УДК 504.3.054
DOI: 10.24412/1728-323X-2024-4-10-21
ОЦЕНКА АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ДРУГИХ СЛЕДОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РЯЗАНСКОЙ ОБЛАСТИ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА МХОВ-БИОМОНИТОРОВ
Э. А. Блинова, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры географии, экологии и туризма, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина» (РТУ имени С. А. Есенина), e.blinova@365.rsu.edu.ru, г. Рязань, Россия, М. В. Фронтасьева, кандидат физико-математических наук, доцент, профессор РАЕ, Советник при Дирекции сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований, Отделение ядерной физики, Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований, marina@nf.jinr.ru, г. Дубна, Россия, О. Чалигава, научный сотрудник, сектор нейтронного активационного анализа и прикладных исследований, Отделение ядерной физики, Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований, marina@nf.jinr.ru, omar.chaligava@ens.tsu.edu.ge, г. Дубна, Россия,
Б. И. Кочуров, доктор географических наук, профессор, Институт географии Российской академии наук, camertonmagazin@mail.ru, г. Москва, Россия
Аннотация. Впервые для Рязанской области применен инструментальный нейтронный активационный анализ в сочетании с методом мхов-биомониторов для оценки атмосферных выпадений тяжелых металлов и других элементов. Определены концентрации 42 макро-, микро и следовых элементов в 63 образцах мхов (Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi, а также Hypnum cupressiforme, Sciuro-hypnum sp., Plagiothecium sp. и Ptilium sp.), собранных по относительно равномерной сетке на изучаемой территории. На основании аналитических результатов с помощью ГИС-технологий для Рязанской области построены карты пространственного распределения тяжелых металлов и других токсичных элементов. Использован метод многомерного статистического анализа (факторный анализ) для выявления основных источников загрязнений — крупных промышленных объектов, расположенных в данном регионе. Полученные результаты вошли в Атлас атмосферных выпадений тяжелых металлов, который издается Комиссией ООН по трансграничному переносу атмосферных выпадений в Европе (UNECE ICP Vegetation).
Abstract. For the first time in the Ryazan Region, instrumental neutron activation analysis combined with the moss-biomonitor method has been applied to assess atmospheric deposition of heavy metals and other elements. Concentrations of 42 macro-, micro-, and trace elements were determined in 63 moss samples (Hylocomium splendens and Pleurozium schreberi, as well as Hypnum cupressiforme, Sciuro-hypnum sp., Plagiothecium sp., and Ptilium sp.), collected using a relatively uniform grid in the studied territory. Based on the analytical results, the maps of the spatial distribution of heavy metals and other toxic elements in the Ryazan Region were constructed using GIS technologies. Multivariate statistical analysis — factor analysis — was used to identify the main sources of pollution — large industrial facilities located in this area. The results obtained are included in the Atlas of Atmospheric Emissions of Solid Metals, which is published by the UNECE ICP Vegetation.
Ключевые слова: биомониторинг с помощью мхов, атмосферные выпадения, тяжелые металлы.
Keywords: moss biomonitoring, atmospheric pollution, heavy metals, UNECE ICP Vegetation.
Введение. Во всех сферах человеческой деятельности присутствуют металлы (в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, транспортной сфере, в быту и медицине). Тяжелые металлы (далее — ТМ) способны мигрировать и накапливаться в окружающей среде. Со временем это приводит к ухудшению здоровья ч еловека [1]. Важнейшая природоохранная задача — детальное изучение территориального распределения ТМ и выявление основных источников загрязнения, определение концентраций и прогнозирования накопления ТМ в объектах окружающей среды. Поддержание баланса ТМ в экосистемах необходимо для сохранения здоровья населения. Хроническое воздействие малых доз совокупности различных тяжелых металлов несет существенную угрозу здоровью населения [2].
Рязанская область в течение многих лет входит в число территорий Центрального Федерального округа Российской Федерации с самыми высокими показателями заболеваемости злокачественными новообразованиями. К районам Рязанской области с высоким уровнем онкологических заболеваний, значительно превышающим среднеобластные показатели, относятся: Михайловский, Пителинский, Шиловский, Ряжский, Сараевский и Скопинский [3]. В настоящее время в Рязанской области отсутствует программа мониторинга атмосферных выпадений следовых элементов.
В Западной Европе с конца 1970-х годов для изучения атмосферных выпадений тяжелых металлов используют единую методику, предложенную скандинавскими учеными: элементный ана-
лиз широко распространенных видов мхов (мхов-биомониторов) в странах с умеренным климатом. Этот стандартный метод биомониторинга атмосферных выпадений металлов на больших территориях регулярно применяют в течение последних 45 лет [4—13].
С 90-х годов прошлого века начала действовать международная программа ООН «Атмосферные выпадения тяжелых металлов в Европе: оценка на основе анализа мхов-биомониторов» [9, 11—13]. Целью Программы Комиссии ООН по воздуху Европы (International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (http://icpvegetation.ceh.ac.uk/) в рамках Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution (LRTAP) является качественная и количественная оценка распределения региональных атмосферных выпадений ТМ в Европе, выделение местоположения приоритетных источников загрязнения и возможность ретроспективного сравнения результатов каждые 5 лет.
В России метод мхов-биомониторов в сочетании с использованием ядро-физических методов анализа для решения как международных, так и локальных конкретных задач, уже более 25 лет применяется в Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна Московской области. Инструментальный нейтронный ак-тивационный анализ (ИНАА) на импульсном быстром реакторе ИБР-2 при облучении эпитеп-ловыми нейтронами (ЭНАА) позволяет определять концентрации более 40 элементов при массовом многоэлементном анализе мхов-биомониторов в работах по биомониторингу в России и других странах-участницах и неучастницах ОИЯИ [10].
Настоящее исследование является продолжением работ в Центральной России по анализу мхов-биомониторов с применением многоэлементного эпитеплового нейтронного активаци-онного анализа и современных ГИС (географические информационные системы) технологий.
