Мониторинг и выделение зон рекультивации на основе биоиндикации Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

© Т.А Петрова, Д.С. Корельский, 2011

УДК 502.65:622.276

Т.А. Петрова, Д.С. Корельский

МОНИТОРИНГ И ВЫДЕЛЕНИЕ ЗОН РЕКУЛЬ ТИВАЦИИ НА ОСНОВЕ БИОИНДИКАЦИИ

Кольская ГМК, одно из крупнейших предприятий по переработке медно-никелевого сырья, оказывает чрезвычайно негативное влияние на природную среду. В ходе экспедиции на различном расстоянии от комбината и в фоновых территориях отбирались пробы почв и растительности. Исследования позволили зонировать нарушенные территории и разработать способ рекультивации.

Ключевые слова: мониторинг, биоиндикация, почвы, растительность, зонирование, восстановление, рекультивация.

Одним из наиболее чувствительных и физиономичных компонентов экосистем по отношению к техногенным воздействиям, является растительность, изменения которой под воздействием антропогенного фактора характеризуется интегральным показателем трансформации природных комплексов. Исследование механизмов повреждения и адаптации растений на разных уровнях их организации (фитоцено-тическом, популяционном, организмен-ном, клеточном, молекулярном) в условиях техногенного воздействия горнометаллургических предприятий и техногенных массивов, формируемых в ходе их деятельности, является актуальной задачей, поскольку полученные результаты могут служить основой для проведения комплексной адекватной оценки состояния экосистем, прогноза изменения их состояния и разработки оптимальной системы восстановления природных комплексов в зонах негативного воздействия.

В этой связи авторским коллективом разработан и внедрен метод проведения мониторинговых исследований, целью которых являлось изучение механизмов повреждения и адаптации растений на

разных уровнях их организации - фито-ценотическом, популяционном, орга-низменном, клеточном, молекулярном в условиях техногенного загрязнения для разработки методов оценки состояния лесных экосистем и разработки методов рекультивации нарушенных природных комплексов.

При проведении исследований решались задачи:

• Выделения категорий состояния экосистем на основе геохимического анализа и с использованием традиционных методов фитоиндикации.

• Изучения изменений флористического и фитоценотического состава растительных сообществ при техногенном воздействии, оценки накопления и распределения тяжелых металлов техногенного происхождения в природном почвенно-расти-тельном комплексе.

• Выделения индикаторных признаков, позволяющих оценить состояние экосистем, а также определения критических значений структурно- функциональных изменений растений, переход через которые может привести к необратимым повреждениям.

• Создания оптимальной схемы разделения нарушенных территорий по степени деградации почвеннорастительного покрова и разработки способов рекультивации, применимых для каждой конкретной зоны.

Предложенный метод мониторинговых исследований был апробирован на территории центральной части Кольского полуострова являющейся одним из наиболее репрезентативных районов, в котором состояние исследуемых лесных биогеоценозов определяется с одной стороны экстремальными природными условиями, с другой стороны, продолжительным и интенсивным действием антропогенного фактора. Наличие хорошо выраженных градиентов техногенного загрязнения позволяет наблюдать весь спектр реакций растительности от необратимых повреждений до различных адаптационных модификаций.

За 60-летний период своего функционирования комбинат «Северони-кель» (ныне ОАО «Североникель») выбросил в атмосферу около 52 триллионов тонн сернистого газа, до 200 000 тонн никеля, примерно столько же меди, около 25 000 тонн серной кислоты, несколько больше фенола и формальдегида, десятки тысяч тонн сульфида водорода и хлора. В окрестностях комбината значительные пространства нарушены отработанными рудниками и карьерами, а также насыпными и намывными техногенными массивами. Вследствие атмосферных выпадений на поверхность земли в зоне площадью около 1400 км2, в которой сформировались техногенные массивы в виде техногенных наносов.

Предложенный метод мониторинга представляет собой отбор проб верхних почвенных горизонтов и растительности на различном расстоянии от комбината, по сетке для техногенных массивов

класса А, и на фоновых территориях, что позволяет определить как общую степень загрязненности почв на различном расстоянии от предприятия, так и получить распределение накопления тяжелых металлов по различным горизонтам. Для получения полной картины инфильтрации и аккумуляции тяжелых металлов были заложены почвенные разрезы.

