CC BY
277
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2009 Биология Вып. 10 (36)
УДК 581.9
ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В ПЫЛИ ПРОЕЗЖИХ ЧАСТЕЙ ДОРОГ И В ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ПРИДОРОЖНЫХ ПОЛОС ГОРОДСКОЙ ЗОНЫ
Р.В Кайгородов, М.И. Тиунова, А.В. Дружинина
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Исследовано содержание тяжелых металлов, микро- и макроэлементов в пыли проезжих частей дорог и листьях липы мелколистной, придорожных газонов городов Люнебург (Германия), Соликамск и Краснокамск (Россия). Содержание тяжелых металлов в пыли дорог имеет региональную специфику. Накопление металлов в листве лип определяется видовыми физиологическими особенностями растения. Установлено повышенное содержание свинца, цинка, меди, никеля, хрома и других микроэлементов в пыли проезжих частей. Содержание опасных элементов в листьях липы существенно ниже токсичного уровня.
Введение
Автотранспорт является одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Придорожные экосистемы и атмосфера постоянно подвергаются воздействию различных
загрязняющих веществ. Главным образом транспорт является источником свинца, который при сжигании горючего поступает в воздух, растительность и в конечном итоге в почву. Свинец обладает высокой кумулятивной способностью в природных объектах и имеет очень большой период выведения из почвы. Несмотря на использование свободного от свинца топлива и катализаторов, в придорожных экосистемах постоянно обнаруживается содержание свинца, что представляет экологическую проблему (Wegelin, 1997). Кроме свинца транспорт поставляет в придорожные участки другие токсичные элементы: кадмий, цинк, медь, хром и ванадий. Источники загрязняющих элементов в придорожных полосах представлены в таблице 1.
Автотранспорт наряду с промышленными предприятиями представляет существенную угрозу здоровью населения городов в результате
эмиссии пыли в атмосферу. При работе двигателей внутреннего сгорания, при сжигании горючих материалов в ТЭЦ и других промышленных и коммунальных предприятиях урбанизированные территории загрязняются тонкой пылью с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм и грубой пыль (диаметром более 10 мкм). Частицы тонкой пыли мигрируют с потоками воздуха на большие расстояния, длительно находятся в воздухе, попадают в организм человека и проникают глубоко в легкие, являясь причиной воспалений, сердечно-сосудистых заболеваний. Они также обладают канцерогенным действием. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в воздухе населенных пунктов тонкой пыли в количестве более 10 мкг/м3 может приводить к сокращению продолжительности жизни людей (WHO ..., 2005). Согласно оценкам Федеральной службы статистики ФРГ смерть участников автомобильного движения наступает в среднем в возрасте 44 года при средней продолжительности жизни в Германии 76 лет (Wichmann-Fiebig et al., 2005).
Таблица 1
Источники поступления химических элементов в придорожные полосы (по Fritsche, Becker, 1992)
Источник Элемент
Выхлопные газы Pb, Ni
Износ проезжей части Si, Ca, Mg, тяжелые металлы
Износ колес Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni
Износ тормозных колодок Cr, Cu, Ni, Pb, Zn
Г орюче-смазочный материал Pb, Ni, Zn, Cu, V, Cr
Коррозия автомобилей Cu, Pb, Zn
Антигололедные средства Na, Ca, Mg
© Р.В. Кайгородов, М.И. Тиунова, А.А. Дружинина, 2009
141
Грубые частицы также представляют опасность для экологического и санитарно-гигиенического состояния городских территорий. На поверхности частиц пыли в адсорбированном состоянии находятся разнообразные токсичные вещества:
РАК, диоксины, тяжелые металлы (As, Cd, №,, ^). Частицы пыли оседают на обочинах дорог, поверхности почвы и листьев растений и могут вновь вовлекаться в миграцию со сточными водами или потоками воздуха, включаться в круговорот веществ и пищевые цепи животных и человека.
Для растений придорожные участки
представляют экстремальные места обитания. Растения испытывают прямое и косвенное (через почву) влияние тяжелых металлов и
антигололёдных средств. Кроме того, растения должны приспосабливаться к меняющимся
почвенным параметрам (уровень кислотности, содержание воды, баланс веществ).
Целью нашей работы являлось изучение антропогенного загрязнения придорожных полос урбанизированных территорий.
