Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кузнецова О.Г. 1 Рукавицын В.В. 2 Хоменко В.П. 3 Евграфова И.М. 3

---

1 ГБОУ «Школа № 1212»

2 ФГБОУ ВО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе»

3 ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»

Статья посвящена анализу причин и динамике загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) территории Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности. Приведены данные исследований ключевых площадок территории в виде почвенных профилей с отбором проб с 2008 по 2019 г. Цель исследования – сопоставление данных и получение прогноза развития экологической ситуации территории с помощью метода цифрового моделирования. Для определения корреляции между аккумуляцией металлов почвами и особенностями биоты в базу данных включены данные динамики онкологических заболеваний населения. Пробы анализировались методами пламенной абсорбции и атомно-эмиссионным с индуктивно-связанной плазмой (Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn). Установлено, что на всей исследуемой территории происходят процессы аккумуляции, в основном железа и меди, а на автономных ландшафтах – и других ТМ. Максимальные концентрации железа и меди зарегистрированы в иллювиальном горизонте Государственного природного заповедника «Присурский». Выявлено, что ареалы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и часто фиксируемые случаи онкологических заболеваний коррелируют в пространстве. Сделано предположение зависимости уровня от загрязнения почв тяжелыми металлами. Полученные результаты позволят осуществлять экологически безопасное районирование территории для хозяйственного использования.

Статья в формате PDF

299 KB

геоэкология

тяжелые металлы

загрязнение окружающей среды

Сура-Свияжское междуречье Приволжской возвышенности

1. Расулов О.У., Каримов Б.Ю., Зоиров Ф.Б., Халифаев Ф.А. Анализ загрязнения почвы тяжелыми металлами в условиях сильного загрязнения промышленных зон // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2021. № 3 (55). С. 53–57.

2. Кузнецова О.Г. Вопрос идентификации маркеров экологической безопасности // Актуальные вопросы рационального использования природных ресурсов. Т. 2: материалы XV Междунар. форума-конкурса студентов и молодых ученых под эгидой ЮНЕСКО. СПб.: Санкт-Петербургский горный университет, 2019. С. 724.

3. Сарапулова Г.И. Эколого-геохимическая оценка почв в зоне техногенных объектов // Записки горного института. 2018. Т. 234. С. 258–262.

4. Мамонтов В.Г. Химический анализ почв и использование аналитических данных: лабораторный практикум. М.: Лань, 2021. 328 с.

5. Ковалева Е.В. Агроландшафтоведение и геохимия ландшафтов. М.: Лань, 2022. 144 с.

6. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: учеб. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Астрея-2000, 1999. 798 с.

7. Мартынюк А.А., Рыкова Т.В. Закономерности загрязнения компонентов лесных экосистем и нормирование техногенного воздействия на леса // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2013. № 37. С. 54–57.

8. Фокина А.И., Дабах Е.В., Домрачева Л.И., Скугорева С.Г., Лялина Е.И., Ашихмина Т.Я., Зыкова Ю.Н., Леонова К.А. Методические подходы к химико-биологической диагностике состояния почв техногенно-преобразованных территорий // Почвоведение. 2018. № 5. С. 589–600.

9. Плеханова И.О., Куликов В.О., Шабаев В.П. Влияние ризосферных бактерий на фракционный состав соединений тяжелых металлов в системе почва – растение // Почвоведение. 2022. № 9. С. 1179–1186.

10. Ашурбекова Т.Н., Мусинова Э.М. Изучение загрязнения почвы тяжелыми металлами и оценка связи этого загрязнения с онкологическими заболеваниями // Самарский научный вестник. 2018. Т. 7. № 4 (25). С. 10–14.

11. РД 52.18.191-89. Методика выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. М.: Государственный комитет СССР по гидрометеорологии, 1990. [Электронный ресурс]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200048597 (дата обращения: 12.10.2023).

