CC BY
55
Экология
УДК 630*181.351
ВЛИЯНИЕ ВЫБРОСОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА НА МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ХВОИ СОСНЫ
© Н.В. Шубина, Ю.Л. Юрьев
Уральский государственный лесотехнический университет (УГЛТУ),
Сибирский тракт, 37, Екатеринбург, 620100 (Россия)
E-mail: bluestones@mail.ru
Исследовано изменение микроэлементного состава хвои сосны при удалении от источника металлургических выбросов. Показано, что при удалении от загрязнителя снижается концентрация в хвое железа, серы и токсичных элементов. Ключевые слова: тяжелые металлы, хвоя сосны, металлургическое производство.
Введение
Сосна обыкновенная весьма чувствительна к загрязнению воздушной среды [1] и является индикатором загрязнения окружающей среды. Кроме того, загрязнения могут влиять на безопасность производимых из древесной зелени продуктов - хлорофилло-каротиновой пасты, эфирного масла, хвойного воска.
Экспериментальная часть
В связи с вышесказанным, объектом исследования служила древесная зелень сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.).
Предметом исследования является ассимиляционный аппарат сосны (хвоя), который в первую очередь реагирует на изменения окружающей среды. В ее тканях раньше всего проявляются изменения, вызванные промышленными эмиссиями [2].
В качестве полигона для проведения исследований выбрана территория, прилегающая к Нижнетагильскому металлургическому комбинату (НТМК), расположенному в Нижнем Тагиле Свердловской области.
Источник выбросов действует с 1940 г., т.е. на момент проведения работ - 65 лет. При этом вокруг него концентрически располагаются зоны поражения, обусловленные воздействием оксидов железа, соединений марганца, меди, никеля, свинца, хрома, цинка, а также диоксидов серы и углерода. Роза ветров асимметрична - преобладают ветры, дующие в западном и юго-западном направлениях. Пробные участки расположены к югу и юго-востоку от комбината, т.е. перпендикулярно господствующим ветрам. Это определяет небольшую протяженность градиента загрязнения, который выходит на региональный фон, а не пересекается с зонами загрязнения от других источников. По объему токсичных выбросов НТМК является единственным крупным источником в исследуемом районе. Следовательно, он может считаться моноисточником.
Основными производствами ОАО «НТМК» являются коксохимическое, доменное, сталеплавильное. Выбросы ОАО «НТМК» в целом содержат значительное количество соединений тяжелых металлов.
Специфика токсического эффекта выбросов металлургического комбината заключается в сочетанном действии тяжелых металлов и диоксида серы. Последний, подкисляя среду, увеличивает подвижность, следовательно, и биологическую активность ионов металлов, что приводит к резкому усилению их токсического воздействия.
Объем и структура основных выбросов исследуемого источника эмиссии за исследованный период (июнь 2004 г. - май 2005 г.) были постоянными и представлены в таблице 1.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Таблица 1. Величины основных выбросов ОАО «НТМК» за период июнь 2004 г. - май 2005 г. [3, 4]
Пробные участки расположены на территории Нижнетагильского лесхоза (Г ородское, Николо-Павловское и Усть-Уткинское лесничества). Описания участков, представленные в таблице 2, показывают сходство основного растительного состава и дают возможность сравнивать хвою с данных участков.
На пробных участках в течение вегетативного сезона (июнь 2004 г. - май 2005 г.) ежемесячно отбирали хвою первого года жизни с десяти пробных деревьев, готовили смешанную аналитическую пробу. В хвое определяли содержание тяжелых металлов (Бе, Мп, 2и, Си, N1, Сг, N1, РЬ) методом атомно-абсорбционной спектрометрии [5, 6], серы - гравитометрическим методом [7].
Расчет среднегодовых концентраций загрязняющих веществ выполнен по программе, разработанной фирмой ООО «Интеграл», которая создана на основе модели, подготовленной ГГО им. А.И. Воейкова под руководством проф. Е. Л. Гениховича.
