Импактный биогеохимический мониторинг огородных экосистем города Горняка

руют рост и развитие активно растущих проростков и угнетают прорастание медленнорастущих побегов.

4. На основании выявленных закономерностей действия высоких концентраций глицерина нами предложена технологическая схема его использования для консервирования зерен пшеницы.

Библиографический список

1. Ленинджер А. Биохимия. — М.: Мир, 1976. — 957 с.

2. Рогожин В.В. Биохимия растений: учебник. — СПб.: ГИОРД, 2012. — 432 с.

3. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. — М.: Мир, 1976. — 541 с.

4. Рахманкулов Д.Л., Кимсанов Б.Х., Ча-нышев Р.Р. Физические и химические свойства глицерина. — М.: Химия, 2003. — 200 с.

5. Аграненко В.А., Федорова Л.И. Замороженная кровь и ее клиническое применение. — М.: Медицина, 1983. — 96 с.

6. Рогожина Т.В., Рогожин В.В. Физиоло-го-биохимические механизмы прорастания зерновок пшеницы // Вестник АГАУ. — 2011. — № 8. — С. 17-21.

7. Рогожин В.В., Курилюк Т.Т., Рогожина Т.В. Участие оксидоредуктаз в механизмах покоя и прорастания зерен пшеницы // Сельскохозяйственная биология. — 2012.

— № 1. — С. 60-65.

8. Лакин Г.Ф. Биометрия. — М.: Высш. шк., 1990. — 352 с.

9. Рогожин В.В., Верхотуров В.В. Влияние антиоксидантов на всхожесть семян пшеницы // С.-х. биология. — 2001. — № 3. — С. 73-78.

+ + +

УДК 631.438

С.В. Бабошкина, И.В. Горбачев, С.Н. Балыкин, И.А. Егорова, С.С. Мешкинова

ИМПАКТНЫЙ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОГОРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ГОРОДА ГОРНЯКА

Ключевые слова: хвостохранилища, металлы, цинк, медь, свинец, кадмий, атомно-абсорбционный анализ, огородные почвы, морковь, фоновые концентрации, ОДК, ПДК, миграция.

Введение

Изучение загрязнения тяжелыми металлами огородных почв, овощей, зерновых культур, фруктов в рамках экологических исследований, направленных на установление взаимосвязей «окружающая среда — человек», весьма актуально и в настоящее время, поскольку в организм человека тяжелые металлы поступают в основном с растительной пищей. В рационе питания людей в нашей стране, особенно в небольших городах, таких как г. Горняк (Алтайский край, Локтевский район) существенным источником растительной пищи являются овощи, выращенные на приусадебном участке. Поэтому изучение химического состава огородных почв и овощных культур является, на наш взгляд, одним из наиболее рациональных способов увязать состояние окружающей среды и здоровье человека.

Объекты и методы

Алтай является одним из богатейших регионов России по запасам полезных ископаемых. На изучаемой нами территории разрабатывались и в настоящее время разрабатываются полиметаллические месторождения. В г. Горняке более 50 лет функционировал Алтайский горно-обогатительный комбинат, где перерабатывали руды с ряда месторождений Алтая и получали концентраты меди, цинка, свинца. За время работы комбината с северо-западной стороны от г. Горняка из отработанной руды образовалось два больших хвостохранилища общей площадью около 1 км2.

По результатам наших предыдущих исследований в верхнем слое старого отвала АГОКа валовое содержание Си колебалось от 976 до 27005 мг/кг, концентрация Zn — от 550 до 16575, РЬ — от 843 до 10745 мг/кг, Cd — от 1 до 21 мг/кг [1, 2]. Было установлено, что одной из главных экологических проблем прилегающих территорий АГОКа в условиях засушливого климата Северо-Западного Алтая является распространение пыли и мелкодисперсных аэрозолей, насыщенных тяжелыми метал-

лами, с поверхности высыхающих хвосто-хранилищ [2]. Поэтому огородные почвы и возделываемые на частных подворьях г. Горняка овощные культуры также могут содержать повышенные концентрации тяжелых металлов. Отметим, что территория г. Горняка более чем на s занята частным сектором.

Цель исследования — установить уровень загрязнения основными рудными химическими элементами компонентов аргоэкоси-стем г. Горняка и выявить особенности их пространственного распределения в огородных почвах и моркови.

