Почва, являясь основным накопителем химических веществ техногенной природы и фактором передачи инфекционных и паразитарных заболеваний, может оказывать неблагоприятное влияние на среду обитания и здоровье человека [1].
В г. Магнитогорске и прилегающих к нему районах почва подвергается интенсивному антропогенному воздействию. Основными факторами, вызывающими ее загрязнение, являются промышленные, бытовые и сельскохозяйственные отходы.
Челябинская область занимает лидирующие позиции в РФ по объемам образующихся и накопленных отходов. По данным государственной статистической отчетности, на начало 2010 года на территории Челябинской области накоплено свыше 4,76 млрд т отходов. В среднем ежегодно на территории области образуется около 90 млн т промышленных отходов, из них 46,9 % используются или обезвреживаются собственными силами предприятий или передаются для этих целей в другие организации.
По количеству образования отходов всех классов опасности г. Магнитогорск лидирует среди областных городов (28,805 млн т); в других городах области этот показатель значительно ниже: Сатка - 20,183 млн ; Коркино - 13,438 млн т; Челябинск - 10,345 млн т. Большую часть образующихся и накопленных отходов составляют отходы черной металлургии в виде шлаков и шламов.
По состоянию на 01.01.2010 года на территории Челябинской области находится 193 объекта размещения отходов производства (включая недействующие), в том числе:
- накопители, шламонакопители (отстойники), шламохранилища - 26 объектов;
- отвалы, золоотвалы, шлакоотвалы, терриконы - 92 объекта;
- полигоны и свалки - 14 объектов;
- навозо- и пометохранилища - 31 объект;
- хвостохранилища - 12 объектов;
- прочие - 18 объектов.
В г. Магнитогорске площадь земель, занятых промышленными отходами, составляет 22 %. На востоке города расположены шламохранилище, отвалы месторождения Малый Куйбас, отвалы Гранитного карьера и Лисьегорский известняковый карьер; на юге - отстойники правобережных очистных сооружений. В черте города расположено 8 крупных карьеров по добыче рудных, общераспространенных и нерудных полезных ископаемых. Карьер горы Магнитной, находящийся в черте города, занимает площадь 1566 га, состоит из 3-х карьеров, самый крупный из которых - Западный, используется в качестве полигона промышленных отходов металлургического комбината, а также других промышленных предприятий. Под шламохранилищами, шлако- и золоотвалами занято 1,9 тыс. га в них накоплено около 162 млн м3 шлаков и шламов, что является источниками вторичного загрязнения атмосферного воздуха и загрязнения почв [2].
В нашей стране сталеплавильные шлаки текущего производства и отвальные перерабатываются по близким схемам. Первичная переработка шлака состоит из операций транспортировки шлака в ковшах от сталеплавильных агрегатов; их кантовки (слива шлака); заливки водой из гидромониторов; отбора электромагнитом скрапа; отгрузки потребителям нефракционированного щебня и отправки шлака на дальнейшую переработку. Вторичная переработка, осуществляемая на специальных установках, предусматривает механическое дробление и измельчение шлака, магнитную сепарацию.
После переработки выделяются магнитные и немагнитные продукты. Недостатками такого способа переработки являются выделения парогазовых сульфидных выбросов при охлаждении твердого и жидкого шлака, а также большие материальные затраты на дробление.
Цель нашей работы оценить влияние техногенного загрязнения, провести биоиндикацию и проанализировать результаты биотестирования объектов размещения отходов, в результате эксплуатации шлакоперерабатывающей установки (АМКОМ-2) для обеспечения экологической безопасности экосистем промышленных зон, связанных с деятельностью металлургических предприятий.
Материалы и методы исследования
Нами в работе был рассмотрен шлаковый отвал III очереди, который был сформирован в период с 30-х до 60-х годов 20-го столетия из отходов металлургического производства. В качестве разновидностей выделены мартеновские шлаки, колошниковая пыль и строительный мусор.
В настоящее время шлаковый отвал представляет собой поверхность, сложенную четырьмя террасами (отметки самой высокой - 413-415 м; низкой террасы - 385 м.)
Площадь нарушенных земель на момент его разработки составляет 58,0 га. На сегодняшний день на этой территории расположены установки механической переработки шлаков АМКОМ-2 и АМКОМ-3.