Были изучены:
• валовое содержание тяжелых металлов,
радиоактивных элементов, микроэлементов и остатков солей в пыли проезжих частей дорог;
• подвижность тяжелых металлов и
макроэлементов в исследуемой пыли;
• накопление токсичных и питательных
элементов в листьях придорожных деревьев.
Объект и методы исследований
Исследования проводились на территориях городов Люнебург (Германия), Краснокамск и Соликамск (Россия) (см. табл. 2).
Пробы твердых отложений отбирались в летний период непосредственно с проезжих частей на дорогах с разной интенсивностью движения (главные и второстепенные дороги). В каждом городе было исследовано по 6 крупных дорог и по
6 второстепенных дорог, расположенных в центе и на разном удалении от центра города (от 0 до 5 - 7 км). В качестве растительных объектов послужили листья липы мелколистной (Tilia cordata L.). Пробы листьев (приземный ярус) отбирались в точках сбора образцов пыли. Схема отбора проб позволила равномерно охватить всю территорию исследуемых городов. В качестве контроля служили пробы пыли с дорог и листья лип, отобранные в пешеходной зоне г. Люнебург, в 7.5 км от центра, и в 1.5 км от проезжих частей. Контроль в данном случае является весьма условным, поскольку пешеходные участки урбанизированных территорий также подвержены загрязнению в результате атмосферного переноса.
Обменную кислотность пыли определяли в солевой суспензии пыли (0.1 М раствор CaCl2).
В пыли содержание химических элементов определяли в гранулометрических фракциях менее 0.25 мм. Анализ валового содержания элементов в пыли и листьях проводился методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES) после мокрого озоления с использованием СВЧ-системы пробоподготовки. Подвижность элементов изучалась в водной вытяжке пыли. Валовое содержание редких и радиоактивных элементов определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS)
Работа проводилась в рамках совместного проекта университета г. Люнебург и Пермского государственного университета «Загрязняющие вещества на проезжих частях дорог» в 2006 - 2008 гг. при финансовой поддержке Немецкой службы академических обменов (DAAD).
Уровень кислотности влияет на физикохимические свойства поверхностных отложений на проезжих частях дорог. Кислотно-основные свойства играют существенную роль в миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Как показывает таблица 3, уровень кислотности твердых отложений на проезжих частях находится
Таблица 2
Общая характеристика исследуемых городов___________________________
Параметр Люнебург Краснокамск Соликамск
Климат Умерено-влажный Умерено-континентальный
Площадь, км2 73,34 68,0 165,0
Численность населения 72 299 (на 2007) 52 675 (на 2006) 98 200 (на 2007)
Промышленность Текстильная, пищевая, электроника, типографии Целлюлозно-бумажная, металлургия, химическая, пищевая, энергетика Г орнодобывающая, производство минеральных удобрений, пищевая, металлургия
Количество автотранспорта 32000 13665 23005
Таблица 3
Уровень обменной кислотности твердых отложений проезжих частей дорог
Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
7.4 ± 0.41 8.4 ± 0.54 8.3 ± 0.64 6.1±0.23
в слабощелочной и щелочной области. В пешеходной зоне значения рН лежат в
слабокислой области. Снижение уровня
кислотности на проезжих частях дорог связано, вероятно, с транспортировкой строительных
материалов, поступлением щелочных и
щелочноземельных элементов с выбросами
автотранспорта и в результате износа проезжей части.
Химический состав выбросов, поступающих на поверхность проезжих частей дорог, весьма разнообразен. В связи с этим химические
элементы, найденные в составе исследуемых твердых отложений, были разбиты на несколько групп по происхождению:
• тяжелые металлы, поступающие
непосредственно от автотранспорта,
• микроэлементы, поступающие из прочих источников,
• остатки антигололедных средств,
• макроэлементы.
В твердых отложениях проезжих частей дорог пешеходной зоны всех городов установлено достоверно повышенное содержание хрома, никеля и цинка (табл. 4). Повышенное накопление меди и свинца относительно контроля отмечено только в г. Люнебург, в российских городах содержание этих металлов сопоставимо с контролем. По суммарному содержанию тяжелых металлов в твердых отложениях проезжих частей исследуемые города можно расположить в
следующем порядке убывания:
Люнебург>Краснокамск>Соликамск. Во всех городах на проезжих частях дорог преимущественно накапливается цинк. По характеру накопления других тяжелых металлов города отличаются. В дорожной пыли Люнебурга, включая пешеходную зону, следующими по содержанию за цинком элементами являются медь и свинец, а в российских городах - никель и хром. Т.е. поступление тяжелых металлов в дорожную пыль имеет региональную специфику.