12. ГОСТ ISO 22036-2014. Качество почвы. Определение микроэлементов в экстрактах почвы с использованием атомно-эмиссионной спектрометрии индуктивно связанной плазмы (ИСП-АЭС). М.: Стандартинформ, 2015. 26 с.

13. Жуйков Д.В. Мониторинг содержания марганца в агроценозах // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 19–22.

14. Аникин А.С., Говжеев Г.Д. Применение регрессионного анализа для исследования временных рядов // Актуальные исследования. 2022. № 6 (85). С. 18–22.

Исследования проводились на территории западного склона Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности. Район исследования условно разделен на две зоны: трансформированную техногенезом (зона 1) и относительно устойчивую (зона 2) – территория государственного природного заповедника (ГПЗ) «Присурский» [1, 2]. В северной части района исследования (зона 1) расположены сельскохозяйственные территории и населенные пункты: города Шумерля и Вурнары. В южной находится ГПЗ «Присурский», занимая большую часть исследуемой территории. На территории заповедника введен охранный режим, так что данный участок можно считать ненарушенным техногенезом или фоновым.

Основоположниками геохимии ландшафта в нашей стране являются Б.Б. Полынов, М.А. Глазовская, А.И. Перельман, Н.С. Касимов [3–6]. Большинство современных исследований, посвященных миграции металлов, опираются на сравнение полученных данных с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК). Однако наблюдается и использование комплексного подхода [7–9].

Цель исследования – изучение миграции тяжелых металлов (ТМ) и их влияния на здоровье местного населения. Актуальность темы исследования выражается в том, что тяжелые металлы являются одними из распространенных поллютантов. Они способны к миграции из почвы в растительность, а затем, концентрируясь в организме животных и человека, вызывать хронические заболевания и онкозаболевания. Таким образом, изучение особенностей аккумуляции металлов в почвах позволяет наметить меры для принятия управленческих решений по сохранению устойчивости экосистем [10].

Материалы и методы исследования

В основу работы положены материалы полевых исследований, в процессе которых изучалось состояние экосистем территории западного склона Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности. Они проводились в 2008 и 2019 гг. с целью сопоставления данных и получения прогноза развития экологической ситуации.

Пробы почв отбирались из горизонтов А, В, С, донных отложений и растений (мха). Затем определялись концентрации ТМ в почвах в 2008 и 2019 гг. (табл. 1, 2). Подвижные формы ТМ в пробах почв 2008 г. (табл. 1) определялись в вытяжке по методу Баскомба [11], позволяющему экстрагировать связанные с органическим веществом формы методом пламенной абсорбции [12]. В 2019 г. определялись также подвижные формы металлов в почве и донных отложениях, но вытяжкой 1 н НСl [13].

Для прогноза дальнейшей ситуации на изучаемой территории был применен метод цифрового моделирования [14]. Для определения корреляции загрязнения почв ТМ, донных отложений, поверхностных вод в базу данных были включены сведения о злокачественных заболеваниях населения [10].

Таблица 1

Концентрации тяжелых металлов в некоторых точках на исследуемой территории Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности

Примечание: 2008 г., подвижные формы, связанные с органическим веществом (мг/кг).

Таблица 2

Концентрации тяжелых металлов в некоторых точках на исследуемой территории Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности

Примечание: 2019 г., подвижные формы (мг/кг).

Показатели состояния окружающей среды (ОС) территории заповедника ГПЗ «Присурский» можно считать фоновыми, так как благодаря охранному режиму техногенное влияние в его пределах минимально и возможно только с перемещением воздушных масс.

Результаты исследования и их обсуждение

Как следует из полученных данных (табл. 2), во всех пунктах наблюдения значительны концентрации подвижных форм меди (до 2,33 мг/кг). Однако данный показатель не превышал ПДК (3 мг/кг). 1,69 мг/кг меди зарегистрировано в точке 3, пахотное поле, засеянное люцерной. Медь здесь концентрировалась в результате внесения удобрений. Концентрация меди, равная 2,12 мг/кг, зафиксирована в точке 6, находящейся в непосредственной близости города Шумерля. Также значительны концентрации меди вблизи города Алатырь – 1,99 мг/кг. Это связано, по-видимому, с техногенным влиянием города и широко развитой в нем химической промышленностью. Концентрация подвижных форм меди в точке 18, находящейся рядом с химическим заводом «Август», равнялась 2 мг/кг.

