CC BY
117
Исследование опасностей антропогенного влияния Орско-Новотроицкого промышленного узла
И.В. Чикенёва, к.б.н., Оренбургский ГПУ
Изучение последствий антропогенного загрязнения природной среды и связанного с ним техногенного накопления тяжёлых металлов (ТМ) в почвах и растениях в настоящее время приобрело исключительно важное значение для здоровья и безопасности населения. Уровень загрязнения атмосферного воздуха в значительной мере определяет состояние здоровья населения.
Неблагоприятное влияние оказывает загрязнение атмосферного воздуха различными химическими веществами в концентрациях, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК). Они обладают не только общетоксическим, но и специфическим действием, которое выражается в изменениях физиологических показателей, сдвигах физического развития. Высокая степень загрязнения воздушного пространства в Оренбургской области связана с неудовлетворительной эксплуатацией
газо-пылеулавливающих систем на многих промышленных предприятиях [1].
По уровню опасной антропогенной нагрузки на природную среду Оренбургская область находится на третьем месте среди территорий Уральского региона. Наиболее значимым в ряду опасных объектов и техногенных рисков является Орский внутриобластной экономический район, который расположен в восточной части Оренбургской области и занимает 31% от её территории. Преобладающее развитие тяжёлой промышленности (60% промышленного производства области) и её структура свидетельствуют о том, что район представляет собой типично уральский промышленный комплекс.
Ядро комплекса образует Орско-Новотроиц-кий промышленный узел, в состав которого входят города Орск и Новотроицк, а также ряд других небольших населённых пунктов, для которых характерна высокая степень техногенной нагрузки [2]. По данным Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области (2007, 2008), Орско-Новотроицкий промышленный узел является наиболее загрязнённой территорией в Оренбуржье, основу промышленного комплекса составляют восемь крупных предприятий.
Район представлен прежде всего чёрной и цветной металлургией: производством чугуна, стали, никеля, кобальта, прокатом чёрных и цветных металлов. Другая отрасль специализации — нефтепереработка, нефтехимия, производство хромовых соединений. Орско-Новотроицкий промышленный узел производит 31% всей продукции промышленности Оренбуржья, в том числе Орск — 12%, Новотроицк — 19% [2]. ТГС предприятий чёрной и цветной металлургии являются важнейшими загрязнителями окружающей среды по степени токсичности химических элементов и по объёму их выбросов. В эту группу входят: ООО «Уральская сталь» (Орско-Халиловский металлургический комбинат (ОХМК), ОАО «НОСТА»), ООО «Южполиметалл» (ОАО «Южно-Уральский никелевый комбинат» (ЮУНК), ОАО «ОРМЕТО» (Южно-Уральский машиностроительный завод), АО «ОНОС» (Орскнефтеоргсинтез). Также можно выделить ОАО «Новотроицкий завод хромовых соединений». Основными загрязнителями являются ООО «Уральская сталь» — 25,5%, ООО «Южполиметалл» (ЮУНК) — 41,9% выбросов вредных веществ от стационарных источников по области [3]. Санитарно-защитные зоны для отдельных предприятий не организованы. Чрезмерная концентрация промышленных объектов, несовершенная технология процессов очистки, разбросанность жилых массивов и близкое их расположение к промзонам приводят к тому, что окружающая среда находится под мощным
антропогенным прессом. По данным В.Ф. Протасова, ООО «Южполиметалл» является третьим из предприятий цветной металлургии, оказывающим основную нагрузку на воздушный бассейн России по объёму выбросов загрязняющих веществ (197,2 тыс. т) [4].
Мощное техногенное воздействие на природные комплексы степной зоны и живущих в них людей вызывает нарушение нормального хода процессов в биогеоценозах. В первую очередь это отражается на изменении типа и интенсивности биологического круговорота, характера почвообразующих процессов и структуры растительных сообществ. Деградация растительного покрова сопровождается изменением экологического равновесия вследствие аккумулятивного эффекта [5]. Состояние окружающей среды на изучаемой территории характеризуется как зона со сложной экологической обстановкой. В связи с этим важным является исследование современного состояния степных ландшафтов в зоне действия Орско-Новотроицкого промышленного узла.
