CC BY
14ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ (Си, РЬ, Еп, Са, Ре, Сг, Нд) В ТЕХНОЗЕМАХ, ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО АЛТАЯ
С. В. Бабошкина, И. В. Горбачев, А. В. Пузанов, С.Н. Балыкин
Изучен уровень содержания тяжелых металлов в системе субстрат - надземная часть растения горнопромышленных ландшафтов Северо-Западного Алтая. Произведен сравнительный анализ поведения тяжелых металлов в системе субстрат - растение, почва -растение загрязненных и фоновых территорий. Выявлены закономерности биологического поглощения тяжелых металлов растениями в естественных условиях и в обстановке антропогенного воздействия (антропогенно измененных ландшафтов).
ВВЕДЕНИЕ
Добыча и последующая переработка полезных ископаемых - один наиболее мощных видов техногенеза. Его воздействие на природную среду возрастает и охватывает все большие территории. Площади почти полного уничтожения природных ландшафтов, пространства, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород и отходами первичного обогащения довольно значительны. На этих участках формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы - горнопромышленные ландшафты [1]. Более чем двухсотлетнее развитие горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности в Северо-Западном Алтае обусловило существенное загрязнение экосистем тяжелыми металлами.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования являются тех-ноземы хвостохранилища Алтайского горнообогатительного комбината и Змеиногорской золотоизвлекательной фабрики, почвы сопредельных территорий и растения, произрастающие на бортах отвалов и почвах фоновых участков.
За время работы АГОКа у северозападной окраины г. Горняка из переработанной руды образовалось два больших хвостохранилища общей площадью ~1 км2 и объемом ~11 млн. м . Оба хвостохранилища ограничены намывными дамбами высотой до 15 м [2]. Одной из главных экологических проблем окрестностей г. Горняка является распространение пыли с поверхности высыхающих хвостохранилищ, что способствует насыщению компонентов окружающей среды: почв, растений, поверхностных вод, воздуха тяжелыми металлами. Кроме того, существует реальная угроза подтопления прилегающих жилых массивов токсично загрязненными шахтными водами [3].
Хвостохранилище Змеиногорской золо-тоизвлекательной фабрики расположено на правобережной надпойменной террасе р. Корболиха, в пределах водоохраной зоны. В весеннее половодье поток воды подмывает «тело хвостохранилища», вследствие чего происходит вынос технозема в пойму и далее - в Гилевское водохранилище и р. Алей.
Образцы техноземов хвостохранилищ и почв отбирали на глубину 0-10 см. Всего на содержание тяжелых металлов методом атомной абсорбции в аналитическом центре ИГиМ СО РАН было проанализировано по 25 образцов почв (субстратов) и растений.
Поскольку главный путь поступления микроэлементов в растение - это их абсорбция из почвы корнями, нами был рассчитан индекс аккумуляции 1а изучаемых тяжелых металлов как отношение содержания элемента в сухой массе растения к его концентрации в почве или субстрате, на котором произрастает данное растение [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Си. Медь играет значительную роль в некоторых физиологических процессах растений - фотосинтезе, дыхании, перераспределении углеводов, восстановлении и фиксации азота, метаболизме протеинов [5, 6]. В сухой фитомассе растений незагрязненных экосистем содержание меди составляет 1 -п*10 мг/кг [4, 7]. Кларк меди в почве - 20 мг/кг [8].
РЬ. Данных, свидетельствующих о том, что свинец жизненно необходим растениям, нет. Средний уровень его содержания в растениях незагрязненных и безрудных областей довольно постоянен и лежит в пределах 0,110 мг/кг сухой массы [4]. Кларк свинца в почве составляет 10 мг/кг [8].
Еп. Цинк является необходимым элементом и выполняет важные функции в мета-
болизме растений. Больше всего цинк накапливается в листьях и генеративных органах. При его недостатке у растений наблюдается задержка роста, деформации и хлороз листьев, угнетается образование семян. Среднее содержание цинка в травах по всему миру лежит в пределах 12-47 мг/кг сухой массы [4]. Кларк цинка в почве составляет 60 мг/кг [8].
