CC BY
32Обзор /Review
УДК 631.41
https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-3-78
Особенности переноса тяжелых металлов воздушными массами
Мазур Виктория Васильевна
Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия, 167001. Октябрьский пр., 55.wmazur@list.ru, http://orcid.org/0000-0003-2648-4878
Аннотация. Территориальное размещение и особенности атмосферной циркуляции обусловливают большое влияние воздушных масс, переносимых с промышленно развитых территорий. Перенос загрязняющих веществ воздушным путем в некоторых регионах может являться основным источником поступления тяжелых металлов в водные объекты. В рамках настоящей работы поставлена задача на основании изучения, анализа и обобщения результатов прикладных научных работ установить расстояния, на которые тяжелые металлы могут переноситься воздушными массами и определить металлы, которые наиболее подвержены аэрогенному переносу. Вследствие аэрогенного переноса тяжелые металлы могут «разноситься» по территории на расстояния от 20 до 90 км. Чем дольше осуществляются выбросы конкретного предприятия, тем выше становится концентрация тяжелых металлов в прилегающей 90-километровой зоне. В равной степени подвержены аэрогенной миграции следующие металлы: цинк, медь, никель, кадмий и свинец. Эти факторы создают некоторый риск для неизменного облика природных территорий, а также вызывают необходимость проведения подробных мониторинговых исследований для оценки и прогноза возможных изменений геохимических условий на незагрязненных территориях.
Ключевые слова: аэрогенный перенос, тяжелые металлы, рассеивание.
Для цитирования: Мазур В. В. Особенности переноса тяжелых металлов воздушными массами // Вестник Сыктывкарского университета. Серия 2. Биология, геология, химия, экология. 2022. № 3 (23). С. 7885. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-3-78
Features of the transfer of heavy metals by air masses Viktoriya V. Mazur
Pitirim Sorokin Syktyvkar State University, Syktyvkar, Russia, wmazur@list.ru, http://orcid.org/0000-0003-2648-4878
Abstract. The territorial distribution and features of atmospheric circulation determine the great influence of air masses transferred from industrialized territories. The transport of pollutants by air in some regions can be the main source of heavy metals entering water bodies. Within the framework of this work, the task was set, based on the study, analysis and generalization of the results of applied scientific work, to establish the distances over which heavy metals can be transported with air masses and to determine the metals that are most susceptible to aerogenic transport. /Is a result of aerogenic transport, heavy metals can be "dispersed" across the territory at distances from 20 to 90 km. The longer the emissions of a particular enterprise are carried out, the higher the concentration of heavy metals in the adjacent 90-km zone becomes. The following metals are equally susceptible to aerogenic migration: zinc, copper, nickel, cadmium and lead. These factors create some risk for the unchanging appearance of natural areas, and also necessitate detailed monitoring studies to assess and predict possible changes in geochemical conditions in uncontaminated areas.
Keywords: aerogenic transport, heavy metals, dispersion
For citation: Mazur V. V. Features of the transfer of heavy metals by air masses. Vestnik Syktyvkarskogo universi-teta. Seriya 2. Biologiya, geologiya, himiya, ekologiya = Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, geology, chemistry, ecology, 2022. 3(23): 78-85. (In Russ.). https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-3-78
Введение. К числу приоритетных загрязнителей природных вод, отражающих степень антропогенной нагрузки на водные системы, относятся тяжелые металлы (ТМ), которые поступают в водные объекты преимущественно с промышленными, сельскохозяйственными, хозяйственно-бытовыми стоками, а также в результате эрозии горных пород. Превышение допустимых концентраций металлов в воде может негативно сказываться на экосистеме водоема, а также на здоровье населения. Одной из причин повышенной аккумуляции металлов в почвах территорий является многолетняя эмиссия с воздушными массами оксидов серы и халькофильных металлов (Н§, Сс1, РЬ, Си и др.) от промышленных комплексов в период интенсивной работы [1]. Источниками таких загрязнений являются промышленные предприятия по производству целлюлозы и картона (сульфитные и сульфатные выбросы), металлургия, сжигание угля, горнодобывающие предприятия и др. В атмосферу выбрасываются тонкодисперсные аэрозоли: оксиды и сульфиды тяжелых металлов, которые в зависимости от «розы ветров» осаждаются на удалении от промышленных предприятий. Например, сжигание топлива приводит к загрязнению атмосферы Мп, Сг, Си, 5Ь, 5е, V, 2п, цветная металлургия -РЬ, Аэ, Сс1, Си, 5Ь, Ъ\, черная металлургия - Сс1, Ре, РЬ, Мп, V [2].
