CC BY
191
IK
УДК 504.3.054:504.5:631.4
DOI: 10.24411/1816-1863-2020-12006
о
LO
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ КРУПНОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ АГЛОМЕРАЦИИ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ И ПОЧВЫ ТОКСИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (НА ПРИМЕРЕ Г. ТУЛЫ)
Горелова С. В., к.б.н, доцент, Тульский государственный университет, Естественнонаучный институт, salix35@gmail.com, Тула, Россия, Горбунов А. В., к.г.-м.н, с.н.с, Геологический институт РАН, anatolygor@yandex.ru, Москва, Россия, Ляпунов С. М., к.г.-м.н., зав. лабораторией химико-аналитических исследований, Геологический институт РАН, analytic@ginras.ru, Москва, Россия, Окина О. И., к.т.н., с.н.с., Геологический институт РАН, okina@bk.ru, Фронтасьева М. В., к.ф.-м.н., советник директора по прикладным исследованиям и инновациям, Объединенный институт ядерных исследований, marina@nf.jinr.ru, Дубна, Россия,
Козлов С. А., начальник структурного подразделения МБУ ДО «Центр детского юношеского туризма и патриотического воспитания», kozlov-sergei-71@rambler.ru, Тула, Россия
6
Цель работы — определение уровня воздействия промышленных предприятий г. Тулы на загрязнение атмосферного воздуха и почв тяжелыми металлами. Исследование элементного состава образцов почв и атмосферных аэрозолей города Тулы проводилось с помощью комплекса физико-химических методов: рентгеноспектрального (РФА), атомно-абсорбционного (ААС) и нейт-ронно-активационного (ИНАА) анализа. Исследовано распределение Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pd, Cd в атмосферных аэрозолях и Al, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Zr, Mo, Ba, Pb, Th в почвах. Результаты: выявлено высокое содержание Fe и Си в большинстве точек про-боотбора атмосферного воздуха; определены территории, характеризующиеся почвенными геохимическими аномалиями, которые составляют 37 % городских почв; построены GIS-карты загрязнения почв тяжелыми металлами 1—2 классов опасности, которые позволили оценить ореолы рассеяния токсичных элементов и вклад разных промышленных источников в загрязнение городской среды. Выводы: выявлены зоны с высокой концентрацией Fe и Cu в атмосферных аэрозолях; определены районы города с высоким суммарным загрязнением почвы тяжелыми металлами. При расчете градации почв по суммарному показателю Zc выявлены умеренно опасные (31 %) и опасные (6 %) участки городского ландшафта.
Objective was to determine the level of impact of industrial enterprises in Tula on air and soil pollution with heavy metals. The elemental composition of samples of atmospheric aerosols and soils of the city of Tula was studied using x-ray spectral (RFA), atomic absorption (AAS) and neutron activation (INAA) methods. The distribution of Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pd, Cd in atmospheric aerosols and Al, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Zr, Mo, Ba, Pb, Th in soils was studied. Results: a high concentration of Fe and ^ was found in most air sampling points; territories were characterized by soil geochemical anomalies, which make up 37 % of urban soils; GIS maps of soil contamination with heavy metals of hazard classes 1—2 were constructed what allowed us to estimate the scattering area of toxic elements and the contribution of various industrial sources to urban pollution. Conclusions: zones with high concentrations of Fe and Cu in atmospheric aerosols were identified. The calculating the soil gradation for the total index Zc was identified as moderately dangerous (31 %) and dangerous (6 %) zones of the urban landscape.
Ключевые слова: экологический мониторинг, городские экосистемы, воздушное загрязнение, загрязнение почв, физико-химические методы анализа, тяжелые металлы.
Keywords: environmental monitoring, urban ecosystems, air pollution, soil pollution, physicochemical methods of analysis, heavy metals.
Введение
Тула — крупный промышленно развитый областной центр с населением около 500 000 человек. На его территории расположены предприятия машиностроительной, химической, оборонной, топливно-энергетической и металлургической промышленности. Предприятия находятся в городской черте, внося вклад в техногенное загрязнение городской среды. По д ан-ным выборочного федерального статистического наблюдения в 2018 году [1] выбросы в атмосферу вредных веществ организациями Тульской области составили 104 тыс. тонн. На очистные сооружения в 2018 году поступило 402 тыс. тонн загрязняющих веществ, сброс загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы составил 200 м3 на человека в год. Как следствие, одна треть вод города загрязнена тяжелыми металлами [2, 3]. Помимо воздействия техногенных выбросов предприятий, существенный вклад в нарушение состояния городской экосистемы вносят интенсивные транспортные потоки города: на их долю приходится около 40 % выбросов в атмосферу. В целом, город характеризуется интенсивным техногенным воздействием на биоту и человека и входит в ч исло наиболее загрязненных городов России. Техногенное воздействие приводит к аккумуляции ряда токсичных элементов в среде обитания живых организмов, где основным транспортирующим элементом является атмосферный воздух, а депонирующим — почвы [4, 5]. Загрязнение почв токсичными компонентами, их уплотнение приводит к изменению структуры и физико-химических свойств почв и делает их малопригодными для нормального роста растений, которые являются единственными поставщиками кислорода, продуцентами городских экосистем, акцепторами углекислого газа и аккумуляторами токсичных компонентов из воздуха и почв [6].
Цель настоящей работы — определение уровня воздействия предприятий г. Тулы на загрязнение атмосферного воздуха и почв токсичными элементами.
В процессе проведения работы решались следующие задачи: • Определить перечень загрязняющих
токсичных элементов аэрозолей воздуха городской среды. Оценить соответ-
ствие концентрации этих элементов существующим нормам (ПДК, ПДУ).
