Тяжелые металлы в почвах и овощных культурах в зоне влияния цементного завода города Семей (Республика Казахстан)

УДК 504.05

A.Н. Королёв

Омский государственный аграрный университет им. П.А. Столыпина, Омск

B.А. Боев

Тюменский государственный университет, Тюмень

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И ОВОЩНЫХ КУЛЬТУРАХ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ЦЕМЕНТНОГО ЗАВОДА ГОРОДА СЕМЕЙ

Приведены результаты исследований влияния атмосферных выбросов цементного завода на содержание тяжелых металлов в почвах и овощных культурах дачных участков в районе города Семей. Показано распределение тяжелых металлов в компонентах сырья, используемого для производства цемента, и указан источник поступления тяжелых металлов в цементную пыль. Установлено присутствие в атмосферных выбросах цементного завода таллия, являющегося опасным поллютантом, при весьма малых концентрациях в почвах и растительности. Выявлено, что основным источником тяжелых металлов в цементной пыли являются огарки, используемые для производства цемента. Представлены данные о содержании тяжелых металлов в почвах дачных участков, находящихся в зоне влияния цементного завода, и выращиваемых на них овощных культурах. Показано, что цементный завод загрязняет почвы и снеговой покров пылевыми атмосферными выбросами, что привело к образованию в почвах прилегающих территорий техногенной геохимической аномалии. Выявлено, что более 30% почв в пределах этой аномалии содержат повышенное количество тяжелых металлов, в том числе таллия. Установлено, что овощные культуры, выращиваемые в зоне влияния цементного завода, в высокой степени загрязнены тяжелыми металлами, а максимальное содержание таких элементов, как 2п, Cd, Си, Сг, РЬ, значительно превышает допустимые остаточные концентрации (ДОК). Содержание Т1 в овощных культурах также повышено, но не достигает ПДК. Показано, что в опасной степени тяжелыми металлами в зоне влияния цементного завода загрязнены 15-25%, выращиваемых на этой территории овощных культур, что объясняется большой мозаичностью загрязнения и относительно высокой буферной способностью почв. Уменьшению уровня загрязнения овощных культур способствуют также относительно невысокие концентрации тяжелых металлов в атмосферных выбросах цементного завода при больших объемах атмосферных выбросов и защитные способности овощных культур.

Ключевые слова: тяжелые металлы, цементный завод, атмосферный выброс, геохимическая аномалия, таллий, почва, овощная культура.

Введение

В городах многих государств СНГ имеется большое количество дачных и приусадебных участков, на которых местные жители выращивают овощные культуры, в основном для личного потребления. Почвы этих участков и выращиваемые на них овощные культуры подвергаются загрязнению атмосферными выбросами промышленных предприятий и объектов теплоснабжения городов. В числе прочих загрязнителей эти выбросы содержат тяжелые металлы (ТМ), многие из которых представляют значительную опасность для здоровья человека, попадая в организм при потреблении в пищу овощных культур, выращенных на загрязненной территории [1; 2].

Цементные заводы являются источниками пылевых выбросов в атмосферу, содержащих ТМ [3].

Поскольку в городе Семей цементный завод является одним из крупнейших предприятий с большим объемом выбросов в атмосферу, содержащих ТМ, которые загряз-

© Королёв А.Н., Боев В.А., 2017

няют расположенные в его зоне влияния почвы и растительность дачных участков, исследования имеют как теоретический, так и практический интерес.

Объекты и методы

В ходе рекогносцировочного этапа исследований была обработана и систематизирована информация о составе и объеме атмосферных выбросов цементного завода. Затем был проведен отбор проб почв с глубин 0-5 см и 5-20 см на территории промышленной зоны с целью определения границ техногенного ореола рассеивания, образуемого цементным заводом. Был также заложен полнопрофильный почвенный разрез для изучения вертикального распределения ТМ.

После определения границ техногенной аномалии, образуемой цементным заводом, был проведен основной этап исследований, который включал отбор проб почв по 4 румбам на расстоянии 50, 100, 200, 500, 1500, 2000 м от источника загрязнения. За точку отсчета были приняты трубы предприятия. В пробах определяли общепринятыми методами содержание гумуса, карбонатов, физической глины, величину рН, емкость катионного обмена для характеристики почв и последующего определения буферной способности почв по отношению к ТМ.

На дачных участках в зоне влияния цементного завода были отобраны пробы употребляемых в пищу органов овощных культур - плодов томата, огурцов; кочанов капусты, корнеплодов свеклы и моркови, луковиц репчатого лука.

