Адсорбционная способность почв промышленной территории к металлическому компоненту Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ЭКОЛОГИЯ

УДК 502 Т. В. СКРИПКО

И. В. КАРПОВА

Омский государственный технический университет

АДСОРБЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ К «МЕТАЛЛИЧЕСКОМУ» КОМПОНЕНТУ

Проведен анализ снежного покрова и почвы территории Советского округа северо-западного промузла по восемнадцати металлам с использованием фотометрического, люминесцентного и спектрометрических методов.

Выявлено несоответствие нормам предельно допустимых концентраций металлов как в снежном покрове, так и в вытяжках почв. Рассмотрен процесс трансформации тяжелых металлов в почве, наличие тенденции формирования негативных процессов «металлогенеза».

Экспериментальная часть

Пробы снежного покрова и почвы были отобраны на территориях предприятий ТЭЦ-4, ОАО «Сибнефть — ОНПЗ», ЗАО «Экоойл», ОАО «Омский каучук» и ЗАО «Завод пластмасс». Пробы снежного покрова отбирали послойным методом, отбор проб почвы проводили в соответствии с ГОСТом. Готовили кислотную вытяжку почв и проводили консервацию проб [3].

Содержание в пробах никеля и цинка определяли на флюорате — 02 — 3М[1]. Метод измерения содержания никеля основан на извлечении хлороформом внутрикомплексного соединения никеля с а-фурил-диоксимом с последующим измерением массовой концентрации при 390 — 430 нм. При измерении методом фотометрии на анализаторе задействованы

два измерительных канала — возбуждения и пропускания. Флуоресцентный метод измерения массовой концентрации цинка основан на образовании комплексного соединения с 8-меркаптохинолином в среде ацетатного буфера (рН 4,6 — 4,9), экстракции его хлороформом и измерении интенсивности флуоресценции экстракта на анализаторе. При измерении методом люминесценции на анализаторе задействованы все три измерительных канала: регистрация люминесценции, измерение по опорному каналу, измерение по фотометрическому каналу.

Исследование проб на содержание железа, хрома, меди, марганца, кадмия, алюминия проводили методом фотометрии [2,3] с построением калибровочных графиков рабочих стандартных растворов в координатах оптическая плотность-содержание металла (рис.1). Использовали модель ФЭК-56М.

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65) ЭКОЛОГИЯ

ЭКОЛОГИЯ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65)

Концентрация тяжелых металлов в снежном покрове

Металл Концентрация, мкг\л

ТЭЦ-4 Сибнефть- ОНПЗ Экоойл Омский каучук Завод пластмасс ПДК, мг\л

Никель2 7,1 5,0 2,3 2,9 0 0,1

Цинк2 9,5 7,6 6,9 7,3 4,4 1,0

Железо2 280 220 100 90 70 0,3

Хром2 50 47 40 75 55 0,5

Медь2 13 9,5 3,8 0 2 1,0

Марганец2 86 70 65 40 38 0,1

Кадмий2 0,7 0,5 0,3 0,4 0,1 0,001

Алюминий2 360 210 170 200 90 0,3

Кобальт1 0,4 0,1 1 0 0 0,1

Свинец1 0,6 0,2 0 0 0 0,03

Мышьяк1 0 0 0 0 0 0,005

Молибден1 0,8 0,6 0,5 0,1 0 0,25

Серебро1 0 0 0 0 0 0,05

Сурьма1 4,4 3 2,5 1,3 5 0,05

Селен1 0,7 0,5 0,2 0,2 0,1 0,01

Кремний1 0 0 0 0 0 10

Олово1 7,8 6,3 5 3,4 1,6 2,0

Ванадий1 0,9 0,8 0,8 0 0,1 0,1

Примечание к табл. 1: (’спектрометрический, 2фотометрический, 3люминесцентный методы определения)

Таблица 2

Содержание металлов в почвах, прилегающих к золоотвалу ТЭЦ-4, мк/кг

Организации Концентрации, мг/кг

Аб нд РЬ Cd 7п Сг N1 Со Мо Си V Мп Яг

«Акваэкология» 4 ,5 - 9 ,4 4, 4 ,7 0, ,3 2, 4 ,3 21 ,4 2, ,9 8, 3 ,6 0, ,9 2, - 7 31 -

