Состояние почв и оценка окружающей среды вокруг полигона твердых бытовых отходов Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 677,12:46.58

И. Н. БУЗИНА, В. К. ПУЗИК СОСТОЯНИЕ ПОЧВ И ОЦЕНКА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВОКРУГ ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

(Поступила в редакцию 22.05.14)

В статье приведены результаты почвенно- The article presents results of soil-biological research into

биологического исследования уровня концентрации тяже- the level of concentration of heavy metals in soil surface of the

лых металлов в почвенном покрове территории вокруг по- territory around the municipal solid waste landfill. We have

лигона ТБО. Показана статистическая обработка данных shown statistical processing of data and factors, which in the

и выявлены факторы, которые наиболее влияют на распро- greatest way influence the distribution of contaminating ele-

странение загрязняющих элементов в данных условиях. ments in the given conditions. We have made ecological estima-

Дана экологическая оценка загрязнения окружающей среды tion of the contamination of the environment by heavy metals.

тяжелыми металлами. Рассмотрена и теоретически We have examined and theoretically based the importance of the

обоснована целесообразность использования методов фи- use of methods of phyto-indication for the remediation of con-

тоиндикации для ремедиации загрязненных территорий. taminated territories.

Введение

Актуальным вопросом современности является рациональное и экологобезопасное использование земель в условиях техногенной нагрузки на естественные агроландшафты, в частности уменьшение нарастающего загрязнения тяжелыми металлами. Решение данного вопроса в значительной мере зависит от изучения закономерностей распространения полютантов в ландшафтах. Характер деятельности человечества отражается в изменении структуры и свойств почвенного покрова, в динамике плодородия и агро-экологического состояния почв. Изучение особенностей этих изменений, их формализация и разработка мероприятий предотвращения негативных последствий ведения хозяйства и улучшения состояния агро-ландшафтов очень необходимы при выборе эффективных путей его рационального использования. Цель исследования - изучить характер поведения тяжелых металлов в почвах исследуемого полигона и факторы их накопления.

Анализ источников

Одной из важнейших проблем экологии и охраны окружающей естественной среды стало своевременное обезвреживание и утилизация промышленных и бытовых отходов. На сегодня в Украине территория полигона ТБО составляет больше 150 тыс. гектаров, где с каждым годом накапливается до 1 млрд. тонн отходов, их ежегодный прирост составляет около 2 % [1]. Свалки и отходы производства являются основными загрязнителями окружающей среды и источниками распространения тяжелых металлов в системе «почва - растение». Еще одним источником распространения опасных веществ в экосистему являются автодороги. Земли, расположенные вдоль автодорог, в значительной мере загрязнены свинцом, а с продуктами сгорания дизельного топлива, смазочными материалами в окружающую среду поступает кадмий и цинк [2]. Наиболее загрязнены почвы на расстоянии 7-10 м от автодороги, а в зоне 30-80 м отмечается снижение урожайности и резкое ухудшение качества сельскохозяйственной продукции.

В последнее время в мировой практике охраны окружающей естественной среды активно развиваются экономически эффективные и экологически безопасные технологии очистки почв, которые базируются на естественной физиологичной способности растений снижать содержание ксенобиотиков в почве путем их аккумуляции и разрушения. На современном этапе исследованы свойства некоторых культурных и дикорастущих видов растений и ведется поиск других видов растений, способных накапливать или разлагать тяжелые металлы. В работах отечественных и зарубежных ученых уже показаны перспективы применения фиторемедиационных технологий для возобновления почв, загрязненных металлами, радионуклидами и ядовитыми органическими соединениями [3].

Поэтому и в дальнейшем есть необходимость поиска стойких к фитотоксическому действию почвы растений и исследования их фиторемедиационной возможности в конкретных условиях среды. Следовательно, для прекращения поступления полютантов в трофические цепи сельскохозяйственную продукцию и пищевые продукты необходимо разработать мероприятия ремедиации с использованием толерантных к токсичному влиянию видов растений, что определяет актуальность проведенных исследований.