В составе дорожной пыли обнаружены микроэлементы В, Со, Мп и Sr (см. табл. 5). Содержание микроэлементов в пыли проезжих частей дорог всех исследуемых городов достоверно превышает их концентрации в пешеходной зоне, за исключением марганца на территории г. Соликамск. Во всех городах отмечено наибольшее содержание марганца. Краснокамск отличается повышенным
содержанием бора и кобальта в пыли. Транспорт и автотранспортные сети являются, таким образом, существенным источником микроэлементов в окружающей среде. При повышенном содержании микроэлементы переходят уже в ранг тяжелых металлов, и за их миграцией в урбанизированных территориях необходим мониторинг.
В результате техногенной деятельности в городах и на промышленных территориях может существенно изменяться накопление рассеянных элементов, в том числе и радиоактивных.
Таблица 4
Валовое содержание тяжелых металлов в пыли, мг/кг
Элемент ПДК* Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
Cd 3 -** - - -
Сг 100 41.6±14.5 55.3±3.7 36.2±2.3 7.7±3.4
Си 100 133.3±58.7 30.7±8.5 32.6±9.1 28.4±12.3
№ 50 18.5±5.1 71.7±12.3 47.7±9.7 9.4±2.8
РЬ 100 54.6±32.2 22.0±10.4 21.0±8.3 23. 1±3.4
2п 300 205±112 92.4±20.1 61.0±8.4 45.6±4.9
Сумма 452.4 272.1 198.5 114.2
* ПДК для почв (по KlarscЫammverordnmg, 1982) ** ниже предела обнаружения (<0.1 мг/кг)
Таблица 5
Валовое содержание микроэлементов в пыли, мг/кг______________________
Элемент ПДК Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
В 5 - 80* 44.8±9.4 57.7±10.7 48.5±6.1 23.8±2.3
Со 50 46.6±11.2 65.3±8.3 58.0±9.2 23.2±4.3
Мп 850 310±77 242±24 151±43 173±16
Sr 300 32.9±8.9 34±7.4 35±9.3 22.0±5.0
* нормальное содержание по Alloway, 1999
Таблица 6
Валовое содержание относительно редких и радиоактивных элементов в дорожной пыли,
мг/кг
Элемент Люнебург Соликамск/Краснокамск* Нормальное содержание**
Ag 0.10 0.44 0.01 - 5 (0.1)
As 0.96 0.96 2 1 2 О
Ве 0.12 0.08 -***
Bi 0.15 0.28 -
Cd 0.09 0.07 0.01 - 2
Cs133 0.28 0.20 -
Т1 0.06 0.05 0. 1 0. 8
и235 0.73 0.38 0.7 - 9
и238 0.26 0.17 0.7 - 9
* среднее значение для 2 городов, ** по Alloway (1999), *** - нет данных.
Таблица 6 отражает содержание относительно редких и радиоактивных элементов в пыли проезжих частей дорог. Использование метода ГСР-МБ позволило обнаружить в пыли элементы, не найденные менее чувствительным методом 1СР-OES. Найденные в составе дорожной пыли редкие и радиоактивные элементы используются в различных отраслях промышленности и энергетики. Исследуемые города отличаются по содержанию редких и радиоактивных элементов в пыли проезжих частей (табл. 6). Для Люнебурга характерно повышенное содержание Ве, Cs, и (оба изотопа). В российских городах отмечено
повышенное количество Ag и Вг По остальным элементам - As, Cd и Т1 - не выявлено достоверных отличий между городами. Количество редких и радиоактивных элементов находится в диапазоне нормального (фонового) содержания,
установленного для почвенного покрова.
Антигололедные средства, применяемые в зимний период на дорогах, являются источником щелочных и щелочноземельных элементов. В городах в качестве наиболее дешевых
антигололедных средств в основном используются соли. Более дорогие органические вещества применяются на специальных территориях,
например в аэропортах.
В пыли проезжих частей дорог исследуемых городов содержание магния достоверно выше, чем в пешеходной зоне (контроль). Повышенное
содержание натрия характерно только для проезжих частей дорог г. Люнебург и
Краснокамск. Соликамск отличается наибольшим содержанием кальция в дорожной пыли (табл. 7).
