CC BY
125
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 5G2.175: 519.876.5
И. М. Янников, М. В. Слепцова, К. К. Кривошапкин
ОРГАНИЗАЦИЯ БИОМОНИТОРИНГА ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ И ПОЛИГОНОВ ТБО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ПОЛИГОНОВ
Рассмотрена организация биомониторинга химически опасных объектов и мест захоронения твердых бытовых отходов с использованием идентификационных полигонов и представлена принципиальная блок-схема организации подсистемы биомониторинга. Идентификационный экологический полигон позволит экспериментально изучить особенности трансформации природных объектов и биологических систем.
Ключевые слова: мониторинг, биомониторинг, идентификационный полигон, рекультивация, функция «доза-эффект», экспертно-аналитическая система, токсичные отходы, опасные вещества ртутьсодержащие отходы, мышьяк, свинец, поллютанты, потенциально химически опасные объекты, отходы производства и потребления, твердые бытовые отходы.
K. M. Yannikov, M. V. Sleptsova, K. K. Krivoshapkin
The organization of biomonitoring of chemically dangerous objects and SDW landfill with use of identification ranges
The organization of biomonitoring of chemically dangerous objects and places of burial places of domestic waste with use of identification ranges is considered and the basic block-scheme of the biomonitoring subsystem’s organization is presented. With a help of an identification ecological test site it will be possible to learn natural objects and biological systems transformation peculiarities.
Key words: monitoring, biomonitoring, identification range, reclamation, «dose-effect» function, the expert-analytical system, toxic waste, hazardous waste materials containing mercuric, arsenic, lead, pollutants, potentially chemically hazardous facilities, production and consumption waste, solid domestic waste.
Одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей природной среды является мышьяк. Для мышьяка выявлен один из самых высоких показателей патологичности [1]. Результаты медико-геологических
ЯННИКОВ Игорь Михайлович - к. т. н., доцент, зав. кафедрой инженерной экологии Ижевского государственного технического университета им. М. Т. Калашникова.
E-mail: [email protected] СЛЕПЦОВА Мария Владимировна - к. т. н., доцент кафедры экологии БГФ СВФУ им. М.К. Аммосова. E-mail: [email protected]
КРИВОШАПКИН Константин Константинович -к. б. н., доцент, начальник УНИР СВФУ E-mail: [email protected]
исследований последних десятилетий свидетельствуют о тотальном характере воздействия мышьяка на организм человека, проявляющемся как в форме неонкологических, так и онкологических заболеваний. Основным источником его поступления в окружающую среду на территории Якутии являются цветная металлургия, горнодобывающая промышленность, геохимические аномалии и некоторые геологические формации, активные зоны земной коры. Содержание этого элемента в мерзлотных почвах фоновых районов Центральной Якутии колеблется от 0,4 до 4 мг/кг. В районе Вилюйской свалки бытовых отходов (г. Якутск) содержание мышьяка в мерзлотных почвах возрастает до 20 мг/кг. Ещё выше его концентрация фиксируется в районах рудных месторождений и селитебных зон, расположенных на геохимических аномалиях [2]. Поскольку подавляющее число
предприятий-загрязнителей работает уже давно и наносит существенный урон природе и человеку, сегодня особенно важны изучение распространения мышьяка в окружающей среде и контроль совместного поступления различных его форм в организм человека. Особого внимания заслуживает проявление синергетического эффекта мышьяка и других токсичных металлов, что представляет большую проблему для подверженных техногенному загрязнению ландшафтов в селитебных, промышленных и сельскохозяйственных районах Якутии [3].
Проблема загрязнения окружающей среды мышьяком является весьма актуальной и для Удмуртии, на территории которой находятся два объекта по уничтожению химического оружия, том числе иприта и люизита.
Для химически опасных объектов основным поражающим фактором является выброс или вылив загрязняющего вещества (ЗВ), способного за короткий промежуток времени нанести большой ущерб населению и окружающей среде. Кроме того, возможны ситуации с незначительными по объёму, но продолжительными по времени утечками ЗВ, которые, накапливаясь в природных условиях, могут вызвать не менее тяжёлые и масштабные последствия.
