Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАТИОННО-АНИОННОГО СОСТАВА И КИСЛОТНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА С ТЕРРИТОРИИ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ НИЖНЕГО НОВГОРОДА

Козлов А.В. 1 Миронова Ю.И. 1 Воронцова А.А. 1 Акафьева Д.В. 1 Береснев А.А. 1 Быков А.С. 1 Давыдов В.А. 1 Зыков Я.В. 1 Калиничева З.С. 1 Орехова А.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина»
В статье представлена оценка экологического состояния снежного покрова с территорий, прилегающих к автомагистралям Нижнего Новгорода (Сормовское шоссе и проспект Гагарина), на основе двухлетней динамики показателей анионного состава (бикарбонаты, сульфаты, хлориды, общая минерализация) и содержания катионов тяжелых металлов (цинк, кадмий, свинец, медь) в воде снега. Отбор проб снеговых масс осуществлялся в феврале 2017 и 2018 гг. равномерно на протяжении автодорог (по 4 объединенных образца) с участков в непосредственной близости от дорожного полотна. В качестве фона был выбран участок заснеженного лесного массива «Дубрава». В результате исследований было установлено, что среднее содержание бикарбонатов в снеге автомагистрали заречной части города составило 25,90 мг/л и 41,84 мг/л, а нагорной части – 55,79 и 48,43 мг/л соответственно по годам исследования. В условиях Сормовского шоссе содержание бикарбонатов повысилось в 1,6 раза, а в условиях проспекта Гагарина – снизилось в 1,2 раза по сравнению с прошлым (2017) годом. В нагорной части города в условиях проспекта Гагарина содержание сульфат-аниона в воде снега оказалось наибольшим из всех изучаемых вариантов и весьма значительным: его накопление в снеге в 2017 г. составило 521,00 мг/л, а в 2018 г. – 308,09 мг/л, что больше, чем в заречной части, соответственно по годам исследования в 12,0 и 6,1 раза. Отмечается заметно сниженный уровень накопления тяжелых металлов в снеге на второй год исследования по сравнению с первым – на 75 % в условиях фоновой территории, на 32 % в условиях Сормовского шоссе и на 35 % в условиях проспекта Гагарина. В условиях прилегающих к автотрассам участков снежный покров характеризовался слабощелочной реакцией на Сормовском шоссе в первый год и на проспекте Гагарина в оба года исследования.
снежный покров
катионно-анионный состав
тяжелые металлы
загрязнение снега
критерии экологического состояния
1. Исламова А.А. Анализ уровня загрязненности почвенно-растительной компоненты урбоэкосистемы города Бирск республики Башкортостан / А.А. Исламова, Е.Э. Палатова // Успехи современной науки. – 2017. – Т. 5, № 1. – С. 15–17.
2. Козлов А.В. Оценка экологического состояния почвенного покрова и водных объектов: учебно-методическое пособие / А.В. Козлов. – Н. Новгород: Мининский университет, 2016. – 146 с.
3. Копосова Н.Н. Анализ территориальных различий в уровнях концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе города Нижнего Новгорода / Н.Н. Копосова, А.В. Козлов, И.М. Шешина // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 3. URL: https://science-education.ru/ru/article/view id=19379 (дата обращения: 24.06.2018).
4. ГОСТ 17.1.5.05-85 Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 12 с.
5. МР 5174-90 Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 7 с.
6. РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 615 с.
7. Козлов А.В. Лабораторно-инструментальные методы исследований в экологии объектов окружающей среды: учебно-методическое пособие / А.В. Козлов. – Н. Новгород: НГПУ им. К. Минина, 2016. – 89 с.
8. Летенкова И.В. Химический анализ снежного покрова Новгородской области / И.В. Летенкова, В.Ф. Литвинов, В.Г. Сморжок // Вестник Новгородского государственного университета. – 2014. – № 76. – С. 73–76.
9. Шумилова М.А. Исследование загрязненности снежного покрова на примере города Ижевска / М.А. Шумилова, О.В. Садиуллина, В.Г. Петров // Вестник Удмуртского университета. Серия: физика и химия. – 2012. – № 2. – С. 83–89.
10. Щукова И.В. Качество воды водозаборных скважин в районах малоэтажной застройки городских агломераций / И.В. Щукова, З.В. Кивилева // Успехи современной науки. – 2016. – Т. 10, № 11. – С. 87–89.
11. Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 181 с.
12. Янченко Н.И. Особенности химического состава снежного покрова и атмосферных осадков в городе Братске / Н.И. Янченко, О.Л. Яскина // Известия Томского политехнического университета. – 2014. – Т. 324, № 3. – С. 27–35.
13. Шадрин И.А. Анализ токсичности снежного покрова г. Красноярска методом биотестирования / И.А. Шадрин // Вестник КрасГАУ. – 2017. – № 12. – С. 230–235.