С^ Считается что кадмий не входит в число необходимых для растений элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями [4]. Кадмий редкий (Кларк 0,16 мг/кг), рассеянный, сильно токсичный, канцерогенный, кумулятивный металл [4, 6].
Ре. Железо считается важнейшим металлом, участвующим в преобразовании энергии. Природное содержание железа в кормовых растениях изменяется от 18 до 1000 мг/кг сухой массы [4]. Кларк железа в почве составляет 38000 мг/кг [8].
Сг. Участие хрома в метаболизме растений надежно не доказано. Его содержание в надземной части трав составляет 0,6-3,4 мг/кг на сухую массу [4]. Кларк хрома в почве составляет 200 мг/кг [8].
Нд. Ртуть очень редкий сильно токсичный, подвижный (летучий) металл. Его кларк в литосфере составляет 0,033 [7] (0,004 мг/кг [6]), а среднее содержание ртути в растениях составляет 0,012 мг/кг сухой массы [7]. В травах и кормовых бобовых культурах незагрязненных экосистем содержание ртути не превышает 0,1 мг/кг [4]. Интенсивность поглощения ртути растениями сравнима с таким важными микроэлементами, как марганец, цинк, селен, молибден и превышает биологический захват меди. Геохимически Нд близка к С^ гп.
По результатам наших исследований, уровни содержания тяжелых металлов в тех-ноземах поверхности АГОКа существенно превышают санитарно-эпидемиологические нормы. В среднем, содержание кадмия в образцах отложений превышает допустимые концентрации в почвах в в 16,5 раз, цинка - в 18 раз, меди - в 52 и свинца - в 83 раза [9]. Поэтому содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих на бортах отвалов АГОКа и ЗЗИФ, как правило, в 10-100 раз превышает фоновые концентрации в растениях незагрязненных экосистем (таблица 1).
Таблица 1
Средние содержания тяжелых металлов в растениях хвостохранилищ АГОКа и ЗЗИФ и в растениях неза-
объект Cu Pb Zn Cd Fe Сг Hg
Борта хвостохранилищ АГОКа 63,2 78,4 339 1,1 3869 2,0 0,06
Борта хвостохранилища ЗЗИФ 62,0 347,4 736,1 7,1 477 1,35 0,23
Фоновые участки 8,08 2,99 32,53 0,13 798 2,02 0,074
Таблица 2
Показатели интенсивности (индексы аккумуляции) и группы интенсивности биологического поглощения тяжелых металлов в почвах и техногенных субстратах исследуемых горнопромышленных ландшафтов и __ по данным различных авторов ___
Cu Pb Zn Cd Fe Сг Hg
Хвостохранилища Алтайского ГОКа и
Змеиногорской 0,15±0,07 0,16±0,06 0,45±0,17 0,75±0,26 0,06±0,02 0,08±0,04 0,17±0,09
ЗИФ 0,42-0,02 0,003-0,32 0,03-1,95 0,06-2,07 0,004-0,22 0,02-0,26 0,01-0,57
Фоновые участки
Северо-восточного 0,28±0,04 0,30±0,17 0,44±0,07 0,68±0,21 0,03±0,01 0,03±0,01 1,30±0,49
Алтая 0,10-0,44 0,02-1,39 0,14-0,69 0,076-1,8 0,003-0,10 0,007-0,11 0,35-3,92
А. Кабата-Пендиас, 0,8 0,6 0,9 10 0,008 0,04 0,7
Х Пендиас, 1989
*Добровольский 0,12-0,23 0,07-0,15 0,6-1,2 0,02-0,04 0,006 0,1 - 0,2 0,78-1,6
В.В., 1998
*Перельман А.И., 0,0n-0,n 0,0n-0,n 0,n - n 0,00n-0,0n 0,00n-0,0n 0,00n-0,0n 0,0n-0,n
1975
Примечание. *Индексы аккумуляции рассчитаны по приведенным этими авторами Коэффициентам биологического поглощения (отношение среднего количества элемента в золе растений к его среднему содержанию в почве); исходя из того, что зольность степных растений варьирует в пределах 5-10%, мы принимаем, что 1а по величине будет в 10-20 раз меньше КБП
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ (Си, РЬ, 2п, Сс1, Ре, Сг, Нд) В ТЕХНОЗЕМАХ, ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО АЛТАЯ
Из таблицы 2 видно, что полученные нами индексы аккумуляции изученных химических элементов несколько ниже значений Ia, вычисленных А. Кабатой-Пендиас (1989), но сравнимы с ними и ранжируются по группам интенсивности биологического поглощения согласно предыдущим исследованиям [7, 10].