Цель работы — исследование атмосферных выпадений следовых элементов на территории Рязанской области в соответствии с правилами Европейской программы одновременного сбора мхов-биомониторов [11—13]. Полученные результаты вошли в Европейский атлас [13, С. 115—117].
Впервые в Рязанской области был применен метод мхов-биомониторов для оценки воздушных загрязнений в этом регионе Центральной России. 68 % городского населения Рязанской области проживает в условиях высокого и очень высокого уровня ЗВ. Сеть мониторинга загрязнения атмосферы состоит из четырех станций ре-
гулярных наблюдений в Рязани. Дополнительно проводятся эпизодические наблюдения ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» [14].
Описание изучаемой территории. Площадь территории Рязанской области составляет 39,6 тыс. км2, по величине близкой к площади таких европейских государств, как Швейцария (41,3 тыс. км2), Нидерланды (41,5 тыс. км2), Дания (43,1 тыс. км2). По данным Росстата (http://www.gks.ru/), на 1 января 2018 года численность населения Рязанской области составила 1,121 млн человек. Это густо заселенная, хорошо освоенная в промышленном и сельскохозяйственном отношении часть Центральной России. Рязанская область расположена в границах подтаежной, широколиственно-лесной и лесостепной зон и обладает ценными биологическими ресурсами, в том числе особо охраняемыми природными территориями общей площадью более 103 тыс. га [15, 17].
Рязанская область — старопромышленный регион, индустриализованный после Второй мировой войны. Она имеет выгодное внутрирос-сийское экономико-географическое положение, находясь в 150 км от Московской агломерации. Основные виды промышленной и экономической деятельности Рязанской области — нефтепереработка, деревообработка, машиностроение, металлообработка, производство строительных, кровельных и отделочных материалов, электроэнергетика, пищевая и легкая промышленность, цветная металлургия. Согласно официальной статистике, около 50 % всего производства приходится на производство нефтепродуктов, кокса, электро- и электронного оборудования [16]. На территории г. Рязани функционирует более 300 предприятий-загрязнителей атмосферного воздуха, около 100 из которых являются крупными. В Рязанской области разведаны месторождения бурого угля, фосфоритов, стекольных и формовочных песков, огнеупорных и тугоплавких глин, минеральных красок, легкоплавких глин и суглинков различного назначения, цементного сырья, строительных камней и песков, карбонатных пород для производства строительной извести и использования в сельском хозяйстве, торфа, сапропеля, лечебных грязей, пресных и минеральных подземных вод. Главными потребителями угля являются Рязанская ГРЭС и местные ТЭЦ. Подмосковный уголь является гумусовым бурым углем, образовавшимся из торфа в восстановительных условиях. Особенность углей Мос-басса — повышенная зольность.
Пробоотбор. Сбор образцов проводился с 11 июля по 14 августа 2017 года. На участках отбора, распределенных по всей территории (вклю-
Рис. 1. Карта пробоотбора в Рязанской области, 2017 г.
чая г. Рязань и 25 районов Рязанской области). Сеть пробоотбора включала в себя 63 площадки (63 пробы мха). Места сбора образцов выбирались с учетом многолетних исследований ученых Рязанского государственного медицинского и Рязанского государственного университетов [3, 17]. Карта-схема пробоотбора представлена на рисунке 1.
Преобладающим видом мха в пробах является Pleurozium schreberi (22 пробы); кроме этого вида, исследовались также: Hypnum cupressiforme (16 проб), Sciuro-hypnum sp. (17 проб), Hylocomium splendens (4 пробы), Р1а^о^есшт sp. (3 пробы) и PtiUum sp. (1 проба). Эти мхи можно использовать в последующих исследованиях, т. к. они широко распространены на территории Рязанской области и удовлетворяют условиям стандартной методики. Для анализа использовались зеленые и зелено-коричневые сегменты мха, соответствующие трехлетнему периоду накопления элементов. Участки пробоотбора выбирались не менее чем в 300 м от основных дорог, 100 м от местных дорог
и в 200 м от деревень. Каждый образец состоял из пяти—десяти подобразцов, собранных с площади 50 х 50 м2. Для сбора каждого образца были использованы одноразовые полиэтиленовые перчатки.
Материалы и методы. Многоэлементный нейтронный активационный анализ (НАА) образцов мхов-биомониторов выполнен на пневмотранс-портной установке радиоаналитического комплекса РЕГАТА на реакторе ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна [10].
Активация образцов мхов-биомониторов полным спектром нейтронов (для определения элементов по их короткоживущим изотопам) и эпитепловыми нейтронами (для определения по долгоживущим изотопам) позволила определить 42 элемента: Ш, Mg, А1, 8, С1, К, Са, Яс, Т1, Сг, Бе, N1, V, Мп, Со, 2п, As, Яе, Вг, ЯЪ, Яг, 2г, Мо, ЯЪ, I, Cs, Ва, Ьа, Се, N6, Ят, Ей, Оё, ТЪ, Тт, УЪ, ИТ, Та, W, Аи, Th и и. Подробное описание
методики пробподготовки, анализа и обработки гамма-спектрометрической информации, а также контроля качества полученных результатов дано в работах [5, 18].
Информация о стационарных объектах, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, получена с помощью государственной информационной системы учета «Реестр объектов ФГЭН» [19].
Проведен дискриптивный анализ данных, представленный в таблице 1, а также много-
мерный статистический анализ (метод главных компонент или факторный анализ (факторный анализ), используемый для выявления и характеристики различных источников загрязнения (факторные нагрузки (варимакс нормализованный) проведен с использованием Stat-Soft (superscript «TM») Statistica 12 (StatSoft, Tulsa, OK, USA) (табл. 2). Построение географических карт распределений элементов выполнено с использованием ГИС-технологии ArcGis software (Esri, Redlands, CA, USA).
