CC BY
16
Раздел 02.00.01
Неорганическая химия
УДК 577.4(471.50) DOI: 10.17122/bcj-2021-2-87-89
Л. А. Баранова (к. с-х.н., доц.)
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ГОРОДА ТЮМЕНИ
Государственный аграрный университет Северного Зауралья,
кафедра общей химии имени И.Д.Комиссарова 625003 г. Тюмень, ул. Республики, 7; e-mail: acadagro@mail.ru
L. A. Baranova
CHEMICAL ELEMENTS AND THEIR COMPOUNDS IN THE ENVIRONMENT OF TYUMEN
State Agricultural University of North Saural 7, Respubliki Str., 625003 Tyumen, Russia; e-mail: acadagro@mail.ru
Представлен анализ состава выбросов от ТЭЦ и автотранспорта г. Тюмени. Изучено территориальное распределение оксидов азота (N0, N0^, серы (302) и углерода (СО), сероводорода (И25), кислотность талых вод. Показано, что ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 характеризуются серно- и азотнокислыми классами воздействия дымовых выбросов в атмосферу, а химический состав почв вокруг ТЭЦ характеризуется нитратными, марганцевыми, хромовыми, свинцовыми и ванадиевыми положительными аномалиями и избытком тяжелых металлов. Наиболее интенсивно в почве вокруг ТЭЦ-2 происходит накопление никеля и кобальта.
Ключевые слова: водородный показатель; загрязняющие вещества; кларки концентрации; мониторинг; предельно-допустимые концентрации; теплоэлектроцентрали; тяжелые металлы.
В течение нескольких десятилетий ученые занимались химическим мониторингом атмосферного воздуха, почвы и растений в различных регионах Российской Федерации. Как известно, источниками загрязняющих веществ во всех регионах являются ТЭЦ, промышленные и строительные предприятия, автотранспорт, мусорные свалки, сжигание природного газа, добыча нефти, хранение буровых отходов, выветривание горных пород. Авторы научных работ пользуются методом снегосъемки в зимнее время, а летом анализируют образцы почв и растений. Химический анализ образцов проводится методами атомно-абсорбционной спектроскопии и спектральным анализом.
Целью настоящей работы была комплексная оценка химического мониторинга состоя-
Дата поступления 07.09.20
The analysis of the composition of emissions from thermal power plants and vehicles in Tyumen is presented. The territorial distribution of nitrogen oxides (NO, NO2), sulfur (SO2) and carbon (CO), hydrogen sulfide (H2S), and the acidity of melt water has been studied. It is shown that CHPP-1 and CHPP-2 are characterized by sulfur and nitric acid classes of impact of smoke emissions into the atmosphere, and the chemical composition of soils around the CHPP is characterized by nitrate, manganese, chromium, lead and vanadium positive anomalies and an excess of heavy metals. The most intense accumulation of nickel and cobalt occurs in the soil around CHPP-2.
Key words: clarke concentration; combined heat and power plants; heavy metals; hydrogen index; maximum permissible concentration; monitoring; pollutants.
ния атмосферы, почвы и растений на территории одной из крупнейших ТЭЦ-2 г. Тюмени в сравнении с контролем (экологически чистая территория курорта «Тараскуль») и ТЭЦ-1.
Материалы и методы
ТЭЦ-2 является моноисточником выбросов, поэтому применяется радикально-лучевой способ отбора проб. Особое внимание уделяется направлению преобладающих ветров Вокруг ТЭЦ-2 пробы снега были отобраны по восьми направлениям в период, предшествующий начало снеготаяния, а весной и летом — образцы почв и растений. Материал измельчался и анализировался на 88 химических элементов.
Отбор проб снега производился пластмассовой трубкой с делениями для замера высоты снежного покрова. Высота трубки 1.00м, пло-
щадь поперечного сечения 78.5 см2. Снежный керн выталкивался из трубки деревянным поршнем в полиэтиленовые двойные пакеты. На каждой точке отбиралось по пять колонок снега с площади 1м2 в один общий для данной точки пакет, т.е. отбиралась средняя проба. Объем талой воды, полученной от каждой точки, составлял 1.5—2.0 л.
Для лабораторного анализа все пробы снега были растоплены и отфильтрованы. Чистые сухие фильтры предварительно взвешивались. В фильтрате определяли рН, концентрации ионов К+,№+, Са2+, Б042-^03-.