Проблема неблагополучного экологического состояния городской среды в настоящее время остается актуальной, а его изучение и оценка – востребованными с точки зрения регионального экологического мониторинга [1, 2]. Нужно отметить, что атмосфера населенных мест, сопряженная с поступлением загрязнителей из газо-пылевых выбросов промышленности и из выхлопных газов автотранспорта, является главной средой, транспортирующей поллютанты в почвенный покров и водные объекты. К «переносчикам» загрязняющего фона в том числе относят все виды осадков, основными из которых являются дождевые и снеговые массы. По этим и другим причинам [3] эколого-химический анализ данных временно депонирующих объектов окружающей среды на предмет накопления загрязняющих веществ необходим как для понимания общего уровня загрязненности атмосферного воздуха Нижнего Новгорода, так и для ориентирования в мерах накопления как таковых загрязнителей в консервативных природных и природно-техногенных объектах – почвенном покрове и водоемах.

Цель исследования – проведение оценки экологического состояния снежного покрова крупных автомагистралей города Нижнего Новгорода на основе двухлетней динамики накопления различных анионов и катионов тяжелых металлов, а также интегрального показателя – кислотности.

Материалы и методы исследования

Исследование снежного покрова проводилось в течение двух лет (2017–2018 гг.) в соответствии с требованиями общепринятых нормативно-методических документов [4–6].

Пробы снега отбирали вручную с помощью пластмассового цилиндра (o = 10 см, h = 20 см) в непрозрачные полиэтиленовые пакеты. Отбор проб осуществлялся в начале февраля 2017 и 2018 гг. равномерно на протяжении крупных автомагистралей Нижнего Новгорода – Сормовское шоссе (заречная часть города) и проспект Гагарина (нагорная часть города). Для пробоотбора выбирали визуально чистые и ровные участки снежного покрова в непосредственной близости от дороги; площадь каждого участка = 10 м2. На одном участке отбирали по 5 точечных проб, которые впоследствии смешивали в 1 объединенную пробу. С каждой автомагистрали равноудаленно друг от друга всего было отобрано по 4 объединенных пробы.

В качестве условно незагрязненного (фонового) участка был выбран участок лесного массива «Дубрава», примыкающего с северо-западной стороны непосредственно к черте города. В лесном массиве было также отобрано 4 объединенных образца снега, каждый из которых также состоял из 5 точечных.

Пробы снега доставляли в лабораторию и раскладывали из пакетов в пластиковые емкости (тазы) для естественного оттаивания. Анализ проб воды был проведен в Эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды при Мининском университете по некоторым гидрохимическим показателям содержащихся в снеге веществ и содержанию в нем растворимых соединений тяжелых металлов [7]; аналитическая повторность – трехкратная. В полученной талой воде определяли кислотность потенциометрическим методом на рН-метре милливольтметре МАРК-903. В фильтрате данных проб воды определяли содержание сухого остатка (общая минерализация) – кондуктометрией с помощью кондуктометра DIST-3 (HANNA), а также содержание хлоридов аргентометрическим, сульфатов – йодометрическим, бикарбонатов – кислотно-основным видами титриметрии.

Содержание тяжелых металлов в воде снега также определяли в отфильтрованных образцах методом инверсионной вольтамперометрии на вольтамперометре-полярографе TA-Lab по методике определения ТМ в воде (ПНД Ф 14.1:2:4.222-06), предварительно пропустив образцы через обеззоленные фильтры («синяя» лента) и проведя минерализацию имеющихся органических веществ с помощью концентрированной муравьиной кислоты.

Результаты измерений обработаны методом вариационной статистики с использованием программного обеспечения Microsoft Office Excel 2007.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 представлены данные по содержанию бикарбонатов и сульфатов в воде снега. Нужно сказать, что накопление в снеге обоих анионов оказалось в разы выше по отношению к их содержанию в условиях формирования снежного покрова лесной дубравы (фон). Так, если по состоянию на 2017 г. среднее по 4 точкам содержание бикарбонатов в снеге фонового участка составляло 3,66 мг/л, а на 2018 г. – 2,96 мг/л, то на автомагистрали заречной части города содержание бикарбонат-анионов составило 25,90 мг/л и 41,84 мг/л, а нагорной части – 55,79 мг/л и 48,43 мг/л соответственно по годам исследования.