Наши исследования проводились через большой промежуток времени после зимы, поэтому содержание остатков солей едва ли можно связать с использованием антигололедных веществ. Скорей всего, накоплению натрия, кальция и магния в дорожной пыли способствует износ проезжей части, транспортировка строительных материалов и удобрений и
естественные процессы (эрозия прилегающего почвенного покрова).
Железо и алюминий являются самыми
распространенными металлами в литосфере, они относятся к типичным макроэлементам. Однако техногенная деятельность может приводить к изменению путей миграции этих элементов в антропогенных экосистемах. Содержание алюминия в пыли проезжих частей дорог не отличается от такового пешеходной зоны. Железо, напротив, активно накапливается в дорожной пыли, его содержание на проезжих частях до 2 раз выше, чем в пыли пешеходной зоны (табл. 8).
Наибольшее экологическое значение имеют подвижные формы химических элементов. Они активно вовлекаются в геохимическую миграцию и поглощаются живыми организмами.
Таблица 7
Валовое содержание щелочных и щелочноземельных элементов в дорожной пыли, мг/кг
Элемент Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
Са 7827±2404 8434±454 17111±2067 6874±876
Mg 1900±418 7195±673 5203±751 1012±328
№ 450±112 295±98 164±76 186±64
Таблица 8
Валовое содержание алюминия и железа в дорожной пыли, мг/кг__________________
Элемент Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
А1 5399±1160 6372±1390 4533±1254 3183±1742
Fe 10596±2110 13398±1765 11570±1045 6512±760
Таблица 9
Содержание водорастворимой фракции элементов в дорожной пыли (мг/кг) и их доля от _____________________________валового содержания______________________________________
Элемент Люнебург Краснокамск Соликамск
мг/кг % мг/кг % мг/кг %
В 0.52 1.16 0.08 0.14 0.15 0.31
Са 66 0.84 85 1.00 61 0.89
Со -- -- -- -- 0.03 0.05
Сг -- -- -- -- -- --
Си 0.52 0.39 0.12 0.39 0.10 0.30
Mg 10 0.53 15 0.21 13 0.08
Мп 0.38 0.18 0.04 0.02 0.03 0.02
№ 36 8 28 9.50 30 18.30
№ 0.02 0.11 0.02 0.03 0.04 0.08
РЬ 0.06 0.11 0.08 0.36 0.04 0.19
Sr 0.33 1.00 0.28 0.82 0.25 0.11
2п 0.37 0.19 0.10 0.11 -- --
Примечание: «--» - ниже предела обнаружения (<0.01 мг/кг)
В урбанизированных экосистемах подвижные формы токсичных элементов могут поступать в водосборные коллекторы и накапливаться в осадке сточных вод. Это представляет проблему для утилизации и использования осадков очистных сооружений. Подвижность макро-, микроэлементов и тяжелых металлов в пыли проезжих частей дорог исследуемых городов (табл. 9) крайне ограниченна. Хром вообще не переходит в водную вытяжку. Остальные элементы в водорастворимой форме составляют сотые, десятые доли и единицы процентов от валового содержания. Даже натрий, наиболее подвижный элемент, имеет очень низкую степень растворимости и находится, вероятно, в ионнообменной форме в составе коллоидов дорожной пыли исследуемых городов.
Химические элементы придорожных экосистем поглощаются растительностью через почву или через поверхность листовых пластинок. Тяжелые металлы в листве лип придорожных полос всех исследуемых городов (табл. 10) можно
расположить в следующий ряд убывания: 2п>Си>РЬ>№. Для лип контрольной пешеходной
Валовое содержание тяжелых металлов
зоны характерна точно такая же тенденция к накоплению тяжелых металлов. Вероятно, можно говорить о видовой специфике накопления липами тяжелых металлов. Как и в пыли дорог, в листьях лип на первом месте находится цинк. Такая закономерность может свидетельствовать о
техногенной аккумуляции цинка в исследуемых звеньях придорожных экосистем. Характер
накопления других тяжелых металлов в листьях имеет тенденцию, отличную от накопления их в дорожной пыли, что связано, скорее всего, со свойствами глубоких слоев почвы, где находятся корни деревьев.