Медиана (мин-макс)
Элемент Рязанская область (настоящая работа) (n = 63) Беларусь [XX] (n = 86) Московская область [YY] (n = 156) Владимирская область [ZZ] (n = 73) Норвегия [MM] (n = 229)
Na 239 (100-4900) 147 (74-537) 155 (85-508) 128 (75-942) 210 (60-800)
Mg 1730 (831-7960) - 1790 (166-2970) 1910 (1020-3030) 1350 (470-3280)
Al 1940 (318-17400) - 853 (108-2990) 650 (190-2300) 460 (100-3050)
Cl 170 (43,9-1180) 188 (55-828) 85 (10-284) 68 (9-434) -
K 8790 (4250-19600) 3849 (1529-30070) 7200 (500-14300) 4700 (470-14000) 3560 (1770-6400)
Ca 5400 (6-14300) 2729 (1416-7375) 4480 (727-9050) 2100 (210-7800) 3030 (1820-7230)
Sc 0,42 (0,08-5) 0,11 (0,03-0,72) 0,17 (0,06-0,52) 0,06 (0,06-0,59) 0,09 (0,02-1,4)
Ti 147 (6-1990) - - - 24 (6-152)
V 3,42 (0,74-28,1) 1,33 (0,40-9,52) 1,9 (0,32-5,3) 1,9 (0,95-6,3) 1.2 (0,3-14)
Cr 4,03 (1,3-56,1) 1,2 (0,18-11,61) 2,63 (1,01-7,5) 2,5 (1,3-7) 0,7 (0-17)
Mn 314 (51-735) 403 (43,47-1852) 449 (0,46-1540) 431 (118-931) 400 (40-1660)
Fe 1360 (311-15700) 394 (166-2243) 690 (254-2270) 500 (250-1600) 310 (78-8125)
Co 0,79 (0,19-7,6) 0,25 (0,11-7,02) 0,38 (0,11-1,07) 0,38 (0,18-0,86) 0,2 (0,06-23)
Ni 4,06 (1,16-22,3) 1,25 (0,55-5,65) 2,87 (0,46-6,3) 2,8 (1,24-5,7) 1,1 (0,4-550)
Zn 50,8 (21,6-194) 31,3 (17,6-65,1) 57 (1,3-145) 48 (32-98) 31 (8-409)
As 0,65 (0,33-5,11) 0,15 (0,05-0,49) 0,18 (0,03-0,49) 0,16 (0,01-0,5) 0,13 (0,04-4,72)
Se 0,26 (0,04-0,57) 0,71 (0,09-1,89) 0,17 (0,04-0,36) - 0,3 (0,009-2)
Br 3,57 (1,73-13,6) 1,30 (0,48-3,50) 2,26 (1,07-4,4) 2,2 (1,1-5) -
Rb 17,2 (5,55-94,2) 20,9 (5,9-55,2) 13,8 (0,14-39,5) 11 (3,7-50) 12,4 (1,4-81)
Sr 25,8 (8,32-106) 9,2 (3,7-65,9) 15,3 (4,2-30,5) 13 (6,1-66) 136 (3,8-60)
Zr 13,2 (2.34-292) - - - -
Мo 0,089 (0,04-1,05) 0,099 (0,03-0,650) - - -
Sb 0,25 (0,1-13,2) 0,11 (0,04-0,23) 0,23 (0,005-1,13) 0,15 (0,073-0,43) 0,07 (0,007-0,38)
I 1,03 (0,39-4,09) 0,67 (0,19-1,65) - - -
Cs 0,24 (0,09-5) 0,21 (0,06-1,22) 0,14 (0,006-0,47) 0,12 (0,06-0,4) 0,16 (0,02-1,63)
Ba 50,9 (8,14-368) 19,9 (7,2-90,3) 44 (3,1-113) 36 (5,5-93) 25 (5,3-130)
La 1,38 (0,33-19,9) 0,46 (0,20-3,78) 0,54 (0,19-1,76) 0,44 (0,17-2,6) 0,32 (0,07-3,5)
Ce 2,66 (0,79-45,1) 0,93 (0,12-8,71) 1,2 (0,27-3,4) 1,0 (0,49-4,4) 0,61 (0,10-4,78)
Nd 1,89 (0,1-22) - - - 0,23 (0,01-2,24)
Sm 0,17 (0,04-3,33) - 0,08 (0,03-0,24) 0,056 (0,03-0,39) 0,05 (0,004-0,38)
Eu 0,05 (0,01-0,66) - - - 0,04 (0,01-0,19)
Gd 0,11 (0,01-2,95) - - - 0,06 (0,004-0,62)
Tb 0,028 (0,01-0,5) - 0,013 (0,001-0,04) 0,01 (0,004-0,05) 0,01 (<0,001-0,09)
Tm 0,02 (0,003-0,305) - - - 0,003 (<0,001-0,016)
Yb 0,116 (0,01-1,74) - - - 0,003 (<0,001-0,016)
Hf 0,37 (0,06-7,32) - 0,13 (0,02-0,61) 0,09 (0,017-0,6) -
Ta 0,038 (0,0067-0,62) - - - -
W 0,2 (0,08-1,53) 0,45 (0,07-1,46) 0,18 (0,04-1,13) 0,1 (0,02-0,53) -
Au 0,0005 (0,00007-0,0522) - - - -
Th 0,36 (0,12-6,79) 0,11 (0,03-1,0) 0,14 (0,04-0,44) 0,11 (0,03-0,7) 0,03 (0,007-1,5)
U 0,12 (0,03-1,45) 0,05 (0,01-0.41) 0,052 (0,003-0,16) 0,04 (0,01-0,17) 0,006 (0,002-0,08)
Таблица 1
Содержание элементов (мг/кг) в рязанских образцах мха и сравнение с другими территориями (медиана, разброс значений мин-макс). В скобках указано количество точек пробоотбора
(составлено авторами, 2024 г.)
Результаты и их обсуждение. В таблице 1 приведены медианы и диапазоны полученных значений элементов совместно с данными аналогичных исследований, проведенных ранее в Московской и Владимирской областях, граничащих с территорией Рязанской области. Для сравнения в таблице 1. представлены соответствующие данные по Республике Беларусь, Московской и Владимирской областям, а также условно чистой Норвегии [5, 8, 20].
