CC BY
1
Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2024. Т. 79. № 3. С. 17-31
УДК 550.462 (424):553.086
МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА АНТРОПОГЕННО НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ НАДЫМ-ПУРОВСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ (СЕВЕР ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)
А.Ю. Опекунов1, М.Г. Опекунова2, С.Ю. Кукушкин3, С.Ю. Янсон4
1-3 Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о Земле, кафедра геоэкологии 4 Санкт-Петербургский государственный университет, ресурсный центр «Микроскопии и микроанализа»
1 Проф., д-р геол.-минерал. наук; e-mail: a_opekunov@mail.ru 2 Проф., д-р геогр. наук; e-mail: m.opekunova@mail.ru 3Доц., канд. геогр. наук; e-mail: stepic@yandex.ru 4 Зам. директора, канд. геол.-минерал. наук; e-mail: jansn.sv@gmail.com
В статье проведен анализ содержания металлов в твердой фазе и в талой воде, отобранных на антропогенно нарушенных и фоновых территориях Надым-Пуровского междуречья. Приведены результаты микроскопических исследований твердофазного вещества, показавших наличие вторичных минералов, техногенных образований, а также большого количества пирита в пробах восточной части района исследований. Максимальные концентрации металлов в пыли установлены в снеге санитарно-защитных зон объектов размещения отходов, за исключением Са, который преобладает в снежном покрове г. Новый Уренгой (до 10% сух. в-ва). Урбанизированная территория характеризуется наибольшими значениями пылевой нагрузки (до 111 мг/м2сут). Отмеченное загрязнение Ва в пределах полигонов захоронения отходов в г. Новый Уренгой носит локальный характер и связано с местами переработки буровых отходов. С использованием факторного анализа выделены основные ассоциации металлов, присущие твердофазному веществу разных функционально используемых территорий: Са-Со-У-Мп (город), Ва-8г-К-№ и С^Си-РЬ (полигоны захоронения отходов), Cu-Ni-Cd (вся территория). На основе изучения содержания растворенных форм в талой воде выявлена высокая подвижность металлов в северных ландшафтах и ее снижение в условиях городской среды. Минералого-геохимический анализ снега дает основание говорить о влиянии Норильского промышленного района на восточную часть Надым-Пуров-ского междуречья, индикаторами которого являются 2п, Си, №, РЬ и минерал пирит. Риски загрязнения окружающей среды при аэротехногенном переносе связаны с высоким содержанием в пыли 2п, Си, №, РЬ и Ва. Расчет индекса вероятности токсичности (МЕКМО) показал, что некоторые пробы пыли с территории полигонов обладают высокой вероятностью биологических эффектов. С использованием данных по химическому составу почв и почвенной воды установлено отсутствие видимого влияния загрязнения снега на рост концентраций металлов в почве и почвенной воде за исключением локального загрязнения Ва, которое привело к двукратному росту содержания этого металла в верхнем горизонте почв.
Ключевые слова: снег, талая вода, твердофазное вещество (пыль), вторичные минералы, металлы, загрязнение почв
DOI: 10.55959/MSU0579-9414.5.79.3.2
ВВЕДЕНИЕ В последние годы при оценке состояния атмосферного воздуха и определении роли воздушного переноса поллютантов в загрязнении природных и техногенных ландшафтов особое внимание уделяется изучению снежного покрова [Шевченко и др., 2015; Опекунов и др., 2021; Moskovchenko et al., 2021; Zhang et al., 2021; Opekunova et al., 2020; Pozhitkov et al., 2020; Siudek et al., 2015; Vlasov et al., 2020; Wang et al., 2015; Xue et al., 2020; Yakovlev et al., 2022]. Это доступный и относительно дешевый метод исследования. Снег имеет высокую сорбци-онную способность и не проявляет биохимическую
активность [Kurbakov et al., 2020], накапливает как растворенные химические вещества, так и твердые взвеси. Количество и химический состав пыли и талой воды отражают масштаб поступления загрязняющих веществ из приземного слоя атмосферы на земную поверхность и в водные объекты. Он определяется через пылевую, метальную и ионную нагрузки [Касимов и др., 2012; Опекунов и др., 2021] или запасы тяжелых металлов [Zhang et al., 2021].
Получаемые при изучении снежного покрова данные позволяют оценить потенциальные риски для экосистем от выброса загрязняющих веществ в почву при таянии снега [Kurbakov et al., 2020;
Zhang et al., 2021]. Такие оценки дают прямой вклад атмосферного переноса в загрязнение почв и природных вод. Считается, что основным механизмом поступления Cd, Cu, Zn, Hg и Pb в почвы является атмосферное осаждение [Lim et al., 2006], а вблизи источников загрязнения перечень таких элементов существенно расширяется. Так, расчеты показывают, что примерно 92,5% Pb в обрабатываемых почвах Китая поступает в результате атмосферных выпадений [Peng et al., 2019].
Благодаря высокой информативности, снежный покров стал широко использоваться в качестве объекта мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Сочетание изучения твердой и растворенной фаз, а также применение микроскопических методов исследования дают комплексную информацию о формах металлов и позволяют идентифицировать источники их поступления в атмосферу [Опекунов и др., 2021; Zhang et al., 2021].
Настоящее исследование состояния снежного покрова проведено на севере Западной Сибири в районе освоения нефтегазоконденсатных и газокон-денсатных месторождений (НГКМ и ГКМ) и урбанизации на территории Надым-Пуровского междуречья. По данным метеостанции Уренгой, средняя продолжительность залегания снега здесь составляет 231 день, максимальная высота - 113 см. Таким образом, снег в течение 7-8 месяцев «фиксирует» загрязнение атмосферного воздуха и в районах активной хозяйственной деятельности может стать потенциальным источником вторичного загрязнения почв, природных вод, растительности. Цель исследований - определение пылевой и ионной нагрузок, изучение минералогического и химического составов твердой фазы, содержания металлов в талой воде в зависимости от функционального использования территории, а также определение риска загрязнения почв при таянии снега.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Отбор снега проводился в 2021-2022 гг. на лицензионных участках Пырейного ГКМ и Юбилейного НГКМ, в г. Новый Уренгой, в пределах санитарно-за-щитных зон (СЗЗ) территории объектов размещения отходов (ТОРО): твердых коммунальных отходов (ТКО) (г. Новый Уренгой и пгт Коротчаево) и промышленных отходов (г. Новый Уренгой), а также на условно-фоновых участках (рис. 1). Территория расположена в пределах северной тайги и лесотундры. Все перечисленные объекты, за исключением условно-фоновых участков, подвержены химическому загрязнению за счет атмосферного выпадения пол-лютантов разного происхождения, что приводит к трансформации природных потоков вещества [Опе-кунова и др., 2018; Opekunov et al., 2022].
Всего в ходе исследований было отобрано 40 проб снега снегомером ВС-43. Число кернов определялось, исходя из условия получения общего объема воды в пробе 1,9-2,1 л. При отборе снег взвешивался для определения плотности и запаса воды. Отбор проб проводился 17-18 апреля 2021 г. и 8-10 апреля 2022 г. В 2021 г. продолжительность залегания снежного покрова до взятия образцов составила 179-180 дней, в 2022 г. - 167-169 дней.
Снег растапливался при комнатной температуре, pH талой воды измерялся рН-метром фирмы Horiba, минерализация воды - кондуктометрическим методом (C0M-100, Южная Корея). Талая вода фильтровалась через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм для разделения растворенной (и коллоидной) и твердой фаз вещества, подкислялась концентрированной HN03.
