Влияние выбросов промышленных предприятий г. Усть-Каменогорска на формирование элементного состава листьев тополя

УДК 504.7:628.4

ВЛИЯНИЕ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ЛИСТЬЕВ ТОПОЛЯ

1 л 4

© А.Р. Ялалтдинова1, Н.В. Барановская2, Л.П. Рихванов3

Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30.

Представлены результаты изучения элементного состава листьев тополя черного (Populus nigra L.), отобранных на территории г. Усть-Каменогорска. Целью исследования являлась оценка воздействия крупных промышленных предприятий города на формирование элементного состава листьев тополей, а также оценка сложившейся эко-лого-геохимической ситуации на территории города. Для оценки использовались такие биогеохимические показатели, как особенности элементного состава, ассоциативные ряды концентраций химических элементов и их индикаторные соотношения. В результате было выявлено, что специфика промышленных предприятий находит отражение в элементном составе листьев тополей. Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: тополь черный; Усть-Каменогорск; промышленные предприятия; биогеохимические показатели; индикаторные соотношения элементов.

UST-KAMENOGORSK INDUSTRIAL EMISSION EFFECT ON POPLAR LEAVES ELEMENT

COMPOSITION FORMATION

A.R. Yalaltdinova, N.V. Baranovskaya

Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin pr., Tomsk, 634050, Russia.

The article introduces the research results of the element composition of black poplar leaves (Populus nigra L.), sampled in the town of Ust-Kamenogorsk. The purpose of the study is to assess the impact of large industrial enterprises on the formation of poplar leaves element composition and evaluate the current ecological and geochemical situation in the town. Investigation has been performed using the following biogeochemical indicators: features of element composition, associative ranks of chemical elements concentrations and their indicative ratios. The obtained results allowed to conclude that the specifics of industrial enterprise is reflected in the element composition of poplar leaves. 5 figures. 2 tables. 9 sources.

Key words: black poplar; the town of Ust-Kamenogorsk; industrial enterprises; biogeochemical indicators; indicative element ratios.

Введение. Живые организмы являются, по определению В.И. Вернадского [3], наиболее могущественной силой геохимических процессов, протекающих на земной поверхности. Они селективно поглощают из окружающей среды химические соединения, закономерно преобразуют эти соединения и высвобождают их в окружающую среду, вызывая тем самым биогенную дифференциацию элементов. С другой стороны, особенности химического состава среды предопределяют состав организмов. В силу этих особенностей изучение живого вещества нашло применение в биогеохимических методах поиска месторождений полезных ископаемых (А.П. Виноградов, А.Л. Ковалевский, Д.П. Малюга, С.М. Ткалич и др.), а также в геохимической экологии (В.В. Ковальский, В.В. Ермаков, В.А. Алексеенко и др.), в частности для райо-

нирования территорий с интенсивным техногенным воздействием (Рихванов Л.П., Ивашов П.В. и др.).

Высшие растения особенно удобны для оценки состояния урбанизированных территорий, поскольку накапливают следовые элементы и вдоль загруженных автодорог, и вблизи промышленных предприятий, и в городской среде. Это обусловлено наличием хорошо развитых корневой и подводящей систем; элементы поступают в ткани растений как из почвы, так и из атмосферы. Концентрирование специфичных для данной территории химических элементов растениями-индикаторами позволяет идентифицировать элементы-загрязнители, определять влияние выбросов основных промышленных предприятий, оконтуривать зоны их интенсивного воздействия. На наш взгляд, тополь является подходящим индикатором состояния

1Ялалтдинова Альбина Рашидовна, аспирант, тел.: 89234403532, e-mail: yalaltdinova.aly@mail.ru Yalaltdinova Albina, Postgraduate, tel.: 89234403532, e-mail: yalaltdinova.aly@mail.ru

2Барановская Наталья Владимировна, доктор биологических наук, профессор кафедры геоэкологии и геохимии, тел.: (3822) 418910, e-mail: natalya.baranovs@mail.ru