Анализ значений данных таблицы 1 показывает, что Рязанская область по сравнению с Владимирской и Московской областями, а также Республикой Беларусь и Норвегией, характеризуется самыми высокими медианными показателями для А1 (в 4,2 раза выше по сравнению с Норвегией), К (в 2,5 раз выше по сравнению с Норвегией), Са (в 2,5 раза выше по сравнению с Влади-
мирской областью), Яс (в 7 раз выше по сравнению с Владимирской областью), Т1 (данные по Т1 доступны не для всех исследуемых регионов), V (в 2,85 раза выше по сравнению с Норвегией), Сг (в 5,76 раз выше по сравнению с Норвегией), Бе (в 4,4 раза выше по сравнению с Норвегией и в 3,45 раз выше по сравнению с Республикой Беларусь), Со (в 3,95 раз по выше по сравнению с Норвегией), N1 (в 3,69 раз повыше по сравнению с Норвегией), As (в 5 раз выше по сравнению с Норвегией), ЯЪ (в 3,57 раз по выше по сравнению с Норвегией), И (в 200 раз выше по сравнению с Норвегией).
Фактор 1 (№, Сг, Бе, Со, As, Яг, гг, Мо, Ва, W, Т^ И) — элементы, характерные для земной коры, попавшие в образцы мха, вероятно, с частицами почвы. Однако ассоциация As и И с этим фактором указывает на возможный антропогенный источник, вероятно, взвешенные частицы угольной золы.
Фактор 2 (Mg, A1, Яс, Т1, V, N1) — элементы, связанные с промышленными источниками загрязнения воздуха.
Фактор 3 (Са, Яе, Вг, I) объединяет элементы-галогены м орского происхождения, вероятно, попавшие в регион Центральной России в результате переноса воздушных масс.
Фактор 4 — редкие и рассеянные элементы ЯЪ и Cs, обнаруженные во мхах Рязанской области, предположительно, имеют растительное происхождение.
Картирование исследованной территории (рис. 2, 4—8) на основе данных, полученных с применением ГИС-технологий, отчетливо показывает ареалы выпадений ТМ и других следовых элементов. Четыре зоны Рязанской области испытывают экологический стресс, характеризующийся повышенным содержанием элементами-загрязнителями антропогенного происхождения — Т1, Сг, Бе, N1, V, Мп, Сг, гп, As и др.:
1. Рязанская агломерация, включая Рязанский район;
2. Западная часть территории Рязанской области, между двух крупных тепловых электростанций;
3. Южная часть Рязанской области (Мило-славский, Александро-Невский районы);
4. Восточная часть Рязанской области (Сасов-ской район).
Уровни концентраций атмосферных выпадений большинства тяжелых м еталлов и других элементов-загрязнителей в северной и центральной частях Рязанской области сходны со среднеевропейскими значениями.
Самая загрязненная территория Рязанской области со вкладом различных источников за-
Таблица 2 Результаты факторного анализа и факторные нагрузки
Элемент Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3 Фактор 4 Фактор 5
№ 0,81 0,40 -0,02 0,23 0,03
Mg 0,52 0,80 0,18 0,09 0,02
A1 0,44 0,87 0,10 0,10 0,04
Яс 0,50 0,83 0,13 0,15 0,03
Са 0,34 0,23 0,77 -0,11 0,09
Т1 0,35 0,87 0,17 0,08 0,02
Сг 0,81 0,49 0,10 0,24 0,06
V 0,45 0,85 0,19 0,11 0,05
N1 0,52 0,76 0,23 0,11 0,15
Бе 0,77 0,50 0,19 0,25 0,04
Со 0,77 0,50 0,18 0,22 0,06
гп 0,23 0,09 0,27 -0,11 0,87
Яе -0,21 -0,07 0,79 0,12 0,15
As 0,74 0,48 0,24 0,27 0,04
Вг 0,55 0,22 0,61 0,03 0,04
Яг 0,87 0,29 0,14 -0,02 0,04
ЯЪ 0,37 0,12 -0,02 0,88 -0,01
гг 0,74 0,57 -0,01 0,19 0,06
Мо 0,75 0,17 0,21 0,11 0,04
ЯЪ -0,03 0,03 0,03 0,05 0,96
I 0,19 0,50 0,75 0,00 0,07
Ва 0,77 0,45 0,09 0,07 0,02
Cs 0,20 0,15 0,05 0,91 -0,05
W 0,75 0,30 0,09 0,33 0,11
та 0,81 0,52 -0,02 0,21 0,06
и 0,80 0,52 -0,03 0,20 0,09
Общая 9,39 6,96 2,62 2,26 1,79
дисперсия фактора
Доля общей 0,36 0,27 0,10 0,09 0,07
дисперсии
N
Е
Б
Рис. 2. Распределение атмосферных выпадений сурьмы (БЪ) на территории Рязанской области, 2017 г.
грязнения — это административный центр г. Рязани и Рязанский район. Локальные источники загрязнения такими элементами, как Мп, Бе, Сг, N1, и др., относятся к предприятиям I категории опасности:
— нефтеперерабатывающее предприятие, располагающееся на площади более 900 га, перерабатывающее около 17 млн т нефти в год и образующее 85 % выбросов от всех предприятий Рязани, в составе которых в повышенном содержании присутствуют Мп, Бе, Сг и N1;
— крупнейшее предприятие листового стекла и специализированной стекольной продукции, содержащее в составе выбросов в атмосферный воздух Сг, А1, РЬ, Бе, Мп, N1, Са, Си;
— предприятие, специализирующееся на переработке свинцового и медного вторичного сырья: отработанных кислотных аккумуляторных батарей, свинцового, медного, латунного и бронзового лома всех наименований, образующее в составе выбросов в атмосферный воздух более 2 т РЬ в год, более 1 т Си,
— предприятия 2-й категории опасности: производство цветных металлов — Сг, Мп, Бе, А1; производство радиоэлектронной продукции — Сг, Мп, Бе, N1, кремний, олово, фтор и др.
