Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова г. Северодвинска

Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова г. Северодвинска / Ю. С. Коробицина [и др.] // Научный диалог - 2013. - № 3(15) : Естествознание. Экология. Науки о земле. - С. 75-93.

УДК 550.423+504.064.2

Экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова г. Северодвинска

Ю. С. Коробицина, Л. Ф. Попова, А. И. Васильева, Т. В. Усачева

В статье дается химико-аналитическая оценка экологического состояния почвенного покрова города Северодвинска и степени его загрязнения такими тяжелыми металлами, как медь, цинк, свинец, кадмий, ванадий, никель, марганец, кобальт и ртуть. На основе данных о валовом содержании этих металлов в почвенном покрове промышленной и селитебной зон города рассчитаны коэффициент концентрации и суммарный показатель загрязнения. Установлено, что в почвенном покрове г. Северодвинска основными пол-лютантами являются Pb, ^, Zn, Cd, №, при этом почвенный покров промышленной зоны имеет большую степень загрязнения, чем почвенный покров селитебной зоны.

Ключевые слова: тяжелые металлы; почвенный покров; валовое содержание; промышленная и селитебная зоны.

Почва - это весьма специфический компонент биосферы, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшая судьба зависит от ее химических и физических

свойств. Известно, что тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции.

Баланс привноса и выноса данных поллютантов в почвах показал, что концентрации ТМ в поверхностном слое почв в глобальном масштабе возрастают с расширением индустриальной и сельскохозяйственной деятельности человека. Есть признаки того, что поверхностный слой почв подвергается как локальному загрязнению, так и региональному переносу загрязнений. Региональное загрязнение почв происходит главным образом в промышленных районах и центрах крупных населенных пунктов. Наиболее важными источниками микроэлементов здесь являются промышленные предприятия, транспорт и коммунальные сточные воды [Кабата-Пендиас и др., 1989, с. 24].

Объектом исследования был выбран почвенный покров города Северодвинска, одного из трех городов Архангельской промышленной агломерации, расположенного в устье Северной Двины, основанного в 1938 году и являющегося центром атомного судостроения России [Эколого-аналитическая оценка..., 2012, с. 732]. Основные источники загрязнения окружающей среды в городе — предприятия теплоэнергетики (ОАО «ТГК-2» филиалы «Северодвинская ТЭЦ-1» и «Северодвинская ТЭЦ-2»), машиностроения и металлообработки (ОАО «ПО «Севмаш» и ОАО «ЦС «Звездочка»), пищевой промышленности, мебельное производство, автомобильный и железнодорожный транспорт (рис. 1).

По данным ФГБУ «Северное УГМС», за пятилетний период (2005-2010 гг.) в г. Северодвинске выбросы поллютантов от промышленных источников возросли на 9 % (2005 г. - 60,5 тыс. т., 2010 г. - 66,2 тыс. т.). Вклад автотранспорта в суммарные выбросы составил 19 % [Состояние загрязнения., 2011, с. 29-30].

Рис. 1. Схема расположения пробных площадей и источников загрязнения города Северодвинска

Для оценки уровня загрязнения почвенного покрова города Северодвинска тяжелыми металлами в промышленной и селитебной зонах было заложено 36 пробных площадей (1111). Отбор, хранение и транспортировка проб почв, взятых для анализа на тяжелые металлы, осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84.

Определение валового содержания Cd, Со,№, Мп, V проводилось на базе лаборатории биогеохимических исследований Института естественных наук и биомедицины Северного (Арктического) федерального университета имени М. В. Ломоносова (ИЕНБ САФУ) рентгенофлуоресцентным методом согласно ПНДФ 16.1.42-04; Н

— методом беспламенной атомизации (холодного пара) согласно ПНДФ 16.1:2.3:3.10-98; а РЬ, 2п, Си — атомно-абсорбционным методом согласно ПНДФ 16.1:2.2:2.3.36-02 с привлечением оборудования центра коллективного пользования научным оборудованием (ЦКП НО) «Арктика» САФУ имени М. В. Ломоносова.

Оценку проводили как по санитарно-гигиеническим критериям, так и по биогеохимическим коэффициентам. Результаты химического анализа представлены в таблице (табл. 1).

Анализ экспериментальных данных показал наличие полиметаллического загрязнения территории города Северодвинска.

