Гигиеническая оценка почв г.Казани Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ГИГИЕНА

УДК 614. 76/. 776 (470. 41)

ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ Г. КАЗАНИ

И.В.Степанова, Р.Я.Хамитова

Кафедра гигиены, медицины труда с курсом медэкологии (зав. - акад. РАМИ, проф. И.Х.Амиров) Казанского государственного медицинского университета

На территории Казани размещены сотни предприятий машиностроительной, химической, энергетической и других отраслей промышленности и действует интенсивное автотранспортное движение, что предполагает загрязненность городских почв тяжелыми металлами (ТМ).

Цель данного исследования: гигиеническая оценка загрязненности почв Казани тяжелыми металлами (№, РЬ, Мп, гп, Со, С^ Си, Сг) - основными загрязнителями городской среды в соответствии с новыми методическими указаниями Госсанэпиднадзора Российской Федерации.

Отбор и подготовка проб почв из пяти зон г. Казани, различающихся по качественным и количественным показателям техногенной нагрузки, проводились в 49 точках на восемь металлов осенью 2001 г. I зона (поселок Дербышки) является относительно новым промышленным районом, II (Сибирский тракт) - крупная автомагистраль города, III («Теплоконт-роль») и V (Кировский район) - давно существующие промышленные районы, различающиеся профилем хозяйственной деятельности. IV зона (Горки) во всех эко-лого-гигиенических исследованиях служит контролем и определяется как наиболее благополучная.

Как известно, химический состав почв во многом зависит от величины ее кислотности (рН). Анализ кислотности почв на территории города показал, что почвы выделенных пяти зон относятся к слабо щелочным: рН колеблется в диапазоне 7,7-7,8. Предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в почве, перечень которых приведен в методических указаниях, является основным критерием при гигиенической оценке загрязнения почв. В России валовое содержание в почвах из изученных нами ТМ регламентируется только для РЬ, Со и Мп, у которых ПДК соответственно равняются 32 мг/кг, 5 мг/кг и 1500 мг/г.

Превышение ПДК РЬ в 3,3 раза определялось только в образцах почв из III зоны, а Со - в трех зонах (II, III, IV). В двух других зонах содержание Со (с учетом аммонийно-натриевого буфера для

дерново-подзолистой почвы с рН 4,7) было практически на уровне ПДК.

В случае отсутствия регламентов на те или иные вещества в почве, в том числе на ТМ, используют коэффициент концентрации химического вещества, который определяется отношением фактического содержания вещества в почве к региональному фоновому (в мкг/кг). Считают, что за фоновое содержание могут быть приняты кларковые значения элементов (их природное содержание) либо уровни металлов в природных средах на удалении более 50 км от урбанизированных территорий в относительно экологически чистых районах с учетом регионального преобладания типов почв. Сравнение кларка изученных ТМ с результатами нашего анализа валового содержания в почвах г. Казани в 2001 г. показывает, что если по максимальным значениям выборки только N1 и Сг присутствуют на уровне ниже природного, то по величине медианы превышения отсутствуют также по Мп, Со, Сd и Си (табл. 1).

В качестве фоновых значений использовали (а) среднеарифметические значения концентраций ТМ в почвах Прикам-ского и Камского лесничеств, (б) величину, расчитанную из всей выборки данного исследования городских почв, так называемый доверительный интервал, в пределах которого располагается 95% всех наблюдаемых частот распределения признака, отсекая таким образом крайние, экстремальные значения, и (в) нижнюю квартиль - 25% выборки с минимальными значениями параметра.

При сравнении усредненных значений металлов по городу с фоновыми значениями почв на территориях лесничеств превышения в той или иной степени выявлены по всем металлам, тогда как во втором (б) и третьем (в) вариантах ситуация была несколько иной. Графики наглядно демонстрируют, что независимо от того, что принимается за фон, статистически значимо не отличаются от фоновых только усредненные значения Со и С^ Наибольшие различия регистрируются по гп и РЬ (рис.1). В то же время

Таблица 1

Валовое содержание отдельных металлов (мг/кг) в исследованных образцах почвы г. Казани (2001 г.)