Методы исследования

Для исследований были выбраны земли учебно-опытного хозяйства ХНАУ им. В.В. Докучаева сельскохозяйственного назначения вокруг частного предприятия «Перерабатывающий завод», где были отобраны образцы почвы из верхнего плодородного слоя и определено содержание подвижных форм тяжелых металлов по методу атомно-абсорбционной спектрометрии.

Отбор образцов почвы осуществляли после сбора урожая по трем преобладающим направлениям розы ветров в четырех радиусах вокруг объекта загрязнения: 100 м, 1 км, 2 км, 3 км методом конверта. Этот

метод самый распространенный для отбора смешанных образцов. При этом из точек контрольного участка берут 5 образцов таким образом, чтобы образовался рисунок закрытого конверта. Образцы почв отбирались в четырех направлениях от свалки: северо-восточному, юго-западному, северо-западному и юго-восточному, методом конверта (средняя проба содержит не менее пяти точечных проб, которые взяты из одного пробного участка). Глубина взятия проб 0-20 см и 20-40 см [10-14]. Всего было отобрано 40 образцов с двойной повторностью в 2012-2013 гг., вкоторых определяли содержание подвижных форм следующих тяжелых металлов: железо, марганец, цинк, медь, никель, свинец, хром и кадмий.

Во время работы над данным исследованием были использованы основные научные методы: полевой, лабораторный, лабораторно-полевой и биохимический и статистический.

Основная часть

Существенная часть загрязненных земель находится в сельскохозяйственном использовании. Такие участки могут стать источниками загрязнения пищевых продуктов и последующего распространения токсичных веществ в окружающей среде. Растения играют решающую роль в загрязнении трофических цепей через первичное нагромождение к поступлению в организм животного или человека [6].

При высокой степени загрязнения почв проходит не только процесс изменения и перестройки соотношения микроорганизмов, которое очень сильно отличается от незагрязненного, но и изменение некоторых химических и физических свойств почвы.

До тех пор пока тяжелые металлы крепко связаны с составными частями почвы и труднодоступны, их негативное влияние на почву и окружающую среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в грунтовый раствор, появляется прямая угроза загрязнения почв, возникает возможность их проникновения в растения, а также в организмы людей и животных, которые потребляют эти растения [4].

Кроме того, тяжелые металлы могут быть загрязнителями растений и водоемов в результате использования ила стоковых вод. Угроза загрязнения почв и растений зависит: от вида растений, форм химических соединений в почве, наличия элементов, которые противодействуют влиянию тяжелых металлов и веществ, которые образуют с ними комплексные соединения, адсорбции и десорбции, количества доступных форм этих металлов в почве и грунтово-климатических условий.

Следовательно, негативное влияние тяжелых металлов зависит в сущности от их подвижности, т. е. растворимости. Решение проблемы биологической активности почвы предвидит выдачу оперативной информации о степени загрязнения почв, которую можно условно разделить на три категории: низкую, среднюю и высокую. Низкая степень загрязнения характеризуется тем, что содержание тяжелых металлов в почве отличается от незагрязненного и его можно определить химическим методом, но при этом уровне загрязнения почва за счет буферных свойств не изменяет свои физические и химические показатели. При средней степени загрязнения содержание тяжелых металлов влияет только на почвенную биоту. В почве начинаются процессы перераспределения разных групп микроорганизмов и их адаптация к условиям загрязнения. Вместе с тем как и при низком уровне загрязнения, процесс накопления тяжелых металлов не изменяет основные свойства почвы, которые влияют на плодородие. При высокой степени загрязнения почв проходит не только процесс изменения и перестройки соотношения микроорганизмов, которое очень сильно отличается от незагрязненного, но и изменение некоторых химических и физических свойств почвы [5].