• Изучить геохимические аномалии городских почв, определить пространственное распределение ореолов рассеяния токсикантов, оценить соответствие их концентрации существующим нормам (ПДК).
• Построить карты загрязнения почв тяжелыми металлами и металлоидами 1—2 классов токсичности и определить умеренно опасные и опасные для проживания районы города.
Методы и объекты исследования
Пробоотбор и пробоподготовка. Отбор образцов почвы проводился по стандартной методике [7, 8]. Территория города была разделена на квадраты площадью 1 км2. Отбор почв из каждого квадрата осуществлялся методом «конверта» путем осреднения материала не менее 4—5 частных проб с пяти точек площадью 10 х 10 м2. Глубина пробоотбора — 0—20 см. Всего отобрано 68 средних проб почвы. Пробы высушивались до воздушно-сухого состояния при температуре 40 °С, растирались и просеивались через сито с диаметром отверстий 1 мм2. Затем таблетировались для последующего рентгеноспектрального анализа.
Отбор проб атмосферного воздуха проводился с помощью аспиратора модели ПУ-4э на аэрозольные фильтры типа АФА-ХА с диаметром рабочей поверхности 30 мм со скоростью 15—20 л/мин [9]. Фильтры предварительно доводились до воздушно-сухого состояния и взвешивались. После отбора проб проводилось повторное взвешивание для определения массы пылевых выбросов. Объем отобранного воздуха составлял 5—7 м3. В период отбора проб атмосферного воздуха фиксировались метеорологические условия. Отбор проб для анализа содержания тяжелых металлов и металлоидов в воздухе проводился вблизи предприятий металлургической, оборонной и машиностроительной промышленности, а также на центральных автомагистралях города (Ленинский и Красноармейский проспекты). Отобрано 34 пробы аэрозольных выпадений из атмосферного воздуха в 17 точках пробоотбора.
Анализ. Элементный анализ отобран -ных образцов проводился комплексом
СП
о
О -1
7
IK
О X LO
8
современных физико-химических методов, который включал в себя рентгено-спектральный (РФА) (анализ почв), атом-но-абсорбционный (ААС) и нейтронно-активационный методы (ИНАА) (анализ фильтров)) [10].
Рентгеноспектральный анализ почвенных образцов проводился в лаборатории химико-аналитических исследований Геологического института РАН (ГИН РАН) с использованием последовательного волнового XRF спектрометра «S4 Pioneer» Bruker AXS. Обработка полученных результатов осуществлялась с помощью пакета программ «S4 Spectra Plus». С помощью этого метода определялась концентрация в почве Al, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Zr, Mo, Ba, Pb, Th. В качестве образцов сравнения использовались стандартные образцы состава: СЧТ-1,2, IAEA Soil-7, GBW-07404, 07405.
Атомно-абсорбционный анализ атмосферных аэрозолей осуществлялся в лаборатории ГИН РАН с помощью атомно-аб-сорбционного спектрометра «Квант-2А» (Москва, КОРТЭК), укомплектованного дейтериевым корректором неселективного поглощения и соответствующими лампами полого катода, определение тяжелых металлов в образцах проводили в соответствии с требованиями стандартизованных методик [11, 12]. Определение Zn, Pb, Cu и Cd проводили в пламени «пропан— воздух», Fe, Mn и Ni — в пламени «ацетилен—воздух». В качестве образцов сравнения использовались стандартные образцы состава: IAEA-155, IAEA Soil-7, GBW-07404, 07405.
Инструментальный нейтронно-акти-вационный анализ проводился на импульсном реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ г. Дубна с использованием активации эпитепловыми нейтронами наряду с полным энергетическим спектром. Для определения долгоживущих изотопов образцы растений массой около 0,3 г упаковывались в алюминиевую фольгу. Контейнеры с образцами облучались 4—5 дней в канале с кадмиевым экраном (эпитепловой нейтронный активационный анализ). После облучения образцы переупаковывались в чистые полиэтиленовые контейнеры для измерения наведенной активности. Наведенная гамма-активность образцов измерялась дважды: спустя 4—5 дней после
выгрузки их из канала облучения (для определения Аз, Вг, К, Ьа, Ыа, Мо, Бш, и и IV) и 20 дней (для определения Ва, Се, Со, Сг, СЗ, Те, И, N1, ВЬ, БЬ, Бс, Бг, Та, ТЬ, Тк, УЬ и Zn). Время измерения составляло 40—50 мин и 2,5—3 ч соответственно.
Для определения короткоживущих изотопов элементов (А/, Са, С1, I, Mg, Мп и V) образцы массой 0,3 г, упакованные в полиэтилен, облучались 3—5 мин. Наведенная гамма-активность образцов измерялась после 5—7 мин выдержки дважды в течение 3—5 мин и 10—15 мин последовательно. Измерение наведенной гамма-активности проводилось с помощью Ое(Ы) — детекторов с разрешением 2,5—3 кэВ для гамма-линии 1332 кэВ 60Со, а также ИРОе — детектора с разрешением 1,9 кэВ для гамма-линии 1332 кэВ 60Со. В качестве образцов сравнения применялись стандартные образцы состава 1АЕА-336, 338, БЯМ 1572, БЯМ 1575, ЭК-1, ЛБ-1, ТР-1 [13].
Для обработки гамма-спектров и расчета концентраций элементов использовался пакет программ, разработанный в Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка. Концентрации большинства элементов определялись относительным методом (методом сравнения с эталоном). Ошибка при определении изотопов Иа, К, С/, Аз, Бг, Те, РЬ находилась в пределах 5—10 %; V, №, Си, Бе, Мо, Сй, БЬ — до 30 %.