Например, кадмий по расчетам А. Каба-ты-Пендиас (1989), является одним из элементов, наиболее активно поглощаемых растениями. По результатам наших исследований, растениями горнопромышленных ландшафтов Северо-Восточного Алтая кадмий также аккумулируется наиболее интенсивно. Однако, по исследованиям других авторов, кадмий является элементом слабого и очень слабого биологического захвата [7, 10].
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в системах субстрат - растение хвостохранилищ АГОКа и ЗЗИФ и в
По вычисленным нами значениям Ia цинк, ртуть, медь, свинец попадают в группу средней степени накопления, аналогично другим исследованиям [4, 7, 10]. А.И. Пе-рельман (1975) относит цинк и ртуть к элементам среднего и интенсивного накопления - по результатам нашего исследования, интенсивность биологического поглощения этих элементов действительно несколько выше остальных.
Слабо аккумулируются растениями, по мнению всех авторов, железо и хром. По результатам наших исследований эти элементы также имеют наиболее низкие индексы аккумуляции - как в условиях природных ландшафтов, так и при антропогенной нагрузке.
система Cu Pb Zn Cd Fe Сг Hg
Phragmites australis - Тростник южный
О Растение 11 2,8 65 0,05 216 0,5 0,029
< ^ Субстрат 293 988 241 0,23 57800 22 0,37
I Растение 7,8 4,0 28 0,08 96 0,5 0,032
-ft Почва 31 20 78 0,18 33000 76 0,051
Medicago falcate - Люцерна серповидная
О Растение 50 66 186 0,64 3310 1,4 0,042
< ^ Субстрат 858 8120 1740 5,6 70700 24 0,45
© Растение 83 600 730 14 507 1,4 0,26
s со Субстрат 412 2420 1880 7,5 7200 14 1,5
I Растение 7,8 2,6 23 0,03 365 1,1 0,042
-ft Почва 27 23 82 0,40 28700 69 0,062
Gypsophila patrinii - Качим Патрэна
е Растение 90 305 2135 17 662 1,2 0,27
s со Субстрат 354 1775 1920 8,7 9900 17 2,5
I Растение 2,3 2,2 10 0,11 257 0,9 0,034
-ft Почва 22 16 74 0,20 28700 63 0,039
Echium vulgare - Синяк обыкновенный
© Растение 53 266 303 2,2 653 1,7 0,12
s со Субстрат 403 2040 1990 7,6 7200 14 1,2
I Растение 12 2,7 28 0,06 655 1,7 0,20
-ft Почва 27 16 62 0,14 27100 52 0,051
Cirsium setosum - Бодяк щетинистый
е Растение 63 315 449 4,1 839 1,8 0,36
s со Субстрат 231 1290 2260 11,5 26200 54 1,2
I Растение 14 4,4 51 0,19 1610 3,8 0,13
-ft Почва 36 18 74 0,17 33300 75 0,096
Melilotus suaveolens - Донник ароматный
е Растение 9,2 27 52 0,52 95 0,7 0,034
s со Субстрат 435 2310 1920 8,5 9200 16 2,7
I Растение 5,7 1,6 17 0,04 136 0,6 0,034
-ft Почва 29 20 88 0,18 36300 79 0,045
По расчетам А.И. Перельмана (1975) и А. Кабаты-Пендиас (1989), ртуть является элементом средней степени накопления. По нашим данным для незагрязненных экосистем (средний 1а=1,3) и по мнению В.В. Доб-
ровольского (1998) накопление ртути растительностью происходит наиболее интенсивно. Объяснить этот факт для хвостохранилища ЗИФ можно объяснить тем, что здесь в
свое время осуществлялась добыча золота методом амальгамирования.
