CC BY
10
А. А. Шайхутдинова, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Менеджмент здоровьесберегающих технологий» Оренбургского государственного института менеджмента e-mail: varvarushka@yandex.ru
МОНИТОРИНГОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ, ПРИЛЕГАЮЩИХ К ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМ, РАБОТАЮЩИМ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Статья посвящена проблеме загрязнения растительного покрова г. Кумертау. Проведена оценка качества территорий, прилегающих к приоритетному стационарному источнику выброса загрязняющих веществ по коэффициенту концентрации, экотоксикологическому показателю, а также проведен морфологический анализ листовых пластинок растений.
Ключевые слова: коэффициент концентрации, экотоксикологический показатель, биогеохимиче-ский показатель.
Урбанизация общества приводит к тому, что в почвах городов значительно повышается содержание тяжелых металлов. Продукция животного и растительного происхождения, производимая в таких условиях, требует пристального внимания, поскольку избыточное количество тяжелых металлов в почве оказывает прямое влияние на насыщенность ими растительной ткани и отражается в последующих звеньях пищевой цепи -животных, человеке [1, 2, 3].
Город Кумертау является связующим центром на пересечении транспортных магистралей между Поволжьем, Уралом, Средней Азией и Западной Сибирью и расположен на расстоянии 250 км от столицы Республики Башкортостан г. Уфы на границе с Оренбургской областью.
По данным Комитета по охране окружающей среды г. Кумертау, валовые выбросы в атмосферу за 2008 год по городу от стационарных источников составили 15001,994 т. Приоритетным источником выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух в городе является Кумертауская ТЭЦ, на ее долю приходится 97,55% общего загрязнения. Кумертауская ТЭЦ является единственной электростанцией ОАО «Башкирская генерирующая компания», сохранившая технологию сжигания бурых углей.
Территории, прилегающие к Кумертауской ТЭЦ, не характеризуются обилием зеленых насаждений. Биоценозы представлены искусственными насаждениями и синантропными видами растительности, что означает упрощение состава, снижение продуктивности и стабильности сообществ в данных экосистемах.
В составе травянистого яруса можно отметить незначительную долю (до 5%) зональных видов. К ним относятся - тысячелистник благородный (Achillea nobilis L.), овсяница желобчатая (Festuca sulcata (Hack.) Num.), полынь шелковистая (Artemisia
sericea Web.) и некоторые другие. В целом облик растительности здесь формируют виды сорной и рудеральной растительности (34-65%), которые на неиспользуемых участках формируют моно- или олигодоминантные рудеральные сообщества. Наиболее обычны лебеда (Atriplex sp.), полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), полынь горькая (Artemisia absintium L.), цикорий обыкновенный (Cichorium intybus L.), вьюнок луговой (Convolvulus arvensis L.), горец птичий (Polygonum aviculare L.), марь белая (Chenopodium album L.).
Наиболее распространенным травянистым растением на данной территории является горец птичий (Poligonum avikulare L.). Кустарниковые растения представлены видом шиповник майский (Rosa majalis Herrm.) - мезофит, лекарственное растение. Древесные породы представлены двумя видами: тополь белый (Populus alba L.), относящейся к группе мезофитов, и береза повислая (Betula pendula Roth), относящаяся к группе ксероме-зофитов. Мезофиты - (от греческого mesos - средний и phyton - растение) - растения, живущие в условиях умеренного увлажнения почвы и обычно при средних значениях температуры, аэрации корневой системы, а также достаточного освещения.
В качестве объекта исследования использован вид растений, устойчивый к действию загрязнений, - горец птичий, который является доминантным видом травянистых растений, представленных в фитоценозе большим количеством экземпляров, зарегистрированных на определенной площади, среди деревьев - тополь белый и береза повислая. В исследуемых растениях определено содержание цинка, свинца, меди, хрома, кобальта, никеля и марганца, которые поступают на прилегающие территории в результате формирования в свободной атмосфере частиц золы, образующихся при сжигании бурого угля в топках паровых котлов Кумертауской ТЭЦ [5, 6].
