Рост строительной отрасли Российской Федерации подталкивает развитие горнодобывающих предприятий, специализирующихся на добыче общераспространенных полезных ископаемых, таких как гипс, мел, известняк и др. Основным вектором развития предприятий является экологичность готовой продукции, а следовательно, и процессов добычи сырья. В рамках контроля воздействия на окружающую среду на предприятиях организованы службы горно-экологического мониторинга, сфера контроля которых ограничивается горным или земельным отводом предприятия, а в некоторых случаях зонами негативного воздействия горных выработок. Для месторождения гипса в Холмогорском районе Архангельской области опасный радиус установлен в пределах 500 м от границ горного отвода. Для получения более комплексной оценки влияния разработки на район исследования в августе 2023 г. проведена научная экспедиция, целью которой являлся отбор проб поверхностных вод, донных отложений и почвенного покрова. Исследовательская работа была направлена на изучение степени влияния деятельности промышленного предприятия на специфику загрязнения компонентов окружающей среды при функционировании полного комплекса горных работ по извлечению гипса, степени взаимодействия между геосферами в переносе вредных веществ, а также в распределении и накоплении тяжелых металлов и макроэлементов в донных отложениях и почвенном покрове, расположенных в непосредственной близости от месторождения. Актуальность исследования определена тем, что перенос загрязняющих веществ из атмосферного воздуха в результате добычных и вскрышных работ в природные воды приводит к накоплению химических элементов в педосфере и донных отложениях, что может сказываться на состоянии растительности и фауны.
Цель работы – систематизация воздействия разработки месторождения гипсов на специфику загрязнения окружающей среды, в том числе на распределение и аккумуляцию тяжелых металлов в донных отложениях и педосфере. Задачами исследования являлись отбор проб донных отложений и почв на участках в непосредственной близости от крупных водотоков района, установление особенностей распределения тяжелых металлов и макроэлементов, объяснение основных факторов загрязнения, а также сравнение полученных данных с ранее проведенными исследованиями снежного покрова и поверхностных вод.
Материалы и методы исследования
Планом научной экспедиции лета 2023 г. были определены точки отбора 10 проб донных отложений и 14 проб почв. На рис. 1 и 2 показаны районы исследования и точки отбора проб. Площадь участка изучения составила 1 322 га. Отбор проб был привязан к крупным водным объектам региона, к ним можно отнести р. Позера и Чуга с притоками, а также оз. Сенное и Карасиное.
Донные осадки массой примерно 1 кг отбирались с помощью ручного пробоотборника Петерсона (~0,5 м от берега, илистые отложения). После отбора образцы донных осадков высушивались в сушильном шкафу BINDER E28 при температуре 105 °С до воздушно-сухого состояния. Гранулометрический состав донных осадков определялся с помощью вибрационной просеивающей машины AS 200 Сontrol.
Рис. 1. Участок экспедиции 2023 г.
Рис. 2. Схема расположения точек отбора проб донных отложений, почв
Подготовку образцов для анализа осуществляли следующим способом. Навеску предварительно высушенного и измельченного образца массой 0,50 г помещали в тефлоновый автоклав, заливали 5 мл азотной кислоты и 5 мл деионизированной воды. Разложение проводили в микроволновой системе пробоподготовки TOPwave (AnalytikJena, Германия), продолжительность цикла 45 мин, температурный диапазон 200 °С. Полученные растворы отфуговывали и доводили до объема 50 мл.
Определение содержания элементных примесей в исследуемых образцах проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой ICPE-9000 (Shimadzu, Япония). Градуировка спектрометра была проведена по серии растворов с различным содержанием исследуемых элементов, приготовленных с использованием стандартных растворов ICP multi-element standard solution VI и Hg (Merck, Германия). Условия измерения: стандартная горелка, направление обзора плазмы – аксиальное, мощность радиочастотного генератора – 1,2 кВт, поток плазмообразующего газа (аргон) – 14 л/мин, потоки дополнительного газа и газа-носителя (аргон) – 1,2 и 0,7 л/мин соответственно, время регистрации сигнала – 30 с, время промывки растворителем – 25 с, время промывки образцом – 25 с, количество повторностей – 3. Определялись следующие элементы: Ti, Fe, As, Sb, Cd, Co, Cr, Pb, Ni, V, Mn, Mo, Zn, Cu.
