В настоящее время большой интерес вызывают исследования почв урбанизированных территорий, загрязнённых различными токсикантами [9–11, 17]. Важнейшую группу суперэкотоксикантов составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Геохимический мониторинг содержания ПАУ в почвах России осуществляется по бенз[а]пирену (БП), его общесанитарный показатель ПДК составляет 0,02 мг/кг [2]. Как канцероген он относится к первому классу опасности, обладает высокой мутагенной и тератогенной активностью [2, 8]. Известно, что, в зависимости от способа воздействия БП на организм человека, он приводит к увеличению частоты возникновения раковых заболеваний [18]. В гигиенических нормативах БП считается индикатором загрязнения окружающей среды и подлежит обязательному контролю на территории населенных пунктов [2].
Основными техногенными источниками поступления БП в биосферу являются выбросы крупных промышленных предприятий, имеющих производства, основанные на высокотемпературных технологических процессах, предприятия по производству электроэнергии, крупные и мелкие отопительные системы [7]. Значительный вклад в загрязнение атмосферы в населенных пунктах и вдоль магистралей вносят также выхлопные газы автотранспорта [1]. Бенз[а]пирен поступает в почву из загрязненного атмосферного воздуха с пылью, осадками и аккумулируется в их поверхностном горизонте. В городских ландшафтах углеводород способен сохраняться в течение нескольких десятков лет, что говорит о возможности его долгосрочного депонирования почвенным субстратом [6].
В последние годы проблеме изучения содержания, распределения и поведения БП в почвах ряда крупных городов России уделяется особое внимание [6, 7, 17]. Однако почвы города Воронежа являются в этом отношении мало изученными. Ранее на территории города выполнен ряд аналитических исследований в мониторинговых точках контроля по экологическому зонированию городской среды и оценке риска для здоровья населения [1, 4].
Цель наших исследований – изучение роли техногенных факторов в формировании загрязнения бенз[а]пиреном почв урбанизированных территорий на примере Воронежа.
Материалы и методы исследования
Воронеж – крупный индустриально-промышленный город Центрального Черноземья с населением более 1 млн человек. На территории города исторически сложились несколько промышленно-производственных комплексов: левобережный, включающий ТЭЦ-1, заводы нефтехимического и авиационного профиля, и правобережный, где расположены ТЭЦ-2, заводы машиностроительного и радиотехнического направления. Около 85 % в загрязнение воздушной среды города вносит автотранспорт. Согласно данным Управления Росприроднадзора по Воронежской области [3], валовый объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу города за 2014 г. составил более 10 тыс. т/год (из них 5 % относится к первому классу опасности). Наличие многочисленных низких источников выбросов в сочетании с транспортной загруженностью создают потенциальную угрозу опасного загрязнения городской среды.
Отбирали смешанные образцы летом 2014 г. из верхнего (0–10 см) слоя почвы. Отбор проб по функциональным зонам проводился отдельно для левобережной и правобережной частей города в силу разного рельефа, типа почв, гранулометрического состава, а также уровня техногенной нагрузки (табл. 1). Для правобережной части города характерны черноземы выщелоченные и серые лесостепные почвы, расположенные на суглинистых плакорах и пологих склонах, а левобережная – пониженная выровненная поверхность надпойменной террасы, где присутствуют в основном дерново-лесные песчаные и супесчаные почвы [1]. Согласно почвенной карте [16] на большей части территории города преобладают антропогенно-преобразованные почвы – урбаноземы и их разновидности. Зональные черноземные почвы в пределах города сохранились только на отдельных участках парков рекреационной зоны.