Лаборатории, в которых проводился анализ образцов, аккредитованы Федеральным Агентством по техническому регулированию и метрологии, вся перечисленная аппаратура прошла процедуру ежегодной поверки технического состояния.
Результаты и обсуждение
Атмосферные аэрозоли. Анализ состояния воздуха опытных зон выявил высокое содержание Ее в большей части точек пробоотбора. Максимальным содержанием элемента отличался воздух санитар-но-защитных зон ПАО Тулачермет и Оружейного завода (табл. 1): 25—45 мкг/м3 и 60—77 мкг/м3 соответственно, что превышает ПДК среднесуточных концентраций по Те в составе оксидов и сульфатов (40 мкг/м3). Полученные данные по содержанию Те в атмосферных аэрозолях для
Рис. 1. Карта точек пробоотбора воздуха. Состояние фильтра после пробоотбора вблизи
70 % образцов в 1,4—32 раза выше приведенных в литературе максимальных значений для атмосферы городов (2,4 мкг/м3) [14]. Анализ данных по содержанию этого элемента в разных точках города (табл. 1)
свидетельствует об экранирующей роли зеленых насаждений при переносе Fe воздушными массами.
Содержание Мп в атмосферных аэрозолях не превышало ПДК. Однако сравне-
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в атмосферных аэрозолях г. Тула, мкг/м3
№ п/п Точка пробоотбора / эл-т Ее Мп Си 2п N1 РЬ са
1 ул. Максима Горького, 17 7,1 0,12 2,8 0,2 0,10 0,11 0,048
2 Оружейный завод-Машзавод 77,1 1,65 9,3 2,1 <0,01 <0,02 <0,01
(автомагистраль)
3 ул. Мосина 8,3 0,32 2,1 1,0 0,20 0,21 0,031
4 Оружейный завод (проходные) 60,5 1,35 10,4 1,8 <0,01 0,15 <0,01
5 Щегловская засека, 35 10,6 0,22 1,7 12 <0,01 <0,02 <0,01
6 Тулачермет (верхние проходные) 44,7 0,99 0,43 0,7 <0,01 <0,02 <0,01
7 Тулачермет (нижние проходные) 25,8 0,42 0,22 1,0 <0,01 <0,02 <0,01
8 Красноармейский пр-т, 1 10,3 0,38 5,6 0,7 <0,01 <0,02 <0,01
9 Красноармейский пр-т, 17 5,3 0,19 3,3 0,3 0,01 <0,02 0,03
10 пр. Ленина, 51 2,2 <0,1 5,6 0,3 <0,01 <0,02 <0,01
11 Могилевский сквер 3,1 0,11 <0,1 0,9 <0,01 0,38 <0,01
12 КМЗ (сквер) <0,5 0,88 22,6 0,4 <0,01 0,12 <0,01
13 КМЗ (проходные, заводоуправление) 10,8 1,19 <0,1 0,4 <0,01 0,34 <0,01
14 Площадь победы 2,2 0,22 9,4 1,8 <0,01 0,09 <0,01
15 ЦПКиО, центральная клумба 3,4 0,19 <0,1 1,2 <0,01 0,31 <0,01
16 ЦПКиО, фонтан 2,6 0,23 7,9 0,7 <0,01 0,07 <0,01
17 ЦПКиО, зеленые насаждения 0,7 0,09 5,3 0,8 <0,01 <0,02 <0,01
ПДК макс раз. (ГН 2.1.6.1338—03) — 3 — — 1 —
ПДК ср. сут. (ГН 2.1.6.1338—03) — 2,00 1 8,0 1,00 0,3 0,3
9
О ш
10
ние полученных данных и приведенных в литературе средних значений концентрации элемента в воздухе промышленных городов (0,1 мкг/м3) показало превышение литературных значений в 76 % отобранных образцов в 2—16 раз. Три точки пробоотбора: Оружейный завод, ПАО Тулачермет и ПАО КМЗ соответствуют приведенным значениям для источников выбросов элемента (0,6 мкг/м3).
Содержание Си было выше ПДК в
9 точках пробоотбора (53 % выборки). При этом оно колебалось в пределах 3,3— 22,6 мкг/м3 (табл. 1). Полученные значения превышают среднесуточную ПДК в 2—22 раза; максимальную разовую — до
10 раз; в 10—110 раз — средние значения для атмосферного воздуха пригородных зон [9, 15].
Известно, что источником загрязнения Си окружающей среды являются горнорудные и геологические производства, предприятия цветной металлургии, ме-таллопереработка, нефтехимические и химические производства, доменные и мартеновские шлаки, пыли сталеплавильных печей, промышленные отходы и транспорт. При этом ореол рассеяния элемента охватывает 10—15 км. Картина загрязнения воздуха и почв от основных предприятий, вносящих вклад в загрязнение окружающей среды города, соответствует приведенным значениям рассеяния. О переносе Си воздушными массами от источников выбросов свидетельствует также ее низкое содержание в воздухе на расстоянии 20—300 м от основных металлургических производств и высокая концентрация элемента в почвах на расстоянии 5—15 км от предприятий с учетом северозападного направления ветров (рис. 4). В целом, наибольший вклад в загрязнение Си воздушной среды г. Тулы вносят металлургическая, оборонная промышленность и транспорт.