О химическом загрязнении растений судили по концентрации вышеперечисленных тяжелых металлов в биомассе. Концентрация тяжелых металлов в растениях была определена атомноабсорбционным методом (см. рис. 1-3). В результате проведенных исследований получили, что среди металлов 1 класса опасности в вегетативной части растений на территориях, прилегающих к Кумер-
тауской ТЭЦ, накапливается цинк. В северном направлении концентрация изменяется в интервале от 6,3 до 24,9 мг/кг, при чем к 1000 м концентрация снижается в 4 раза и увеличивается к 1500 м в 1,8 раза, а северо-восточном (11,3-19,6 мг/кг) и югозападном (15,8-31,5 мг/кг) направлениях концентрация снижается с удалением от источника в 1,7 и 2 раза соответственно.
100 80 | 60 * 40
20
0
1—1 Г 1
-ш і—і —
500 м
\\
1000 м
ппп
медь хром кобальт никель марганец
наименование металла
1500 м
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в северном направлении от Кумертауской ТЭЦ
100
40
20
0
-1—1
\\
тл. , 1 1 1
цинк свинец
медь хром кобальт никель марганец
наименование металла
500 м
1000 м
шли
1500 м
Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в северо-восточном направлении от Кумертауской ТЭЦ
120
60
40
20
0
"Т
\\ W
ч
ъ - Г-L—m — 1 -
цинк свинец медь хром кобальт никель марганец наименование металла
Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в юго-западном направлении от Кумертауской ТЭЦ
По металлам 2 класса опасности максимальная концентрация отмечается по меди. В северном направлении от предприятия концентрация иона находится в интервале от 47,5 до 81,3 мг/кг. В данном направлении концентрация меди снижается на расстоянии 1000 м в 1,7 раза и увеличивается к 1500 м в 1,1 раза. В северо-восточном и юго-западном направлениях концентрация меди лежит в интервале 45-68,8 и 71,8-97,5 мг/ кг, причем концентрация увеличивается в 1,02 и 1,4 раза и снижается к 1500 м в 1,5 и 1,2 раза соответственно. По марганцу (металл 3 класса опасности) наблюдается аналогичная закономерность, как и по приоритетному металлу второго класса опасности.
Содержание тяжелых металлов в листьях деревьев представлено в таблице 1. По металлам 1 класса опасности в листьях тополя белого и березы повислой накапливается цинк со значениями концентраций 14,8-31,5 мг/кг и 16,1-35,9 мг/кг соответственно. По металлам 2 класса опасности также максимальная концентрация отмечается по меди со значениями концентраций соответственно 54,6-79,9 мг/кг и 62,8-83 мг/кг.
Для оценки экологического состояния почв на исследуемой территории можно сравнивать уровень содержания биологически важных микроэлементов в укосах и растительных кормах с полученными значениями концентраций тяжелых металлов в растениях на исследуемых территори-
ях (см. табл. 2). Сравнение с биологическими показателями показало, что наиболее неблагоприятная ситуация складывается по цинку. По данному металлу 1 класса опасности территория на расстоянии 1000 м в северном направлении относится к зоне экологического бедствия (концентрация 6,3 мг/кг), во всех остальных исследуемых территориях складывается чрезвычайная экологическая ситуация, т.к. концентрация лежит в интервале от 10 до 30 мг/кг, за исключением организованного пункта наблюдения на границе санитарнозащитной зоны в юго-западном направлении, где складывается относительно удовлетворительная экологическая ситуация, т.к. концентрация лежит в интервале от 30 до 60 мг/кг сухой биомассы.
Таким образом, повышенные концентрации тяжелых металлов могут оказывать неблагоприятное воздействие на рост и качество растений и это является причиной трансформаций в биоценозах.
