Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Нижний Новгород считается одним из крупных центров России с развитой промышленной инфраструктурой и высокой степенью загазованности воздуха от работы автомобильных двигателей. По этим причинам загрязнение атмосферы экотоксикантами в пределах городской черты остается одной из главных экологических проблем мегаполисов [1, 2, 6, 7].

Несмотря на то, что снег как объект оценки состояния среды не является экологически нормируемой системой, многие исследователи указывают на его высокую значимость в экологических исследованиях окружающей среды [3, 14, 15]. Причиной тому является множество термодинамических и физико-химических факторов образования снега, его массопереноса и процессов загрязнения. В частности, в момент формирования кристаллов воды в воздухе и выпадения их на землю происходит влажная седиментация рассеянных в атмосфере поллютантов. Кроме того, в атмосферном пространстве активно развит процесс переноса воздушных масс, следствием чего является сухое осаждение загрязняющих веществ на поверхность снежного покрова. Благодаря таким естественным процессам концентрирования поллютантов в снеге содержание в нем загрязняющих веществ считается одним из значимых критериев оценки экологического состояния атмосферы [4, 8, 9, 10, 13].

Цель исследования

Целью данной работы явилась оценка экологического состояния снежного покрова крупных автомагистралей города Нижнего Новгорода на основе данных количественного химического анализа талой воды и определения ее интегральной биологической токсичности, в том числе и во взаимосвязи с содержащимися в ней экотоксикантами.

Материалы и методы исследования

Пробы снега отбирали вручную в полиэтиленовые пакеты в начале февраля 2017 г. равномерно на протяжении крупных автомагистралей Нижнего Новгорода – Сормовского шоссе (заречная часть города) и проспекта Гагарина (нагорная часть города). Для пробоотбора выбирали визуально чистые участки снежного покрова в непосредственной близости от дороги. С каждой автомагистрали равноудаленно друг от друга было отобрано по 4 точечных пробы. В качестве фоновой оценки был выбран снежный покров лесного массива «Дубрава», примыкающий с северо-западной стороны непосредственно к черте города. В лесном массиве было также отобрано 4 точечных образца.

Пробы снега доставляли в лабораторию и раскладывали в емкости для естественного оттаивания. Анализ проб воды был проведен в эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды при Мининском университете по основным гидрохимическим показателям и биологической токсичности содержащихся в снеге веществ [5]; аналитическая повторность – трехкратная. В полученной талой воде определяли кислотность потенциометрическим методом на рН-метре-милливольтметре МАРК-903 и массу взвешенных веществ гравиметрическим методом. В фильтрате данных проб воды определяли содержание хлоридов аргентометрическим, а сульфатов – йодометрическим титрованием; общую минерализацию – кондуктометрией с помощью кондуктометра DIST-3 (HANNA).

Содержание тяжелых металлов в воде снега определяли методом инверсионной вольтамперометрии на вольтамперометре-полярографе TA-Lab по методике определения ТМ в воде [12], предварительно отфильтровав образцы и проведя минерализацию имеющихся органических веществ с помощью концентрированной муравьиной кислоты. В качестве оценки критерия интегральной токсичности проб снега использовали биолюминесцентный метод, основанный на реакции люминесцентной генно-инженерной бактерии Escherichia coli M-17 (биосенсор «Эколюм»), используемой при работе на приборе БИОТОКС 10-М [11]. Результаты измерений обработаны методом вариационной статистики с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 показано изменение показателей воды снега, характеризующих его обобщенное химическое состояние. Кислотность воды снега явилась самым консервативным показателем, поскольку вариабельность ее значений была самой минимальной вне зависимости от места отбора проб. В целом вода всего проанализированного снежного покрова находилась в нейтральном диапазоне рН. Снег обеих автомагистралей города характеризовался слабощелочной реакцией, а фонового участка – слабокислой.

Содержание взвешенных веществ математически не отличалось однородностью как по точкам отбора, так и в целом по анализируемым объектам. Например, вариабельность данного показателя в условиях автомагистралей достигала 72,3 % по проспекту Гагарина и 132,7 % по Сормовскому шоссе. Наибольшие значения содержания взвешенных примесей были определены в условиях нагорной части города, где показатель достигал 51,74 г/л воды снега. В пробах дороги заречной части содержание взвесей достигало 9,68 г/л. По-видимому, такой уровень значений был обусловлен высокой степенью запыленности и загазованности воздуха вследствие интенсивного транспортного потока. Чего нельзя сказать про состояние снежного покрова в лесном массиве, выбранного в качестве фона. Здесь содержание взвешенных веществ в воде снега было минимальным и наименее вариабельным (V = 6,0 %).

В условиях городских автомагистралей также были установлены довольно высокие концентрации хлоридов и сульфатов в воде снежного покрова. Причем нагорная часть города снова отличилась уровнем данных значений. Так, если по точкам отбора с Сормовского шоссе содержание хлоридов и сульфатов варьировало соответственно в диапазонах 24,67–62,36 мг/л и 30,16–62,09 мг/л, то по точкам отбора с проспекта Гагарина данная вариабельность составила 416,82–988,45 мг/л и 280,11–879,22 мг/л.

