Экология/6. Экологический мониторинг

Д.б.н. Мукашева М.А.

Карагандинский Государственный Университет им. Е.А.Букетова,

Республика Казахстан, г. Караганда

Современное состояние почвенного покрова

города Караганды

Город Караганда – крупный промышленный индустриальный центр, по уровню развития промышленности занимающий ведущее место в Центральном Казахстане Республики Казахстан. В Карагандинской области каждый год образуется 112 млн. тонн промышленных отходов, в основном это отходы горнодобывающей промышленности, угледобычи, металлургических шлаков (Панин, 2005). К сожалению, непосредственно в самом городе, размещены десятки промышленных предприятий техногенного профиля, предприятия энергетики. Развита напряженная внутригородская транспортная сеть, и как следствие, многолетняя деятельность промышленных предприятий отрицательно сказалась на состоянии почвенного покрова города [1 , 2].

Известно, что почва является центральным связующим звеном биосферы. Гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием тяжелых металлов в атмосферном воздухе и выпадением их на территории городов, что фиксируется аномалиями на почве [3]. В Караганде 35% территории характеризуется в различной степени опасным уровнем загрязнения почвы. По всей остальной территории города фиксируются повышенные (надфоновые) концентрации токсичных элементов [4], а почва обладая высокой сорбционной и аккумулирующей способностью, накапливает и нарушает геохимическую информацию, заложенную природой [5].

Установлено неблагоприятное влияние химического загрязнения почвы на здоровье населения, которое может проявляться в виде онкологических заболеваний [6]. В России опубликованы работы, где различные виды рака коррелируют с содержанием микроэлементов в почве [7]. Мониторинг качества городской среды с полным охватом селитебной территории и с учетом всех значимых антропогенных факторов в современных условиях не осуществим в необходимой мере из-за высокой стоимости исследований. Требуются выделение зон наблюдения, достоверно отражающих разнообразие условий жизни городского населения.

Из существующих методических подходов к ранжированию территорий по уровню экологического неблагополучия наиболее адекватным является картографирование территории по степени загрязнения окружающей среды [8].

В связи с этим, был проведен лабораторный контроль состояния почвенного покрова города Караганды с использованием метода зонирования городской территории на 6 участков, в основе которого реализована геометрическая схема деления территории. Город был разбит на равные площади – «метод квадратов», который позволил:

1.Получить дифференцированные величины химической нагрузки на отдельных территориях.

2 .Ранжировать территорию города, вне зависимости от административных границ и выявить те зоны, где следует проводить углубленные исследования.

Для этого была составлена координатная сетка территории города, состоящая из 12 равных по площади квадратов, разбитая на 6 зон. Каждая зона являлась отдельной единицей наблюдения, несущей в себе самостоятельную характеристику химической нагрузки. Данный метод позволяет констатировать не только химическую нагрузку на почву, но и санитарно-гигиеническое неблагополучие города в целом, оказывающее негативное влияние на условия проживания и здоровье населения [8]. Таким образом, проведено ранжирование территории города по степени направленности экологической ситуации, связанной с загрязнением почвы тяжелыми металлами. Для этого мы отбирали образцы почвенного покрова с различных функциональных зон города. Первая зона (№№1,2)включала точку отбора почвы с территории расположенных вблизи промышленных предприятий на расстоянии 500м., 1000м., 1500м., 3000м. Вторая зона (№№ 3,4) - центр города, где нет промышленных предприятий, однако идет максимальное загрязнение от автомобильного транспорта. Третьей точкой (№№ 5,6) отбора являлся «спальный» район города, где нет обширной автомагистральной сети и промышленно-бытовых предприятий. Содержание металлов в 750 почвенных образцах определялись паралельно атомно-эмиссионным, атомно-абсорбционным и инверсионно-вольтамперометрическими методами.