Согласно классификации И. М. Яшина с соавторами, почвенный покров промышленной зоны характеризуется повышенным уровнем валового содержания РЬ, 2п, Си [Яшин и др., 2000]. В почвенном покрове на 11,1 % пробных площадей (1111) города Северодвинска наблюдается превышение ПДК РЬ, на 13,8 % 1111 - ПДК 2п, на 8,3 % 1111 - ПДК Си. Особенно высокие концентрации этих пол-лютантов отмечаются на пробных площадях, расположенных на территориях, прилегающих к ОАО «ЦС «Звездочка» и ОАО «Севмаш».

Почвенные покровы селитебной зоны имеют средний уровень валового содержания по РЬ, 2п и низкий - Си. Следует отметить,

Таблица 1

Валовое содержание ТМ, мг/кг, в почвенном покрове города Северодвинска

Зона Си Ъп РЬ нё С<1 № Со V Мп

Промышленная (п=4) 2.1-168.0* 65,2±3,3 1.8-220.2 85,2±4,3 0.8-172.3 60,3±3,0 <0,5 0.02-1.8 0,6±0,03 11.5^18.0 25,0±1,3 1.4-2.7 1,9±0,1 <10-21.8 14,3±0,7 144.7-266.3 211,3±Ю,6

Селитебная (п=32) 0.5-59.3 10,4±0,5 5.2-318.2 46,3±2,3 0.7-80.2 15,2±0,8 <0,5 0.02-2.8 0,2±0,01 7.8^19.0 19,9±1,0 0.2^1.3 2,1±0,1 8.8^11.7 21,2±1,1 92.9-297.2 200,6±Ю,0

пдк (МУ 2.1.7.730-99) 53,00 87,00 32,00 2,10 2,00 85,00 50,00 150,00 1500,00

Фон** 7,4±0,4 35,2±1,8 2,8±0,1 <0,1 <1,0 14,7±0,7 6,3±0,3 30,3±1,5 399±20

одк (ГН 2.1.7.2511-09) 33,00 55,00 32,00 н/д 0,50 20,00 н/д н/д н/д

Примечание: *В числителе - минимальное и максимальное содержание, в знаменателе - среднее содержание; ** средние значения содержания ТМ в почвах Архангельской области по данным станции агрохимической службы «Архангельская»; н/д - нет данных

Выпуск № 3 (15): ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. ЭКОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ НАУЧНЫЙ ДИАЛОГ. 2013

что почвенный покров 50 % 1111 селитебной зоны имеет средний уровень содержания Pb и, несмотря на то, что средняя концентрация цинка в почвенном покрове селитебной зоны составляет

0,5 ПДК, на 3 % 1111 обнаружено превышение ПДК данного поллю-танта в 3,7 раз. Это можно объяснить влиянием автотранспортной нагрузки, максимальной в данной зоне (рис. 2, 3, 4).

Содержание №, ^, Со, Cd, V, Mn в почвенном покрове всех исследуемых зон не превышает ПДК.

Аналогичная ситуация наблюдается при сравнении валового содержания данных металлов с ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК) для песчаных и супесчаных почв. Однако в почвенном покрове селитебной зоны по кадмию и никелю отмечены единичные случаи превышения ОДК в 5,7 и 2,5 раз, соответственно, а в почвенном покрове промышленной зоны средние концентрации данных металлов составляют 1,1 ОДК Cd и 1,2 ОДК №.

Для более полной оценки экологического состояния почвенного покрова города были рассчитаны коэффициенты концентрации (Кс) и суммарный показатель загрязнения (2с) [Пилюгина и др., 2007, с. 25, 29]. Коэффициент концентрации (Кс) широко используется для характеристики и выявления локальных техногенных аномалий, связанных с газопылевыми выбросами промышленных предприятий, их накоплением на урбанизированных территориях (табл. 2).

Таблица 2

Средние показатели коэффициентов концентрации (К) валового содержания ТМ в почвенном покрове г. Северодвинска