Результаты исследования и их обсуждение
Донные отложения. Основой полученных данных по исследованию донных отложений является то, что они в своем роде служат катализирующей средой, способной сохранять поступающие химические элементы, а также передавать знания о состоянии экологии всего поверхностного водотока и водосбора, при этом следы техногенной деятельности будут ярко выражены при анализе показателей качества отложений. Темпы и объемы формирования донных отложений, а также уровень загрязненности их слоев различны на всем протяжении существования водного объекта, что позволяет проследить как воздействие изменяющейся техногенной нагрузки на речные экосистемы во времени, так и изменение тех естественных процессов, которые протекают в ней [1, с. 431–436]. В рамках нашего исследования проведены работы по определению содержания следующих элементов Ca2+, Fe, K, Mg2+, Na+, Ti, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, Sr, V, Zn. Показатели валовой концентрации по тяжелым металлам изменяются от 878,66 мг/кг в точке ДГЛ-3 до 10716,1 мкг/л в точке ДГЛ-7. Также высокие значения выявлены в точках ДГЛ-1 (7630,22 мг/кг), ДГЛ-6 (7574,00 мг/кг), при этом точки отбора расположены как рядом с карьером ДГЛ-6, так и на максимальном расстоянии от него ДГЛ-1 (табл. 1). Нужно отметить, что основным тяжелым металлом, выявленным в ходе исследования, является Fe, среднее содержание данного элемента составляет 5268,1 мг/кг, что соответствует 94 % от общего количества тяжелых металлов. Концентрации марганца и железа до 200–700 мкг/л – распространенное явление для мелких рек Архангельской области, основу питания которых составляют болотные поля [2, с. 1118–1130]. Железо является переходным элементом и в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала вод имеет степень окисления +2 или +3. Большую роль в форме нахождения железа играют pH, Eh и наличие в воде органического вещества. Для Fe3+ характерно образование устойчивых комплексных соединений с гумусовыми соединениями – фульво- и гуминовыми кислотами, а также с некоторыми неорганическими лигандами, особенно OH-. Поэтому можно полагать, что наличие в поверхностных водах органического вещества является основным фактором сохранения железа в поверхностных водах района, а следовательно, и накопления его в донных отложениях [3, с. 15–27]. В качестве ПДК для донных отложений использовались параметры кларков глин [4, с. 175–192]. В результате было установлено превышение кларковых содержаний у следующих элементов Ca, Cd, Mo, также высокое содержание, соответствующее пределу 0,5–1 от кларкового, отмечается у Cu, Sr (по одной пробе). Превышения ПДК для Cd и Mo отмечаются в 90 % проб, косвенно указывая на участие естественных факторов в накоплении данных металлов. Максимальное содержание Cd отмечается в точке ДГЛ-7 (1,3 мг/кг – превышение в 4,33 раза) и ДГЛ-6 (1,2 мг/кг – превышение в 4,0 раза), минимальное в точке ДГЛ-3 (0,1 мг/кг – 0,33 от кларка) и ДГЛ-4 (0,44 мг/кг – превышение в 1,47 раз). Молибден, как биометалл, участвует в углеводном обмене, а также в синтезе хлорофилла. Связь между повышенным содержанием молибдена и ростом первичной продукции сине-зеленых водорослей – цианобактерий и азотобактерий, фиксирующих азот, установил в 1930-е гг. А.П. Виноградов [5, с. 113–118; 6, с. 84]. Таким образом, молибден не просто мигрирует и накапливается в органическом веществе фитопланктона донных отложений, но и активно стимулирует рост последнего [5, с. 113–118; 6, с. 84]. В результате обработки данных удельных концентраций металлов, в программе Surfer 8.0 созданы двухмерные модели пространства с указанием распределения элементов на изучаемой площади (рис. 3).
