Химическое загрязнение окружающей среды Севера и Арктики на примере загрязнения почвенно-растительного покрова тяжелыми металлами (медь

Химическое загрязнение окружающей среды Севера и Арктики на примере загрязнения почвенно-растительного покрова  тяжелыми металлами (медь и цинк)

Васюк Кристина

Резкое увеличение антропогенного давления на природу привело к нарушению экологического равновесия и вызвало деградацию не только среды обитания, но и здоровья людей и животных. Биосфера постепенно утратила свое господствующее значение и в населенных регионах стала превращаться в техносферу.

Наиболее опасным для природных экосистем и человека является химическое загрязнение, поставляющее в окружающую среду различные токсиканты: тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, пластмассы, поверхностно-активные вещества и другие неорганические и органические супертоксиканты, которые попадая в различные сферы окружающей среды, мигрируют в них, трансформируются в новые соединения, взывая негативные патологические изменения в нормальных процессах систем.

Химическое загрязнение имеет особую опасность для Севера и Арктики в связи с низкой ассимиляционной способностью их специфических экосистем. Казалось бы, Арктика находится далеко от индустриализованных частей земли и следовало бы ожидать, что влияние загрязнителей от деятельности человека близко к нулю. Однако все больше исследований показывают, что это не так и почти все известные органические загрязнители и ТМ были обнаружены в почвах, растениях, животных  их пищевых цепях.

Тяжелые металлы относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ. В Арктике большое исследовательское внимание сконцентрировано на изучении ртути, кадмия и свинца, которые способны аккумулироваться в тканях животных и очень токсичны даже при низких концентрациях. Однако интересно знать и влияние других ТМ, поэтому из всех металлов для работы были выбраны медь и цинк, так как с одной стороны это важные микроэлементы, некоторые количества которых должны присутствовать в почвах, а с другой стороны они относятся к группе тяжёлых металлов с очень высоким потенциалом загрязнения.

В атмосфере и гидросфере происходит периодическое самоочищение от загрязнителей, почва же практически не обладает такой способностью и накапливает в себе ТМ и другие загрязнители. Поэтому из всех сред для  анализа был выбран почвенно-растительный покров.

Именно поэтому цель работы: изучить особенности химического загрязнения ТМ (медь, цинк) почвенно-растительного покрова урбанизированных ландшафтов Севера на примере городов Архангельской промышленной агломерации (Архангельск, Новодвинск, Северодвинск) и Арктики на примере городов Баренцбург и Пирамида. 

Главными источниками поступления ТМ в почвенно–растительный покров Севера и Арктики служат: естественные (магматические и осадочные горные породы, породообразующие минералы, пыль, образующаяся при выветривание горных пород и минералов, вулканическая   деятельность,   эрозионные процессы, воздушные аэрозоли, содержащие морскую воду, биологическая эмиссия, лесные пожары) и антропогенные (ТЭЦ, бытовой мусор, транспорт, сельское хозяйство, шахты, химическая промышленность, лесная, дерево-, обрабатывающая и перерабатывающая промышленность, свалки, коммунальные и бытовые отходы). При этом поступление ТМ в почвенный покров осуществляется различными путями:

                  выбросы в атмосферу;

                  поступление с осадками, сточными водами, при таянии снега и льда;

                  с продуктами разложения органических остатков;

Основными источниками загрязнения атмосферы городов Архангельской промышленной агломерации являются: целлюлозно-бумажные комбинаты, предприятия теплоэнергетики, деревоперерабатывающей промышленности, транспорт. Основными загрязнителями, содержащимися в выбросах этих предприятий являются: диоксид серы, оксиды азота, бенз(а)пирен, сажа, летучая зола с включениями тяжёлых металлов. За пятилетний период (2005-2009 гг.) выбросы загрязняющих веществ от промышленных источников выросли на 30%. Установлено высокое содержание ТМ в атмосферной пыли  городов.

Для многих районов Севера и для всех регионов  Арктики (Шпицберген, Гренландия, Штата Аляска, арктической части России) угольная промышленность была последние 100 лет и остается в настоящее время приоритетной отраслью добывающей промышленности из-за глобальной потребности в топливе и изобилия угля в этих регионах. Последствия воздействия на окружающую среду от угольной промышленности известны и включают в себя: значительное повышение кислотности почв (или известное как «кислые дренажи»), загрязнение воды, почв и растительности целым спектром ТМ. Холодный климат и вечная мерзлота в Арктике часто рассматриваются как факторы, действующие в течение многих лет и способствующие кумуляции и миграции загрязнителей.