Почвенные пробы, взятые в 2008 г., были проанализированы на содержание форм металлов, связанных с органическим веществом. Концентрации меди более чем в 12 раз превышали ПДК для подвижных форм (36,79 мг/кг в пойменной почве зоны 2). Концентрации подвижных форм меди в пахотных почвах зоны 1 также превышали ПДК в 6,7 раз (20 мг/кг). Высокие концентрации меди и других металлов в пахотных почвах связаны с внесением удобрений, которые, как известно, содержат повышенные концентрации тяжелых металлов [13].

По данным Х. Чулджиян и др. предельно допустимая концентрация подвижных форм кадмия равна 1,0 мг/кг. В пробах 2019 г. концентрация подвижных форм кадмия максимально равнялась 0,057 мг/кг в точке 6, рядом с г. Шумерля. В пахотных почвах концентрации подвижной формы кадмия в полтора раза превышала ПДК, что связано с поступлением кадмия в составе удобрений, а также в результате сжигания нефти и угля [2].

ПДК подвижных форм хрома равна 6,0 мг/кг. Все пробы почв 2019 г. не превышали ПДК по подвижным формам хрома. Максимальные концентрации зарегистрированы у химического завода «Август» и равны 0,372 мг/кг. Источниками поступления хрома в почвы является сжигание каменного угля, а также в процессе использования комплексных удобрений [13].

Концентрации железа значительны вблизи г. Вурнары (до 479 мг/кг) в т. 2, находящейся у сельскохозяйственных ландшафтов, до 235 мг/кг в т. 18. В самых северных, исследованных нами районах (точки 3 и 4) – содержания ТМ не превышали ПДК. По мере приближения к городу концентрации железа увеличиваются с 39 (т. 7) до 80 мг/кг (т. 5). В т. 9 (пойма р. Сура) концентрации железа в верхнем горизонте доходили до 167 мг/кг. Это связано со смывом с вышележащих ландшафтов: транзитных и автономных, а также накоплением железа в органогенном горизонте супераквального ландшафта. Как известно, подвижные формы металлов легко образуют неподвижные (металлорганические) комплексы с гуминовыми кислотами верхних органогенных горизонтов почв. В т. 13–15, находящихся на территории ГПЗ «Присурский», концентрации ТМ не превышали ПДК. Концентрации железа доходили до 884 мг/кг в иллювиальном горизонте почв. Для подзолистых почв характерна аккумуляция ТМ в иллювиальном горизонте, поскольку из горизонта А активно вымываются коллоиды и, попадая в горизонт В, адсорбируют многие ТМ, в том числе железо. Кроме того, влияние оказывают почвообразующие породы. В т. 16 (территория ГПЗ) также отмечается аккумуляция меди и железа в иллювиальном горизонте: меди – до 2,39 мг/кг, а железа – 573 мг/кг.

Таким образом, на территории Сура-Свияжского междуречья зарегистрированы максимальные концентрации железа в иллювиальном горизонте ГПЗ «Присурский» – 884 мг/кг, что связано с влиянием почвообразующих пород.

На основе изученных данных составлен прогноз накопления ТМ в почве до 2040 г. при условии сохранения тенденции загрязнения. Прогноз проводился с помощью математического метода временного ряда или ряда динамики – последовательность статистических данных об аккумуляции металлов исследуемого района. Для анализа временных рядов использовалась линейная регрессия. Основой модели выступает гипотеза о существовании дискретного внешнего фактора X(t), имеющего влияющую на рассматриваемый процесс Z(t) связь между фактором и процессом, представленной в виде линейной функции. Модель прогнозирования временного ряда на основании линейной регрессии описывается уравнением [1]:

Z(t) = a0 + a1 × X(t) ± Et , (*)

где a0 и a1 – коэффициенты регрессии; Et – ошибка модели.