В условиях Сормовского шоссе содержание бикарбонатов повысилось в 1,6 раза, а в условиях проспекта Гагарина – снизилось в 1,2 раза по сравнению с прошлым (2017) годом.

kozl1.wmf

Рис. 1. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию бикарбонатов и сульфатов

Содержание сульфатов в воде снега имело почти аналогичную тенденцию. В воде снега с фонового участка накопление сульфат-анионов составило 8,25 мг/л в 2017 г. и 3,51 мг/л в 2018 г. В то же время содержание в снеге данного токсиканта в условиях заречной части города (Сормовское шоссе) превысило фоновый уровень в 5,3 раза в 2017 г. (43,34 мг/л) и в 14,5 раза в 2018 г. (50,80 мг/л). В нагорной части города в условиях проспекта Гагарина содержание сульфат-анионов в воде снега оказалось наибольшим из всех изучаемых вариантов и весьма значительным: в среднем по 4 участкам накопление его в снеге в 2017 г. составило 521,00 мг/л, а в 2018 г. – 308,09 мг/л, что больше, чем в заречной части, соответственно по годам исследования в 12,0 и 6,1 раза. Очевидно, что наличие бикарбонатов и сульфатов в снежной воде обусловлено высоким содержанием различных оксидов углерода и серы в атмосфере, способных растворяться при образовании снеговых масс. Данные оксиды типичны для урбоэкосистем с высокоразвитой промышленной инфраструктурой, следствием чего является высокий уровень выбросов в атмосферу различных газов [8, 9].

Рис. 2 отражает данные по содержанию в снежном покрове хлоридов и его общей минерализации, выраженной показателем сухого остатка. Содержание хлорид-анионов в воде снега изучаемых территорий имело аналогичную тенденцию с накоплением сульфатов и бикарбонатов. Если в условиях формирования фонового снежного покрова среднее по 4 точкам содержание хлоридов составляло 6,13 мг/л и 2,61 мг/л соответственно по годам исследования, то в условиях города хлоридное загрязнение снеговых масс оказалось много выше, и в особенности на территории проспекта Гагарина.

Здесь накопление хлоридов превысило значения по Сормовскому шоссе в 13,6 раза в 2017 г. (643,82 мг/л против 47,17 мг/л) и в 4,6 раза в 2018 г. (580,30 мг/л против 127,50 мг/л), а фоновые значения – соответственно в 105,0 и в 222,3 раза (фоновый уровень = 6,13 мг/л и 2,61 мг/л соответственно по годам исследования). По-видимому, столь существенный уровень загрязнения хлоридами снеговых масс в условиях автомагистралей мог быть обусловлен как неправильной эксплуатацией пескоразбрасывательной техники, антигололедные смеси из которой попадали не только непосредственно на дорожной покрытие, но и на обочины, а также – перебросом образующихся снего-песковых масс с автотрассы на прилегающие территории в процессе чистки дорог [10, 11].

Как известно, песко-соляные смеси, уже несколько десятилетий применяемые в зимнее время при эксплуатации дорожного покрытия в качестве антигололедного агента, в значительной степени загрязняют хлоридами прилегающий почвенный покров, что впоследствии сказывается на уровне концентрации хлорид-анионов в грунтовых водах.

Содержание сухого остатка в снеге, отражающего его минерализацию различными катионами и анионами, закономерно имело схожую тенденцию с накоплением ранее рассмотренных веществ. На второй год исследования в условиях лесной территории (фон) накопление минерализата на 40 % превысило его содержание в снеге, отобранном в 2017 г., и составило 28 мг/л.

В условиях Сормовского шоссе, расположенного в заречной части города, увеличение содержания сухого остатка в 2018 г. составило 77 % по отношению к данным 2017 г. В условиях проспекта Гагарина, расположенного в нагорной части города, уровень минерализации снега, наоборот, снизился на 15 % на второй год наблюдения в сравнении с первым годом. Закономерно с накоплением в снеге катионно-анионных форм разнообразных химических веществ показатель сухого остатка имел наибольший уровень в условиях проспекта Гагарина. Здесь абсолютные значения показателя составили 2678 мг/л (2017 г.) и 2279 мг/л (2018 г.), что больше, чем в снеговой воде с Сормовского шоссе, в 8,0 раза (2017 г.) и в 3,8 раза (2018 г.), и еще больше, чем в снежном покрове фонового участка – в 133,9 раза (2017 г.) и в 81,4 раза (2018 г.).

kozl2.wmf

Рис. 2. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию хлоридов и сухого остатка (общей минерализации)

kozl3.wmf

Рис. 3. Характеристика снежного покрова автомагистралей Нижнего Новгорода по содержанию суммы растворимых соединений тяжелых металлов – цинка, кадмия, свинца и меди

Динамика кислотности воды снега по годам исследований (M ± m: среднее ± ошибка среднего; V, % – коэффициент вариации)

Место отбора проб

Значение рН по точкам отбора, ед. рН

M ± m

V, %

I

II

III

IV

2017 г.