Металлы Предельные значения выборки Медиана (п=49)

№ 0,1- 29,0 15,4

РЬ 7,1 - 106,3 20,6

Мп 129,3 - 1112,0 405,3

Zn 9,7 - 228,0 54,1

Со 2,3 - 10,8 6,3

Cd 0,03- 1,3 0,5

Си 4,6 - 100,8 12,8

Сг 0,1 - 22,8 8,9

обнаружены существенные различия в концентрации металлов в почвах не только между зонами, но и между точками отбора проб внутри любой зоны. Наибольшие колебания содержания ТМ в почвах отмечаются в III, IV и V зонах - соответственно до 324, 22,6 и 43,3 раза. Высшие коэффициенты соотношения минимальных значений к максимальным определялись по N1 (324), Са (43,3), Сг (24,4), Си (21,0) и гП (16,7). Для РЬ, Мп и Со данное соотношение не превышало соответственно 8,0, 4,1 и 3,5, что указывает на более равномерное распределение их по территории города, особенно Со.

Анализ валового содержания отдельных металлов в почвах различных зон показал (рис. 2), что наибольший удельный вес среди всех металлов составляет Мп (73— 85%), далее следует гп - его доля от всех Ме составляет от 12% (I зона) до 15% (III зона). Вклад в общее содержание валовых форм остальных металлов в почвах зон варьирует незначительно: Си - от 1 до 3%, РЬ - от 3 до 5% и N1 - от 2 до 3%. Удельный вес Сг во II и IV зонах составляет 1-2%, в остальных зонах его уровень ниже 1%. Доля Со представлена равномерно на всех территориях (не выше 1% от суммы всех металлов).

Территории выделенных зон неравномерно загрязняются отдельными металлами. Наиболее загрязненной валовой формой гп оказалась III зона, РЬ - III и IV, N1 - II и IV.

Оценка уровня химического загрязнения почв зон города проводилась и по коэффициентам концентрации (К ) отдельных металлов и суммарным коэффициентам (г ). Согласно ориентировочной оценочной шкале опасности (табл.2), загрязнение почвы г. Казани в исследуемых зонах по г загрязнения валовым содержанием ТМ относится к категории почв

—»—доверительный интервал -- - - нижняя квартиль

-среднее значение по городу

Рис.1. Сравнение усредненных по г. Казани данных о содержании отдельных металлов с фоновыми, полученными различными подходами.

CU NI

MN 81%

Рис.2. Структура валового содержания изученных ТМ в почвах I зоны.

с допустимым уровнем загрязнения

(Z<16).

Несмотря на использование различных данных в качестве фона, по величине трех вариантов Z и усредненного из них (Z ср.) самыми загрязненными во всех случаях оказались III и V зоны (район "Теплоконт-роля" и Кировский район). Уровень загрязнения I и II зон был практически всегда в 2 раза ниже. Как известно, уровень техногенного загрязнения почв характеризуется достаточно большой стабильностью на протяжении многих лет и столетий, что, возможно, объясняет более высокий уровень загрязнения в III и V зонах, которые всегда характеризовались высоким уровнем развития промышленности с XIX века. Это предположение подтверждается данными исследования на территории г. Казани, проведенными в 1998 г. НИИ «Геолнеруд» и кафедрой общей гигиены Казанского института усовершенствования врачей, которые применяли подобный подход оценки (в качестве фоновых значений использовались кларки). Анализ полученных в тот год результатов (были заложены 14 пробных площадок для рекогносцировочного исследо-

Таблица 2

Кс и гс почв по валовому содержанию ТМ в отдельных зонах г.Казани, рассчитанные

по различным значениям фона

К , рассчитанные по среднеарифметическим значениям территории лесничеств К, рассчитанные по доверительному интервалу городской выборки К, рассчитанные с использованием нижней квартили городской выборки

I II iii IV V I Ii III IV V I Ii III IV V

К Ni К РЬ К Мп К Zn

К Со К Cd К Си

К Сг

Z ср.