Существующие в настоящее время на химически опасных объектах, в первую очередь, на объектах по уничтожению химического оружия (ОУХО), методы контроля загрязнений, в том числе и мышьяксодержащими соединениями, дают достаточно точную и оперативную оценку состояния окружающей среды в пределах санитарно-защитной зоны (СЗЗ), в зоне же защитных мероприятий (ЗЗМ) действенность контроля гораздо слабее.
Как правило, в зоне влияния опасных объектов применяют методы классического экологического мониторинга, состоящего из двух частей: гео-
экологического, заключающегося в отборе проб и анализе сред на содержание каких-либо загрязняющих веществ, и биоэкологического, использующего методы популяционной экологии. Этот отбор требует сбора и накопления большого массива разнообразных данных, что весьма не эффективно в плане финансовых и временных затрат. Собранные данные не учитывают отдаленные последствия воздействия малых доз загрязнителя, не имеют поправок на адаптивные и компенсационные механизмы биообъектов. Площадки отбора проб выбираются в основном эмпирическим путем, без учета особенностей ландшафта в сочетании с влиянием потенциально химически опасного объекта (ПХОО) [1, 2, 3].
Для мониторинга ПХОО большое значение имеет оперативность получения данных, которая исключает необходимость подробного анализа биологических объектов на всей территории ЗЗМ. Мониторинг
ПХОО должен учитывать поправки на возможность приспособления биологических объектов (адаптация, компенсация) к техногенному воздействию с нарастанием интенсивности действия во времени, а также допускать возможность тестовой проверки антропогенного воздействия и отклика биологических объектов на данное воздействие. Кроме того, подавляющее большинство суперэкотоксикантов, в том числе и соединения мышьяка, относится к классу нестабильных соединений и в природных условиях существует непродолжительное время, разрушаясь под действием ряда физических факторов окружающей среды и вступая в химические реакции с природными веществами воды, почвы, живых организмов. Поэтому биомониторинг загрязнения местности должен включать организацию экспериментального изучения трансформации природных объектов и биологических систем под влиянием данных поллютан-тов и продуктов их превращений.
Поскольку целью мониторинга флоры и фауны в зоне влияния ПХОО являются оценка и контроль влияния объекта на окружающую природную среду с использованием биологических объектов-индикаторов, нами сформулированы общие требования к его проведению.
Мониторинг данного типа включает в себя:
- общий контроль состояния объектов флоры и фауны на территории зоны влияния (ЗВл) ПХОО;
- оценку фонового (доэксплуатационного) состояния природных экосистем на территории ЗВл;
- оценку текущих изменений состояния окружающей природной среды на территории ЗВл в ходе эксплуатации ПХОО с применением методов биологической индикации;
- прогноз дальнейшего изменения состояния окружающей природной среды под влиянием ПХОО;
- тестирование результатов биомониторинга посредством сравнения с другими видами мониторинга окружающей среды (почва, вода).
Данные биомониторинга должны архивироваться не только в табличном и цифровом виде, но и в виде фотографий, иллюстраций и карт.
Чтобы организовать систему биомониторинга загрязнения мышьяксодержащими соединениями природных экосистем в районе расположения ПХОО, необходимо выбрать: виды-биоиндикаторы и биотест-объекты; анализируемые биологические и химические параметры и методы их анализа; пункты, время и периодичность сбора материала (проб).
В состав информационно-управляющей системы комплексной безопасности обязательно должен входить идентификационный экологический полигон научно-исследовательского, научно-технического
и прикладного назначения. Основные направления работы:
Рис. 1. Принципиальная блок-схема организации подсистемы биомониторинга с использованием идентификационного экологического полигона
- изучение трансформации (реакции, особенностей и скорости самовосстановления, пределов насыщения, порогов воздействия) экологических (природных и техногенных) и экосоциальных систем под влиянием мышьяксодержащих поллютантов и продуктов их превращений;
- разработка схем и систем многоступенчатого комплексного экологического мониторинга;
- выявление спектра видов животных и растений-индикаторов, аккумуляторов и деструкторов по каждому конкретному поллютанту;
- разработка схем, систем и конкретных технологий ремедиации и рекультивации земель, подвергшихся трансформации, по каждому конкретному поллютанту [6].
