Известно [1, 2], что почвенный покров является одной из главных системных сред, которая обладает функцией массового депонирования загрязняющих веществ. По уровню содержания в почвах экотоксикантов судят о степени антропогенного воздействия как при их непосредственном контакте с почвенным покровом, так и при оседании газо-пылевых частиц на его поверхности из атмосферного воздуха. При этом с точки зрения экологического мониторинга при экспертизе экологического состояния антропогенно преобразованных территорий урбаноземам отдается приоритет, поскольку, с одной стороны, их почвенно-поглощающий комплекс вне зависимости от гранулометрического состава дневных горизонтов и содержания в них органического вещества обладает потенциальной поглощающей способностью, что является критерием степени аккумуляции загрязнителей, а с другой стороны, кумулятивный эффект городских почв в отношении экотоксикантов сильно пролонгирован во времени, что служит индикатором наличия хронического загрязнения местности.
В части наличия длительного поступления поллютантов в почвенный покров среди крупных городов территория Нижнего Новгорода не является исключением [3–5]. Причиной тому является высокоразвитая машиностроительная, нефтехимическая, химическая и иная промышленность, теплоэнергетический сектор и автотранспортные сети, деятельность которых неизбежно сопровождается газо-пылевыми выбросами, сточными водами (в том числе от городских ливневых канализаций) и образованием твердых отходов.
Согласно принципам экологического нормирования загрязняющих веществ в почвах [6] определение уровня концентраций их наиболее подвижных соединений относится к особо значимым показателям. В условиях промывного и периодически промывного водного режима территории за счет достаточно высокой скорости миграции водорастворимых форм экотоксикантов в нижележащие горизонты почвенного тела и в грунтовые воды, а также за счет их значительной аккумуляции в фитомассе городских зеленых насаждений массоперенос и оборот веществ-загрязнителей в сопредельных средах системы «экотоп – биотоп» имеет высокую интенсивность.
Как указывается в современных исследованиях [7–10], в рамках регионального экологического мониторинга экспертиза (рекогносцировочная оценка) почвенного покрова на наличие потенциального накопления легко подвижных форм загрязняющих веществ практически не проводится, вследствие чего данный вопрос имеет высокую актуальность и востребованность для последующего выявления очагов вертикальной миграции экотокискантов и наибольшего их хронического депонирования, в том числе в виде нерастворимых матриц.
Цель исследования: выявление территориальных различий в уровне содержания наиболее подвижных соединений приоритетных загрязняющих веществ в урбаноземах Нижнего Новгорода с последующим анализом интегральной токсичности почвенного покрова.
Материалы и методы исследования
Экспертная оценка проводилась в отношении почв 7 районов города: Нижегородский (ПКиО им. Кулибина), Советский (Сквер 65-летия Победы), Приокский (ПКиО «Швейцария»), Сормовский (ПКиО «Сормовский парк»), Канавинский (ПКиО им. 1 Мая), Ленинский (ПКиО «Дубки») и Автозаводский (ПКиО «Автозаводский»).
В качестве оцениваемых территорий были выбраны указанные выше парковые зоны, максимально приближенные к промышленным предприятиям и автомагистралям города. Почвенный покров представлен урбаноземами различной степени и глубины техногенеза, среди чего доминирует физическое преобразование с признаками как химического загрязнения, так и наличия почвоподобных новообразований (реплантоземов) [11].
Для выявления наибольшей подвижности загрязняющих веществ пробы почв отбирались в период максимального количества весенних осадков (первая половина апреля 2019 г.), потенциально влияющих на растворимость веществ в верхних горизонтах почв. Отбор почв проводился с четырех пробных площадок (10×10 м), заложенных равномерно по территории каждого парка, методом конверта (5 точечных проб → 1 объединенная проба) равномерно с глубины 0–15 см. Территориальное расположение парков в городе и мест отбора показано на рис. 1.
Рис. 1. Карта-схема территориального расположения внутригородских районов Нижнего Новгорода и точек отбора проб урбаноземов на исследуемых участках
Почвенные образцы доставляли в эколого-аналитическую лабораторию мониторинга и защиты окружающей среды Мининского университета и анализировали путем определения концентраций легко подвижных соединений тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb и Cu) в виде экстрагирования их соединений водной вытяжкой. Также в образцах определяли содержание суммарного количества нефтепродуктов и интегральную токсичность.