Объектами химического эксперимента послужили 92 почвенных образца с ПП Крайнего Севера и Арктики и 42 растительных образца с ПП Архангельской промышленной агломерации.

Для определения ПФ меди и цинка широко используется гибридные экстракционнофотометрические методы анализа. В них сочетается фотоэлектроколориметрия и экстракция.

Определение цинка велось с использованием дитизона. Метод основан на извлечении экстрагентом подвижных соединений цинка из почвы с получением окрашенного комплекса цинка с дитизоном и последующим фотометрированием выделенного экстракта.

Определение меди велось с использованием диэтилдитиокарбамата свинца, который при взаимодействии с медью дает  комплекс, окрашенный в желто-коричневый цвет.

В ходе анализа почв на содержание ПФ меди и цинка был использован новый спектрофотометр УФ-Видимого диапазона UVmini-1240. Это многофункциональный прибор, работающий в нескольких режимах. Для наиболее оптимальной работы была составлена методика работы на приборе UVmini-1240 в фотометрическом режиме. Главной особенностью работы является использование окрашенного рабочего раствора с постоянной оптической плотностью, что избавляет от необходимости частого воспроизведения калибровочного графика.

Количественного определения меди и цинка в растениях и ВС металлов в почве было выполнено методом ААС согласно нормативных документов с использованием научного оборудования Центра Коллективного Пользования (ЦКП) «Арктика».

Проанализировав полученные данные было установлено, что:

- в городских почвах наблюдается увеличение валового содержания меди и цинка, пропорционально с ним увеличивается и количество их ПФ, что способствует поступлению металлов в сопредельные среды. Наблюдаются превышение фона и ПДКВФ ПДКПФ. При этом поступление металлов в городские почвы носит техногенный характер. По накоплению ТМ в почвах города Архангельской промышленной агломерации можно расположить в следующий ряд: Новодвинск<Северодвинск< Архангельск. Так как почвенные образцы из Баренцбурга и Пирамиды были привезены поздно, они не были проанализированы на ВС в них меди и цинка.

- Распределение ПФ и ВС цинка и меди в городских почвах носит аккумулятивный характер и зависит от содержания в них гумуса, глины, железа и марганца.

- Аккумуляция ПФ ТМ в городских почвах увеличивается в ряду: культуроземы < урбаноземы < реплантоземы., а в городских ландшафтах − рекреационный < селитебный < промышленный.

- Была разработана градация обеспеченности и загрязненности почв Крайнего Севера ВФ и ПФ меди и цинка, по которой были построены как «точечные», так и «заливные» карты, позволяющие оценивать степень аккумуляции ТМ в почвах городов Архангельской промышленной агломерации. Согласно них установлено, что как в Новодвинске, так и в Архангельске высокое содержание ТМ наблюдается в почвах ПП, расположенных вдоль береговой линии рек.

Содержание цинка в наземной и подземной частях растений, собранных с некоторых ПП Новодвинска и Северодвинска аномально превышает ПДК, что может говорить о наличии загрязнения, которое поступает не только из почвы, но и за счет оседания загрязнителей в виде пылевых частиц и эрозолей.

Проанализировав особенности накопления меди и цинка почвами Севера, можно предположить, что для почв Арктики характерно:

1). содержание ПФ будет приблизительно одинаковым с их ВС, так как почвы содержат мало органических соединений и закрепление металлов будет слабым;

2). Характерно вымывание ТМ из верхних горизонтов арктических почв (до 50 см) за счет таяния снега и ледников, воды которых стекают с гор и возвышенностей (для Шпицбергена характерен горный рельеф) в море, унося с собой растворимые формы металлов;

3).повышенное содержание металлов, особенно меди, в анализируемых почвах может быть обусловлено высокой кислотностью почв вследствие окисления пирита в местах хранения и отвалов угля, золы и отходов при добычи угля.

Однако это все только предположения, основанные на литературных и  визуальных данных. Почвы Арктики имеют некоторые отличительные особенности от почв Севера. Уже в ближайшее время будет проанализировано большее количество почвенных и растительных образцов на содержание в них целого ряда ТМ и, возможно, стойких органических веществ. Возможно, дальнейшее накопление материалов и информации о данных образцах позволит больше судить об антропогенной нагрузки на Арктические почвы и растения.

Тем не менее, данное исследование может служить началом для более детального исследования почвенно-растительного покрова Арктики. Комплексная оценка состояния почвенно-растительного покрова позволяет определить не только степень загрязнения исследуемыми поллютантами, но и принимать своевременные меры по поддержанию нормального функционирования экосистем города.