Высокое содержание Хп (12 мкг/м3) выявлено в аэрозолях Щегловской засеки (табл. 1), что может быть обусловлено влиянием выбросов КБП и комплекса предприятий ПАО Тулачермет и ЕВРАЗ Ванадий. Содержание РЬ превышало среднесуточную норму в трех точках пробоот-бора: Косогорский металлургический завод (КМЗ), Могилевский сквер (эмиссия от КМЗ) и в центральной части парка культуры и отдыха им. П. П. Белоусова,
что может быть обусловлено отсутствием деревьев 1—2 яруса на данном участке и направлением распределения воздушных масс вдоль основных аллей парка, которые усиливают эмиссию от автодорог и предприятий.
Почва. В таблице 2 приведены данные о содержании тяжелых металлов и металлоидов в суглинистых урбаноземах (на основе серых лесных почв) г. Тулы. Следует отметить, что концентрация практически всех нормируемых элементов превышает значения ПДК [17—19], причем это относится как к максимальным значениям, так и к средним арифметическим.
Результаты проведенных исследований показали, что содержание токсиканта второго класса опасности — Си в почве превышает ПДК в 25 % образцов. Медь является основным загрязняющим компонентом при производстве цветных металлов и вторичной переработке руд, а также сопутствующим элементом машиностроительного производства и химической промышленности. Согласно рисунку 2 основные аномалии меди в почве г. Тулы приурочены к предприятиям оборонной, металлоперерабатывающей и металлургической промышленности и охватывают часть Зареченского, Пролетарского, Центрального и Привокзального районов города. В центре южной аномалии Си расположено предприятие химической промышленности (РТИ).
Максимальное превышение ПДК по Си (в 4—7 раз) отмечено в 4-х образцах (6 % выборки). Загрязнение элементом почв западной части Привокзального района города вызвано эмиссией элемента воздушными массами при северо-западном направлении ветров от предприятий металлургической промышленности и завода резинотехнических изделий.
Загрязняющим почвы города Тулы элементом является Хп. Элемент относится к веществам первого класса опасности, время его удаления из почв охватывает период от 140 до 510 лет. Источником Zn являются предприятия черной и цветной металлургии, химическое производство, машиностроение и м еталлообработка, металлургические шлаки, хвосты обогащения, компост бытового мусора и осадки сточных вод. Ореол рассеяния элемента может простираться до 45 км от источника выбросов [4, 20]. На рисунке 3 показаны
наиболее загрязненные зоны, которые соответствуют расположению Комбайнового завода, АО «НПО «Сплав» и Тульского оружейного заводов, ПАО КМЗ и Евраз металл Инпром. Не исключен перенос элемента в прилегающие к городу районы области. Содержание 2п превысило ПДК в 31 образце (45 % выборки). Наиболее высоким содержанием 2п отличались почвы Зареченского, Пролетарского районов и Косой горы.
В предыдущих исследованиях нами было отмечено высокое содержание Бе в почвах санитарно-защитных зон (СЗЗ) металлургических предприятий города Тулы, которое достигало значений 14 500— 36 500 мг/кг [6, 16]. По сравнению с фоновыми значениями, полученными для серых лесных почв Ясной Поляны и Белевс-кого районов, концентрация Те в большинстве районов города выше на 50—80 % (по сравнению с Ясной Поляной) и в 2—4 раза (по сравнению с серыми л есны-
ми почвами Белевского района). За последние 10 лет (данные 2019 г.) содержание Те в почвенных образцах СЗЗ металлургических производств значительно возросло и составило от 20 765 мг/кг в районе воздействия ПАО КМЗ до 95 207 мг/кг в СЗЗ ПАО Тулачермет, что значительно превышает значения 2009 года. Данный факт может быть обусловлен несколькими причинами: интенсификация производства, износ фильтров, аккумулятивный эффект элемента в почвах во времени.
Содержание Мп в почвах города Тулы не превышало ПДК за исключением территории СЗЗ КМЗ и Косой горы, где оно колебалось в пределах 1957—7757 мг/кг и превышало ПДК более чем в 5 раз. Такая аномалия в распределении элемента связана с деятельностью металлургического предприятия КМЗ, производящего ферромарганец.
А является одним из основных загрязнителей городских почв. Содержание Аа в
СП X
о
О -i
Таблица 2
Статистические параметры содержания элементов в почвах г. Тула, мг/кг.
N = 68
Значение
Элемент M Min Q1 Q2 Q3 Max Фон (серые лесные Ясной Поляны) 2013 ПДК
Al (%) 6,80 1,27 5,57 7,53 8,18 8,94 5,15 —
P (%) 0,18 0,072 0,11 0,16 0,20 0,87 0,14 —
K (%) 1,34 0,11 0,63 1,52 2,01 2,4 2,19 —
Ca (%) 5,09 0,62 1,91 4,72 7,02 17,4 0,62 —
Sc 8,9 4 6,8 9,1 11,1 14,6 11,8 —
Ti (%) 0,42 0,18 0,34 0,42 0,5 0,6 0,5 —
V 68 41 61 68 76 99 64 —
Cr 90 55 72 80 90 394 68 —
Mn (%) 0,17 0,04 0,07 0,08 0,15 0,77 0,11 0,15
Fe (%) 2,7 1,2 2,0 2,6 3,1 9,2 1,8 —
Co 9,1 2,7 6,9 9,2 11,1 14,5 9,9 5
Ni 31 21 26 30 34 45 29 40-85
Cu 78 17 38 54 85 445 19 55
Zn 138 44 97 127 165 383 57 110
As 7,4 2,4 5,1 6,8 8,4 32,9 3,7 2-5
Rb 53 22 42 53 63 86 82 —
Sr 127 67 106 124 143 270 105 —
Zr 304 141 239 302 375 475 495 —
Mo 1,6 1 1,4 1,4 1,7 2,4 1,5 —
Ba 415 228 339 394 441 1038 469 —
Pb 41 3,7 23 38 55 117 14 32-65
Th 5,1 2 3,1 4,7 7,0 11,1 8,4 —
и
IK S
О S Lû
Город Тула Почвенно-геохимические аномалии Cu
Тульский оружейный завод
1 Тульский патронный завод ■
Косогорский металлургический завод И Ванадий
Туламашзавод ^ Тулачермет
те Комбайновый завод Зареченский район
Щ Евраз металл Инпром
Штамп и-' КБП ^ РТИ
hf!:./ - ■ _rr
Условные обозначения Уровни содержания Cu в почве (ПДК = 66)
|< 35 Щ. 35-66 1 166-120 :_I > 120
Рис. 2. Распределение Cu в городских почвах
12
почвах города превысило верхнюю границу ПДК в 28 точках пробоотбора (41 % почв). В целом, содержание As выше ПДК на 36—62 % в 21 точке пробоотбора и превышает ПДК более ч ем в 2 раза в 7 точках пробоотбора.
