Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Восточное Забайкалье является важной сырьевой базой России, на территории которой производится добыча и переработка ряда ценных минеральных ресурсов: цветных и драгоценных металлов, полуметаллов и минералов [1]. Однако масштабная добыча привела к формированию на поверхности значительных по объемам отвалов пустой и частично переработанной породы. Содержащиеся в этих техногенных скоплениях химические элементы подвергаются химической и биологической трансформации, что приводит к их интенсивной миграции и накоплению в почве и растительных объектах. По трофическим цепям многие токсичные соединения поступают в организмы животных и человека, приводя к нарушению металло-лигандного гомеостаза и провоцируя патологические состояния (биоэлементозы) [2]. Опасность отвалов также связана с их расположением относительно населенных пунктов, в которых организована переработка добываемой руды. В связи с экономическим кризисом в постсоветский период многие из предприятий горнопромышленного комплекса были закрыты и разрушены, а мероприятия по уменьшению негативного воздействия техногенных объектов на экосистемы и населенные пункты не проводились.

Целью исследования было изучение химического состава почв и техноземов из окрестностей населенных пунктов, где производится добыча и частичная переработка полиметаллических руд, и оценка их негативного воздействия на прилегающие территории.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования использовались почвы и технозёмы, отобранные в населённых пунктах, подвергающихся техногенному воздействию из-за работы горно-обогатительных комбинатов (ГОКов), или где ведётся добыча руды, а также в окрестностях хвостохранилищ и отвалов. Отбор проб из техногенных геохимических аномалий был проведён в 2018 г. в следующих пунктах: Приаргунский район – село Кличка, Газимуро-Заводский район – посёлок Новоширокинский и село Тайна (фон), Нерчинско-Заводский район – сёла Нерчинский Завод и Воздвиженка и пойма реки Уров (фон), Калганский район – сёла Кадая, Калга (фон) и пойма реки Средняя Борзя, Агинский район – поселки городского типа (пгт) Ново-Орловск и Агинское (фон). Масса отходов горного производства и содержание в них приоритетных загрязнителей имеют крайне высокие значения, характеризующие хвостохранилища и отвалы горно-обогатительных комбинатов как месторождения, имеющие техногенное происхождение [1; 3]. Всего в работе использовано 24 пробы в 2-кратной повторности. Аналитическое определение 32 химических элементов (Ag, Al, As, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Cr, Co, Cu, Fe, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, P, Pb, Sr, Ti, V, W, Y, Zn и Zr) проводили методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрометре Perkin Elmer NexION 300D (США) в аккредитованной лаборатории ЗАО «СЖС Восток Лимитед» (г. Чита).

Распределение концентраций загрязняющих веществ статистически значимо отличалось от нормального, в связи с чем, кроме значения величины среднего и ошибки среднего (M ± σ), определялись медиана (Me) и интерквартильный размах (Q25-Q75), а для оценки значимых различий применялся непараметрический U-критерий Манна-Уитни, достоверными считали выборки при 95 %-ном пороге вероятности (р < 0,05) [4].

Для анализа данных использовались эколого-геохимические коэффициенты – техногенной концентрации химических элементов: , и суммарного показателя загрязнения (ZCТ) с учётом токсичности химических элементов, которые рассчитывали с использованием поправочных коэффициентов: ZCT = Σ(KC(i)·KT(i)) – (n – 1), где Kс > 1,5, n – число химических элементов. В расчётах использовали следующие коэффициенты токсичности (КT(i)): для химических элементов 1-го класса опасности (As, Cd, Pb, Zn) равны 1,5; для 2-го класса (Cu, Sb) – 1 [5]. Суммарный показатель загрязнения имел следующую градацию критических значений: менее 16 – допустимая, наиболее низкий уровень заболеваемости у детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений; от 16 до 32 – умеренно опасная, увеличение общей заболеваемости; от 32 до 128 – опасная, увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы; более 128 – чрезвычайно опасная категория загрязнения, увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение числа токсикоза беременности, преждевременных родов, мертворождаемости, гипертрофии новорождённых).

Для учёта содержания, токсичности и буферности конкретной почвы рассчитывался индекс суммарной токсикологической оценки загрязнённости почв токсичными элементами: , где Cпочва и Сфон – содержание химического элемента (мг/кг) в условиях исследуемой площадки в сравнении с фоновыми территориями, стандартная величина предельно допустимого дополнения (ПДД), которая для Zn составляла 16 мг/кг, As – 4,5 мг/кг, Cd – 0,76 мг/кг, Sb – 0,53 мг/кг, Pb – 55 мг/кг [6]. Градации почв по токсикологической оценке имеют следующие степени: допустимая <10, слабая 10–40, средняя 40–80, опасная 80–200, очень опасная 200–500, чрезвычайно опасная 500–3000 [7]. Индекс геоаккумуляции (Igeo) [8, с. 142]: , где Bm – фоновая концентрация элемента в почве по А.П. Виноградову [9]; Cm – измеренная концентрация химического элемента в почве; 1,5 – коэффициент коррекции, позволяет анализировать естественные отклонения в содержании элемента в природе и снижать антропогенное влияние. Градация интенсивности загрязнения в зависимости от значений индекса имеет следующие значения: <0 – практически незагрязненная, > 0–1 – от незагрязненной до умеренной, > 1–2 – умеренная, > 2–3 – от умеренной до сильной, > 3–4 сильная, > 4–5 – от сильной до очень сильной, > 5 – очень сильная [8, с. 143].

