CC BY
72
-т
SCIENCE TIME
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРОМЫШЛЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ КУЗБАССА
Филимонов Илья Алексеевич, Мальчик Александра Геннадьевна, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Юргинский технологический институт (филиал), г. Юрга
E-mail: ale-malchik@yandex.ru
Аннотация. В работе рассмотрено использование методов биоиндикации для оценки состояния антропогенно-нарушенных почв с различным содержанием тяжелых металлов. Раковинные амебы являются организмами, чувствительными к техногенному загрязнению среды, проведенные исследования выявили изменения в структуре их сообществ, что позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов. В результате исследований выявлено, что наиболее информативным показателем экологического состояния загрязненных почв является снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных безпозвоночных. Данные биоиндикации эффективно использовать для прогнозирования экологических последствий хозяйственной деятельности человека. Также в работе исследовано содержание тяжелых металлов в растениях и дождевых червях.
Ключевые слова: биоиндикация, тяжелые металлы, эдафический комплекс раковинных амеб.
В настоящее время в биосферу поступает большое количество тяжелых металлов техногенного происхождения, значительная часть которых аккумулируется в почве. Для прогноза экологической опасности загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо знать не только масштабы их поступления, но и закономерности их поведения в различных почвенно-геохимических условиях. Источниками самых различных загрязнителей является пыль, токсичные вещества, тяжелые металлы, попадающие от различных техногенных очагов загрязнения, они влияют на плотность и структуру почвы. Их накопление в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, которое по цепочке может распространяться на
значительные территории [1, 2].
Цель исследования: экологическая оценка состояния техногенно-загрязненных почв вблизи золоотвала ТЭЦ ООО «Юргинский машзавод».
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
- изучить качественный и количественный состав золошлаковых материалов на предмет наличия тяжелых металлов;
- определить количество свинца, кадмия, меди и цинка в исследуемых почвах, а также их сезонное изменение;
- установить количество тяжелых металлов в растениях на исследуемой территории, а также в почвенных беспозвоночных.
Для определения химического состава золошлаковых отходов, был произведен отбор проб золы. Исследуемые золошлаковые материалы представляют собой мелкодисперсную смесь преимущественно серого цвета. Усредненный химический состав представлен в табл.1.
Таблица 1
Усредненный химический состав золошлакового отхода
SiO2 CaO Al2Oз MgO MnO Fe2Oз FeO ^2 SOз BaO P2O5
55,7% 6,8% 21,83 % 1,95% 0,1% 7,4% 6,7% 3,53% 1,28% 0,72% 0,44% 0,38%
Исследование химического состава золошлакового материала не показали наличие в них тяжелых металлов. Для более детального изучения состава золошлаковых отходов был проведен элементный анализ золы. Элементный анализ золы проводился методом атомно-эмиссионной спектрометрии, который показал наличие таких тяжелых металлов, как Zn, Cd, Pb в содержании соответственно 88; 43; 1,22; 21 мг/кг.
Исходя из результатов элементного анализа можно сделать вывод, что в золошлаковых отходах, хранящихся на гидрозолоотвале ТЭЦ ООО «Юргинский машзавод», присутствуют тяжелые металлы.
Накопление тяжелых металлов в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, которое по цепочке может распространяться на значительные территории. При этом загрязнение окружающей среды такими элементами, как свинец, кадмий, медь и другими может представлять непосредственную опасность для здоровья и жизни населения.
Пробы земли отбирались на 3-х участках. Работы проводились в сентябре 2013 года. Содержание тяжелых металлов ^п, Cd, Pb, в почве определяли
методом инверсионной вольтамперометрии.
Наибольшее содержание цинка, кадмия и свинца было отмечено на втором участке. При этом содержание кадмия на втором участке превышало концентрацию на фоновом участке в 2800 раз, содержание цинка, свинца и меди в 2,9, 6,5 и 6,5 раз соответственно. Данные представлены в табл.2.