ПИЦАС «Омский» ,9 3, 5 3 ,0 0, ,2 7, 3 ,5 0, ,6 5, 6 ,6 5, 5 ,5 6, 2 ,5 9, 5 ,3 0, ,7 3, 2 ,3 0, 6 2 0 5 ,6 5, 3

Метод определения железа основан на взаимодействии ионов трехвалентного железа с роданид-ионом в сильнокислой среде при Х = 490 нм. Определение хрома — на взаимодействии в кислой среде с дифе-нилкарбазидом (Х=540 нм). Определение меди на взаимодействии с диэтилдитикарбаматом натрия в слабоамиачном растворе (Х = 430 нм). Определение марганца — на окислении его соединений до перманганат иона в кислой среде персульфат аммонием (Х = 540 нм). Определение кадмия — на образовании в щелочной среде окрашенного дитизоната кадмия, растворимого в органических растворителях (Х = 508 нм). Определение алюминия — на образовании оранжево-красного комплекса с алюминоном (аммониевая соль ауринтрикарбоновой кислоты при Х = 525 нм).

Методом спектрального анализа определены следующие металлы: Со, РЬ, Аб, Мо, Ад, ЯЬ, Яе, Я1, Яп, V [3]. Метод основан на зависимости интенсивности атомной эмиссии определяемого элемента, переведенного в возбужденное состояние, от его концентрации в растворе анализируемой пробы. Спектрометр «0РТ1МА-3000» подготавливали к работе в соответствии с инструкцией. Аналитические сигналы обрабатывали при помощи программного обеспечения спектрометра, используя градировочную зависимость и коррекцию фона.

Обсуждения результатов

К числу важнейших факторов, обусловливающих загрязнение среды, относятся тяжелые металлы.

Взаимосвязи источников «металлических» токсикантов, природной среды и человека стали необычайно широкими, а это еще больше увеличивает их ареал опасности.

Почва является совершенно особой формой биосферы, она не только накапливает все загрязнения, в том числе и металлические, но и выступает как природный переносчик химических токсикантов и в атмосферу, и в гидросферу, и в живое вещество.

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду в целом определяется многими факторами и, в частности, их поступлением из атмосферы [5]. Снежный покров является накопителем аэрозольных загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферного воздуха. Атмосферные осадки, выводя аэрозольный материал и растворяя газообразные примеси из атмосферы, являются зеркалом состава и могут быть использованы как индикаторы загрязнения. В начале зимы, когда отсутствует сплошной снежный покров, загрязнение снега может происходить в результате ветровой эрозии обнаженных участков замерзших почв. Основная масса этого загрязнения обусловлена главным образом достаточно крупными (50 мкм и более) минеральными частицами, которые представляют алевритовую и перлитовую фракцию почв. Эти частицы переносятся на небольшие расстояния от нескольких метров до десятков и сотен метров. По мере роста высоты снежного покрова загрязнение быстро падает и при образовании сплошного снежного покрова вовсе прекращается [5].

Результаты исследования по снежному покрову представлены в табл.1.

Наблюдается увеличение концентрации меди и никеля в снежном покрове предприятий и превышение ПДК по алюминию в 1,2 раза.

При использование космических снимков Западной и Восточной Сибири были определены площади ареалов загрязнений снежного покрова. Площадь ареалов снежного покрова г. Омска от 1562 до 2968,7 км2. Сложившиеся многолетиями равновесия факторов формирует вокруг промышленного центра пятно загрязненного снежного покрова примерно одинакового размера и формы в каждую зиму. В конце зимы ареал становится настолько большим, что охватывает значительную часть речного водосбора. В период половодья — это, несомненно, влияет на санитарное состояние реки [6].

Омская область представляет собой уникальное для России явление, так как город Омск фактически один формирует все загрязнения области (89% — доля Омска в выбросах от стационарных источников всей области). Омск окружен тепловыми электростанциями, которые являются основными загрязнителями окружающей природной среды.

В связи с преобладанием ветра юго-западного направления в городе экологической опасности подвергаются Советский, Кировский, Центральный округа.

По вкладу в загрязнение атмосферы предприятия Омскэнерго ранжируются следующим образом: ТЭЦ-4 (51,8%), ТЭЦ-5 (45,3%), ТЭЦ-3 (1,6%), ТЭЦ-2 (1,0%), ТЭЦ-6 (0,2%). От ТЭЦ-4 в большом количестве поступают в атмосферу тяжелые металлы и их соединения (чаще всего оксиды и сульфиды). ТЭЦ-4 использует экибастузский уголь со средней зольностью 43% (поднимается и до 55%). По данным Новосибирского института Гидроцветмет СО РАН зола Омской ТЭЦ -4 содержит большое количество тяжелых металлов и радиоактивные элементы. В частности, А1-11%^е — 4%. Наблюдается определенная корреляция с данными по снежному покрову.