Степень загрязнения растений, произрастающих на территориях прилегающих к Кумертауской ТЭЦ, оценивали по коэффициенту концентрации, который определяли как отношение концентрации металла к фоновому значению. Результаты свидетельствуют о том, что по металлам 1 класса опасности наибольшее значение коэффициента концентрации наблюдается у свинца 2,6-26,4 по горцу птичьему, 8,2-19,8 по тополю белому и 10,4-14,8 по березе повислой, по металлам 2 клас-
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в растениях на территориях, прилегающих к Кумертауской ТЭЦ
Вид растения Направление Расстояние, м Значения концентраций тяжелых металлов, мг/кг
Zn Pb Cu Cr Co Ni Mn
тополь белый северо-во сточно е 15GG 14,8 G,63 54,6 G,47 G,46 G,G7 69,7
юго-западное 5GG 31,5 G,64 75,G 5,G5 1,G5 G,16 66,8
iGGG 23,6 G,41 79,9 3,96 G,49 G,39 77,7
i5GG 16,8 G,99 77,1 5,42 1,52 G,81 82,3
береза повислая северо-восточное iGGG 16,1 G,74 62,8 G,41 G,52 G,G4 82,8
юго-западное 5GG 35,9 G,52 83,G 4,96 1,17 G,18 68,3
Таблица 2
Биологический показатель экологического состояния почв
Уровень содержания биологически важных микроэлементов в укосах и растительных кормах, мг/кг сухого вещества Ха эактеристика состояния почв
Экологическое бедствие Чрезвычайная экологическая ситуация Относительно удовлетворительная экологическая ситуация
цинк < 1G 1G-3G 3G-6G
> 5GG 1GG-5GG
медь < 3 3-5 1G-2G
> 1GG 8G-1GG
кобальт < G,1 G,1-G,3 G,3-1
> 5G 5-5G
са - у никеля 1,02-15 по горцу птичьему, 2,8-4,8 по тополю белому и 1-4,5 по березе повислой.
Максимальное значение суммарного показателя загрязнения травянистого растительного покрова наблюдается в юго-западном направлении (26-55,2), причем к 1000 м значение показателя снижается в 1,5 раза, а к 1500 м увеличивается в 2,1 раза. В северном направлении (11-23,8) суммарный коэффициент концентрации снижается с удалением от источника в 2,2 раза. В северовосточном направлении (18-26,1) значение суммарного коэффициента концентрации к 1000 м увеличивается в 1,5 раза, а к 1500 м снижается в 1,4 раза.
Максимальное значение суммарного показателя загрязнения листьев тополя белого наблюдается в югозападном направлении на расстоянии 1500 м (37,3).
Экотоксикологический показатель почвы был определен дифференцированно для тяжелых металлов I (Э1), II (Эп) и III (Эш) классов опасности на различном расстоянии от источника выброса (см. табл. 3).
Таблица 3
Экотоксикологический показатель качества почвы
Направление Экотоксикологический показатель тяжелых металлов
1 класс 2 класс 3 класс
Zn Pb Э, Cu Cr Co Ni Эп Mn Э1П
север 5GG G,88 G,95 1,83 1,29 G,46 3,56 G,55 5,8>6 G,31 G,31
1GGG G,73 G,36 1,G9 G,5G G,34 G,94 G,47 2,25 G,28 G,28
15GG G,82 G,31 1,13 G,57 G,42 1,66 G,71 3,36 G,27 G,27
северо- восток 5GG 1,G3 G,87 1,9G 1,26 G,47 4,3G G,69 6,72 G,28 G,28
1GGG 1,G8 G,46 1,54 G,81 G,35 1,8G G,62 3,58 G,27 G,27
15GG 1,G2 G,43 1,45 G,63 G,34 1,87 G,67 3,51 G,28 G,28
юго-запад 5GG 1,G3 G,8G 1,83 G,99 G,68 3,42 1,G9 6,18 G,32 G,32
1GGG G,97 G,36 1,33 G,61 G,63 2,63 1,G5 4,92 G,3G G,3G
15GG 1,21 G,64 1,85 G,72 G,54 2,G3 G,96 4,25 G,27 G,27
Таблица 4
Критерии оценки экологического состояния объектов окружающей среды
Параметры
Показатели экологическое чрезвычайная критическая относительно
бедствие экологическая экологическая удовлетворительная
ситуация ситуация ситуация
Э, > 3 2-3 1-2 < 1
Эп > 10 5-1G 1-5 < 1
Э„, > 20 1G-2G 1-1G < 1
Ф > 2,0 1,4-2,G 1,1—1,4 < 1,1
Г с > 10 5-1G 1,5-5,G 1,1—1,5
Результаты исследования показали, что в север- превышение значения ПДК составляет в северном ном направлении содержание цинка и свинца не направлении от 1,66 до 3,56, за исключением рас-
превышает ПДК и экотоксикологический показа- стояния 1000 м, где превышение составляет 0,94.