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в пробах почвы
Cd, мг/кг Zn, мг/кг Pb, мг/кг Cu, мг/кг
Проба 1 30м от золоотвала 16 56 25 31
Проба 2 150м от золоотвала 280 66 43 30
Проба 3 Фоновый участок 0,1 22,2 6,6 4,6
В почвах исследуемых участков было обнаружено 2 вида дождевых червей (Eisenia nordenskioldi, Mcodrilus caliginosus). 24 вида раковинных амеб, которые относятся в 10 родам. Видовой состав раковинных амеб в исследуемых почвах представлен в табл.3.
Таблица 3
Видовой состав сообществ раковинных амеб в исследуемых почвах
Виды раковинных амеб Участки
1 2 3
Centropyxis elongata + + +
Centropyxis spinosa + - +
Centropyxis orbicularis + - +
Centropyxis aerophila + + +
Corytion dubium + - +
Corytion orbicularis + - +
Cyclopyxis eurystoma v. parvula + + +
Cyclopyxis kahli + + +
Difflugia compressa - + +
Difflugia globulosa - - +
Euglipha ciliata - - +
Euglipha laevis - - +
продолжение таблицы 3
Euglipha rotunda dorsalis - - +
Heleopera petricola + - +
Heleopera sylvatica + - +
Hyalosphenia elegans - - +
Hyalosphenia papilio + - +
Nebela collaris - - +
Nebela tubulosa + - +
Plagiopyxis declivis + + +
Plagiopyxis penardi + + +
Trinema encheles - - +
Trinema lineare - - +
Trinema complanatum - - +
Из анализа данных следует, что раковинные амебы реагируют на загрязнение почв. Так, на участке 2, видовой состав представлен 6 видами, что обусловлено повышенным загрязнением почв тяжелыми металлами. На загрязненных участках преобладали раковинные амебы родов Р1а§юрух1Б, СейгорумБ, Сус1орух1Б. Следовательно, можно считать, что раковинные амебы родов Р1а§юрух1Б, Сеп1горух18, Сус1орух1Б наиболее устойчивые, а раковинные амебы родов Согуйоп, Тппеша, №Ье1а, Нуа^рИеша менее устойчивые к загрязнению тяжелыми металлами. Устойчивость трех основных родов (Р1а§юрух1Б, Сеп1хорух18, Сус1орух1Б), вероятно, обусловлена строением раковинки - наличием второй камеры. В обнаруженной фауне раковинных амеб четко выделяется доминирующий комплекс (до 98% численности), состоящий из шести массовых родов тестацей (Сеп1хорух18, Сус1орух1Б, Р1а§юрух1Б, Тппеша, Согуйоп, Нуа^рИеша), который можно считать собственно эдафическим комплексом. Состав и распределение эдафического комплекса сообщества раковинных амеб представлены на рис.1.
Из анализа данных, представленных на рис.1 следует, что в структуре доминирования сообщества раковинных амеб род Р1а§юрух18 является преобладающим, а значит согласно классификации доминирования эудоминантом, так как его доля в населении составляет 31 %; доминантами являются Сепйюру^Б, Сус1орух1Б (25 % и 24 %); субдоминантами - Согуйоп, Тппеша и №Ье1а (8 %, 6 % и 4 %); рецедентом соответственно Нуа^рИеша - 2 %.
в Р1^юруХ13 И СепЬгОруХ!^ Н Сус1оруХ1Б н Согу^оп ы Тгшеша м МеЬе1а
в НуаЬзрЬеша
Рис. 1 Состав эдафического комплекса сообщества раковинных амеб
Численность дождевых червей на первом участке составила 8 экз./кв. м. В почвах второго участка дождевых червей не обнаружено, но отмечается большое количество нематод. Увеличение численности нематод свидетельствует об ухудшении условий среды. При сравнении сообществ раковинных амеб контрольного и наиболее нарушенного (150 м от места складирования гальванического шлама) промышленным воздействием участков отмечено значительное снижение численности и видового разнообразия.
В почвах первого и второго участков доминируют представители родов Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis. В результате проведенных исследований выделить наиболее устойчивые виды раковинных амеб, относящихся к родам Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis, и менее устойчивые - ^г^^п, Trinema, Hyalosphenia, Nebela.