Таблица 1
Характеристика точек отбора почвенных проб на территории города Воронежа
|
№ п/п |
Место отбора проб (*дополнительные источники загрязнения) |
Функциональная зона |
Тип почвы |
|
I – Левобережная часть города |
|||
|
1 |
Ленинский просп, д. 119; ЗАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов – Микрон» (автотранспорт) |
промышленная |
урбанозем |
|
2 |
ул. Циолковского, 27; ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» |
индустризем |
|
|
3 |
Ленинский проспект, 2; ОАО «Воронежский завод синтетического каучука» (автотранспорт) |
||
|
4 |
ул. Ростовская, 41; ЗАО «Воронежский шинный завод» |
||
|
5 |
ул. Лебедева, 2; ОАО «Квадра» – ТЭЦ-1 (автотранспорт) |
||
|
6 |
автотранспортная развязка: пересечение ул. Димитрова с ул. Брусилова |
транспортная |
|
|
7 |
пересечение ул. Димитрова с Ленинским пр. |
урбанозем |
|
|
8 |
пересечение ул. Минская с Ленинским пр. |
селитебно-транспортная |
|
|
9 |
парк Патриотов (автотранспорт) |
рекреационная |
культурозем |
|
II – Правобережная часть города |
|||
|
10 |
пр-д Ясный, д. 1А; ОАО «Квадра» – ТЭЦ-2 |
промышленная |
индустризем |
|
11 |
ул. Солнечная, 31; ОАО «Тяжмехпресс» (АЗС) |
||
|
12 |
ул. Космонавтов, 1; ЗАО «Асфальтобетонный завод» (автотранспорт) |
урбанозем |
|
|
13 |
ул. Ворошилова, д. 22; ОАО «Воронежский механический завод» |
||
|
14 |
пересечение ул. Космонавтов с ул. Ворошилова (механический завод) |
транспортная |
|
|
15 |
пересечение ул. Плехановская с ул. Донбасская |
||
|
16 |
пересечение ул. Лизюкова с Московским просп. |
селитебно-транспортная |
|
|
17 |
Центральный парк культуры и отдыха (автотранспорт) |
рекреационная |
культурозем |
|
18 |
Ботанический сад ВГУ |
чернозем |
|
Химический анализ проведен в аккредитованном лабораторном центре «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Воронежской области». Концентрацию БП в пробах определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с флуориметрическим детектором «Люмахром ФЛД 2410 Флюорат-02-2М» [14]. Физико-химические свойства почв определяли в лаборатории кафедры агрохимии и почвоведения ВГАУ по общепринятым методикам [13]. Статистический анализ проводили в программном пакете Statistica.
Результаты исследования и их обсуждение
Физико-химическая трансформация свойств городских почв
Под влиянием урбанизации и техногенного воздействия произошли изменения физико-химических показателей в поверхностных горизонтах почв (табл. 2). Особенно сильно трансформировались щелочно-кислотные условия по сравнению с их природными аналогами: реакция среды вместо слабокислой стала в придорожных и промышленных ландшафтах города нейтральной и даже щелочной. Это может быть связано с осаждением на поверхность почвы техногенной пыли, содержащей карбонаты кальция и магния. Наряду с pH в поверхностном слое городских почв часто отмечается возрастание содержания органического углерода (гумуса). Если в культуроземах рекреационной зоны органическое вещество представлено природными фракциями гумуса, то в почвах промышленной и транспортной зоны в его составе преобладают органические соединения антропогенного происхождения. Наименьшие изменения претерпели почвы рекреационной зоны. Таким образом, трансформированные физико-химические свойства почвы промышленной и транспортной зоны города будут способствовать интенсивному загрязнению токсикантами и их аккумуляции на геохимических барьерах. Это дает основание рассматривать их как экологически неблагоприятные. В работах многих авторов отмечено [5, 12, 15], что БП достаточно хорошо сорбируется гумусом и органическими коллоидами почв в нейтральных и щелочных условиях среды.
Содержание и эколого-геохимическая оценка загрязнения городских почв БП
Согласно данным табл. 3, содержание БП в почвенном покрове города значительно варьирует. Самые высокие концентрации БП имеют антропогенно-преобразованные почвы, характеризующиеся значительной трансформацией своих физико-химических показателей. Так, в индустриземах промышленной зоны левобережья массовая доля токсиканта составляла (0,15–0,24 мг/кг), а правобережной – (0,10–0,12 мг/кг). В урбаноземах транспортных зон показатели несколько ниже, но в левобережной части города остаются на высоком уровне (0,05–0,18 мг/кг). Вероятно, сильное загрязнение на этой территории связано как с наличием большого количества автомобилей, так и близким расположением промышленных предприятий, что в совокупности определяет высокий уровень загрязнения почвенного покрова. Значения концентраций БП, близкие к ПДК, обнаружены в урбаноземах селитебно-транспортной зоны (0,01–0,04 мг/кг). Почвы рекреационной зоны на территории города имели массовые доли ниже ПДК (0,01 мг/кг). Наши результаты в целом соответствуют данным других авторов, согласно которым максимальные концентрации приурочены к транспортным и промышленным зонам, а минимальные – к селитебным и рекреационным [6, 7].