Полученные результаты дали возможность сделать выводы, что накопление элементов происходит в зонах снижения рельефа местности за счет стока поверхностных и почвенных вод, опаснейшим из них является свинец, кадмий, хром, никель, концентрации которых превышают ПДК до 5 раз, или находятся на грани превышения (табл. 1)

Таблица 1. Концентрации тяжелых металлов в исследуемых почвах

Элементы Определенная концентрация (среднее значение), мг/кг

1 1 2 | 3 | 4 1 | 2 | 3 | 4 | ГДК

2012 г. 2013 г.

Железо 2,37 2,54 80,23 88,43 25,45 52,92 311,06 439,27 -

Марганец 41,66 15,33 276,92 135,82 96,99 50,53 179,1 248,45 50,00

Цинк 1,8 0,48 8,12 2,81 2,75 12,00 5,93 5,62 23,00

Медь 0,16 0,06 0,15 0,26 0,08 0,15 0,6 0,28 3,00

Никель 1,75 1,49 2,29 2,03 3,72 3,26 3,70 4,51 4,00

Свинец 2,67 3,56 4,30 4,89 2,59 3,11 6,52 7,12 2,00

Хром 1,82 3,32 2,95 4,16 4,67 5,04 5,92 6,23 6,00

Кадмий 0,11 0,14 0,34 0,35 0,26 0,36 0,57 0,73 0,70

В данной таблице приведены усредненные данные по направлениям отбора образцов за 2 года. Также, наивысшие концентрации содержания тяжелых металлов были обнаружены на северо-восточном

склоне, что могло быть предопределено расположением автотрассы на расстоянии 400-500 м от места взятия проб, а также наибольшей крутизной склона в данном направлении. Исследование относительно влияния положения участка на разных элементах рельефа и экспозициях на свойстве почв до настоящего времени имеют ограниченный характер. На современном этапе зависимость разных свойств почвы и в том числе его химического состава, от географических факторов на уровне элементарных ландшафтов удается установить лишь на уровне тенденций, потому что сложный комплекс факторов, и их неоднозначное проявление в конкретных условиях создает очень пеструю картину, в которой можно выделить лишь наиболее общие закономерности. Основными из них могут быть: неоднородность микроклиматических условий на разных участках, т. е. режима увлажнения, температурного, ветрового режимов и т. п., которые в свою очередь определяются экспозицией склона; разногласием в интенсивности и направлении эрозийных процессов; разной интенсивностью биогенной аккумуляции элементов [2].

Статистическая обработка полученных результатов имела целью обнаружить зависимость между содержанием тяжелых металлов и рядом показателей, которые могли влиять на их накопление: расстояние от свалки, расстояние от автотрассы, глубина пробы, крутизна склона и средняя высота точки отбора над уровнем моря. Для статистической обработки полученных результатов использована методика [15], в соответствии с которой выбор типа функции должен основываться на теоретическом анализе исследуемого явления или на опыте предыдущих аналогичных исследований.

В результате исследований было проведено ранжирование факторов (характеристик проб почвы) для показателей содержания в почве железа, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, хрома и кадмия. На первом месте оказалась высота точки отбора проб почвы, на втором - расстояние от полигона ТБО, на третьем - расстояние от дороги, на четвертом - крутизна склона, а на пятом - глубина отбора проб (табл. 2).

Таблица 2. Ранжирование факторов (характеристик образцов почвы)

Результативные показатели Факторы

глубина, см расстояние от свалки, м расстояние от дороги, м крутизна склона высота, м