Содержание тяжелых металлов в почвах определяли на полярографе TA-Lab инверсионно-вольтамперометрическим методом, содержание нефтепродуктов – на анализаторе ФЛЮОРАТ 02-4М люминесцентным методом, интегральную токсичность – при помощи генно-инженерной бактерии Escherichia coli M-17 на анализаторе токсичности БИОТОКС 10-М биолюминесцентным методом биотестирования [12]. Математическую обработку результатов исследований выполняли методом вариационного анализа в программном обеспечении Microsoft Office Excel 2007.
Результаты исследования и их обсуждение
Данные табл. 1 отражают содержание водорастворимых соединений цинка в почвах Нижнего Новгорода. Выявлено, что относительно уровня предельно допустимой концентрации (23,0 мг/кг) уровень подвижности цинка в городских почвах был достаточно мал, а абсолютные значения содержания водорастворимых фракций элемента варьировали от 0,2 % до 2,8 % от ПДК.
Таблица 1
Уровень территориальных различий в концентрациях водорастворимых соединений цинка (Zn) в урбаноземах Нижнего Новгорода
|
Территория исследования |
Содержание цинка в почвах по точкам отбора проб, мг/кг |
M ± m (V) |
|||
|
Т1 |
Т2 |
Т3 |
Т4 |
||
|
ПКиО им. Кулибина |
0,2676 |
1,0301 |
0,5778 |
0,7488 |
0,6561 ± 0,1596 (49) |
|
Сквер 65-летия Победы |
0,1933 |
0,2901 |
0,0794 |
0,0095 |
0,1431 ± 0,0619 (87) |
|
ПКиО «Швейцария» |
0,0785 |
0,2217 |
0,2146 |
0,3907 |
0,2264 ± 0,0639 (56) |
|
ПКиО «Сормовский парк» |
0,0820 |
0,0636 |
0,0551 |
0,0194 |
0,0550 ± 0,0131 (48) |
|
ПКиО им. 1 Мая |
0,2714 |
0,0072 |
0,1386 |
0,0158 |
0,1083 ± 0,0621 (115) |
|
ПКиО «Дубки» |
0,1736 |
0,0195 |
0,0280 |
0,1070 |
0,0820 ± 0,0363 (89) |
|
ПКиО «Автозаводский» |
0,0748 |
0,2655 |
0,1371 |
0,0997 |
0,1443 ± 0,0424 (59) |
Территориально наименьшее количество легко подвижных соединений цинка было установлено в урбаноземах Сормовского (ПКиО «Сормовский парк») и Ленинского (ПКиО «Дубки») районов, а наибольшее – в урбаноземах Нижегородского (ПКиО им. Кулибина) и Приокского (ПКиО «Швейцария») районов. Внутритерриториальное варьирование оказалось максимальным в условиях Сквера 65-летия Победы, ПКиО «Дубки» и ПКиО им. 1 Мая, что, по-видимому, обусловлено неравномерностью загрязнения территорий, а также пространственной неоднородностью почвенного покрова.
Содержание водорастворимых форм кадмия в почвах города (табл. 2) оказалось достаточно высоким – относительно уровня ОДК (0,5 мг/кг) его вариабельность находилась в пределах от 18 % (ПКиО им. Кулибина) до 101 % (ПКиО «Швейцария»).
Таблица 2
Уровень территориальных различий в концентрациях водорастворимых соединений кадмия (Cd) в урбаноземах Нижнего Новгорода
|
Территория исследования |
Содержание цинка в почвах по точкам отбора проб, мг/кг |
M ± m (V) |
|||
|
Т1 |
Т2 |
Т3 |
Т4 |
||
|
ПКиО им. Кулибина |
0,1966 |
0,0043 |
0,0971 |
0,0617 |
0,0899 ± 0,0404 (90) |
|
Сквер 65-летия Победы |
0,1652 |
0,0224 |
0,0953 |
0,1170 |
0,1000 ± 0,0297 (59) |
|
ПКиО «Швейцария» |
0,4035 |
0,3310 |
0,7021 |
0,5918 |
0,5071 ± 0,0851 (34) |
|
ПКиО «Сормовский парк» |
0,1169 |
0,0622 |
0,1214 |
0,0986 |
0,0998 ± 0,0135 (27) |
|
ПКиО им. 1 Мая |
0,3709 |
0,5910 |
0,2978 |
0,1115 |
0,3428 ± 0,0991 (58) |
|
ПКиО «Дубки» |
0,2274 |
0,2120 |
0,2153 |
0,1746 |
0,2073 ± 0,0114 (11) |
|
ПКиО «Автозаводский» |
0,0136 |
0,0970 |
0,1580 |
0,2333 |
0,1255 ± 0,0466 (74) |
Максимальное накопление легко подвижных форм элемента было установлено в урбаноземах Приокского (ПКиО «Швейцария») и Канавинского (ПКиО им. 1 Мая) районов; наименьшее накопление – выявлено в почвах Нижегородского, Советского и Сормовского районов города. Вариабельность показателя достигала высоких значений только на территории ПКиО им. Кулибина (до 90 %) и ПКиО «Автозаводский» (до 74 %), в остальных вариантах исследования показатель V имел более сдержанные значения.