Количество выпадаемых и аккумулированных в почвах тяжелых металлов зависит от мощности теплоэлектростанции, качества органического топлива и степени очистки и утилизации отходов. В аналитической лаборатории проектно-изыскательной станции «Омскагропромхимия» проведены анализы объединенных проб почв, взятых в районе золоот-вала ТЭЦ-4 [6]. Выявлен широкий спектр металлов (табл.2). Площадь золоотвала ТЭЦ-4 — 446,7 га. Золоотвал расположен в водоохраной зоне Иртыша (что не допускается природоохранным законодательством).

Металлы-токсиканты, поступая в почву, вступают в различные химические реакции, сорбируются органическими веществами, глинистыми минералами. Из почвы они поступают в грунтовые воды, поглощаются растениями и начинают движение по трофическим цепям со всеми вытекающими из этого последствиями.

Основная деятельность нефтеперерабатывающих предприятий (ОАО «Сибнефть — ОНПЗ» и ЗАО «Эко-ойл») - переработка нефти с получением бензинов, дизельных топлив, керосина, автомобильных масел, мазута, битума, бытового газа, а также высокооктановой добавки к бензинам — МТБЭ. Химические предприятия (ОАО «Химический каучук» и ЗАО «Завод пластмасс) выбрасывают в основном органические вещества. Тяжелые металлы содержатся в сточных водах предприятий.

Анализ кислотных вытяжек почв на содержание тяжелых металлов представлен в табл. 3.

Выявлено превышение ПДК по токсичным металлам. Содержание железа составляет от 16 до 26 ПДК, хрома от 1,56 до 2,14 ПДК. Концентрация марганца превышает ПДК от 15 до 48,6 раза. Концентрация кадмия — 3,4 — 5,3 ПДК. В районе ТЭЦ-4 обнаружен алюминий с превышением ПДК в 1,2 раза.

Реальную угрозу представляет не валовое содержание токсикантов, а содержание их подвижных форм. Степень прочности связи токсиканта в почве, т.е. его подвижность зависит от почвенно-экологических факторов (гумусовое состояние почв, кислотность, гранулометрический и минералогический состав, окислительно-восстановительные условия) [7].

В таблице 4 представлены данные по содержанию тяжелых металлов в почве

На всех исследуемых территориях (1) наблюдается повышенное содержание никеля 2,44-16,98 ПДК, цинка 1,66-4,11 ПДК, железа 8,7-14 ПДК, хрома 3,1-9,4 ПДК, кадмия 1,86-1,2 ПДК; в 3-х пробах свинца 1,8-2,9 ПДК, молибдена-2,2 ПДК и в пробе на территории ТЭЦ-4 олова-1,4 ПДК.

Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает стадии преобразования оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); растворение гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов), тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв; образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей координационного типа с некоторыми поверхностными функциональными группами. Специфическая адсорбция более избирательна, чем неспецифическая, и зависит как от свойств сорбируемых ионов, так и от природы поверхностных функциональных групп. Так, механизм специфического поглощения более свойствен

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65) ЭКОЛОГИЯ

ЭКОЛОГИЯ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65)