рН определяли с помощью потенциометра рН-340, концентрации К+, Ка+, Са2+ — на пламенном фотометре ПФМ, содержание нитрат-ионов — ион-селективным электродом потен-циометрическим методом. Методом атомно-аб-сорбционной спектроскопии «МГА-915» согласно ГОСТ-30178-96 и 96029-84 в фильтрате определяли содержание Си, 2п, N1, Мп, Мо. Фильтры высушивались до воздушно-сухого состояния и взвешивались. Полученная разница в весе давала количество минеральной пыли, осевшей на фильтре. Затем фильтры были озолены и снова взвешены для определения состава минеральной пыли методом спектрального анализа на 18 химических элементов: Мп, Т1, Сг, Ве, У, Бе, Ва, Бг, N1, Со, Мо, Си, РЬ, УЬ, Оа, 2г, Ы, Л, а образцы почв и растений на 88 химических элементов.
Результаты и их обсуждение
ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 характеризуются слабокислым серно- и азотнокислыми классами воздействия дымовых выбросов на атмосферу.
Распределение рН вокруг ТЭЦ-2 имеет следующие особенности: в направлении границ города рН имеет минимальные значения. Высокие показатели характерны в районе воздействия предприятий строительного комплекса. К югу от города и ТЭЦ-2 талые воды слабокислые, с показателями рН от 5.0 до 6.0. Содержание макроионов К+, Са2+, Б042-, N03 к северу и к югу от ТЭЦ-2 составляли для
- 7-8, Са2+ - 2-4, К+ - 3-10, Б042-- 313, N03- - 1-3 мг/л. Основное количество ионов К+, Са2+ локализовано в зоне воздействия предприятий строительного комплекса. В радиусе 1.5-3.0 км содержание N03 невелико (до 3 мг/л), что связано с прямым воздействием выбросов ТЭЦ-2. Максимальные концентрации ионов Б042- в талой воде наблюдались к северу от ТЭЦ-2, что связано с предприятиями юго-восточного промузла. Наобо-
рот, в зоне строящихся коттеджей, к западу от ТЭЦ-2 концентрация сульфатов и нитратов небольшая и составляла 2.0-2.4 мг/л. Содержание минеральной пыли в снежном покрове составляли от 20 до 140 мг/л.
В качестве фона нами была выбрана территория, вблизи курорта «Тараскуль», находящийся в 35 км к юго-западу от ТЭЦ-2. С увеличением техногенной нагрузки по направлению «Тараскуль» - ТЭЦ-2 происходит постепенное подщелачивание талых снеговых вод. КК ионов К+, Са2+ в 1.2-1.8 раза
больше, чем в «Тараскуле». Концентрация ионов Б042- в талой воде вокруг ТЭЦ-2 в 3.5 раза больше, чем в фоновых условиях. По содержанию ионов N03 контраст менее заметен.
Таблица 1
Среднее содержание и кларки концентрации (КК) ионов, мг/л
Ионы ТЭЦ-2 КК Курорт «Тараскуль» КК
К+ 12.10 1.34 9.00 1.0
Na+ 26.00 1.77 14.70 1.0
Ca2+ 7.50 4.69 1.60 1.0
SO42- 8.70 3.48 2.50 1.0
NOз- 3.01 0.76 3.95 1.0
По сравнению с фоновой территорией вокруг ТЭЦ-2 накапливаются N1, Мп, что можно объяснить влиянием промышленных предприятий и транспорта (табл. 2).
Таблица 2
Среднее содержание и КК тяжелых металлов в талой воде, мг/л
Элементы ТЭЦ-2 КК Курорт Тараскуль» КК
^ 0.010 1.00 0.010 1.0
Zn 0.023 0.85 0.027 1.0
Pb 0.002 1.0 0.002 1.0
М 0.003 1.50 0.002 1.0
Mn 0.018 1.20 0.015 1.0
На территории вокруг ТЭЦ-2 в почвенных образцах обнаружены N1, Сг, Со, Си, Мо и др. Концентрации этих элементов находятся в пределах кларков. Наиболее интенсивно вокруг ТЭЦ-2 происходит накопление N1 и Со. Химические элементы образуют следующий убывающий ряд: Со2.0>№!.6>Си!.5>Сг0.45. Аккумуляция кобальта приурочена к почвам, находящимся в зоне воздействия юго-восточного промузла. Наибольший интерес представляет территориальное распределение ванадия -спутника техногенно загрязненных ландшафтов. Его концентрация превышает кларковый уровень в 1.5-2.0 раза в зоне воздействия промышленных предприятий. Ванадий имеет большую подвижность при рН от 5.5 до 9.5. Почвы вокруг ТЭЦ-2 относительно бедны марганцем, но, тем не менее, его содержание 2-5 раз больше его кларка (табл. 3).