Основным источником загрязнения элементом почв по литературным данным являются тепловые электростанции, цветная металлургия, электронная, цементная и резинотехническая промышленность,
полиграфия и бытовой мусор [21]. Основные аномалии As в почве г. Тулы приурочены к расположению комплекса предприятий ПАО Тулачермет и Евраз Ванадий, Тульского оружейного завода, Тула-машзавода, Комбайнового завода и РТИ (рис. 4). Загрязнение почв As максимально на улицах Зареченского, Пролетарского и Привокзального районов города Тулы: М. Горького, Галкина, Дмитрия Ульянова, Докучаева, Смидович.
Содержание А^ в почвах города достигает значений в 4—5 раз превышающих кларк-элемента для почв, медиана — выше кларк-элемента для почв по Боуэну.
РЬ относится к элементам первого класса опасности. Генеральное среднее значение валового содержания элемента в почвах составляет 38 мг/кг. Источником элемента является черная металлургия,
вторичная переработка цветных металлов и их сплавов, производство аккумуляторов, машиностроение. Ореол рассеяния элемента может составлять 3—10 км. При проведении изучения содержания РЬ в почвах Тулы в девяти точках пробоотбора отмечено превышение ПДК по РЬ в почвах. Наиболее загрязненными районами являются Косая гора, Заречье (ул. М. Горь-
сп х
О
О -1
Город Тула Почвенно-геохимические аномалии гп
1 и
А
го
щ
Тульский оружейный завод Тульский патронный завод Косогорский металлургический Ванадий Туламашзавод Тулачермет
Комбайновый завод Евраз металл Инпром Штамп КБП РТИ
Условные обозначения Уровни содержания гп в почве (ПДК = 110)
< 60
\-60—110
I 1 110—150 [—1 > 120
13
О ш
кого, Курковая, Литейная), Пролетарский район (Щегловская засека, Ложевая). Концентрация свинца в этих зонах превысила ПДК на 10—50 %.
Известно, что при попадании в организм человека (по данным ВОЗ) свинец способен вызвать нарушение процессов кроветворения; повреждение печени и почек; нейрологические эффекты, генети-
ческие изменения в клетках организма, т. е. обладает мутагенным эффектом. Распределение точек загрязнения элементом свидетельствует о максимальном вкладе в его эмиссию металлургических предприятий и металлоперерабатывающей промышленности, КБП, оружейного завода и меньшем вкладе автотранспортной эмиссии (рис. 5).
Город Тула Почвенно-геохимические аномалии Ая
Тульский оружейный завод Тульский патронный завод Косогорский металлургический завод Ванадий
^ Тулачермет
Комбайновый завод Зареченский район
Евраз металл Инпром
Штамп
КБП
РТИ
Щ» „
/Нг
Условные обозначения Уровни содержания Аз в почве (ПДК = 5)
< 4,5 Ш 4,5—5 Н 5—8,1 Н > 8,1
14
Р>
Для более объективной оценки уровня загрязнения почвы были использованы такие показатели, как коэффициент концентрации Кс (формула 1) и суммарный показатель загрязнения 2С (формула 2) [20, 22].
Коэффициент концентрации химического вещества КС который определяется отношением фактического содержания определяемого вещества в почве (С) в
мг/кг почвы к региональному фоновому
(Сф/):
Кс = С;/ Сф;.
(1)
Суммарный показатель загрязнения равен сумме коэффициентов концентраций химических элементов — загрязнителей и выражен формулой
^ = 8иМ(Кс; + ... + КсМ) - N - 1), (2)
СП
о
О -1
Город Тула Почвенно-геохимические аномалии Pb
Тульский оружейный завод j Тульский патронный завод ^ Косогорский металлургический завод Л Ванадий
Туламашзавод Тулачермет
та Комбайновый завод ¡4 Евраз металл Инпром Ш Штамп *-«■ КБП it РТИ
Условные обозначения Уровни содержания Pb в почве (ПДК = 65)
< 25 _ 25—65 Ш 65—85 Ш > 85
j>>
15
О ш
28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 б 4 2 0
Кс, отн. ед.
Распределение Кс элементов в почве г. Тула
кс м ■ Кс МАХ
■
1
_ 1 1 1 | 1
........ ■ 1 ■■ ■■ |1 ■! ■ 1 1 1 1 1 1
И К & М & Ва Со
"Л Мо № V Эг Элемент
Р А1 Сг Бе Мп Ав Хв РЬ Си Са
Рис. 6. Распределение коэффициентов концентрации элементов в почве г. Тулы. Кс М — коэффициент концентрации для среднего значения; Кс МАХ — коэффициент концентрации для
максимального значения
где N — число определяемых суммируемых вещества; КС1 — коэффициент концентрации 1-го компонента загрязнения.