Содержание железа 5 2 3 4 1

Содержание марганца 4 2 3 5 1

Содержание цынка 2 4 3 1 5

Содержание меди 3 1 4 5 2

Содержание никеля 4 3 2 5 1

Содержание свинца 5 2 3 4 2

Содержание хрома 3 5 4 2 1

Содержание кадмия 4 1 2 3 5

Среднее значение 3,75 2,50 3,00 3,63 2,25

Ранг фактора V II III IV I

Таким образом, распространение тяжелых металлов на исследуемой территории главным образом зависит от высоты рельефа территории: с понижением рельефа происходит смыв и вынос с грунтовыми водами мелкозема, в котором находятся металлосодержащие вещества на сельскохозяйственные поля и прилегающие территории, а именно водные объекты, которые используются местными жителями для купания и рыбной ловли, естественные источники, где постоянно наблюдается забор питьевой воды. На основании полученных данных эмпирически можно сделать следующие выводы о характере поведения тяжелых металлов в почвах исследуемого полигона: их можно разделить на две разных группы. К первой группе можно отнести медь, никель, хром, кадмий. Их содержание в почве слабо изменяется с глубиной и почти не зависит от ландшафтного положения точки. Аккумуляция в гумусовом горизонте выражена слабо. Ко второй группе принадлежат железо, марганец, цинк и свинец. Эти элементы аккумулируются главным образом в гумусовом горизонте, который может быть связан с низким содержанием гумуса почв полигона [2].

В результате такого состояния почв урожайность сельскохозяйственных культур может быть ниже обычной, более чем на 10 %, что свидетельствует о том, что содержание химических элементов достигает токсичной концентрации. При этом микроэлементы и тяжелые металлы проявляют токсичное действие на растения. Однако отождествлять их нельзя, потому что микроэлементы (цинк, медь, кобальт и другие) в небольших дозах нужны растениям, а потребность растений в тяжелых металлах (свинец, кадмий и другие) окончательно не установлена [6]. Оценка состояния территории приведена в табл. 3.

Таблица 3. Оценка загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

Элементы Клас опасности ПДК, мг/кг Максимальная концентрация, мг/кг Превышение ПДК, разы Тип экологической ситуации

Марганец III 50 276,9 5,5 Кризисная

Цинк I 23 12,0 0,5 Удовлетворительная

Никель II 4 3,72 0,93 Удовлетворительная

Свинец I 2 7,12 3,56 Кризисная

Хром II 6 6,23 1,03 Предкризисная

Кадмий I 0,7 0,73 1,04 Предкризисная

Как видно из данных таблицы преобладает предкризисный и кризисный тип экологической ситуации, что отрицательно влияет на исследуемую экосистему, повышая риск употребления полютантов человеком с продуктами питания, выращиваемыми на загрязненной территории. Почвенный покров не только аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает естественным буфером, который существенно снижает токсичное действие тяжелых металлов и регулирует поступление химических элементов в растения и в организм животных и человека. В отличие от атмосферы и гидросферы, где наблюдаются процессы периодической самоочистки от тяжелых металлов, почва практически не имеет такуойспособности к самоочистке. Металлы, что накапливаются в почвах, выводятся из него крайне медленно лишь при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. В этой связи разработка агротехнических мероприятий, которые снижают поступление тяжелых металлов в сельскохозяйственные растения, приобретает большое агроэкологическое значение [7].

Есть две альтернативы обращения с такими землями: консервирование или очистка. Захоронение, выкапывание и исключение, а также существующие физические и химические технологии требуют значительных финансовых расходов, уничтожают структуру или изменяют свойства почвы, уменьшают ее плодородие. Микробиологические методы возобновления загрязненных территорий, как правило, предусматривают предыдущее исключение значительных объемов почвы.

Загрязненные территории нуждаются в жизнеспособном растительном покрове с целью ограничения миграции, предотвращения загрязнения прилегающих сельскохозяйственных угодий и прямого влияния на соседние поселения. В наше время дикорастущие и культурные виды растений способны не только противостоять патогенным организмам и паразитам, но и приспосабливаться к присутствию целого ряда ксенобиотиков в постоянно растущих концентрациях [9].