Параллельно с оценкой содержания тяжелых металлов в лесных почвах осуществлялось проведение исследований химического состава хвои деревьев и растений нижних ярусов. Необходимость подобных исследований подтверждается тем, что определенные ранее на данной территории средние содержания в горизонте А0 подвижного № составляют 186 мг/кг (46 ПДК), а Си - 368 мг/кг (122 ПДК), что превышает предел насыщения мхов, традиционно используемых для оценки годовых выпадений тяжелых металлов. На фоновых пробных площадях отбирались основные представители растительного мира данного региона, такие как: сосна и ель сибирская (хвоя за последние 5 лет), кустарнички черники, брусники, голубики, дерена шведского и 1тре1тит (лиственная фитомасса), мхи и лишайники -плевроциум Шребера (Pleurozium schreberi), гилокомиум блестящий (Ну1осотшт splendens), ягель (С1а&па stellaris). Далее, в пределах пробных площадей в зоне воздействия предприятия, отбирались образцы всех растений, представленных на пробной площади и входящих в список отобранных ранее на фоновых участках.

Определение зон обязательных к рекультивации

Для определения критических значений содержания основных загрязняющих веществ в техногенных наносах, превышение которых может привести к

необратимым деградациям природных растительных комплексов, был разработан метод с использованием полевого эксперимента. На участке фоновой территории Кольского полуострова на снежный покров производилось рассеивание полиметаллической пыли, выбрасываемой комбинатом «Североникель». Из-за неравномерности внесения загрязнителей наглядным результатом эксперимента служит появление «пятен» в лишайниковом покрове, в которых концентрация тяжелых металлов превысила предел существования С1а&па stellaris, однако позволила существовать кустарничкам брусники. Через эти «пятна» был проложен профиль метровых площадок, на которых присутствие СМта stellaris варьировало от полного до нулевого.

В пределах метровых площадок отбирались пробы лишайника, фитомассы листьев брусники и производился отбор проб почв. В местах полного отсутствия СМта stellaris дополнительно отбирались пробы почв и брусники на 30-сантимет-ровых площадках. Анализ отобранных образцов почвы позволяет вычислить условия восстановления и существования С1а&па stellaris на загрязненных территориях.

Разработанный способ позволяет разделить зону влияния металлургического предприятия на территории способные к самовосстановлению после прекращения производственной деятельности, а также зоны, где необходимость рекультивации земель будет однозначной. Принципиальной схемой такого разделения является построение ореолов загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами. Условия существования самого чувствительного представителя растительного мира, а в данном случае СМта stellaris, выделит

области способные к естественному природному восстановлению.

Рекультивация техногенных наносов

Согласно официальным данным ОАО «Кольская ГМК», для ускорения процессов восстановления качества земельных ресурсов на территориях, пострадавших от аэротехногенного воздействия комбинатов, компания реализует мероприятия по рекультивации земель и озеленению, однако темпы рекультивации и озеленения составляют порядка 20 га/год при существующей площади выпадения аэротехногенных выбросов порядка 150000 га.

Зона рекультивации прилегает к предприятию и характеризуется десятикратными превышениями предельно допустимого содержания ТМ в почвах и pH порядка 4,0 - 4,5 в приповерхностных почвенных горизонтах. Существование и самостоятельное восстановление растительных сообществ на данных площадях невозможно, а сами техногенные наносы являются источником вторичного загрязнения.

Для решения рассмотренной проблемы была разработана технология селективной рекультивации катастрофически загрязненных территорий в зависимости от степени деградации экосистем, позволяющая повысить эффективность защиты и реабилитации природной среды, оптимизировав затраты на оздоровление и рекультивацию территорий.

Проведенный анализ способов рекультивации техногенных наносов, в том числе и разработанная автором технология формирования защитного экрана из полимерных материалов в оплавленном совместно с грунтами состоянии (патент на изобретение № 2301300), показал основные слабые стороны изолирования техногенных наносов, с целью предотвращения выноса поллютантов. В основном это большая

стоимость, сложность проведения технического этапа рекультивации и недолговечность различных изолирующих покрытий.

Рекультивация загрязненных ТМ почв обычно основано на применении извести, гипса, фосфатов, органических веществ. Использование извести более эффективно на почвах с кислой реакцией, на высокобуферных почвах. В промышленных зонах для рекультивации химически загрязненных почв необходим комплекс мероприятий, включающий химическое связывание токсических веществ в недоступные для растений соединения, биогенное обогащение, агротехнические, мелиоративные и другие приемы.