0,7

4.0 0,6 2,3 0,7

0

0,5 0

3,8

2.1

1,2

3,9 0,6 0,9 0,9 2,3 0,9 0,2 3,97 2,9

1,2 7,9 0,7 3,6 1,2 1,5

1.3 0,25 10,6

7.4

1,6 5,9 0,6 1,9 1,3 1,8 0,95 0,3 7,3 5,2

1,1

5,2 0,4 1,8 0,8 4,5 1,7 0,2 8,7 6,2

0,7 0,9 1,2 1,3 0,8 0 0,6 0

0,4

1,1

0,8 1,3 0,5 1,0 1,3 1,2 1,2 1,35

1,1 1,7

1.3 2,0

1.4 0,9 1,7 1,3 4,2

1,4 1,2 1,2

1,0 1,4 1,0 1,3 1,7 3,3

1,0 1,1 0,8 1,0 0,9 2,6 2,2 1,0 3,6

0,8 1,1 1,4

1,9 0,9 0 0,8 0 1,95

1.4 1,1

1.5 0,8 1,2

1.5

1.6 1,6 3,5

1.3 2,1 1,6 2,9 1,5 1,0 2,2 1,8

7.4

1,7

1,6

1.4

1.5

1.6 1,2 1,7 2,3 5,0

1,2 1,4

1,0 1,4 1,0 3,0 3,0 1,4 6,4

Примечание: I — Дербышки, II - Сибирский тракт, III - Теплоконтроль, IV - Горки, V - Кировский район. То же в табл. 4.

вания техногенного загрязнения почв с учетом выделенных зон - лесная, т.е. пригород, жилая и промышленно-транспорт-ная) позволил получить следующую общую картину загрязнения территории города ТМ. Для валовых форм металлов Z варьировал от 4,5 до 16,5, для подвижных форм - от 3,1 до 38,9.

Наиболее загрязненными оказались районы сосредоточения промышленных предприятий и транспорта (Кировский район, район озера Средний Кабан - зона "Теплоконтроля", территория, прилегающая к речному порту). Для них были характерны наибольшее Z металлами ^ более 32) и большая группа металлов-загрязнителей (РЬ, С^ Zn, Си, Со, N1, Сг, а также В). В Кировском районе Z для валовых форм металлов составлял 14,4, для подвижных форм - 24,1. Металлы-загрязнители характеризовались значительным К, который для Си равнялся 2,6, Сd -

3,4, РЬ - 1,8, Zn - 4,3, Со - 2, N1 - 8, Сг - 7,7 (К для подвижных форм). Сильное загрязнение почвы в этом районе объяснялось влиянием промышленных предприятий (НПО им. В.И. Ленина, льнокомбинат, кожевенное объединение) и автомобильного транспорта [2].

Для почв района речного порта Z для валовых форм составлял 8,5 и для подвижных форм - 38,9. Наибольшее превышение над фоном отмечалось по РЬ (К =5,4), Си (К=23,2) и N1 (К=7,1). Пробная площадка располагается в зоне влияния автомобильного и железнодорожного транспорта и близка к промышленным предприятиям (завод «Точмаш», меховое

объединение). На площадках, расположенных в жилой зоне, отмечалось в основном, согласно гигиеническим критериям, среднее загрязнение почв ^ ср.) - оно варьировало от 2,3 до 7,9, и отличия от фона были по уровням РЬ, N1, Си, Со и С^

Анализ двукратного опробования городских почв с интервалом более чем в 10 лет показал, что данные 5-10-летней давности по концентрациям металлов в почвах в целом можно использовать при комплексной характеристике загрязнения окружающей среды данной территории [1], и они подтверждаются нашими исследованиями в промышленных районах города. Максимально превышал фон (при первом методическом подходе) РЬ (К=3,9-7,9), далее следовали Сd (К=1,5-4,5) и Zn (К =0,9—3,6). В случае использования в качестве фона нижней границы 95% значений доверительного интервала становятся более ровными выборки уровней превышения практически всех металлов. При сравнении концентраций ТМ с фоновыми значениями, полученными при расчете первой квартили, наибольшие величины определялись у С^ Zn и Си.

Таким образом, самые высокие значения К и Z по валовому содержанию всех металлов отмечаются при использовании в качестве фона территории заповедника, наименьшие - доверительного интервала, который включает 95% всех наблюдаемых значений признака.

Мы рассчитали Z ср. почв из перечисленных трех значений. Показатель Z ср. нивелирует различия между используемыми подходами и отражает, на наш взгляд,

уровень загрязнения более объективно. Значения гс ср. были максимально приближены к коэффициентам, полученным при использовании в качестве фона нижней квартили выборки. Применение в качестве фонового показателя нижнего квартиля ранжированного ряда является, по-видимому, более надежным при оценке риска. На квантили нормального распределения (квартили) не оказывают заметного влияния так называемые «выскакивающие величины», и, кроме того, такой подход позволяет использовать любые значения признака независимо от характера их статистического распределения.

