CC BY
156
УДК 550.47
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 2
И. И. Подлипский
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ ПОЛИГОНА БЫТОВЫХ ОТХОДОВ (г. ПИТКЯРАНТА, РЕСПУБЛИКА КАРЕЛИЯ)
Введение
Свалки и полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), находящиеся на разных фазах жизненного цикла, различные по морфологическому составу и объему отходов, площади захоронения, высоте и герметичности тела, распространены повсеместно и занимают большие территории. Захоронение ТБО всегда сопровождается долговременными эмиссиями загрязняющих веществ и безвозвратной потерей вторичных материальных ресурсов.
Основной целью настоящего исследования, проведенного в период с 10 июня 2010 г. по 20 августа 2011 г., является геоэкологическая оценка состояния территорий, прилегающих к зоне складирования отходов, по вторичным геохимическим и биогеохимическим ореолам рассеивания тяжелых металлов (ТМ) ^п, Си, РЬ, N1). Объектом исследования является эколого-геологическая система полигона г. Питкяранта (Республика Карелия).
Наиболее распространенным подходом к оценке экологического состояния природной среды является сбор и анализ информации о количественном содержании в ней различных загрязнителей, в том числе химических веществ, относящихся к разряду токсикантов, и сравнение аналитически установленных показателей содержания химических веществ с регламентированными уровнями ПДК [1]. Однако нормативы имеются только для ограниченного числа химических соединений. Кроме того, недостаточно изученной остается проблема интегрального воздействия смесей химических веществ, в частности, тяжелых металлов на биотические и абиотические компоненты окружающей природной среды. В этой связи перспективным методологическим подходом представляется совместное использование геохимических, гидрогеохимических и биогеохимических методов определения концентраций загрязнителей в компонентах природной среды, а также методов биоиндикации и биотестирования [2]. Такой научно-методологический подход был реализован в настоящей работе для получения комплексной информации об экологическом воздействии полигонов ТБО на состояние окружающей среды, включая прилегающие к полигонам территории.
Для рациональной реализации описанного подхода полигон ТБО был рассмотрен автором как эколого-геологическая система [3]: «зона складирования (свалочное тело) — окружающая среда (прилегающие территории)», представляющая собой совокупность абиотических элементов литогенной сферы и биоты, включая человека, находящихся в функциональных отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность и единство [4]. В таких системах центральную часть представляет природно-техногенное геологическое тело, сложенное техногенным биогеохимически
Подлипский Иван Иванович — канд. геол.-минерал. наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: primass@inbox.ru © И. И. Подлипский, 2013
активным грунтом, процессы трансформации которого приводят к загрязнению окружающей природной среды жидкими, газообразными и твердыми продуктами разложения и компонентами свалочного грунта (отходов).
Материал и методы
Изучаемый полигон расположен в 25 км от г. Питкяранта (Республика Карелия, Питкярантский р-н). Техническая документация на данный полигон отсутствует, предположительное время начала эксплуатации — 1970 г. Полигон представляет собой неорганизованную свалку разнородных отходов, находящуюся на территории леса. По результатам проведенного визуального осмотра свалочное тело полигона является бытовыми и муниципальными отходами, местами пересыпанными строительным мусором.
Территория, прилегающая к полигону, с юго-восточной стороны сильно заболочена с открытым зеркалом воды (глубина не более 1 м); с юга и юго-запада зоны складирования находится также заболоченная область, но с другим растительным сообществом (доминантный вид — тростник обыкновенный (Рктцт^ а^га&)); с севера и северо-запада свалочное тело непосредственно граничит со смешанным (преимущественно хвойным) влажным лесом (рис. 1).
Рис. 1. Характеристика участка проведения исследований и описание сети опробования:
1 — хозяйственные постройки, 2 — зона складирования, 3 — трасса А-90, 4 — открытое зеркало воды.
Для оценки состояния почво-грунтов была создана равномерная сеть пробоотбо-ра, состоящая из 34 профилей с шагом 10 х 10 м (рис. 1). Отбор почво-грунтов и про-боподготовка производилась согласно ГОСТ № 28168-89. Для изучения латеральной миграции ТМ точки опробования были размещены по профилям катенарных сопряжений ландшафтов [5], в пристволовых парцеллах древесных растений.