В условиях сокращения производственной мощности горнодобывающих предприятий основным источником экологической опасности являются не только текущие выбросы, но водохранилища, оставшиеся после добычи [3]. В промышленных водохранилищах выявляются превышения ПДК тяжёлых металлов, таких как свинец, железо, никель, что указывает на общий источник поступления металлов, связанный с работой металлургических предприятий [4; 5]. Дельтовые области рек, занимая нижние звенья каскадных ландшафтногеохимических систем речных бассейнов, аккумулируют потоки загрязняющих веществ, поступающих с водосборов [6].
Таким образом, перенос ТМ происходит как с водными потоками, так и с воздушными массами, при этом определить вклад в загрязнение каждого из источников на промышленно-освоенных территориях не представляется возможным. Однако перенос загрязняющих веществ воздушным путем в регионах, не имеющих связи водотоками с промышленными районами, может являться основным источником поступления ТМ в водные объекты. Учет аэрогенного переноса токсикантов позволил бы обосновать загрязнение некоторых водных объектов, отдаленных от антропогенных территорий. Поэтому в рамках настоящей работы поставлена задача на основании изучения, анализа и обобщения результатов прикладных научных работ установить расстояния, на которые ТМ могут переноситься с воздушными массами и определить металлы, которые наиболее подверженные аэрогенному переносу.
Теоретической базой стали труды исследователей С. П. Каплина, А. Н. Ткаченко, О. В. Ткаченко, М. Ю. Лычагина, Н. С. Касимова и др. Использованы методы анализа, обобщения, материалов результатов отдельных исследований аэрогенного переноса тяжелых металлов.
Результаты и обсуждение. Реки, несомненно, являются концентрационными артериями поллютантов. Загрязняющие вещества попадают в водотоки со сточными водами предприятий, а также с талыми и дождевыми водами, и дальше разносятся на десятки километров ниже по течению [16]. В табл. 1 приведен сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в водах техногенно-загрязненных территорий и водотоках, не испытывающих прямой нагрузки от источников загрязнения, но расположенных вблизи крупных населенных пунктов и промышленных предприятий.
Превышение ПДК по отдельным металлам не зависит от условного «экологического благополучия» водотока, что может являться доказательством загрязнения водотоков, не только прямым попаданием сточных вод, но и при помощи аэрогенного переноса.
Таблица 1
Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в водах техногенно-загрязненных территорий и условно чистых водотоков (мг/л)
№ Место отбора РЪ Сё М 2п Си
п/п 2 класс опасности 3 класс опасности
Техногенно-загрязненные территории
1. Река Ардон, 100 м ниже от места сброса с Унальского хвостохра-нилища (Садонский свинцово-цинковый комбинат) [3] 3.4 0.0079 2.2 0.04 0.013
2. Река Воронеж 50 м ниже Октябрьского моста (Новолипецкий металлургический комбинат) [4] 0.023 0.0001 0.006 0.044 0.006
3. Река Обь, ниже г. Салехарда [51 0.0020 0.00026 0.0080 0.0270 0.0060
4. Река Дон, ниже Ростова-на-Дону [6] 0.0001 < 0.0002 0.0023 0.0031 0.0014
Реки, протекающие за пределами населенных пунктов
5. Река Амур, выше г. Хабаровска [7] 0.011 < 0.0002 < 0.001 0.0022 0.0170
6. Ручей Карлов, приток р. Енисей [8] 0.025 < 0.0002 <0.015 0.052 0.0039
7. ПДК в водах водных объектов рыбохозяй-ственного значения [9] 0.006 0.005 0.01 0.01 0.001
Поступление аэрогенных загрязнителей в водные объекты происходит как с почвенным стоком, так и непосредственным осаждением в акваторию рек и озер атмосферных аэрозолей. Как правило, выбросы металлургических предприятий сопровождаются высвобождением кислотообразующих веществ, которые перемещаются на значительные расстояния и становятся причиной вторичного загрязнения водных объектов путем кислотного выщелачивания горных пород (в особенности алюминия, кадмия, цинка и других). Основными факторами негативного воздействия промышленных предприятий на экологическое состояние окружающей среды являются: пылеунос и водный смыв твердого материала; испарение, фильтрация и сброс сточных вод; газообразные выбросы. Доминирующая форма миграции токсикантов в условиях автономных степных ландшафтов - аэрогенная, в условиях горно-долинных каскадных гумидных ландшафтов - гидрогенная, что обусловливает формирование соответственно площадных и линейных ореолов загрязнения [10].
