В городской среде почвы формируются в условиях больших антропогенных нагрузок, поэтому почвенный покров города значительно отличается от природных. Вследствие загрязнения почв промышленными производственными отходами, строительными материалами и бытовым мусором в городской среде происходит ухудшение водного и воздушного режима почв.
Среди неорганических загрязнений почвенного покрова наибольшую опасность представляют тяжелые металлы. Многие тяжелые металлы способны менять валентность и принимать участие в окислительно-восстановительных процессах. В настоящее время внимание к токсикантам экологического происхождения резко увеличилось вследствие способности металлов аккумулировать в организме.
Среди органических загрязнителей почвенного покрова особое место занимают полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). ПАУ являются опасными токсикантами, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами. Основными источниками поступления ПАУ в городской почвенный покров являются все процессы термической обработки сырья, продукты горения печей и выбросы выхлопных газов автомобильного транспорта [1].
На законодательном уровне в России узаконен контроль единственного представителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) 1 класса опасности – 3,4-бенз(а)пирена. Предельно допустимая концентрация бенз(а)пирена в почве – 20 мкг/кг.
Цель данного исследования – оценить состояние почвенного покрова урбанизированных территорий г. Элиста.
Материалы и методы исследования
Объектами изучения были выбраны почвы г. Элиста, в местах расположения автозаправочных станций (АЗС), вдоль автомагистралей (трасс), почвы территорий, находящихся под воздействием промышленных предприятий (котельная). В качестве фона были взяты образцы почв, отобранные в 100 м от источников загрязнения. Отбор проб на территории АЗС и трассы проводился на глубине 0–20 см и 20–30 см и на фоновых участках с поверхности (0–20 см) [2].
В зоне влияния котельной в соответствии с направлением господствующих ветров выделяли четыре участка, первый из которых непосредственно примыкал к периметру зоны (0–20 см и 20–30 см), второй отстоял от него на 100 м, третий на 200 м и четвертый – 300 м.
Исследования почвенных образцов и выбор пробных площадей для проведения полевых исследований осуществляли общепринятыми методиками. Количественное содержание подвижных форм и валовое содержание ТМ (Pb, Cu, Cd, Zn) в почвах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Содержание органического углерода в образцах почвы определяли по ГОСТ 26213-91. Массовая доля нефтепродуктов в почве была измерена флуориметрическим методом по ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Для определения солевого состава почв применялся метод капиллярного электрофореза «Капель – 105 М Люмекс» по методикам [4, 5].
Бенз(a)пирен определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе «Люмахром» с флуориметрическим детектором [6]. Метод основан на извлечении 3,4-бенз(a)пирена хлористым метиленом из образцов почвы. Концентрированный экстракт подвергался очистке методом колоночной хроматографии с дальнейшим количественным определением методом ВЭЖХ.
Результаты исследования и их обсуждение
Наибольшее количество опасных веществ, выбрасывающихся на территорию города, накапливаются в верхних слоях почв, что приводит к изменению химических свойств субстрата. Исследования свойств почвы г. Элиста показали, что почвогрунты по степени засоленности являются сильнозасоленными и по типу засоления сульфатно-хлоридно-натриевыми (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав водной вытяжки из почв исследуемых территорий
|
Почвенный профиль |
мг*экв/кг |
Тип засоления |
|||||
|
CI- |
HCO3- |
SO42- |
Na+ |
Са2+ |
Mg2+ |
||
|
АЗС 0–20 см |
35,00 |
6,19 |
153,60 |
115,00 |
25,00 |
27,50 |
SO4-Сl-Na |
|
АЗС 20–30 см |
37,50 |
9,40 |
43,20 |
144,76 |
57,50 |
42,50 |
SO4-Сl-Na |
|
АЗС Фон |
11,40 |
6,30 |
21,12 |
15,60 |
10,00 |
12,50 |
Сl-SO4-Na |
|
Трасса 0–20 см |
26,25 |
6,60 |
86,40 |
120,41 |
32,50 |
35,00 |
SO4-Сl-Na |
|
Трасса 20–30 см |
41,25 |
7,90 |
145,92 |
129,00 |
30,00 |
30,00 |
SO4-Сl-Na |
|
Трасса Фон |
14,00 |
7,50 |
15,00 |
190,00 |
20,00 |
5,00 |
Сl-SO4- Na |
|
Котельная 0–20 |
46,25 |
7,30 |
108,80 |
117,60 |
22,50 |
30,00 |
Сl-SO4-Na |
|
Котельная 20–30 |
40,00 |
8,60 |
235,20 |
135,11 |
17,50 |
7,50 |
SO4-Сl-Na |
|
Котельная 100 м |
31,80 |
6,90 |
52,80 |
38,90 |
12,50 |
17,50 |
SO4-Сl-Na |
|
Котельная 200 м |
37,50 |
7,40 |
43,20 |
35,60 |
10,00 |
15,00 |
SO4-Сl-Na |
|
Котельная 300 м |
39,30 |
6,80 |
45,12 |
29,90 |
15,00 |
7,50 |
SO4-Сl-Na |
|
Котельная Фон |
25,00 |
7,10 |
76,80 |
40,80 |
15,00 |
12,50 |
SO4-Сl-Na |
Анализ водной вытяжки почвы показал, что на территории АЗС происходит увеличение содержания SO42-, Na+, Cl-, Ca2+, Mg2+. Наибольшее накопление отмечено для SO42- и Na+ – увеличение концентрации по сравнению с фоновыми значениями в 7 и 7,5 раз соответственно. Увеличение содержания Cl-, Ca2+, Mg2+ на территории АЗС в 2,5–3 раза.