В летний период в точках взятия проб снега были отобраны почвы (в соответствии с ГОСТ 17.4.3.012017). Из них центрифугированием (центрифуга CM-6M, скорость 3500 об/мин в течение 20 мин) отжаты почвенные воды.
Анализ содержания металлов (Na, Ca, K, Fe, Mn, Cd, Cr, Zn, Sr, Cu, Ni, Ba, Pb, Co, V) в пыли, в талой воде, почвах и почвенных водах выполнен в Центральной лаборатории ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского методом ИСП-МС на приборе ELAN-6100 DRC. Определялся вес твердой фазы на фильтрах, проводилось полное кислотное вскрытие образцов, а также проб почв в соответствии с ПНД Ф 6.1:2.3:3.11-98.
Микроминералогические исследования выполнены методом растровой электронной микроскопии на оборудовании ресурсного центра «Микроскопии и микроанализа» (Научный парк СПбГУ) - сканирующем электронном микроскопе Quanta 200 3D (FEI, Нидерланды) с аналитическим комплексом Pegasus 4000 (EDAX, USA) и микроскопе-микроанализаторе Hitachi TM3000. Оптические фотографии получены с помощью стереомикроскопа Leica M205 C (Leica, Германия, 2007).
При интерпретации полученных материалов рассчитывались пылевая, метальная и ионная нагрузки. Пылевая нагрузка (мг/м2 в сутки) оценивает количество твердых частиц, поступающих на поверхность земли в течение суток. Метальная нагрузка характеризует массу поступающего в твердых осадках изучаемого металла (мкг/м2 в сутки). Расчет ионной нагрузки, т. е. количества растворенного металла в талой воде, приходящегося на единицу площади территории (мкг/м2 в сутки), проводился с учетом запаса воды в снегу на изученных участках. Подробно методика расчета указанных выше характеристик приведена в предыдущих работах [Опекунов и др., 2021; Opekunova et al., 2020].
Рис. 1. Карта-схема отбора проб снега:
А - Новый Уренгой с полигонами промышленных отходов (пробы 33-36) и ТКО (пробы 37-40); Б - лицензионный участок Пырейное; лицензионный участок Юбилейное (пробы 9-11); территория полигона ТКО пгт Коротчаево (пробы 31 и 32)
Fig. 1. Schematic map of snow sampling:
А - Novy Urengoj with industrial (samples 33-36) and municipal (samples 37-41) waste landfills; Б - the Pyrejnoe license site; the Yubilejnoe license site (samples 9-11); area of the municipal waste landfill of the Korotchaevo urban-type settlement (samples 31 and 32)
Математическая обработка результатов осуществлялась с использованием описательной статистики и факторного анализа методом главных компонент (ФА МГК) в программном пакете STATISTICA 28.0 (StatSoft).
Уровень загрязнения и вероятности проявления токсичности твердофазного вещества оценивался по индексу токсичности (MERMQ). Индекс используется для определения токсического воздействия тяжелых металлов на почвенную среду [Gao, Chen, 2012; Pejman et al., 2015] и рассчитывается по формуле:
MERMQ =
n
v n
Й ERM
где C - концентрация анализируемых металлов; ERM - медианная величина концентрации металла, выше которой биологические эффекты наблюдаются часто или всегда [Long et al., 1995]; n - количество используемых в расчете металлов.
В оценочной шкале MERMQ приняты четыре уровня риска: менее 0,1 - низкий (средняя вероят-
ность токсичности пробы - 9%), 0,1-0,5 - средний (21%), 0,5-1,5 - высокий (49%), более 1,5 - очень высокий (вероятность токсичности - 76%).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Минералогический и вещественный составы пыли. Микроскопические исследования проведены для четырех образцов: по одному образцу с каждого из изученных полигонов (пр. 34 - полигон промышленных отходов, пр. 37 - полигон ТКО в г. Новый Уренгой, пр. 31 - полигон ТКО в пгт Коротчаево), а также проба с территории лицензионного участка Пырейного ГКМ (пр. 26). В пробах отмечены зерна кварца, полевых шпатов, глинистых минералов, слюд (гидрослюд), а также акцессорные и вторичные минералы. Размер частиц в основном алеврит-пелитовый с редкими псаммитовыми зернами. Форма в большинстве образцов обломочная угловатая. Образец 31 представлен окатанными псаммит-алевритовыми зернами кварца и полевых шпатов с небольшим количеством глинистых частиц.
п
Во всех образцах встречаются оксиды / гидрок-сиды железа с включениями самородного металла. Морфологически это обломочные зерна (обр. 26, 31 и 37) (рис. 2, А), агрегаты (все образцы) (см. рис. 2, Б), скелетные образования (обр. 37), а также сферулы различных размеров (обр. 26, 31 и 34) (см. рис. 2, В). В образце 37 часты псевдосферические агрегаты оксидов / гидроксидов железа (см. рис. 2, Г), сцементированные глинистыми минералами. Минералы железа в образце 34 - это оксиды и гидроксиды в виде обломков или микрокристаллических агрегатов, а также частицы самородного железа. Сульфидов в этом образце не обнаружено. В образце 37 оксиды железа установлены в виде мелких зерен в пустотах и порах органики. В образцах 26 и 31, кроме вышеописанных форм, зафиксировано множество зерен частично окисленного пирита в форме крупных (десятки микрон) обломков кристаллов и в виде рассеянной пыли в комковатых глинистых агрегатах.
Акцессорные минералы немногочисленны, кроме пирита. В образцах 31 и 37 обнаружены зерна циркона и сфалерита. Во всех пробах есть минералы титана: рутил (анатаз), ильменит. Вторичные минералы представлены большим количеством мелких зерен барита в образцах 34 и 37 (рис. 2, Д). Встречаются техногенные материалы - металлы, сплавы, силикатные шарики, шлаки (Fe-Mn-Ti, Fe-Cu и др.), а также синтетические волокна в пробах с полигонов захоронения отходов (см. рис. 2, Е-З).
В пробах присутствуют органические остатки, особенно они многочисленны в образцах 37 и 34 (см. рис. 2, И, К). В образцах 26 и 31 - это округлые пористые образования, похожие на пыльцу.
Химический состав пыли. По химическому составу особенно выделяются пробы с объектов размещения отходов (табл. 1). В пределах их СЗЗ отмечается максимальное содержание Na, K, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Sr, Cd, Ba, Pb. Городская территория отличается от других высокой концентрацией Ca. Пыль, отобранную в городе и в пределах ТОРО, объединяет повышенное содержание V. На условно-фоновых территориях, городских и лицензионных участках близкое содержание в твердой фазе Na, K, V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Sr, Ba, Pb. Это свидетельствует о том, что твердофазное вещество в снежном покрове изученных территорий в основном имеют одни и те же источники эмиссии. Существенно, что в г. Новый Уренгой и на прилегающих территориях отсутствуют крупные промышленные объекты, а теплоэнергетические предприятия работают в основном на газе. На ТОРО загрязнение снега происходит при перемещении и разгрузке отходов, и состав твердых частиц отличается от атмосферной пыли.