В этой форме они поднимаются в высокие слои атмосферы, формируя так называемый глобальный уровень загрязнения. Данные, которые приводятся в литературных
источниках относительно расстояния, в пределах которого могут переноситься тяжелые металлы, разнятся (табл. 2).
Таблица 2
Радиус распространения тяжелых металлов (км)
№ п/п Расстояние Источник информации
1 20-30 [21
2 90 [11
3 30-80 [Щ
4 50-70 [121
Несомненно, все более возрастающую антропогенную нагрузку испытывает Арктический регион, в частности арктическая прибрежная зона. Соотношение различных источников выноса металлов (т/год) в Арктические моря [13] (табл. 3)
Таблица 3
Сравнение потоков тяжелых металлов (т/год) в Арктику [13]
Потоки Нд Сй РЪ Zn
Атмосферные осадки 40 47 2400 1350
Речной сток 10 66 2450 17800
Воздух/Вода 4 0.7 0.98 0.08
В круговороте тяжелых металлов участвуют различные биологические и геохимические барьеры, в которых происходит выборочное накопление этих элементов, блокирующее дальнейшее распространение. К таковым относятся лесные насаждения, водоемы, земляные сооружения и т.п. [17]. Классификация рассеивания элементов при сжигании угля на основе их летучести [14]. В 1-й класс входят элементы зольного остатка, во 2-й - преимущественно рассеиваются в составе летучей золы; в 3-й - элементы, которые испаряются в процессе сжигания угля (рис. 1).
Следует также отметить, что средний продольный градиент уменьшения величины концентраций загрязняющих веществ в результате аэрогенного переноса составляет 1.5-2 % на 1 п.км, а поперечные градиенты уменьшения концентраций, как правило, более резкие [12]. Большую роль в формировании химического состава атмосферных осадков имеет дальний перенос веществ, на что указывает преобладание растворимых форм элементов, выраженное в большей степени на северных территориях [16].
Распределение ТМ по территории зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологической специфики региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановки в целом. Воздушные массы переносят твердые частицы и аэрозоли в направлениях, соответствующих розе ветров. Чем большее расстояние проходит выброс, тем ниже становится его концентрация. В пределах однородного ландшафта по мере удаления от источника выброса уменьшается уровень загрязнения. Чем больше скорость ветра, тем активнее разбавление выброса воздушной массой и тем меньше загрязнение на единице площади. Влажность воздуха также влияет на распределение продуктов выбросов. Твердые частицы конденсируют на себя влагу, что увеличивает их размеры и массу и ведет к выпадению на земную поверхность вблизи источника загрязнения [17].
Неравномерность распределения металлов от промышленных источников дополняется геохимической обстановкой природных территорий. В связи с этим, для прогнозирования возможного загрязнения ТМ и предотвращения негативных последствий антропо-
генной деятельности необходимо изучение и понимание законов геохимии и миграции металлов в различных природных ландшафтах и геохимических условиях [18,19].
