Комплексная оценка загрязнения тяжелыми металлами почвогрунтов угольного разреза Кемеровской области

УДК 631.453

О. Б. Константинова, М. А. Яковченко, А. А. Косолапова, Д. Н. Аланкина, О. В. Русакова

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВОГРУНТОВ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

О. B. Konstantinova, М. А. Yakovchenko, А. А. Kosolapova, D. N. Alankina, О. V. Rusakova COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF SOIL POLLUTION OF COAL STRIP MINE WASTE HEAP WITH HEAVY METALS IN KEMEROVG REGION KEMEROVO STATE AGRICULTURAL INSTITUTE

Аннотация. В статье приведены результаты исследования загрязнения тяжелымиметалламипочвогрунтовпородных отвалов угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» г. Киселевска Кемеровской области. Приведена экотоксикологическая оценка почвогрунта по предельно-допустимым концентрациям подвижных форм тяжелых металлов. Для оценки уровня химического загрязнения рассчитан суммарный показатель загрязнения тяжелыми металлами.

Ключевые слова: рекультивация, породный отвал, угольный разрез, тяжелые металлы, предельно-допустимые концентрации, суммарное загрязнение.

Abstract. The article presents the investigation results of soil pollution of coal strip mine waste heap with heavy metals belonging to limited liability company «Koksovy» in Kiselyovsk Kemerovо region. The ecotoxicological soil estimation according to critical concentration of heavy metals mobile forms was done. To assess the level of chemical pollution the total index of heavy metal pollution was calculated.

Keywords: restoration, waste heap, coal strip mine, heavy metals, critical concentration, total pollution.

Ольга Борисовна Константинова

Olga Borisovna Konstantinova olykk@mail.ru

Марина Александровна Яковченко

Marina Aleksandrovna Yakovchenko кандидат химических наук, доцент

mara.2002@mail.ru

Анна Александровна Косолапова

Anna Aleksandrovna Kosolapova mara.2002@mail.ru

Дарья Николаевна Аланкина

Darya Nikolaevna Alankina mara.2002@mail.ru

Олеся Васильевна Русакова

Olesya Vasilyevna Rusakova mara.2002@mail.ru

Введение. Кемеровская область занимает ведущее место по объему промышленного производства в Сибирском регионе. Здесь сосредоточено 37 % промышленно-производственных фондов Западной Сибири. Площадь нарушенных земель составляете 250 тыс. га [1].

Ведение открытых угольных разработок увеличивает антропогенную нагрузку на окружающую среду. Территории, находящиеся в непосредственной близости к карьерам, со временем становятся непригодными для жизни [2].

Часто в результате перемещения геологических пластов на поверхности оказываются глубинные породы, которые отличаются по химическому составу, в том числе и по содержанию микроэлементов, от зональных почв. Выросшие на таких породах растения могут содержать в повышенных концентрациях токсичные элементы [3].

Одной из самых острых проблем Кемеровской области является накопление тяжелых металлов в почве и миграция их по цепям питания.

К тяжелым металлам условно относят химические элементы, атомная масса которых выше 50. Эти элементы обладают свойствами металлов и металлоидов. Согласно классификации Дж. Вуда (Wood, 1974), к очень токсичным (большинство из них тяжелые металлы) отнесены следующие химические элементы: Ве, Со, N1, Мп, Си, 2п, лб, Бе, Те, ЯЬ, С^ Ли, Р& БЬ, В1, Рг, Мо [4].

Следует отметить, что к этой группе отнесены Мп, 2п, Си, Со, Мо, являющиеся микроэлементами, а также широко используемые в сельском хозяйстве и медицине. Все дело в концентрации химического элемента в среде обитания: при дефиците его содержания он рассматривается как микроэлемент для живых организмов, а при избытке - как тяжелый

металл. Другими словами, речь идет не о токсичных элементах, а о токсичных концентрациях [5].

Для восстановления земель, нарушенных в результате добычи полезных ископаемых, проводится рекультивация, которая слагается из комплекса горнотехнических и биологических мероприятий. Целью рекультивации является создание на поверхности отвалов продуктивных биоценозов сельскохозяйственного или лесохозяйственного направления.

Одним из важных аспектов биологической рекультивации нарушенных земель является изучение пригодности земель для сельского или лесного хозяйства.

Целью настоящей работы является изучение загрязненности тяжелыми металлами породных отвалов угольного разреза Кемеровской области.