Почвенный покров. Загрязнение почв тяжелыми металлами в условиях техногенного воздействия – распространенная практика в современных реалиях. В нашей работе проводится сравнение загрязнения почвенного покрова с кларковыми значениями [4, с. 175–192], а также ПДК для почв в соответствии с СанПиН 1.2.3685-21 [7, с. 34–37; 8]. Валовая концентрация тяжелых металлов варьирует в пределах от 1030,05 мг/кг в точке ПГЛ-10 до 3813,74 мг/кг в точке ДГЛ-15 и 3200,16 мг/кг в точке ДГЛ-11 (табл. 2). Отличительной особенностью накопления металлов в почвах по сравнению с донными отложениями является существенно меньшее количество железа, средний взвешенный показатель составляет 1003,22 мг/кг Fe, что соответствует 56 % от общей массы тяжелых металлов. Это обуславливается тем, что основным источником поступления железа являются водные объекты региона, в том числе болотные поля.
Рис. 3. Двухмерные модели группирования тяжелых металлов в донных отложениях вблизи месторождения гипса, мкг/кг, %. Превышения значений кларков показаны красным, предел от 50 до 100 % значения кларка – желтым, менее 50 % кларка – зеленым цветом
Рис. 4. Двухмерные модели группирования тяжелых металлов в почвах вблизи месторождения гипса, мкг/кг, %. Превышения значений кларков показаны красным, предел от 50 % до 100 % значения кларка – желтым, менее 50 % кларка – зеленым цветом
Таблица 1
Показатели донных отложений
|
№ пробы |
Ca2+ |
Fe |
K+ |
Mg2+ |
Na+ |
Ti |
Cd |
Co |
Cr |
Cu |
Mn |
Mo |
Ni |
Pb |
Sr |
V |
Zn |
∑ итого, мг/кг |
∑ т.м., мг/кг |
% Fe |
|
% |
мг/кг |
|||||||||||||||||||
|
ДГЛ-1 |
0,29 |
0,73 |
0,05 |
0,17 |
0,00 |
0,01 |
0,82 |
2,50 |
9,00 |
2,30 |
163,00 |
5,10 |
7,20 |
2,30 |
32,00 |
11,00 |
22,00 |
12 753,22 |
7 630,22 |
96 % |
|
ДГЛ-2 |
0,30 |
0,60 |
0,04 |
0,13 |
0,00 |
0,01 |
0,64 |
1,10 |
7,00 |
1,80 |
124,00 |
3,60 |
5,40 |
1,40 |
31,00 |
8,00 |
16,00 |
10 977,94 |
6 280,94 |
96 % |
|
ДГЛ-3 |
0,04 |
0,08 |
0,01 |
0,02 |
0,00 |
0,01 |
0,10 |
0,00 |
1,40 |
0,30 |
8,00 |
2,90 |
0,80 |
0,66 |
1,70 |
2,20 |
1,60 |
1 612,66 |
878,66 |
90 % |
|
ДГЛ-4 |
0,46 |
0,33 |
0,03 |
0,25 |
0,00 |
0,00 |
0,44 |
0,00 |
3,50 |
1,80 |
98,00 |
6,50 |
3,80 |
0,80 |
57,00 |
4,30 |
8,50 |
10 940,64 |
3 555,64 |
94 % |
|
ДГЛ-5 |
0,33 |
0,65 |
0,07 |
0,21 |
0,00 |
0,01 |
0,71 |
1,60 |
9,60 |
5,30 |
74,00 |
5,00 |
9,40 |
2,30 |
23,00 |
11,00 |
18,00 |
12 773,91 |
6 732,91 |
97 % |
|
ДГЛ-6 |
2,89 |
0,71 |
0,11 |
0,40 |
0,01 |
0,01 |
1,20 |
0,90 |
19,0 |
43,0 |
95,00 |
6,70 |
15,0 |
8,20 |
121,0 |
22,00 |
27,00 |
41 638,00 |
7 574,00 |
93 % |
|
ДГЛ-7 |
1,64 |
1,03 |
0,12 |
0,26 |
0,01 |
0,01 |
1,30 |
1,80 |
20,0 |