Степень опасности загрязнения почв определялась в соответствии с ориентировочной оценочной шкалой опасности загрязнения почв по МУ 2.1.7.730-99 «Почва. Очистка населённых мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиеническая оценка качества почвы населённых мест», ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» и ГН 2.1.7.2042-06 «Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве».

Результаты исследования и их обсуждение

Химический состав почв и техноземов населенных пунктов, входящих в состав горнопромышленного комплекса Забайкальского края, выявил аномально высокие количества серебра, мышьяка, кадмия, свинца, сурьмы и цинка (табл. 1). Превышение нормирующих показателей по содержанию серебра отмечено в 8 пробах (от 10,8 до 118,9 раза по сравнению с кларком для городских почв), максимальные цифры по мышьяку отмечались для техноземов из хвостохранилищ и отвалов сёл Нерчинский Завод, Воздвиженка и Кадая. Следует отметить, что содержание этого элемента превышало все нормирующие показатели и для сравнительно экологически благополучных территорий, например в почве с. Калга зарегистрировано более чем двукратное превышение ОДК (As), в пойме р. Уров – 18,4-кратное превышение ОДК (As) (табл. 1). Высокотоксичный кадмий в сверхвысокой концентрации присутствовал в технозёмах сёл Нерчинский Завод, Кадая и Воздвиженка, превышая ПДК более чем в 60 раз. Очень высокие значения по свинцу получены для техноземов п. Кличка и сёл Нерчинский Завод и Кадая, с максимальным содержанием в образцах из поймы р. Средняя Борзя, где отмечено 75-кратное превышение ОДК. Концентрация сурьмы превышала ПДК в технозёмах сёл Нерчинский Завод, Кадая и Воздвиженка, с максимумом превышения ПДК в 128 раз. Избыток цинка зафиксирован в технозёмах всех горно-обогатительных комбинатов с максимумом превышения ОДК в 45,5 раз для проб из сёл Нерчинский Завод и Кадая. Кроме того, в исследованных пробах зафиксировано количество элементов, многократно превышающее медианные значения для природных малонарушенных почв Забайкалья (табл. 1).

Анализ обобщённых данных по каждому типу изученных субстратов выявил следующие особенности. Максимальные значения среднего содержания и медианы токсичных элементов отмечались в технозёмах и в почвах буферных зон, расположенных по их периферии (табл. 2). Сравнение трёх групп данных (без учёта Ag) для оценки достоверности различий между ними с помощью критерия Манна-Уитни по величинам среднего содержания химических элементов показало значимые различия между технозёмами и фоновыми участками (U = 2, p = 0,037). Сравнение остальных совокупностей не имело достоверных отличий («фон–почвы населённых пунктов»: U = 8, p = 0,40, «технозём–почвы населённых пунктов»: U = 5, p = 0,14). По совокупностям медиан значимых отличий не выявлено.

Тем не менее медианы уровня загрязнённости техноземов всеми токсичными элементами многократно превышали уровни ПДК и ОДК, что характеризует эти объекты как техногенные пустыни, неблагоприятные для жизни микробиоты и растений. Почвы в населённых пунктах можно охарактеризовать как урбанозёмы, обогащённые As, Pb, Sb и в меньшей мере Zn, при сравнении с медианным содержанием и кларком для городских почв [9]. Фоновые участки характеризовались небольшим избыточным содержанием мышьяка, по остальным элементам превышения нормирующих показателей не отмечалось (табл. 2).

Относительный уровень загрязнения почв и техноземов биогеохимических горно-промышленных аномалий оценивали с помощью индекса геоаккумуляции (табл. 3). Максимальные значения по данному геохимическому коэффициенту отмечались для технозёмов и почв, сформировавшихся возле хвостохранилищ и отвалов. Сверхвысокое значение (Igeo = 21,33) отмечено по кадмию в отвалах рудника Кадая, очень сильное загрязнение отмечено также и практически по всем точкам проботбора, за исключением пгт Ново-Орловск, для которого значение степени загрязнения по сурьме было от умеренного до сильного. Технозёмы у сёл Нерчинский Завод и Кадая имели по всем приоритетным загрязнителям крайне высокие величины. Также следует отметить, что почвы относительно благополучных площадок имели сверхвысокие значения индекса геоаккумуляции ряда токсичных элементов, что, в свою очередь, может оказывать влияние на минеральный обмен растений, животных и человека, обитающих и проживающих в этих районах. Лесные почвы посёлка Новоширокинский и села Калга сильно загрязнены серебром, а в посёлке Кличка на фоне загрязнения садовой почвы серебром отмечается высокий уровень геоаккумуляции сурьмы. Для почвы села Воздвиженка сильное загрязнение зафиксировано по мышьяку, кадмию и сурьме, в аллювиальных почвах поймы реки Уров имелось загрязнение мышьяком, свинцом и сурьмой (табл. 3).