Задачи исследования:

• определить содержание и особенности пространственного распределения тяжелых металлов в педосфере г. Горняка;

• обосновать различия в содержании тяжелых металлов в почвах, а также моркови, выращенной на различном расстоянии от источников техногенного воздействия;

• оценить современный уровень загрязнения тяжелыми металлами компонентов огородных экосистем г. Горняка по санитарно-гигиеническим и эколого-биогеохими-ческим показателям.

Объекты и методы исследования

Исследования проводили в 2011 г. Образцы огородных почв и моркови (по 24 образца) в г. Горняке отбирались во дворах домов, расположенных по параллельным улицам, находящимся от эпицентра воздействия (хвостохранилищ АГОКа) на различном расстоянии и равноудаленным друг от друга. Были выбраны три улицы: Кирова (первая по приближенности к отвалам), Суворова (вторая по приближенности к отвалам улица) и Алтайская (максимально удаленная от отвалов улица) (рис.).

Отбор проб почв на огородных участках осуществляли методом конверта. Почвенные образцы в отдельном помещении высушивали до воздушно-сухого состояния, просеивали через сито 1 мм. Содержание гумуса в почвах определялось по методу Тюрина, с титриметрическим окончанием, емкость катионного обмена — по Бобко-Аскинази-Алешину, рН — потенциометриче-ски, гранулометрический состав почв — физико-химическим методом по Качинскому

[3].

Пробоподготовку и анализ почв на валовое содержание тяжелых металлов проводили в соответствие с ПНД Ф 16.1:2.2:2.3.36-02 атомно-абсорбционным методом на приборе SOLAAR-M6 в химико-аналитическом центре ИВЭП СО РАН с использованием пламенной и электротермической атомизации. Для градуировки прибора применяли стандартные растворы ГСО изучаемого элемента. Контроль правильности проводили с помощью образцов сравнения stream sediment NCS DC 73307.

Корнеплоды после доставки в лабораторию тщательно мыли, ополаскивали дистиллированной водой, резали на небольшие кусочки и взвешивали. Затем образцы были высушены до воздушно-сухого состояния и снова взвешены (для определения влажности образца). Навески сухой массы моркови (10-15 г) подвергали озолению в муфельной печи в фарфоровых тиглях при температуре 600°C в течение 4 ч. Определение химических элементов в образцах моркови было выполнено многоэлементным атомноэмиссионным методом дуговым аргоновым двухструйным плазматроном (система регистрации — спектрограф ДФС8) в ИПА СО РАН.

Рис. Схема расположения выбранных улиц г. Горняка и точек отбора почвенных и растительных проб

Чтобы сравнить результаты определения содержания металлов в моркови с литературными данными, пересчитывали содержание металлов в золе моркови на сухое вещество, а чтобы сравнить полученные значения с ПДК, пересчитывали на сырое вещество. Расчет зольности сухого вещества проводился по формуле, %:

Zol.dry = (mZo*100%)/mdry,

где mdry — масса навески сухого вещества моркови, г;

mzoi — масса золы, получившейся из взятой навески сухого вещества, г.

Расчет содержания сухого вещества проводился следующим образом, %:

D = (mdry*100%)/mw,

где mdry — масса сухого вещества моркови (всего образца после высушивания), г; mw — масса сырого образца, г.

Расчет зольности на влажную массу осуществляли по формуле, %:

Zol.w. = Zol.dry,%/(100/D, %),

Пересчет концентрации элемента на сырое вещество выполняли по формуле, %: Сw.m.=CzOІ../(100/ Zol.w.), где CZol. — концентрация элемента в золе.

Статистическую обработку данных проводили стандартными методами с использованием программы Microsoft Excel. Рассчитывали среднее арифметическое и его ошибку, стандартное отклонение, коэффициент вариации, среднее геометрическое.

Загрязнение почв оценивали методом сравнения ОДК [4], фоновыми концентрациями металлов в данном регионе [5], кларковыми содержаниями элементов в почвах (по Виноградову А.П., 1957 [6]), загрязнения растений — со среднемировыми фоновыми значениями [7].

Вычисления параметра уровня аномальности (или коэффициента фоновой концентрации) для каждого элемента выполнялись по формуле:

C

Кс = ,

' сф

где Кс — коэффициент аномальности (или коэффициент фоновой концентрации) j-того элемента в i-той пробе;

Сф| — фоновое содержание j-того элемента в объекте.

Коэффициент аддитивного (суммарного) показателя загрязнения рассчитывался по формуле:

Zc = Кс, + Кс2...+Ксп — (n-1), где n — количество определяемых элементов.