16,0 |
74,00 |
9,90 |
16,0 |
5,10 |
96,00 |
19,00 |
36,00 |
30 895,10 |
10 716,10 |
96 % |
|
ДГЛ-8 |
1,27 |
0,31 |
0,05 |
0,40 |
0,01 |
0,00 |
0,48 |
0,00 |
4,20 |
2,30 |
171,00 |
0,00 |
4,40 |
1,20 |
290,0 |
5,30 |
8,30 |
20 877,18 |
3 672,18 |
86 % |
|
ДГЛ-10 |
0,54 |
0,27 |
0,01 |
0,11 |
0,00 |
0,01 |
0,48 |
0,00 |
5,90 |
7,10 |
52,00 |
3,00 |
5,60 |
4,80 |
15,00 |
7,50 |
13,00 |
9 558,38 |
2 932,38 |
93 % |
|
ДГЛ-13 |
0,31 |
0,55 |
0,02 |
0,10 |
0,00 |
0,01 |
0,56 |
1,10 |
5,20 |
1,90 |
196,00 |
2,00 |
4,60 |
1,30 |
34,00 |
6,10 |
15,00 |
10 178,76 |
5 807,76 |
95 % |
|
Среднее |
0,81 |
0,53 |
0,05 |
0,20 |
0,01 |
0,01 |
0,67 |
0,90 |
8,48 |
8,18 |
105,50 |
4,47 |
7,22 |
2,81 |
70,07 |
9,64 |
16,54 |
16 220,58 |
5 578,08 |
94 % |
|
Глина (Turekian K.K. and Wedepohl K.H., 1961) |
2,21 |
4,72 |
2,66 |
1,5 |
0,96 |
9,46 |
0,3 |
19 |
90 |
45 |
850 |
2,6 |
68 |
20 |
300 |
130 |
95 |
|||
|
Отношение среднего содержания элемента к кларкам глин |
36 % |
11 % |
2 % |
14 % |
1 % |
0 % |
224 % |
5 % |
9 % |
18 % |
12 % |
172 % |
11 % |
14 % |
23 % |
7 % |
17 % |
|||
Таблица 2
Показатели почвенного покрова
|
№ пробы |
Ca2+ |
Fe |
K+ |
Mg2+ |
Na+ |
Ti |
Cd |
Cr |
Cu |
Mn |
Ni |
Pb |
Sr |
V |
Zn |
∑ итого, мг/кг |
∑ т.м., мг/кг |
% Fe в т.м. |
|
% |
мг/кг |
|||||||||||||||||
|
ПГЛ-1 |
0,515 |
0,097 |
0,058 |
0,057 |
0,004 |
0,003 |
0,340 |
1,300 |
4,800 |
219,000 |
3,200 |
20,000 |
23,000 |
5,600 |
38,000 |
7 648,24 |
1 317,24 |
74 % |
|
ПГЛ-2 |
0,244 |
0,094 |
0,090 |
0,049 |
0,004 |
0,003 |
0,320 |
1,200 |
4,000 |
123,000 |
4,200 |
19,000 |
19,000 |
3,500 |
28,000 |
5 036,22 |
1 167,22 |
80 % |
|
ПГЛ-3 |
0,211 |
0,115 |
0,043 |
0,026 |
0,008 |
0,005 |
0,230 |
1,300 |
2,400 |
39,000 |
2,700 |
13,000 |
17,000 |
4,400 |
28,000 |
4 186,03 |
1 305,03 |
88 % |
|
ПГЛ-4 |
0,715 |
0,038 |
0,103 |
0,077 |
0,004 |
0,002 |
0,240 |
0,800 |
6,300 |
841,000 |
1,800 |
8,100 |
21,000 |
3,000 |
52,000 |
10 325,24 |
1 334,24 |
29 % |
|
ПГЛ-5 |
0,411 |
0,106 |
0,109 |
0,040 |
0,004 |
0,004 |
0,300 |
1,600 |
4,100 |
373,000 |
2,000 |
12,000 |
18,000 |
4,100 |
49,000 |
7 207,10 |
1 561,10 |
68 % |
|
ПГЛ-6 |
0,407 |
0,081 |
0,105 |
0,069 |
0,004 |
0,003 |
0,670 |
1,200 |
4,200 |
362,000 |
2,100 |
13,000 |
24,000 |
3,300 |
34,000 |
7 128,47 |
1 281,47 |
63 % |
|
ПГЛ-7 |
0,414 |
0,050 |
0,148 |
0,080 |
0,004 |
0,002 |
0,280 |
1,200 |
4,600 |
1031,000 |
2,400 |
4,900 |
16,000 |
2,200 |
43,000 |
8 084,58 |
1 625,58 |
31 % |
|
ПГЛ-8 |
0,453 |
0,086 |
0,090 |
0,086 |
0,004 |
0,003 |
0,630 |
1,500 |
7,300 |
864,000 |
3,500 |
22,000 |
20,000 |
3,300 |
99,000 |
8 243,23 |
1 910,23 |
45 % |
|
ПГЛ-10 |