За X(t), дискретный внешний фактор, принималась доля ПДК каждого металла, которая и изменялась со временем.

Кадмий является токсичным элементом 1-го класса опасности, легко мигрирующим из почвы в растительность, и, попадая в организм человека, аккумулируется преимущественно в печени и почках. Кадмий обладает канцерогенными и мутагенными свойствами. А также снижает активность витамина Д, вызывая размягчение костей скелета, множественные нарушения метаболизма [10]. Основными источниками поступления кадмия в почву являются промышленные выбросы предприятий, автотранспорт, а также сточные воды и удобрения. С 2008 до 2040 г. прогнозируется увеличение концентрации кадмия в почвах. На автономном ландшафте рядом с г. Вурнары с химическим производством кадмий будет аккумулироваться наиболее интенсивно в верхнем органогенном горизонте (А) супераквального ландшафта. Наименьшими концентрациями металла характеризовались почвы транзитного ландшафта, благодаря хорошему промывному режиму. Такая тенденция сохранится и согласно прогнозу.

Хром поступает в почву вследствие сжигания каменного угля на предприятиях и является канцерогенным элементом. Как известно, пойменные почвы имеют устойчивую тенденцию к аккумуляции хрома почвами, а также в иллювиальном горизонте дерново-подзолистых почв [8].

В 2008 г. для экстрагирования металлов (меди, марганца, цинка) была выбрана вытяжка по методу Баскомба, позволяющая экстрагировать формы металлов, связанные с органическим веществом. Также в 2008 г. был выбран для исследования супераквальный ландшафт, аккумулирующий металлы (у оз. Щучье), находящийся гипсометрически ниже участков автономных и транзитных ландшафтов. Почвы тут характеризовались активным процессом глееобразования, который связан со смещением реакции среды в кислую сторону, что способствует аккумуляции меди, марганца и цинка [11].

Анализ данных о повышении уровня онкологической заболеваемости жителей района исследования [10] показал тенденцию увеличения заболеваний в Шумерлинском и Вурнарском районах во времени. Это связано с тем, что канцерогенные металлы аккумулируются почвами ландшафтов, расположенных гипсометрически ниже автономных. Металлы накапливаются в верхних горизонтах почв в виде металлоорганических соединений, которые по цепи питания переходят в растительность и далее аккумулируются в организме человека. Таким образом, расположенный на автономном ландшафте завод химических препаратов может способствовать увеличению количества онкозаболеваний населения, проживающего гипсометрически ниже, в пойме реки Суры.

Заключение

Результатами исследования является установленная закономерность аккумуляции тяжелых металлов в компонентах ОС в пределах зон ненарушенных и нарушенных техногенезом ландшафтов и прогноз развития состояния экосистемы, при условии сохранения тенденции загрязнения к 2040 г. Кроме того, выявлена зависимость онкозаболеваний от загрязнения почв ТМ.

Сделан прогноз с 2019 по 2040 г. тенденции увеличения концентрации кадмия и хрома в почвах с течением времени. Это связано с ростом промышленности и увеличением количества автотранспорта в районе исследования. Рост случаев онкопатологий у населения коррелирует с увеличением концентрации подвижных форм некоторых тяжелых металлов в почвах. Это связано с большой площадью агроландшафтов (влиянием внесенных удобрений) и промышленных предприятий в зоне одного района исследования. Концентрация хрома в почвах транзитного ландшафта западного склона Сура-Свияжского междуречья к 2040 г. превысит ПДК. Увеличению концентрации хрома в почвах способствует сжигание минерального топлива, особенно каменного угля, и выбросы промышленных предприятий.

Библиографическая ссылка