В таблице 3 приведены результаты анализа некоторых «сквозных» видов растений, произрастающих на бортах хвостохранилищ и в условиях природных экосистем.
Большинство исследуемых нами растений являются видами с барьерным типом поглощения микроэлементов [11]. Концентрации тяжелых металлов в Тростнике южном и Доннике ароматном, очевидно, являются предельными: растения эти, произрастая в условиях антропогенной нагрузки, не допускают дополнительного поступления тяжелых металлов в свои ткани, превышающее фоновое содержание. С увеличением концентрации тяжелых металлов в субстрате в тканях растений Люцерна серповидная, Синяк обыкновенный, Бодяк щетинистый увеличение концентрации тяжелых металлов происходит, однако в гораздо меньшей степени, чем увеличение концентрации тяжелых металлов в субстрате.
При увеличении концентрации изученных металлов в субстрате происходит ответное, пропорциональное или в гораздо большей степени, увеличение концентрации элементов в тканях растения Качим Патрэна. В этом растении обнаружено максимальное среди всех растений отвалов содержание цинка и кадмия.
ВЫВОДЫ
1. В растениях, произрастающих на загрязненных тяжелыми металлами субстратах отмечен их высокий уровень концентрации.
2. На основании полученных средних значений коэффициента la можно делать теоретические расчеты загрязнения почв или растений.
3. Большинство исследуемых нами растений являются видами с барьерным типом поглощения микроэлементов.
Работа выполнена при поддержке гранта РГНФ 06-06-18007е и интеграционного проекта ОНЗ-З.1
ЛИТЕРАТУРА
1. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: Учебное пособие. Издание 3-е, переработанное и дополненное. - М.: Астрея-2000, 1999. - 768 с.
2. Отчет о результатах поисково-оценочных работ на золото и серебро в пределах техногенных образований золотушинской обогатительной фабрики и локтевского сереброплавильного завода за 1999-2001 гг. Книга 1. - Змеиногрск, 2001 г.
3. Технико-экономическое обоснование защиты г. Горняка от подтопления подземными водами. - Белгород, 1997.
4. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
5. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. - Л.: Изд-во Наука, 1974. - 324 с
6. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. -М.: Экология, 1997. - Кн. 5.: Редкие d-элементы. -576 с.
7. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие. - М.: Высш. школа, 1998. - 413 с.
8. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов. М.: Изд-во АН СССР, 1957. -238 с.
9. Горбачев И.В., Пузанов А.В., Бабошкина С.В. и др. Влияние хвостохранилищ Алтайского горно-обогатительного комбината на окружающую среду // Ползуновский вестник. - 2005. - № 4, Ч. 2. - С. 179-182.
10. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. -М.: Высш. школа, 1975. - 342 с.
11.Ковалевский А.Л. Биогеохимические поиски рудных месторождений. - М.: Недра, 1974. -142 с.
КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В БАССЕЙНЕ ВЕРХНЕЙ ОБИ
Т.А. Степченко, В.А. Жоров, О.В. Ловцкая
Рассматривается качество поверхностных вод бассейнов рек Томь, Иня в пределах Кемеровской области, реки Обь на территории Алтайского края. Показывается, что использование данных за длительные периоды времени позволяет оценить состояние поверхностных вод в различных пунктах измерений и определить тенденцию его изменения.
ВВЕДЕНИЕ
Существующая система мониторинга качества поверхностных вод находится сегодня в крайне неудовлетворительном состоянии. Наблюдения производятся весьма редко и не
освещают все фазы водного режима водотоков. В результате можно уловить только общие долговременные тенденции изменения качества поверхностных вод. К попыткам же численного учета сосредоточенного и диф-