В I зоне коэффициент концентрации валового содержания был выше единицы

у РЬ (1,1), Мп (1,4) и гп (1,9), во II -у всех изученных ТМ (1,1 - 1,6), кроме гп, в III, IV и V - выше фоновых значений концентрации всех металлов. Максимально высоки коэффициенты концентрации гп в III (2,9) и Cd и Си в V (по 3,0) зонах.

Резюмируя анализ результатов исследования валовых форм ТМ в почвах города, отметим, что как по средним концентрациям и предельным значениям, так и по величине превышения фоновых концентраций Cd и Си выделяется III зона. Особую роль играет сложившаяся ситуация с С^ который относится к 1 классу опасности, обладает высокой персистент-ностью и широким спектром отдаленных эффектов для здоровья населения.

С учетом рН и типа почв города мы можем констатировать, что содержание подвижных форм Мп не превышает регламента во всех выделенных зонах. Содержание подвижного Сг выше ПДК в 2,8 раза наблюдалось только во II зоне. Превышение ПДК Си (в 3,5 раза) определялось в III зоне, N1 - в III и IV зонах.

По результатам наших исследований, доля подвижных форм в почвах города по сравнению с аналогичным показателем в экологически чистом районе (фоном) достоверно выше по РЬ - более 35% по сравнению с 13-24%, по гп - более 25% по сравнению с 9-12,5%, по Си - более 24% по сравнению с 14—20% и по Cd - более 37% вместо 17-36% на фоновом участке.

Подвижные формы ТМ в почвах города варьировали незначительно. Исключением являются РЬ и в меньшей степени гп (табл.3). Загрязненность почвы подвижной фракцией гп выше регламентируемых

значений в I (в 1,7 раза) и III (в 1,5 раза) зонах. Структуру валовых форм ТМ практически полностью повторяют их подвижные формы. На первом месте по содержанию в почвах находится Мп, на втором -Zn, далее - РЬ, Ni и др.

Обращает на себя внимание то, что ранговое распределение выделенных зон в городе по интегральному показателю загрязненности почв (Zc) валовой и подвижной формами ТМ различаются. Если в обоих случаях лидирует III, а замыкает ряд I зона, то по значениям суммарного загрязнения, расчитанным по валовому

Таблица 3

Усредненные концентрации металлов в почвах г. Казани (в мг/кг)

Металлы п Содержание

валовой формы подвижной форм

Ni 49 14,99 0,83 4,7 0,7

РЬ 49 27,43 2,50 9,8 7,9

Мп 49 442,3 27,39 44,3 2,9

Zn 49 69,29 6,86 16,8 6,1

Со 49 6,32 0,29 2,9 0,31

Cd 17 0,54 0,09 0,2 0,04

Си 48 15,66 2,08 3,7 1,7

Cr 32 9,1 0,93 3,2 1,9

Примечание: п - количество проб почвы.

содержанию Ме, следуют по порядку V, IV, II зоны, а по подвижным формам -II, V и IV.

Оценка химического загрязнения подвижной формой металлов в отдельных зонах города с использованием Кс и гс показала, что допустимый уровень загрязнения (гс<16) при использовании любых фоновых значений отмечается в I зоне. Уровень загрязнения IV зоны характеризуется как умеренно опасный, а почвы III зоны по оценочной шкале относятся к опасной (гс находится в пределах от 30,7 до 54,8). Загрязнение почвы V зоны оценивается как умеренно опасное до опасного в зависимости от используемого фона (гс от 17,6 до 26,6). Загрязненность почвы II зоны относительно среднеарифметических значений фона территории Прикамского и Камского лесничества является опасной (гс=49,7), в случае использования в качестве фона двух других величин - умеренно опасной.