0,492 |
0,075 |
0,077 |
0,049 |
0,006 |
0,002 |
0,350 |
1,100 |
4,600 |
183,000 |
2,000 |
19,000 |
21,000 |
4,000 |
26,000 |
7 265,05 |
1 030,05 |
72 % |
|
ПГЛ-11 |
1,850 |
0,204 |
0,097 |
0,266 |
0,006 |
0,006 |
0,460 |
3,200 |
4,100 |
919,000 |
4,000 |
5,300 |
129,000 |
6,100 |
33,000 |
25 388,16 |
3 200,16 |
64 % |
|
ПГЛ-12 |
1,550 |
0,082 |
0,108 |
0,105 |
0,005 |
0,003 |
0,310 |
1,500 |
5,300 |
1010,000 |
3,900 |
7,700 |
87,000 |
3,400 |
42,000 |
19 689,11 |
2 011,11 |
41 % |
|
ПГЛ-13 |
0,737 |
0,038 |
0,227 |
0,077 |
0,003 |
0,001 |
0,224 |
0,832 |
5,417 |
1380,000 |
2,538 |
5,619 |
21,478 |
2,495 |
75,239 |
12 328,02 |
1 887,33 |
20 % |
|
ПГЛ-14 |
0,584 |
0,047 |
0,115 |
0,081 |
0,004 |
0,002 |
0,323 |
0,939 |
5,790 |
855,443 |
2,240 |
9,640 |
27,706 |
2,130 |
61,881 |
9 286,84 |
1 453,68 |
32 % |
|
ПГЛ-15 |
3,520 |
0,291 |
0,168 |
0,459 |
0,007 |
0,004 |
0,651 |
4,159 |
5,991 |
738,105 |
5,227 |
6,246 |
48,449 |
6,696 |
43,938 |
45 353,03 |
3 813,74 |
76 % |
|
Среднее |
0,865 |
0,100 |
0,110 |
0,109 |
0,005 |
0,003 |
0,381 |
1,559 |
4,921 |
638,396 |
2,986 |
11,822 |
35,188 |
3,873 |
46,647 |
12 654,95 |
1 778,44 |
56 % |
|
Глина (Turekian K.K. and Wedepohl K.H., 1961) |
2,21 |
4,72 |
2,66 |
1,5 |
0,96 |
9,46 |
0,3 |
90 |
45 |
850 |
68 |
20 |
300 |
130 |
95 |
|||
|
Отношение среднего содержания элемента к кларкам глин |
39 % |
2 % |
4 % |
7 % |
0 % |
0 % |
127 % |
2 % |
11 % |
75 % |
4 % |
59 % |
12 % |
3 % |
49 % |
|||
В результате исследований было установлено превышение значений кларков у следующих элементов: Ca, Cd, Mn, Pb, Zn. Превышение кларковых значений для Cd отмечается в 64 % проб, при этом превышение значения ПДК для почв – 0,50 мг/кг отмечено в пробах ПГЛ-6, ПГЛ-15 и ПГЛ-8 [8]. Максимальное содержание Cd отмечается в точке ПГЛ-6 (0,67 мг/кг – превышение в 2,23 раза кларка) и ПГЛ-15 (0,651 мг/кг – превышение в 4,0 раза кларка), минимальное – в точке ДГЛ-3 (0,1 мг/кг – 0,33 значения кларка) и ДГЛ-4 (0,44 мг/кг – превышение в 2,17 раз кларка). Кларк марганца в почвах составляет 850 мг/кг, при этом значение ПДК для почв – 1500 мг/кг [9, с. 142]. Средняя концентрация марганца в почвах составила 638 мг/кг, что не превышает ПДК и кларкового значения. Превышение кларка по марганцу отмечается в 42 % проб, максимальные значения отмечены в точках ПГЛ-13, ПГЛ-7 и ПГЛ-12. Точка отбора пробы ПГЛ-8 отмечается превышением кларковых значений по свинцу и цинку. Нужно отметить, что органоминеральный горизонт в данной точке имел меньшую мощность по сравнению с другими точками – 3 см; основной причиной этого являлись лесные пожары, которые, судя по высоте подроста, произошли