Результаты исследования солевого состава почвенного покрова вблизи трассы показал, что в почве накапливаются SO42-, Cl-, Mg2+. Увеличение содержания Са2+ незначительное. Следует отметить, что содержание SO42- и Cl- вблизи 20–30 см в 1,6–1,8 раза больше чем 0–20 см, объясняется смывом данных анионов осадком в нижележащие слои почв.
На территории вблизи котельной отмечено увеличение содержания Na+ и SO42-. В почвенных образцах, взятых по розе ветров на расстоянии 100, 200 и 300 м, не происходит накопление солей.
Для определения оценки загрязнения территорий полициклическими ароматическими углеводородами были исследовано содержание в них бенз(а)пирена, являющегося маркером загрязнения почв ПАУ. Исследования показали, что на территории АЗС и в почвенном покрове вблизи трассы в поверхностном слое концентрация бенз(а)пирена минимальная. На территории котельной и по розе ветров бенз(а)пирен не обнаружен (табл. 2).
Таблица 2
Содержание бенз(а)пирена в почвенном покрове исследуемых территорий
|
Почвенный профиль |
БП, мг/кг |
|
АЗС 0–20 см |
1,717 |
|
АЗС 20–30 см |
1,390 |
|
АЗС Фон |
н/о |
|
Трасса 0–20 см |
2,019 |
|
Трасса 20–30 см |
н/о |
|
Котельная 0–20 |
н/о |
|
Котельная 20–30 |
н/о |
|
Котельная Фон |
н/о |
|
Котельная 100 м |
н/о |
|
Котельная 200 м |
н/о |
|
Котельная 300 м |
н/о |
|
Трасса Фон |
н/о |
На рис. 2 представлена хроматограмма определения бенз(а)пирена в почве на территории АЗС в поверхностном слое на которой на 19 мин хорошо виден пик бенз(а)пирена (БП), среднее его содержание составляет 1,717 мг/кг, что значительно ниже предельно допустимой концентрации [7]. На фоновых территориях и в почвенном покрове вблизи котельной бенз(а)пирен не обнаружен. Полученные данные по содержанию бенз(а)пирена в почве свидетельствуют о загрязнении данным поллютантом вследствие работы двигателей автомобильного транспорта.
Распределение содержания БП в профиле почв на территории АЗС имеет поверхностный характер – в поверхностном слое почвы концентрация БП больше, чем на глубине 20–30 см. Поверхностный характер распределения БП свидетельствует о слабой миграционной способности бенз(а)пирена по почвенному профилю, что подтверждается и литературными данными [3], в которых авторы утверждают, что в почвенном профиле, формирующемся в условиях интенсивной техногенной нагрузки, наблюдается резкая приповерхностная аккумуляция полициклических ароматических углеводородов.
Одним из показателей загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами является повышенное содержание органичного углерода. Органический углерод представляет собой общее содержание сумм всех органических веществ, а именно гумуса, парафинов и других углеводородов.
В результате загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами (НП) происходит интенсивный рост общего содержания органического углерода. Деструкция НП и нефти приводит к увеличению концентрации органических веществ.
В ходе исследования было выявлено, что содержание органического углерода изменяется в пределах 0,36–3,66 % а также увеличение идет непосредственно возле АЗС и трассы. Минимальные значения концентрации органического углерода наблюдаются на фоновых территориях. Увеличение содержания органического углерода по сравнению с фоновыми значениями происходит за счет его техногенного внесения.