Анализ распределения металлов в твердой фазе вещества выполнен на основе показателя контраст-
ности содержания элементов (отношение максимального и минимального значений медианы элемента по четырем группам изучаемых территорий - в скобках): Ва (16) > Са (6,4) > Cd (4,0) > Zn (3,3) > 8г (2,1) >
> РЬ (2,0) > Си (1,9) > Ш (1,8) > К (1,8) > Мп (1,7) >
> V (1,5) > N1 (1,5) > Ее (1,4) > Со (1,3). В твердой фазе наиболее контрастные содержания выявлены у Ва, Са, Cd и Zn. Кроме того, они характеризуются высокими абсолютными значениями. Вероятно, одна из основных причин этого - техногенное загрязнение. Очень высокие содержания Ва в пыли снежного покрова (до 2,84%) установлены в СЗЗ объектов размещения промышленных отходов и ТКО в г. Новый Уренгой. В первом случае это вызвано функционированием в пределах полигона производства по переработке буровых шламов. Известно, что в составе буровых растворов в качестве утяжелителя широко используется барит [Орекипоу е! а1., 2022]. На территории захоронения ТКО накопление Ва в снежном покрове обусловлено проведением буровых работ в непосредственной близости от полигона. Причиной концентрации Са в твердых осадках г. Новый Уренгой являются строительные материалы, содержащие известь, в том числе штукатурная облицовка фасадов домов. Накопление в твердофазном веществе Cd и Zn также присуще пробам с ТОРО, вызванное пылением отходов, загрязненных металлами, и воздействием автотранспорта.
Расчет пылевой и метальной нагрузок показал существенный рост этих характеристик в пределах города. Пылевая нагрузка здесь в 2,6 раза выше, чем на других участках за пределами городской черты, где медианы нагрузок мало отличаются друг от друга (см. табл. 1). На урбанизированной территории все изученные элементы, за исключением Ва, характеризуются максимальными показателями метальной нагрузки (рис. 3). Источники поступления Ва на ТОРО были указаны выше.
Химический состав талой воды. Снегозапас меняется от 85 до 203 мм. Минимальное среднее значение отмечено в г. Новый Уренгой, максимальное установлено на территории лицензионных участков (табл. 2). Талая вода характеризуется низкой минерализацией с диапазоном значений 4,8-23,4 мг/л. В пределах города она увеличивается, что указывает на повышенный уровень загрязнения снежного покрова по отношению к другим районам исследований. Талая вода имеет в основном слабокислую реакцию, отражающую ландшафтно-гео-химические условия северной тайги и лесотундры. На урбанизированной территории рН воды повышается до нейтральных значений с максимальной величиной 7,06. Подщелачивание природных вод, включая снег, является характерной чертой городов [Экогеохимия..., 1995; Опекунов и др., 2021; РоЛ^оу е! а1., 2020].
Рис. 2. Минеральные и органические фазы пыли (изображения СЭМ). Соединения Fe, в том числе самородного: А - обломочное зерно самородного (?) Fe (обр. 26); Б - агрегаты оксидов / гидроксидов Fe (обр. 31); В - сферулы самородного Fe (обр. 34); Г - псевдосферические агрегаты оксидов / гидроксидов Fe (обр. 37); вторичные минералы и техногенные материалы: стекла, шлаки, стеклянные и металлические сферулы, волокна углеродные и минеральные (?): Д - включения зерен барита (белые зерна) (обр. 37); Е - шлак Fe-Mn состава (обр. 34); Ж - Fe-Cu сплавы (обр. 31); З - стеклянные сферулы, волокна (обр. 34); органические остатки: И - рядом со стеклянной сферулой (обр. 37); К - органические остатки и синтетические волокна (обр. 34)
Fig. 2. Mineral and organic components of dust (SEM images). Compounds of Fe, including native ones: A - detrital grain of native (?) Fe (sample 26); Б - aggregates of Fe oxides/hydroxides (sample 31); B - spherules of native Fe (sample 34); Г - pseudospherical aggregates of Fe oxides/hydroxides (sample 37); secondary minerals and technogenic materials: glass, slag, glass and metal spherules, carbon and mineral fibers (?): Д - inclusions of barite grains (white grains) (sample 37); E - slag of Fe-Mn composition (sample 34); Ж - Fe-Cu alloys (sample 31); З - glass spherules, fibers (sample 34); о^пю remains: И - next to the glass spherule (sample 37); K - organic residues and synthetic fibers (sample 34)
Таблица 1
Статистические показатели химического состава пыли в снежном покрове, пылевой и суммарной метальной нагрузок на антропогенно нарушенных и условно-фоновых территориях
Надым-Пуровского междуречья
Показатели и Антропогенно нарушенные территории Условно-фоновая
содержание Город торо Лицензионные участки территория
Пылевая нагрузка, 43,0 16,6 16,3 15,7
мг/м2-сут 19,1-111 7,7-69 6,5-109 14,4-37
Метальная нагрузка, 4120 972 542 814
мкг/м2-сут 745-10737 1005-6453 245-2761 217-3026
Химический состав
пыли, мг/кг:
№ 3200 5900 4700 3400
1900-4800 3400-10 000 700-7300 1700-10 200
К 5200 9100 7200 6100
3500-6100 5600-14 900 3200-9600 3200-13 900
Са 44100 14600 6900 12500
5900-107 100 3400-37 300 2900-67 400 2700-58 800
V 46,0 52,1 34,3 41,4
30,8-109 18,8-90 10,9-59 20,6-72
Мп 256 390 229 271
150-650 140-660 49-535 101-558
Бе 15800 19470 15700 14200
9300-27 900 8100-31 800 3360-27 370 6400-25 900
Со 6,74 8,28 6,19 6,68
4,23-15,0 2,28-12,1 1,31-16,1 2,53-11,3
N1 30,5 45,2 42,6 41,0
15,1-45 12,4-74 5,89-200 17,9-56
Си 88,2 169 146 134
54,2-320 59,3-339 24,7-306 78,6-289
Zn 280 751 355 225
136-461 184-2590 70,4-767 102-608
8г 64,1 134 72,6 83,9
46,2-142 57-281 25,1-114 25,8-114
Cd 0,28 0,80 0,52 0,20
0,13-0,84 0,087-1,51 0,068-1,45 0,13-0,56
Ва 227 3720 254 342
164-1350 246-28 400 163-932 165-547
РЬ 39,0 70,8 35,7 47,8
14,2-100 14,2-249 12,6-93 25,7-77
Примечание. В числителе приведена медиана, в знаменателе - минимальное и максимальное значения.
В снежном покрове г. Новый Уренгой отмечено высокое содержание растворенных Са, Сг, Мп, Со, 8г, в пределах ТОРО - Zn, Ва, РЬ. Ряд снижения контрастности элементов жидкой фазы снега имеет следующую последовательность: Ва (17) >
> РЬ (6,2) > Са (4,4) > Си (2,8) > 8г (2,7) > Сг (2,6) >
> Zn (2,6) > МП (2,4) > Бе (2,1) > V (2,1) > Cd (1,8) >
> N (1,8) > Со (1,7) > Л8 (1,5) > К (1,4) > N1 (1,3), т. е. наиболее широкий диапазон значений рас-
творенной фазы металлов отмечаются у Ва, РЬ и Са. Высокая контрастность содержания щелочных металлов (Са, Ва) была также отмечена в твердой фазе осадков, что вызвано техногенным загрязнением. Контрастность содержания РЬ обусловлена низкой растворимостью металла в нейтральной среде, типичной для города, в сравнении с другими участками отбора проб (см. табл. 2).