примерно 30 лет назад. Поэтому повышенное содержание свинца и цинка в точке ПГЛ-8 можно связать с лесным пожаром. При лесных низовых пожарах происходит накопление Pb, Zn, Cd, Hg в слое от 0 до 5 см, в низших слоях содержание указанных металлов уменьшается [10, с. 11–13; 11]. Результатом обработки данных удельных концентраций металлов в программе Surfer 8.0 созданы двухмерные модели пространства с указанием распределения элементов на изучаемой площади (рис. 4).
Заключение
Проведенные исследования подтверждают, что концентрации тяжелых металлов и макроэлементов в верхнем слое педосферы и в донных отложениях вокруг карьера на месторождении Глубокое имеют как природные, так и техногенные источники. Результатом работы явилась фиксация повышенных концентраций Cd и Mo в пробах донных отложений и Cd, Mn, Pb и Zn в пробах почв (органоминеральный горизонт А0 0–5 см). При этом превышение ПДК для почв по свинцу и цинку отмечается только в точке ПГЛ-8 и связано с ранее происходившими лесными пожарами. Выполненные исследования позволили составить следующую последовательность распределения микроэлементов по концентрациям для донных отложений: Mn (638,396 мг/кг) ˃ Zn (46,647 мг/кг) ˃ Sr (35,188 мг/кг) ˃ Pb (11,822 мг/кг) ˃ Cu (4,921 мг/кг) ˃ V (3,873 мг/кг) ˃ Ni (2,986 мг/кг) ˃ Cr (1,559 мг/кг) ˃ Cd (0,381 мг/кг), Co и Mo не обнаружены; а также для почвенного покрова: Mn (105,5 мг/кг) ˃ Sr (70,070 мг/кг) ˃ Zn (16,54 мг/кг) ˃ V (9,64 мг/кг) ˃ Cr (8,48 мг/кг) ˃ Cu (8,18 мг/кг) ˃ Ni (7,22 мг/кг) ˃ Mo (4,47 мг/кг) ˃ Pb (2,806 мг/кг) ˃ Co (0,9 мг/кг) ˃ Cd (0,673 мг/кг). При сопоставлении полученных данных с ранее проведенным исследованием снежного покрова и поверхностных вод в пределах карьера гипса можно отметить закономерность в превышении ПДК и кларков по кальцию, что является следствием добычных работ на месторождении гипса. При проведении взрывных работ происходит нарушение целостности массива, и это способствует более быстрому растворению горной породы с последующим накоплением компонентов ее состава в почвах и донных отложениях. Превышение кларковых значений по кадмию, отмеченное как в почвах, так и донных отложениях, частично можно связать с антропогенным воздействием.
Практическая значимость данного исследования заключается в возможности оценки влияния деятельности горнопромышленного предприятия на окружающую среду, в частности на распределение и накопление тяжелых металлов и макроэлементов в донных отложениям и почвах вблизи месторождения гипсов. Результаты исследования позволят добывающему предприятию скорректировать программу работ по мониторингу окружающей среды.