Фитотехнологии предлагают эффективные инструменты и экологически привлекательные решения относительно возобновления почв и вод, загрязненных металлами, радионуклидами, пестицидами и другими органическими соединениями, получения экологически безопасной продукции и развития восстанавливаемых источников энергии. Использование растений для возобновления загрязненных земельных участков становится важным для устойчивого развития землепользования и является более экологически совместимым и дешевым методом в сравнении с физико-химическими и техническими приемами, даже когда период времени, необходимый для достижения конечного результата, может стать лимитирующим фактором. Современные фитотехнологии дают возможность получать относительно чистую сельхозпродукцию на загрязненных землях, ограничивать горизонтальную и латеральную миграцию лабильных форм токсикантов благодаря их концентрированию в растениях и осуществлять очистку загрязненных объектов окружающей среды. Концепция применения растений для очистки и возобновления почв используется свыше 300 лет и имеет такие преимущества, как предотвращение вымывания загрязняющих веществ, уменьшениериска незащищенности почвы и деструктивного влияния на нее, обеспечение контроля над эрозийными процессами, содействие сохранению биомногообразия, уменьшение денежных затрат и объемов вторичных отходов и т. п. Использование растений, способных к гипераккумуляции полютантов является перспективным звеном в процессе возобновления экологического равновесия на планете [8].

Заключение

Таким образом, впервые в условиях Харьковской области проведено комплексное обследование территории вокруг полигона твердых бытовых отходов, определенно содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах с превышением ПДК до 5 раз, что создает кризисный тип экологической ситуации, установлены закономерности распространения тяжелых металлов в окружающую естественную среду.

По результатам наших исследований, ситуация не является критической, что было обеспеченно сбалансированным использованием и почвозащитными технологиями. Но опираясь на многолетний опыт и результаты исследования других территорий, необходимо приложить максимум усилий, чтобы не допустить ухудшения естественного состояния территории к неудовлетворительному уровню. Для этого необходимо разработать и обеспечить выполнение ряда мероприятий с помощью фитотехнологий, исследовать, какие культурные растения обеспечат улучшение состояния почв и не будут накапливать вредные вещества в своих потребляемых частях, а также создать экологические карты территории для наблюдения и моделирования перспектив состояния вокруг полигона ТБО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бшецька, В. А. Дослщження процесш трансформаци водорозчинних форм важких меташв при детоксикаци промислових вщходав природними сорбентами Н.£. [Електронний ресурс] / В. А. Бшецька, Н. С. Яцечко, А В. Павличенко // Наук.-техн. зб. «Ро-зробка родовищ». - 2013. - Режим доступу: http://rr.nmu.org.ua/pdl72013/20131016-52.pdf. - Дата доступу: 06.01.2014.

2. Ачасова, А. О. Грунтово-еколопчш умови формування просторово! неоднорщносп вмюту важких металiв у Грунтах Швобережного Шсостепу Украши: дис. ... канд. с.-г. наук: 03.00.18 / А. О. Ачасова. - Х., 2003. - 262 с.

3. Булигш, С. Ю. Оцшка i прогноз якостi земель / С. Ю. Булигiн, А. В. Барвшський, А. О. Ачасова. - Х.: ХНАУ, 2006. - 262 с.

4. Голець, Н. Ю. Дослщження властивостей про фшьтрацшного екрана полiгону твердих вщход1в: стаття / Н. Ю. Голець, М. С. Мальований, Ю. О. Малик. - Вюник НАУ. - 2009. - №3.

5. Малиш, Н. Важш метали у грунтах: стаття / Н. Малиш. - Вюник НАУ. - 2009. - С. 67-71.

6. М ^рясова О .П. Хiмiчнi основи екологп: навч. посiб. / О. П. Млрясова. - К.; !ртнь: Перун, 1999. - 192 с.

7. Огляд результативност природоохоронно! дiяльностi: Украгна // Сер1я оглядiв результативност природоохоронно! дiяльностi: публжаци Оргашзацп Об'еднаних Нацш. - Нью-Йорк; Женева, 2000. - №6. - 132 с.

8. Петришина, В. А. Агроеколопчне обгрунтування фiторемедiацiйноl спроможностi дикорослих видiв рослин: дис. ... канд. с.-г. наук: 03.00.16 / В. А. Петришина. - К., 2009. - 143 с.

9. Рщей, Н. М. Охорона земель та стале землекористування: наук.-метод. поиб. / Н. М. Рщей, О. Л. Тонха, Д. Л. Шофолов. - Луганськ: ТОВ ПРОГТЕХСНАБ, 2009. - 250 с.

