Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Ведущее предприятие г. Мончегорска – АО «Кольская горно-металлургическая компания» (площадка «Североникель») осуществляет производство цветных металлов – никеля, меди, кобальта, а также некоторых драгоценных металлов и является основным источником загрязнения тяжелыми металлами компонентов природной среды не только г. Мончегорска, но и водосборов озер юго-западной и центральной частей Мурманской области. Газопылевые выбросы предприятия, содержат в себе значительные количества Ni и Cu, и, в меньшей степени, Ag, Al, As, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, Hg, Mg, Mn, Pb, Sb, Sr, Th, Tl, V, Zn [1]. Несмотря на то, что для снижения негативного воздействия комбината строительство г. Мончегорска велось с учетом розы ветров, выбросы от производственных цехов и теплоэлектростанции комбината оказывают значительное влияние на состав воздуха и почв города. Помимо влияния выбросов комбината, дополнительную антропогенную нагрузку оказывает ТЭЦ. Дополнительное количество никеля поступает в атмосферу при сжигании мазута, на котором работает часть ТЭЦ арктического региона. Кроме никеля, летучая зола может содержать до 8 мас. % ванадия [2].

Тяжелые металлы не подвержены микробиологической или химической деградации и способны накапливаться в почвах в течение длительного времени. В свою очередь почвы могут стать вторичными источниками загрязнения воздуха, растений и природных вод, что может вызвать нарастание экологически опасных последствий. Загрязнение природных сред приводит к увеличению поступления токсикантов в организм человека. Последние подробные данные о почвах г. Мончегорска опубликованы в 2006 г. и отражают содержание в них подвижных форм тяжелых металлов на 2002 г. [3].

С учетом того, что, с одной стороны, подавляющая часть населения Арктики проживает в городах, а с другой – данных о качестве городских почв недостаточно, представляется необходимым изучение их состава как компонента окружающей среды человека.

Цель исследования: оценка уровней содержания тяжелых металлов в почвах г. Мончегорска. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: произвести описание и отбор проб почвы селитебных ландшафтов; установить фактические уровни содержания тяжелых металлов в почвах, выявить наиболее загрязненные участки.

Материалы и методы исследования

В ходе проведения экспедиционных работ в 2018 г. было отобрано 50 проб почв на территории г. Мончегорска (рис. 1).

Отбор проб осуществляли с площадок размером 1х1 м методом конверта в плотные холщовые мешки (общий вес – не менее 1 кг). Глубина отбора проб составляла 5–10 см. Подготовка проб к анализу включала высушивание до воздушно-сухого состояния, извлечение крупных включений (булыжники, ветки, неразложившиеся корешки, мусор), просеивание и перетирание.

Определение гранулометрического состава почвы осуществляли ситовым методом путем просеивания навески почвенного образца через набор стандартных сит, различающихся размером ячеек (10 мм, 2 мм, 1 мм, 0,5 мм, 0,25 мм, 0,1 мм и 0,045 мм) с применением аналитической просеивающей машины серии Retsch AS 200 Control. Для дальнейших анализов использовали фракцию менее 2 мм.

Определение зольности почвы проводили согласно ГОСТ 27784-88 путем озоления проб почвы в лабораторно-экспериментальной муфельной печи при температуре (525 ± 25) °С.

Анализ состава проб был проведен в ЦКП НО «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова рентгеноспектральным методом с применением энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра типа EDX (Shimadzu) по методике ФР.1.31.2017.25613. Таблетирование измельченных проб (до фракции 71 мкм) проводили с использованием связующего – поливинилового спирта.