тель изменяется по цинку от 0,73 до 0,88, по свинцу В северо-восточном и юго-западном направлени-
от 0,31 до 0,95, но суммарный экотоксикологиче- ях также отмечается превышение в интервале 1,8-
ский показатель составляет 1,09-1,83, что позво- 4,3. По никелю превышение концентрации в 1,09 ляет отнести территорию в данном направлении от и 1,05 над уровнем ПДК отмечается на расстоя-
Кумертауской ТЭЦ к зоне с критической экологической ситуацией согласно критериям оценки табл.
4. По цинку в северо-восточном и юго-западном направлениях наблюдаются превышения в интервале 1,02-1,08 и 1,03-1,21 соответственно, за исключением расстояния 1000 м в юго-западном направлении, где превышение ПДК по цинку составляет
0,97. По свинцу в северо-восточном и юго-западном направлениях превышений не наблюдается. Однако суммарный экотоксикологический показатель по металлам 1 класса опасности почв, отобранных в северо-восточном и юго-западном направлениях, находится в интервале 1,33-1,90, что позволяет отнести исследуемую территорию к зонам с критической экологической ситуацией.
По меди превышения ПДК наблюдаются на границе санитарно-защитной зоны Кумертауской ТЭЦ в северном (1,29) и северо-восточном (1,26) направлениях, во всех остальных исследуемых точках отбора проб превышений не наблюдается. По хрому также превышений нет. По кобальту
ниях 1000 и 1500 м в юго-западном направлении, во всех остальных точках превышения нет. Однако суммарный экотоксикологический показатель по металлам 2 класса опасности позволяет отнести территории на границе санитарно-защитной зоны предприятия к зонам с чрезвычайной экологической ситуацией, а на расстоянии 1000 и 1500 м во всех направлениях - к зонам с критической экологической ситуацией. По металлам 3 класса опасности превышений нет.
Биогеохимический показатель также является одним из критериев, позволяющих оценить степень загрязнения территории тяжелыми металлами, который определяли через содержание химических элементов в укосах растений (по превышению МДУ). С биогеохимических позиций экологически неблагополучными можно считать все территории, прилегающие к Кумертауской ТЭЦ, и согласно критериям оценки экологического состояния объектов окружающей среды (табл. 4) относятся к зонам экологического бедствия (4-18,35). С целью прогнозирования экологической ситуации исследуемой территории необходимо выявлять закономерности между интегральными показателями качества объ-
ектов окружающей среды (см. рис. 4-6).
Таким образом, выявлено, что нет четкой закономерности между экотоксикологическим и био-геохимическим показателями качества почвенного покрова, следовательно, подтверждается, что нет четкой закономерности между загрязнением почвенного покрова и содержанием тяжелых металлов в растениях.
Визуальное наблюдение позволило установить, что на территориях, прилегающих к Кумер-тауской ТЭЦ, повсеместно наблюдается общее обеднение флоры, постепенное стирание ее региональных особенностей, упрощение состава, снижение продуктивности и стабильности растительных сообществ. В ходе сукцессионных процессов постепенно происходит исчезновение с данных территорий видов чувствительных к атмосферному и почвенному загрязнению и замещение их видами сорно-рудеральной растительности с прилегающих городских территорий. Поэтому можно предположить, что интенсивнее растения на исследуемых территориях загрязняются аэральным путем, что оказывает избирательное действие на процессы метаболизма и морфологию растений.