Объекты и методы. Биологический мониторинг позволяет отследить ответную реакцию биоты на различные воздействия абиотических факторов [6]. Состояние растительных сообществ можно использовать в качестве индикатора состояния и развития биоценозов в целом, в том числе и отслеживать влияние на человека негативных факторов [7, 8].
Согласно геоботаническому районированию, изучаемая территория находится в пределах Орского округа Мугоджарско-Тургайской под-провинции Казахстанской провинции Евразийской степной области [9]. В зональном плане район исследования относится к степной зоне, подзоне типчаково-ковыльных степей [8]. Естественный растительный покров на территории исследования сохранился лишь фрагментарно, так как большая часть района подверглась трансформации за счёт строительства промышленных комплексов, распашки, выпаса скота. Сохранившаяся растительность занимает обычно местоположение, неудобное для хозяйственной деятельности человека.
Почвенный покров на исследуемой территории представлен в основном обыкновенными южными карбонатными чернозёмами, развитыми под типчаково-ковыльными сообществами. По данным санэпидслужбы, в почвах наиболее заселённых городов региона (Орск и Ново-троицк) значительно превышены допустимые концентрации солей тяжёлых металлов за счёт выбросов полютантов в атмосферу и неудовлетворительной утилизации промышленных отходов предприятий [3].
Климат исследуемой территории континентальный. Особую роль для промышленных пред-
приятий играет сила и направление ветра. Для района характерна высокая ветровая активность, продолжительность сильных ветров 15—20 дней в году, максимальная расчётная скорость — 28 м/с. Отмечается большая повторяемость западных ветров, западных направлений различной устойчивости, реже наблюдаются северо-восточные, восточные и юго-восточные ветры [2].
Низкая обеспеченность оренбургских степей влагой часто приводит к засухе, что способствует снижению устойчивости растений к загрязнениям почвы и атмосферы.
Для исследования в качестве пилотных были выбраны четыре стационарных участка, два из которых находились в непосредственной близости к промышленным предприятиям (№ 2 и № 3), один на удалении трёх км (№ 1). Контрольный участок (№ 4) был заложен в 30 км северо-западнее от промузла. Географическое положение исследуемых участков определили с помощью Garmin Quest.
Результаты исследований. Участок № 1. N 51°13.803' E 058°24.803', высота 273 м, направление 182 км. Располагается в 3 км на запад от Новотроицкого комбината (ОХМК), в 70 м севернее дороги Орск — Новотроицк. Рельеф холмисто-увалистый, с большими узкими лощинами на возвышенности. Площадка имеет уклон на северо-восток. Почва — чернозём южный маломощный глубокосолончаковый (гипсовый) на охристых глинах древней коры выветривания. Растительное сообщество — залесскоковыльно-полынково-типчаковое (Festuca valesiaca-Arte-misia austriaca-Stipa zalesskii).
Участок № 2. N 51°13.512' E 058°22.983', высота 210 м, направление 181 км. Расположен в 0,5 км на запад от Новотроицкого комбината ОХМК. Рельеф выровненный с небольшими понижениями. Почва — чернозём южный карбонатный маломощный на жёлто-охристой коре выветривания. Растительное сообщество — за-лесскоковыльное (Stipa zalesskii).
Участок № 3. N 51°14.916' E 058°33.066', высота 204 м, направление 191 км. Находится в 0,5 км восточнее ЮУНК г. Орска. Рельеф холмисто-увалистый. Почва — чернозём южный карбонатный малогумусный маломощный тяжёлосуглинистый. Растительное сообщество — молочайно-пырейно-житняковое (Agropyron pectinatum-Elytrigia repens — Euphorbia virgata).
Участок № 4. N 51°21.561' E 058°06.506', высота 345 м, направление 158 км, расположен в 30 км западнее г. Орска. Это контрольный участок. Рельеф увалисто-холмистый. Почва — чернозём южный маломощный тяжелосуглинистый. Растительное сообщество — грудницево-залесскоковыльное (Stipa zalesskii-Galatella villosa).