Таблица 2
Физико-химические показатели поверхностных горизонтов городских почв Воронежа (среднее значение по типам почв)
|
Свойства |
Городские почвы |
Фон |
||||||
|
Урбанозем (n = 8) |
Индустризем (n = 7) |
Культурозем (n = 2) |
||||||
|
I* |
II |
I |
II |
I |
II |
I |
II |
|
|
pH вод. |
7,2 |
7,5 |
8,2 |
7,8 |
6,8 |
6,4 |
6,3 |
6,7 |
|
Гумус, % |
2,6 |
5,8 |
5,1 |
6,3 |
3,2 |
4,7 |
3,0 |
5,6 |
Примечание. * I – левобережная часть города, II – правобережная часть города.
Таблица 3
Содержание БП в почвах различных функциональных зон города Воронежа (результаты измерений с указанием погрешности при Р = 0,95)
|
№ п/п |
Городская зона |
Среднее содержание, мг/кг |
Ко |
Кс |
|
I – Левобережная часть города |
||||
|
В целом по левому берегу: |
0,12 ± 0,05 |
6,0 |
12 |
|
|
1 |
промышленная |
0,07 ± 0,02 |
3,5 |
7 |
|
2 |
0,24 ± 0,12 |
12,0 |
24 |
|
|
3 |
0,15 ± 0,04 |
7,5 |
15 |
|
|
4 |
0,11 ± 0,03 |
5,5 |
11 |
|
|
5 |
0,19 ± 0,05 |
9,5 |
19 |
|
|
6 |
транспортная, селитебно-транспортная |
0,18 ± 0,05 |
9,0 |
18 |
|
7 |
0,05 ± 0,02 |
2,5 |
5 |
|
|
8 |
0,04 ± 0,02 |
2,0 |
4 |
|
|
9 |
рекреация |
0,01 ± 0,004 |
0,5 |
– |
|
II – Правобережная часть города |
||||
|
В целом по правому берегу: |
0,05 ± 0,02 |
2,5 |
5 |
|
|
10 |
промышленная |
0,10 ± 0,03 |
5,0 |
10 |
|
11 |
0,12 ± 0,03 |
6,0 |
12 |
|
|
12 |
0,03 ± 0,01 |
1,5 |
3 |
|
|
13 |
0,05 ± 0,01 |
2,6 |
5 |
|
|
14 |
транспортная, селитебно-транспортная |
0,03 ± 0,01 |
1,5 |
3 |
|
15 |
0,09 ± 0,02 |
4,5 |
9 |
|
|
16 |
0,01 ± 0,005 |
0,5 |
– |
|
|
17 |
рекреация |
0,01 ± 0,004 |
0,5 |
– |
|
18 |
Менее 0,01 |
– |
– |
|
Примечание. Коэффициент накопления относительно: Ко (ПДК), Кс (городского фона).
Для сравнения средних содержаний БП в почвах различных функциональных зон города Воронежа с ПДК рассчитан коэффициент его экологической опасности (Ко) (табл. 3). Превышение норматива БП в почвах достаточно высокое и в среднем составляет для левобережной части города 6 ПДК, а правобережной – 2,5 ПДК. Максимум накопления БП (Ко = 12) отмечен в индустриземах промышленной зоны левобережья (т. № 2). Согласно разработанным критериям эколого-геохимической оценки почв по БП [1], уровень загрязнения городских почв левобережной части города относится к чрезвычайно опасному (более 5 ПДК), а правобережной – к опасному (2–5 ПДК). Сравнение содержания БП в культуроземах парковых зон, принятых нами за урбанизированный фон, с концентрациями БП в антропогенно-нарушенных почвах (Кс) также выявляет высокий уровень загрязнения и свидетельствует о чрезвычайно опасной экологической обстановке, сложившейся на территории города. Приведенные выше коэффициенты концентрации БП можно использовать в качестве индикаторов уровня химического загрязнения городских почв.
Выводы
1. Основными источниками поступления бенз[а]пирена в почвы города Воронежа являются выбросы промышленных предприятий и автомобильного транспорта. Интенсивность загрязнения почвенного покрова определяется рельефом местности, типом почв и их физико-химическими свойствами.
2. По уровню содержания бенз[а]пирена функциональные зоны города образуют ряд: промышленная (5,8 ПДК) ? транспортная (3,3 ПДК) ? селитебно-транспортная (1,3 ПДК) ? рекреационная (ниже ПДК).
3. Эколого-геохимическая обстановка по состоянию загрязнения почв в левобережье оценивается как чрезвычайно опасная (6 ПДК), а в правобережной части города – как опасная (2,5 ПДК). Городское население подвергается повышенному риску для здоровья в селитебно-транспортной и близко расположенной промышленной зоне.