Лесной массив (фон)

6,83

6,22

6,24

6,50

6,45 ± 0,14

4

Сормовское шоссе

7,13

7,28

6,98

7,04

7,11 ± 0,07

2

Проспект Гагарина

7,27

7,07

6,95

7,05

7,09 ± 0,07

2

2018 г.

Лесной массив (фон)

6,40

6,38

6,12

6,63

6,38 ± 0,10

3

Сормовское шоссе

6,54

6,53

7,19

7,01

6,82 ± 0,17

5

Проспект Гагарина

6,93

7,50

7,26

6,59

7,07 ± 0,20

6

 

График, показанный на рис. 3, отражает суммарное накопление растворимых соединений тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb и Cu) в снеговой воде за 2 года исследований. Прежде всего, нужно отметить заметно сниженный уровень накопления токсикантов в снеге на второй год исследования по сравнению с первым годом – на 75 % в условиях фоновой территории, на 32 % в условиях Сормовского шоссе и на 35 % в условиях проспекта Гагарина.

Наибольшее суммарное содержание тяжелых металлов отмечалось в снежном покрове автотрассы заречной части города. Здесь накопление токсикантов составило 0,0611 мг/л в 2017 г. и 0,0413 мг/л в 2018 г., что ниже, чем в нагорной части города, соответственно на 26 % (0,0450 мг/л) и на 29 % (0,0292 мг/л).

В снеговом покрове лесного массива содержание тяжелых металлов закономерно оказалось наименьшим – 0,0075 мг/л (2017 г.) и 0,0019 мг/л (2018 г.). При этом нужно отметить, что если в суммарном накоплении токсикантов в снеге с придорожных территорий участвовали все рассматриваемые металлы, то в воде снега из Дубравы в первый год отсутствовала медь, а во второй год – медь и свинец. При определении содержания их растворимых форм вольтамперометрическим методом уровень полученной концентрации находился ниже предела обнаружения данным прибором. Общий высокий уровень накопления растворимых соединений тяжелых металлов в снеговой воде, очевидно, обусловлен повышенной загазованностью воздуха пылевыми выбросами крупных промышленных предприятий города, содержащими в своем составе частицы таковых токсикантов, что подтверждается рядом аналогичных исследований [12, 13].

Данные таблицы показывают динамику кислотности воды снега по вариантам исследования. Анализируя полученные данные, нужно отметить слабокислую реакцию снеговой воды в условиях формирования снежного покрова в лесном массиве – 6,45 и 6,38 ед. рН соответственно по годам отбора и анализа проб снега.

В условиях прилегающих к автотрассам участков снежный покров характеризовался слабощелочной реакцией на Сормовском шоссе в первый год и на проспекте Гагарина в оба года исследования. Данный факт может свидетельствовать о наличии щелочно-гидролизуемых соединений в составе газов и пыли, попадающих в атмосферу из выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, которые в некоторой степени подщелачивают воду снега [8].

Вариабельность кислотности воды снеговых масс не превышала 10 %, что говорит о высокой степени консервативности показателя вне зависимости от точек отбора проб.

Выводы

Проанализировав данные за 2 года исследования, нужно подчеркнуть факт наличия определенного уровня загрязненности снеговых масс в условиях накопления в черте городской территории. На основании полученных данных отмечается значительное загрязнение бикарбонатами, сульфатами, хлоридами и общей минерализацией снега с местности, прилегающей к проспекту Гагарина, а существенное загрязнение тяжелыми металлами – снега с местности, расположенной близ Сормовского шоссе. По состоянию на зимний период двух лет исследования (2017–2018 гг.) территории автомагистралей в целом характеризуются высокой экологической напряженностью, связанной не только с общим значительным уровнем загрязнения токсикантами снеговых масс, но также и с риском миграции данных загрязнителей в почвенный покров и грунтовые воды, и транслокации – в городскую растительность.


Библиографическая ссылка

Козлов А.В., Миронова Ю.И., Воронцова А.А., Акафьева Д.В., Береснев А.А., Быков А.С., Давыдов В.А., Зыков Я.В., Калиничева З.С., Орехова А.А. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАТИОННО-АНИОННОГО СОСТАВА И КИСЛОТНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА С ТЕРРИТОРИИ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ НИЖНЕГО НОВГОРОДА // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 6. – С. 78-83;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36785 (дата обращения: 28.05.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074