С целью установления влияния промышленного воздействия на человека изучали рас-
тительный покров на содержание тяжёлых металлов. Отбирали пробы наземных органов растений, с каждого растительного сообщества срезали надземную массу (фитомассу) с площадок 25 х 25 см в трёхкратной повторности, где отбирали среднюю пробу. В растительных образцах определяли содержание таких ТМ, как медь (Си), цинк (7п), свинец (РЬ), кадмий (Сё). Кроме того, для химического анализа отбирали эдификаторы каждого растительного сообщества, а также растения, часто встречаемые в этих фитоценозах.
Содержание тяжёлых металлов (/и, Си, РЬ, Сё) определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре типа С-115 ТМ в ФГУ ГЦАС «Оренбургский» по следующим контрольным документам: подвижные (доступные для растений) формы 7и - по ГОСТ Р 50686-94, Си - ГОСТ Р 50683-94, остальные по ГОСТу 26929-94.
Учитывали, что любой живой организм обладает биологическим фильтром, ограждающим его от всего инородного. В определённой ситуации этот фильтр работает надёжно и не допускает в организм ничего лишнего. Но при сильном воздействии загрязнителей биологический фильтр не справляется и часть инородного вещества проникает в организм. До определённого времени оно не оказывает своего разрушительного воздействия, а накапливается, так как выделительная система не успевает освободиться от излишков токсических веществ. И только когда пределы биологической самозащиты исчерпаны, происходит накопление вредных веществ выше определённого критического уровня — ПДК [10]. В этом случае все произрастающие растения на загрязнённой территории становятся источником заражения животных и человека тяжёлыми металлами.
Изучая фитотоксичность металлов, добавляя их в питательную среду по одному и в сочетании друг с другом, 8шПёе установил следующий ряд возрастающего вредного их воздействия на растения: Сё < № < Си < 7и < Сг < РЬ.
При этом выявлено, что токсичность металлов в чистом виде меньше, чем при их сочетании друг с другом. Фитотоксичность ТМ проявляется по-разному.
Цинк обладает слабой токсичностью: проявление соответствующих признаков отмечается при его содержании в тканях растений на уровне 300—500 мг/кг сухого вещества. Обычное же его содержание находится в пределах 7-95 мг/кг (меньше — в бедных хлорофиллом органах, больше — в богатых). Медь: при высоких концентрациях её токсичность вдвое выше цинка. Симптомы негативного воздействия: некроз корней, их окрашивание в коричневый цвет, хлороз листьев. Свинец: допустимое его содержание не должно превышать 10 мг/кг. Обычное же его со-
Содержание тяжёлых металлов в побочной продукции полевых культур в условиях Орско-Новотроицкого промузла, мг/кг
Си 7п са РЬ
Площадка № 1 . Залесскоковыльно-полынково-типчаковое сообщество
Типчак 18,5 34,0 240,0 106,0
Полынь австрийская 25,0 33,0 213,0 60,0
Ковыль 15,0 25,0 237,0 70,0
Проба сообщества 25,0 33,0 267,0 60,0
Эфедра 12,0 22,0 267,0 80,0
Площадка № 2. Залессковыльное сообщество
Типчак 15,0 31,0 133,5 40,0
Чабрец 8,0 46,0 100,0 96,0
Проба сообщества 20,0 37,0 133,5 80,0
Полынь австрийская 37,0 47,0 267,0 80,0
Площадка № 3. Молочайно-пырейно-житняковое сообщество
Житняк 48,0 21,0 90,0 20,0
Проба сообщества 29,5 20,0 100,0 32,0
Площадка № 4. Грудницево-залесскоковыльное сообщество. Контроль
Ковыль 48,5 24,0 267,0 40,0
ПДК 30 50 0,3 5,0
держание в растительных продуктах находится в пределах 1—5 мг/кг. Основная часть этого металла задерживается в корнях, а дополнительное его поступление происходит при сжигании бензина (60%), производстве металлов и сплавов (30%). Кадмий: в 2—20 раз токсичнее для растений по сравнению с другими металлами [5]. Он мобилен в органах растений и способен концентрироваться не только в корнях, листьях, но и в зерне. По данным А. Кабаты-Пендиас [11], нормальное содержание кадмия в надземной части растений составляет 0,05—0,6 мг/кг сухого вещества, токсическое — 1,0—70 мг/кг. Основными источниками антропогенного поступления кадмия в природную среду являются предприятия чёрной и цветной металлургии (85%) и ТЭЦ (10%).
