В условиях техногенеза нарастает воздействие человека на окружающую среду, увеличиваются выбросы загрязняющих веществ промышленных предприятий в атмосферу. Почва является долговременно депонирующей средой и накапливает поллютанты, являясь маркером многолетнего загрязнения [1]. В то же время почвы выполняют значимую роль в процессах устойчивого функционирования биосферы [1, 2]. По данным ООН тяжелые металлы являются наиболее опасными загрязнителями городских почв [3]. Загрязнение почвенного покрова приводит к изменениям в структуре самих почв, угнетению роста растений, вызывает токсические испарения и др. [4, 5]. Выращивание на загрязненных почвах сельскохозяйственной продукции ведет к поступлению поллютантов в организм человека и может вызвать различные заболевания. Выявлена корреляция между химическим загрязнением почвы и заболеваемостью населения [6, 7]. В связи с этим изучение особенностей накопления и распределения тяжелых металлов в почве является приоритетным направлением современных исследований состояния почвенного покрова урбоэкосистем [8].
На территории России можно выделить ряд промышленных центров с неблагоприятной экологической обстановкой, к которым относится и Челябинск [5]. В последние 30 лет на территории Челябинской городской агломерации комплексных почвенно-геохимических исследований не проводилось.
Цель исследования – определение современных уровней концентрации техногенных Pb, Zn, Cd в почвах города Челябинска.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлись почвы на территории г. Челябинска, а предметом – оценка загрязнения почв города техногенными Pb, Zn, Cd.
Площадь, занимаемая г. Челябинском, составляет более 500 км2 и отличается высоким разнообразием подстилающих материнских пород, являющихся источником формирования естественного фонового уровня концентрации тяжелых металлов в почвах.
Исследуемые поллютанты широко распространены в земной коре.
Свинец. Относится к элементам IV группы и имеет халькофильные свойства, слабую растворимость гидроксидов и оксидов в воде и склонность к образованию связей с кислородом. В земной коре распространен в форме галенита PbS, в котором присутствует в виде Рb2+, встречается кислая форма Рb+4. Свинец может образовывать и другие минералы, плохо растворимые в воде. По геохимическим свойствам Рb2+ близок к группе двухвалентных щелочноземельных элементов, поэтому он способен замещать Bа, Sr и даже Са как в минералах, так и в сорбционных позициях. Накапливается в кислых сериях магматических пород, где концентрация элемента колеблется от 10 до 40 мг/кг. Максимальные концентрации Pb в глинах достигают 20–40 мг/кг, в кислых гранитах и гнейсах 15–24 мг/кг, а в ультраосновных породах и известковистых осадках 0,1–10 мг/кг. Естественные содержания Pb в почвах зависят от содержания элемента в материнских породах [9].
Цинк. Относится к элементам II группы и входит в состав пород в виде простого сульфида ZnS, а также замещает Mg2+ в силикатах. В магматических породах концентрация Zn колеблется от 40 до 120 мг/кг, а в глинистых осадках и сланцах от 80–120 мг/кг, в песчаниках и карбонатных породах 10–30 мг/кг. Основной и наиболее подвижной формой Zn в почвах является Zn2+, хотя в почвах могут присутствовать другие ионные формы элемента. Ионы Zn легко адсорбируются как минералами, так и органическими компонентами, что способствует его аккумуляции в поверхностных горизонтах большинства типов почв. В кислых средах скорость образования иона цинка возрастает. Концентрация Zn в поверхностных слоях почв промышленно развитых стран колеблется в пределах 17–125 мг/кг, а диапазон колебаний составляет от 54 до 570 мг/кг. Баланс Zn в поверхностных слоях почв в различных экосистемах показывает, что атмосферное поступление этого металла превышает его вынос за счет выщелачивания и образования биомассы [9].
Кадмий. Относится к элементам II группы. Геохимия кадмия тесно связана с геохимией Zn. Отличием является более высокая подвижность Cd в кислых средах. По поведению в окружающей среде Cd больше сходен с S. Кадмий образует изотипичные соединения, соответствующие соединениям таких катионов, как Zn2+, Со2+, Ni2+, Fe2+, Mg2+ и в некоторых случаях Са2+.
В процессе выветривания пород Cd легко растворяется в воде и присутствует в растворе в виде Cd2+. Элемент образует комплексные ионы (CdCl+, CdOH+, CdHCO3+, CdCl3-, CdCl42-, Cd(ОН)3- и Cd(OH)42-), а также органические хелаты. Валентное состояние кадмия в природных средах +2. Подвижность Cd во многом определяется pН среды и окислительно-восстановительным потенциалом. В кислых средах Cd способен образовывать собственные минералы (CdO, CdCO3), а также накапливаться в фосфатах и биогенных осадках (биолитах). В магматических и осадочных породах концентрация элемента не превышает 0,3 мг/кг, а в глинистых почвах, на сланцах и лессах может возрастать до 0,6–0,7 мг/кг [9].
Главный фактор, определяющий содержание Cd в почвах, – химический состав материнских пород. Средние концентрации Cd в почвах стран мира варьируют в диапазоне 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах, как правило, не превышают 0,5 мг/кг, а все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв.