Токсикологический контроль проводился в аккредитованной лаборатории методом определения показателей смертности и плодовитости ракообразных Daphnia magna [3]. Для этого использовались односуточные экземпляры лабораторной культуры Daphnia, которых подсаживали в тестируемую воду (по 10 штук на 100 см3). После экспозиции 96 часовой продолжительности подсчитывалось количество умерших в пробе Daphnia и производилась оценка острого и хронического токсического действия исследуемых образцов.
Лабораторные эксперименты были проведены в аккредитованной биологической лаборатории Государственного бюджетного учреждения Управления государственного аналитического контроля Республики Башкортостан.
Отбор проб почвы проводился в соответствии с требованиями, указанными в ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, ГОСТ 28168-89. Размер пробной площадки составлял 10 на 10 м. Нами для эксперимента были отобраны пробы на расстоянии 200; 500; 1000; 1500 и 2000 м от установки АМКОМ-2, на которой осуществляется вторичная переработка шлака. Также были отобраны образцы почвы для приготовления водной вытяжки из нее на расстоянии 200, 500, 1500 м от установки АМКОМ-2 и в городской черте (5 км). Причем образцы отбирали с учетом преобладающего направления ветра и в различных слоях по глубине почвы (0-10 и 30-40 см).
Почва отбиралась методом «конверта», образцы почвы ссыпались на полиэтиленовую плёнку и тщательно перемешивались, квартовались 3 раза (измельчённая почва разравнивалась в виде квадрата, делилась на четыре части, две противоположные части отбрасывались, две оставшиеся перемешивались). После квартования почва разравнивалась, условно делилась на шесть квадратов, из центра которых отобрали примерно одинаковое количество почвы в полотняный мешочек, массой около 1 кг.
Отбор проб снега проводился в соответствии с требованиями, указанными в ГОСТ 17.1.5.05-85. Были отобраны пробы снега на расстоянии 200; 500; 1000; 1500 и 2000 м от установки АМКОМ-2 по преобладающему направлению ветра.
Результаты исследования и их обсуждение
Метод биотестирования наряду с физико-химическими методами применяется при установлении нормативов допустимых воздействий хозяйственной и иной деятельности и осуществлении государственного экологического мониторинга в районах расположения источников антропогенного воздействия.
Биоиндикационная характеристика зоны влияния объектов размещения отходов изучали по пробам снегового покрова.
Опыт по острой токсичности (выражается в гибели организма за короткий промежуток времени - 96 ч), показал 100 % гибель дафний на расстоянии 200; 500 и 2000 м от установки АМКОМ-2 по сравнению с контрольными образцами.
Поэтому были проведены эксперименты с разбавлением исходного материала (снега). Разбавление проводилось на 50, 20 и 10 % от опытного образца. Результаты описанных выше экспериментальных исследований приведены в табл. 1.
Таблица 1
Определение острого токсического действия за 96 часов инкубации талой воды
|
Расстояние от |
Концентрация |
рН |
[О2], мг/дм3 |
Гибель тест-объекта |
|
200 м |
100 % |
9,86 |
8,5 |
100 % |
|
50 % |
8,74 |
8,3 |
100 % |
|
|
25 % |
8,55 |
8,3 |
100 % |
|
|
10 % |
8,51 |
8,5 |
0 % |
|
|
500 м |
100 % |
9,98 |
8,2 |
100 % |
|
50 % |
9,05 |
8,3 |
100 % |
|
|
25 % |
8,72 |
8,3 |
100 % |
|
|
10 % |
8,61 |
8,2 |
0 % |
|
|
1000 м |
100 % |
10,78 |
7,7 |
40 % |
|
50 % |
9,36 |
8,2 |
10 % |
|
|
25 % |
8,93 |
8,2 |
0 % |
|
|
10 % |
8,82 |
8,6 |
0 % |
|
|
1500 м |
100 % |
9,81 |
7,9 |
15 % |
|
50 % |
8,83 |
8,1 |
0 % |
|
|
25 % |
8,59 |
8,2 |
0 % |
|
|
10 % |
8,50 |
8,3 |
0 % |
|
|
2000 м |
100 % |
10,91 |
8,0 |
100 % |
|
50 % |
9,22 |
8,3 |
100 % |
|
|
25 % |
8,94 |
8,3 |
100 % |
|
|
10 % |
8,81 |
8,3 |
0 % |
Биотестирование проб растаявшего снега выполнено в соответствии с методикой определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний [3].