Baranovskaya Natalya, Doctor of Biology, Professor of the Department of Geoecology and Geochemistry, tel.: (3822) 418910, e-mail: natalya.baranovs@mail.ru

3Рихванов Леонид Петрович, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоэкологии и геохимии, тел.: (3822) 418910, e-mail: rikhvanov@tpu.ru

Rikhvanov Leonid, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Professor of the Department of Geoecology and Geochemistry, tel.: (3822) 418910, e-mail: rikhvanov@tpu.ru

городской среды в силу широкого географического распространения и высокой адаптационной способности [1].

На территории г. Усть-Каменогорска (Республика Казахстан) было проведено исследование элементного состава листьев тополя черного с целью оценки сложившейся эколого-геохимической ситуации и воздействия крупных промышленных предприятий города на окружающую среду и живые объекты. Неблагоприятная экологическая обстановка сложилась на территории города в силу его расположения на равнинном участке, окруженном горными хребтами, что препятствует рассеиванию вредных выбросов его многочисленных предприятий. К предприятиям первой категории опасности в г. Усть-Каменогорске относятся: ТОО «Казцинк» (СЦК) - цинковое, свинцовое и аффинажное производства, ТОО «AES Усть-Каменогорская ТЭЦ» (УК ТЭЦ), АО «Ульбинский металлургический завод» (УМЗ), выпускающий топливо для АЭС, тантал и бериллий, а также ОАО «Усть-Каменогорский тита-но-магниевый комбинат» (ТМК), производящий помимо титана и магния скандий и ванадий [4].

Материалы и методы. В соответствии с расположением основных источников выбросов, направлением преобладающих ветров (юго-восточное, северозападное) и особенностями рельефа на территории г. Усть-Каменогорска была заложена 101 пробная площадка. Отбор проб листьев тополя черного производился в конце августа 2011 года (после остановки вегетационного роста) из нижней части кроны, на высоте 170-180 см. Охватывалось максимально возможное количество веток со всех сторон света. Вес пробы в первичной сырой массе составлял порядка 100 грамм (10-12 листьев с одного дерева). В период отбора и за 2 недели до него осадков не наблюдалось, что снижает вероятность обильного вымывания загрязняющих веществ в период отбора и увеличивает достоверность результатов.

Сразу после отбора листья промывались небольшим количеством дистиллированной воды и высушивались при комнатной температуре. Затем измельчались, взвешивались перед озолением, озолялись в муфельной печи при температуре 600°С в течение 2 часов с момента достижения заданной температуры, а также взвешивались после озоления, что позволило рассчитать коэффициент озоления и дальнейшие расчеты проводить на сухую массу. В золе листьев определялись 28 химических элементов посредством инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА), осуществляемого на Томском исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т в лаборатории ядерно-геохимических методов исследования Томского политехнического университета (аналитики - с.н.с. А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская). Лаборатория аттестована и аккредитована в системе стандартов Российской Федерации, качество результатов анализов удовлетворительное. Исследования проведены с использованием стандартного образца сравнения (стандарт МАГАТЭ «Лист березы») (рис. 1).

Результаты исследования и их обсуждение. По результатам анализа были получены концентрации 28 химических элементов в 101 пробе золы листьев тополя черного (Populus nigra L.) (рис. 2).

Анализ разброса минимальных и максимальных значений относительно среднего позволяет дать первичную оценку эколого-геохимического состояния территории. Так, по незначительному разбросу и соответствию среднего медианному значению мы можем судить о нормальном распределении Ca, Sr, La и Rb, а также близком к нормальному для Sc, Fe, Cs, Hf. В свою очередь, неравномерное распределение при коэффициенте вариации более 70% имеют такие элементы, как Na, Cr, As, Ag, Sb, Nd, Eu, Tb, Ta, Au, U. Неравномерное распределение элементов может, вероятно, указывать на наличие техногенного источника их поступления.