Изучение сезонной динамики изменения содержания тяжелых металлов в почве на различном расстоянии от золоотвала. Исследования проводились с мая по сентябрь 2014 г. Пробы отбирались на 4-х участках. На расстоянии 1000 и 3000 м ведутся посевные работы. Анализ численности раковинных амеб и видового состава проводился методом прямого микроскопирования водной суспензии почвы [3, 4]. Содержание тяжелых металлов ^п, Cd, Pb, в почве определяли методом инверсионной вольтамперометрии. Результаты исследований представлены в табл.4, табл.5, табл.6, табл.7.
Таблица 4
Сезонная динамика изменения содержание тяжелых металлов в почве
на расстоянии 100м от золотвала
Cd, мг/кг Zn, мг/кг РЬ, мг/кг Си, мг/кг
02.05.2014г 0,061 35 28 20
02.06.2014г 0,059 37 28 23
02.07.2014г 0,08 56 29 36
02.08.2014г 0,11 61 29 59
02.09.2014г 0,12 98 31 70
Таблица 5
Сезонная динамика изменения содержание тяжелых металлов в почве
на расстоянии 300м от золотвала
Cd, мг/кг Zn, мг/кг РЬ, мг/кг Си, мг/кг
02.05.2014г 0,0021 1,7 1,1 0,8
02.06.2014г 0,0021 1,7 1,3 0,9
02.07.2014г 0,054 3,0 1,3 1,1
02.08.2014г 0,1 5,8 1,5 1,35
02.09.2014г 0,1 6,5 1,6 4,2
Таблица 6
Сезонная динамика изменения содержание тяжелых металлов в почве на расстоянии 1000м от золотвала
Cd, мг/кг Zn, мг/кг РЬ, мг/кг Си, мг/кг
02.05.2014г Элемент не обнаружен 1,1 0,58 0,69
02.06.2014г 0,0019 1,2 6,3 1,2
02.07.2014г 0,038 2,7 6,5 1,56
02.08.2014г 0,089 3,2 6,6 2,9
02.09.2014г 0,12 5,6 6,6 3,8
Таблица 7
Сезонная динамика изменения содержание тяжелых металлов в почве на расстоянии 3000м от золотвала
Cd, мг/кг Zn, мг/кг РЬ, мг/кг мг/кг
02.05.2014г Элемент не обнаружен 1,1 0,44 0,59
02.06.2014г 0,0021 1,05 0,41 0,75
02.07.2014г 0,0042 1,38 0,52 0,68
02.08.2014г 0,07 1,94 2,07 3,05
02.09.2014г 0,11 2,7 3,5 4,9
Результаты исследований почв показали, положительную сезонную динамику изменения содержания тяжелых металлов, что, скорее всего связанно с изменением среднесуточной температуры с мая по август, которое способствует увеличению скорости миграции тяжелых металлов в почве.
Результаты исследований, представленные в табл.8, позволяют заметить изменение численности раковинных амеб с увеличением расстояния от золоотвала. Наименьшая численность наблюдается на расстоянии 100 м от золоотвала, что обусловлено повышенным содержанием тяжелых металлов в почве (по цинку и меди превышение более, чем в 20 раз, по свинцу, кадмию - в 25 раз).
Наиболее выраженные снижения численности наблюдается на расстоянии 100 м, в пробах данного грунта отмечается снижение показателей на 83% по сравнению с участком, расположенным на расстоянии 3000 м.
Таблица 8
Сезонное изменение численности раковинных амеб на различном расстоянии от золоотвала
Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 4
02.05.2014г 1201±540 3296±680 10627±780 14489±390
02.06.2014г 2010±340 3703±225 11710±370 17200±610
02.07.2014г 2660±290 4190±310 12300±670 19700±480
02.08.2014г 3050±475 5041±270 13000±520 22100±510
02.09.2014г 3770±570 5464±233 13815±440 22600±230
х ± т - среднее ± доверительный интервал, при ^ > 0,95
Изучение содержание тяжелых металлов в дождевых червях на различных расстояниях от золоотвала. Для оценки негативного влияния ТМ на педобионтов были отобраны пробы на 5-ти участках. Дождевые черви обнаружены на 3-х участках. Содержание тяжелых металлов ^п, Cd, Pb, в дождевых червях определяли методом инверсионной вольтамперометрии. Результаты исследований, представленные в табл.9, позволяют заметить, что содержание ТМ в дождевых червях присутствует на каждом участке.