Таблица 2
Статистические показатели химического состава талой воды, значений рН, минерализации и ионной нагрузки на антропогенно нарушенных и условно-фоновых территориях
Надым-Пуровского междуречья
Показатели и содержание Антропогенно нарушенные территории Условно-фоновая территория
Город торо Лицензионные участки
Снегозапасы, мм 128 89-169 136 113-200 151 122-203 143 85-180
Минерализация, мг/л 12,3 6,4-23,4 4,8-13,3 61 4,8-11,3 82 5,2-9,9
рН, усл. ед. 6,97 5,89-7,06 5,53 5,06-6,30 5,33 4,66-6,52 5,68 5,42-6,65
Химический состав талой воды, мкг/л: № 400 190-1300 305 217-392 550 220-1600 440 150-940
К 130 80-230 130 95-264 180 90-320 140 70-190
Са 2400 620-4700 1100 500-4500 540 250-2300 690 310-2400
V 0,13 0,07-0,21 0,085 0,053-0,44 0,067 0,032-0,11 0,061 0,029-0,11
Сг 0,92 0,70-1,48 0,40 0,19-0,86 0,36 0,22-1,29 0,83 0,40-1,37
Мп 6,62 2,33-28,2 3,83 3,22-9,19 4,89 1,95-21,5 2,75 1,67-4,25
Бе <5,0 <5-9,36 10,4 5,83-18,9 10,3 5,51-87,1 6,64 6,43-10,7
Со 0,10 0,03-0,21 0,058 0,033-0,094 0,075 0,025-0,32 0,061 0,021-0,089
N1 0,71 0,50-1,03 0,61 0,035-0,91 0,79 0,49-1,06 0,82 0,73-1,36
Си 1,94 1,28-9,79 1,53 0,94-3,44 2,09 1,03-6,21 4,36 1,95-6,72
Zn 15,7 11,7-39 41,6 8,57-93 33,5 16,6-66 24,1 20,4-32
АЭ 0,083 0,058-0,19 0,070 0,038-0,49 0,074 0,042-0,19 0,057 0,04-0,12
8г 4,83 1,95-53 2,36 1,16-10,8 2,30 1,17-4,04 1,76 1,12-3,42
Cd 0,028 0,019-0,072 0,029 0,021-0,043 0,050 0,018-0,072 0,033 0,021-0,039
Ва 21,0 9,3-135 82,4 5,6-217 7,91 3,14-15,9 4,86 2,29-12,1
РЬ 0,14 0,094-0,38 0,87 0,35-1,53 0,67 0,25-1,43 0,24 0,16-0,96
Ионная нагрузка, мкг/м2-сут 2383 730-3759 1435 685-5817 1289 652-3573 972 628-2952
Примечание. В числителе приведена медиана, в знаменателе - минимальное и максимальное значения.
Рис. 3. Метальная нагрузка на антропогенно нарушенные и условно-фоновые территории
Fig. 3. Metal load on the anthropogenically disturbed and background territories
При анализе распределения и подвижности элементов проведена оценка соотношения растворенной и твердой фаз в талой воде, которая позволила выделить три группы металлов. Первая группа объединяет Na (78), Ca (74), Zn (76), Cd (76) (здесь и далее в скобках - процент растворимых форм), концентрирующиеся преимущественно в растворе. Щелочные металлы обладают высокой растворимостью в воде и относятся к главным катионам природных вод. Zn и Cd являются одними из наиболее подвижных среди микроэлементов в условиях северных ландшафтов, в том числе в снежном покрове. Вторая группа, представленная Co (28), Mn (36), Pb (30), Cu (36), V (6,5) и Fe (2,2), накапливается преимущественно в минеральной фазе. Особенно это выражено у Fe, представленного в пыли оксидами, сульфидами и самородной формой. Элементы третьей группы - K (44), Ni (44), Sr (52) и Ba (53) - имеют примерно равное соотношение фаз раствор / взвесь. Для щелочных металлов группы
причинои такого распределения является высокая растворимость в пресной воде. Никель, возможно, адсорбирован на тонкой взвеси и при таянии в слабокислой среде переходит в раствор.
Исследователями неоднократно отмечалось, что в городских условиях по отношению к нарушенным и фоновым ландшафтам, находящимся за пределами урбанизированных территорий, доля растворенных форм снижается [Ро2Ы1коу et а1., 2020; У1а80У et а1., 2020; Мо8коуЛепко et а1., 2021]. Та же закономерность наблюдается в пределах исследуемого района (рис. 4). Это объясняется более высоким уровнем загрязнения снежного покрова в городе твердыми частицами, а также нейтральной реакцией талой воды, которая ограничивает переход в раствор как катионогенных, так и анионогенных металлов. Существенная роль рН талой воды в агрегатном состоянии металлов показана в работах [У1азоу et а1., 2020; Опекунов и др., 2021] на примере разнообразных ландшафтно-геохимических обстановок. Зависимость подвижности элементов от величины рН отмечена в результатах корреляционного анализа его значений и доли подвижных форм (о = 0,05; гкр = 0,31). Снижение коэффициента корреляции (г) отображено в ряду: РЬ (0,78) > Са (0,75) > Zn (0,73) > Со (0,67) >
> Мп (0,64) > Сг (0,60) > № (0,59) > Fe (0,51) >
> Са (0,50) > К (0,50) > V (0,49) > № (0,40) >
> Си (0,34) > Ва (0,33) > 8г (0,32). Все г имеют отрицательный знак, указывающий на относительный рост подвижности металлов по мере снижения величины рН снега, т. е. при подкислении среды.
Рис. 4. Доля растворенных форм металлов в снежном покрове антропогенно нарушенных и условно-фоновых территорий
Fig. 4. Percentage of dissolved forms of metals in snow cover of anthropogenically disturbed and background territories
Величина ионной нагрузки на территории изменяется от 628 (условный фон) до 5817 мкг/м2сут (ТОРО) (см. табл. 2). Ее максимальное значение от-
мечено в городе, а за его пределами нагрузка снижается до минимальных значений на условно-фоновых участках. Изменение в величине ионной нагрузки обусловлено в основном содержанием Са, вклад которого составляет от 22% на условно-фоновой территории до 90% в городе. При этом ионная нагрузка везде (за исключением города) выше, чем метальная, что еще раз подчеркивает ведущую роль растворенных форм металлов по отношению к их твердой фазе в снежном покрове вне городской среды.
Основные источники загрязнения атмосферного воздуха металлами. С использованием ФА МГК проведено изучение закономерностей распределения металлов в твердофазном веществе. Наибольший интерес представляют первые три компоненты, описывающие 72,6% общей дисперсии
Второй фактор (вес 15,2%) представлен двумя ассоциациями: Са-Со-У-Мп, характерной для городской пыли, и Cd-Cu-Pb, типоморфной для твердофазного вещества в СЗЗ полигонов захоронения отходов. Накопление Са в снегу на территории г. Новый Уренгой (первая ассоциация), как указывалось ранее, вызвано использованием при строительстве известковистых материалов. Источником поступления в снег входящих в эту ассоциацию Со, V и Мп в основном является автотранспорт при износе трущихся деталей (Со) и покрышек (Со, Мп), а также при эксплуатационном разрушении покрытия дорог (V) [Касимов и др., 2012; Леванчук, 2014]. Вторая ассоциация, представленная халькофилами,
выборки (табл. 3). Первый фактор включает 45% изменчивости исходных признаков. Он отражает накопление металлов (за исключением Са) на участках гетерогенного загрязнения, к которым, в первую очередь, относятся санитарно-защитные зоны (СЗЗ) объектов размещения отходов, а также отдельные площади городской застройки и лицензионных участков. Элементы, имеющие отрицательные нагрузки на первый фактор, не образуют единый парагенезис, что вызвано разнообразием источников их поступления в атмосферный воздух (рис. 5). Внутри этой группы по силе корреляционных связей можно выделить три основных ассоциации: Бе-Мп-У-Со, Ва-8г-К-Ка, Cd-Cu-Pb-Zn. Максимальные значения нагрузок на эту компоненту имеет первая ассоциация, минимальные - последняя.