На рисунке 6 приведено распределение коэффициентов концентрации элементов в почве г. Тула для средних и максимальных значений концентрации. Гистограммы показывают, что наибольшие значения Кс при расчете как среднего, так и максимального значения имеют Сг, Мп, Аз, 2п, РЬ, Си и Са. Обращает на себя внимание значение Кс МАХ для Си и Мп (однако для Мп это единственная точка, где значение ПДК было существенно превышено).
Оценка степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по показателю 2С проводилась по оценочной шкале, приведенной в таблице 3. Согласно полученным данным полиэлементным загрязнением характеризовались почвы 22 точек пробоотбора, что составляет 32 % городских почв.
При расчете градации почв по суммарному показателю 2С выявлены умеренно опасные и опасные участки, которые показаны на рисунке 7.
На умеренноопасных (31 %) и опасных участках (6 %), охватывающих 37 % территории города, можно прогнозировать
Таблица 3
Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения [17, 18]
16
Категории загрязнения почв Величина 2С Изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения
Допустимая Менее 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений
Умеренно опасная 16—32 Увеличение общей заболеваемости
Опасная 32—128 Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы
Чрезвычайно опасная Более 128 Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикозов беременности, числа преждевременных родов, мертворождаемости, гипотрофий новорожденных)
Тульский оружейный завод 1 Тульский патронный завод Ot Косогорский металлургический завод И Ванадий
Туламашзавод Тулачермет ^ Комбайновый завод Н Евраз металл Инпром Штамп КБП te РТИ
■j/.i Город Тула
Почвенно-геохимические аномалии по суммарному показателю Zc
Условные обозначения Суммарный уровень загрязнения почв Zc
< 16 Слабый 16—32 Средний > 32 Сильный
СП
о
О -1
Рис. 7. Распределение значения суммарного коэффициента загрязнения 2С в почвах г. Тулы
увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы (табл. 3), что соответствует полученным ранее данным по заболеваемости взрослого и детского населения города болезнями органов кровообращения, костно-мышечной системы, органов дыхания и развитием анемии у взрослых [21].
Выводы
1. Анализ состояния атмосферного воздуха показал, что в воздухе большинства исследованных зон повышено содержание Те (73 % точек пробоотбора) и Си (53 % точек пробоотбора).
2. При исследовании почв модельной урбанизированной экосистемы (города Тулы) выявлено превышение ПДК по ряду элементов: Мп, Си, 2п, Аз, РЬ. Геохи-
17
IK
О X LO
мические аномалии, вызванные полиметаллическим загрязнением почв, определены для 32 % территории, при этом концентрация по двум элементам превышена в 10 точках пробоотбора, по трем — в 7, по четырем — в 5 точках. Наиболее неблагополучными по загрязнению тяжелыми металлами и металлоидами 1—2 классов опасности являются почвы Косой горы, части Зареченского, Центрального, Пролетарского и Привокзального районов.
3. Градация почв по суммарному показателю 2С позволяет отнести 20 участков урбанизированной экосистемы к почвам умеренно опасной категории (31 %); 4 — к опасным (6 %).
4. Выявленное загрязнение атмосферного воздуха и почв тяжелыми металлами позволяет прогнозировать увеличение общей заболеваемости взрослого и детского
населения города сердечно-сосудистыми заболеваниями и болезнями органов дыхания и кроветворения. В связи с этим необходимо предпринять меры по эко-технологической модернизации производств, организации «зеленых поясов» вокруг основных предприятий-загрязни-тел ей и биоремедиации нарушенных территорий.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов 13-05-97508; 19-29-05257 «Техногенное загрязнение почв токсичными элементами и возможные методы его устранения».
The reported study was funded by RFBR according to the research projects № 13-0597508; 19-29-05257 "Technogenic soil pollution with toxic elements and possible methods for its elimination".
Библиографический список
18
1. Доклад об экологической ситуации в Тульской области за 2018 год. Министерство природных ресурсов и экологии Тульской области. — Тула. — 2018. — 127 с., https://www.tularegion.ru/tula/ ekologiya/ecolog.pdf
2. Информационный бюллетень «Качество питьевой воды и ее влияние на здоровье населения Тульской области» (по итогам 2007 г.). — Управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Тульской области. — 2008. — 21 с.
3. Горбунов А. В., Ляпунов С. М., Окина О. И., Серегина И. Ф. Роль питьевой воды в обеспечении организма человека микроэлементами // Экология человека. — 2012. — № 2. — С. 3—8.
4. Соколов Э. М., Самарцев И. Т., Еганов В. М., Коряков А. Е., Туляков С. П. Экологическая обстановка и здоровье населения Тульской области, учебное пособие. — Тула: ТулГУ. — 2000. — 329 с.
5. Горелова С. В., Козлов С. А., Толкунова Е. Ю., Ляпунов С. М., Горбунов А. В., Окина О. И., Фронтасьева М. В. Изучение состояния атмосферного воздуха в промышленных районах города Тулы // Биология — наука XXI века: 19-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых, сборник тезисов. — Пущино. — 2015. — 418 с.
6. Gorelova S. V., Frontasyeva M. V., Yurukova L., Coskun M., Pantelica A., Saitanis C. J., Tomasevic M., Anicic M. Revitalization of urban ecosystems through vascular plants: preliminary results from the BSEC-PDF project // Agrochimica. — 2011. — 55 (2). — С. 65—84.
7. ГОСТ Р 53123—2008 Качество почвы. Отбор проб // Электронный ресурс. — URL: http:// docs.cntd.ru/document/, дата доступа: 08.06.2020.