Биоиндикаторная оценка состояния среды на прилегающих к зоне складирования территориях осуществлялась с использованием метода аккумулятивной фитоин-дикации, основанного на анализе показателей накопления загрязнителей (в данном
случае — тяжелых металлов) в органах растений [1]. В качестве фитоиндикаторов были выбраны, с учетом доступности и возможности их сбора, широко представленные виды однолетних травянистых растений. Отбор проб растений проводился одновременно с отбором литогенной составляющей, причем корни и побеги фиксировались по отдельности. Анализ был проведен на содержание тех же ТМ, что и в почво-грунтах (РЬ, Си, Zn, N1) атомно-абсорбционным методом на ААБ-3.
Радиометрическое обследование системы «свалочное тело — прилегающие территории» (у-съемка) выполнялось в виде пешеходной гамма-съемки прибором СРП-97 по Z-образному профилю с шагом 10 м, согласно общепринятой методике. Работы по измерению радиоактивности проводились в рамках учебной полевой практики в июле 2011 г.
Для оценки интенсивности биогеохимических процессов распада органомине-ральной массы ТБО свалочного тела проводились замеры температурного режима в приповерхностном слое отходов на территории зоны складирования с помощью рН-метра — «рН-410» с электродами для измерения температурных характеристик. Всего произведено 323 замера.
Результаты и их обсуждение
По результатам работы получены данные о радиометрической обстановке, температурном режиме, отобрано 460 проб почво-грунтов, 708 проб растений, 5 проб смешанных ТБО. Проведено 56 замеров "у-поля и 323 температурных измерений.
Работы выполнены в период с 2003 по 2011 г. (в рамках учебно-производственной эколого-геологической практики студентов СПбГУ), был рассчитан региональный радиационный фон, равный 15 ± 1 мкР/ч. На полигоне и прилегающих территориях превышения фона не зафиксировано, гамма-поле однородно, техногенных и природных аномалий не зафиксировано.
Полученные данные, по результатам проведенных измерений температурного режима, свидетельствуют о том, что процессы биохимического разложения на территории зоны складирования полигона протекали с крайне низкой скоростью. Средние значения температуры смешанных техногенных грунтов соответствуют температуре воздуха окружающей среды (22,3°С). Квартиль (75%) не превышает 24°С. Локальные участки повышения температуры могут быть связаны с глубоко залегающими зонами горения.
Низкая активность биогеохимических процессов разложения возможно связана с малой долей легкодоступного (легко биодеградируемого) органического вещества, захораниваемого на полигоне, а также с постоянно протекающими пожарами, вследствие чего вся потенциально горючая часть полностью выгорала.
При геоэкологической оценке состояния системы «свалочное тело — прилегающие территории» в качестве основного контролируемого параметра загрязнения было выбрано содержание тяжелых металлов (РЬ, Си, Zn, N1) в компонентах окружающей природной среды. Установленные в ходе исследования диапазоны концентраций тяжелых металлов в почвах и грунтах прилегающих территорий, а также фоновые концентрации этих металлов для почв приведены в табл. 1.
Анализ данных свидетельствует о том, что содержание основных загрязняющих металлов в почвах снижалось в ряду Си>РЬ>№^п, что в целом соответствовало ха-
Таблица 1. Результаты обследования почво-грунтов прилегающих территорий зоны
складирования ТБО (мг/кг)
ХЭ Природный фон* Ср. Мин. Макс. Квартиль Станд. откл-ие
25% 75%
РЬ 22±4 31,1 <10 178,0 <10 40 25,32
N1 28±4 42,6 <20 652,0 <20 49 46,16
Си 15±3 44,8 <10 403,0 11 61 39,32
2п 36±5 148,1 <10 1555,0 47 203 159,49
* — с учетом расчетной погрешности.
рактеру распределения концентраций указанных тяжелых металлов в жидкой фазе ТБО [3, 4]. Концентрации отдельных тяжелых металлов на обследованных территориях имели достаточно широкие диапазоны. По величине вариации (стандартное отклонение) содержания исследуемые металлы можно расположить в ряд Zn (159,4) > N1 (46,2) > Си (39,3) > РЬ (25,3) (см. табл. 1). Установленный факт высокой степени вариации содержаний Zn может свидетельствовать о постоянном (непрерывном) поступлении в почво-грунты (поверхностные и подземные воды) новых порций этого элемента (скорее всего в виде раствора в составе жидкой фазы ТБО).