Сравнивая территориальное накопление легко подвижных соединений свинца и меди в урбаноземах города (табл. 2 и табл. 3), прежде всего, необходимо указать на высокую вариабельность содержания меди в почвах относительно содержания свинца.
Таблица 3
Уровень территориальных различий в концентрациях водорастворимых соединений свинца (Pb) в урбаноземах Нижнего Новгорода
|
Территория исследования |
Содержание цинка в почвах по точкам отбора проб, мг/кг |
M ± m (V) |
|||
|
Т1 |
Т2 |
Т3 |
Т4 |
||
|
ПКиО им. Кулибина |
0,4211 |
0,4714 |
0,4453 |
0,2816 |
0,4049 ± 0,0423 (21) |
|
Сквер 65-летия Победы |
0,3008 |
0,1025 |
0,0784 |
0,2660 |
0,1869 ± 0,0564 (60) |
|
ПКиО «Швейцария» |
0,3310 |
0,2907 |
0,2407 |
0,2306 |
0,2733 ± 0,0233 (17) |
|
ПКиО «Сормовский парк» |
0,3609 |
0,1805 |
0,8244 |
0,5715 |
0,4843 ± 0,1387 (57) |
|
ПКиО им. 1 Мая |
0,2206 |
0,7723 |
0,1048 |
0,3612 |
0,3647 ± 0,1456 (80) |
|
ПКиО «Дубки» |
0,2409 |
0,2005 |
0,1182 |
0,3988 |
0,2396 ± 0,0589 (49) |
|
ПКиО «Автозаводский» |
0,1303 |
0,2066 |
0,2870 |
0,5614 |
0,2963 ± 0,0940 (63) |
Так, если в отношении свинца коэффициент вариации был сдержанным и свое максимальное значение принимал единожды в почвенном покрове территории ПКиО им. 1 Мая (до 80 %), то в отношении накопления меди уровень варьирования показателя по территории оказался высоким и достигал 83–101 % (Нижегородский, Приокский, Канавинский и Ленинский районы). Очевидно, что соединения свинца медленнее, чем соединения меди, переходят в водорастворимую форму и по большей части представлены кислоторастворимыми формами, на которые установлены санитарно-экологические нормы федерального уровня.
Таблица 4
Уровень территориальных различий в концентрациях водорастворимых соединений меди (Cu) в урбаноземах Нижнего Новгорода
|
Территория исследования |
Содержание цинка в почвах по точкам отбора проб, мг/кг |
M ± m (V) |
|||
|
Т1 |
Т2 |
Т3 |
Т4 |
||
|
ПКиО им. Кулибина |
0,0006 |
0,0062 |
0,0057 |
0,0002 |
0,0032 ± 0,0016 (101) |
|
Сквер 65-летия Победы |
0,0011 |
0,0043 |
0,0082 |
0,0101 |
0,0059 ± 0,0020 (68) |
|
ПКиО «Швейцария» |
0,0146 |
0,0030 |
0,0040 |
0,0018 |
0,0059 ± 0,0030 (101) |
|
ПКиО «Сормовский парк» |
0,0017 |
0,0011 |
0,0009 |
0,0034 |
0,0018 ± 0,0006 (64) |
|
ПКиО им. 1 Мая |
0,0079 |
0,0009 |
0,0016 |
0,0055 |
0,0040 ± 0,0017 (83) |
|
ПКиО «Дубки» |
0,0012 |
0,0003 |
0,0064 |
0,0029 |
0,0027 ± 0,0013 (100) |
|
ПКиО «Автозаводский» |
0,0007 |
0,0004 |
0,0015 |
0,0008 |
0,0009 ± 0,0002 (55) |
Относительно санитарно-экологических норм (6,0 мг/кг по Pb; 3,0 мг/кг по Cu) накопление в урбаноземах города водорастворимых фракций свинца составляло от 3,1 % (Сквер 65-летия Победы) до 8,1 % (ПКиО «Сормовский парк»), а накопление водорастворимых фракций меди – от 0,03 % (ПКиО «Автозаводский») до 0,20 % (Сквер 65-летия Победы и ПКиО «Швейцария»).