Статистическая обработка данных включала расчет среднего арифметического значения, медианы, стандартного отклонения, стандартной ошибки среднего и была произведена с помощью программного обеспечения StatSoft, Inc. (2011). STATISTICA (data analysis software system), version 10. Кроме того, были рассчитаны коэффициенты парной корреляции R (квадратная матрица), критический уровень значимости принимали p < 0,05. Факторный анализ применялся в целях выявления количества и степени влияния различных параметров среды на исследуемые объекты.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ гранулометрического состава почв показал, что состав городских почв в основном представлен средними (0,25–0,5 мм) и мелкими (0,1–0,25 мм) песчаными частицами (42 %) со значительным содержанием гравия (19 %).

Среднее содержание элементов в почвах г. Мончегорска приведено в табл. 1, пространственное распределение в долях ПДК представлено на рис. 2.

Валовое содержание меди в органогенном горизонте почв Кольского полуострова изменяется от 2,59 мг/кг до 1950 мг/кг [5]. Во всех пробах почв, отобранных в городе Мончегорске, концентрация меди превышает ПДК в два и более раз, а в некоторых почвенных образцах – в 520 раз. Так, аномально высокие концентрации Cu (28640 мг/кг) зафиксированы в торфяных отложениях у безымянного озера (точка 41 рис. 1, рис. 2 (А)). Высокое содержание Cu (8320–12280 мг/кг) зафиксировано также в образцах почвы, отобранных в районе домов 5 и 10 по просп. Металлургов (точки 35 и 48 рис. 1, рис. 2 (А)). Следует отметить, что в данном районе расположен детский сад. Высокое значение концентрации Cu в почве (12270 мг/кг), кроме того, обнаружено в почвах поселка «31 километр» (точка 39 рис. 1, рис. 2 (А)). Показатель содержания меди в почвах имеет обратную значимую корреляцию с зольностью (R = –0,5241, p = 0,000), что предположительно отражает высокую удерживающую способность органических компонентов почвы. Характерные для г. Мончегорска кислотные осадки способствуют повышению миграционной активности меди, однако такая миграция непродолжительна и при нейтрализации кислых вод сульфаты меди адсорбируются гумусом и глинами. Анализ пространственного распределения Cu в почвогрунтах г. Мончегорска показал, что основным геохимическим барьером на пути миграции Cu из атмосферы в городские почвогрунты является верхний органический горизонт почв, где медь активно адсорбируется основными фракциями гумусовых веществ – гуминовыми и фульвокислотами.

В целом на территории города средняя концентрация ванадия в почвах не превышает ПДК (табл. 1). Превышение ПДК в почве было обнаружено в торфянистых почвах у безымянного озера (точка 41 рис. 1, рис. 2 (Б)), где концентрация V составляет 240 мг/кг. Данная аномалия может быть связана со способностью ванадия аккумулироваться в условиях пониженного окислительно-восстановительного потенциала среды (что характерно для заболоченных почв) [6]. В близко расположенном поселке «31 километр» также зафиксированы относительно повышенные концентрации V в отобранных почвенных образцах – 100 мг/кг (точка 40 рис. 1, рис. 2 (Б)) и 120 мг/кг (точка 39 рис. 1, рис. 2 (Б)). Повышенные значения V в городских почвах отмечены на правом берегу р. Нюдуай (точка 30 рис. 1, рис. 2 (Б)), где концентрация V составляет 130 мг/кг. Значимая обратная корреляция между зольностью и содержанием ванадия в почвах (R = –0,4534, p = 0,001) отражает влияние бедной ванадием подстилающей породы – морены. Анализируя поведение V в почве, следует учитывать, что торфянистые почвы характеризуются самым низким содержанием ванадия, а сам ванадий относится к группе слабо мигрирующих элементов. Таким образом, в данном районе отбора поступление V в почвы превышает его вынос. Учитывая преобладающее в течение года южное направление ветра, можно утверждать, что основным источником загрязнения рассматриваемой территории является деятельность металлургического комбината. Еще одним участком, где зафиксировано повышение концентрации V (120 мг/кг) в верхнем почвенном горизонте, является парковая зона вдоль Ленинградской набережной (точка 17 рис. 1, рис. 2 (Б)). На данном участке представлены подзолы с хорошо оформленным почвенным профилем, а аккумуляция V в верхнем гумусовом горизонте, вероятно, связана со способностью ванадия активно участвовать в комплексообразовании с органическими лигандами.