Идентификационный экологический полигон позволит экспериментально изучить особенности трансформации природных объектов и биологических систем под влиянием данных поллютантов и продуктов их превращений в тех же ландшафтных, климатических, литологических, эдафических условиях, в которых находятся сам объект и наибольшая часть его влияния. На идентификационных полигонах-площадках, площадь которых значительно меньше, чем площадь выделенных зон, предварительно в острых полевых экспериментах-тестах накапливаются данные по возможным вариантам влияния ПХОО на окружающую природную среду. Производится моделирование различных сценариев развития ситуации на объекте (в том числе, аварийная ситуация) в режиме, наиболее приближенном к реальному, с определением зависимостей «доза-эффект» и «время-реакция». Эти зависимости учитываются при оценке влияния ПХОО на окружающую среду.
На таком полигоне становится возможным изучение
реакции на данный загрязнитель экосистем в целом; выявление и оценка спектра видов потенциальных организмов - индикаторов, аккумуляторов и деструкторов.
Полигон должен быть организован на участке, являющемся типичным для ЗВл ПХОО по рельефу, почвам, преобладающим по растительным ассоциациям, геологическим и гидрогеологическим параметрам, метеоусловиям года, имеющем минимум антропогенного «шума». Задача мониторинга биоты
- адаптация и развитие методической базы экологоаналитического контроля, обеспечение деятельности по развитию системы контроля опасных промышленных объектов в регионе.
Для осуществления вышеизложенного необходима организация информационно-измерительной базы в виде эколого-аналитической лаборатории, включающей:
• мобильную систему пробоотбора и экспресс-оценки состояния биологических объектов;
• систему учета и хранения проб;
• аккредитованную лабораторию химического анализа проб почвы, донных отложений, воды и биологических объектов; целесообразно проведение двухуровневого анализа - первичного, на определенные группы веществ-маркеров и детального, в случае положительного первичного;
• аккредитованную лабораторию микробиологического анализа проб почвы, донных отложений и воды.
Лаборатория позволит вести контроль в ЗВл объекта на уровне малых доз (долей ПДК), что сделает возможным достоверный прогноз поведения и тенденций накопления специфических загрязняющих веществ в природных средах и биологических объектах [7].
Рис. 2. Динамика количества видов высших растений, экз., на ЭП, в зависимости от дозы
внесённого раствора
Исследования, проводимые классическим путем и с помощью лабораторного биотестирования, занимают 3-5 лет и не дают полной гарантии достоверности результатов из-за значительного влияния погрешности пробоотбора, методических неточностей, наложения факториального информационного шума. На полигоне же целевая постановка исследований позволяет получить экспериментальные данные, адекватные реальной ситуации в районе расположения объекта уже в течение одного сезона вегетации.
Идентификационный экологический полигон должен включать как минимум два экспериментальных отдела - полевой и лабораторный.
Лабораторные серии экспериментов позволяют детализировать ход реакции конкретных видов-индикаторов на воздействие (в данном случае
- загрязнение) в отсутствие информационного шума и формировать биоиндикационные шкалы. Также в
лабораторных условиях разрабатываются и апробируются различные варианты поставарийной и конверсионной ремедиации и/или рекультивации ландшафтов.
Полевые эксперименты дают возможность приложения общеэкологических закономерностей и лабораторных данных к нюансам конкретной ситуации в районе расположения объекта: они позволяют скорректировать лабораторно полученные зависимости в соответствии с общим состоянием существующих биогеоценозов, климатическими особенностями года, фазами производственного цикла, особенностями режима эксплуатации объекта и т. д. Кроме того, обкатка тех или иных методик рекультивации и ремедиации для оценки их реальной применимости и эффективности также должна проходить в полевых условиях. При условии организации экологического полигона разработка и апробация эффективной схемы
Рис. 3. Динамика ОПП, %, на ЭП, в зависимости от дозы внесённого раствора Обозначения: 1 - 1 ПДК, 1,5 - 1,5 ПДК, 2 - 2 ПДК, 2,5 - 2,5 ПДК, 3 - 3 ПДК, KONTROL - контрольная площадка
биологической рекультивации в ЗВл ПХОО займет не более 2 лет.