Среднеарифметические значения содержаний всех элементов, рассчитанные без учета аномально высоких концентраций, также превышают фоновые значения для РЬ в 1,4 раза, для N1 в 1,5 раза, для Си в 2,9 раза и для Zn в 4,1 раза. Данные статистической обработки показывают, что 75% выборки по всем исследованным элементам превышают фоновые значения в несколько раз (см. табл. 1), что свидетельствует о высокой степени комплексной негативной техногенной нагрузки на прилегающие территории.
С целью оценки степени полиэлементного загрязнения прилегающих к зоне складирования ТБО территорий был рассчитан индекс суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами ^с), при расчете которых в качестве фоновых были взяты концентрации контролируемых металлов в зональных почвах, находящихся вне сферы локального антропогенного воздействия. Согласно существующих нормативов [6], при Zc менее 16 у.е. почва относится к категории «допустимого» загрязнения, 16-32 — к «умеренно опасной», 32-128 — к «опасной», более 128 — к «чрезвычайно опасной» (рис. 2).
Схема, отражающая распределение показателя Zc для почво-грунтов в зоне городского полигона (г. Питкяранта), свидетельствует, что загрязнение почв и грунтов в основном не выходит за пределы умеренно опасных значений ^с = 16-32). При этом участки с Zc = 32-128 расположены в западном и юго-восточном направлении, что согласуется с общим уклоном местности и направлением движения потока поверхностных и подземных вод, и стекают в Ладожское озеро.
При характеристике состояния системы полигона ТБО были выделены несколько зон различной степени полиэлементного загрязнения (рис. 2):
Участок 1. Характеризуется наибольшими по площади территориями со значениями Zc > 32 («опасная» категория загрязнения) и связанными с преимущественным направлением миграции поллютантов и естественным уклоном местности.
Рис. 2. Схема распределения Zc на прилегающих к зоне складирования территориях.
Участок 2. При исследовании территории было установлено наличие геохимической аномалии со значениями 7с > 32 («опасная» категория загрязнения), происхождение которой может быть связано с подпором потока грунтовых и поверхностных вод (уклон в западном направлении). Сформировавшаяся область повышенных содержаний (юго-восточная часть прилегающих территорий) формировалась в несколько этапов: вначале эта территория представляла собой зону уменьшения интенсивности механической поверхностной миграции, затем, за счет постоянного подтопления и постепенного исчезновения древесной растительности, произошло формирование заболоченного биоценоза (доминантный вид тростник обыкновенный (Phragmites australis)). В пределах таких экосистем происходит консервация поступающих поллю-тантов за счет связывания со слаборазложившимися органическими веществами (физико-химический геохимический барьер).
Участок 3 представляет собой подчиненный элементарный ландшафт [7], являющийся частью каскадной системы; дорожная насыпь трасы А-130 представляет собой зону механического геохимического барьера, приводящую к уменьшению скорости миграции и аккумуляции потоков вещества с элювиального ландшафта, расположенного выше по склону в северо-восточном направлении. Выделенный автономный ландшафт имеет меньшую по мощности почву и, как следствие, более высокие содержания исследуемых элементов, источником которых являются материнские кристаллические горные породы, представленные гранитами рапакиви.
Для количественной оценки интенсивности биоаккумуляции тяжелых металлов в корнях и побегах было выбрано три вида травянистых растений: хвощ полевой (Equisetum arvense L. ), грушанка круглолистная (Pyrola rotundifдlia L), частуха обыкновенная (Alisma plantago-aquatica).
В связи с разнородностью ландшафтных условий на прилегающих к зоне складирования территориях, сформировавшихся после образования полигона, в окружающей лесной зоне представлены: сильно заболоченные участки с открытым зеркалом воды (западная часть), территории гарей с вновь сформировавшимся растительным травянистым покровом (южная и юго-восточная часть) и лесные угодья с естественной слабо измененной растительностью.
В период рекогносцировочных работ возникла проблема при выборе подходящего (представленного повсеместно) объекта (вида растений) для биоиндикационных исследований, поскольку ни один из выбранных видов травянистых растений не покрывает участок исследования полностью. Среди отобранных видов хвощ полевой был представлен в наибольшем количестве точек опробования.
