CC BY
12ПРОБЛЕМЫ АГРАРНОЙ СРЕДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 502
В.С. Артамонова V.S. Artamonova
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Institute of Soil Science and Agrochemistry,
630000, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 8/2 SB RAS, 8/2, Lavrentjev pr., Novosibirsk, Russia, 630090
e-mail: artamonova@issa.nsc.ru
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В УГЛЕДОБЫВАЮЩИХ
РЕГИОНАХ
Увеличение объёмов добычи каменного угля ведёт к образованию отвалов вскрышных пород, которые негативно воздействуют на окружающую среду. Безопасность отвалов зависит от присутствия углистых частиц, содержащих радиактивные и токсичные элементы, которые влияют на жизнепригодность первопоселенцев.
Ключевые термины: Azotobacter chroococcum, каменные угли, антрацит, почва, токсичные и радиактивные элементы.
BIOGEOCHEMICAL ASPECTS OF FORMATION SOILS IN REGIONS OF COAL MINING LEADS
The increase in the volume of coal mining leads to the formation of waste dumps that
negatively affect the ecology of the environment.The safety of the waste dumps depends on the presence of coal particles, which accumulate radioactive and toxic elements, and affect the viability of the first settlers. Keywords: Azotobacter chroococcum, anthracite, soil, toxic and radioactive elements.
Современная теория географии почв базируется на почвенно-экологическом и почвенно-историческом направлениях. Дополняя друг друга, они развивают главные принципы генетической географии почв, основы которой заложены русским учёным В.В. Докучаевым. В настоящее время географическое разнообразие почв сокращается из-за воздействия антропогенных средоразрушающих факторов почвообразования. Дифференциация почвообразователей на две равноправные категории: природные и антропогенные факторы появилась в начале XX века. До этого времени факторный набор состоял из материнской горной породы, климата, рельефа, живых организмов и времени (возраста). В этой связи, представляется своевременным и актуальным выявление тенденций формирования новых почв в нарушенных ландшафтах, геохимической специфики почвообразования, особенностей выживания первопоселенцев, участвующих в процессе становления почв.
Извлечение из недр полезных ископаемых, особенно открытым (карьерным) способом, и их промышленная переработка вблизи разработки месторождений обусловливают коренное изменение жизненного пространства. При формировании отходов производства, отвалов вскрышных и вмещающих пород одни почвы оказываются погребёнными под минеральными массами, другие -обнаруживают деградацию от загрязнения тяжёлыми металлами с формированием особого техногенно-аккумулятивного типа распределения металлов в почвенном профиле. Загрязнение почв промышленными выбросами регистрируется на удалении 15 км от предприятий [1].
Крупноплощадные терриконы угля и отвалы вскрышных пород обусловливают хроническое загрязнение окружающей среды, поскольку содержат
широкий набор экотоксикантов. Площадь загрязнения почв вокруг терриконов превышает таковую их самих порою в 10 раз [2]. Новообразование почв на поверхности отвалов с точки зрения потребностей человека идёт чрезвычайно медленно, поскольку освоение литогенной толщи фитопоселенцами и педобиотой может сдерживаться её высокой каменистостью, сильным засолением пород (тип засоления хлоридно-сульфатный и сульфатный), низкой обеспеченностью обменным калием, подвижными фосфатами, отсутствием азота и другими причинами. Углевмещающие породы, как и сам уголь, выветриваются долго. Поэтому распределение элювия, жизнепригодного для биоколонизаторов, в отвально-карьерных ландшафтах неравномерное. В этой связи, пионерная группировка растений, слагаемая на нетоксичных породах, характеризуется рассеянным расположением, несомкнутостью надземного и подземного ярусов, бедным видовым составом растений, преобладанием малолетников, аномохоров и существует около 5 лет. На токсичных породах длительность существования пионерных группировок значительно больше. В присутствии потенциально плодородных вскрышных пород, например четвертичных покровных суглинков, через 10 лет самозарастания отвалов образуется гумус, близкий к таковому зрелых зональных почв [3]. Это свидетельствует о том, что почвообразование в техногенных ландшафтах может миновать стадию формирования примитивных почв, характерных для литогенных ландшафтов суровых климатических фаций. Однако на токсичных породах, в частности в Кизеловском угольном бассейне, в первые 30-100 лет жизни, генетические горизонты почв морфологически выражены слабо, причиной чему является значительная кислотность пород, поддерживаемая
окисляющимися сульфидными минералами. Визуально диагностируются подстилка и гумусоподобный слой. Аналогичных ситуаций на Урале и в Сибири немало.
В Сибирском Федеральном округе проблема техногенного почвообразования стоит чрезвычайно остро, поскольку здесь добывается преобладающая доля каменного угля страны, причём высококачественного. Однако потери плодородных почв значительны, а рекультивации подвергается ежегодно не более 2% нарушенных земель.