Условия проведения эксперимента: температура в климатостате 22 °С, в помещении 22 °С, освещенность 800 лк.
Результаты биотестирования свидетельствуют о сильном загрязнении снегового покрова токсическими веществами.
Пробы, отобранные на расстоянии 200, 500 и 2000 м от установки АМКОМ-2, оказывают острое токсическое действие на тест-объект при 100, 50 и 25 %-й концентрации, что свидетельствует о высоком уровне загрязнения. Пробы, отобранные на расстоянии 1000 и 1500 м от установки АМКОМ-2, не оказывают острого токсического действия на дафний. При этом следует отметить, что культивирование дафний на талой воде пробы, отобранной на расстоянии 1000 м от установки АМКОМ-2 даже за короткий период (96 час), свидетельствует о хроническом токсическом действии - гибель дафний составляет 40 %.
Для подтверждения результатов проведенных исследований талой воды территории шлакоустановки в летний период нами были отобраны образцы почвы для приготовления водной вытяжки из неё.
Водную вытяжку из почвы готовили в соотношении 1 часть почвы и 4 части культивационной воды для дафний. Экстрацию проводили в течение 2 часов, затем водная вытяжка отстаивалась и отфильтровывалась.
Исследование водной вытяжки всех проб на низшие ракообразные показало, что острого токсического действия (96 часов инкубирования) на тест-объекты не наблюдается. Поэтому решили продолжить эксперимент и исследовать водную вытяжку из почв на хроническое действие, результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Определение хронического токсического действия водной вытяжки из почв
|
Номер пробы |
Расстояние от АМКОМ-2 |
Слой почвы |
рН |
Гибель |
Период гибели тест-объекта |
|
1 |
200 м |
0-10 см |
8,6 |
40 % |
10 сутки |
|
2 |
30-40 см |
8,9 |
50 % |
6 сутки |
|
|
3 |
500 м |
0-10 см |
8,6 |
0 % |
14 сутки |
|
4 |
30-40 см |
8,3 |
30 % |
8 сутки |
|
|
5 |
1500 м |
0-10 см |
8,1 |
0 % |
14 сутки |
|
6 |
30-40 см |
8,1 |
25 % |
7 сутки |
|
|
7 |
5000 м |
0-10 см |
8,0 |
0 % |
14 сутки |
|
8 |
30-40 см |
8,0 |
0 % |
14 сутки |
Хроническое токсическое действие водной вытяжки из почв отслеживалось по изменению гибели особей на протяжении 14 суток. Зафиксирована гибель тест-объекта пробы №1 на 10 сутки (40 %); пробы №2 на 6 сутки (50 %); пробы №3 на 8 сутки (30 %) и пробы №6 на 7 сутки (25 %).
Не наблюдалась гибель тест-объекта, выращиваемого на водной вытяжке из проб №3; №5; №7 и №8.
В результате проделанных экспериментов выявлены закономерности миграции токсических веществ в почве. Например, пробы №1 и №2, отобранные непосредственно у установки, показывают, что поверхностный слой менее токсичен, чем глубинный. Такие же закономерности и на других расстояниях - пробы №3 и №5 не оказывают хронического действия, а пробы №4 и №6, отобранные на глубине 30-40 см, оказывают хроническое действие на тест-объекты.
Таким образом, в результате экспериментов по биоиндикации установлено влияние территорий районов механической переработки металлургических шлаков, как источника загрязнения окружающей среды.
Выводы
Результаты биотестирования снегового покрова, отобранного в непосредственной близости от установки АМКОМ-2 (200 и 500 м), свидетельствуют наличие токсических веществ, оказывается острое токсическое действие на тест-объект.
При проведении биотестирования водной вытяжки из почвы установлена миграция токсических веществ в почве, поверхностный слой менее токсичен, чем глубинный.
Рецензенты:
Суюндуков Я.Т., д.б.н., профессор, директор ГАНУ «Институт региональных исследований», г. Сибай;
Черчинцев В.Д., д.т.н., зав. кафедрой промышленной экологии и БЖД ФГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск.
Работа поступила в редакцию 26.09.2011.