Таблица 9
Содержание тяжелых металлов в дождевых червях
Zn, мг/кг С^ мг/кг РЬ, мг/кг Си, мг/кг
30м 64 0,92 1,2 -
300м 1200 0,083 2,7 -
1000м 255 1,9 0,98 -
Изучение содержания тяжелых металлов в растениях на различных расстояниях от золоотвала Для выявления закономерностей распределения содержания ТМ в растениях, зоны объектов размещения отходов прилегающих к сельскохозяйственной территории, отобрали пробы (разнотравье), высушивали и проводили анализ. Работы проводились летом 2014 года. Пробы отбирались на 5 -ти участках. Содержание ТМ обнаружено на всех 5-ти анализируемых участка. Содержание тяжелых металлов ^п, Cd, Pb, в растениях определяли методом инверсионной вольтамперометрии. Результаты представлены в табл.10.
Таблица 10
Содержание тяжелых металлов в растениях
Zn, мг/кг С^ мг/кг РЬ, мг/кг Си, мг/кг
30м 14 0,05 0,71 3,5
100м 10 0,020 0,38 2,7
300м 6 0,22 0,25 2,2
1000м 5,7 0,8 0,077 1,7
3000м 2,3 1,2 0,0063 1,2
Результаты исследований показали, что содержание Zn, Pb, ^ уменьшается с увеличением расстояния от гидрозолоотвала. Наибольшее содержание этих металлов обнаружено на участке №1. Для кадмия наблюдается
SCIENCE TIME
обратная динамика. Наибольшее содержание Сё было отмечено на участке №5, а наименьшее обнаружено на участке №1.
Таким образом, увеличение содержания ТМ в почве ведет к возрастанию концентрации в растениях. Наибольшую опасность загрязнения представляют те ТМ, которые необходимы растениям как микроэлементы. К ним в первую очередь относится Сё, РЬ, Си. Содержание этих элементов было обнаружено так же на посевных угодьях (участок №4 и №5), вследствие этого происходит замедление роста и снижение продуктивности сельскохозяйственных культур, которые там растут.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- метод атомно-эмиссионной спектрометрии показал, что золошлаковые отходы ТЭЦ ООО «Юргинский машзавод» содержат такие тяжелые металлы, как свинец, медь, цинк и кадмий;
- проведенные исследования выявили изменения в структуре сообществ раковинных амеб, что позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов для оценки состояния антропогенно-нарушенных почв с различным содержанием
- результаты исследований почв показали, положительную сезонную динамику изменения содержания тяжелых металлов, что, скорее всего связанно с изменением среднесуточной температуры с мая по август, которое способствует увеличению скорости миграции тяжелых металлов в почве;
- проведенные исследования выявили содержание тяжелых металлов в растениях и дождевых червях на изучаемых участках, что говорит о миграции тяжелых металлов в исследуемые объекты.
Литература:
1. Формы нахождения тяжелых металлов в воде и накопление их рыбами в условиях тепловодного выращивания / Н. Ю. Евтушенко, Ю.М.Сытник, Н. Н. Осадчая // Материалы 2-й Всес. конф. «Общие вопросы промышленной токсикологии»: токсикология. - СПб., 1991.- С.178-179
2. Князев С. Ю. Оценка влияния поллютантов Омского нефтеперерабатывающего завода на окружающую среду с помощью почвенной мезофауны // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2014. Т. 19. № 5. С. 1304-1306.
3. Почвенные раковинные амебы и методы их изучения / Ю. Г. Гельцер, Г. А. Корганова, Д. А. Алеексеев. - М.: Наука, 1985. - 79 с.
4. Пресноводные раковинные амебы / Ю. А. Мазей, А. Н. Цыганов. - М.: Наука, 2006. - 300 с.
ТМ;