Си Zn РЬ Со Cd Ni V Мп

Промышленная зона

8,8±0,4 4 ± о 0 0 т, 0,3±0,01 0,6±0,03 1,7±0,09 0,6±0,03 0,5±0,03

Селитебная зона

1,4±0,07 1,3±0,07 5,4±0,30 0,3±0,01 3 о0 ©° -н о6 0о 1,4±0,07 0,7±0,04 0,5±0,03

Уровень валового содержания и степень загрязнения почв свинцом г. Северодвинск

Уровень валового содержания и степень загрязнения почв цинком г.Северодвинск

УрйНМЬ НЛЛОВСГй- содержания и сгапвнь ВДГрвЗНейНгЯ ІЮЧВ медью Г.С*В4рВДВЙмС*

Значения К таких металлов, как Со, Cd, V, Мп, в почвенном

с “ 5 5 5 5

покрове города Северодвинска указывают на отсутствие за -грязнения (или естественное колебание фона) данными металлами (Кс < 1,5). Почвы селитебной зоны слабо загрязнены Си, 2п и № (1,5 < Кс > 3,0). Аналогичная тенденция прослеживается и для промышленной зоны относительно 2п и №. При этом отмечено сильное загрязнение (5,0 < Кс > 10,0) почвенного покрова промышленной зоны медью, селитебной - свинцом. Очень сильное загрязнение (Кс > 10,0) имеет почвенный покров промышленной зоны только относительно свинца. По сравнению с фоновыми территориями, не испытывающими антропогенного воздействия, почвенный покров промышленной зоны подвергается большему техногенно-антропогенному воздействию, чем селитебная зона, вследствие расположенных там предприятий теплоэнергетики, машиностроения и металлообработки (рис. 5, 6, 7, 8).

На основе коэффициентов концентрации рассчитан суммарный показатель загрязнения 2с, нормативно закрепленный в МУ 2.1.7.730-99 и широко используемый в качестве интегрального показателя, отражающего общий вклад ТМ в загрязнение почвенного покрова.

Согласно этому показателю, почвенный покров промышленной зоны города испытывает умерено опасную степень загрязнения (2с = 31,0). Более того, обнаружены две 1111 с опасной степенью загрязнения ТМ. Это 1111, расположенные на территориях, прилегающих к ОАО «ЦС «Звездочка» (2с = 48,5) и ОАО «ПО «Севмаш» (2с = 82,8). Почвенный покров селитебной зоны испытывает допустимую (2с = 6,0) степень загрязнения (рис. 9). Наибольшая нагрузка на почвенный покров промышленной зоны может быть обусловлена спецификой техногенно-антропогенного воздействия (именно в этой зоне расположены предприятия ВПК).

Вероятность повышенного валового содержания свинца в почве г.Северодвинск

Вероятность повышенного валового содержания никеля в почве г.Северодвинск

Суммарный показатель загрязнении почв тяжелыми металлами I г.Ояеродвимгж

Рис. 9. Экологическое зонирование территории г. Северодвинска по категории загрязнения почвенного покрова ТМ (по валовому содержанию) согласно суммарному показателю техногенного загрязнения Zc

Множественный корреляционный анализ показал наличие достаточно сильной прямопропорциональной взаимосвязи между концентрациями определяемых металлов, уровнем рН и содержанием глины (табл. 3) в почвенном покрове промышленной зоны (коэффициент корреляции - г колеблется от 0,90 до 0,99), в то время как для почвенного покрова селитебной зоны данной зависимости не выявлено.

Таблица 3

Содержание глины и уровень рН почвенного покрова промышленной и селитебной зоны города Северодвинска

Зона города рН Содержание глины, %

6,50-7,50* 2,00-6,40

Промышленная 7,07±0,35 4,58±0,23

4,00-8,48 2,90-21,20

6,80±0,34 8,43±0,42

Примечание: *В числителе - минимальное и максимальное, в знаменателе - среднее значение.

Таким образом, в почвенном покрове промышленной и селитебной зон города Северодвинска основными поллютантами являются РЬ, Си, 2п, Cd, №, при этом значительный вклад в суммарное загрязнение поверхностного слоя городских почв вносят РЬ, Си, 2п. Ряд накопления металлов согласно Кс для селитебной зоны выглядит следующим образом: Cd < Со < Мп < V < 2п < № ~ Си < РЬ, а для промышленной: Со < Мп < Cd ~ < № < 2п < Си < РЬ. Установлено, что промышленная зона города Северодвинска отличается от селитебной более высокой степенью загрязнения вследствие мощной техногенной нагрузки, оказываемой предприятиями теплоэнергетики, военно-промышленного комплекса и судостроения.

Литература

1. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест : МУ 2.1.7.730-99 : 2.1.7. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы : введено в действие с 05.04.1999

[Электронный ресурс]. - Москва : Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 1999. - 38 с. - Режим доступа : http://www.dioxin.ru/ doc/mu2.1.5.7.730-99.htm.

2. Кабата-ПендиасА. Микроэлементы в почвах и растениях : монография / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас ; пер. с англ. Д. В. Гричука, Е. П. Янина ; под ред. Ю. Е. Саета. - Москва : Мир, 1989. - 439 с. - Пер. изд. : Trace elements in soils and plants / Alina Kabata-Pendias, Henryk Pendias.

3. Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложениях методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии : М-МВИ 80-2008. - Санкт-Петербург, 2008. - 29 с.

4. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа : ГОСТ 17.4.4.02-84. Введён в действие 01.01.1986. - Москва : Изд-во стандартов, 1985. - 8 с.

5. Пилюгина М. В. Экологический биогеохимический мониторинг : критерии, нормативы, коэффициенты : методические рекомендации / М. В. Пилюгина, Л. Ф. Попова, Т. А. Корельская. - Архангельск : Изд-во ПГУ 2007. - 48 с.

6. ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02. Методика измерений валового содержания кадмия, кобальта, марганца, меди, никеля, свинца, хрома и цинка в почвах, донных отложениях, осадках сточных вод и отходах методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. Утвержден: ФГУ Центр экологического контроля и анализа, 06.08.2002. - Москва, 2002. - 21 с.

7. ПНД Ф 16.1:2.3:3.10-98. Методика выполнения измерений содержания ртути в твердых объектах (почва, компосты, кеки, осадки сточных вод, пробы растительного происхождения) методом атомно-абсорбционной спектрометрии (метод «холодного пара»). Утвержден : Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды, 25.06.1998.

- Москва, 1998. - 13 с.

8. ПНД Ф 16.1.42-04. Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа. Утвержден : ФГУ Федеральный научно-методический центр анализа и мониторинга окружающей среды МПР России, 23.03.2004. - Москва, 2010. - 13 с.

9. Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории деятельности Северного УГМС за 2010 год : ежегодник / Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Северное УГМС ; отв. ред. А. А. Еремеева. - Архангельск, 2011. - 88 с.

10. Эколого-аналитическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова городов Архангельской промышленной агломерации / Л. Ф. Попова [и др.] // Фундаментальные исследования: химические науки. -2012. - № 11. - С. 731-734.

11. Яшин И. М. Почвенно-экологические исследования в ландшафтах / И. М. Яшин, Л. Л. Шишов, В. А. Раскатов. - Москва : Изд-во МСХА, 2000.

- 560 с.

© Коробицина Ю. С., Попова Л. Ф., Васильева А. И., Усачева Т. В., 2013

Ecological Evaluation of Heavy Metal Soil Pollution in Severodvinsk

Y. Korobitsina, L. Popova, A. Vasilyeva, T. Usacheva

The article presents a chemical analysis of the Severodvinsk soil's ecological condition and the degree of its pollution by such heavy metals as copper, zinc, lead, cadmium, vanadium, nickel, manganese, cobalt and mercury. The authors calculated the concentration ratio and the total pollution index based on data on the total concentration of these metals in the soil cover of the city's industrial and residential zones. It is found that the main pollutants of the Severodvinsk soil cover are Pb, Cu, Zn, Cd, Ni, and the soil pollution degree is bigger in the industrial zone rather than in the residential zone.

Key words: heavy metals; soil cover; total concentration; industrial and residential zones.

Коробицина Юлия Сергеевна, магистрант, Институт естественных наук и биомедицины, кафедра химии, Северный (Арктический) федеральный университет (Архангельск), Ujka23@yandex.ru.

Korobitsina, Y., Master's degree student, Institute of Natural Sciences and Biomedicine, Department of Chemistry, Northern (Arctic) Federal University (Arkhangelsk), Ujka23@yandex.ru.

Попова Людмила Федоровна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры химии, Институт естественных наук

и биомедицины; кафедра химии, Северный (Арктический) федеральный университет (Архангельск), ludap9857@mail.ru.

Popova, L., PhD in Chemistry, senior research scientist, associate professor, Department of Chemistry, Institute of Natural Sciences and Biomedicine, Northern (Arctic) Federal University (Arkhangelsk), ludap9857@mail.ru.

Васильева Алена Игоревна, аспирант, Институт экологических проблем Севера Уро РАН (Архангельск), vasilevaalena13@ya.ru.

Vasilyeva, A., post-graduate student, Institute of Ecological Problems of the North of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Arkhangelsk), vasilevaalena13@ya.ru.

Усачева Татьяна Владимировна, аспирант, Институт естественных наук и биомедицины, кафедра химии, Северный (Арктический) федеральный университет (Архангельск), utv1@mail.ru.

Usacheva, T., post-graduate student, Institute of Natural Sciences and Biomedicine, Department of Chemistry, Northern (Arctic) Federal University (Arkhangelsk), utv1@mail.ru.