Исследования проводились на трех отвалах угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» г. Ки-селевска Кемеровской области.

Следует отметить, что проведение такого рода исследований для данного района очень актуально, так как угольный разрез ООО «Участок «Коксовый» расположен в центре города Киселевска и на сегодняшний день является действующим угольным предприятием.

Методика. На территории угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» в мае 2015 года сотрудниками Проблемной научно-исследовательской лаборатории рекультивации нарушенных земель ФГБОУ ВПО «Кемеровского ГСХИ» методом конверта были отобраны образцы из десятисантиметрового слоя почвы на трех породных отвалах согласно общеприня-

той методике отбора проб для проведения почвенного мониторинга [6].

Следует отметить, что в 2014 году на всех участках угольного разреза был проведен технический этап рекультивации. При этом на «Участок № 1» был нанесен ППСП, на «Участок № 2» ПСП, а «Участок № 3» представляет собой технозем.

Определение содержания тяжелых металлов (ТМ) проводили на атомно-абсорбционном спектрометре (ААС) в аккредитованной лаборатории ФГУ ЦФС «Кемеровский». Для экотоксикологической оценки почв использовали предельно-допустимые концентрации (ПДК) тяжелых металлов по их подвижным формам [7, 8].

Для оценки уровня химического загрязнения был рассчитан суммарный показатель (гс):

2С = 1

К

К ф

-1),

где гс - суммарный показатель загрязнения ТМ;

К1 - концентрация в почве конкретного элемента, мг/кг;

Кф - фоновая концентрация в почве конкретного элемента, мг/кг;

п - число суммарных элементов.

Критические значения, характеризующие суммарное загрязнение гс по степени опасности, таковы: при гс<16 загрязнение считается допустимым; при 16<гс<32 умеренно опасным; при 32< 2е<128 - высоко опасным [9].

Результаты. В таблице представлено подвижное содержание тяжелых металлов в почвогрунте исследуемых участков угольного разреза.

Таблица - Подвижное содержание тяжелых металлов в почвогрунте угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» Кемеровской области

- и

Привязка Подвижное содержание тяжелых металлов, мг/кг

РЬ са Си гп Мп N1 Со Сг

«Участок № 1» 1,64 0,13 0,13 3,80 15,70 2,28 1,43 0,97

«Участок № 2» 2,41 0,17 0,22 3,15 17,80 2,30 1,36 1,28

«Участок № 3» 3,82 0,37 0,87 1,37 15,70 4,20 2,76 0,93

ПДК 6,00 0,20 3,00 23,00 140,00 4,00 5,00 6,00

Установлено, что содержание подвижных форм свинца (РЬ) в исследуемых почвенных образцах варьировало в пределах от 1,64 до 3,82 мг/кг, что не превышает ПДК (6 мг/кг) (рисунок 1 а).

Загрязнение почв кадмием (Са) является опасной экологической проблемой, так как он способен накапливаться в растениях даже при незначительном загрязнении почв. Содержание подвижных форм кадмия в исследуемых почвенных образцах колеблется

в пределах от 0,13 до 0,37 мг/кг. Отмечено превышение ПДК (0,2 мг/кг) на «Участке № 3» (рисунок 1б).

Результаты лабораторного анализа показали, что содержание подвижных форм меди (Си) в исследуемых почвенных образцах изменялось в пределах от 0,13 до 0,87 мг/кг при ПДК=3 мг/кг (рисунок 2а).

Содержание подвижных форм цинка (гп) - от 1,37 до 3,80 мг/кг, что не превышает ПДК (23 мг/кг) (рисунок 2б).

мг/кг

7 -,

5 -4 -3

2 H 1 о

"Участок №1"

ПДК

I

I РЬ

"Участок "Участок №2" №3"

мг/кг

0,4 и 0,35 -0,3 -0,25 -0,2 - 0,15 -0,1 -0,05 -0

I I

"Участок "Участок "Участок №1" №2" №3"

ПДК

I Cd

Рисунок 1 - Содержание в исследуемых почвенных образцах: а - свинца; б кадмия

мг/кг

3,5 -,

3 -—

2,5 -

2 -

1,5 -1

0,5 -0

"Участок №1"

ПДК

I Си

"Участок №2"

"Участок №3"

мг/кг

20 -15 -10 -5 0

"Участок №1"

ПДК

IZn

"Участок №2"

"Участок №3"

Рисунок 2 - Содержание в исследуемых почвенных образцах: а - меди; б цинка

Варьирование содержания подвижных форм марганца (Mn) составило от 15,70 до 17,80 мг/кг, что является нормой относительно ПДК (140 мг/кг) (рисунок 3а).