% % % %

Рис. 1. Сопоставление результатов ИНАА, проведенного в ядерно-геохимической лаборатории (ЯГЛ) кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ, с паспортом-стандартом МАГАТЭ «Листья березы»

Рис. 2. Среднее содержание и разброс минимума-максимума химических элементов в сухом веществе листьев тополя черного

Согласно ранее проведенным исследованиям на данной территории [4, 7 и др.] было установлено, что наибольшее техногенное воздействие и соответственно загрязнение различных природных сред отмечается недалеко от центра города, вблизи северной промышленной зоны (СПЗ), на территории которой расположены СЦК, УМЗ, УК ТЭЦ и ряд более мелких предприятий. Таким образом, было принято решение разделить территорию на 4 условные круговые зоны с условным центром на промплощадке СЦК и соответствующими радиусами: 0,8-2 км, 2-5 км, 5-10 км и более 10 км (рис. 3). В первую зону попадают промышленная площадка и большая часть санитарно-защитный зоны. Вторая зона включает густонаселенные районы города, административные и культурные центры, а также промышленные предприятия, городские и технологические пути сообщения. В третью зону включены участки города, расположенные в направлениях ТМК, КШТ, УК ГЭС, станции защиты и аэропорт. Четвертая зона - окраины города, пригороды и районы, примыкающие к ТМК, УК ГЭС, п. Пра-порщиково. Для этих зон были построены геохимические ряды коэффициентов концентраций, рассчитанных относительно данных для «обобщенного стандартного растения», предложенного Б. Маркертом в 1992 г. [9] (табл. 1).

По результатам изучения характерных ассоциаций элементов для зон I—IV были выделены две основные группы элементов. К первой относятся элементы условно естественного происхождения, их коэффициенты концентрации не превышают единицы и незначительно отличаются в разных зонах: Rb, Ba, Ag, La, Ce, Sm, Eu, Yb, Lu, №. Вторую группу составляют элементы условно техногенного происхождения, коэффициенты концентрации которых во всех рядах превышают единицу и для которых прослеживается явная зависимость уменьшения их содержания с уве-

личением расстояния от предполагаемого источника поступления - Северного промышленного узла (Ta, U, Zn, As, Au, Sb). При этом в целом сокращается количество элементов с коэффициентом концентрации более 5 с 8 до 5 при уменьшении превышения с 6 до примерно 1,5 раз. Относительная концентрация тантала снижается более чем в 6 раз, урана - в 4,5 раза, цинка и золота - почти в 4 раза. Также следует отметить присутствие Th и Sc и появление Tb и Nd в некоторых концентрационных рядах. Эта ассоциация характерна для природных минералов, отмечается также значительный уровень аккумуляции Br во всех рядах.

В роли индикатора воздействия промышленных предприятий могут выступать как уровни накопления элементов, геохимические ряды, так и отношения элементов [1]. Соотношения Th/U, Br/U, La/Ce, La/Yb и легких лантаноидов к тяжелым (La+Ce/Yb+Lu) на территории г. Усть-Каменогорска представлены в табл. 2.

Медианные значения соответствуют соотношениям для «обобщенного стандартного растения», только значение Br/U на данной территории пониженное. Но следует обращать внимание на пространственное распределение и аномальные значения.

Природные и техногенные аномалии находят отражение в изменении отношения тория к урану в различных природных средах. Так, для почв вне зон техногенного воздействия характерно Th/U отношение, близкое к 3...4,5, тогда как в зонах техногенной трансформации почв этот показатель существенно ниже [6].

Это, в свою очередь, приводит к изменению их отношений в живых организмах и является информативным показателем степени техногенной трансформации природной среды. Живое вещество, как отмечал В.И. Вернадский [3], выступает концентратором урана. Для «стандартного» растения это соотношение составляет 0,5.