8. ГОСТ 28168—89. Почвы. Отбор проб // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/ document/, дата доступа: 08.06.2020.
9. РД 52.04.186—89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, дата доступа: 08.06.2020.
10. Беклемишев М. К., Иванов В. М., Мугинова С. В., Осипова Е. А., Проскурнин М. А., Шаповалова Е. Н. Объекты окружающей среды и их аналитический контроль. Методы анализа объектов окружающей среды: учебное пособие / Под ред. Шеховцовой Т. Н. — Краснодар: «Арт-Офис». — 2007. — 380 с.
11. Сборник методик по определению тяжелых металлов в почвах, тепличных грунтах и продукции растениеводства. — Москва: Изд. Минсельхозпрод РФ. — 1998. — С. 27—82.
12. Методы определения токсичных элементов // Государственные стандарты. Сырье и продукты пищевые. ИПК изд. стандартов. — 2002. — С. 50—70.
13. НСАМ 510-ЯФ Определение микроэлементов в горных породах, рудах, почвах, донных отложениях, золах растений и в твердых биологических материалах растительного и животного происхождения нейтронно-активационным методом. — М. — 2011. — 38 с.
14. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: справочник / под ред. Э. К. Буренкова. — М.: Экология. — 1995. — Кн. 4. — 416 с.
15. ГН 2.1.6.1338—03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, и дата доступа: 08.06.2020. О
16. Горелова С. В., Гарифзянов А. Р., Ляпунов С. М., Горбунов А. В., Окина О. И., Фронтасьева М. В. о Оценка возможности использования древесных растений для биоиндикации и биомониторинга ^ выбросов предприятий металлургической промышленности // Проблемы биогеохимии и геохими- ^ ческой экологии. — № 1 (12). — 2010. — С. 155—163.
17. ГН 2.1.7.2041—06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, дата доступа: 08.06.2020.
18. ГН 2.1.7.020—94. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах (дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК № 6229-91) // Электронный ресурс. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, дата доступа: 08.06.2020.
19. Предельнодопустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: гигиенические нормативы. — М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. — 2006. — 15 с.
20. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soil and plants, 3rd edition. — CRC Press. — 2001. — 432 с.
21. Тульская область. Медико-экологический атлас / Под ред. Шишкиной Л. И. — Тула: Тульский полиграфист. — 2000. — 156 с.
22. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра. — 1990. — 335 с.
ASSESSMENT OF AN INDUSTRIAL AGGLOMERATION IMPACT ON SOIL AND AIR POLLUTION WITH TOXIC ELEMENTS (ON THE EXAMPLE OF THE TULA CITY)
S. V. Gorelova, PhD (Biology), assoc. professor, Natural Science Institute, Tula State University, salix35@gmail.com, Tula, Russia,
A. V. Gorbunov, PhD (Geol.-Mineral. Sciences), senior scientist, Geological Institute of the Russian Academy of Sciences (GIN RAS), anatolygor@yandex.ru, Moscow, Russia, S. M. Lyapunov, PhD (Geol.-Mineral. Sciences), Head of Laboratory of Chemical Analysis of the Geological Institute of the Russian Academy of Sciences (GIN RAS), analytic@ginras.ru, Moscow, Russia,
O. I. Okina, PhD (Engineering), senior scientist, Geological Institute of the Russian Academy of Sciences (GIN RAS), analytic@ginras.ru, Moscow, Russia,
M. V. Frontasyeva, PhD (Physics and Math. Sciences), advisor of the director of Applied Research and Innovation, Frank Laboratory of Neutron Physics (LNP), Joint Institute for Nuclear Research (JINR), marina@nf.jinr.ru, Dubna, Russia,
S. A. Kozlov, head of the structural department, Center for children and youth tourism and patriotic education, kozlov-sergei-71@rambler.ru, Tula, Russia
References
2.
4.
Doklad ob e'kologicheskoj situacii v Tul'skoj oblasti za 2018 god. Ministerstvo prirodnyx resursov i e'kologii Tul'skoj oblasti [Report on the environmental situation in the Tula region for 2018. Ministry of natural resources and ecology of the Tula region]. Tula. 2018. 127 p., https://www.tularegion.ru/tula/ ekologiya/ecolog.pdf [in Russian].
Informacionnyj byulleten' "Kachestvo pit'evoj vody' i ee vliyanie na zdorove naseleniya Tul'skoj oblasti" (po itogam 2007g.). Upravlenie Federal'noj sluzhby'po nadzoru v sfere zashhity'pravpotrebitelej i blagopoluchiya cheloveka po Tul'skoj oblasti [Information Bulletin "quality of drinking water and its impact on the health of the population of the Tula region" (based on the results of 2007). — Department of the Federal service for supervision of consumer protection and human welfare in the Tula region. 2008. 21 p. [in Russian]. Gorbunov A. V., Lyapunov S. M., Okina O. I., Seregina I. F. Rol'pit'evoj vody' v obespechenii organizma cheloveka mikroe'lementami [Role of the drinking water in providing human organism with microelements] // E'kologiya cheloveka [Human ecology]. 2012. No. 2. P. 3—8 [in Russian]. Sokolov E\ M., Samarcev I. T., Eganov V. M., Koryakov A. E., Tulyakov S. P. E'kologicheskaya ob-stanovka izdorove naseleniya Tul'skoj oblasti, uchebnoeposobie [Ecological situation and health of the population of the Tula region, textbook]. Tula: TulGU. 2000. 329 p. [in Russian].