Анализ почвенного образца «Участка № 3» показал незначительное превышение содержания

подвижных форм никеля (Ni) относительно ПДК (4 мг/кг). В целом по участкам отмечены колебания содержания подвижных форм никеля от 2,28 до 4,20 мг/кг (рисунок 3б).

мг/кг

140

120 -100 -80 -60 -40

20 H 0

"Участок №1"

ПДК

мг/кг

5

I Мп

"Участок №2"

"Участок №3"

I I

"Участок "Участок "Участок №1" №2" №3"

ПДК

Рисунок 3 - Содержание в исследуемых почвенных образцах: а - марганца; б - никеля

Концентрация подвижных форм кобальта (Со) в исследуемых почвенных образцах изменяется от 1,43 до 2,76 мг/кг, что не превышает ПДК (5мг/кг) (рисунок 4а).

Оценка уровня химического загрязнения почво-грунтов породных отвалов угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» Кемеровской области показала, что суммарный показатель загрязнения (2е) «Участка № 1», «Участка № 2» и «Участка № 3» соответствует допустимой категории загрязнения.

Выводы. Сотрудниками ПНИЛ рекультивации нарушенных земель Кемеровского ГСХИ в мае 2015 г. на территории угольного разреза ООО «Участок «Коксовый» Кемеровской области методом конверта на трех участках были отобраны образцы почвогрунта, согласно общепринятой методике, для лабораторного анализа на определение содержания подвижных форм тяжелых металлов.

По результатам проведенных исследований дана комплексная оценка загрязнения тяжелыми металлами почвогрунтов породных отвалов угольного разреза Кемеровской области.

Установлено, что почвогрунт «Участка № 1» с нанесением ППСП и «Участка № 2» с нанесением ПСП по содержанию тяжелых металлов соответствует ПДК. Повышенный уровень подвижных форм кадмия (Cd) и никеля (N1) отмечен в почво-грунте «Участка № 3», представляющего собой тех-нозем.

По суммарному показателю загрязнения тяжелыми металлами (2е) уровень загрязненности почвенных образцов всех трех участков относится к допустимой категории загрязнения.

Содержание подвижных форм хрома (Сг) коле -блется от 0,93 до 1,28 мг/кг, что соответствует уровню ПДК (6 мг/кг) (рисунок 4б).

Список литературы

1 Логуа М. Т., Поляков А. Д. Промышленное загрязнение сельскохозяйственных угодий Кемеровской области тяжелыми металлами // Проблемы агропромышленного комплекса. - 2006. № 1 - С. 48-49.

2 Хожина Е. И., Мазеина Л. П. Оценка риска воздействия техногенных ландшафтов на окружающую среду и поиск путей его уменьшения // Сборник тезисов докладов Всероссийского научного молодежного симпозиума «Безопасность биосферы-98» Екатеринбург, 1998. - С. 140.

3 Чибрик Т.С., Батурин Г. И. Биологическая рекультивация нарушенных промышленностью земель. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун.-та, 2003. - 36 с.

4 Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. - Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 151 с.

5 Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях : пер. с англ. - М. : Мир, 1989. - 439 с.

6 Опекунова М. Г. Биоиндикация загрязнений : учеб. пособие. - СПб. : Изд.-во С.-Петерб. ун-та, 2004. - 228 с.

7 Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве : Гигиенические нормативы. - М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотреб-надзора, 2006. - 15 с.

8 Серегина Ю. Ю., Семенова И. Н., Кужина Г. Ш. Комплексная оценка загрязнения тяжелыми металлами покрова прибрежной зоны р. Белая Белорецкого района Республики Башкортостан // Живые и биокосные системы -2013. № 3; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-3/article-4.

9 ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. - М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнад-зора, 2006. - 3 с.

мг/кг

б -

4 -3 -2 -1 О

ПДК

I

1Со

"Участок №1"

"Участок №2"

"Участок №3"

мг/кг

б - — 5 -4 -3 -2 -1 -О

"Участок №1"

ПДК

I Сг

"Участок №2"

"Участок №3"

Рисунок 4 - Содержание в исследуемых почвенных образцах: а - кобальта; б - хрома