2
Валовое содержание ТМ в почвах городов северо-востока Казахстана, мг/кг
|
Элемент |
|
Фон |
ПДК [6] |
ПДК [7] |
||
|
Усть-Каменогорск (n = 350) |
Павлодар (n = 441) |
Семей (n = 200) |
||||
|
Zn |
847,02 ± 5,2 |
156,1 ± 4,1 |
318,8 ± 9,1 |
42,4 |
300 |
– |
|
Cd |
9,01 ± 1,3 |
2,9 ± 0,08 |
3,4 ± 0,1 |
0,36 |
3 |
0,5 |
|
Pb |
369,76 ± 4,3 |
66,7 ± 1,5 |
158,7 ± 0,4 |
15,7 |
100 |
32 |
|
Cu |
124,04 ± 4,5 |
54,8 ± 1,1 |
74,6 ± 1,9 |
17,9 |
100 |
– |
Примечания: 
– среднее значение ± стандартное отклонение; n – количество проб.
Средний суммарный показатель загрязнения почв Zc всей территории города Усть-Каменогорск составляет 72,5 и характеризует опасный уровень загрязнения.
Загрязнение почвенного покрова исследуемых городов ТМ носит полиэлементный неравномерный характер, что отражает специфику разнопрофильных производств, их неодинаковую техногенную нагрузку, степень очистки выбросов и т.д. Валовое содержание приоритетных загрязнителей максимально в почвенном покрове северной и центральной (селитебной) зон города, что обусловлено нахождением там крупных промышленных предприятий, осуществляющих максимальное количество выбросов в городе («Казцинк»», Ульбинский металлургический завод, Титано-магниевый завод, ТЭЦ и др.). Наименьшие концентрации металлов отмечены в южной зоне, что объясняется отсутствием предприятий и барьерными функциями р. Иртыш. В целом для почв города Усть-Каменогорск характерна кадмиево-свинцовая геохимическая специализация: Cd 69,3 Pb 23,1 Zn10,2 Cu2,6.
Валовое содержание (мг/кг) Zn в почвах г. Павлодар варьирует в пределах от 43,2 до 547,8; Cd – от 0,36 до 9,33; Pb – от 17,9 до 199,6; Cu – от 18,4 до 150,2. Средняя концентрация металлов в почвах г. Павлодар в 1,2-22,3 раза выше их кларка в земной коре и в 2,7-6,7 раза – кларка в почве (табл. 2). В почвах города от 20 до 75 % проб, содержащих различные химические элементы, превышают ПДК. Наиболее приоритетным загрязнителем почв города является Cd. Средний суммарный показатель загрязнения почв Zc всей территории города Павлодар составляет 16,1 и характеризует умеренный уровень загрязнения.
Наибольшие концентрации Zn, Cd, Pb, Cu в почвах характерны для восточной промзоны. В данной зоне расположены алюминиевый завод и ТЭЦ, которыми выбрасывается до 90 % от общего количества загрязняющих веществ в год. В северной промзоне в почвах максимально содержание Zn. На данной территории функционируют нефтеперерабатывающий, химический, тракторный заводы и 2 ТЭЦ. Наименьшие концентрации характерны для северного пригорода, что объясняется отдаленностью промышленных предприятий. В среднем для почв г. Павлодар характерна кадмиево-свинцовая геохимическая специализация: Cd22,3 Pb4,2 Zn1,9 Cu1,2 .
Почвы г. Семей сильно загрязнены изученными элементами. Содержание Zn колеблется в пределах 63,7–966,8; Cd – 0,5–12,6; Pb – 32,6–480,5; Cu – 28,8–281,3 мг/кг. Концентрации металлов (табл. 2) превышают их фоновое содержание в аналогичных почвах: Кс Pb – 10,1; Cd – 9,4; Zn – 7,5; Cu – 4,2.
Наиболее контрастными по содержанию ТМ в почвах являются западный левобережный и северный ареалы вокруг крупных промышленных узлов; наименее – восточный, где практически отсутствуют промышленные предприятия, ТЭЦ, котельные. В большей степени техногенному воздействию подвергнуты почвы, расположенные в радиусе до 2,5–5,0 км от крупных предприятий и ТЭЦ города. В этих зонах 49 % почв характеризуется превышающим не только фоновое, но и ПДК содержанием Zn, 75 % – Pb, 18 % – Cu, 32 % – Cd. Суммарный показатель загрязнения почв Zс всей территории г. Семей – 35,3, что свидетельствует о средней степени загрязнения. Почвы города характеризуются кадмиево-свинцовой специализацией: Cd26,2 Pb9,9 Zn3,8 Cu1,6.
а
б
в
Содержание подвижных форм ТМ в почвах городов Усть-Каменогорск (а), Павлодар (б), Семей (в), мг/кг
В целом обнаружено превышение ПДК по Kloke [6] в почвах г. Усть-Каменогорск: Ко Cu – 1,2; Zn – 2,8; Cd – 3,0; Pb – 3,7 ‒ и г. Семей: Pb – 1,6; Zn и Cd – 1,1, а также казахстанских нормативов ПДК [7] валового содержания Cd от 5,8 (г. Семей) до 18 раз (г. Усть-Каменогорск) и Pb – в 2,1 (г. Семей) – 11,6 раза (г. Усть-Каменогорск).
Для оценки токсичности ТМ более правильным представляется использование сведений о содержании в почве подвижной формы ТМ, так как растительные организмы взаимодействуют лишь с мобильной частью элементов, присутствующих в почве. Доля мобильных соединений любого ТМ в разных почвах или в зоне деятельности различных предприятий при равенстве валового количества может оказаться существенно неодинаковой. В результате этого в пищевую цепь поступает разное количество избыточных ионов.
Содержание подвижных форм ТМ в почвах изученных городов представлено на рисунке.
По величине процента от валового содержания элементов в каждой из фракций для Zn и Cd независимо от типа почвы и территории городов можно построить следующий убывающий ряд: кислоторастворимая > обменная > водорастворимая. Аналогичная закономерность установлена для форм соединений Cu в почвах городов Павлодар и Семей. У Pb этот ряд выглядит иначе в почвах разных городов: обменная > водорастворимая > кислоторастворимая (г. Усть-Каменогорск); кислоторастворимая > обменная > водорастворимая (г. Павлодар) > обменная > кислоторастворимая > водорастворимая (г. Семей).
Заключение
Почвы городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей сходны по физико-химическим свойствам. В результате антропогенной деятельности свойства почв претерпели значительные изменения. Загрязнение почв городов носит полиэлементный характер и распределяется по их территории мозаично, образуя очаги в зависимости от источников выбросов. Исследуемые почвы городов характеризуются кадмиево-свинцовой геохимической специализацией, по суммарному показателю загрязнения располагаются в следующий ряд: Усть-Каменогорск (Zc = 72,5) > Семей (Zc = 35,3) > Павлодар (Zc = 16,1). ТМ в почвах г. Усть-Каменогорск превышают ПДК по Kloke в 1,2–3,7 раза, г. Семей – в 1,1–1,6 раза; казахстанские нормативы ПДК превышены в 2,1–18 раз.
Рецензенты:
Панин М.С., д.б.н., профессор кафедры химии и географии, Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения «Государственный университет имени Шакарима города Семей» Министерства образования и науки Республики Казахстан, г. Семей;
Сатаева А.Р., д.б.н., доцент, и.о. профессора кафедры физической культуры и биологии, Учреждение образования «Казахский гуманитарно-юридический инновационный университет», г. Семей.
Работа поступила в редакцию 30.06.2014.