Для расчета были использованы данные обо всех источниках выбросов ОАО «НТМК». Расчеты выполнены для всех пробных участков.
Проводили сравнение среднегодового содержания загрязняющих веществ в воздухе (доли ПДК) (табл. 3).
Загрязняющее вещество Валовый выброс, т
Оксиды железа 4801
Марганец и его соединения 182
Оксид меди 1,68
Оксид никеля 3,52
Свинец и его соединения 6,03
Общий хром 39,58
Оксид цинка 2,94
Диоксид серы 6373
Диоксид углерода 66161
Таблица 2. Характеристика пробных участков
Пробные участки
1 2 3 4
Удаленность от факела выбросов, км 5 15 25 65
Состав Лесные культуры Лесные культуры Лесные культуры 5С1Л1Е2Б1Ос
10С 10С 8С2Л+Б
Ярус 1 1 1 1
Класс бонитета II II III III
Тип лесорастительных условий СЯГ* СЯГ* СЯГ* ЕСЯГ**
331 331 331 323
Примечание: С - сосна, Л - лиственница, Б - береза, Ос - осина; * - сосняк ягодниковый; ** - ельник-сосняк ягодниковый
Таблица 3. Среднегодовое содержание загрязняющих веществ в воздухе на исследуемых участках, доли ПДК
Выбросы Участок
1 2 3 4
Мп 0,04729 0,01596 0,01028 0,00314
Бе 0,02558 0,00950 0,00675 0,00220
7п <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001
N1 0,00042 0,00010 0,00006 0,00002
Си 0,00096 0,00025 0,00015 0,00006
РЬ 0,00380 0,00082 0,00049 0,00017
са <0,00001 <0,00001 <0,00001 <0,00001
Сг 0,00142 0,00026 0,00013 0,00004
Б 0,03496 0,01726 0,01264 0,00511
со2 0,00564 0,00231 0,00166 0,00059
Обсуждение результатов
Содержание загрязняющих веществ в воздухе пробных участков увеличивается с приближением к источнику загрязнения. Зависимость содержания микроэлементов в хвое первого года жизни представлена в таблице 4.
Из таблицы 4 видно, что марганец и железо ведут себя противоположным образом: с удалением от источника загрязнения при увеличении содержания в хвое марганца снижается содержание железа. Также отмечена положительная корреляция с расстоянием для меди. Содержание свинца, кадмия, хрома, серы и пигментов в хвое первого года жизни находится в обратной корреляции. Достоверных изменений содержания цинка и никеля не отмечено.
Таблица 4. Содержание микроэлементов в хвое, мг/100 г в зависимости от расстояния от источника загрязнения*
Участок Коэффициент корреляции
1 2 3 4
Мп 219,2 278,7 295,5 449,2 0,93
Бе 87,2 49,6 35,0 29,8 -0,93
7п 45,6 44,7 30,0 47,0 -0,17
N1 4,40 5,13 4,03 4,02 -0,55
Си 3,15 3,33 3,4 3,72 0,97
РЬ 2,35 1,91 1,04 0,95 -0,96
са 0,197 0,244 0,146 0,025 -0,84
Сг 1,7 1,46 1,38 1,37 -0,90
Б 0,096 0,056 0,051 0,044 -0,88
* жирным шрифтом выделены достоверные зависимости от удаления от источника загрязнений.
Соединения железа являются основным составляющим твердых выбросов металлургического производства. В растениях железо входит в состав многих биологически активных соединений. При увеличении его концентрации в воздухе происходит и увеличение его количества в клетках растений.
Железо вытесняет другие биофильные микроэлементы, заменяя их в процессе жизнедеятельности клетки [8]. Наши исследования показали, что даже при сравнительно невысокой концентрации железа в воздухе (ниже ПДК) оно оказывает большое влияние на содержание железа в хвое (рис. 1).