В целях обеспечения экологической безопасности на объектах УХО межведомственной рабочей группой Главного управления МЧС России по Удмуртской Республике и ИжГТУ с 2005 по 2010 гг. проводилась серия экспериментальных исследований с использованием идентификационных экологических полигонов. Общей целью всех проводимых экспериментов являлись оценка и прогноз влияния потенциально опасных объектов, в частности, объектов уничтожения химического оружия, на окружающую среду. Суть экспериментов - отработка сценариев развития ЧС на объекте путем моделирования влияния выбросов на биоту, в режиме наиболее приближенном к реальному с определением зависимостей «доза-эффект» и «время-реакция».
Сценарий развития ЧС в зоне влияния объекта в значительной степени определяется местными
условиями. Поэтому точно прогнозировать сценарии ЧС возможно лишь при обработке механизмов влияния тех или иных вредных веществ на биоту на конкретной территории, в тех же ландшафтных, климатических, литологических условиях, в которых находится сам объект и большая часть его зоны защитных мероприятий.
Для решения данной задачи на экспериментальные площадки полигона вносился мышьяксодержащий раствор в определенных концентрациях. В ходе
наблюдений оценивались следующие показатели:
динамика изменений состояния растительности (внешний вид, размеры, обилие, видовой состав растений) и динамика валового содержания мышьяка в почве (его перемещение в пределах почвенного профиля).
По итогам камеральной обработки полученных в эксперименте данных (см. рис. 2, 3) отчетливо проявилась характерная для суперэкотоксикантов двухфазная функция «доза-эффект», с сохранением общего вида зависимости видового обилия и общего проективного покрытия на ИЭП от количества внесённого
мышьяксодержащего раствора.
Эксперименты, проведенные при воздействии элементов мышьяковистых соединений (трансформация люизита), доказали несостоятельность ПДК как опорного значения для определения качества среды. Внесение Аб на уровне ПДК дает токсический эффект, свойственный малым дозам, в т. ч. по отдаленным последствиям (для последующих поколений).
По итогам экспериментов во временной динамике ответной реакции биосистем нами выделены два периода.
Первый - период стресса, который характеризуется парадоксальной («двухфазной») зависимостью отклика биологического объекта на воздействие (внесение р-ра Аб). В течение этого времени биосистема находится в
состоянии токсического шока.
Второй - период начала восстановления параметров биосистемы. Он характеризуется переходом парадоксальной зависимости «доза-эффект» к нормальной, обратно пропорциональной в общем виде.
Таким образом, проведённые эксперименты подтвердили правильность изложенного подхода, доказав его высокую эффективность и значительно меньшую затратность по сравнению с классическим подходом.
В настоящее время ситуация в области образования, использования, обезвреживания, хранения и захоронения отходов ведет к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов, значительному экономическому ущербу и представляет реальную угрозу здоровью населения [10, 16].
В Республике Саха (Якутия) выдвинута гипотеза об условных единицах образования отходов и сделана попытка на основе сравнительного анализа объемов образования, накопления, сбора, обезвреживания, транспортировки отходов хозяйствующих субъектов в сфере обращения с отходами производства и потребления [13]. На основе государственной статистической отчетности нами проведен количественный учет и анализ объемов образования отходов по 31 району за последние три года [12], из 42 наименований отходов производства и потребления по республике в целом ведется учет 19 наименований видов отходов.
Значительную долю объемов образования отходов составляют электрические лампы, отходы бумаги и картона, обтирочный материал, загрязненный маслами, моторные масла, ртутные лампы, золошлаки, лом стальной, покрышки, цветные металлы.
Остальные отходы под видом малоопасных отходов или твердых бытовых отходов вывозятся на свалки, которые чаще всего устраивают в выработанных карьерах, оврагах, заболоченных местах вблизи населенных пунктов. Так, например, ежегодно в г. Якутске выходят из строя свыше 120 тысяч ртутьсодержащих ламп и приборов, т. е. более 12 кг ртути попадает без обезвреживания в окружающую среду [16].
