Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Экологическая обстановка вокруг крупных промышленных предприятий вызывает озабоченность во всем мире и находится под пристальным вниманием ученых [1, 2]. Одно из центральных мест в этом мониторинге занимает изучение источников загрязнения, переноса, путей поступления и миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Одной из первой ступеней является исследование содержаний тяжелых металлов в осадках, в частности в снеге [3]. В Архангельской области в г. Северодвинске находятся крупные техногенные объекты, такие как ПО «Севмаш» и ГУП «Звездочка», составляющие Северодвинский промышленный район. Со времени его образования в конце 1930-х гг. данный район своим техногенным влиянием сформировал вокруг себя специфический спектр загрязнений. В нем находятся предприятия машиностроения, металлургии, химии, энергетики, в том числе и атомные энергетические установки. Все перечисленные факторы говорят о необходимости постоянного экологического мониторинга вокруг данной территории. Снег как переносчик и буфер удобен для изучения еще не поступивших в растительность и почву загрязнений и позволяет в чистом виде понять соотношение нерастворимой и растворимой форм тяжелых металлов, привнесенных в данное конкретное место отбора пробы. Соответственно эта информация может позволить оценить, как быстро соединения тяжелых металлов будут мигрировать по пути: растительность – почва – природные воды, а какие будут накапливаться.

Цель исследования: отобрать пробы снега вокруг г. Северодвинска и провести комплексный анализ наличия в них тяжелых металлов в их растворимой и нерастворимой форме. В процессе изучения снежного покрова вокруг Северодвинского промышленного района ранее проведенные исследования растворимой формы проб показали, что концентрационные ряды во многом сходны с нерастворимой. В связи с этим возникла задача исследовать тяжелые металлы, выделяющиеся из твердых частиц, посредством растворения и сравнить, насколько нерастворимая составляющая тяжелых металлов, выпадающая из атмосферы, коррелирует с растворимыми формами. Целью также было оценить степень выщелачивания нерастворимой формы данных элементов, поскольку именно растворившаяся часть попадает после таяния снега в растительный покров, почву и вступает в химические реакции. Для выполнения поставленных задач были выбраны точки отбора снега таким образом, чтобы они находились над ранее исследованными участками почв на предмет содержания в них тяжелых металлов, чтобы в дальнейшем проследить степень поглощения их почвами. Дополнительной задачей было исследование физико-химических показателей талой воды, поскольку это является неотъемлемой частью для понимания миграционной способности соединений исследуемых элементов [4].

Материалы и методы исследования

Для отбора проб снега был выбран март 2019 г., поскольку на этот месяц приходится максимум накопления снега. В результате было отобрано 13 проб снега в непосредственной близости к Северодвинскому промышленному району и одна проба снега (С-95) на значительном удалении от промышленных объектов, находящаяся на территории Беломоро-Кулойского плато [5]. Все пробы вокруг данного района находились в 0,1–10 км от источника загрязнения. В среднем мощность снегового покрова составляла от 65 до 70 см.

Пробы снега отбирали на глубину профиля в пластиковые ведра с крышкой полипропиленовым совком, отступая вверх от почвы на 5 см, чтобы она не попала в образцы. Пробы отбирали непосредственно в лесу, не менее чем в 100 м от дороги, учитывая то, что поток транспорта в данном месте незначительный. Далее пробы снега транспортировали в лабораторию и растапливали в емкостях, в которых он был отобран, при температуре 20 °С. Физико-химические показатели, такие как проводимость, минерализация, водородный показатель, незамедлительно измерялись в талой воде методом прямой потенциометрии при помощи кондуктометра «Mettler Toledo FiveGo F3» и pH-метра «Hanna Instruments 9124». Для того чтобы отфильтровать нерастворенные частицы, использовали предварительно взвешенный и высушенный в сушильном шкафу фильтр «синяя лента» диаметром 90 мм. Фильтрование проводили при помощи вакуумного насоса на воронке Бюхнера. Затем, чтобы определить массу сухого остатка фильтр высушивали в сушильном шкафу при 105 °C, помещали в эксикатор для стабилизации массы, взвешивали и вычисляли массу осадка.

Для анализа растворимой формы тяжелых металлов пробы талой воды помещали в полипропиленовые пробирки с крышкой емкостью 50 мл и консервировали особо чистой азотной кислотой и передавали на анализ. Кроме того, делали холостую пробу со смесью воды полученной на установке обратного осмоса и используемой в качестве консервирующего агента HNO3 для того чтобы исключить ее влияние на результаты анализов. Оба вида анализа проводились в ЦКП НО «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова методом ИСП-МС (прибор «Aurora Elite» фирмы Bruker Daltonics, Inc) с погрешностью ±0,005 мг/л.

Результаты исследования и их обсуждение

Для начала следует отметить, что суммарные значения концентрации тяжелых металлов нерастворимой формы в точках отбора, находящихся в нескольких десятках метров от промышленных объектов достигают 0,259 и 0,312 мг/кг (пробы С-87 и С-88). В сумме с содержаниями Ti и Fe эти показатели вырастают до 8,44 мг/кг в пробе С-88 и 43,24 мг/кг в пробе С-87.

На расстоянии 7–10 км от предприятий Северодвинского промышленного района суммарные значения тяжелых металлов в пробах снега изменяются в пределах от 0,026 до 0,077 мг/кг (пробы С-89 и С-92), а это существенно ниже, чем в пробах С-87 и С-88. Обработка и анализ результатов отобранных проб для определения растворимой формы исследуемых элементов показали, что эти значения заметно ниже (рисунок).