Во мхах-биомониторах, отобранных в зоне влияния этих предприятий, (т. 54, 56 с. Плахино, п. Вишневка) содержатся: А до 2,7 мг/кг (в 34 раза больше фоновых концентраций); V до 30,6 мг/кг (в 9 раз больше фоновых концентраций); Сг до 65,3 мг/кг (в 460 раз больше фона), Бе до 10,0 мг/кг (в 15 раз больше фона); N1 до 27,6 мг/кг (в 7 раз больше фона).
Рассеянный элемент токсичный полуметалл БЬ обнаружен в рязанских городских пробах в высоких концентрациях (до 13,2 мг/кг, в 44 раза выше среднеобластного фона). Соединения БЬ — компонент свинцовых сплавов, применяются в
Октябрьский" ° Михайлов
9 Ь Рязанская область о
Новомосковск 1 Но вом и ч ур и н с к 0
„ Узловая "Доской Ц Ерлино
Тульская область \ Скопин
Богородицк о—. Павелец
Рис. 3. Карта-схема расположения Рязанской и Новомосковской ГРЭС
V
<3,0 8
3,09- 4,98
4,99- -8,19
8,2— 10,5
10,6— 14,3
14,4— 18,1
18,2— 30,6
N Б
Рис. 4. Распределение атмосферных выпадений V на территории Рязанской области, 2017 г.
производстве красок и эмалей, технических и электровакуумных стекол.
Предприятия «большой» энергетики — крупнейшие загрязнители атмосферного воздуха. Западная часть территории Рязанской области находится м ежду двумя крупными тепловыми электростанциями: Рязанская ГРЭС в г. Ново-мичуринске и Новомосковская ГРЭС Тульской области (рис. 4). В результате сжигания топлива и накопления золошлаковых отходов в атмосферу поступают Сг, Бе, N1, V.
В сильнозагрязненных техногенными элементами районах — Пронском (под влиянием Рязанской ГРЭС), Михайловском (в результате аэрозольной миграции элементов предприятий Новомосковского района Тульской области) — Новомосковская ГРЭС, крупные предприятия химической промышленности [21] и Кораблинс-ком (под влиянием Пронского) концентрации V достигают 30,6 мг/кг (в 9 раз больше фоновых концентраций V по Рязанской области), N1 — 27,6 мг/кг (в 7 раз больше фоновых концентраций N1 по Рязанской области) (рис. 5).
На границе Скопинского и Милославского районов Рязанской области находится потенциальный источник загрязнения ТМ — террикон,
«угольная гора». В угле может содержаться повышенная концентрация ряда ценных металлов — 2г, W, Т1, V и др. [22]. Т1 — общетоксичный металл, который встречается в смоге промышленных городов. В Рязанской области в концентрациях, в четыре раза больше фоновых показателей по региону, Т1 был обнаружен во мхах г. Рязань, с. Никитино Кораблинского района и в с. Гол-дино Михайловского района. Вероятно, под воздействием предприятий теплоэнергетики.
В ближнем радиусе влияния цементных заводов Михайловского и Рязанского районов отмечаются повышенные концентрации (в 3 раза больше фона), Mg (в 3 раза больше фоновых концентраций) и Са (в 4 раза больше фоновых концентраций).
На востоке Рязанской области в зону высокого содержания техногенного загрязнения попадает Кадомский район, который не обладает развитой промышленностью, однако, в т. 45, возможно, под влиянием предприятий Сасовского района: станкостроительного и литейного предприятий, химического производства бутилацета-та, этилацетата, растворителей, обнаружены высокие концентрации ТМ. Л8 до 3,7 мг/кг (в 47 раз больше фоновой концентрации по Рязанской об-
Ni
[mg/kg]
1 1 <3,73
3,74- 4,92
4,93- 6,2
6,21- 7,79
7,8- 10,7
10,8- 14,2
14,3- 27,6
N
W E
S
Рис. 5. Распределение атмосферных выпадений Ж на территории Рязанской области, 2017 г.
As
[mg/kg]
0,078-0,56 0,57-0,84 0,85-1,2 1,3-1,6 1,7-2 2,1-2,7 ■ 2,8-3,7 Н 3,8-5,5
N
WE S
Рис. 6. Распределение атмосферных выпадений А на территории Рязанской области, 2017 г.
Сг
0,141 -4,23
4,24- 9,2
9,21- 13,1
13,2- 17,7
17,8- 26,4
26,5- 37,4
Н 37,5- 65,3
N
Рис. 7. Распределение атмосферных выпадений Сг на территории Рязанской области, 2017 г.
Е
ласти), Сг до 65,3 мг/кг (в 460 раз больше фона), Бе до 10,0 мг/кг (в 15 раз больше фона) (рис. 6).
Сельскохозяйственный юг Рязанской области показал высокие концентрации ТМ.
Одним из основных средств борьбы с вредителями культурных растений служат производные лб, применяемые в качестве инсектицидов. На точки пробоотбора в Александро-Невском районе (т. 4, 5) и д. Чернава Милославского района (т. 31), предположительно, оказывает влияние Юго-Восточная железная дорога Рязанской области, предприятия соседних областей и сельское хозяйство. В 30—40 км от точек пробоотбора находятся следующие предприятия: сварочное, ме-ханообрабатывающее, сборочное и литейное производства в Тамбовской области, крахмальный завод и производство трубопроводной арматуры и насосного оборудования в Липецкой области, также возможные источники V, Бе и Мп.
В Шиловском районе центральной части Рязанской области, в котором отсутствуют промышленные предприятия, выявлены высокие концентрации С1 (580 мг/кг), что, скорее всего, связано с деятельностью агропромышленного комплекса. Высокие концентрации С1 обнаружены также
в г. Рязани, появившиеся, вероятно, в результате деятельности нефтеперерабатывающего предприятия.
Факторный анализ указывает на антропогенное происхождение галогенов С1 и Вг. Нефтепромышленные реагенты могут быть антропогенным источником этих элементов. Согласно информационно-техническому справочнику по наилучшим доступным технологиям (ИТС 30—2017 Переработка нефти):
— хлорорганические реагенты используются для изменения структуры углеводородов в процессе нефтепереработки;
— броморганические биоциды применяются для предотвращения биологического загрязнения, коррозии оборудования, образования накипи на теплообменных поверхностях и в трубопроводах.