Существует также понятие «сопряженных ландшафтных зон», на которых общая картина распространения ТМ и вовлечения их в геохимический круговорот объясняется принципом латеральной и радиальной дифференциации внутри компонентов системы. Данные территории находятся в пониженных участках местности в радиусе порядка 8 км от источника эмиссии [20]. Тем самым поступление ТМ может происходить дополнительно за счет потоков как с сопряженных территорий, так и с промышленных источников. Такой двойной вклад нагрузки на экосистемы ведет аккумуляции ТМ в определенных зонах, не подчиняющихся основному аэрогенному принципу распределения (в направлении розы ветров).
Класс Ш
Улетучиваются и полностью находятся в газообразном состоянии, не обогащаются на летучей золе
Класс II
Обогащаются на летучей золе и нею Даются в зольном остатке
Класс I
Равномерно распределены между летучей золой п зольным остатком
Рис. 1. Классификация рассеивания элементов при сжигании угля на основе их летучести [14]
Заключение. Территориальное размещение и особенности атмосферной циркуляции обусловливают большое влияние воздушных масс, переносимых с промышленно развитых территорий. Вследствие аэрогенного переноса тяжелые металлы могут «разноситься» по территории на расстояния от 20 до 90 км. Чем дольше осуществляются выбросы конкретного предприятия, тем выше становиться концентрация тяжелых металлов в прилегающей 90-км зоне. В равной степени подвержены аэрогенной миграции следующие металлы: цинк, медь, никель, кадмий и свинец. Эти факторы создают некоторый риск для неизменного облика природных территорий, а также вызывают необходимость проведения подробных мониторинговых исследований для оценки и прогноза возможных изменений геохимических условий на незагрязненных территориях.
Список источников
1. Никитина И. А. Влияние аэрогенного переноса тяжелых металлов на водно-болотный комплекс заповедника "Болоньский" // Человек и природа: грани гармонии и углы соприкосновения. 2013. №1. С. 189-195.
2. Моисеенко Т. И., Кудрявцева Л. П., Гашкина Н. А. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. М.: Наука, 2006. 261 с.
3. Чигоева Д. Н., Каманина И. 3., Каплина С. П. Содержание тяжелых металлов в водотоках в районе Унальского хвостохранилища и реки Ардон // Юг России: экология, развитие. 2018. № 2. URL: https://cyberleninka.rU/article/n/soderzhanie-tyazhelyh-metallov-v-vodotokah-v-rayone-unalsko go-hvostohranilischa-i-reki-ardon (дата обращения: 23.05.2022).
4. Лебедев И. В., Каманина И. 3., Каплина С. П. Содержание тяжелых металлов в водотоках города Липецк // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: География. Геоэкология. 2022. № 1. С. 74-82. D0I: https://doi.Org/10.17308/geo.2022.l/9088
5. Уварова В. И. Гидрохимическая характеристика водотоков Нижней Оби // ВЭЛЛ. 2011. № 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gidrohimicheskaya-harakteristika-vodotokov-nizhney-obi (дата обращения: 24.05.2022).
6. Ткаченко О. В., Ткаченко С. Н., Лычагин М. Ю. Содержание тяжелых металлов в водных объектах дельты Дона: сезонная и пространственная динамика // Геология, география и глобальная энергия. 2016. № 2(61). С. 76-84.
7. Кондратьева Л. М. и др. Влияние крупных притоков на содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях реки Амур // Тихоокеанская геология. 2006. Т. 25. №. 6. С. 103-114.
8. Шанина Е. В. Эколого-гидрохимическая оценка состояния поверхностных вод Карлова ручья // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. С. 636.
9. Приказ Министерства сельского хозяйства РФ от 13 декабря 2016 г. N 552 "Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения. URL: https://base.garant.ru/71586774/ (дата обращения: 21.06.2022).
10. Пузанов А. В., Бабошкина С. В., Робертус Ю. В., Горбачев И. В., Любимов Р. В. Формирование техногенных ландшафтов и загрязнение окружающей среды под влиянием горнодобывающих и горно-перерабатывающих предприятий Алтая // Мир науки, культуры, образования. 2007. № 1(4). С. 5-10.