Содержание кадмия и свинца в почвах и растениях определяли при помощи спектрометра с индуктивно связанной плазмой Spetra-clam и методом атомной абсорбции при помощи атомно-абсорбционного спектрофотометра ADS-3.

В качестве фоновых использовали концентрации кадмия и свинца в незагрязненной техногенной деятельностью почве, отобранной в 80 км от города.

Для оценки буферной способности почв по отношению к ТМ использовали градации, предложенные В.Б. Ильиным [4].

Результаты исследования

В результате проведенных исследований установлено, что в цементной пыли, выбрасываемой в атмосферу, содержатся в высоких концентрациях следующие ТМ (мг/кг): Zn - 8000, РЬ - 4000, Cd - 120, Си - 230, As - 59, Мо - 21, Т1 - 8,3. Основным источником загрязнения цементной пыли являются используемые в качестве компонента сырья огарки [5]. Так, содержание ТМ в огарках составляет (мг/кг): Zn - 3300, РЬ - 1300, Cd - 45, Си - 2500, As - 1040, Мо - 88, Т1 - 3,8. Высокое содержание тяжелых металлов в цементной пыли обнаружили также другие исследователи. Так, согласно данным, представленным Рэуце и Кырстя [6], в цементной пыли содержание Cd -31, Си - 218, РЬ - 836 мг/кг.

Атмосферные выбросы цементного завода и ТЭЦ-1 послужили источником формирования в почвах левобережной части города Семей цинково-свинцово-медно-хромово-никелевого загрязнения. Именно для этой почвенно-геохимической аномалии характерно наибольшее загрязнение городских почв. В частности, суммарный показатель загрязнения Zc в ядре этой аномалии достигает 155,3, а максимальное загрязнение почв наблюдается в районе промышленной площадки цементного завода.

Для почв в районе цементного завода характерно высокое содержание мобильных форм ТМ. В табл. 1 приведено содержание двух форм ТМ - кислоторастворимой и обменной, извлекаемых экстрагентами 1 н. НС1 и ацетатно-аммонийным буфером (рН 4,8) соответственно.

Хотя 1 н. НС1 представляет собой довольно агрессивный раствор и извлекает значительную часть содержащихся в почве ТМ, он широко используется в почвенно-

агрохимических исследованиях. В частности, на использовании этого экстрагента основан предложенный Г.Я. Ринькисом метод оптимизации минерального питания [7]. Извлекаемое этим раствором количество химических элементов следует рассматривать в качестве «ближнего резерва».

Ацетатно-аммонийный буфер, примененный для извлечения обменных форм химических элементов, согласно мнению ряда исследователей [8] извлекает наиболее доступную для растений форму химических элементов.

Таблица 1

Содержание мобильных форм тяжелых металлов в почвах в зоне влияния цементного завода

Местонахождение Максимальное содержание, мг/кг

техногенной Zn Pb Cu Cd

аномалии

Район цементного 185,0 86,0 71,0 32

завода 121,0 65,0 57,0 1,8

Фоновое содержание 6,0-8,5 2,5-3,8 0,22-0,43 0,04-0,08

1,3-9,5 1,5-2,3 0,22-0,65 0,04-0,06

Примечание. Над чертой - содержание кислоторастворимой формы (экстрагент - 1 н. HCl), под чертой - содержание обменной формы (ацетатно-аммонийный буфер, рН 4,8).

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, максимальное содержание мобильных форм представленных ТМ превышает фоновый уровень в десятки раз.

Приоритетные металлы - загрязнители почв обладают высокой мобильностью (доля мобильный форм этих элементов от валового содержания). Так, мобильность Zn достигает 50%, Cd - 65%, Си - 45%, что косвенно указывает на значительное загрязнение почвы. Такая высокая мобильность характерна для загрязненных почв в пределах геохимической аномалии, тогда как в менее загрязненных почвах доля мобильных форм не превышает 10% от валового содержания.

Значительному загрязнению атмосферными выбросами цементного завода подвергаются находящиеся вблизи предприятия дачные поселки «Мурат», «Бобровка», а также многочисленные огородные участки в поселках «Цементный», «Степной», «Западный».

Содержание приоритетных ТМ-загрязнителей в овощных культурах в пределах техногенной аномалии, ведущую роль в образовании которой играет цементный завод, показано в табл. 2. В этой таблице для сравнения приведено содержание этих же элементов в слабозагрязненных почвах поселка «Восточный».