Содержание хрома в листьях лип в
г. Краснокамск в два раза превышает токсичный уровень. Содержание свинца превышает уровень нормального содержания, но не достигает фитотоксичных концентраций.
По содержанию макроэлементов в листьях лип статистически достоверных отличий между вариантами исследований не установлено (таблица 11). Как и в случае поглощения тяжелых металлов, в поглощении кальция, магния и натрия липа проявляет видовую специфику.
Таблица 10
в листве придорожных лип, мг/кг сухого веса
Элемент Нормальное содержание* Токсический уровень* Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
Cd 0.1 - 1 5 - 10 --** -- -- --
Сг 0.1 - 1 0.1 - 1 -- 2.24±0.56 -- --
Си 2 - 20 5 1 2 О 10.8±2.6 12.3±3.7 9.85±2.43 11.5±1.2
№ 0.1 - 5 2 0 1 3 о 3.0±0.3 5.15±0.8 3.61±0.21 2.6±1.6
РЬ 1 - 5 0 1 2 о 5.8±0.5 6.67±0.56 5.68±0.78 4.6±0.7
2п 15 - 150 150 - 200 13.7±6.1 58.8±3.4 127±8.6 11.7±4.1
* по Alloway (1999); ** -- ниже предела обнаружения (<0.1 мг/кг)
Таблица 11
Общее содержание остатков солей в листве придорожных лип, мг/кг сухого веса
Элемент Люнебург Краснокамск Соликамск Контроль
Ca 11 867±1159 14 333±983 12 056±1037 10 383±2131
Mg 2 330±100 2 581±237 1 756±468 2 473±540
Na 471±289 158±48 131±87 206±41
Таким образом, исследования показали, что в пыли проезжих частей дорог резко снижается уровень кислотности. По содержанию тяжелых металлов в дорожной пыли отмечаются
региональные особенности. Автомобильное
движение обуславливает повышенное содержание микроэлементов в пыли проезжих частей дорог. Наиболее активно в исследованных частях урбанизированных экосистем (пыль, растения) накапливается цинк. Содержание химических элементов в листве липы мелколистной определяется видовыми физиологическими
особенностями растений и не зависит (в условиях исследований) от типа дорог и региона.
Содержание токсичных элементов в пыли
проезжих частей дорог в настоящее время не нормируется. По сравнению с ПДК для почвенного покрова, в дорожной пыли повышенное содержание кобальта и никеля в российских городах, меди и цинка (в отдельных пробах) - в Люнебурге. В листве лип содержание
опасных элементов находится ниже токсичного уровня.
Библиографический список
Alloway J. Schwermetalle in Böden: Analytik, Konzentrationen, Wechselwirkungen. / J. Alloway. Berlin et all.: Springer, 1999. 495 p.
Fritsche M. Schadstoffgehalte von Bankettschäl- und Kehrgut und deren umweltverträgliche Entsorgung / M. Fritsche, G. Becker. Forschungsbericht FE. No. 03.222-R-90-l. Münster: Fachhochschule
Münster Verlag. 1992. 165 s. Klärschlammverordnung - AbfKlärV vom 25.6.1982 // Bundesgesetzblatt. 1982. T. 1. S. 734-738. Wegelin Th. PAK und Schwermetalle in Böden entlang stark befahrener Strassen. / Th. Wegelin. // Umwelt Praxis. 1997. № 11. S. 27-29.
WHO air quality guidelines global update // 2005.
http://www.euro.who.int/Document/E87950.pdf Wichmann-Fiebig M.Feinstaub - eine bleibende Herausforderung fur die Luftreinhaltung / M. Wichmann-Fiebig, H.-J. Hummel // Umweltbundesamt. Jahresbericht, 2005. S. 16-24.
Polluting substances in a dust of travellers of parts and in wood vegetation of roadside strips of a city zone
R.V. Kaygorodov, M.I. Tiunova, A.A. Druzshinina
The maintenance of heavy metals, micro- and macroelements in a dust of travelers of parts and Tilia cordata of the cities of Ljuneburg (Germany), Solikamsk and Krasnokamsk (Russia) is investigated. The maintenance of heavy metals in a dust of roads shows regional specificity. Accumulation of metals in foliage of lindens is defined by specific physiological features of a plant. The raised maintenance of lead, zinc, copper, nickel, chrome and other microelements in a dust of travelers of parts is established. The maintenance of dangerous elements in linden leaves essentially below phytotoxic level.