широко распространена в снежном покрове объектов размещения отходов. Поступление металлов на поверхность происходит в составе образующейся при перемещении и захоронении отходов мелкодисперсной пыли, а также в выбросах дизельных (Cd) и бензиновых (РЬ) двигателей.
Третья компонента (вес 12,4%) описывается двумя ассоциациями (см. табл. 3). Первая Ва-8г-К-Ка (отрицательные значения фактора) отражает накопление в снегу барита (Ва и 8г) и сопутствующих глинистых минералов (К и №) в санитарно-защит-ных зонах ТОРО г. Новый Уренгой. В отличие от ассоциации халькофилов (II фактор) этот парагенезис характеризует воздействие производств, не свя-
Таблица 3
Матрица факторных нагрузок химического состава пыли (р = 0,05; г = 0,31)
Переменная Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3
№ -0,82 -0,19 -0,27
К -0,77 -0,31 -0,37
Са -0,10 0,72 0,26
V -0,79 0,43 0,13
Мп -0,84 0,37 0,10
Бе -0,91 0,12 0,18
Со -0,78 0,45 0,24
N1 -0,33 0,11 0,47
Си -0,35 -0,55 0,51
Zn -0,73 -0,27 0,10
8г -0,85 0,14 -0,45
Cd -0,43 -0,56 0,44
Ва -0,50 -0,08 -0,67
РЬ -0,59 -0,47 0,13
Вес, % 45,0 15,2 12,4
занных напрямую с захоронением отходов. Альтернативная ассоциация Cu-Ni-Cd (положительные значения) оценивается как универсальная для всех изученных ландшафтов. Металлы при высокой нагрузке на фактор имеют слабую корреляционную связь между собой, что указывает на разные источники эмиссии в атмосферный воздух. Вероятно, их появление в городской среде вызвано автотранспортом: износ покрышек (Си, М, Cd), тормозов, трущихся деталей (Си, №) и дорожного покрытия [Леванчук, 2014]. Для выявления других источников этих металлов необходимо обратить внимание на особенность химического состава пыли: высокое содержание №, Си, 2п, что характерно не только для антропогенно нарушенных территорий, но и для участков, не подверженных загрязнению. Их концентрация более чем на порядок выше фонового содержания металлов в почвах севера Западной Сибири и в несколько раз превосходит концентрации в почвообразующих породах этого региона [Орекипоуа е1 а1., 2019]. Еще одна особенность - большое количество пирита в виде обломков кристаллов и рассеянной пыли в пробах 26 и 31, т. е. в восточной части изученной территории. Ближайшим источником сульфидов являются медно-никелевые руды Норильских месторождений, расстояние до которых от восточной границы района отбора проб менее 550 км. Выбросы комбината, пыление при добыче и транспортировке, дробление руды и дефляция отходов горного производства становятся причиной вовлечения металлов в атмосферный перенос. Среди основных металлов, поступающих с эмиссиями комбината, рассматриваются №, Си и Со [Куркатов и др., 2015]. Пирит, вовлекаемый в воздушные потоки, вероятно, представлен в основном вторичными (бактериальными) формами, образующимися в отвалах, которые насыщены серой и железом.
В качестве обоснования высказанного предположения о техногенном источнике пирита, а также адсорбированных и минеральных формах №, Си, 2п было проведено сравнение среднего содержания этих металлов в твердой фазе снежного покрова на восточном (п = 10) и западном (п = 6) участках района исследований. В снежном покрове восточного участка наблюдаются более высокие по сравнению с западным концентрации № (54,5 и 35,6 мг/кг) и 2п (449 и 275 мг/кг). Содержание Си практически не меняется (167 и 170 мг/кг). Есть увеличение концентрации Со (7,39 и 5,26 мг/кг). Доказательством влияния Норильского промышленного района (НПР) на восточную часть ЯНАО служат данные из работ [Ыо8коусЬепко е1 а1., 2021; Ро2Ы1коу е1 а1., 2020], выполненных одним коллективом. В первой статье дано содержание металлов в твердой фазе снежного покрова (в пересчете на талую воду) на фоновых
участках вблизи г. Тюмень, во второй - фоновые содержания в районе Заполярного газового месторождения, т. е. северо-восточнее района наших исследований. Фоновое медианное содержание № на лицензионном участке Заполярного месторождения превышает фон в районе г. Тюмени в 2,6 раза, Си -в 14,6, 2п - в 5,0 раз. Когда речь идет о фоновых содержаниях, такое расхождение сложно объяснить гидрометеорологическими условиями (более высокие снегозапасы на севере могут приводить только к разбавлению концентрации металлов) или геологическим фактором (везде платформенный тип строения территории), но это хорошо укладывается в высказанную выше гипотезу о воздействии НПР. Нужно отметить, что влияние выбросов Норильского комбината на водосбор р. Оби отмечалось и раньше по результатам моделирования воздушных масс над территорией Сибири [Виноградова и др., 2009].
Fx (45%) F2 (15,2%)
СлР
ft Cu a Ni /
Cd Ba
Pb К vlr ................... \ .¿''Co
N Fe IMn
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
Рис. 5. Факторная структура химического состава пыли
в координатах первых двух факторов. Корреляционные связи: 1 - сильные (коэффициент корреляции >0,75); 2 - средние (0,5-0,75); 3 - слабые (0,31-0,5)
Fig. 5. Factor structure of the chemical composition of dust within the coordinates of the first two factors.
Correlation: 1 - strong (CC > 0,75); 2 - medium (0,5-0,75);
3 - weak (0,31-0,5)
Заканчивая рассмотрение особенностей распределения изученных элементов в снежном покрове, целесообразно вернуться к результатам ФА МГК (см. табл. 3). Положительные нагрузки на III фактор имеет не только приведенная выше ассоциация Cu-Ni-Cd, но также Co и Zn, хотя и с незначимыми величинами. Тем не менее есть основание считать, что эта группа элементов может отражать процесс поступления и концентрации тонкодисперсной пыли из НПР.
Оценка влияния аэротехногенного загрязнения на почвы. Сравнение содержания металлов в твердофазном веществе с кларком в земной коре показа-
ло существенное превышение кларка Ni, Cu, Zn, Pb, Cd, а в СЗЗ ТОРО - Ba, что указывает на возможное влияние аэротехногенного переноса на почвенный покров и экологические риски возникновения биологических эффектов.
Потенциальная токсичность твердой фазы, учитывая высокое содержание в них металлов, оценена по индексу вероятности токсичности (MERMQ). В расчет включены Ni, Cu, Zn, Cd, Pb и Ba. Однако величина ERM бария в [Long et al., 1995] отсутствует, так как изученность металла в этом отношении является крайне низкой [Во-дяницкий, 2012]. Ориентировочно это значение можно принять равным 2800 мг/кг по работе [Derivation..., 2007], в которой анализируются европейские подходы к оценке экологических рисков при загрязнении почв.
Рис. 6. Fig. 6.
Однако сравнение содержания этих металлов в почвах в точках отбора проб снега показывает отсутствие выраженного эффекта воздействия аэротехногенного загрязнения. Так, медианы содержания №, Си, Zn, Са и РЬ в органогенном горизонте соответственно составляют 9,1, 9,29, 28,5, 0,18 и 12,6 мг/кг, в горизонте В - 11,1, 7,21, 24,2, 0,040 и 9,45 мг/кг, что отвечает фоновому содержанию металлов в почвах севера Западной Сибири [Opekunova et а1., 2019]. Загрязнение снежного покрова ТОРО г. Новый Уренгой Ва приводит к повышению его концентрации в поверхностном горизонте почв в два раза (до 442 мг/кг) по отношению к близлежащим участкам.