11. Клюев H. Н. Экологические итоги реформирования России // Вестник российской академии наук. 2001. Т. 71. № 3. С. 233-239. URL: http://vivovoco.ibmh.msk.su/vv/journal/vran/eco/ eco.htm#6 (дата обращения: 23.06.2022).
12. Робертус Ю. В. Новые данные о трансграничном переносе загрязняющих веществ на территорию Западного Алтая // Проблемы региональной экологии. 2010. № 5. С. 27-30.
13. АМАР Assessment 2002: Heavy Metals in the Arctic. Oslo: Arctic Monitoring and Assessment programme center. 137 p.
14. Xu M., RongYan, Chuguang Zheng et al. Status of element emission in a coal combustion process: a review. Fuel Processing Technology. Vol. 85. 2003. Pp. 215-237
15. Василевич M. И., Симакин Л. В. Особенности формирования химического состава снежного покрова на территории Печоро-Илычского биосферного заповедника // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2017. № 5. С. 48-56.
16. Мазуркин П. М., Воронцова 3. В. Способ измерения загрязнения реки сточными водами // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1. С. 142-148.
17. Медведев И. Ф., Деревягин С. С. Тяжелые металлы в экосистемах. Саратов: «Ракурс», 2017.178 с.
18. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М., 1979. 200 с.
19. Добровольский В. В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение. 1997. № 4. С. 431-441.
20. Шабанов М. В., Маричев М. С. Тяжелые металлы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов Красноуральского промышленного узла // Социально-экологические технологии. 2020. Т. 10. № 2. С. 201-225. DOI: 10.31862/2500-2961-2020-10-2-201-225.
References
1. Nikitina I. A. Influence of aerogenic transport of heavy metals on the wetland complex ofthe Bolo-gnsky Reserve. Chelovekipriroda:granigarmoniiiuglysoprikosnoveniya. 2013. №1. Pp. 189-195. (In Russ.).
2. Moiseenko T. I., Kudryavceva L. P., Gashkina N. A. Rasseyannye elementy vpoverhnostnyh vodah
sushi: tekhnofil'nost', bioakkumulyaciya i ekotoksikologiya [Dispersed elements in land surface waters: technophilicity, bioaccumulation and ecotoxicology], M.: Nauka, 2006. 261 p. (In Russ.).
3. Chigoeva D. N., Kamanina I. Z., Kaplina S. P. The content of heavy metals in watercourses in the area of the Unal tailing dump and the Ardon River. Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2018. № 2. Available at: https://cyberleninka.ru/article/n/soderzhanie-tyazhelyh-metallov-v-vodotokah-v-rayone-unalskogo-hvostohranilischa-i-reki-ardon (accessed: 23.05.2022). (In Russ.).
4. Lebedev I. V., Kamanina I. Z., Kaplina S. P. The content of heavy metals in the watercourses of the city of Lipetsk. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Geografiya. Geoekologiya. 2022. № 1. Pp. 74-82. DOI: https://doi.Org/10.17308/geo.2022.l/9088 (In Russ.).
5. Uvarova V. I. Hydrochemical characteristics of the watercourses of the Lower Ob. VELL. 2011. № 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gidrohimicheskaya-harakteristika-vodotokov-nizhney-obi (accessed: 24.05.2022). (In Russ.).
6. Tkachenko 0. V., Tkachenko S. N., Lychagin M. Yu. Content of heavy metals in water bodies of the Don delta: seasonal and spatial dynamics. Geologiya, geografiya iglobal'naya energiya. 2016. № 2(61). Pp. 76-84. (In Russ.).
7. Kondrat'eva L. M. et al. Influence of large tributaries on the content of heavy metals in water and bottom sediments ofthe Amur River. Tihookeanskayageologiya. 2006. Vol. 25. № 6. Pp. 103-114. (In Russ.).