По суммарному показателю выделялись уровни загрязнения по шкале: 8-16 — низкий, 16-32 — средний, 32-128 — высокий и > 128 — очень высокий [7].

Кроме того, для оценки уровня загрязненности почв г. Горняка рассчитывался суммарный показатель загрязненности, как сумма отношений концентраций элементов в почве к ОДК:

ZCодк = !(Ме/ОДК0 — 1), где Ме — концентрация химического элемента, мг/кг (Нормы и критерии..., 1996).

Результаты исследований и их обсуждение

Содержание гумуса в верхнем горизонте огородных почв г. Горняка в среднем составляет 7,8±0,6% (^ = 20%); содержание органического вещества увеличено по сравнению с результатами 20-летней давности, очевидно, за счет применения удобрений [5]. Реакция среды нейтральная и слабощелочная, рН изменяется от 6,8 до 8,2. Содержание физической глины в огородных почвах колеблется в пределах от 32 до 41%. Таким образом, для исследуемых почв мы руководствовались нормативом ориентировочно допустимых концентраций металлов для почв группы «в» — близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые) [4].

По результатам нашего исследования содержание основных рудных металлов (Си, Zn, РЬ) в огородных почвах г. Горняка во всех пробах превышает региональный фон (концентрации в черноземах обыкновенных Северо-Западного Алтая) [5] и Кларк в почвах [6] (табл. 1). Так, стандартизованные по кларковым значениям концентрации рудных металлов в почвенных пробах г. Горняка изменяются по кадмию от 0,62 до 3,6, меди

— от 1,1 до 6,5, цинку — от 2,0 до 7,4, свинцу — от 4,8 до 9,7 (табл. 2). Содержание металлов, приведенные по фоновым значениям, варьируют следующим образом: по кадмию — от 2,0 до 10,7, меди — от 1,3 до 5,0, цинку — от 1,2 до 5,2, свинцу

— от 2,1 до 3,7 (табл. 3).

По содержанию в огородных почвах г. Горняка наибольшим превышением Кларка (из изученных нами элементов) отличается свинец, тогда как превышение фонового уровня содержания наиболее существенно по кадмию.

В 6 из 10 образцов огородных почв г. Горняка обнаружено превышение ОДК по цинку, до 1,7 раза, что составляло 382 мг/кг. По кадмию превышения ОДК установлено не было, но в отдельных точках по ул. Кирова содержание кадмия в почвах очень близко по значению к ОДК.

Наиболее высокие аддитивные коэффициенты аномальности ^с) и суммарные показатели загрязнения ^содк) были установлены в почвах частных подворий домов по ул. Кирова. Здесь Zc = 17-18, что соответ-

ствует среднему уровню загрязненности почвы [8].

Основной вклад в величину суммарного коэффициента загрязнения Zc огородных почв г. Горняка вносит кадмий. Как уже говорилось, его содержание наиболее существенно превышает фон — 0,15 мг/кг

(табл. 1). Отметим, что фоновый уровень кадмия для почв юга Западной Сибири —

0,074 мг/кг, а наиболее часто встречающееся содержание кадмия в почвах городов

— от 0,05 до 1 мг/кг [9-10]. По результатам 1991 г., максимальное содержание

кадмия в почвах окрестностей отвалов АГОКа достигало 0,73 мг/кг. В настоящее время в г. Горняке содержание кадмия в огородных почвах заметно выше (0,3 до

1,8 мг/кг), но не превышает приводимых в литературе концентраций Cd в загрязненных почвах вокруг рудников, предприятий цветной металлургии и промышленно развитых городов Западной Европы [7, 10].

Элементом, определяющим величину суммарного загрязнения огородных почв г. Горняка Zcодк, является цинк. В России, в крупных промышленных городах, например, в Челябинской области, содержание цинка в почвах варьирует в пределах 352-1500 мг/кг [11]. В то же время, по данным некоторых последних работ, в почвах окрестностей металлургических производств (Череповецкий комбинат) валовое содержание цинка, как и концентрация его подвижных форм, не превышает ПДК [12].