Анализ динамики гигиенических показателей за последние 10 лет (2000г. - 2010г.) неблагоприятен по отношению к почве в селитебной зоне. На фоне общей тенденции к снижению уровня загрязнения почвы в зоне влияния предприятий, в ряде районов города, почва вблизи промышленных зон остается сильно загрязненной. Так, в Октябрьском районе в 2000г. зарегистрировано 66,6% нестандартных проб в зоне влияния промышленных предприятий. В радиусе их воздействия, отмечаются существенные превышения ПДК по ряду тяжелых металлов. Например, в зоне влияния литейного завода предприятия «Казахмыс», ТЭЦ-3 (зона №№ 1,2) содержание солей тяжелых металлов – меди, цинка, свинца, никеля – составляла от 1,8 до 7,5 ПДК. В Казыбекбийском районе (зона №№ 3,4) в 100% проб, отобранных в зоне влияния автомагистралей зарегистрированы концентрации превышающие нормативы по тяжелым металлам (свинцом – от 2 до 10 ПДК, никелем – от 4,6 до 6,3 ПДК). В Юго-Восточном районе (№№ 5,6) города в зоне влияния автомагистралей промышленных предприятий в 100% случаях отбора проб содержание свинца превышает норматив до 3 ПДК; цинка – до 1,7 ПДК; никеля – до 1,8 ПДК.

В течение 2005 - 2007гг. в городе проведено специальное эколого-гигиеническое обследование почв Центром Госсанэпиднадзора города Караганды. Оценка химического загрязнения почвы проводилось по 17 показателям, в том числе на тяжелые металлы [10]. Наиболее неблагополучной является ситуация по загрязнению почвы свинцом и цинком. Доля неудовлетворительных проб по данным показателям составила соответственно 19,3% и 15,5%. В то же время частота превышения ПДК по меди и никелю составила 7,3% и 7,6%. Одним из самых загрязненных районов по всем перечисленным ингредиентам является Казыбекбийский район, где в 40% проб обнаружен свинец в количествах, превышающих ПДК, в 46% проб – цинк, в 26,7% - никель. Доля нестандартных анализов по меди оказалась максимальной в 2007г. в Октябрьском районе, хотя в 2005г. лидировал Казыбекбийский район.

Таблица 1

Превышение тяжелых металлов относительно ПДК

в почве селитебных зон, мг/кг

Зоны №№	2005г.				2006г.				2007г.
	Cu	Zn	Pb	Ni	Cu	Zn	Pb	Ni	Cu	Zn	Pb	Ni
1	1,8	2	3,2	4	2	3,4	5	7	2,3	5	6	7,5
2	2	2	4	4	3	3,4	6	6,5	7,5	4,2	7,2	6
3	5,4	-	2	4,6	-	-	6	5,4	-	-	8	6
4	5,5	-	3	4,2	-	-	8	5,7	-	-	10	6,3
5	2,5	-	2,5	1,3	-	-	1,6	1,2	-	1,2	1,7	1,2
6	-	-	2,9	1,2	-	-	1,7	1,2	-	-	1,5	1,2
Примечание: 1,2 – Октябрьский район;3,4 – Казыбек би; 5,6 - Юго-Восток.

Выявлено несколько территориальных участков города, где отмечается интенсивное загрязнение почвы, в том числе:

- проспект Бухар-Жырау (свинец-2,3 ПДК; медь-5,5 ПДК); проспект Строителей (свинец-2,5 ПДК); автостанция Юго-Востока (свинец-2,9 ПДК); район ТЭЦ-3 (медь-7,5 ПДК; никель-6 ПДК); зона АО «Казахмыс» в Октябрьском районе (свинец-2 ПДК; медь-3,7 ПДК; цинк-1,7 ПДК). Высокое загрязнение почвы свинцом от выхлопных газов автотранспорта зарегистрировано на 45 квартале, ул. Язева, ул. Гоголя, проспекта им. Н. Абдирова, достигающее от 2 до 10 ПДК (крупные автобусные остановки города).

Исходя из имеющихся данных, можно отметить, что наиболее интенсивно почвы загрязнены веществами, относящимися к первому и второму классам опасности: свинцом, цинком, медью и никелем.

По степени загрязнения нефтепродуктами, наиболее загрязненными являлись Казыбекбийский и Юго-Восточный районы, где среднегодовая концентрация составляла 735-737 мг/кг. Данные лабораторного контроля почвы на загрязнение ядохимикатами показывают их отсутствие в почве.

