Проблема неблагополучного экологического состояния городской среды в настоящее время остается актуальной, а его изучение и оценка – востребованными с точки зрения регионального экологического мониторинга [1, 2]. Нужно отметить, что атмосфера населенных мест, сопряженная с поступлением загрязнителей из газо-пылевых выбросов промышленности и из выхлопных газов автотранспорта, является главной средой, транспортирующей поллютанты в почвенный покров и водные объекты. К «переносчикам» загрязняющего фона в том числе относят все виды осадков, основными из которых являются дождевые и снеговые массы. По этим и другим причинам [3] эколого-химический анализ данных временно депонирующих объектов окружающей среды на предмет накопления загрязняющих веществ необходим как для понимания общего уровня загрязненности атмосферного воздуха Нижнего Новгорода, так и для ориентирования в мерах накопления как таковых загрязнителей в консервативных природных и природно-техногенных объектах – почвенном покрове и водоемах.
Цель исследования – проведение оценки экологического состояния снежного покрова крупных автомагистралей города Нижнего Новгорода на основе двухлетней динамики накопления различных анионов и катионов тяжелых металлов, а также интегрального показателя – кислотности.
Материалы и методы исследования
Исследование снежного покрова проводилось в течение двух лет (2017–2018 гг.) в соответствии с требованиями общепринятых нормативно-методических документов [4–6].
Пробы снега отбирали вручную с помощью пластмассового цилиндра (o = 10 см, h = 20 см) в непрозрачные полиэтиленовые пакеты. Отбор проб осуществлялся в начале февраля 2017 и 2018 гг. равномерно на протяжении крупных автомагистралей Нижнего Новгорода – Сормовское шоссе (заречная часть города) и проспект Гагарина (нагорная часть города). Для пробоотбора выбирали визуально чистые и ровные участки снежного покрова в непосредственной близости от дороги; площадь каждого участка = 10 м2. На одном участке отбирали по 5 точечных проб, которые впоследствии смешивали в 1 объединенную пробу. С каждой автомагистрали равноудаленно друг от друга всего было отобрано по 4 объединенных пробы.
В качестве условно незагрязненного (фонового) участка был выбран участок лесного массива «Дубрава», примыкающего с северо-западной стороны непосредственно к черте города. В лесном массиве было также отобрано 4 объединенных образца снега, каждый из которых также состоял из 5 точечных.
Пробы снега доставляли в лабораторию и раскладывали из пакетов в пластиковые емкости (тазы) для естественного оттаивания. Анализ проб воды был проведен в Эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды при Мининском университете по некоторым гидрохимическим показателям содержащихся в снеге веществ и содержанию в нем растворимых соединений тяжелых металлов [7]; аналитическая повторность – трехкратная. В полученной талой воде определяли кислотность потенциометрическим методом на рН-метре милливольтметре МАРК-903. В фильтрате данных проб воды определяли содержание сухого остатка (общая минерализация) – кондуктометрией с помощью кондуктометра DIST-3 (HANNA), а также содержание хлоридов аргентометрическим, сульфатов – йодометрическим, бикарбонатов – кислотно-основным видами титриметрии.
Содержание тяжелых металлов в воде снега также определяли в отфильтрованных образцах методом инверсионной вольтамперометрии на вольтамперометре-полярографе TA-Lab по методике определения ТМ в воде (ПНД Ф 14.1:2:4.222-06), предварительно пропустив образцы через обеззоленные фильтры («синяя» лента) и проведя минерализацию имеющихся органических веществ с помощью концентрированной муравьиной кислоты.
Результаты измерений обработаны методом вариационной статистики с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 представлены данные по содержанию бикарбонатов и сульфатов в воде снега. Нужно сказать, что накопление в снеге обоих анионов оказалось в разы выше по отношению к их содержанию в условиях формирования снежного покрова лесной дубравы (фон). Так, если по состоянию на 2017 г. среднее по 4 точкам содержание бикарбонатов в снеге фонового участка составляло 3,66 мг/л, а на 2018 г. – 2,96 мг/л, то на автомагистрали заречной части города содержание бикарбонат-анионов составило 25,90 мг/л и 41,84 мг/л, а нагорной части – 55,79 мг/л и 48,43 мг/л соответственно по годам исследования.
В условиях Сормовского шоссе содержание бикарбонатов повысилось в 1,6 раза, а в условиях проспекта Гагарина – снизилось в 1,2 раза по сравнению с прошлым (2017) годом.