Рис. 3. Карта отбора проб листьев тополя черного на территории г. Усть-Каменогорска с нанесением условных круговых зон I-IV и профиля А-А:

- точка опробования;

- река;

С - склады отходов:

CD i-iv

- предприятия;

- условные круговые зоны с центром на проплощадке ТОО «Казцинк», радиусы которых соответ-

- условный профиль через СПЗ с северо-запада на

А-А

ственно равны 0,8-2, 2-5, 5-10 км и более 10 км; юго-восток

Таблица 1

Ассоциации химических элементов в сухой массе листьев тополя черного, произрастающего на территории г. Усть-Каменогорска

Зона (радиус, км) Характерная ассоциация химических элементов

I зона (0,8-2) Ta31 - Zn15 - U14- Na6,8 - Sb6,6 -Th6,3 - As5,8 - Br„ - C043 - S^ - AU33 -Sc2,4 - Nd=Fer1

II зона (2-5) Ta10 - Zn9,2 - Na=U6,6 - Th6,4 - Co5,8 - ВГ43 - S^e - Sc=As3,2 - Sb3 - Au2,5 - Ca2,2 - Feu

III зона (5-10) Th=Zn7,4 - U6,1 - Ta=Na5,6 - Co5,3 - S^5 - ВГ4 - AS35 - Sc2,g - Au2,a - Ca2,3 - Sb^a - FeM

IV зона (>10) Co88 - Br8,a - Th=Ta53 - Na5 - Sr43 -Zn4 - U31 - As2,8 - Ca=Sc25 - Tb1,5 - Au12 -Fe1,1

На территории города как в сухом веществе, так и в зольном остатке листьев тополя черного ТИ/и превышает единицу только в 25 пробах из 101, что указывает на повышенные уровни поступления урана в окружающую среду и накопление его живым веществом. При этом минимальные значения (от 0,05 до 0,5) отмечаются возле границы Северной промыш-

ленной зоны (рис. 4). Такой характер пространственного расположения низких значений ТИ/и, совпадающий с максимальным накоплением урана в листьях, по данным моноэлементной карты его распределения [8] с высокой вероятностью подтверждает, что источником поступления урана в окружающую среду является Ульбинский металлургический завод.

Таблица 2

Индикаторные показатели отношений элементов в сухой массе листьев тополя на территории _г. Усть-Каменогорска, в ближней и дальней зонах Северного промышленного узла_

Отношение элементов Медианное значение Min Max Ближняя зона СПЗ

Th/U 0,5 0,03 9,6 0,2 0,9

Br/U 255 59 7960 218 808

La/Ce 0,5 0,3 22 0,6 1

La/Yb 13 3,9 56 11 13

La+Ce/Yb+Lu 35 5,4 105 35 25

Рис. 4. Th/U в сухом веществе листьев тополя черного

Об этом же может свидетельствовать тенденция снижения содержания U и Ta по мере удаления от Северной промышленной зоны (рис. 5) по условно проведенному профилю А-А через СПЗ с северо-запада на юго-восток (с учетом преобладающих направлений ветров) (см. рис. 3).

В целом отмечается закономерное увеличение бром-уранового соотношения при переходе от ближ-

ней к дальней зоне за счет уменьшения содержания урана и роста содержания брома. Ареолы повышенных значений Br/U фиксируются в районе золоотвалов №3 Усть-Каменогорской ТЭЦ и №1 Согринской ТЭЦ, Титано-магниевого комбината и Комбината шелковых тканей. Аномальное высокое значение наблюдается на переходной границе от второй к третьей зоне к югу от Северного промузла, в районе частной застройки.