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что максимальное содержание Zn, Cd, Си, Сг и РЬ в некоторых овощных культурах в зоне влияния цементного завода значительно превышает ДОК, а в овощах, произрастающих на незначительно загрязненной территории поселка «Восточный», содержание этих ТМ находится на фоновом уровне. Кроме приоритетных ТМ-загрязнителей, содержание некоторых других элементов (Мп, Со, Мо) также велико и превышает фоновый уровень. Однако в связи с отсутствием гигиенических нормативов оценить негативное влияние этих элементов на организм человека не представляется возможным. Высокое содержание циркония и ванадия обнаружено в свекле, произрастающей в зоне влияния цементного завода.

В овощных культурах, выращиваемых в зоне влияния цементного завода, отмечена повышенная концентрация таллия в органах запасания ассимилянтов. Содержание таллия в капусте, моркови, картофеле и свекле находится в пределах 0,06-0,19; 0,5; 0,19-0,33; 0,15-0,28; 0,19-0,45 мг/кг соответственно. Поскольку ПДК таллия в России не разработаны, были использованы ПДК этого элемента, разработанные в Германии и

равные 1 мг/кг. Подобным образом ситуация складывается в Западной Сибири, где имеет место загрязнение таллием овощных культур атмосферными выбросами Черно-реченского цементного завода [9].

Таблица 2

Содержание приоритетных тяжелых металлов-загрязнителей в овощных культурах в пределах техногенной аномалии и на слабозагрязненных почвах, мг/кг

Местонахождение

и источник Культура гп Cd Си Сг РЬ гг

загрязнения

Западная про- Томат 2,0-5,1 0,01-0,05 3,2-10,4 0,04-0,10 0,18-0,54 -

мышленная зона 3,7 0,02 5,6 0,07 0,37

Свекла 4,3-13,5 0,04-0,18 2,3-12,6 0,08-0,25 0,22-1,1 0,01

8,9 0,11 8,7 0,18 0,64

Морковь 2,6-10,3 0,02-0,08 1,5-9,3 0,05-0,28 0,2-10,5 -

6,2 0,05 4,5 0,17 0,6

Лук 2,1-8,5 0,02-0,07 1,0-7,8 0,04-0,15 0,11-0,75 -

5,8 0,05 4,5 0,09 0,51

Капуста 2,1-8,8 0,01-0,05 1,0-4,2 0,02-0,09 0,19-0,60 -

5,1 0,03 2,4 0,05 0,39

Картофель 2,9-19,0 0,02-0,11 2,8-12,3 0,08-0,24 0,17-1,3 -

10,1 0,07 9,1 0,16 0,71

Дачные участки Томат 0,8-2,5 0,002-0,004 0,1-1.1 0,003-0,008 0,008-0,15 -

поселка «Восточ- 1,1 0,003 0,6 0,005 0,1

ный» Свекла 1,3-2,6 0,006-0,008 0,04-0,9 0,06-0,10 0,05-0,29 -

1,9 0,007 0,43 0,08 0,17

Морковь 1,0-1,7 0,003-0,006 0,5-0,8 0,005-0,08 0,07-0,11 -

1,3 0,004 0,65 0,04 0,09

Лук 1,3-2,5 0,004-0,006 0,2-0,6 0,06-0,09 0,09-1,3 -

1,8 0,005 0,35 0,07 0,1

Капуста 0,8-1,7 0,01-0,02 0,2-1,2 0,01-0,07 0,05-0,11 -

1,2 0,014 0,2 0,045 0,07

Картофель 0,009-2,9 0,01-0,02 0,2-1,2 0,03-0,14 0,09-0,13 -

0,15 0,15 0,7 0,08 0,1

Примечание. Над чертой - пределы колебаний, под чертой - средняя арифметическая.

Однако далеко не все овощные культуры в пределах этой техногенной аномалии опасно загрязнены ТМ. Так, кадмием и цинком загрязнено только 15-28% всех овощных культур, а цинком и медью загрязняются главным образом корнеплоды. Это явление, снижающее остроту экологической ситуации, можно объяснить наличием защитных механизмов, ограничивающих поступление ионов ТМ в органы запасания ассими-лянтов [10], и высокой буферной способностью почв [11].

Заключение

Цементный завод является крупным источником поступления выбросов ТМ в атмосферу города Семей с цементной пылью, в которую элементы поступают из огарков, входящих в состав сырья.

Атмосферные выбросы являются основой для формирования техногенной аномалии в почвах в зоне влияния предприятия с цинково-свинцово-медно-хромово-никеле-вого загрязнением. Именно для этой почвенно-геохимической аномалии характерно наибольшее загрязнение городских почв.