Рис. 1. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию бикарбонатов и сульфатов
Содержание сульфатов в воде снега имело почти аналогичную тенденцию. В воде снега с фонового участка накопление сульфат-анионов составило 8,25 мг/л в 2017 г. и 3,51 мг/л в 2018 г. В то же время содержание в снеге данного токсиканта в условиях заречной части города (Сормовское шоссе) превысило фоновый уровень в 5,3 раза в 2017 г. (43,34 мг/л) и в 14,5 раза в 2018 г. (50,80 мг/л). В нагорной части города в условиях проспекта Гагарина содержание сульфат-анионов в воде снега оказалось наибольшим из всех изучаемых вариантов и весьма значительным: в среднем по 4 участкам накопление его в снеге в 2017 г. составило 521,00 мг/л, а в 2018 г. – 308,09 мг/л, что больше, чем в заречной части, соответственно по годам исследования в 12,0 и 6,1 раза. Очевидно, что наличие бикарбонатов и сульфатов в снежной воде обусловлено высоким содержанием различных оксидов углерода и серы в атмосфере, способных растворяться при образовании снеговых масс. Данные оксиды типичны для урбоэкосистем с высокоразвитой промышленной инфраструктурой, следствием чего является высокий уровень выбросов в атмосферу различных газов [8, 9].
Рис. 2 отражает данные по содержанию в снежном покрове хлоридов и его общей минерализации, выраженной показателем сухого остатка. Содержание хлорид-анионов в воде снега изучаемых территорий имело аналогичную тенденцию с накоплением сульфатов и бикарбонатов. Если в условиях формирования фонового снежного покрова среднее по 4 точкам содержание хлоридов составляло 6,13 мг/л и 2,61 мг/л соответственно по годам исследования, то в условиях города хлоридное загрязнение снеговых масс оказалось много выше, и в особенности на территории проспекта Гагарина.
Здесь накопление хлоридов превысило значения по Сормовскому шоссе в 13,6 раза в 2017 г. (643,82 мг/л против 47,17 мг/л) и в 4,6 раза в 2018 г. (580,30 мг/л против 127,50 мг/л), а фоновые значения – соответственно в 105,0 и в 222,3 раза (фоновый уровень = 6,13 мг/л и 2,61 мг/л соответственно по годам исследования). По-видимому, столь существенный уровень загрязнения хлоридами снеговых масс в условиях автомагистралей мог быть обусловлен как неправильной эксплуатацией пескоразбрасывательной техники, антигололедные смеси из которой попадали не только непосредственно на дорожной покрытие, но и на обочины, а также – перебросом образующихся снего-песковых масс с автотрассы на прилегающие территории в процессе чистки дорог [10, 11].
Как известно, песко-соляные смеси, уже несколько десятилетий применяемые в зимнее время при эксплуатации дорожного покрытия в качестве антигололедного агента, в значительной степени загрязняют хлоридами прилегающий почвенный покров, что впоследствии сказывается на уровне концентрации хлорид-анионов в грунтовых водах.
Содержание сухого остатка в снеге, отражающего его минерализацию различными катионами и анионами, закономерно имело схожую тенденцию с накоплением ранее рассмотренных веществ. На второй год исследования в условиях лесной территории (фон) накопление минерализата на 40 % превысило его содержание в снеге, отобранном в 2017 г., и составило 28 мг/л.
В условиях Сормовского шоссе, расположенного в заречной части города, увеличение содержания сухого остатка в 2018 г. составило 77 % по отношению к данным 2017 г. В условиях проспекта Гагарина, расположенного в нагорной части города, уровень минерализации снега, наоборот, снизился на 15 % на второй год наблюдения в сравнении с первым годом. Закономерно с накоплением в снеге катионно-анионных форм разнообразных химических веществ показатель сухого остатка имел наибольший уровень в условиях проспекта Гагарина. Здесь абсолютные значения показателя составили 2678 мг/л (2017 г.) и 2279 мг/л (2018 г.), что больше, чем в снеговой воде с Сормовского шоссе, в 8,0 раза (2017 г.) и в 3,8 раза (2018 г.), и еще больше, чем в снежном покрове фонового участка – в 133,9 раза (2017 г.) и в 81,4 раза (2018 г.).