При обсуждении вопроса загрязнения почв талыми водами следует подчеркнуть, что ни одна из измеренных концентраций металлов в талой воде
Полученные результаты (рис. 6) свидетельствуют, что практически все пробы в пределах городской и условно-фоновой территорий соответствуют зоне среднего уровня риска. Здесь для некоторых проб наблюдается превышение уровня ERM по Cu и Zn. На лицензионных участках чуть меньше 40% проб лежат в зоне высокого риска, остальные характеризуются средним риском. Вероятная токсичность пыли определяется в основном Ni, Cu и Zn. Наиболее опасна твердая фаза в СЗЗ ТОРО. В зоне высокого риска находится 60% проб, 20% проб относится к среднему и столько же к очень высокому рискам проявления токсичности. Вероятность биологических эффектов (токсичности проб) в указанных градациях составляет 49, 21 и 76% соответственно [Gao, Chen 2012], что обусловлено превышением величины ERM Ni, Cu, Pb и особенно Ba и Zn.
не превышает ПДК для хозяйственно-питьевых вод (СанПиН 3685-21). Кроме того, концентрация металлов в почвенных водах, которые были отобраны на тех же участках, оказалась значительно более высокой в жидкой фазе почв по отношению к талой воде. В целом ряд снижения коэффициента обогащения (отношение содержания металлов в почвенных водах к талой воде) представляет следующую последовательность: Fe (285) > V (36) > Со (26) >
> Мп (17) > К (13) > Са (12) > Zn (5,6) > 8г (5,4) >
> Сг (5,2) > № (3,7) > РЬ (3,1) > № (3,0) > Ва (2,4) >
> Са (1,8) > Си (1,5). Эти данные показывают, что талые воды не могут влиять на рост концентрации металлов в почвенных растворах. При этом кислая реакция почв препятствует переходу металлов в твердую фазу и накоплению в почвенных горизонтах. Последнее подтверждается выполненным ра-
Индекс вероятности токсичности (уровень риска) твердофазного вещества в снежном покрове антропогенно нарушенных и условно-фоновых территорий (пунктирные линии - границы зон риска)
Index of probable toxicity (risk level) of solid matter in snow cover of anthropogenically disturbed and background territories (dashed lines - the boundaries of risk zones)
нее сравнением содержания металлов в почве и в твердом веществе снежного покрова.
В целом, если допустить, что вынос металлов из атмосферы на земную поверхность идет относительно равномерно в течение всего года, то можно провести ориентировочные расчеты поступления металлов в почву с учетом снегозапасов (см. табл. 2). В среднем по изученным территориям для Си эта величина составляет 1,6-3,0 мг/м2-год, РЬ -0,5-0,8, № - 0,4-0,9 и Zn - 10-17 мг/м2-год. Такое количество в условиях промывного режима (песчаные почвы), активного поверхностного стока (торфяники) и большой мощности сезонно талого слоя вряд ли приведет к росту концентрации металлов, что и отмечалось при сравнительном анализе содержания металлов в изученных пробах почв. Однако отмеченное повышение концентрации Ва в почвах СЗЗ ТОРО в два раза произошло в условиях кратковременного воздействия производства по утилизации буровых отходов при выпадении металла около 800 мг/м2-год при среднем значении 48 мг/м2-год.
выводы
При изучении снежного покрова в пределах Надым-Пуровского междуречья установлены особенности химического состава твердых и жидких осадков на разных функционально используемых территориях. Наиболее высокий уровень загрязнения снега отмечен в СЗЗ ТОРО. Это связано с пы-лением отходов в процессе их транспортировки и складирования, а также с интенсивным движением автотранспорта. Снежный покров г. Новый Уренгой характеризуется максимальной пылевой нагрузкой, но относительно невысоким содержанием металлов, что обусловлено отсутствием крупных промышленных производств и использованием газовой генерации тепла и электроэнергии. Исключением является Са, который индицирует строитель-
ную отрасль и использование содержащих известь стройматериалов. Отмеченное в пределах ТОРО г. Новый Уренгой загрязнение Ва носит локальный характер и связано с производством по переработке буровых отходов. Автотранспорт оказывает влияние на химический состав снега, но оно не приводит к заметному загрязнению почв. На территории лицензионных участков выраженного загрязнения атмосферного воздуха, вызванного добычей газа и газоконденсата, не установлено. Выводы о преобладании в снежном покрове городов твердой фазы металлов и увеличение растворимых форм за пределами урбанизированной территории здесь получили подтверждение.
Риски загрязнения окружающей среды в результате аэротехногенного переноса на изученной территории связаны с высоким содержанием в пыли Zn, Си, №, РЬ и Ва. Некоторые пробы с ТОРО обладают высокой вероятностью биологических эффектов. Однако по полученным данным снежный покров на изученной территории не приводит к загрязнению почв. Исключением является Ва на отдельных участках СЗЗ ТОРО.
Исследования подтвердили влияние аэротехногенного переноса от Норильского промышленного района на водосбор р. Оби в пределах территории Надым-Пуровского междуречья, особенно в его восточной части. На это указывает высокое содержание в твердой фазе снега Zn, Си, №, РЬ и большое количество пирита в снеге восточной части изученного района.
Полученные результаты еще раз показали эффективность изучения снежного покрова как индикатора состояния атмосферного воздуха. Влияние даже небольшого производства, которое занимается переработкой буровых отходов, четко фиксируется по химическому и минералогическому составу твердофазного вещества.
Благодарность. Работа выполнена при поддержке гранта СПбГУ № 95439487.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Виноградова А.А., Максименков Л.О., Погарский Ф.А. Изменения атмосферной циркуляции и загрязнения окружающей среды в Сибири от промышленных районов Норильска и Урала в начале ХХ1 в. // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 6. С. 527-534.
Водяницкий Ю.Н. Экотоксикологическая оценка опасности тяжелых металлов и металлоидов в почве // Агрохимия. 2012. № 2. С. 75-84.
Касимов Н.С., Кошелева Н.Е., Власов Д.В., Терская Е.В. Геохимия снежного покрова в восточном округе Москвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. Геогр. 2012. № 4. С. 14-24.
Куркатов С.В., Тихонова И.В., Иванова О.Ю. Оценка риска воздействия атмосферных загрязнений на здоровье населения г. Норильска // Гигиена и санитария. 2015. Т. 94. № 2. С. 28-31. Леванчук А.В. Загрязнение окружающей среды продуктами эксплуатационного износа автомобильно-дорожного комплекса // Гигиена и санитария. 2014. № 6. С. 17-21.
Опекунов А.Ю., Опекунова М.Г., Кукушкин С.Ю. и др. Минералого-геохимическая характеристика снежного покрова в районах горнорудного производства // Геохимия. 2021. Т. 66. № 7. С. 659-672.
Опекунова М.Г., Опекунов А.Ю., Кукушкин С.Ю., Аре-стова И.Ю. Оценка трансформации природной среды в районах разработки углеводородного сырья на севере Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2018. № 1. С. 122-138.
Шевченко В.П., Воробьев С.Н., Кирпотин С.Н. и др. Исследование нерастворимых частиц в снежном покрове Западной Сибири на профиле от Томска до эстуария Оби // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 6. С. 499-504.
Экогеохимия городских ландшафтов / под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во МГУ, 1995. 336 с.
Derivation methods of soil screening values in Europe, A review and evaluation of national procedures towards harmonization, C. Carlon ^d.), European Commission, Joint Research Centre, Ispra, EUR 22805-EN, 2007, 306 p.