Мониторинг территорий поликлиник селитебных зон по суммарному почвенному загрязнению (СПЗ) показал, что наиболее высокое загрязнение почвы тяжелыми металлами наблюдалось в зоне обслуживания поликлиники №2 Казыбекбийского района (№№ 3,4) СПЗ – 4,04. Низкое почвенное загрязнение, было выявлено на территории поликлиники №3 Юго-Восточного района (№№ 5,6) СПЗ – 1,07, а загрязнение территории поликлиники №4 и 7 Октябрьского района (№№ 1,2) было средним по городу СПЗ – 2,08.

При расчете средних уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами в зонах обслуживания поликлиник были исключены из обработки отдельные резко отличающиеся значения показателей (аномальные величины), характеризующие анализы проб почвы либо на автомагистралях, либо в непосредственной близости от промышленных объектов. Безусловно, при отборе почвенных проб полностью избежать зон влияния предприятий и автомагистралей не удалось, жилые массивы затрагивались выборочно, однако основные закономерности различий почвенного загрязнения города зафиксированы вполне объективно.

Наиболее интенсивно почвы загрязнены элементами I и II классов опасности: свинцом, цинком, медью, никелем. Наиболее загрязненным, исходя из доли нестандартных проб - Казыбекбийский район (№№ 3,4). Максимальное загрязнение нефтепродуктами отмечается в районе автозаправок и на автотрассах.

Наибольшее почвенное загрязнением солями тяжелых металлов (суммарный показатель загрязнения) регистрировался в радиусе воздействия автомагистрали на территории 45 квартала (Казыбекбийский район, №№ 3,4) и основной части проспекта Строителей Юго-Восточного района. Аналогично атмосферному загрязнению закономерно выделяются «условно чистые» зоны (№№ 5,6). Ситуация в части города – «Федоровка» (№№ 3,4)гораздо слабее коррелирует с уровнем атмосферного загрязнения и соответствует удовлетворительному и благополучному уровням загрязнения.

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в почвах г. Караганды, мг/кг

№	Cu	Pb	Zn	V	Cr	Co	Ni	Mn	Be
1,2	53	22	115	71	98	17	27	607	2,1
3,4	26	24	150	50	51	23	14	280	1,8
5,6	21	53	60	67	68	22	22	1447	1,6
Примечание: 1,2-район с высокой техногенной нагрузкой; 3,4-средняя техногенная нагрузка; 5,6-относительно чистый район.

Таким образом, полученные в ходе исследований данные, свидетельствуют о сверхнормативном загрязнении почв в 127 опробованных пунктах из 200 (64%), в том числе «умеренно-опасный» уровень – в 96 пунктах, «опасный» - в 27, «чрезвычайно-опасный» - в 4 пунктах.

Изучая основные источники поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух города, был дан анализ состоянию почвы, как депонирующей среде, на расстояниях 500м., 1500м. и 3000м. от крупного промышленного комбината «Арселор Миттал Темиртау»

Таблица 3

Количественное содержание тяжелых металлов в почве, мг/кг

Химические элементы	ПДК	Расстояние от комбината
		500 метров	1500 метров	3000 метров
Свинец (Pb)	100	1075	308,3	185
Медь (Cu)	60	6500	1966,7	210
Цинк (Zn)	70	562,5	183,3	165
Кадмий (Cd)	2,1	12,5	0,0	0,0
Хром (Cr)	100	146,3	65	40
Никель (Ni)	50	62,5	30	22,5
Кобальт (Co)	50	13,8	13	11

Анализ проведенных исследований показал, что практически во всех точках забора, независимо от расстояния идет накопление металлов в почве. Более высокое содержание выявлено на расстоянии 500 метров, где наблюдается максимальное накопление Сu, Pb, Cd. Уровень накопления было выше ПДК от 60 до 5 раз. По мере удаления от комбината содержание Cu, Pb, Zn уменьшилось.

Широкое применение нашли комплексные характеристики качества почвенного покрова, где условным показателем степени загрязнения атмосферы, является индекс загрязнения почвы [11]. Поэтому, одной из проблем мониторинга загрязнения почв является выбор приоритетных ингредиентов для контроля, определяемый целым рядом условий и параметров.