Таблица 3
Содержание органического углерода и нефтепродуктов
|
Почвенный профиль |
Сорг, % |
НП, мг/кг |
|
АЗС 0–20 см |
2,10 |
607,30 |
|
АЗС 20–30 см |
1,05 |
309,50 |
|
АЗС Фон |
0,36 |
24,65 |
|
Трасса 0–20 см |
1,50 |
404,95 |
|
Трасса 20–30 см |
1,08 |
175,80 |
|
Трасса Фон |
0,87 |
68,05 |
|
Котельная 0–20 |
2,88 |
13,27 |
|
Котельная 20–30 |
1,20 |
111,90 |
|
Котельная Фон |
0,87 |
86,90 |
|
Котельная 100 м |
3,66 |
179,50 |
|
Котельная 200 м |
1,71 |
230,26 |
|
Котельная 300 м |
1,65 |
277,16 |
В почвенных образцах исследуемых территорий были определены содержания нефтепродуктов (НП), концентрация НП колеблется в пределах от 25,65–607,10 мг/кг. Накопление нефтяных углеводородов происходит на территории трассы в поверхностном слое почвы и превышает фоновые значения в 6 раз, а на глубине 20–30 см – 2,6 раз. В местах отбора проб с территории АЗС зафиксировано максимальное содержание нефтепродуктов – 607,10 мг/кг. Концентрация НП уменьшается по мере удаления от источника загрязнения (табл. 3).
На территории вблизи котельной отмечено наименьшее содержание нефтепродуктов в почве. Однако в почвенных образцах взятых по розе ветров на расстоянии 100, 200, 300 м происходит увеличение содержания нефтепродуктов по сравнению с фоном.
Хроматограмма бенз(а)пирена на территории АЗС 0–20
Таблица 4
Содержание тяжелых металлов
|
Почвенный профиль |
Подвижная форма, мг/кг /кг |
Валовое содержание ТМ, мг |
||||||
|
Pb |
Cu |
Cd |
Zn |
Pb |
Cu |
Cd |
Zn |
|
|
АЗС 0–20 см |
29,60 |
15,20 |
0,36 |
91,20 |
29,10 |
7,40 |
0,22 |
68,40 |
|
Трасса 0–20 см |
13,90 |
7,30 |
0,30 |
33,80 |
8,70 |
2,20 |
0,17 |
17,20 |
|
Котельная 0–20 см |
25,80 |
22,00 |
0,50 |
93,50 |
31,30 |
3,50 |
0,90 |
17,60 |
|
ПДК |
30,00 |
55,00 |
2,00 |
100,00 |
32,00 |
3,00 |
2,00 |
23,00 |
Выполненные исследования на содержание тяжелых металлов показали (табл. 4), что промышленный комплекс города (котельная) и особенно автозаправочные станции оказывают негативное воздействие на загрязнение почвенного покрова города.
Все изучаемые тяжелые металлы в разной степени интенсивно накапливаются в почвах города. На территории автозаправочной станции валовое содержание цинка не превышает ПДК (100 мг/кг), что составляет 91,2 мг/кг. Однако концентрация подвижных форм цинка превышает допустимую концентрацию в 3 раза. Накопление свинца исследуемой территории связано с выбросами в атмосферу продуктов сгорания топлива, его валовое содержание и подвижные формы сопоставимы с ПДК (табл. 4). Наибольшее содержание Cu в подвижных формах составляет 7,40 мг/кг, что превышает ПДК в 2 раза.
Анализ распределения тяжелых металлов на почвенных образцах вдоль трасс выявил, что средний уровень содержания микроэлементов не превышает допустимую концентрацию.
В почвах зоны влияния котельной валовое содержание тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu, Cd) не превышает допустимой нормы. ПДК подвижной формы меди для почв составляет 3,0 мг/кг, почвенном образце с территории котельной – 3,5 мг/кг. Концентрация свинца (31,3 мг/кг) сопоставима с допустимой нормой 32,00 мг/кг.
Заключение
На основе экспериментальных исследований можно сделать выводы о количественной оценке техногенного загрязнения почвогрунтов различных функциональных зон г. Элиста.
1. Исследуемые почвы города характеризуются сульфатно-хлоридно-натриевым типом засоления.
2. В ходе исследования было выявлено, содержание бенз(а)пирена в поверхностном слое почв АЗС и трассы не превышает ПДК. На территории котельной и по розе ветров бенз(а)пирен не обнаружен.
3. Степень загрязнения нефтепродуктами городской почвы уменьшается по мере удаления от источника загрязнения.
4. В ходе исследования было выявлено, что содержание органического углерода изменяется в пределах 0,36–3,66 %, а также увеличение идет непосредственно возле АЗС и трассы. Минимальные значения концентрации органического углерода наблюдаются на фоновых территориях.
5. Приоритетными загрязнителями среди измеренных тяжелых металлов являются соединения цинка, свинца. Наибольший уровень аккумуляции тяжелых металлов имеют почвы автозаправочных станций, а также почвы вблизи котельной.
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ № 16-05-00916.