Высокие значения концентраций редкоземельных элементов (Ьа, Се, Зш, Ей, ТЬ, УЪ) в т. 45 Сасовского района, вероятно, связаны с залежами железной руды низкого качества, не имеющей промышленного значения. По наблюдениям местных жителей вода в болотах и ручьях в данных местах имеет «ржавый» цвет. Повышен-
Рис. 8. Распределение атмосферных выпадений Ее на территории Рязанской области, 2017 г.
Fe
[mg/kg]
<1,040
1,050- 1,990
2,000- 3,160
3,170— 4,580
4,590— 5,880
j 5,890— 7,560
7,570— 10,000
10,100 —15,700
N S
ная концентрация редкоземельных элементов обнаружена в т. 39 под влиянием золошлаковых отходов Рязанской ГРЭС и в т. 54, 56 в зоне влияния промышленных предприятий г. Рязани.
Заключение
Рязанская область на протяжении десятилетий является регионом с высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна. В 2017 году Рязанская область впервые стала участником Программы Комиссии ООН по воздуху Европы. В Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна Московской области с помощью ядро-физических методов были проанализированы мхи-биомониторы, собранные на территории Рязанской области. Многоэлементный эпитепловой нейтронный активационный анализ позволил выявить антропогенное происхождение
элементов, признанных загрязнителями окружающей среды (V, Дб, ЗЬ, Сг, Бе, N1, А1 и др.), присутствующих в атмосферном воздухе Рязанской области. С помощью современных ГИС-тех-нологий показаны локальные участки с концентрациями, сильно превышающими средние значения. На картах-схемах прослеживаются ареалы выпадений следовых элементов и площадь загрязнения тяжелыми металлами. Данные о концентрациях следовых элементов, вошедших в Европейский атлас, могут быть использованы для объективной научно обоснованной оценки возможного риска здоровью населения, проживающего на загрязненных территориях Рязанской области, для осуществления пространственно-временного мониторинга атмосферного воздуха, для разработки мероприятий по охране окружающей среды и сохранения чистоты воздушного бассейна.
Библиографический список
1. Markert B. et al. On the road from environmental biomonitoring to human health aspects: monitoring atmospheric heavy metal deposition by epiphytic/epigeic plants: present status and future needs // Int. J. Environment and Pollution. — 2008. — V. 32. — No. 4. — P. 486—498.
2. Mitra S. et al. Impact of heavy metals on the environment and human health: Novel therapeutic insights to counter the toxicity // Journal of King Saud University-Science. — 2022. — V. 34. — No. 3. — 21 p.
3. Кучумов В. В., Ляпкало А. А., Медведева О. В. Актуальность проблемы профилактики злокачественных новообразований для Рязанской области // Российский медико-биологический вестник имени академика И. П. Павлова. — 2014. — № 1. — С. 72—76 [электронный ресурс]. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/aktualnost-problemy-profflaktiki-zlokachestvennyh-novoobrazovaniy-dlya-ryazanskoy-oblasti (Дата обращения: 26.06.2024)
4. Frontasyeva M. V., Steinnes E. and H. Harmens. Monitoring long-term and large-scale deposition of air pollutants based on moss analysis // Biomonitoring of Air Pollution Using Mosses and Lichens: Passive and Active Approach. — Chapter in a book, State of the Art and Perspectives, Edts. M. Anicic Urosevic, New-York, USA, 2016. — 51 p.
5. Vergel K., Zinicovscaia, I., Yushin, N., Chaligava, O., Nekhoroshkov, P., Grozdov, D. Moss. Biomonitoring of Atmospheric Pollution with Trace Elements in the Moscow Region, Russia // Toxics. — 2022. — Vol. 10. — No. 66. — P. 66—77.
6. Вергель К. Н. и др. Метод мхов-биомониторов и ГИС-технологии в оценке воздушных загрязнений промышленными предприятиями Тихвинского района Ленинградской области // Экология урбанизированных территорий. — 2014. — № 2. — С. 92—101.
7. Barandovski L. et al. Assessment of Atmospheric Deposition of Potentially Toxic Elements in Macedonia Using a Moss Biomonitoring Technique // Sustainability. — 2024. — Т. 16. — № 2. — P. 748.
8. Алексеенок Ю. В., Фронтасьева М. В., Островная Т. М., Окина О. И. Метод мхов-биомониторов, НАА и ААС в исследовании воздушных загрязнений Беларуси // Проблемы региональной экологии. — 2015. — Т. 4. — С. 126—134.
9. Ene А., Stihi С., Frontasyeva М., Pantelica А., Anghelina V. Nuclear and related techniques used for pollution investigations in environment and health risk assessment // 8th International Workshop on Biomonitoring of Atmospheric Pollution (BIOMAP 8), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation, Poster, Programme and Abstracts, 2018. — 59 p.
10. Фронтасьева, М. В. Нейтронный активационный анализ в науках о жизни: Обзор // Физика элементарных частиц и атомного ядра. — 2011. — Т. 42. — № 2. — С. 636—716.
11. Harmens H., Frontasyeva M. Heavy metals, nitrogen and POPs in European mosses: 2015 survey. ICP Vegetation Programme Coordination Centre, CEH Bangor, UK [электронный ресурс]. Режим доступа: http://icpvegetation.ceh.ac.uk/publica-tions/documents/MossmonitoringMANUAL-2015-17.07.14.pdf
12. European Atlas: Spartial and temporal trends in heavy metal accumulation in mosses in Europe (1990—2005), UNECE ICP Vegetation. Editors: Harmens H., Norris D. and participants of the moss survey. Centre for Ecology & Hydrology, University of Wales Bangor, United Kingdom, 2008. — 51 p.
13. Frontasyeva M. V., Harmens H., Chaligava О., Uzhinskiy А. and the participants of the moss survey. Mosses as biomonitors of air pollution: 2015/2016 survey o heavy metals, nitrogen and POPs in Europe and beyond. ISBN: 978-5-9530-0508-1, 2020. — 165 p.
14. Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2022 г.: Ежегодник / Федеральное государственное бюджетное учреждение «Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова». — М.: Росгидромет, 2023. — 256 с. [электронный ресурс]. Режим доступа: http://voeikovmgo.ru/images/stories/publications/2023/ (дата обращения: 24.06.2024 г.).
15. Иванов Е. С., Виноградов Д. В., Бышов Н. В., Барановский А. В., Блинова Э. А. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. — Рязань: ФГБОУ ВО РГАТУ имени П. А. Костычева, 2019. — 310 с.
16. Доклад об экологической ситуации в Рязанской области в 2012 году / Министерство природопользования и экологии Рязанской обл.; под ред. И. В. Авдеева. — Рязань: Рязанский ин-т развития образования, 2013. — 127 с.
17. Кривцов В. А. и др. Природный потенциал ландшафтов Рязанской области: Монография / Под ред. В. А. Кривцова и С. А. Тобратова. — Рязань: Изд-во РГУ им. С. А. Есенина, 2011. — 720 с.
18. Chaligava O., Shetekauri Sh., Wael M. Badawy, Frontasyeva M. B., Zinicovscaia I., Shetekauri T., Kvlividze A., Vergel K., Yushin N. Characterization of trace elements in atmospheric deposition studied by moss biomonitoring in Georgia // Archives of environmental contamination and toxicology. — 2021. — Vol. 80. P. 350—367.
19. Публичный реестр объектов негативного воздействия [электронный ресурс]: Режим доступа. — https://regis-tries.rpn.gov.ru/rpn/fgen-object?pcurrent_page=1&pper_page=20&plast_page=1&fIilter_contains%5Bshort_name_organi-zation%5D=%D1%80%D1%8F%D0%B7%D0%B0%D0%BD&oid=desc (проверено 24.06.2024).
20. Steinnes E. et al. Atmospheric deposition of heavy metals in Norway. National moss survey 2015 // NILU rapport. — 2017. — 56 p.
21. Арляпов В. А., Волкова Е. М., Нечаева И. А., Скворцова Л. С. Содержание тяжелых металлов в почве как индикатор антропогенного загрязнения Тульской области // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. — 2015. — Вып. 4. — С. 194—204.
22. Stafilov T. et al. Moss biomonitoring of air pollution around the coal mine and Bitola thermoelectric power plant, North Macedonia // Contaminant Levels and Ecological Effects: Understanding and Predicting with Chemometric Methods. — 2021. — P. 75—100.
ASSESSMENT OF ATMOSPHERIC DEPOSITION OF HEAVY METALS AND OTHER TRACE ELEMENTS IN THE RYAZAN REGION BASED ON THE ANALYSIS OF MOSS-BIOMONITORS
E. A. Blinova, Ph. D. (Biology), Department of Geography, Ecology and Tourism, Institute of Natural Sciences, FGBOU VO Yesenin Ryazan State University, Ryazan, Russia, e.blinova@365.rsu.edu.ru,
M. V. Frontasyeva, Ph. D. (Physical and Mathematical Sciences), Russian Academy of Natural Sciences, Advisor to Directorate Sector for Neutron Activation Analysis and Applied Research, Department of Nuclear Physics, Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, marina@nf.jinr.ru,
O. Chaligava, Researcher, Sector for Neutron Activation Analysis and Applied Research, Department of Nuclear Physics, Advisor to Directorate Sector for Neutron Activation Analysis and Applied Research, Department of Nuclear Physics, Frank Laboratory of Neutron Physics, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia, omar.chaligava@ens.tsu.edu.ge,
B. I. Kochurov, Ph. D. (Geographical Sciences), Dr. Habil., Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences (IGRAS), Moscow, Russia camertonmagazin@mail.ru
References
1. Markert B. et al. On the road from environmental biomonitoring to human health aspects: monitoring atmospheric heavy metal deposition by epiphytic/epigeic plants: present status and future needs. Int. J. Environment and Pollution. 2008. Vol. 32. No. 4. P. 486-498.
2. Mitra S. et al. Impact of heavy metals on the environment and human health: Novel therapeutic insights to counter the toxicity. Journal of King Saud University-Science. 2022. Vol. 34. No. 3. (101865).
3. Kuchumov V. V., Lyapkalo A. A., Medvedeva O. V. Aktual'nost' problemy profilaktiki zlokachestvennyh novoobrazovanij dlja Rjazanskoj oblasti Rossijskij mediko-biologicheskij vestnik imeni akademika I. P. Pavlova. [Relevance of the problem of prevention of malignant neoplasms in the Ryazan Region. Academician I. P. Pavlov Russian Medical and Biological Bulletin, 2014]. Eletronic resource. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/aktualnost-problemy-profilaktiki-zlokachestvennyh-novoobra-zovaniy-dlya-ryazanskoy-oblasti. Access date: 26.06.2024 [in Russian].
4. Frontasyeva M. V., Steinnes E. and H. Harmens. Monitoring long-term and large-scale deposition of air pollutants based on moss analysis. Biomonitoring of Air Pollution Using Mosses and Lichens: Passive and Active Approach. Chapter in a book, State of the Art and Perspectives, Edts. M. Anicic Urosevic, New-York, USA, 2016. 51 p.
5. Vergel K., Zinicovscaia, I., Yushin, N., Chaligava, O., Nekhoroshkov, P., Grozdov, D. Moss. Biomonitoring of Atmospheric Pollution with Trace Elements in the Moscow Region, Russia. Toxics, 2022. Vol. 10. No. 66. P. 66—77.
6. Vergel' K. N., Goryaynova, Z. I., Vikhrova, I. V., Frontasyeva, M. V. Metod mhov-biomonitorov i GIS-tehnologii v ocenke vozdushnyh zagrjaznenij promyshlennymi predprijatijami Tihvinskogo rajona Leningradskoj oblasti. Jekologija urbanizirovan-nyh territorij [Method of moss-biomonitors and GIS technology in assessing air pollution by industrial enterprises of the Tikh-vin District of the Leningrad Region. Ecology of Urban Areas]. 2014. No. 2. P. 92—101 [in Russian].