Gorelova S. V., Kozlov S. A., Tolkunova E. Yu., Lyapunov S. M., Gorbunov A. V., Okina O. I., Fron-tas'eva M. V. Izuchenie sostoyaniya atmosfernogo vozduxa v promy'shlenny'x rajonax goroda Tuly' [Atmospheric air research in industrial districts in Tula] // Biologiya — nauka XXI veka: 19-ya Mezhdunarod-naya Pushhinskaya shkola konferenciya molody'x ucheny'x, sbornik tezisov [Biology-science of the
19
IK
LD
XXI century: 19th international Pushchino school conference of young scientists, book of abstracts]. Pushhino. 2015. 418 p. [in Russian]. 6. Gorelova S. V., Frontasyeva M. V., Yurukova L., Coskun M., Pantelica A., Saitanis C. J., Tomasevic M., Anicic M. Revitalization of urban ecosystems through vascular plants: preliminary results from the BSEC-PDF
■i project // Agrochimica. 2011. 55 (2): P. 65—84 [in Russian].
7. GOST R 53123—2008 Kachestvo pochvy". Otbor prob[Quality of soil. Sampling.] [in Russian] // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
8. GOST 28168—89. Pochvy\ Otbor prob [Soil.Sampling] // Electronic resource. — URL: http:// docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
9. RD 52.04.186—89. Rukovodstvo po kontrolyu zagryazneniya atmosfery" [Guidelines for monitoring atmospheric pollution.] // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
10. Beklemishev M. K., Ivanov V. M., Muginova S. V., Osipova E. A., Proskurnin M. A., Shapovalova E. N. Ob'ekty' okruzhayushhej sredy' i ix analiticheskij kontrol'. Metody' analiza ob'ektov okruzhayushhej sredy':, uchebnoe posobie [The objects of the environment and their analytical control. Methods for analyzing environmental objects, textbook] / Pod red. Shexovczovoj T. N. Krasnodar: "Art-Ofis". 2007. 80 p. [in Russian].
11. Sbornik metodikpo opredeleniyu tyazhely x metallov v pochvax, teplichny x gruntax i produkcii rastenievodstva [Collection of methods for determining heavy metals in soils, greenhouse soils and crop production]. Moskva: Izd. Minsel"xozprod RF. 1998. P. 27—82 [in Russian].
12. Metody' opredeleniya toksichnyx e'lementov // Gosudarstvennye standarty'. Syre i produkty' pishhevye. IPK izd. standartov [State standard. Raw materials and food products]. 2002. P. 50—70 [in Russian].
13. NSAM 510-YaF Opredelenie mikroe'lementov v gornyxporodax, rudax, pochvax, donnyx otlozheniyax, zolax rastenij, i v tverdyx biologicheskix materialax rastitelnogo i zhivotnogoproisxozhdeniya nejtronno-aktivacion-nym metodom [Determination of trace elements in rocks, ores, soils, bottom sediments, plant ash, and solid biological materials of plant and animal origin by neutron activation method]. M. 2011. 38 p. [in Russian].
14. Ivanov V. V. Ekologicheskaya geoximiya e'lementov: spravochnik [Ecological Geochemistry of elements: reference] / Pod red. E".K. Burenkova. M.: E"kologiya. 1995. Kn. 4. 416 p. [in Russian].
15. GN 2.1.6.1338—03. Predel"no dopustimy"e koncentracii (PDK) zagryaznyayushhix veshhestv v atmos-fernom vozduxe naselenny"x mest [Maximum permissible concentrations (MPC) of pollutants in the atmospheric air of populated areas] // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
16. Gorelova S. V., Garifzyanov A. R., Lyapunov S. M., Gorbunov A. V., Okina O. I., Frontaseva M. V. Otsenka vozmozhnosti ispolzovaniya drevesnykh rasteniy dlya bioindikatsii i biomonitoringa vybrosov pred-priyatiy metallurgicheskoy promyshlennosti [Evaluation of the possibility of using tree plants for bioidentification and biomonitoring of industrial pollutions of metallurgic industry] // Problemy biogeokhimii i ge-okhimicheskoy ekologii. 2010. No. 1 (12). P. 155—163 [in Russian].
17. GN 2.1.7.2041—06. Predel"no dopustimy"e koncentracii (PDK) ximicheskix veshhestv v pochve. [Maximum permissible concentrations (MPC) of chemicals in the soil] // Electronic resource. — URL: http:// docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
18. GN 2.1.7.020—94. Orientirovochno dopustimy"e koncentracii (ODK) tyazhely"x metallov i my"sh"yaka v pochvax. (dopolnenie № 1 k perechnyu PDK i ODK № 6229-91) [Approximate permissible concentrations (UEC) of heavy metals and arsenic in soils. (Supplement #1 to the list of MPC and UEC # 6229-91) // Electronic resource. — URL: http://docs.cntd.ru/document/, access data: 08.06.2020 [in Russian].
19. Predelno-dopustimye koncentracii (PDK) ximicheskix veshhestv v pochve: gigienicheskie normativy" [Maximum permissible concentrations (MPC) of chemical substances in the soil: Hygienic standards] M.: Federally"' centr gigieny" i e"pidemiologii Rospotrebnadzora. 2006. 15 p. [in Russian]
20. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soil and plants, 3rd edition. CRC Press. 2001. 432 p.
21. Tulskaya oblast'. Mediko-ekologicheskij atlas [Ecological atlas of Tula region] / Pod red. Shishkinoj L. I. Tula: Tul"skij poligrafist. 2000. 156 p. [in Russian].
22. Saet Yu. E., Revich B. A., Yanin E. P. Geoximiya okruzhayushhej sredy'. M.: Nedra [Geochemistry of the environment]. M.: Nedra. 1990. 335 p. [in Russian].
20