Gao X., Chen C.T.A. Heavy metal pollution status in surface sediments of the coastal Bohai Bay, Water Research, 2012, vol. 46, p. 1901-1911.
Kurbakov D.N., Kuznetsov V.K., Sidorova H.V. et al. Heavy metals in the snow cover in the area of the location of the Russian electrometallurgical plant LLC "NLMK-Kalu-ga", Journal of Physics: Conference Series 1701, 2020, 012017, DOI: 10.1088/1742-6596/1701/1/012017.
Lim J.-H., Sabin L.D., Schiff K.C. et al. Concentration, size distribution, and dry deposition rate of particle associated metals in the Los Angeles region, Atmos. Environ., 2006, vol. 40, p. 7810-7823.
Long E.R., Macdonald D.D., Smith S.L. et al. Incidence of adverse biological effects within ranges of chemical concentrations in marine and estuarine sediments, Environmental Management, 1995, vol. 19, no. 1, p. 81-97.
Moskovchenko D., Pozhitkov R., Zakharchenko A., Tigeev A. Concentrations of Major and Trace Elements within the Snowpack of Tyumen, Russia, Minerals, 2021, vol. 11(7), 709, DOI: 10.3390/min11070709.
Opekunov A., Opekunova M., Kukushkin S., Lisenkov S. Impact of drilling waste pollution on land cover in a high subarctic forest-tundra zone, Pedosphere, 2022, vol. 32, no. 3, p. 414-425, DOI: 10.1016/S1002-0160(21)60083-8.
Opekunova M., Opekunov A., Elsukova E. et al. Comparative analysis of methods for air pollution assessing in the Arctic mining area, Atmospheric Pollution Research, 2020, vol. 12(1), p. 76-88, D0I:10.1016/j.apr.2020.08.017.
Opekunova M.G., Opekunov A.Yu., Kukushkin S.Yu., GanulA.G. Background contents of heavy metals in soils
and bottom sediments in the north of Western Siberia, Eurasian Soil Science, 2019, vol. 52, no. 4, p. 380-395, DOI: 10.1134/S106422931902011X.
Pejman A., Gholamrez Nabi B., Saeedi M., Baghvanda A. A new index for assessing heavy metals contamination in sediments: A case study, Ecological Indicators, 2015, vol. 58, p. 365-373, DOI: 10.1016/j.ecolind.2015.06.012.
Peng H., Chen Y.L., Weng L.P. et al. Comparisons of heavy metal input inventory in agricultural soils in North and South China: A review, Sci. Total Environ., 2019, vol. 660, p. 776-786, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.066.
Pozhitkov R., Moskovchenko D., Soromotin A. et al. Trace elements composition of surface snow in the polar zone of northwestern Siberia: the impact of urban and industrial emissions, Environ. Monit. Assess., 2020, vol. 192(4), Article number: 215, DOI: 10.1007/s10661-020-8179-4.
Siudek P., Frankowski M., Siepak J. Trace element distribution in the snow cover from an urban area in central Poland, Environ. Monit. Assess., 2015, vol. 187(5), Article number: 4446, DOI: 10.1007/s10661-015-4446-1.
Vlasov D., Vasil'chuk J., Kosheleva N., Kasimov N. Dissolved and suspended forms of metals and metalloids in snow cover of megacity: Partitioning and deposition rates in western Moscow, Atmosphere, 2020, vol. 11, no. 9, p. 907, DOI: 10.3390/ATMOS11090907.
Wang X., Pu W., Zhang X. et al. Water-soluble ions and trace elements in surface snow and their potential source regions across northeastern China, Atmospheric Environment, 2015, vol. 114, p. 57-65, DOI: 10.1016/j.at-mosenv.2015.05.012.
Xue H., Chen W., Li M. et al. Assessment of major ions and trace elements in snow: A case study across northeastern China, 2017-2018, Chemosphere, 2020, vol. 251, Article number: 126328, DOI: 10.1016/j.chemos-phere.2020.126328.
Yakovlev E., Druzhinina A., Zykova E. et al. Assessment of Heavy Metal Pollution of the Snow Cover of the Severodvinsk Industrial District (NW Russia), Pollution, 2022, vol. 8, no. 4, p. 1274-1293, DOI: 10.22059/ POLL.2022.341500.1438.
Zhang F., Meng B., Gao S. et al. Levels, Inventory, and Risk Assessment of Heavy Metals in Wetland Ecosystem, Northeast China: Implications for Snow Cover Monitoring, Water, 2021, vol. 13(16), Article number: 2161, DOI: 10.3390/w13162161.
Поступила в редакцию 24.03.2023 После доработки 15.09.2023 Принята к публикации 14.02.2024
30
ОпЕКУНОВ H flP.
MINERALOGICAL AND GEOCHEMICAL PARAMETERS OF SNOW COVER WITHIN THE ANTHROPOGENICALLY DISTURBED SITES OF THE NADYM-PUR INTERFLUVE (NORTHERN PART OF WESTERN SIBERIA)
A.Yu. Opekunov1, M.G. Opekunova2, S.Yu. Kukushkin3, S.Yu. Janson4
1-3 Saint-Petersburg State University, Institute of Earth Sciences, Department of Geoecology 4 Saint-Petersburg State University, Resource Center of Microscopy and Microanalysis
1 Professor, D.Sc. in Geology and Mineralogy; e-mail: a_opekunov@mail.ru 2 Professor, D.Sc. in Geography; e-mail: m.opekunova@mail.ru 3 Associate Professor, Ph.D. in Geography; e-mail: stepic@yandex.ru 4 Deputy Director, Ph.D. in Geology and Mineralogy; e-mail: jansn.sv@gmail.com
The article analyzes the content of metals in solid aerosols and snow water sampled in the anthropogeni-cally disturbed and background sites of the Nadym-Pur interfluve. The results of microscopic studies of solid aerosols showed the presence of secondary minerals, technogenic formations, as well as a large amount of pyrite in samples from the eastern part of the study area. The maximum concentrations of metals in solid aerosols were found in snow of the sanitary protection zones of waste disposal facilities, with the exception of Ca, which prevails in snow cover of Novy Urengoy (up to 10% of dry matter). The urbanized area is characterized by the highest values of dust load (up to 111 mg/m2 a day). The local contamination with Ba within the waste landfills in Novy Urengoy is associated with the sites of barite and drilling waste processing. We applied the factor analysis to identify the main metal associations characteristic of solid aerosols from different functional zones: Ca-Co-V-Mn (city), Ba-Sr-K-Na and Cd-Cu-Pb (waste disposal sites), Cu-Ni-Cd (the entire studied area). Based on the study of the content of dissolved forms in snow water, a high mobility of metals in the northern landscapes and its decrease in urban environment were revealed. The mineralogical and geochemical analysis of snow suggests the influence of the Norilsk industrial region on the eastern part of the Nadym-Pur interfluve, Zn, Cu, Ni, Pb and the mineral pyrite being the indicators. The risks of environmental pollution under the aerotechnogenic transport are associated with high content of Zn, Cu, Ni, Pb and Ba in solid aerosols. The calculation of the Toxicity Probability Index (MERMQ) showed that some aerosol samples from the landfill sites have a high probability of biological effects. Using data on the chemical composition of soils and soil water, no visible effect of snow pollution on the growth of metal concentrations in soil and soil water was revealed, with the exception of local contamination with Ba, which led to a twofold increase in the content of the metal in the upper soil horizon.
Keywords: snow, snow water, solid aerosols, secondary minerals, metals, soil pollution
Acknowledgments. The research was financially supported by the Saint-Petersburg State University (research grant 95439487).