Приоритетные металлы-загрязнители почв в пределах техногенной аномалии обладают высокой мобильностью.

Максимальное содержание Zn, Cd, Cu, Cr и Pb в некоторых овощных культурах в зоне влияния завода значительно превышает ДОК, а содержание некоторых других элементов (Mn, Co, Mo) также велико и превышает фоновый уровень.

Цементный завод является источником повышенного содержания таллия в овощных культурах.

В пределах техногенной аномалии, образовавшейся в зоне влияния цементного завода, опасно загрязнены ТМ только 15-28% всех овощных культур, что связано с большой мозаичностью почв и различиями в буферной способности.

A.N. Korolev

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk V.A. Boev

Tyumen State University, Tyumen

Heavy metals in soils and vegetable crops in zone of cement plant influence of Semej city

The investigations results of the atmospheric emissions influence of cement plant on the content of heavy metals in soils and vegetable crops of garden plots of Semej city are given. The distribution of heavy metals in components of raw materials used for cement production is shown and the source of heavy metals entering in cement dust is also pointed out. It is established the presence of thallium in the atmospheric emissions of cement plant which is dangerous pollutant at very small concentrations in soils and vegetation. It is revealed that the main source of heavy metals in cement dust are cinders, used for cement production. The data about content of heavy metals in soils of garden plots situated in zone of cement plant influence and vegetable crops grown on these soils are given. It is shown that cement plant pollutes the soils and snow cover with dust atmospheric emissions that resulted in formation of technogenic geochemical anomalies in the soils of adjacent territories. It is revealed that above 30% of soils within this anomaly contain the increased quantity of heavy metals, including thallium. It is established that vegetable crops grown in zone of cement plant influence at a high degree are polluted by heavy metals but the maximum content of such elements as Zn, Cd, Cu, Cr, Pb are greatly increased ARC (admissible residual concentration). The content of Tl in vegetable crops is also increased but do not reach MPC (maximum permissible concentration). It is shown that in dangerous degree in zone of cement plant influence vegetable crops grown in these territories are polluted by heavy metals on 15-25%, that is explained by large mosaic of pollution and comparatively high buffering power of the soils. Comparatively low concentration of heavy metals in atmospheric emissions of cement plant, at large volumes of atmospheric emissions and protective abilities of vegetable crops are promoted the reduction of pollution level of vegetable crops.

Keywords: heavy metals, cement plant, atmospheric emission, geochemical anomaly, thallium, soil, vegetable crop.

Список литературы

1. Ильин В.Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе «почва - растение» / В.Б. Ильин ; отв. редактор А.И. Сысо ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т почвоведения и агрохимии. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2012. - 320 с.

2. Убугунов В.Л. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях Улан-Уде / В.Л. Убугунов, В.К. Кашин. - Улан-Удэ : Изд-во БНЦ СО РАН, 2004. - 128 с.

3. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает [и др.]. - М. : Недра, 1990. - 345 с.

4. Ильин В.Б. Система показателей для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами / В.Б. Ильин // Агрохимия, 1995. - № 1. - С. 94-99.

5. Боев В.А. Содержание тяжелых металлов в цементной пыли и компонентах сырья, используемых для производства цемента / В.А. Боев, М.С. Панин // Материалы научно-практической конференции Семипалатинского педагогического

References

1. Il'in V.B. Tjazhelye metally i nemetally v sisteme "pochva - rastenieD / V.B. Il'in ; otv. redaktor A.I. Syso ; Ros. akad. nauk, Sib. otd-nie, In-t pochvo-vedenija i agrohimii. - Novosibirsk, Izd-vo SO RAN, 2012. - 320 s.

2. Ubugunov V.L. Tjazhelye metally v sadovo-ogorodnyh pochvah i rastenijah Ulan-Ude / V.L. Ubugunov, V.K. Kashin. - Ulan-Udje : Izd-vo BNC SO RAN, 2004. - 128 s.

3. Geohimija okruzhajushhej sredy / Ju.E. Saet [i dr.]. - M. : Nedra, 1990. - 345 s.

4. Il'in V.B. Sistema pokazatelej dlja ocenki zagrjaznenija pochv tjazhelymi metallami / V.B. Il'in // Agrohimija, 1995. - № 1. - S. 94-99.

5. Boev V.A. Soderzhanie tjazhelyh metallov v cementnoj pyli i komponentah syr'ja, ispol'zuemyh dlja proizvodstva cementa / V.A. Boev, M.S. Panin // Materialy nauchno-prakticheskoj konferencii Semipa-latinskogo pedagogicheskogo instituta im. Shakarima. -

института им. Шакарима. - Вып. 2. - Семипалатинск, 1992. - С. 3-5.