Перечень компонентов отхода и их количественное содержание устанавливаются по составу исходного сырья и технологическим процессам его переработки или по результатам количественного химического анализа [11, 12].
Отнесение отходов к классу опасности для окружающей природной среды (ОПС) расчетным методом осуществляется на основании показателей, характеризующих степень опасности отхода при его воздействии на ОПС, рассчитанного по сумме показателей опасности веществ, составляющих отход,
для окружающей природной среды [13] и применение принципиальной блок-схемы организации подсистемы биомониторинга с использованием идентификационных экологических полигонов в условиях Республики Саха (Якутия) представляет несомненный интерес.
В соответствии с договором о взаимодействии и научно-техническом сотрудничестве между ИжГТУ им. Калашникова и СВФУ им. М.К. Аммосова приказом ректора Северо-Восточного федерального университета создана учебно-научная лаборатория рационального природопользования «ЭКОТЕХНОПОЛИС». С её помощью на основании изложенного выше методологического подхода к организации и проведению биомониторинга возможны дальнейшие исследования поведения мышьяка и его трансформации в природных экосистемах в условиях Крайнего Севера, а также других опасных веществ не только в зонах влияния ПХОО, но и на селитебных территориях, районах расположения различных свалок и полигонов ТБО.
Л и т е р а т у р а
1. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: справочник: в 6 кн. Кн. 3: Редкие р-элементы / В. В. Иванов; под ред. Э. К. Буренкова. // - М.: Недра, 1996. - 352 с.
2. Ломоносов И. С. Экогеохимия городов Восточной Сибири / И. С. Ломоносов, В. Н. Макаров, А. П. Хаустов и др. Якутск: ИМЗ СО РАН, 1993. - 108 с.
3. Макаров В. Н. Мышьяк в биосфере Якутии // Наука и техника в Якутии. - № 1 (22). - 2012 г. - С. 41-46.
4. Белан Л. Н. Геоэкология горно-рудных районов Башкортостана: монография - Уфа: РКО БашГУ, 2003. - 178 с.
5. Мельченко В. Е. Ландшафтный анализ системы ООПТ России // Использование и охрана природных ресурсов в России: Бюллетень. - № 6. - 2004. - С. 101-104
6. Миркин Б. М. Наука о растительности (история и современное состояние основных концепций). / Б. М. Миркин,
Л. Г. Наумова. - Уфа: Гилем, 1998. - 220 с.
7. Янников И. М. Экологический полигон как база оперативного мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия / И. М. Янников, Н. В. Козловская // Вестник Министерства по делам ГО и ЧС Удмуртской Республики. - Ижевск. - № 4. - 2007. - С. 37-38
8. Янников И. М. Методы и системы обработки данных биомониторинга потенциально опасных объектов: монография / И. М. Янников, М. В. Телегина, В. А. Алексеев и др. -Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 200 с.:ил.
9. Янников И. М. Новые подходы к организации контроля загрязнений и аварийных выбросов в районах размещения объектов по хранению и уничтожению химического оружия // Экология урбанизированных территорий. - № 2. - 2008. -С. 106-110.
10. Васильева Г. С. Экологическая опасность, связанная с проблемой твердых бытовых отходов на территории Республики Саха (Якутия) // Бюл. Вост.-Сиб. НЦ. - 2005. - № 8. - С. 15-17.
11. Вигдорович В. И., Щель Н. В., Зарапина И. В. Теоретические основы, техника и технология обезвреживания, переработки и утилизации отходов // Энциклопедия инженера-химика. - 2011. - № 3. - С. 40-44.
12. Майстренко В. Н., Клюев Н. А. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. - 323 с.
13. Сердюцкая Л. Ф., Яцишин А. В. Техногенная экология: Математико-картографическое моделирование. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 232 с.
14. Дегтерев С., Проскуряков В. Н. Основы городской стратегии в области обращения с твердыми бытовыми отходами // Твердые бытовые отходы. - № 5, - 2009.
15. Природные ресурсы и охрана окружающей среды в Республике Саха (Якутия). Статистический сборник 2010, 2011, 2012 гг.
16. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Саха (Якутия) в 2012 году. Официальное издание. -Я.: «Данис АлмаС», 2011.