Таблица 1

Содержание основных рудных и сопутствующих элементов в огородных почвах г. Горняка на разном удалении от эпицентра техногенного воздействия

Объект исследования Химические элементы, мг/кг

Cd Си РЬ Zn

Ул. Кирова (ближайшая к отвалам), п=10 0,53-1,8 1,1±0,1 30-86 63±6 48-81 65±4 145-382 241±25

Ул. Суворова (среднее расстояние от отвалов), п=8 0,3-0,7 0,62±0,1 22-30 50±11 50-97 65±4 92-217 160± 14

Ул. Алтайская (расположена дальше других от отвалов), п=8 0,41-0,6 0,5±0,04 25-39 30±3 48-54 49±1 90-149 119± 10

ОДК [4] 2 132 130 220

Кларк [6] 0,5 20 10 50

Региональный фон [1] 0,15 26 22 74

Таблица 2

Кларки концентраций элементов в пробах огородных почв г. Горняка

Объект С / Кларк

Cd Си РЬ Zn

Ул. Кирова 1,0-3,6 2,1±0,3 1,5-,3 3,1±0,3 4,8-8,1 6,5±0,4 2,9-7,4 4,8±0,5

Ул. Суворова 0,6-2,0 1,3±0,2 1,1-6,5 2,5 ±0,6 5,0-9,7 6,5±0,4 2,3-4,4 3,2±0,3

Ул. Алтайская 0.8-1.2 1,0±0,1 1,2-2,0 1,5±0,1 4,8-5,4 4,9±0,1 2,0-3,0 2,4 ±0,1

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в огородных почвах г. Горняка, стандартизованное по фоновым величинам

Объект С/Сф

Cd Си РЬ Zn

Ул. Кирова 3,3-10,7 1,1-3,3 2,2-3,7 2,0-5,2

7,1±0,9 2,4±0,2 2,9±0,2 3,3±0,3

2,0-4,7 0,8-5,0 2,3-4,4 1,2-2,9

Ул. Суворова 4,3±0,5 1,4±0,4 3,0±0,2 2,2±0,2

Ул. Алтайская 2,7-4,0 3,3±0,3 1,0-1,5 1,1±0,1 2,1-2,5 2,2±0,1 1,2-2,0 1,6±0,1

В результате проведенных исследований было установлено, что концентрация основных рудных и сопутствующих элементов в огородных почвах г. Горняка увеличивается по мере приближения участков к источнику загрязнения. Улица, расположенная наиболее близко к хвостохранилищам (ул. Кирова), отличается наиболее высоким содержанием Cd и Zn в почвах. Суммарный показатель загрязнения почв на этой улице Zc>16 соответствует средней степени загрязнения. Улица, расположенная на большем расстоянии от отвалов (ул. Алтайская), отличается достоверно более низким содержанием металлов.

Содержание исследуемых металлов в сыром веществе моркови, собранной с частных подворий г. Горняка в 2011 г., не превышало ПДК [13] и приводимые в литературе (на сухую массу) величины [7], за исключением меди, содержание которой в 50% случаев выше содержания в овощах незагрязненных агроценозов (но не выше ПДК). Интересно, что наиболее насыщенная тяжелыми металлами овощная продукция г. Горняка была выращена на огородах, расположенных не вблизи отвалов, как ожидалось, а на некотором расстоянии от них — в основном, в центральной и северо-восточной части города, на улицах Суворова и Алтайской. Объяснение этому может быть следующее. В условиях семиаридного климата Северо-Западного Алтая миграция металлов осуществляется преимущественно путем ветрового переноса. При этом эрогенная миграция тонкодисперсных фракций отвалов АГОКа (кристаллов солей, вторичных минералов), являющихся носителем более подвижных и доступных растениям форм металлов, происходит на большие расстояния, чем воздушный перенос более грубых фракций (мелких обломков горных пород), обеспечивающих насыщение почв близлежащих к отвалам участков валовым содержанием металлов. Поэтому отдельные частные подворья на ул. Суворова и Алтайской, находящиеся на некотором расстоянии (на северо-востоке) от старого отвала, отличаются несколько более высоким содержанием металлов в овощах (моркови). А улица им. Кирова, наиболее близко расположенная к хвостохранилищам, отличается только повышенным содержанием валовых форм металлов в почвах.

Выводы

1. Содержание основных рудных (Си, Zn, РЬ) и сопутствующих (Cd) металлов в огородных почвах г. Горняка в 2011 г. во всех пробах превышает региональный фон и Кларк в почвах, но только в некоторых пробах выше ОДК2п.

2. Концентрация тяжелых металлов в огородных почвах г. Горняка (особенно Cd и Zn) увеличивается по мере приближения участков к источнику загрязнения. Уровень превышения нормативов содержания тяжелых металлов в почвах на улице, расположенной ближе к хвостохранилищам, ^с>16) соответствует средней степени загрязнения.