Например, по очередности контроля, проведенного в 2008-2009гг., из ингредиентов техногенного происхождения на первый этап выходят: ртуть, свинец, кадмий, никель, медь, цинк, хром (таблица 4). По СПЗ почвы, вторая зона имеет самый низкий показатель. Содержание свинца в почвах колеблется в диапазоне 22 мг/кг- 53мг/кг. Свинцом загрязнены территории всех районов города, причем критические концентрации тяготеют к главным автомагистралям города. Загрязнение почв соединениями меди, на наш взгляд, это результат поступления из индустриальных источников. Возможно возникновение локальных аномалий меди в почвах в результате коррозии конструкционных материалов, содержащих сплавы меди (например, электрических проводов, труб).

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов в почвах г. Караганды, мг/кг

№	Cu	Pb	Zn	V	Cr	Co	Ni	Mn	Be	СПЗ
1,2	53	22	115	71	98	17	27	607	2,1	6,7
3,4	26	24	150	50	51	23	14	280	1,8	4,7
5,6	21	53	60	67	68	22	22	1447	1,6	5,54
Примечание: 1,2-район с высокой техногенной нагрузкой; 3,4-средняя техногенная нагрузка; 5,6-относительно чистый район.

Вариабельность концентрации меди на территории города составила 21 мг/кг - 53 мг/кг. Накопление марганца происходит обычно не на поверхности почвы, а в подпочве, причем 60 - 90% всего марганца обнаруживается в песчаной фракции почвы. В почвах города имеет место широкое распространение марганца в концентрациях 607 мг/кг - 1447 мг/кг. Это связано с тем, что в выбросах многих предприятий города содержится оксид марганца. Никель обнаруживается в почвах города в концентрациях от 22 мг/кг до 27 мг/кг. Высокие концентрации определяются на территориях всех районов города. Накопление никеля в почве в первую очередь происходит за счет его способности сорбироваться оксидами Mn, Fe и органическими формами. Поступающий из техногенных источников хром обычно накапливается в тонком поверхностном слое почв. Диапазон колебаний составляет 68-98 мг/кг. Повышенное содержание хрома зарегистрировано в единичных пробах. Наличие хрома в почвах свидетельствует о его техногенной природе. Накопление хрома в почве связано с рН среды и большим количеством органических комплексов.

Из всего вышеизложенного следует, что за счет щелочной реакции, высокого содержания органических веществ, характера почвы происходит фиксации тяжелых металлов в верхних слоях почвы, в результате чего миграционная способность токсикантов по профилю почвы резко снижается. В связи с этим, и учитывая тот факт, что 50-60% пыли в приземной части атмосферы имеет почвенный генезис, большое значение приобретает изучение не только концентраций подвижных форм, но и валовое содержание тяжелых металлов.

Город Караганда получает тепло и горячую воду от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, которые тоже вносят свою лепту в загрязнение окружающей среды. Как крупный транспортный узел, город Караганда постоянно загазована автомобильными выхлопами, которые оседают на почву и растительность. При проведении наших исследований по распространенности и распределению некоторых химических элементов в почвах селитебных ландшафтов, материалом для исследований послужили результаты спектрального анализа литохимических проб почв, отобранных нами на близлежащей территории промышленного предприятия - ТЭЦ-3. Пробы отбирались по направлению вектора «розы ветров».

По результатам анализов, в каждой выборке для всех рассматриваемых элементов были определены законы распределения, фоновые и аномальные содержания ряда химических элементов, среднеквадратические отклонения, дисперсии, ошибки рассчитанных фоновых содержаний, коэффициенты вариаций, а также все остальные необходимые статистические показатели. Математическая обработка данных производилась для уровня значимости, равному 5%, что соответствует вероятности Р = 0,95 (95%) [12]. Из таблицы 5 наблюдаем накопление исследуемых элементов в почвах, прилегающих к территории ТЭЦ-3 в дозах превышающих ПДК в несколько раз. Так, содержание Zn превышает ПДК примерно в 3 раза во всех точках отбора проб. Содержание Pb превышает ПДК в 1,5 раза во всех точках отбора проб. Содержание Cu превышает ПДК в 1,6 раза. Содержание Ni превышает ПДК в 1,3 раза.