расстояние Экотоксикологический показатель
Биогеохимический показатель
Показатель фитотоксичности
Рис. 4. Интегральные показатели качества объектов окружающей среды в северном направлении
от Кумертауской ТЭЦ
5GG м
1GGG м расстояние
15GG м
Экотоксикологический показатель
Биогеохимический показатель
- • - Показатель фитотоксичности Рис. 5. Интегральные показатели качества объектов окружающей среды в северо-восточном
направлении от Кумертауской ТЭЦ
X
О
G
О
S
X
о
£
и
n
500 м 1000 м 1500 м
расстояние
_ Экотоксикологический показатель ■ Биогеохимический показатель
- • - Показатель фитотоксичности
Рис. 6. Интегральные показатели качества объектов окружающей среды в юго-западном
направлении от Кумертауской ТЭЦ
В качестве показателей морфологической угнетенности растений использовались длина корня, высота стебля и площадь листовой пластинки горца птичьего, как доминантного вида растения (см. табл. 5).
Данные морфологического анализа показывают, что в наиболее угнетенном состоянии находятся растения в северном направлении от Кумертауской ТЭЦ по всем показателям морфологической угнетенности. Причем менее подвержены изменению длина корня, которая меньше, чем в северовосточном и юго-западном направлениях в 1,2—1,3 раза. На втором месте по степени угнетенности стоит высота стебля, которая отличается от растений, произрастающих в северо-восточном и югозападном направлениях в 1,2-2 раза.
Более всего подвержена изменению листовая пластинка горца птичьего. У растений, произ-
растающих вокруг ТЭЦ, развиваются маленькие деформированные листья. Отчетливо видно омертвление их тканей, начинающееся с краев и распространяющееся к середине листа. Морфологический анализ показал, что в северном направлении от ТЭЦ на всех расстояниях площадь листа в 1,4-3,9 раза меньше, чем в северовосточном и юго-западном направлениях.
Для оценки экологического состояния территории был использован показатель фитотоксичности (Ф), который представляет собой отношение фоновых показателей роста и развития растений к наблюдаемым.
Анализ полученных данных показал, что показатель фитотоксичности во всех организованных пунктах наблюдения больше 1 по всем морфологическим признакам. При чем наибольшие
Таблица 5
Результаты морфологического анализа и значения коэффициентов фитотоксичности растений
Расстояние от источника, м Значения показателей роста и развития и коэффициента фитотоксичности (Ф) горца птичьего
Длина корня, см Ф1 Высота стебля, см Ф2 Площадь листа, см2 Ф3
север 500 7,5 ± 0,4 2,5 ± 0,2 21,0 ± 0,5 2,7 ± 0,2 0,8 ± 0,3 5,8 ± 0,1
1000 8,5 ± 0,3 2,2 ± 0,1 28,4 ± 0,4 2,0 ± 0,1 1,0 ± 0,3 4,6 ± 0,1
1500 8,0 ± 0,4 2,4 ± 0,2 24,8 ± 0,3 2,6 ± 0,1 0,9 ± 0,2 5,1 ± 0,1
северо- восток 500 9,0 ± 0,3 2,1 ± 0,1 25,1 ± 0,4 2,2 ± 0,1 1,1 ± 0,1 4,2 ± 0,1
1000 9,6 ± 0,2 2,0 ± 0,3 39,4 ± 0,3 1,4 ± 0,1 1,5 ± 0,2 3,1 ± 0,1
1500 10,5 ± 0,3 1,8 ± 0,1 43,8 ± 0,5 1,3 ± 0,2 2,9 ± 0,4 1,6 ± 0,2
юго- запад 500 9,8 ± 0,3 1,9 ± 0,2 31,4 ± 0,4 1,8 ± 0,1 1,8 ± 0,4 2,6 ± 0,2
1000 11,2 ± 0,4 1,7 ± 0,2 40,5 ± 0,2 1,4 ± 0,1 2,6 ± 0,3 1,8 ± 0,3
1500 15,4 ± 0,3 1,2 ± 0,2 48,6 ± 0,5 1,2 ± 0,2 3,5 ± 0,1 1,3 ± 0,1
значения показателя фитотоксичности наблюдаются по площади листовой пластинки (1,3—5,8), поэтому классификацию территории проводили по показателю фитотоксичности листьев (Ф3).