В целом валовая концентрация варьируется в пределах от 0,017 мг/л в точке С-93 до 0,056 мг/л в точке С-87. Относительно высокие значения отмечаются в точках находящихся ближе всего к промышленным объектам: пробы С-87 (0,056 мг/л), С-88 (0,041 мг/л) и С-92 (0,040 мг/л). Наиболее низкие значения отмечены в точках С-83 (0,017 мг/л) и С-93 (0,016 мг/л). С учетом Ti и Fe наименьшие суммарные значения растворимой формы имеет проба С-95 (0,095 мг/л), а наибольшие С-87 (1,384 мг/л). Для детального сравнения растворимой и нерастворимой форм тяжелых металлов была выбрана проба С-87 как наиболее представительная по концентрации для обеих форм и проба С-89 с наиболее низкими значениями (таблица).

Для характеристики рисунка следует предварительно сказать несколько слов отдельно о каждом элементе. Выщелачивание титана из оксидов непосредственно связано со слабокислой средой, обусловленной также наличием растворенных в воде оксидов серы с образованием серной кислоты от сжигания углей на ТЭЦ-1 г. Северодвинска. Из таблицы видно, что титан в снеге содержится в основном в растворимой форме. Ванадий, имеющий 3 класс опасности, может поступать в атмосферу в виде силикатов в соединении с железом от металлургических производств. В данном случае в пробе С-87 ванадий содержится в основном в нерастворимой форме, что и не удивительно, поскольку ванадий и его соединения достаточно инертны. Хром (2 класс опасности) применяется в металлургии и в гальваническом производстве, выделяется в атмосферу в виде оксидов, которые слабо выщелачиваются в нейтральной среде, что и отражено в таблице. Марганец применяется в металлургии и выпадает в виде одно-, двухвалентных оксидов, которые хорошо выщелачиваются только в кислой среде. Несмотря на повышенное содержание марганца в данной пробе 132 мкг/л (ПДК 100 мкг/л), доля его растворимой формы невелика. Количество растворимой формы кобальта составляет 22 %. Это элемент 2 класса опасности, и можно сказать, что он находится в снеге в виде оксида и слабо выщелачивается.

Никель в пробах снега показывает себя как элемент сходный по степени выщелачивания с кобальтом. Здесь явно прослеживается его наиболее устойчивая форма соединений со степенью окисления 2+. В исследуемой пробе снега преобладает нерастворимая форма никеля в соотношении 1:5. Медь, имеющая класс опасности 2, содержится в отобранных пробах в основном в нерастворимой форме и выщелачивается слабо. Растворимые соединения составляют немногим более 11 %. Аэрозоли, содержащие медь, являются в основном продуктом металлургического производства и состоят из оксидов. В снеге медь, соединяясь с углекислым газом, превращается в инертные карбонаты и в растворимую часть переходит мало.

Цинк поступает в атмосферу от предприятий в виде оксида и металлической пыли, которая быстро окисляется на воздухе. На рисунке видно, что его растворимая форма не во всех пробах коррелирует с нерастворимой. Однако в пробе С-87 она составляет значительную часть. На относительно чистых участках его растворимая форма составляет очень небольшую долю несмотря на то, что цинк легко выщелачивается и в кислой, и в щелочной среде, однако довольно инертен в нейтральной. Мышьяк в основном выделяется на данной территории теплоэлектростанцией № 1, работающей на каменном угле, и обе его формы коррелируют между собой. Молибден при металлообработке выделяется в окружающую среду в виде оксидов MoO3 и мало переходит в растворимую форму ввиду химической устойчивости. Кадмий, элемент 2 класса опасности, ведет себя сходно с молибденом, хотя и более химически подвижен в слабокислой среде. Свинец на изучаемой территории имеет небольшое превышение ПДК в нерастворимой форме, однако растворимая форма этого тяжелого металла составляет лишь 6,6 % от нерастворимой в силу инертности этого элемента.

Показатели кислотности в пробах талой воды варьировались от 5,02 до 6,04 единиц pH, а значит, находились в нейтральной и слабокислой зоне. Максимальное значение pH было зафиксировано в пробе С-87, а минимальное – в фоновой пробе С-95. Содержание электролитов изменялось в пределах 5,25–14,31 мкСм/см, то есть было незначительным. Минерализация как находилась в интервале от 2,49 до 7,08 мг/л, достигая максимума в точке С-87. Окислительно-восстановительный потенциал варьировал от 52 до 121 mV с самым низким значением в точке С-87.

Заключение

В результате проведенной работы было зафиксировано, что в растворимой форме концентрации практически всех элементов были невысокими. Большинство значений исследованных металлов в растворимой и нерастворимой форме коррелируют между собой. Можно сделать вывод, что все соединения металлов растворяются и выщелачиваются переходя из нерастворимой формы в растворимую в той или иной степени. Концентрации исследуемых элементов в растворимой форме не превышали ПДК, даже в пробах располагающихся в нескольких десятках метров от Северодвинского промышленного района. Суммарные значения содержания тяжелых металлов в нерастворимой форме достигали высоких значений в 43 мг/кг и даже в незначительной мере превышали ПДК (Mn и Pb). Обработка данных показала, что концентрация тяжелых металлов в нерастворимой форме в точках С-87 и С-89 имеет большую разность, чем при сравнении растворимой формы в этих же точках. Были отмечены участки с хорошей экологической обстановкой, содержание тяжелых металлов на которых низкое и может считаться фоновым. Физико-химические показатели находятся в тесной взаимосвязи с высокими содержаниями тяжелых металлов в той и другой форме. В целом можно сказать, что исследуемая территория является достаточно чистой уже на небольшом удалении от промышленных объектов, а на расстоянии 7–10 км концентрация тяжелых металлов фоновая.

Работа была выполнена при поддержке программы НИР № AAAA-A19- 119011890018-3.