8

Данные анализа кислотных вытяжек почв, мг/л

Металл ТЭЦ-4 Сибнефть- ОНПЗ Экоойл Омский каучук Завод пластмасс ПДК,мг/л

Никель 0,097 0,077 0,036 0,046 0,014 0,1

Цинк 0,054 0,044 0,036 0,042 0,022 1

Железо 8 7,4 7 6 5 0,3

Хром 1,07 0,89 0,78 0,91 0,36 0,5

Медь 0,56 0,42 0,36 0,24 0,32 1

Марганец 4,86 4,04 3,86 3,06 1,5 0,1

Кадмий 0,0053 0,046 0,004 0,005 0,0034 0,001

Алюминий 0,38 0,34 0,28 0,32 0,21 0,3

Кобальт 0,0018 0,0016 0,0015 0,0008 0,0008 0,1

Свинец 0,024 0,032 0,02 0 0 0,03

Мышьяк 0,004 0 0 0 0 0,05

Молибден 0,0013 0,0012 0,0006 0,0004 0 0,25

Серебро 0 0 0 0 0 0,05

Сурьма 0,0027 0,0024 0,0018 0,0012 0,0012 0,05

Селен 0,0021 0,002 0,0014 0,0014 0,0009 0,01

Кремний 0 0 0 0 0 10

Олово 0,016 0,0036 0,003 0,0024 0,0029 2,0

Ванадий 0,0038 0,0035 0,0032 0,0029 0,002 0,1

Таблица 4

Концентрация тяжелых металлов в почве, мг/кг

Металл ТЭЦ - 4 Сибнефть ОНПЗ Экоойл Омский Каучук Завод Пластмасс ПДК, мг/л

Никель1 848,75 704,55 322,2 397,9 121,8 50

Цинк1 94,5 80,52 64,44 72,66 38,28 23

Железо1 2800 2740 2520 2080 1740 200

Хром1 940 810 700 790 310 100

Медь 99 75 63 42 55 100

Марганец 850 740 690 530 260 1500

Кадмий1 9,3 8,7 72 8,5 6,0 5

Алюминий 67 62 50 55 37 100

Кобальт 16 15 13 6,9 6,9 50

Свинец 210 290 180 0 0 100

Мышьяк 3,5 0 0 0 0 20

Молибден 11 11 5,3 3,5 0 5

Серебро 0 0 0 0 0 1,0

Сурьма 24 22 16 10 10 30

Селен 18 18 13 12 8 20

Кремний 0 32 0 0 0 5

Олово 140 32 27 21 7 100

Ванадий 33 32 29 25 17 150

Примечание к табл. 4: ^спектрометрический метод определения)

Рис. 1. Калибровочный график рабочих стандартных растворов на содержание алюминия

свинцу, чем цинку и кадмию [8]. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы кадмия. Свинец при антропогенном загрязнении закрепляется в слое до 10 см; проникновение же в глубину почвы кадмия, меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину до 30 см) [9].

Избыток влаги в почвах способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в более растворимые формы. Для некоторых тяжелых металлов установлена возможность микробиологического алкилирования (Аб, Нд, РЬ, Яп, ЯЬ, Яе), таким образом они могут включаться в цепь питания.

Совсем другой путь попадания в цепь питания обнаружен у кадмия. Кадмий может замещать цинк в цинкосодержащих ферментах. После этого фермент становится неактивным, а организмы, в которые попал кадмий, могут служить пищей для других организмов, таким образом кадмий внедряется в общую цепь питания [9].

Можно констатировать наличие устойчивой тенденции формирования негативных процессов «метал-логенеза», что нельзя не учитывать при ведении промышленных и сельскохозяйственных производств.

Библиографический список

1. Флюорат—02 — 3М. Руководство по эксплуатации. 240.00.00.00.00.РЭ. Санкт-Петербург : ЛЮМЕКС, 2001. - 48 с.

2. Новгородцева Л.В. Биогенные элементы. — Омск : ОмГТУ, 2002. — 38 с.

3. Новиков Ю.В. и др. Методы исследования качества воды в водоемах / Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. — М. : Медицина, 1990. — 400 с.

4. Струнина Н.Н., Байсова Б.Т. Спектральный анализ — Омск : ОмГУ, 2003. — 16 с.

5. Василенко В.Г., Назаров В.И. Мониторинг загрязнения снежного покрова. — Л. : Гидрометеоиздат, 1995. — 170 с.

6. Ермохин Ю.М., Гужулев Э.П., Сницарь А.Е. Познай свой дом и помоги природе и себе. — Омск : ГУИПП «Омский Дом печати», 1998. — 262 с.

7. Потапов А.Д. Экология. — М. : Высш. шк., 2004. — 523 с.

8. Гусакова П.В. Химия окружающей среды. — Рос-тов-на — Дону : Феникс, 2004. — 179 с.

9. Агроэкология/В.А. Черников, Р.М. Алексахин, А.В. Голубев и др. — М. : Колос, 2000. — 536 с.

СКРИПКО Тамара Васильевна, кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии ОмГТУ. КАРПОВА Ирина Викторовна, студентка нефтехимического института ОмГТУ специальности 280201 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» ОС-415.

Дата поступления статьи в редакцию: 15.10.2008 г.

© Скрипко Т.В., Карпова И.В.

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (65) ЭКОЛОГИЯ