Железосеросодержащие белки необходимы для жизни клетки. Концентрация серы в воздухе уменьшается с удалением от источника загрязнения, как и ее содержание в хвое (рис. 1).
Содержание биофильных марганца и меди в хвое увеличивается с удалением от источника загрязнений и с уменьшением их количества в воздухе. По-видимому, это происходит из-за уменьшения доли железа в хвое при удалении от загрязнителя (рис. 1).
Никель и хром также являются микроэлементами клетки. Хотя их содержание в тканях и невелико, их повышенная концентрация отрицательно влияет на состояние хвои. Вблизи загрязнителя (участки 1, 2) хвоя активно накапливает эти элементы, с удалением от источника загрязнения их количество снижается (рис. 2). Содержание никеля на участках 1, 2 приближается к ПДК для пищевого сырья.
Цинк является одним из важнейших микроэлементов живых организмов. Его содержание в воздухе составляет незначительную долю ПДК (менее 0,00001). При этом и его концентрация в хвое первого года жизни не зависит от расстояния от источника загрязнения (табл. 4).
Свинец и кадмий являются наиболее токсичными элементами. Хотя их содержание в воздухе значительно ниже ПДК (у кадмия - менее 0,00001 ПДК), их количество в хвое вблизи источника загрязнений довольно велико и приближается к ПДК [9]. С удалением от загрязнителя концентрация этих элементов в воздухе и хвое снижается (рис. 2). С возрастом хвоя может аккумулировать значительное количество этих элементов. При переработке древесной зелени токсичные элементы могут перейти в продукты в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации.
Рис. 1. Содержание в хвое первого года биофильных Рис. 2. Содержание в хвое первого года токсичных
элементов элементов
Содержание Сй, мг/100 г
Нами были получены образцы хлорофилло-каротиновой пасты из древесной зелени с исследуемых участков. Все образцы произведенной пасты соответствуют ГОСТ 21802-84, однако образец с участка 1 не соответствует требованиям ПДК по кадмию, свинцу, никелю, хрому. Вся полученная паста соответствует ветеринарно-санитарным требованиям безопасности кормов [9, 10].
Выводы
1. Металлургическое производство как основной источник техногенного загрязнения в районе Нижнего Тагила оказывает существенное влияние на микроэлементный состав хвои сосны обыкновенной первого года жизни.
2. Среди биофильных элементов при удалении от источника выбросов содержание марганца и меди увеличивается, а содержание железа и серы - уменьшается.
3. Содержание таких токсичных элементов, как никель, свинец, кадмий и хром, с удалением от источника выбросов снижается.
4. Загрязнения, ассимилированные хвоей сосны обыкновенной, произрастающей вблизи источника техногенного загрязнения, оказывают влияние на качество продуктов переработки древесной зелени.
Список литературы
1. Прокаев В. И. Физико-географическое районирование Свердловской области. Свердловск, 1976. 144 с.
2. Методы биохимического анализа растений / под ред. В.В. Полевого, Г.Б. Максимова. Л., 1978. 192 с.
3. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2004 году» / Мин-во природных ресурсов Российской Федерации. М., 2005. 494 с.
4. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2005 году» / Мин-во природных ресурсов Российской Федерации. М., 2006. 500 с.
5. Методические указания по атомно-абсорбционным методам определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье. Утв. ГКСЭН 25.12.1992 г. № 01-19/47-11.
6. Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ. Л., 1983. 144 с.
7. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. М., 1989. 448 с.
8. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989. 498 с.
9. Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в продовольственном сырье и пищевых
продуктах (СанПиН 42-123-4089-86). М., 1986. 56 с.
10. ГОСТ Р. Правила сертификации кормов и кормовых средств на соответствие требованиям безопасности. Введ. 1994-08-23. М., 1994. 46 с.
Поступило в редакцию 15 июля 2007 г.
После переработки 26 мая 2009 г.