REFERENCES
Derivation methods of soil screening values in Europe, A review and evaluation of national procedures towards harmonization, C. Carlon (ed.), European Commission, Joint Research Centre, Ispra, EUR 22805-EN, 2007, 306 p.
Ekogeohimiya gorodskih landshaftov [Ecogeochemistry of urban landscapes], N.S. Kasimov (ed.), Moscow, Izd-vo MGU, 1995, 336 p. (In Russian)
Gao X., Chen C.T.A. Heavy metal pollution status in surface sediments of the coastal Bohai Bay, Water Research, 2012, vol. 46, p. 1901-1911.
Kasimov N.S., Kosheleva N.E., Vlasov D.V., Terskaya E.V. Geohimiya snezhnogo pokrova v vostochnom okruge Moskvy [Geochemistry of snow cover within the Eastern district of Moscow], Vestn. Mosk. un-ta, Ser. 5, Geogr., 2012. no. 4, p. 14-24 (In Russian)
Kurbakov D.N., Kuznetsov V.K., Sidorova H.V. et al. Heavy metals in the snow cover in the area of the location of the Russian electrometallurgical plant LLC "NLMK-Kaluga", Journal of Physics: Conference Series 1701, 2020, 012017, D0I:10.1088/1742-6596/1701/1/012017.
Kurkatov S.V., Tihonova I.V., Ivanova O.Yu. Ocenka riska vozdejstviya atmosfernyh zagryaznenij na zdorov'e naseleniya g. Noril'ska [Assessment of the risk of environmental atmospheric pollutants for the health of the population of the city of Norilsk], Gi-giena i sanitariya, 2015, vol. 94, no. 2, p. 28-31. (In Russian)
Levanchuk A.V. Zagryaznenie okruzhayushchej sredy produktami ekspluatacionnogo iznosa avtomobil'no-dorozhnogo kompleksa [Environmental pollution by products of wear and tear automobile-road complex], Gigiena i sanitariya, 2014, no. 6, p. 17-21. (In Russian)
Lim J.-H., Sabin L.D., Schiff K.C., Stolzenbach K.D. Concentration, size distribution, and dry deposition rate of particleassociated metals in the Los Angeles region, At-mos. Environ, 2006, vol. 40, p. 7810-7823.
Long E.R., Macdonald D.D., Smith S.L., Calder F.D. Incidence of adverse biological effects within ranges of chemical concentrations in marine and estuarine sediments, Environmental Management, 1995, vol. 19, no. 1, p. 81-97.
Moskovchenko D., Pozhitkov R., Zakharchenko A., Ti-geev A. Concentrations of Major and Trace Elements within the Snowpack of Tyumen, Russia, Minerals, 2021, vol. 11, 709, DOI: 10.3390/min11070709.
Opekunov A., Opekunova M., Kukushkin S., Lisenkov S. Impact of drilling waste pollution on land cover in a high subarctic forest-tundra zone, Pedosphere, 2022, vol. 32, no. 3, p. 414-425.
Opekunov A.Y., Opekunova M.G., Kukushkin S.Y. et al. Mineralogical-geochemical characteristics of the snow cover in areas with mining and ore-processing facilities, Geochemistry International, 2021, 59(7), p. 711-724.
Opekunova M., Opekunov A., Elsukova E. et al. Comparative analysis of methods for air pollution assessing in the Arctic mining area, Atmospheric Pollution Research, 2020, p. 76-88.
Opekunova M.G., Opekunov A.Yu., Kukushkin S.Yu., Arestova I.Yu. Evaluation of Environmental Transformation in Areas of Hydrocarbon Deposits in the North of Western Siberia, Contemporary Problems of Ecology, 2018, vol. 11, no. 1, p. 99-110.
Opekunova M.G., Opekunov A.Yu., Kukushkin S.Yu., Ganul A.G. Background Contents of Heavy Metals in Soils and Bottom Sediments in the North of Western Siberia, Eurasian Soil Science, 2019, vol. 52, no. 4, p. 380-395.
Pejman A., Gholamrez Nabi B., Saeedi M., Baghvanda A. A new index for assessing heavy metals contamination in sediments: A case study, Ecological Indicators, 2015, vol. 58, p. 365-373.
Peng H., Chen Y.L.,Weng L.P. et al. Comparisons of heavy metal input inventory in agricultural soils in North and South China: A review, Sci. Total Environ, 2019, vol. 660, p. 776-786.
Pozhitkov R., Moskovchenko D., Soromotin A. et al. Trace elements composition of surface snow in the polar zone of northwestern Siberia: the impact of urban and industrial emissions, Environ Monit Assess, 2020, vol. 192, Article number: 215, DOI: 10.1007/s10661-020-8179-4.
Shevchenko VP., Vorob'yov S.N., Kirpotin S.N. et al. Issledo-vanie nerastvorimyh chastic v snezhnom pokrove Zapad-noj Sibiri na profile ot Tomska do estuariya Obi [Investigations of insoluble particles in the snow cover of the Western Siberia from Tomsk to the Ob estuary], Optika atmosfery i okeana, 2015, vol. 28, no. 6, р. 499-504. (In Russian)
Siudek P., Frankowski M., Siepak J. Trace element distribution in the snow cover from an urban area in central Poland, Environ Monit Assess, 2015, vol. 187, Article number: 225, DOI: 10.1007/s10661-015-4446-1.
Vinogradova A.A., Maksimenkov L.O., Pogarskij F.A. Izme-neniya atmosfernoj cirkulyacii i zagryazneniya okru-zhayushchej sredy v Sibiri ot promyshlennyh rajonov Noril'ska i Urala v nachale XXI v. [Changes of atmospheric circulation and environmental pollution in Siberia from the industry of the Norilsk and Ural regions at the begining of the 21st century], Optika atmosfery i okeana, 2009, vol. 22, no. 6, р. 527-534. (In Russian)
Vlasov D., Vasil'chuk J., Kosheleva N., Kasimov N. Dissolved and suspended forms of metals and metalloids in snow cover of megacity: Partitioning and deposition rates in western Moscow, Atmosphere, 2020, vol. 11, no. 9, p. 907, DOI 10.3390/ATMOS11090907.
Vodyanickij Yu.N. Ekotoksikologicheskaya ocenka opas-nosti tyazhelyh metallov i metalloidov v pochve [Assessment of the ecotoxicological hazard of heavy metals and metalloids in the soil], Agrohimiya, 2012, no. 2, р. 75-84. (In Russian)
Wang X., Pu W., Zhang X. et al. Water-soluble ions and trace elements in surface snow and their potential source regions across northeastern China, Atmospheric Environment, 2015, vol. 114, p. 57-65, DOI: 10.1016/j.at-mosenv.2015.05.012.
Xue H., Chen W., Li M. et al. Assessment of major ions and trace elements in snow: A case study across northeastern China, 2017-2018, Chemosphere, 2020, vol. 251, Article number: 126328, DOI: 10.1016/j.chemos-phere.2020.126328.
Yakovlev E., Druzhinina A., Zykova E., Zykova S., Iv-anchenko N. Assessment of Heavy Metal Pollution of the Snow Cover of the Severodvinsk Industrial District (NW Russia), Pollution, 2022, vol. 8, no. 4, p. 1274-1293, DOI: 10.22059/POLL.2022.341500.1438.
Zhang F., Meng B., Gao S. et al. Levels, Inventory, and Risk Assessment of Heavy Metals in Wetland Ecosystem, Northeast China: Implications for Snow Cover Monitoring, Water, 2021, vol. 13, Article number: 2161, DOI: 10.3390/w13162161.
Received 24.03.2023 Revised 15.09.2023 Accepted 14.02.2024