Таблица 3

Величины индекса геоаккумуляции (Igeo) элементов-токсикантов в почвах и технозёмах, суммарного коэффициента загрязнения (ZCT) и коэффициента суммарной токсикологической оценки загрязнённости почв токсичными элементами (Pt)

Высокую информативность о степени воздействия на биосистемы имеет суммарный показатель загрязнения (ZCT), рассчитанный по коэффициентам техногенной концентрации в сравнении с кларками приоритетных загрязнителей для почв и урбаноземов (табл. 3). Чрезвычайно опасными по интенсивности загрязнения были технозёмы сёл Нерчинский Завод, Кадая и Воздвиженка и поймы реки Средняя Борзя, с максимумом в 702 единицы. Оценка суммарного показателя загрязнения по кларкам в урбанозёмах имела гораздо более скромные значения, однако для всех перечисленных точек отбора проб он характеризовался чрезвычайной опасностью (табл. 3). Для большинства пунктов данный показатель лежал в пределах умеренной и высокой опасности, которые имели меньшие величины в сравнении с урбанозёмами.

Отмечается [7], что суммарный показатель загрязнения, даже с учётом коэффициента токсичности элементов (ZCT), не учитывает фоновое содержание конкретного элемента в субстрате. Это приводит к завышению его содержания, а в районах техногенных биогеохимических аномалий величины выходят за пределы нормирующих значений. Также формула не учитывает различие в токсичности поллютантов и влияние на их подвижность типа почвы. В связи с этим полученные значения коэффициента суммарного токсикологического загрязнения имели максимумы для техноземов и почв буферных зон – 385,24 (с. Нерчинский Завод), 306,90 (с. Кадая), 319,33 (с. Воздвиженка), что характеризовало их как имеющих опасный уровень загрязнения (табл. 3). В среднем технозёмы имели величину этого коэффициента 127,34 единицы. Для участка р. Средняя Борзя, где осуществляется добыча золота драгой, отмечается не только очень опасное загрязнение технозёмов (ZCT = 518,37, Pt = 214,99), но и воды [11]. Авторы зафиксировали значительную загрязнённость водоёма ниже участка золотодобычи такими элементами, как Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Hg и Pb, при этом выше участка превышения выявлены только по Cu и Mn [11]. Эти данные позволяют охарактеризовать интенсивность перемещения токсичных элементов из твёрдой фазы в жидкую водную, и их дальнейшую миграцию с водотоком в реку Аргунь, что влияет на состояние местных экосистем и здоровье жителей района. При этом отмечается, что река Средняя Борзя является самой загрязнённой из 12 исследованных в российской части бассейна р. Аргунь. Причина интенсивной миграции As, Pb и Zn, вероятно, связана с локальной геохимической аномалией, сульфидные минералы в которой обогащены токсичными химическими элементами [12].

Для почв населённых пунктов уровень загрязнения имел допустимую или слабую степень загрязнения (среднее значение для этой группы почв составило 4,25) (табл. 3). Почвы фоновых участков имели крайне малые величины показателя и характеризовались как экологически чистые.

Данные по иным поверхностным и подземным водам [13], пункты отбора проб которых были расположены рядом с исследованными нами районами, не отражают зависимости между уровнем загрязнённости почвы или техноземов и воды.

Заключение

Таким образом, абсолютные и относительные показатели для почв и техноземов в условиях горно-обогатительных предприятий Забайкалья имели высокую степень загрязненности шестью токсичными элементами. Все химические элементы–загрязнители характеризуются как высокотоксичные, имеющие тенденцию к кумулятивному накоплению и вызывающие аутоиммунные патологии, нарушения обмена биогенных макро- и микроэлементов, способствуют канцерогенезу, оказывают тератогенный, нейротоксический и эмбриотоксический эффекты (в особенности мышьяк, свинец и кадмий). Большая часть исследованных районов находятся в границах биогеохимической аномалии, проявляющейся в форме йодо- и селенодефицита и болезнью Кашина-Бека [13–15]. Геохимические условия, возникающие в результате интенсификации миграции токсичных микроэлементов, в перспективе могут значительно ухудшить негативное действие природной аномалии.