Проведенные исследования с использованием почвеннотехнохимической съемки территорий и тестирования растительных объектов позволили выделить три зоны с катастрофическим уровнем загрязнения почв, подлежащие рекультивации.

Зона техногенной пустоши, прилегающая к промплощадке комбината, непригодна для существования растительных сообществ. Пыление техногенных наносов с этой территории и высокая подвижность ТМ в кислой среде являются причиной формирования новых литохимических и гидрохимических ореолов загрязнения. Зона техногенной пустоши характеризуется полным разрушением плодородного горизонта почв, и внешняя граница зоны определяется изолинией суммарного коэффициента загрязнения почв со значением равным 128. Внешняя граница зоны деградации экосистем изолинией суммарного коэффициента загрязнения со значением равным 64, превышение которого характеризует загрязнение почв как высоко-опасное (Госкомгидромет СССР, № 02-10 51-233 от 10.12.90).

Рекультивация в зонах техногенной пустоши и деградации экосистем

должна осуществляться путем изоляции техногенных массивов с созданием горизонтального карбонатного геохимического барьера. Мощность карбонатного барьера определяется в зависимости от кислотного потенциала приповерхностных отложений и потенциала выпадения соединений серы при существующем уровне аэротехногенной нагрузки.

Взаимодействие карбонатного экрана с существующими техногенными наносами и новыми аэротехногенными выпадениями с образованием слаборастворимых комплексных соединений и труднорастворимых карбонатов, приведет к повышению pH почвогрунтов до приемлемого уровня и существенному снижению подвижности тяжелых металлов. Для повышения эффективности экранирования возможно проведение вспашки поверхностного слоя почв с карбонатными материалами.

Переход металлов в легкорастворимую сульфатную форму:

MeS + О2 + 2Н2О ^ Ме 2+ + 4Н+ + +SO4 2- (1)

Нейтрализация кислых вод при взаимодействии с барьером:

2Н+ + SO4 2- + СаСОз ^

^^04*^0! + СО2Т (2)

Осаждение гидроксидов при рН > 6:

Ме 2+ + 20Н - ^ Ме(ОН)2І (3)

Внешняя граница зоны разрушения экосистем определяется уровнем загрязнения почв, соответствующим изолинии суммарного коэффициента загрязнения, экспериментально определенным условиями существования самого чувствительного к загрязнению и широко распространенного представителя растительных сообществ региона. Рекультивация в зоне разрушения экоси-

стем должна осуществляться путем снижения концентрации поллютантов в верхних почвенных горизонтах разбавлением загрязненных почв плодородными грунтосмесями с предварительным нанесением карбонатного нейтрализующего слоя.

Предотвращенный экологический ущерб от воздействия техногенных наносов на природную среду предлагается определять как сумму воздействия на компоненты природной среды с учетом возникновения всех последствий воздействия.

Результатом проявления экологической опасности выступает ущерб, нано-

1. Корельский Д.С. Оценка уровня загрязнения приповерхностного слоя почв в зоне воздействия металлургического предприятия // Горный информационно-аналитический бюллетень № 9, 2008. С. 330-333.

2. Пашкевич М.А., Корельский Д.С. Разработка эффективных способов рекультивации высокотоксичных техногенных массивов предприятий минерально-сырьевого комплекса // Современные проблемы горного производства и экологии. Записки Горного института, том 180, 2009. С. 43-46.

симый различным компонентам природной среды:

• почвам;

• поверхностным и подземным водам;

• населению;

• биотическим компонентам (растениям, животным).

Экономическая эффективность предлагаемой технологии обоснована чрезвычайным уровнем экологической опасности высокотоксичных техногенных наносов, техногенным ущербом наносимым природным экосистемам и восстановлением биологической продуктивности нарушенных территорий.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Корельский Д.С. Мониторинг в зоне воздействия ОАО «Североникель» и определение уровня деградаций природных сообществ // Аннотации работ победителей конкурсов грантов 2007 года для студентов и аспирантов вузов и кандидатов наук. СПб, 2007. С. 52

4. Korelskiy D.S. Monitoring and land recultivation of the wood communities which are being under influence of combine «Severonikel» // Materials of the Eight Internationals Young Scho-lars’Forum of the Asia-Pacific Region Countries. ДВГТУ, Владивосток, 2008 г. С. 76-77. Н5гд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------------------

Петрова Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук,

Корельский Денис Сергеевич - кандидат технических наук,

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет), [email protected]