10. ДСТУ 4976:2008 Охорона навколишнього природного середовища. Комплекс стандарта у сферi охорони грунта. Основнi положення. - К.: Вид-во стандарта. 2008.

11. ДСТУ Б В.2.1-8-2001 Грунти. Вщбирання, упакування, транспортування i збер1гання зразюв. - К.: Вид-во стандартв. 2001.

12. ДСТУ Б А.1.1-25-94 ССНБ. Грунти. Термши i визначення. - К.: Вид-во стандарта. 2001.

13. Методика агроымчно! паспортизаци земель сiльськогосподарського призначення / За ред. С. М. Рижука, М. В. Л!сового, Д. М. Бенцаровського. - К.: 2003. - С. 63.

14. МВВ 31-497058-015-2003 Грунти. Визначення вмюту рухомих форм важких металiв (Со, Си, Cd, Ni, РЬ, Zn, Мп, Fe) у грунтi у буфернш амонiйно-ацетатнiй витяжцi з рН 4,8 за М.К. Крупським i А.М. Александрово! на атомно-абсорбцiйному спектромотометрг - К.: Вид-во стандартв. 2001.

15. Боровиков, В. STATISTICA: искусство анализа данных на компьютере. Для профессионалов / В. Боровиков. -СПб.: Питер, 2001. - 656 с.

УДК 502.131:581.55(476)

С. С. ПОЗНЯК

ПИЩЕВЫЕ СЕГЕТАЛЬНЫЕ РАСТЕНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ БЕЛАРУСИ

(Поступила в редакцию 27.05.14)

В статье рассматривается способность сегетальных The article examines the ability of segetal plants of Belarus

растений агроэкосистем Беларуси накапливать макро- и agro-ecosystems to accumulate macro- and microelements,

микроэлементы, что создает перспективу использования which makes it possible to use them not only in medicine as a

данных растений не только в медицине в качестве средств, means for preventing microelementoses, but also in food indus-

предотвращающих микроэлементозы, но и в пищевой про- try for the creation of products with special functions. Besides,

мышленности для создания продуктов функционального such plants can find application in the national economy as

назначения. Кроме того, такие растения могут найти при- fodder, bio-fertilizers and indicators of anthropogenic load, as

менение в народном хозяйстве в качестве кормов, биоудоб- well as plants-bio-filters of contaminated objects of the envi-

рений и индикаторов антропогенной нагрузки, а также рас- ronment. тений-биофильтров загрязненных объектов окружающей среды.

Введение

До сегодняшнего времени во многих странах мира проведено значительное количество исследований по изучению флоры и растительности, которые интенсивно заготавливаются и широко используются в медицине, сельском хозяйстве, строительстве и различных отраслях промышленности. Высшие растения служат индикаторами качества окружающей среды и являются ценным кормовым ресурсом и промышленным сырьем. Однако возможности использования растений в хозяйственных целях в Республике Беларусь еще изучены недостаточно, имеется потребность новых ботанических и флористических исследований с целью реализации мероприятий по ее восстановлению.

В дикой флоре произрастают многие декоративные виды, которые используются человеком и находятся под угрозой истребления. Среди них: купальница европейская, медуница мягкая, колокольчик пер-сиколистный, кувшинка чисто белая и другие. Богатый и многообразный флористический состав экосистем республики включает в себя большое количество полезных дикорастущих видов. Среди них много ядовитых, лекарственных, медоносных, эфиромасличных, кормовых и пищевых растений [1, 2].

В настоящее время весьма актуальной является проблема поиска продуктов питания растительного происхождения, которые стали бы источником биологически активных веществ, и дополнительно к своей питательной ценности оказывали бы положительное влияние на здоровье человека, его жизнеспособность и иммунитет, помогали бы регулировать биологические процессы и поддерживать окислительно-восстановительное равновесие в организме. Снизить риск развития различных заболеваний, в том числе связанных с воздействием химических, физических, радиационных, бактериологических и