Исследования концентраций Pb, Zn, Cd проводили в 2018–2021 гг. общепринятыми методами согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017, ГОСТ Р 58595-2019. Образцы почвы отбирали по регулярной сетке с шагом 500×1000 м почвенным буром БП-1 (ГОСТ 17.4.4.02-2017). Поскольку в результате аэрального загрязнения земной поверхности тяжелые металлы накапливаются в верхнем слое почвы, откуда слабо мигрируют в нижние горизонты, образцы почвы отбирали с глубины 0–5 см [10]. Для оценки влияния выбросов предприятий пробные площадки закладывали внутри жилых микрорайонов и зеленых зон. Отбор производился в местах, не подвергавшихся землеванию и перекопке за последние годы. В недавно застроенных районах пробы отбирали на сохранившихся между жилыми кварталами лесных участках. Всего было отобрано около 200 образцов (рис. 1). Для химического анализа почвенные пробы доставляли в лабораторию экологического мониторинга факультета экологии ЧелГУ. Химическое разложение проб производили согласно РД 52.18.685-2006. Концентрации тяжелых металлов определяли атомно-абсорбционным методом на приборе Квант-2М в соответствии со стандартной методикой.
Рис. 1. Карта-схема отбора почвенных проб на территории г. Челябинска: ЧМК – Челябинский металлургический комбинат; ЧЦЗ – Челябинский цинковый завод; ЧЭМК – Челябинский электрометаллургический комбинат; ЧТПЗ – Челябинский трубопрокатный завод; ТЭЦ 1–3 – Теплоэлектроцентрали
Оценку уровня техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами проводили методом сравнения абсолютных значений измеренных концентраций с величиной общегородского геохимического фона, который определяли как среднее геометрическое (Сг). Для построения графиков абсолютные значения концентрации поллютантов в почвах Челябинска ранжировали по величине.
Статистическую обработку результатов проводили стандартными методами [11] с использованием программ Microsoft Exel и Statistika 5.5. Построение картосхем выполнено в программе MapInfo Professional.
Результаты исследования и их обсуждение
Основные общие статистические характеристики измеренных концентраций Pb, Zn, Cd в почвах г. Челябинска приводятся в таблице. Согласно полученным данным, концентрации исследованной группы металлов в почвах варьируют в широком диапазоне: например, у Pb интервал (min-max) значений составляет около трех порядков величины, у Zn и Cd около двух с половиной порядков. Значительные интервалы в концентрациях элементов в почвах г. Челябинска могут быть вызваны как сложным геологическим строением территории города, так и разницей в интенсивности выпадений, обусловленных выбросами предприятий.
Из-за глобальных процессов загрязнения окружающей среды в районах проживания человека большинство верхних горизонтов почв может быть обогащено техногенным Pb. [10]. Для анализа уровня техногенного загрязнения почв г. Челябинска полученные значения концентраций Pb сравнивали со значениями общего городского геохимического фона – Сг (рис. 2).
Из представленной на рисунке информации следует, что концентрация свинца имеет значение меньше уровня общегородского фона в 107 обследованных точках, что составляет ~50 % обследованной территории, следовательно, около 50 % обследованной территории г. Челябинска имеет повышенные уровни загрязнения свинцом техногенного происхождения. Часть территории, ~15 %, загрязнена техногенным Pb в 2 и более раза выше фонового уровня.
Статистические характеристики концентраций поллютантов в почве г. Челябинска (мг/кг)
|
Поллютант |
Min, |
Max, |
Ср. арифмет. |
Медиана |
Ср. геом. (Сг) |
|
Pb |
14,6 |
1858,6 |
91,7 |
50,1 |
54,8 |
|
Zn |
61,2 |
4279,9 |
446,0 |
290,8 |
316,6 |
|
Cd |
0,14 |
82,56 |
2,30 |
1,01 |
1,13 |
Рис. 2. Распределение концентрации Pb и общегородской фон
Рис. 3. Распределение концентрации Zn и уровень общегородского фона
Наибольшие концентрации Pb в почвах г. Челябинска были обнаружены на селитебных территориях в районах жилой застройки в шаговой доступности от металлургических предприятий, а фоновые – в почвах новостроек, значительно удаленных от предприятий.
В России производство этилированного бензина было запрещено в конце 2002 г. (Постановление ГД ФС РФ от 15.11.2002). Несмотря на это, свинец, поступавший в окружающую среду в составе тетраэтилсвинца с выбросами автотранспорта, до настоящего времени присутствует в почве на придорожных участках вблизи крупных магистралей и на дворовых территориях кварталов, построенных 70–80 лет назад [8]. Естественные концентрации Рb в верхних горизонтах различных почв стран мира колеблются в пределах 3–189 мг/кг при средних значениях для различных типов почв 10–67 мг/кг, при общем среднем 32 мг/кг. Это дает основание заключить, что 85 % территории г. Челябинска загрязнено Рb выше средних мировых показателей.
На рис. 3 представлено распределение концентраций Zn в почвах города.