8. Shanina E. V. Ecological and hydrochemical assessment ofthe state of surface waters of Karlo-va creek. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2014. № 4. P. 636. (In Russ.).
9. Prikaz Ministerstva sel'skogo hozyajstva RF ot 13 dekabrya 2016 g. N 552 "Ob utverzhdenii nor-mativov kachestva vody vodnyh ob"ektov rybohozyajstvennogo znacheniya, v torn chisle normativov pre-del'no dopustimyh koncentracij vrednyh veshchestv v vodah vodnyh ob"ektov rybohozyajstvennogo znacheniya [Order ofthe Ministry of Agriculture ofthe Russian Federation of December 13, 2016 N 552 "On approval of water quality standards for water bodies of fishery significance, including standards for maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters of water bodies of fishery significance]. Available at: https://base.garant.ru/71586774/ (accessed: 21.06.2022). (In Russ.).
10. Puzanov A. V., Baboshkina S. V., Robertus Yu. V., Gorbachev I. V., Lyubimov R. V. ormation of technogenic landscapes and environmental pollution under the influence of mining and processing enterprises of Altai. Mir nauki, kul'tury, obrazovaniya. 2007. № 1(4). Pp. 5-10. (In Russ.).
11. Klyuev N. N. nvironmental results of reforming Russia. Vestnik rossijskoj akademii nauk. 2001. Vol. 71. № 3. Pp. 233-239. URL: http://vivovoco.ibmh.msk.Su/w/journal/vran/eco/eco.htm#6 (accessed: 23.06.2022). (In Russ.).
12. Robertus Yu. V. New data on transboundary transfer of pollutants to the territory of Western Altai. Problemy regional'noj ekologii 2010. № 5. Pp. 27-30. (In Russ.).
13. AMAP Assessment 2002: Heavy Metals in the Arctic. Oslo: Arctic Monitoring and Assessment programme center. 137 p. (In Russ.).
14. Xu M., RongYan, Chuguang Zheng, et al. Status of element emission in a coal combustion process: a review. Fuel Processing Technology. Vol. 85. 2003. Pp. 215-237
15. Vasilevich M. I., Simakin L. V. Features ofthe formation ofthe chemical composition ofthe snow cover on the territory ofthe Pechoro-Ilych Biosphere Reserve. Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya, 2017. № 5. Pp. 48-56. (In Russ.).
16. Mazurkin P. M., Voroncova Z. V. Ability to destroy rivers with sewage. Sovremennye nau-koemkie tekhnologii. 2013. № 8-1. Pp. 142-148. (In Russ.).
17. Medvedev I. F., Derevyagin S. S. Tyazhelye metally v ekosistemah [Heavy metals in ecosystems], Saratov: «Rakurs», 2017. 178 p. (In Russ.).
18. Guderian R. Zagryaznenie vozdushnojsredy [Air pollution], M., 1979. 200 p. (In Russ.).
19. Dobrovol'skij V. V. Biospheric cycles of heavy metals and the regulatory role of soil. Pochvovedenie. 1997. №4. Pp. 431-441. (In Russ.).
20. Shabanov M. V., Marichev M. S. Heavy metals in soils of geochemically conjugated landscapes ofthe Krasnouralsk industrial hub. Social'no-ekologicheskie tekhnologii. 2020. Vol. 10. № 2. Pp. 201-225. DOI: 10.31862/2500-2961-2020-10-2-201-225. (In Russ.).
Информация об авторе/Information about the author
Мазур Виктория Васильевна
Viktoriya V. Mazur
кандидат географических наук, преподаватель ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина»
Сыктывкарский государственный университет им. Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия, 167001. Октябрьский пр., 55
Candidate of Geographical Sciences, Lecturer, SSU Pitirim Sorokin
Pitirim Sorokin Syktyvkar State University 55, Oktyabrsky prosp., Syktyvkar, 167000, Russia
Статья поступила в редакцию / The article was submitted Одобрена после рецензирования / Approved after reviewing Принята к публикации / Accepted for publication
23.06.2022 11.07.2022 14.07.2022