В пределах Салаиро-Кузнецкого прогиба (Западная Сибирь) располагаются залежи наиболее ценных метаморфизированных углей - антрацитов, выходы которых регистрируются порою на глубине 1 м. Их добыча экономически выгодна, но экологически небезопасна для окружающей среды. Углефикация на данной территории происходила в палеозое, в период высокой тектонической, магматической и сейсмической активности. Древние организмы, населявшие территорию, аккумулировали широкое разнообразие химических элементов. Не случайно, в углистых частицах присутствуют редкие элементы, в том числе тяжёлые и радиактивные металлы [4]. Геохимическое наследие выявляется в подотвальных водах, в зрелых почвах по ходу техногенных водотоков [5]. Природные радиактивные элементы U и Th, и некоторые тяжёлые металлы, а также As присутствуют в выветренном угле и эмбриозёмах в количествах, превышающих кларк литосферы. Крупноплощадные отвалы пылят, горят и, обладая большим водосбором, оказываются активным транспортёром экотоксикантов с потоками дождевой и снеготалой воды, а при сухой ветреной погоде - с пылью. Это отрицательно воздействует на флору и фауну почв окружающих территорий, санитарно-гигиенические условия местности.
Не следует исключать, влияние некогда использованных взрывчатых веществ, применяемых в былые времена при добыче полезных ископаемых. В прошлом веке были востребованы аммонал и аммониты (20-е годы), динамоны (30-е годы), оксиликвиты и аммониты (40-е годы), игданит (с 1956 г. по 60-е годы). Позднее ассортимент взрывчатых веществ содержал ядовитый тротил,
гранулированную аммиачную селитру, граммониты (смесь селитры с тротилом) [6]. [Розентретер Б.А., Федоров А.С. , Институт истории естествознания и техники (Академия наук СССР). Техника горного дела и металлургии. — Изд-во "Наука", 1968. — С. 166. — 404 с. — (Очерки развития техники в СССР)]. Кроме того, в атмосфере техногенных ландшафтов может присутствовать сероводород, который поступает из межпластовых вод, трещин вмещающих пород, с горелых участков. Наряду с ним, могут находиться окись углерода, формальдегид, акролеин, образующиеся при сгорании топлива бульдозеров, экскаваторов, тракторов, автомобилей и другой горно-транспортной техники. Их концентрация может усиливаться при выемочно-погрузочных операциях, при этом газы выделяются как из развала, так и из породы, находящейся в ковше экскаватора или кузове
самосвала. Наряду с токсичными газами в атмосферу поступает сажа выхлопов двигателей, на частицах которой абсорбируется канцероген бенз(а)пирен. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсичных веществ на биоту. Кроме перечисленных токсикантов, в техногенных ландашафтах регистрируются соединения тетраэтил- или тетраметилсвинца, добавляемого в автомобильное топливо в качестве антидетонатора. Около 70% свинца попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на поверхность отвалов сразу за срезом выхлопной трубы. Повышению токсичности отработавших газов способствует увеличение влажности атмосферного воздуха, понижение температуры воздуха.
Стоит отметить и негативную роль пыления минеральных частиц, которые неизбежны при выемке и погрузке горной массы из развала взорванных горных пород, особенно угля, а также при сильном ветре с поверхности отвалов. Большое количество пыли выделяется при экскавации перегоревших пород и при транспортировке уголя. Интенсивность выделения пыли зависит от скорости движения автотранспорта и состояния дорожного покрытия. Автомобильные дороги со щебёночно-гравийным покрытием на отвалах являются основными источниками пылеобразования, на их долю приходиться до 90% всей выделяемой пыли. С техногенной пылью переносится большое разнообразие тяжёлых металлов. Не случайно, в целях предотвращения угрозы возникновения массовых неинфекционных заболеваний (отравлений) Постановлением Главного санитарного врача РФ в августе текущего года установлен размер санитарно-защитной зоны размером 300 м во всех направлениях от границы земельного участка для всего имущественного комплекса горнотранспортной части антрацитового разреза, установлен Федеральный контроль за соблюдением данного постановления [7].
Что касается состояния почвообразующей микробиоты в углеотвалах, то оно обусловлено геохимией элементов. Например, Лю^Ьа^вг скгоососсыш, выявлялся повсеместно в старовозрастных отвалах, но обнаруживал замедление роста в выветренных углях и эмбриозёмах, по сравнению с вскрышной породой, где отсутствовали радиактивные элементы и мышьяк. Максимальное содержание As достигало 15,1 мг/кг, что многократно превышало кларк литосферы. Как известно, Лб образует арсенаты щелочных металлов и аммония, которые растворимы в воде. Арсенаты в той или иной степени токсичны, действуют как инсектициды, фунгициды и бактериоциды. Они блокируют сульфгидрильные группы, ответственные за ряд реакций клеточного обмена. На отвалах антрацита, где Са и РЬ присутствуют в избытке, арсенаты этих металлов, очевидно, присутствуют. Арсенат Са может содержать до 42% пятиокиси мышьяка, ядовит для всего живого. В природных условиях наблюдается переход арсенатов в арсениты, которые наиболее подвижны в нейтральной и
щелочной среде. При метилировании арсенитов образуются метилмышьяковистые кислоты. В аэробных условиях образуется триметилсарцин.