3. Наиболее насыщенная металлами овощная продукция (морковь) была выращена на огородах, расположенных не вблизи, а на некотором расстоянии от отвалов, что объясняется более интенсивной аэрогенной миграцией тонкодисперсных частиц, являющихся носителями доступных растениям форм, чем грубых фракций, оседающих вблизи хвостохранилищ и насыщающих огородные почвы близлежащих улиц малоподвижными соединениями металлов.

Библиографический список

1. Бабошкина С.В., Горбачев И.В., Пузанов А.В. Тяжелые металлы в природных и техногенных ландшафтах Алтая // Природа. — 2007. — № 3. — С. 60-65.

2. Пузанов А.В., Бабошкина С.В. Особенности миграции тяжелых металлов в природно-техногенных аномалиях СевероЗападного Алтая // Геохимия. — 2012. — № 4. — С. 393-402.

3. Агрохимические методы исследования почв. — М.: Наука, 1975. — 656 с.

4. Ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в почвах. Гигиенические нормативы 2.1.7.020-94.

— М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1995. — 6 с.

5. Рождественская Т.А. Тяжелые металлы в почвах и растениях юго-западной части Алтайского края: дис. ... канд. биол. наук.

— Новосибирск, 2003. — 116 с.

6. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах.

— М.: Изд-во АН СССР, 1957. — 234 с.

7. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. — М.: Мир, 1989. — 439 с.

8. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве (утв. Главным государственным санитарным врачом СССР от 15.05.1990 N 5174-90. (текст документа по состоянию на 1 марта 2008 г.).

9. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в почвах Западной Сибири // Почвоведение. — 1987.

— № 11. — С. 87-94.

10. Цинк и кадмий в окружающей среде. — М.: Наука, 1992. — 199 с.

11. Граковский В.Д., Фрид А.С., Сорокин С.Е., Тимохин П.А. Оценка загрязнения почв Челябинской области тяжелыми металлами и мышьяком // Почвоведение. — 1997. — № 1. — С. 88-95.

12. Рогова О.Б. Медь и цинк в почвах зоны влияния Череповецкого комбината в связи с содержанием в них техногенных оксидов железа: дис. ... канд. биол. наук. — М., 2010. — 132 с.

13. Габович Р.А., Припутина Л.С. Гигиенические основы охраны продуктов питания от вредных химических веществ. — Киев: Здоровье, 1987. — 246 с.

Работа выполнена при финансовой поддержке ОУС наук о Земле СО РАН, полученной по результатам Лаврентьевского конкурса молодежных проектов (грант № 7 на два года, согласно Приложению 1 к решению бюро ОУС наук о Земле СО РАН от 26 января 2010 г.).

+ + +

УДК 004.942

В.М. Дмитриев, Э.В. Николаева

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СЕЛЬХОЗУГОДИЙ И ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Ключевые слова: эколого-экономи-

ческая система, метод компонентных цепей, природные и химические загрязнения, природоохранные мероприятия.

Актуальной задачей в области охраны окружающей среды регионов сельскохозяйственного назначения является мониторинг и минимизация последствий экологических аварий и катастроф, связанных с химическими загрязнениями на сельхозугодиях и их просачиванием в почвенный покров. Особенно остро эта проблема стоит на полях, засеянных злаковыми культурами. Для оценки экологического ущерба угнетения зерновых полей, разработки экологических программ, направленных на ликвидацию последствий загрязнений, и оптимизации входящих в них природоохранных мероприятий может быть применена компьютерная модель, позволяющая исследовать процессы природоохранной деятельности с точки зре-

ния экологического и экономического аспектов. Такая модель, сформированная на основе метода компонентных цепей, принципа многоуровневого компьютерного моделирования и расположенная на взаимосвязанных визуальном, логическом и объектном уровнях, должна включать в себя модели экологического и экономического субуровней объектного уровня. Следовательно, ее компоненты должны располагаться на соответствующих субслоях объектного слоя редактора многоуровневой компьютерной модели региональной эколо-го-экономической системы (ЭЭС) сельхозугодья [1-4].

Такая компьютерная модель объектного уровня, предназначенная для расчета экологического ущерба, нанесенного сельскохозяйственному полю с произрастающими на нем злаковыми культурами при розливе нефти и формирования экологических программ, представлена на рисунке 1. При