Анализ выбранных видов растений на содержание тяжелых металлов выявил наличие положительной корреляции между повышенными уровнями концентраций в почво-грунтах, примыкающих к зоне складирования, и уровнями соответствующих тяжелых металлов в органах произрастающих на них растений и в их корнях (для Гру-шанки круглолистной по содержанию РЬ, N1 и Zn; для Частухи обыкновенной по содержанию Си, N1 и Zn и для Хвоща полевого по содержанию всех исследованных тяжелых металлов).
В подавляющем большинстве опробований содержание металлов в корнях растений снижалось в ряду РЬ > Си > N1 > Zn (табл. 2), что отвечало общим, установленным закономерностям количественного распределения содержания тяжелых металлов в почво-грунтах (см. табл. 1).
Таблица 2. Средние значения содержания тяжелых металлов в растениях (мг/кг)
Элемент Грушанка Частуха Хвощ
корень побег корень побег корень побег
РЬ 13,8 10,7 20,7 25,5 18,8 10,1
N1 22,0 32,3 65,4 20,0 26,0 28,4
Си 21,6 17,1 33,1 39,5 27,1 17,0
2П 32,9 15,1 152,2 53,5 30,9 13,2
Важным количественным критерием значимости растения как аккумулятивного биоиндикатора и одновременно активного участника биогеохимических процессов на загрязненных территориях является величина коэффициента биологического накопления (КБН) металлов в системе почва/корень [8], который рассчитывали по формуле КБН=А/В, где А — содержание металла в биомассе корня (мг/кг), В — содержание металла в почве (мг/кг) [1].
Было показано, что на большей части обследованных территорий величины КБН металлов в корнях удерживались в относительно узких пределах, исключением являются значения для Zn (8,5-18,6). Наибольшей степенью накопления тяжелых металлов характеризуются Частуха обыкновенная и Хвощ полевой: 25% генеральной совокупности КБН по всем элементам превышает единицу (табл. 3).
По методике, описанной в работе Р. Р. Брукса (1986), в качестве основного показателя выбора растения для проведения биогеохимических работ является номинальное
Таблица 3. Коэффициенты биологического накопления (мг/кг)
Элемент Среднее Размах вариации Квартиль (25%) Квартиль (75%) Ст. откл.*
Грушанка круглолистная
Pb 0,55 2,42 0,25 0,84 0,46
Ni 0,75 1,74 0,43 1,00 0,34
Cu 0,84 4,80 0,23 1,21 0,98
Zn 1,06 12,07 0,13 0,75 2,20
Частуха обыкновенная
Pb 1,00 5,79 0,36 1,19 1,01
Ni 1,27 12,14 0,40 1,00 2,26
Cu 0,94 5,32 0,37 1,12 0,96
Zn 3,04 18,64 0,56 4,19 4,19
Хвощ полевой
Pb 0,94 6,69 0,38 1,00 0,99
Ni 0,83 2,23 0,44 1,00 0,43
Cu 0,89 4,05 0,35 1,00 0,90
Zn 0,75 8,49 0,22 0,84 1,25
* Выделены минимальные значения стандартных отклонений различных элементов трех видов растений.
значение стандартного отклонения коэффициента биологического накопления. Это связано с тем, что эффективность биогеохимического исследования, в конечном счете, зависит от постоянства значения КБН, то есть от постоянства и однородности совокупности значений. По результатам анализа значений стандартного отклонения (см. табл. 3) индикаторных для полигонов ТБО элементов (прежде всего Zn и Cu) [9] было установлено, что для мониторинговых биоиндикационных работ при оценке степени загрязнения прилегающих к зоне складирования природных территорий рационально использовать Хвощ полевой.
Дополнительным обоснованием выбора хвоща в качестве биоиндикатора являются следующие положения.
