Комплексная оценка влияния свалки твердых бытовых отходов г

Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2011, т. LV, № 1
УДК 577.4+628.472
Комплексная оценка влияния свалки твердых бытовых отходов
г. Архангельска на компоненты природной среды
Н. С. Ларионов, К. Г. Боголицын, И.А. Кузнецова
НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ ЛАРИОНОВ — кандидат химических наук, научный сотрудник Института экологических проблем Севера УрО РАН. Область научных интересов: химическая экология, экоаналитика, экологический мониторинг, химия растительных биополимеров. E-mail nikolay.larionov@iepn.ru
КОНСТАНТИН ГРИГОРЬЕВИЧ БОГОЛИЦЫН — доктор химических наук, профессор, директор Института экологических проблем Севера УрО РАН. Область научных интересов: химия растительных биополимеров, аналитическая химия. E-mail bogolitsyn@iepn.ru
ИРИНА АНДРЕЕВНА КУЗНЕЦОВА — аспирант Института экологических проблем Севера УрО РАН.
Область научных интересов: химическая экология, аналитическая химия, химия растительных биополимеров. E-mail kia.iepn@gmail.com
163000 Архангельск, ул. Набережная Северной Двины, 23, тел. +7(8182)28-76-88, факс +7(8182)28-76-36.
Введение
Размещение и утилизация отходов относятся к одной
из основных экологических проблем для европейской
части Севера России, в том числе и для Архангельской
области и ее административного центра — г. Архангельска [1]. При отсутствии санитарного полигона, соответствующего санитарно-гигиеническим требованиям, твердые бытовые отходы г. Архангельска депонируются на свалке.
Свалки твердых бытовых отходов являются мощным
источником загрязнителей объектов природной среды.
В зависимости от природных особенностей местности,
где расположена свалка, от климатических условий и
других факторов отходы подвергаются непредсказуемым физико-химическим и биохимическим превращениям с образованием вредных веществ.
Подходы к эколого-аналитической оценке состояния
полигонов для размещения отходов и прилегающих к
ним территорий в Архангельске, учитывающие природное состояние местности и климатические условия региона, подробно описаны в работе [2]. Здесь кратко отметим
климатические и природные условия и особенности почвы рассматриваемой области, которые во многом определяют поступление в окружающую среду поллютантов с
территории объектов захоронения отходов.
Среднегодовые температуры в регионе составляют
около +5 ºС, но понижаются в направлении с юго-запада
на северо-восток. Годовая сумма осадков в области
колеблется от 400 мм на побережье Белого моря на
отдалении до более чем 500 мм к юго-западу.
В Архангельской области хорошо развита гидрологическая сеть. В направлении с юго-востока на северозапад область пересекает одна из крупнейших рек европейского Севера — Северная Двина с многочисленными
притоками, из которых Вычегда, Вага и Пинега – крупные реки. С водоразделов между почти параллельно
текущими крупными реками стекает множество притоков, образующих весьма плотную водную сеть.
Почвенные условия Архангельской области характеризуются четко выраженной зональной зависимостью. Архангельская область лежит в пределах двух подзон зоны
таежных подзолистых почв: северотаежной и среднетаежной. Для северотаежной подзоны характерны глеевоподзолистые почвы, занимающие большую часть водораздельных пространств; имеются также массивы болотно-подзолистых почв и торфа. Высокой заболоченностью (до 25%) отличаются северные районы, что
связано с равнинностью территории, слабым дренажем
и наличием водоупорных глин ледникового происхождения. Бассейн Северной Двины заболочен на 8,5% и
более проходим.
Оценка загрязнения природных вод
фильтрационными водами свалки
При взаимодействии твердых бытовых отходов с
атмосферными осадками образуется фильтрат, содержащий многочисленные компоненты распада веществ.
93
Н. С. Ларионов, К. Г. Боголицын, И.А. Кузнецова
Объем и состав фильтрационных вод зависят от площади полигона, количества складируемых отходов, уровня
атмосферных осадков. Загрязнению фильтрационными
водами особенно подвержены зоны активного водообмена, приуроченные к верхней части разреза, и прежде
всего грунтовые воды [3].
Фильтрационные воды полигонов захоронения бытовых отходов имеют сложный химический состав,
представленный органическими и неорганическими
веществами и изменяющийся на каждом этапе жизненного цикла полигона, причем по составу они значительно отличаются от промышленных и муниципальных
сточных вод. Они содержат токсичные компоненты,
биорезистентные примеси, различные микроорганизмы,
в том числе патогенные.
В соответствии с рекомендательными и нормативными документами [4—9] проводился мониторинг состояния природных вод в зоне влияния свалки твердых
бытовых отходов Архангельска. Для этого была организована сеть постов мониторинга для отбора проб воды с
последующим химическим и микробиологическим анализом.
Посты мониторинга были заложены с учетом данных
о геологическом и ботаническом состоянии природной
среды в зоне влияния свалки, в строгом соответствии с
направлением движения грунтовых вод: шесть постов
мониторинга — по периметру свалки бытовых отходов
с закладкой фонового участка за насыпью автомобильной дороги, проходящей вблизи территории свалки, и
два поста мониторинга — на свалке.
Дополнительно были организованы посты мониторинга для оценки состояния грунтовых вод на различном удалении от свалки: в створе направления движения
грунтовых вод на расстоянии 1000 м от свалки с закладкой фонового поста мониторинга за насыпью автомобильной дороги и в створе стока грунтовых вод с болота
у реки Юрас на расстоянии 3000—3500 м от свалки
бытовых отходов. Для отбора проб природных вод на
постах мониторинга были пробурены наблюдательные
скважины (пьезометры глубиной 1,5 и 2,5 м), а также
шурф глубиной 0,5—0,7 м.