Таблица 5

Распределение тяжелых элементов в почвах

прилежащих ТЭЦ-3 г. Караганда, мг/кг

Химический элемент	Фон	ПДК	Расстояние до объекта
			500-1000 м	1500-3000 м	3000-10000 м
Цинк	41,5	100	328,6	299,1	285,46
Свинец	15,6	60	85,5	82,3	84,87
Медь	18,2	100	168,4	162,3	161,5
Кобальт	3,8	50	56,5	46,9	43,2
Никель	12,2	70	95,5	89,6	88,3

Содержание Со превышает ПДК в 0,6 раз на расстоянии 500-1000 м, в остальных точках отбора его содержание находится в пределах ПДК, но превышает фоновое более, чем в 10 раз. Нами также было определено распространение исследуемых элементов на обследованной территории и определена степень загрязнения по участкам. Степень загрязнения данных участков определялась методом нелинейной регрессии [13]. Распределение химических элементов крайне неравномерно и образует участки с разной степенью загрязнения на площади всей исследованной зоны. Зона распространения химических элементов образует вытянутое на северо-восток широкое овальное пятно, простирающееся за 10-и км отметку. Причем участки с сильным, умеренным и слабым загрязнением чередуются между собой независимо от расстояния до объекта. Кроме того, участки повышенного содержания исследуемых элементов вплотную подходят к дачному массиву и даже заходят на его территорию.

Очевидно, что исследуемые химические элементы распространены на большом удалении от объекта, что отчасти связано как с выбросами предприятия, так и с наличием открытого золоотвала. Этот золоотвал в ветреную погоду создает пыльный туман на трассе Караганда-Павлодар, что создает, кроме распространения тяжелых металлов, еще и повышенную опасность на дороге. Так как химические элементы могут мигрировать, можно предположить поступление повышенных доз этих элементов по пищевым цепям.

Таким образом, анализируя многолетние исследования по степени загрязнения почвы, для территории города Караганды характерна мозаичность загрязнения почвенного покрова, что объясняется выбросами промышленных предприятий, плотностью движения автотранспорта, хранением токсичных отходов на промышленных площадках. Долголетнее техногенное загрязнение почвенного покрова города, обозначает город Караганду в единую биогеохимическую провинцию, которая может негативно сказаться на состоянии здоровья населения. Для уменьшения территориальной миграции тяжелых металлов необходимо продолжать мониторинг почвенного покрова для проведения упреждающих мероприятий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Панин М.С. Экология Казахстана /Под ред. М.С. Панина. - Семипалатинск, 2005. - 548с.

2. Омирбаева С.М., Намазбаева З.И., Крашановская Т.Р. и др.: Методические указания по контролю загрязнения почвы, растений и снега тяжелыми металлами. - Методические указания.-№1.05.074.02. - Караганда, 2002г. - 42с.

3. Васильев А.Н. Технология предупреждения распределения тяжелых металлов в окружающей среды//Экотехнология и ресурсосбережения.- 2000. - №2.- С.36-44.

4. Мукашева М. А. Экологическое обоснование математической модели поведения тяжелых металлов в почве // Здоровье и болезнь.– 2004г. - №8 (36). – С.56-59

5. Панин М.С. Экологическая химия / Под ред. М.С. Панина. – Семипалатинск, 2000. – 658с.

6. Афримзон Е.А., Волкотруб Л.П., Писарева Л.Ф. Уровень смертности от онкологических заболеваний и загрязненность окружающей среды бенз(а)пиреном в районе северного промышленного узла г.Томска // Актуальные проблемы современной онкологии.-1994.-№11.-С.10-12.

7. Андропова Т.В. К вопросу о роли химических канцерогенов в этиологии рака желудка // Актуальные проблемы современной онкологии. - 2004. - №11.-С.3-5.

8. Прокопенко Ю.И., Жданов Е.Г., Борисенко Г.И. и др. Расчет биологического эквивалента выбросов промышленных предприятий в условиях промышленного города / Методические рекомендации. – Москва, 1996. – 45с.

9. Василенко И.Я., Василенко О.И. Медицинские проблемы техногенного загрязнения окружающей среды// Гигиена и санитария. - № 1. – 2006. - С. 22-25.

10. Данные отдела регулирования природопользования и экологического мониторинга Карагандинского областного территориального управления охраны окружающей среды г. Караганда. – 2005г., 2007г., 2010г. – 1000с.

11. Мукашева М. А. Распределение тяжелых металлов в почве в условиях техногенного загрязнения// Вестник Южно-Казахстанского Университета. - 2004г.- №18-19. - С.148-150

12. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессия.- М.: Финансы и статистика, 1981. – 302 с.