6. Рэуце К. Борьба с загрязнением почвы / К. Рэу-це, С. Кырстя. - М. : Агропромиздат, 1986. - 222 с.

7. Ринькис Г.Я. Оптимизация минерального питания растений / Г.Я. Ринькис. - Рига : Знание, 1972. - 352 с.

8. Горбатов В.С. О выборе экстрагента для вытеснения из почв обменных катионов тяжелых металлов / В.С. Горбатов, Н.Г. Зырин // Вестн. МГУ, Сер. Почвовед. - 1987. - № 2. - С. 22-26.

9. Ильин В.Б. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях Новосибирского научного центра и прилегающих территорий / В.Б. Ильин, Н.Л. Байдина // Эколог. химии. - 1993. - № 2. -С. 121-126.

10. Ernst W. Phisiological and bioheinical aspect of metal tolerance / W. Ernst // Effects of Air Pollutants on Plants. Manstied. Cambridge Cambl Univer Press. - 1976. - P. 115-133.

11. Боев В.А. Взаимосвязь между содержанием тяжелых металлов в овощных культурах и буферными свойствами почв на техногенно загрязненной территории / В.А. Боев // Материалы 3-й Российской биогеохимической школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы». - Новосибирск, 2000. -С. 237-238.

Королёв Александр Николаевич, кандидат биологических наук, доцент, Омский ГАУ, korolev66.66@mail.ru; Боев Виктор Александрович, кандидат биологических наук, доцент, Тюм-ГУ, vikboev2009@mail.ru.

Vyp. 2. - Semipalatinsk, 1992. - S. 3-5.

6. Rjeuce K. Bor'ba s zagrjazneniem pochvy / K. Rjeuce, S. Kyrstja. - M. : Agropromizdat, 1986. -222 s.

7. Rin 'kis G.Ja. Optimizacija mineral'nogo pi-tanija rastenij / G.Ja. Rin'kis. - Riga : Znanie, 1972. -352 s.

8. Gorbatov V.S. O vybore jekstragenta dlja vy-tesnenija iz pochv obmennyh kationov tjazhelyh me-tallov / V.S. Gorbatov, N.G. Zyrin // Vestn. MGU, Ser. Pochvoved. - 1987. - № 2. - S. 22-26.

9. Il'in V.B. Soderzhanie tjazhelyh metallov v pochvah i rastenijah Novosibirskogo nauchnogo centra i prilegajushhih territory / V.B. Il'in, N.L. Bajdina // Jekolog. himii. - 1993. - № 2. - S. 121-126.

10. Ernst W. Phisiological and bioheinical aspect of metal tolerance / W. Ernst // Effects of Air Pollutants on Plants. Manstied. Cambridge Cambl Univer Press. - 1976. - P. 115-133.

11. Boev V.A. Vzaimosvjaz' mezhdu soder-zhaniem tjazhelyh metallov v ovoshhnyh kul'turah i bufernymi svojstvami pochv na tehnogenno zag-rjaznennoj territorii / V.A. Boev // Materialy 3-j Ros-sijskoj biogeohimicheskoj shkoly "Geohimicheskaja jekologija i biogeohimicheskoe izuchenie taksonov biosfery". - Novosibirsk, 2000. - S. 237-238.

Korolev Alexander Nikolaevich, Cand. of Biol. Sci., Ass. Prof., Omsk SAU, korolev66.66@ mail.ru; Boev Viktor Aleksandrovich, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Tyumen State University, vikboev2009@mail.ru.

УДК 581.9(571.13) Н.В. Пликина

Омский государственный педагогический университет, Омск А.Н. Ефремов

Проектный институт реконструкции и строительства объектов нефти и газа, Омск

ЧУЖЕРОДНЫЕ ВИДЫ СОСУДИСТЫХ РАСТЕНИЙ ВО ФЛОРЕ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ: ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Представлены первые результаты исследования инвазионных и потенциально инвазионных видов сосудистых растений флоры Омской области. Основой предлагаемого списка видов послужили данные предварительного анализа источников Х1Х-ХХ1 вв., гербарных коллекций и личных сборов авторов. В результате получены сведения о вероятном времени появления, степени натурализации и распространении в регионе 90 инвазионных и потенциально инвазионных видов. На территории региона зарегистри-

© Пликина Н.В., Ефремов А.Н., 2017