1. Элементный состав конкретного организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места обитания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин. В процессе эволюции, смены поколений этот состав закрепляется наследственностью и приобретает черты относительных биогеохимических констант — содержание химических элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (семейства, класса и т. д.) [10, 11]. Группы растений, сформировавшихся в определенных эдафических и географических условиях, характеризуются более однородным накоплением элементов. Так, Хвощ полевой (как и весь отдел Хвощевидные) является ярким представителем растений, приспособленных к гумидным условиям (преобладание кислых влажных почво-грунтов), энергично накапливающих
катионогенные микроэлементы (РЬ, Zn, Си, N1, Со и др.) и слабее — анионогенные (Мо, V, Сг, Аз и др.). Такие растения А. Д. Айвазян [10] предложила именовать гумидокатны-ми. Таким образом, можно говорить о некой «биогеохимической памяти видов» растений и на основании этого разработать классификацию, посредством которой можно выбрать наиболее подходящие виды растений для биогеохимических исследований на определенной территории.
2. Хвощ полевой является многолетним растением с зимующим корневищем, на котором в течение одного вегетационного периода последовательно вырастают два вида побегов: спороносный ранней весной и вегетативный в летний период. В связи с этим за тот же период времени через организм растения (корневище) «прокачивается» больший объем воды с растворенными в ней веществами и элементами. Раннее начало вегетации приводит к превалирующему использованию растениями талых вод, накопивших за продолжительный зимний период большое количество аэрогенных поллютантов. Кроме того, глубина распространения корней (наиболее активной их зоны) достигает 1-2 м [12], тем самым при неглубоком нахождении грунтовых вод, как, например, на исследуемом участке, возможна оценка распространения не только литохимических, но и гидрохимических аномалий.
Заключение
В настоящей работе проведена геоэкологическая оценка состояния окружающей среды, как части эколого-геологической системы полигона ТБО г. Питкяранта (Республика Карелия) — «зона складирования — прилегающие территории», на основе изучения лито- и биогеохимических вторичных ореолов рассеивания:
• определены границы распространения зоны аномальных концентраций ТМ в поверхностном слое почво-грунтов, выявлены несколько зон (участков) с различными геохимическими условиями, приводящими к накоплению или рассеиванию исследуемых элементов;
• проведена оценка степени проявления биогеохимической аномалии на прилегающих к зоне складирования территориях;
• определен наиболее представительный вид травянистых растений для целей биоиндикационных работ.
Результаты настоящего исследования могут быть использованы в области нормирования антропогенной нагрузки на состояние компонентов окружающей природной среды как на территории Республики Карелия, так и за её пределами.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 08-05-00719. Литература
1. Куриленко В. В., Осмоловская Н. Г. и др. Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем / под ред. В. В. Куриленко. СПб.: Изд-во СПбГУ 2004. 448 с.
2. Куриленко В. В., Осмоловская Н. Г. Эколого-биогеохимическая роль макрофитов в водных экосистемах урбанизированных территорий (на примере малых водоемов Санкт-Петербурга) // Экология. 2006. № 3. С. 163-167.
3. Подлипский И. И. Эколого-геологическая характеристика полигонов бытовых отходов и разработка рекомендаций по рациональному природопользованию: автореф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. СПб.: Изд-во СПбГУ 2010. 24 с.
4. Подлипский И. И. Полигон бытовых отходов как объект геологического исследования. // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2010. Вып. 1. С. 15-31.
5. Лисецкий Ф. Н. и др. Аккумуляция ТМ в растениводческой продукции зоны техногенеза // Вестн. ОГУ 2008. №10 (92). С. 142-149.
6. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. и др. Геохимия окружающей среды. М.: «Недра», 1990. 335 с.
7. Полынов Б. Б. Избранные труды / под ред. И. В. Тюрина, А. А. Саукова; вступ. ст. А. И. Перельмана. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 751 с.
8. Ковалевский А. Л. Биогеохимия растений. Новосибирск: «Наука», Сиб. отд., 1991. 288 с.
9. Подлипский И. И., Куриленко В. В. Определение маркерного показателя разлива жидкой фазы полигона ТБО / Материалы IX межвузовской молодежной науч. конф. «Школа экологической геологии и рационального недропользования». СПб.: Изд-во СПбГУ, 2008. С. 286-287.
10. Айвазян А. Д. Геохимическая специализация флоры Алтая: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. М.: Изд-во МГУ, 1974. 21 с.
11. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. М.: Изд-во МГУ, 1999. С. 64-66.
12. Жизнь растений. Т. 4. М.: Просвещение, 1977. 512 с.
Статья поступила в редакцию 24 декабря 2012 г.