Часть ТМ образует группу элементов, способных попадать в почву и на растения из выбросов, сбросов и отходов (техногенное загрязнение), и подразделяется на три группы опасности. В первый класс опасности включены кадмий, ртуть, свинец, цинк и др. (ГОСТ 17.4.1.02.-83). Их токсичность (ЛД50) составляет до 200 мг/кг живой массы животных, а персистентность (продолжительность сохранения биологической активности элемента, характеризующая степень его устойчивости к процессу разложения) в почве и растениях превышает двенадцать и три месяца соответственно. Ко второму классу относятся никель, медь, хром и др., к третьему — марганец. Токсичность металлов третьего класса превышает 1000 мг/кг живой массы животных, а персистентность в почве и растениях соответственно менее шести и одного месяцев.
Учитывая круговорот веществ и энергии, следует отметить, что, поступая в продуцент-ный компонент биогеоценоза, тяжёлые металлы перераспределяются и по другим рядам (консу-ментному и редуцентному).
Результаты химических исследований полевых культур исследуемых сообществ приведены в таблице. Установлено, что содержание наиболее опасных металлов (кадмия) в изучаемых сообществах превышает допустимые значения.
Так, накопление тяжёлых металлов в почве, воде, растениях у человека вызывает специфические токсикозы, мутагенные эффекты. Результатом такого нарушения в обычных (неполовых) клетках может стать разбалансированность регуляции их деления, в итоге — злокачественные заболевания. Их влияние на клетки зародышевого пути и на половые клетки может привести к мутациям и рождению наследственно больных детей (умственно неполноценных, дебильных). Возможны также вырождение периферических нервов, пневмосклероз, цирроз печени, слепота.
Литература
1. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 1—2.
2. Колодина О.А. География Оренбургской области. Население и хозяйство. Оренбург: Изд-во «Орлит-А», 2006. С. 41—132.
3. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Оренбургской области в 2001, 2007, 2008 годах // Комитет природных ресурсов по Оренбургской области. Оренбург, 2001. 122 с.; 2007. 184 с.; 2008. 204 с.
4. Протасов В.Ф., Матвеев А.С. Экология: термины и понятия. Стандарты, сертификация. Нормативы и показатели: учеб. и справ. пособие. М.: Финансы и статистика, 2001. 205 с.
5. Садовникова Л.К., Зырин Н.Т. Показатели загрязнения почв тяжёлыми металлами и неметаллами в почвенно-химическом мониторинге // Почвоведение. 1995. № 10.
6. Соловьёв А.Н. Региональный мониторинг биоразнообразия: принципы и подходы к организации // Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий: матер. междунар. науч. конф. Оренбург: ИПК «Газпромпечать», 2001. С. 372—374.
7. Мэннинг У.Дж, Федер У.А. Биомониторинг загрязнения атмосферы с помощью растений. Л., 1985.
8. Рябинина З.Н. Растительный покров степей Южного Урала (Оренбургская область). Оренбург: Изд-во ОГПУ, 2003. 224 с.
9. Геоботаническая карта СССР / под ред. Е.М. Лавренко, В.Б. Сочавы. М. — Л.: АН СССР, 1954.
10. Ряховский А.В., Батурин И.А., Березнёв А.П. Агрономическая химия (в приложении к условиям степных районов РФ). Оренбург, 2004. С. 147—150.
11. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. С. 191—201.