В целом нужно отметить, что из всех изученных приоритетных экотоксикантов городских почв содержание легко подвижных форм меди оказалось на самом минимальном уровне, что может быть связано с относительно низким содержанием пула медьсодержащих матриц в исходном почвенном покрове.
Наибольшее суммарное содержание нефтепродуктов в городских почвах, представленное на рис. 2, достигало 19,13 мг/кг на территории ПКиО «Дубки» (Ленинский район) и 15,81 мг/кг на территории ПКиО «Швейцария» (Приокский район).
Рис. 2. Уровень территориальных различий в концентрации нефтепродуктов в урбаноземах Нижнего Новгорода и в их интегральной токсичности
Средний уровень концентрации нефтепродуктов в урбаноземах (9,52 и 8,45 мг/кг) был установлен соответственно на территории ПКиО им. Кулибина и ПКиО «Автозаводский». Минимальное содержание нефтепродуктов было выявлено в почвах ПКиО «Сормовский» (1,69 мг/кг), ПКиО им. 1 Мая (2,80 мг/кг) и Сквера 65-летия Победы (4,36 мг/кг).
Относительно интегральной токсичности почв города (рис. 2) прежде всего необходимо указать на наличие тенденции ее зависимости от содержания нефтепродуктов в почвах. Кроме того, почвы ПКиО «Дубки» проявляли острую токсичность (3 группа токсичности), почвы ПКиО «Швейцария», ПКиО им. 1 Мая и ПКиО «Автозаводский» – среднюю токсичность (2 группа), а почвы ПКиО им. Кулибина, Сквера 65-летия Победы и ПКиО «Сормовский парк» – допустимую токсичность (1 группа).
Если рассматривать влияние накопления в почвенном покрове водорастворимых фракций тяжелых металлов на проявление им токсических свойств, то на территории ПКиО «Швейцария» и ПКиО «Дубки» имеется вероятность такого влияния от повышенного содержания цинка и кадмия, а на территории ПКиО им. Кулибина – от повышенного содержания цинка и свинца.
Заключение
Экспертиза территориальных различий в уровне концентраций легко подвижных форм приоритетных экотоксикантов, проведенная в черте Нижнего Новгорода, показала наличие относительно высокого содержания водорастворимых соединений кадмия – преимущественно в нагорной части города, и свинца – преимущественно в его заречной части.
Наибольшее суммарное содержание нефтепродуктов в городских почвах отслеживалось в ПКиО «Швейцария», расположенного вдоль одной из крупных автотрасс (пр. Гагарина), а также в ПКиО «Дубки», расположенного в промышленном центре и также испытывающего техногенный пресс в виде газо-пылевых выбросов от автотранспорта.
Интегральная токсичность урбаноземов, определенная по отношению к биотесту Escherichia coli M-17, в целом имеет удовлетворительный характер, сильно варьирует по территории города и имеет тенденцию зависимости от количества накопленных нефтепродуктов, а также от содержания металлов 1 класса токсичности – Zn, Cd и Pb.
Для проведения репрезентативной экологической оценки токсичности урбаноземов Нижнего Новгорода необходимо единовременно отслеживать степень накопления в них подвижных (кислоторастворимых) и валовых форм тяжелых металлов, а также нефтепродуктов, хлоридов, сульфатов, сероводорода и показателей кислотно-основного состояния. Такой набор показателей позволит не только выявить очаги загрязнения почвенного покрова, но и определить функциональную зависимость интегральной токсичности от конкретных загрязняющих веществ в определенных почвенных разностях.