Рис. 2. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию хлоридов и сухого остатка (общей минерализации)
Рис. 3. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию суммы растворимых соединений тяжелых металлов – цинка, кадмия, свинца и меди
Динамика кислотности воды снега по годам исследований (M ± m: среднее ± ошибка среднего; V, % – коэффициент вариации)
|
Место отбора проб |
Значение рН по точкам отбора, ед. рН |
M ± m |
V, % |
|||
|
I |
II |
III |
IV |
|||
|
2017 г. |
||||||
|
Лесной массив (фон) |
6,83 |
6,22 |
6,24 |
6,50 |
6,45 ± 0,14 |
4 |
|
Сормовское шоссе |
7,13 |
7,28 |
6,98 |
7,04 |
7,11 ± 0,07 |
2 |
|
Проспект Гагарина |
7,27 |
7,07 |
6,95 |
7,05 |
7,09 ± 0,07 |
2 |
|
2018 г. |
||||||
|
Лесной массив (фон) |
6,40 |
6,38 |
6,12 |
6,63 |
6,38 ± 0,10 |
3 |
|
Сормовское шоссе |
6,54 |
6,53 |
7,19 |
7,01 |
6,82 ± 0,17 |
5 |
|
Проспект Гагарина |
6,93 |
7,50 |
7,26 |
6,59 |
7,07 ± 0,20 |
6 |
График, показанный на рис. 3, отражает суммарное накопление растворимых соединений тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb и Cu) в снеговой воде за 2 года исследований. Прежде всего, нужно отметить заметно сниженный уровень накопления токсикантов в снеге на второй год исследования по сравнению с первым годом – на 75 % в условиях фоновой территории, на 32 % в условиях Сормовского шоссе и на 35 % в условиях проспекта Гагарина.
Наибольшее суммарное содержание тяжелых металлов отмечалось в снежном покрове автотрассы заречной части города. Здесь накопление токсикантов составило 0,0611 мг/л в 2017 г. и 0,0413 мг/л в 2018 г., что ниже, чем в нагорной части города, соответственно на 26 % (0,0450 мг/л) и на 29 % (0,0292 мг/л).
В снеговом покрове лесного массива содержание тяжелых металлов закономерно оказалось наименьшим – 0,0075 мг/л (2017 г.) и 0,0019 мг/л (2018 г.). При этом нужно отметить, что если в суммарном накоплении токсикантов в снеге с придорожных территорий участвовали все рассматриваемые металлы, то в воде снега из Дубравы в первый год отсутствовала медь, а во второй год – медь и свинец. При определении содержания их растворимых форм вольтамперометрическим методом уровень полученной концентрации находился ниже предела обнаружения данным прибором. Общий высокий уровень накопления растворимых соединений тяжелых металлов в снеговой воде, очевидно, обусловлен повышенной загазованностью воздуха пылевыми выбросами крупных промышленных предприятий города, содержащими в своем составе частицы таковых токсикантов, что подтверждается рядом аналогичных исследований [12, 13].
Данные таблицы показывают динамику кислотности воды снега по вариантам исследования. Анализируя полученные данные, нужно отметить слабокислую реакцию снеговой воды в условиях формирования снежного покрова в лесном массиве – 6,45 и 6,38 ед. рН соответственно по годам отбора и анализа проб снега.
В условиях прилегающих к автотрассам участков снежный покров характеризовался слабощелочной реакцией на Сормовском шоссе в первый год и на проспекте Гагарина в оба года исследования. Данный факт может свидетельствовать о наличии щелочно-гидролизуемых соединений в составе газов и пыли, попадающих в атмосферу из выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, которые в некоторой степени подщелачивают воду снега [8].
Вариабельность кислотности воды снеговых масс не превышала 10 %, что говорит о высокой степени консервативности показателя вне зависимости от точек отбора проб.
Выводы
Проанализировав данные за 2 года исследования, нужно подчеркнуть факт наличия определенного уровня загрязненности снеговых масс в условиях накопления в черте городской территории. На основании полученных данных отмечается значительное загрязнение бикарбонатами, сульфатами, хлоридами и общей минерализацией снега с местности, прилегающей к проспекту Гагарина, а существенное загрязнение тяжелыми металлами – снега с местности, расположенной близ Сормовского шоссе. По состоянию на зимний период двух лет исследования (2017–2018 гг.) территории автомагистралей в целом характеризуются высокой экологической напряженностью, связанной не только с общим значительным уровнем загрязнения токсикантами снеговых масс, но также и с риском миграции данных загрязнителей в почвенный покров и грунтовые воды, и транслокации – в городскую растительность.