В фоновых условиях (лесной массив «Дубрава») общий уровень и вариабельность данных показателей были много ниже: 5,71–6,45 мг/л и 7,76–8,65 мг/л соответственно по хлоридам и сульфатам. Очевидно, что подобная разница в уровне таких значений вызвана высокой антропогенной нагрузкой на городскую экосистему, которая может заключаться в наличии больших концентраций техногенных сернистого (SO2) и серного (SO3) газов в атмосфере города, хорошо растворимых в воде, а также присутствием пескосоляных смесей на поверхности почвенного и снежного покровов в условиях широко развитого применения противогололедных технологий, которые в качестве антисмораживающего реагента изначально содержат технический хлорид натрия. Данный аспект имеет большое значение с точки зрения появления риска загрязнения грунтовых вод избыточным количеством хлоридов и сульфатов, поступающих как через открытые участки почвенного покрова, так и через систему ливневой канализации вглубь грунтов [10, 11].

Содержание всех растворенных солей в пробах воды снега, показанное в виде показателя общей минерализации, также обладало достаточно высоким уровнем и вариабельностью в городских условиях. В частности, если в условиях Сормовского шоссе среднее значение показателя в 333 мг/л варьировало на 32,7 %, то в условиях проспекта Гагарина оно составило 2678 мг/л с вариабельностью в 79,9 %. Минерализация воды снега, отобранного с фонового участка, была минимальной (20 мг/л, V = 5,9 %).

Помимо содержания наиболее распространенных химических веществ пробы воды снега также характеризовались наличием тяжелых металлов (табл. 2).

Анализируя снежный покров, нужно сказать о значительной вариабельности содержания в нем цинка, кадмия, свинца и меди в зависимости от точек отбора проб.

Например, наибольшей статистической неоднородностью отличалось содержание кадмия (до 104 %) и меди (до 134 %) в воде снега с Сормовского шоссе, а также содержание свинца в воде снежного покрова с проспекта Гагарина (до 130 %).

Однако наибольшим уровнем загрязненности тяжелыми металлами характеризовался фоновый участок леса, в снеге которого были выявлены максимальные концентрации цинка (в среднем до 0,0576 мг/л) и кадмия (в среднем до 0,0133 мг/л). Содержание свинца в снежном покрове было примерно одинаковым как с Сормовского шоссе, так и с проспекта Гагарина (0,0053 и 0,0048 мг/л). Медь как экотоксикант была обнаружена в воде снега только в заречной части города (в среднем до 0,0033 мг/л).

В табл. 3 показаны результаты определения интегральной биологической токсичности проб воды снежного покрова на основе реакции тест-объекта «Эколюм». Было выявлено, что в целом талая вода всех образцов изучаемого снежного покрова обладала токсичностью по отношению к выбранному тест-объекту (генно-инженерная бактерия Escherichia coli M-17).

Нужно сказать, что даже минимальное содержание веществ-поллютантов в пробах снега фонового участка проявляло токсический эффект (10 %, V = 6,0 %), который оценивается как допустимый (1 группа токсичности). Пробы воды снега, отобранного с автомагистрали заречной части города, в целом проявили среднюю токсичность (2 группа), а отобранного с автомагистрали нагорной части – проявили острую токсичность (59 %, V = 26,5 %) по отношению к тест-объекту (3 группа).

Поскольку ранее проанализированная биологическая токсичность проб воды снежного покрова аналитически зависит от содержания примесей, проявляющих данный токсический эффект, нами была оценена зависимость концентрации веществ-поллютантов снега и величины токсичности (табл. 4).

В целом нужно сказать, что в условиях техногенных территорий коррелятивная зависимость показателей была более выражена по сравнению с фоновыми показателями.

Было установлено, что между содержанием в пробах воды определенных веществ и ее интегральной биологической токсичностью имелась прямая корреляционная связь, которая в большинстве случаев характеризовалась как сильная. Например, по точкам отбора с Сормовского шоссе коэффициент корреляции r составлял 0,94 ± 0,23 по кислотности, 0,82 ± 0,40 по содержанию хлоридов, 0,73 ± 0,49 по содержанию сульфатов и 0,81 ± 0,41 по общей минерализации.

Относительно точек отбора проб с проспекта Гагарина данные коэффициенты r соответственно составили 0,26 ± 0,68, 0,71 ± 0,50, 0,87 ± 0,34 и 0,95 ± 0,22 по аналогичным показателям. Установлено, что по большей части величина биологической токсичности зависела как от содержания растворенных солей, так и от содержания ионов тяжелых металлов в пробах, однако четких тенденций выявлено не было. Достаточно высокая ошибка коэффициента корреляции, очевидно, была вызвана значительной вариабельностью абсолютных величин показателей.

Выводы

Резюмируя вышесказанное, следует подчеркнуть значимость снежного покрова автомагистралей в оценке экологического состояния загрязненности атмосферного воздуха города. На основе высокого содержания взвешенных веществ, растворимых форм химических элементов, и в том числе тяжелых металлов, по состоянию на зимний период 2017 г. с наибольшей экологической напряженностью следует рассматривать состояние снежного покрова нагорной части города на примере проспекта Гагарина.