Концентрация Zn в почве превышает общегородской фон в 94 обследованных точках, что составляет около 47 % от обследованной территории. Концентрации цинка в пробах варьируют в широком диапазоне и различаются на отдельных участках внутри городской черты более чем в 100 раз. Часть обследованной территории, ~15 %, загрязнена техногенным цинком выше общегородского фона более чем на порядок величины.
Источником поступления цинка в атмосферу г. Челябинска может служить не только ОАО «ЧЦЗ», но и предприятие «Оксид», где производится ZnO. Кроме того, источником цинка может служить оцинкованный металлолом, используемый при производстве сталей в конвертерах и электродуговых печах на ПАО «ЧМК». Средние значения концентраций Zn в поверхностных слоях почв ряда стран, включая США, колеблются в пределах 17–125 мг/кг. Эти показатели могут рассматриваться как региональные фоновые концентрации. Приведенные значения намного ниже, чем оцененные нами уровни городского фона в г. Челябинске (316,6 мг/кг). Полученные нами уровни колебаний концентраций Zn в почвах г. Челябинска (таблица) также превышают значения этого показателя в Южном Китае (54–570 мг/кг) [9].
Из всех проанализированных поллютантов наибольшую опасность представляет Cd, являющийся элементом 1 класса. Допустимая концентрация элемента для нейтральных суглинистых и глинистых почв 2 мг/кг. На рис. 4 представлены результаты исследования уровня загрязнения почв г. Челябинска техногенным Cd.
Представленные на рисунке данные свидетельствуют о том, что на обследованной территории концентрация Cd в почвах, как и у Pb и Zn, превышает общегородской фон на 50 % площади. Концентрации кадмия в образцах почвы варьируют в широком диапазоне, отдельные образцы различаются по этому показателю почти в 100 раз. На части территории (~5 %) концентрация техногенного Cd выше фоновых значений в 10 и более раз.
Рис. 4. Распределение концентрации Cd и общегородской фон
Рис. 5. Карта-схема территорий, загрязненных техногенными металлами в результате выбросов предприятий
Источником выбросов кадмия является ОАО Челябинский цинковый завод, товарным продуктом которого, наряду с цинком, является и металлический индий и кадмий. Наибольшим уровнем загрязнения Cd характеризуется территория северо-восточной части города, примыкающая к промышленным зонам ЧЦЗ и ЧЭМК. В целом большая часть этой аномалии (по концентрации выше 3 мг/кг) находится вне жилых кварталов и приходится на производственную и коммунально-складскую зону и гаражные кооперативы. Также в зоне воздействия находятся зеленые зоны специального пользования (Успенское кладбище) и территории, не включенные в реестр зеленых насаждений города Челябинска – Першинский лес. Высокие уровни загрязнения Cd имеют территории одноэтажной застройки, примыкающие к металлургическому комбинату.
Анализ результатов исследования загрязнения почвы г. Челябинска Pb, Zn, Cd позволил выявить зоны города, в которых наблюдается превышение естественного фона (рис. 5).
Самый крупный ареал техногенного загрязнения, где были обнаружены повышенные концентрации всех трех поллютантов, располагается на запад от ЧМК, а также южнее и севернее предприятий ЧЦЗ, ЧЭМК. Наибольшему загрязнению подвергается практически вся территория Металлургического района, восточные части Курчатовского, Калининского и Центрального районов, частично западная часть Ленинского района. Отдельные пятна загрязнения были выявлены на западе г. Челябинска в Курчатовском районе. Еще одно пятно загрязнения было обнаружено в Советском районе.
Заключение
В результате выполненных исследований было установлено, что концентрации металлов в почвах г. Челябинска варьируют в широком диапазоне. Интервал (min-max) значений концентрации Pb составляет около трех порядков величины, а у Zn и Cd около двух с половиной порядков. Значительные различия в концентрации тяжелых металлов в почвах могут быть обусловлены не только выбросами предприятий, но и поступлением химических элементов в процессе выветривания из подстилающих пород. Определенный нами уровень геохимического фона на территории г. Челябинска составляет для Pb – 54,8 мг/кг, Zn – 316,6 мг/кг и Cd – 1,13 мг/кг. Сравнивая концентрации Pb, Zn и Cd в почвах города с уровнем геохимического фона, было установлено, что на 50 % территории наблюдается превышение показателя Сг, вызванное техногенным загрязнением.
Наибольшую опасность из исследованной группы тяжелых металлов представляет Cd, вариационный размах концентраций которого велик, а около четвертой части почв городской территории имеют уровень загрязнения выше допустимой концентрации. Основным источником выбросов Cd является ОАО «ЧЦЗ».
В настоящее время на предприятиях г. Челябинска активно внедряются новые технологии газоочистки, позволяющие снизить уровень выбросов.
Нами получены данные об уровнях загрязнения почв города тяжелыми металлами, характеризующие интенсивность и пространственное распределение аэротехногенных потоков. Выделены относительно незагрязненные участки и наиболее проблемные зоны, на которых необходимо провести тщательные обследования уровней загрязнения почвы и постоянно осуществлять мониторинг воздушной среды. Полученные результаты могут быть использованы для разработки мероприятий по защите здоровья населения.