0.25

0.2

,_ 0.15

ас

0.1

0.05

О

543210 012345678

СЗ Растояние от СПЗ (км) ЮВ

Рис. 5. Изменение содержания U и Ta в сухой массе листьев тополя с увеличением расстояния от источника

эмиссии (СПЗ) по профилю А-А

Содержание легких лантаноидов в природе больше, чем тяжелых, в то же время церия в природе больше, чем лантана. Второе соотношение в целом выдерживается на данной территории, хотя отмечается порядка 15 проб, в которых отношение лантана к церию превышает единицу за счет низкого содержания церия. Аномальное отношение (22) наблюдается в дальней зоне вблизи КШТ. Первое же выражение выдерживается на всей территории, при этом легких лантаноидов больше всего во второй зоне, а меньше всего в четвертой. По величине как (1_а+Се)/(УЬ+1.и), так и 1_а/УЬ выделяется локальная зона с максимальными значениями, расположенная по «розе ветров» в юго-восточном направлении относительно северной промзоны. Повышенные отношения отмечаются также в южном направлении, на границе между второй и третьей зонами. Можно сделать предположение о поступлении этих элементов при переработке и складировании уранового материала, который может быть обогащен редкими землями [5].

Эти выводы были подтверждены при пространственном картировании загрязнения, список элементов-загрязнителей был дополнен [8]. В зоне воздей-

ствия АО «Казцинк» и Ульбинского металлургического завода ареолы повышенных относительно среднего для всей территории концентраций были отмечены для Zn, As, Ag, Sb, Ta, Au, U, их наличие может быть объяснено технологическими циклами предприятий. В районе титано-магниевого комбината были выявлены более высокие содержания Br и Sr.

Выводы. Результаты проведенной работы подтвердили ранее установленную неблагоприятную эко-лого-геохимическую обстановку на территории г. Усть-Каменогорска, которая обусловлена деятельностью крупных промышленных предприятий, расположенных, главным образом, в центре города (СЦК, УМЗ, УК ТЭЦ). Это находит отражение в изменении как непосредственно уровней накопления химических элементов в листьях тополя черного (Populus nigra L.), так и индикаторных соотношений некоторых элементов (Th/U, Br/U, La/Ce, La/Yb и La+Ce/Yb+Lu).

Таким образом, использованные биогеохимические показатели могут служить ориентиром для оценки воздействия аналогичных предприятий, в частности предприятий ядерно-топливного цикла, на других территориях.

Статья поступила 9.12.2013 г.

Библиографический список

1. Барановская Н.В. Закономерности накопления и распределения химических элементов в организмах природных и природно-антропогенных экосистем: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. 03.02.08. Томск: ТГУ, 2011. 46 с.

2. Барановская Н.В., Рихванов Л.П. Проявленность предприятий ядерно-топливного цикла при исследовании микроэлементного состава волос человека // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде: мат. 2-ой Междунар. научно-практ. конф., Семипалатинск, 16-18 октября 2002. Семипалатинск: Семипалат.ГУ, 2002. Т.2. С.445-448.

3. Вернадский В.И. Проблемы биохимии. М.: Изд-во АН СССР, 1940. Т.1. 47 с.

4. Комплексная оценка экологии и здоровья населения промышленного города / А.Б. Самакова [и др.]. Алматы: Багира ЛТД, 2005. 300 с.

5. Найманбаев М. Производство редкоземельных элемен-

тов в Казахстане // Промышленность Казахстана. 2008. №5. С.18-20.

6. Рихванов Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. Томск: Изд-во ТПИ, 1997. 384 с.

7. Эколого-геохимический атлас городов и промышленных центров Казахстана / Б.А. Досанова [и др.]. Алматы, 2001. 800 с.

8. Ялалтдинова А.Р., Рихванов Л.П., Барановская Н.В., Абикеева Ж.Е. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Усть-Каменогорска по результатам изучения золы листьев тополя черного (Populus Nigra L.) // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2012. №1 (18). С.94-99.

9. Markert B. Establishing of "Reference plant" for inorganic characterization of different plant species by chemical fingerprinting // Water, soil and air pollution. 1992. V. 64. Р.533-538.