Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

EXAMINATION OF TERRITORIAL DIFFERENCES IN CONCENTRATIONS OF EASILY MOBILE FORMS OF PRIORITY ECOTOXICANTS IN URBANOZEMS OF NIZHNY NOVGOROD CITY AND ANALYSIS THEIR INTEGRAL TOXICITY

Kozlov A.V. 1 Uromova I.P. 1
1 Minin Nizhny Novgorod State Pedagogical University
This paper presents of results of expert assessment of soil cover of the Nizhny Novgorod of different degree of transformation to determine level of concentrations of most mobile (water-soluble) fractions of heavy metals (zinc, cadmium, lead and copper), as well as total content of petroleum products with subsequent detection of level of integral toxicity of urbanozems. The research was carried out in April 2019 on the basis of the Ecological Analytical Laboratory of Environmental Monitoring and Protection of Minin University. The soil cover of park areas of 7 districts of the city, most close to industrial zones and lanes of motorways, was studied. Level of accumulation in soil layer 0-15 cm of easily movable zinc fractions – 0.2–2.8 % of TLV, cadmium – 18–101 % of TLV, lead – 3.1–8.1 % of TLV and copper – 0.03–0.20 % of TLV. Most common internal spatial variability of element was determined by zinc and copper, which is primarily due to uneven contamination of soil cover by these ecotoxicants. Total content of petroleum products in examined urbanozems as a whole had a wide variation, but in largest content was found on the territory of RP «Dubki» (more than 19 mg/kg), RP «Switzerland» (up to 16 mg/kg) and RP named after Kulibin (up to 10 mg/kg). The analysis of integrated toxicity of soil cover determined by the Escherichia coli M-17 biotest showed its strongly pronounced variability across the city, which tended to depend on amount of accumulated petroleum products, as well as on content of metals of class 1 of toxicity – Zn, Cd and Pb. It seems that effect of accumulation of water-soluble fractions of heavy metals in soils on its manifestation of toxic properties on the territory of RP «Switzerland» and RP «Dubki» was determined by increased content of zinc and cadmium, and on the territory of RP named after Kulibin – by increased content of zinc and lead.
heavy metals
petroleum products
soil integrated toxicity
easily movable ecotoxicants compounds
territorial differences
urbanozems
urban territory

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.

kozl1.tif

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).

kozl2.wmf

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.