Анализ подвижных форм элементов минерального питания азотобактера на отвале показал, что жизненно важный элемент роста - Са преобладает в почвообразующей породе и эмбриозёмах. Максимум Fe (56 мг/кг) и Мп (50 мг/кг) присутствует в последних. При этом содержание подвижных форм Бе, 2п и РЬ также оказалось наибольшим в эмбриозёмах. Возможно, снижению токсичности ТМ способствовало хелатообразование и рНводн среды (6,4-8,5), не благоприятствующие подвижности катионогенных элементов (которые мигрируют в основном в форме катионов). Максимальное содержание Мо обнаружено в суглинке, где превышало кларк литосферы, в эмбриозёмах -равнялось ему. В щелочной обстановке, которая складывается на отвалах, соединения Мо, как анионогенного элемента, могут проявлять высокую растворимость и усвояемость микроорганизмами. Молибден входит в состав нитрогеназы, благодаря чему участвует в связывании азота атмосферы азотобактером. Кроме этого, Мо вместе с другими элементами с переменной валентностью ^е, Со, Си) служит посредником при переносе электронов в окислительно-восстановительных ферментативных реакциях.
Азотобактер - аэробная свободноживущая бактерия, которая выполняет важные экосистемные функции: продукционные, средообразующие, санитарные. Бактерия колонизирует углеотвалы уже в первый год их естественного самозарастания. Она выживает в присутствии углистых частиц, благодаря гетерогенности популяции и преобладанию штаммов, приспособленных к токсичным элементам и радиации. Среди жизнедеятельных бактерий обнаружена мутационная изменчивость. Она выражается в присутствии ризоидных и мукоидных вариантов колоний азотобактера. Во всех случаях рост сопровождался выделением в окружающую среду метаболитов, имеющих жёлтые, красные, оранжевые тона, возможно, меланиновой и каротиноидной природы, особенно обильных в выветренном антраците. У гетеротрофных бактерий подобные пигменты выполняют функцию защиты от повреждающего действия видимых и ультрафиолетовых лучей. Высокая устойчивость бактерии к и и Т^ очевидно, является отражением эволюционных приобретений тех эпох, когда предки бактерии, обитающие в водной среде, подвергались воздействию космической и солнечной радиации. Возникновение аэробной атмосферы увеличило степень риска ионизирующей радиации, привело к необходимости повышения резистентности азотобактерии к радиации.
Месторождения каменных углей, в том числе
антрацита, - это национальное природное богатство России, высокий энергетический и редкометальный потенциал страны, поэтому многоцелевая добыча полезных ископаемых неизбежно ведёт к росту нарушенных земель. Сведений об экологической безопасности отвалов вскрышных пород углей и молодых почв, формирующихся в техногенных ландшафтах, недостаточно, что, возможно, свидетельствует о недостаточном внимании к среде обитания всего живого. Информация об особенностях развития педобиоты на отвалах угля представляют несомненную ценность ускорения перехода предпочвы в почву в техногенных ландшафтах угледобывающих регионов, улучшения в них экологической обстановки.
Библиографический список
1. Арбузов С.И., Ершов В.В. Геохимия редких элементов в углях Сибири. Томск: Д-Принт, 2007. 468 с.
2. Артамонова В.С., Бортникова С.Б., Оплеухин А.А. Техногенное загрязнение почв подотвальными водами в районе угледобычи // Известия Коми УрО РАН. 2016. № 4 (28). С. 38-45.
3. Гармаш Г.А. Накопление тяжёлых металлов в почвах и растениях вокруг металлургических предприятий: Автореф. Дис. Канд. биол. наук. Новосибирск, 1985.16 с.
4. Махонина Г.И. Экологические аспекты почвообразования в техногенных экосистемах Урала. Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2003. 336с.
5. Меньшиков Г.И. Антропогенно-техногенная трансформация экосистем при разработке коренных, россыпных и осадочных месторождений полезных ископаемых и в рекультивации // Антропогенная трансформация природной среды: материалы междунар. Конф. Пермь, 2010. С. 354-360.
6. Розентретер Б.А., Федоров А.С. Техника горного дела и металлургии // Очерки развития техники в СССР. М.:Наука, 1968. С. 166-404 с.
7. Трофимов С.С., Фаткулин Ф.А. Состав гумуса молодых почв техногенных отвально-карьерных ландшафтов центрального и южного Кузбасса // Восстановление техногенных ландшафтов Сибири (теория и практика). Новосибирск: Наука, 191977. С. 113-119.
8. Постановление Главного санитарного врача РФ от 28 августа 2017 г. № 120 «Об установлениии размера санитарно-защитной зоны для имущественного комплекса горнотранспортной части Ургунского участка разреза «Горловский» ЗАО «Сибирский антрацит», расположенного на территории Искитимского района Новосибирской области». [Электронный ресурс] http://www. consultant.ru/document/cons_doc_LAW_27833 9/ (дата обращения: 02.10.2017).