Таблица 3
Содержание элементов в почвах вокруг ТЭЦ-2, мг/кг
Химиче- Содержание Средне- Средне- Коэффици-
ские max min арифмети- квадра- ент вариа-
элементы ческое тичное ции, %
Mn 1000 120 326.5 200.4 61.4
V 20 5 9.5 3.4 36.0
Ba 150 1 40.5 31.4 77.5
Sr 80 1 26.5 23.3 88.1
Таким образом, химическая ситуация почв вокруг ТЭЦ-2 характеризуется нитратными, марганцевыми, никелевыми, свинцовыми и ванадиевыми положительными аномалиями и высокой территориальной дифференциацией, отличается избытком тяжелых металлов.
Любые изменения в составе почвы и воздуха отражаются на химическом составе растений, и его анализ и интерпретация позволяют достоверно оценить химическое состояние растительности города 2. Состояние зеленых насаждений г. Тюмени оценивалось на основе фитопроб, отобранных вокруг городских ТЭЦ (табл. 4). В целом содержание цинка и свинца в древесных растениях в несколько раз больше, чем в травянистых, причем эта разница более заметна для цинка. Древесные растения вокруг ТЭЦ-1, находящейся в зоне сильного техногенного давления, содержали практически одинаковое количество цинка. Как в древесной, так и травянистой растительности содержание свинца в 2—3 раза больше на территории вокруг ТЭЦ-1. Листья древесных растений содержали свинца в 2—6 раз больше, чем надземные части травянистых растений.
В листьях березы и ивы, произрастающих вокруг ТЭЦ-1 свинца содержится в 1.5—2.0 раза больше. По содержанию цинка аналогичная картина характерна для ивы и противоположна для березы. Представительным индикатором загрязнения почв является пырей ползучий, из культурных растений — картофель (табл. 4).
Таблица 4
Среднее содержание Zn и Pb в растениях вокруг ТЭЦ-1, 10-3 %
Металл ы Береза Ива Полынь Овсяница Мятлик Пырей Картофель
Zn 5.0 32.8 2.0 0.0 5.0 7.5 8.0
Pb 5.8 4.2 0.3 0.4 0.0 2.1 0.0
Литература
1. Климат города Тюмени.— Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2013.— С.26.
2. Виноградов А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах.— М.: АН СССР, 1957.- 238 с.
По содержанию как в древесных, так и в травянистых растениях тяжелые металлы образуют следующий ряд: Си>№>Сг>Мо.
Роль урботехногенной обстановки в определении биогеохимических аномалий на территориях вокруг ТЭЦ наиболее ярко проявляется на примере березы и ивы (табл. 5). Пробы листьев березы и ивы, отобранные вокруг ТЭЦ-1 содержат хрома соответственно в 12.5 и 1.8 раза, никеля — 1.4 и 1.2 раза, молибдена — 5.0 и 1.7 раза, меди — 1.2 и 1.6 раза больше, чем аналогичные пробы, отобранные вокруг ТЭЦ-2. Такая же закономерность характерна и для травянистых растений. Наиболее она резко выражена для полыни.
Замечено также, что все растения независимо от места отбора проб содержали повышенные количества никеля и меди. В надземных органах овсяницы и картофеля, кроме того, накапливался молибден (табл. 5).
Таблица 5
Среднее содержание тяжелых металлов в растениях вокруг ТЭЦ-1, 10-3 %
Ме - Бе - Ива По- Овся- Мят- Пырей Карто-
таллы реза лынь ница лик фель
Сг 5.0 2.7 2.0 0.3 2.0 4.0 0.0
Ni 8.3 6.7 7.2 1.4 3.0 4.0 4.0
Mo 0.1 0.1 0.2 0.5 0.0 0.3 0.5
Cu 7.3 со 7.5 4.0 5.0 7.0 8.0
Из малоопасных тяжелых металлов в древесных растениях накапливаются Mn и Ba, в травянистых — в основном Mn.
Таким образом, растения вокруг ТЭЦ-1, находящейся в зоне воздействия нескольких промышленных узлов, концентрируют более широкий спектр и в большем количестве химических элементов, чем растения вокруг ТЭЦ-2, расположенной у городской черты и соседствующей только с одним юго-восточным промышленным узлом. Спектр накапливаемых растениями элементов состоит из Mn, Ba, Cu, Ni, Zn и Pb. По отдельным наиболее токсичным тяжелым металлам высокий уровень загрязненности почвенного покрова выражается вынужденном накоплении Mn, Ba, Cu, Ni, Zn и Pb городскими растениями.
References
1. Klimat goroda Tyumeni [The climate of the city of Tyumen]. St. Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2013, p. 26.
2. Vinogradov A.P. Geokhimiya redkikh i rasseyannykh khimicheskikh elementov v pochvakh [Geochemistry of rare and scattered chemical elements in soils]. Moscow: Publishing House of USSR Academy of Sciences, 1957, 238 p.