Сравнение полученных данных с существующими критериями оценки экологического состояния почв показывает, что территорию в югозападном направлении на расстоянии 1500 м можно отнести к зонам с критической экологической ситуацией (1,1<Ф3<1,4), территории на расстоянии 1500 м в северо-восточном направлении и 1000 м в юго-западном от ТЭЦ следует считать зонами с чрезвычайной экологической ситуацией (1,4<Ф3<2,0), все остальные исследуемые территории следует отнести к зоне экологического бедствия (Ф3>2,0).
Для оперативной биологической характеристики состояния «здоровья среды» применяют интегральный показатель стабильности развития природных популяций различных организмов. Этот показатель отражает способность организмов поддерживать развитие своих органов в определенных границах, при этом выявляется флуктуирующая асимметрия (мелкие ненаправленные отклонения от симметричного состояния). В качестве индикатора использовали широко распространенный вид
- береза повислая (BetulapendulaRoth). Нами была предпринята попытка использовать этот вид в ка-
честве индикатора уровня общей загрязненности территории, прилегающей к Кумертауской ТЭЦ. Из полученных результатов видно, что 20% из исследуемых листьев березы повислой на правой и левой половинках листовой пластинки имеют отклонения по всем изучаемым параметрам, 44% -по четырем параметрам, 2 % - по трем, 12% - по двум и вообще отсутствуют листья без отклонений или с одним отклонением по какому-либо признаку [1, 7].
Для определения интегрального показателя стабильности развития вычисляли относительную величину асимметрии для каждого признака. Интегральный показатель стабильности развития листовых пластинок березы повислой равен 0,047. Следовательно, территория, прилегающая к Кумертауской ТЭЦ, имеет третий балл шкалы согласно критериям оценки табл. 6, что говорит о достаточно неблагоприятных условиях, угнетающих рост и развитие растений.
Таким образом, тяжелые металлы, входящие в состав взвешенных частиц, активнее поглощаются листьями, чем корнями, а основной путь поступления фитотоксикантов в растительный организм -аэральный. Исходя из того, что 69% исследуемых территорий оцениваются как экологически неблагоприятные, сбор горца птичьего как лекарственного растения на данной территории не допустим.
Таблица 6
Интегральный показатель флуктуирующєй асимметрии
Балл Величина показателя флуктуирующей асимметрии
I < 0,040
II 0,040-0,044
III 0,045-0,049
IV 0,050-0,054
V > 0,054
Литература
1. Лозановская, И. Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / И. Н. Лозанов-ская, Д. С. Орлов, Л. В. Садовникова. - М. : Высш. шк., 1998. - 187 с.
2. Луканин, В. Н. Промышленно-транспортная экология / В. Н. Луканин. - М. : Высшая школа, 2003. - 273 с.
3. Орлов, Д. С. Микроэлементы в почвах и живых организмах / Д. С. Орлов. - М. : Гос. изд-во с-х лит-ры, 1998. - 190 с.
4. Протасов, В. Ф. Экология, здоровье и природопользование в России / В. Ф. Протасов. - М. : Финансы и статистика, 1995. - 672 с.
5. Цыцура, А. А. Транспортно-дорожный комплекс и его влияние на экологическую обстановку города Оренбурга / А. А. Цыцура, В. Ф. Куксанов, Е. В. Бондаренко. - Оренбург : ИПК ОГУ, 2002. -163 с.
6. Шайхутдинова, А. А. Исследование физико-химических свойств золы бурого угля Кумертауской ТЭЦ / А. А. Шайхутдинова, О. В. Чекмарева // Сборник трудов молодых ученых первого международного экологического конгресса «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленнотранспортных комплексов ELPIT 2007». - Тольятти : ТГУ, 2007. - Т. II. - С. 388-391.
7. Шайхутдинова, А. А. Оценка влияния технологических процессов предприятия Кумертауская ТЭЦ на биоту / А. А. Шайхутдинова, О. В. Чекмарева // Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Оренбург : ГОУ ОГУ. - 2008. - С. 441-445.