7. Barandovski L., Stafilov, T., Sajn, R., Baceva Andonovska, K., Frontasyeva, M., Zinicovscaia, I. Assessment of Atmospheric Deposition of Potentially Toxic Elements in Macedonia Using a Moss Biomonitoring Technique. Sustainability. 2024. Vol. 16. No. 2. P. 748.
8. Alekseenok Ju. V., Frontasyeva M. V., Ostrovnaya T. M., Okina O. I. Metod mhov biomonitorov, NAA i AAS v issledovanii vozdushnyh zagrjaznenij Belarusi. Problemy regional'noj jekologii [Method of moss biomonitors, NAA and AAS in the study of air pollution in Belarus]. 2015. No. 4. P. 126—134 [in Russian].
9. Ene А., Stihi C, Frontasyeva М., Pantelica А., Anghelina V. Nuclear and related techniques used for pollution investigations in environment and health risk assessment. 8th International Workshop on Biomonitoring of Atmospheric Pollution (BIOMAP 8), Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russian Federation, Poster, Programme and Abstracts, 2018. 59 p.
10. Frontasyeva M. V. Nejtronnyj aktivacionnyj analiz v naukah o zhizni. Obzor Fizika jelementarnyh chastic i atomnogo jadra [Neutron activation analysis in life sciences. Review. Physics of elementary particles and the atomic nucleus]. 2011. Vol. 42. No. 2. P. 636—716 [in Russian].
11. Harmens H., Frontasyeva M. Heavy metals, nitrogen and POPs in European mosses: 2015 survey. ICP Vegetation Programme Coordination Centre, CEH Bangor, UK. Eletronic resource. URL: http://icpvegetation.ceh.ac.uk/publications/documents/ MossmonitoringMANUAL-2015-17.07.14.pdf
12. European Atlas: Spartial and temporal trends in heavy metal accumulation in mosses in Europe (1990—2005), UNECE ICP Vegetation. Editors: Harmens H., Norris D. and participants of the moss survey. Centre for Ecology Hydrology, University of Wales Bangor, United Kingdom, 2008. P. 51.
13. Frontasyeva M. V., Harmens H., Chaligava О., Uzhinskiy А. and the participants of the moss survey. Mosses as biomonitors of air pollution: 2015/2016 survey on heavy metals, nitrogen and POPs in Europe and beyond. ISBN: 978-5-9530-0508-1, 2020. 165 p.
14. Sostojanie zagrjaznenija atmosfery v gorodah na territorii Rossii za 2022. Ezhegodnik. Federal'noe gosudarstvennoe bjudzhet-noe uchrezhdenie Glavnaja geofizicheskaja observatorija im. A. I. Voejkova, Rosgidromet [State of air pollution in cities in Russia for 2022]. 256 p. Eletronic resource. URL: http://voeikovmgo.ru/images/stories/publications/2023/ access data: 26.06.2024 [in Russian].
15. Ivanov E. S., Vinogradov D. V., Byshov N. V., Baranovskiy A. V., Blinova Je. A. Ohrana okruzhajushhej sredy i racional'noe ispol'zovanie prirodnyh resursov [Environmental protection and rational use of natural resources]. Rjazan': FGBOU VO RGATU imeni P. A. Kostycheva, 2019. 310 p. [in Russian].
16. Doklad ob jekologicheskoj situacii v Rjazanskoj oblasti v 2012 godu. Ministerstvo prirodopol'zovanija i jekologii Rjazanskoj obl.; pod red. I. V. Avdeeva [Report on the environmental situation in the Ryazan Region in 2012 / Ministry of Natural Resources and Ecology of the Ryazan Region; ed. I. V. Avdeeva]. Ryazan, 2013. 127 p. [in Russian].
17. Krivtsov V. A. et al. Prirodnyj potencial landshaftov Rjazanskoj oblasti: Monografija / pod red. V. A. Krivtsova i S. A. To-bratova. Rjazan', Izd-vo RGU im. S. A. Esenina [Natural potential of landscapes of the Ryazan Region: Monograph ed. by V. A. Krivtsov and S. A. Tobratov]. Ryazan, 2011. 720 p. [in Russian].
18. Chaligava O., Shetekauri Sh., Badawy Wael M., Frontasyeva Marina V., Zinicovscaia I., Shetekauri T., Kvlividze A., Vergel K., and Yushin N. Characterization of trace elements in atmospheric deposition studied by moss biomonitoring in Georgia. Archives of environmental contamination and toxicology, 2021. P. 350—367. https://doi.org/10.1007/s00244-020-00788-x
19. Publichnyj reestr ob'ektov negativnogo vozdejstvija [Public register of objects of negative impact]. Eletronic resource. URL: https://registries.rpn.gov.ru/rpn/fgen-object?pcurrent_page=1&pper_page=20&plast_page=1&fIilter_contains%5Bshort_ name_organization%5D=%D1%80%D1 %8F%D0%B7%D0%B0%D0%BD&oid=desc access data: 26.06.2024 [in Russian].
20. Steinnes E. et al. Atmospheric deposition of heavy metals in Norway. National moss survey 2015. NILU rapport. 2017. 56 p.
21. Arlyapov V. A., Volkova E. M., Nechaeva I. A., Skvorcova L. S. Soderzhanie tjazhelyh metallov v pochve kak indikator an-tropogennogo zagrjaznenija Tul'skoj oblasti. Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki [The content of heavy metals in the soil as an indicator of anthropogenic pollution in the Tula Region. Newsletters of the Tula State University. Natural Sciences]. Tula, 2015. No. 4. P. 194—204 [in Russian].
22. Stafilov T. et al. Moss biomonitoring of air pollution around the coal mine and Bitola thermoelectric power plant, North Macedonia. Contaminant Levels and Ecological Effects: Understanding and Predicting with Chemometric Methods. 2021. P. 75—100.