Многолетние исследования по программе изучения Баренц-региона показали, что среднее валовое содержание никеля в органогенном горизонте почв Кольского полуострова – 14,4 мг/кг [5]. Концентрация Ni в почвогрунтах г. Мончегорска изменяется от 110 мг/кг до 35680 мг/кг (табл. 1). Среднее содержание Ni в городской почве Мончегорска превышает ПДК в 30 раз, а аномально высокие значения – в 100–420 раз. Все почвенные образцы с аномально высокими значениями Ni были отобраны в трех-четырех километрах к северу от комбината (точки 41, 39, 30 рис. 1, рис. 2 (В)). Учитывая розу ветров, можно сделать вывод, что генезис данных аномалий напрямую связан с влиянием выбросов предприятия «Североникель».

Валовое содержание свинца в органогенном горизонте почв Кольского полуострова составляет в среднем 15,4 мг/кг, изменяясь от 3,09 до 101 мг/кг [5]. В целом на территории города содержание свинца в почве превышало ПДК в 43 % проб. Максимальные концентрации свинца в почве наблюдаются вдоль берега оз. Имандра, в точках 17 и 18 (рис. 1) – 300 и 630 мг/кг соответственно, что выше допустимых значений в 10 и 21 раз. Также превышения ПДК в 4–9 раз обнаружены на правом берегу р. Нюдуай (точка 30, рис. 1, рис. 2 (Г)), в поселке «31 километр» (точки 39–40, рис. 1, рис. 2 (Г)), у безымянного озера (точка 41 рис. 1, рис. 2 (Г)), на территории аллеи вдоль пр. Металлургов (точка 35, рис. 1, рис. 2 (Г)) и в районе поликлиники (точка 53, рис. 1, рис. 2 (Г)). Превышения допустимых значений для свинца в почве приурочены отчасти к местам большого скопления автотранспорта, гаражным кооперативам и станциям обслуживания транспорта. Это обусловлено тем, что свинец является одним из основных загрязнителей, поступающих в окружающую среду с отработанными газами автомобилей [7].

Данные статического анализа выявили большую пространственную неоднородность содержания рассматриваемых металлов в городских почвах (табл. 1), о чем свидетельствуют высокие значения стандартного отклонения. Увеличение амплитуды колебаний значений концентраций металлов в почве является одним из признаков загрязнения.

Корреляционный анализ данных о содержании элементов и фракционном составе почв показал наличие значимой связи содержания никеля и цинка с фракцией почвы 10 мм (коэффициент корреляции R = 0,38–0,45, p = 0,001–0,002).

Факторный анализ данных о содержании элементов в пробах почв исследованной территории показал наличие трех факторов, влияющих на состав городских почв (табл. 2). Первый фактор, регулирующий состав городских почв, определяется фракционным составом. Содержание никеля и меди приурочено к крупнодисперсной фазе (10 мм).

Заключение

Авторами установлено, что содержание меди, никеля, ванадия и свинца в почвах г. Мончегорска нередко превышает предельно допустимые значения. Наиболее загрязненными являются почвы в районе безымянного озера (точка 41, рис. 1), в аллее на пр. Металлургов (точка 35, рис. 1), район правого берега р. Нюдуай (точка 30, рис. 1) и поселка «31 километр» (точки 38–40, рис. 1). Высокие содержания элементов определены в почве парковой зоны вдоль Ленинградской набережной (точка 17, рис. 1). Относительно чистыми являются почвы юго-восточной окраины города (точка 7, рис. 1) и жилой квартал ограниченный улицами Бредова, Комарова, Гагарина и Ферсмана (точка 3, рис. 1).

Работа выполнена в рамках темы государственного задания № 0409-2019-0037.