Полученные результаты косвенно подтверждают, на наш взгляд, не только от-

Таблица 4

К и Z почв подвижными формами ТМ отдельных зонах г.Казани, рассчитанные по фоновым значениям

К , рассчитанные по фону (территории Прикамского и Камского лесничеств) К, рассчитанные по доверительному интервалу выборки К, рассчитанные с использованием нижней квартили выборки

I II iii IV V I ii III IV V I ii III IV V

К Ni 1,6 6,3 7,8 11,1 15,1 0,3 1,3

к рь 1,7 3,1 6,8 4,1 8,0 0,5 0,9

к Mn 0,2 0,3 0,3 0,2 0,2 1,0 1,6

К Zn 5,3 0,5 4,6 1,1 1,8 9,4 0,9

К Co 2,9 3,1 5,4 5,7 2,9 0,9 1,0

к Cd 6,2 3,8 8,5 5,4 19,2 1,1 0,7

к Cu 0,3 1,2 8,1 1,1 3,8 1,8 6,25

к Cr 2,4 38,4 3,6 2,7 3,1 1,4 21,6

13,6 49,7 38,1 24,4 37,1 9,4 27,3

Zc сред. 11,3 32,9 41,2 23,4 27,1

носительность оценок, но в некоторой степени и некорректность использования в качестве фона почв территорий лесничеств и заповедников. На сегодняшний день городские почвы все чаще выделяют в отдельную особую категорию - урбо-техногенные почвы.

Оценка степени загрязнения почв города с учетом класса опасности элемента, его ПДК и максимального значения допустимого уровня содержания металла (Ктах) по одному из четырех показателей вредности в соответствии с методическими указаниями (1999) показала, что вся изученная нами территория Казани слабо загрязнена Мп, загрязненность почвы другими ТМ различается по зонам. В I зоне (Дербышки) сильная загрязненность определялась только по Си, во II (Сибирский тракт) - по №, Со и Сг, в V (Кировский район) - по Си. В III ("Теплоконт-роль") зоне сильная и очень сильная загрязненность была по №, РЬ, Со, Си и Zn, в IV (Горки) - по N1 и Со.

Следовательно, территория Казани по суммарному показателю загрязнения подвижными формами ТМ, согласно официально утвержденной ориентировочной оценочной шкале опасности, относится к категории от допустимого до опасного, по валовым концентрациям - к допустимым. С учетом более выраженной биоактивности подвижных форм ТМ и большей вероятности их поступления в почву в связи с выбросами предприятий и автотранспорта полученные результаты свидетельствуют о необходимости даль-

1,6 2,3 1,0 0,4 1,8 2,2 3,1 1,4

2,0 1,2 2,3 0,8 1,4 3,2 1,9 3,7

1,5 1,1 1,0 1,1 1,7 1,5 1,1 1,1

8,2 2,0 3,3 11,2 1,1 9,8 2,3 3,9

1,7 1,7 0,9 1,1 1,3 2,2 2,3 1,1

1,5 0,9 3,3 1,6 1,0 2,2 1,4 5,0

43,3 5,8 20,0 0,6 2,1 14,9 20,0 6,9

2,0 1,5 1,8 1,2 18,2 1,7 1,2 1,5

54,8 19,5 26,6 11,0 21,6 30,7 26,3 17,6

нейшего углубленного целенаправленного исследования почв города для уточнения конкретных источников эмиссии. Особого внимания требует сложившаяся ситуация в III зоне, условно обозначенной «Теплоконтроль», где выше ПДК валовое содержание РЬ, Со, подвижных форм Си, Ni, Zn и выше фоновых значений подвижные формы всех изученных ТМ. По пяти из них (Ni, РЬ, Zn, Со, Си) эта зона считается сильно и очень сильно загрязненной. Широкая вариабельность точечных значений металлов, особенно «всплески» в санитарно-защитных зонах предприятий, также указывают на их техногенный характер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Борисенко И.Л. Эколого-геохимический анализ техногенного загрязнения. - М., 1992. -

С. 104-115.

2. Даутов Ф.Ф., Яруллин И.А. //Гиг. и сан. -

1993. - № 8. - С. 4- 6.

Поступила 02.06.04.

HYGIENIC ESTIMATION OF SOIE IN KAZAN N.V. Stepanova, R.Ya. Khamitova

S и m m a г у

Hygienic estimation of soil pollution Ьу heavy metals of various regions in the large city using current methodical approaches (comparison with concentrations, background values, obtained by three different approaches and home regulations for total and slip forms) is held. It is established that soil of old industrial regions of the city is severely polluted by some metals and by the sum index it is dangerous for health of population.