Помимо анализа грунтовых вод контролировали
состояние вод поверхностного водоисточника — реки
Юрас на участке впадения в нее грунтовых вод на расстоянии 0,5 км ниже по течению, а также 0,5, 1 и 3 км
выше по течению реки.
Отбор проб поверхностных и грунтовых вод проводили в соответствии со стандартами [10, 11]. Периодичность отбора проб природных вод — два раза в год (в
весенне-летний и осенний периоды).
Для оценки влияния фильтрационных вод свалки
бытовых отходов на природные воды были выбраны
следующие группы показателей.
1. Общехимические показатели качества природных
вод: pH (потенциометрический анализ), ХПК (титриметрический анализ), ионный состав (жидкостная ионная хроматография/капиллярный электрофорез), наличие сухого остатка (гравиметрический анализ).
94
2. Содержание органических и неорганических поллютантов: нефтепродуктов (ИК-спектроскопия/флуориметрия), фенолов (флуориметрический анализ), тяжелых
металлов (рентгенофлуоресцентный анализ/инверсионная вольтамперометрия/атомно-абсорбционная спектроскопия).
3. Микробиологические показатели: общие колиформные бактерии, термотолерантные колиформные
бактерии, коли-фаги, патогенные бактерии кишечной
группы.
4. Паразитологические показатели: яйца гельминтов,
цисты кишечных патогенных простейших.
5. Вирусологические показатели: антиген вируса
гепатита А, антиген ротавирусов.
Грунтовые воды, подверженные влиянию фильтрационных вод свалки твердых бытовых отходов, отобранные по ее периметру, — нейтральные (рН 6,5—7,5),
а на участках, удаленных на 1 км от источника воздействия, — слабокислые (рН 5,0—6,5), что характерно для
болотных вод и обусловлено присутствием в них гумусовых кислот.
Грунтовые воды исследуемой территории различаются
по минерализации. Так, по мере продвижения грунтовых вод с запада на восток (от свалки к поверхностному
водоисточнику) их общая минерализация снижается.
Грунтовые воды, отобранные по периметру свалки отходов и под ее основанием, — соленые, с сухим остатком до 6,2 г/л. Подземные воды на участке фонового
поста мониторинга за насыпью автомобильной дороги
имеют пониженное среднее содержание сухого остатка
0,7 г/л и относятся к природным водам с относительно
повышенной минерализацией.
На удалении 1 км от восточной стороны свалки (по
направлению движения грунтовых вод) концентрация
солей в грунтовых водах снижается до 0,5—1,8 г/л.
Также, как и воды фонового поста мониторинга, эти
воды можно отнести к категории вод с относительно
повышенной минерализацией. На участке фонового
поста мониторинга, находящегося вне створа движения
грунтовых вод, воды характеризуются пониженным
средним содержанием сухого остатка (максимальная
концентрация солей до 0,5 г/л).
Бихроматная окисляемость (ХПК) грунтовых вод,
пробы которых отбирали по периметру свалки, в среднем составляет 685 мг О2/л и доходит до 2700 мг О2/л.
На удалении 1 км она составляет в среднем 315 мг О2/л,
доходя до 1305 мг О2/л. Такие величины окисляемости
не характерны для вод природных источников (вода
очень загрязненных водоемов имеет ХПК до 15 мг
О2/л). В данном случае высокие показатели ХПК обусловлены составом торфяно-болотных почв, представляющих исследуемую территорию.
В соответствии с классификацией природных вод,
предложенной О.А. Алекиным [12], воды делятся по
преобладающему аниону на карбонатные, сульфидные,
хлоридные. Класс карбонатных вод объединяет пресные
и ультрапресные воды рек и включает значительное
количество подземных вод. Класс хлоридных вод объе-
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2011, т. LV, № 1
диняет воды морей, лиманов и подземные воды солончаковых районов. Сульфатные воды по распространению и минерализации занимают промежуточное положение между хлоридными и карбонатными водами.
Грунтовые воды, отобранные по периметру свалки
бытовых отходов, и воды, отобранные на удалении 1 км
от восточной границы свалки по направлению и в створе движения грунтовых вод, относятся к хлоридному
классу группы натрия, тип III (Cl– > Na+). Среди основных ионов преобладают Cl– и Na+.
Для болотных вод исследованной территории можно
составить следующие ряды преобладающих ионов:
Cl– > HCO3– > SO42– > NO3–, NO2– > PO43–, Br– > F–
Na+ > K+ > NH4+ > Ca2+, Mg2+
В соответствии с характеристикой природных вод
можно выделить три зоны исследуемой территории.
Зона 1 — непосредственно по периметру и вблизи
свалки отходов. Фильтрат свалки оказывает непосредственное воздействие на болотные воды, изменяя их химический состав и являясь источником эпидемиологической опасности.
Зона 2 — на удалении 1 км от восточной границы
свалки отходов по направлению стока грунтовых вод.
Химический состав вод данной зоны отличается от такового у вод, подвергающихся непосредственному
влиянию фильтрата свалки (подземные воды фильтруются через толщу торфяно-болотных почв, имеющих
высокую сорбционную способность и обладающих высокой буферной емкостью).
Зона 3 — поверхностные воды природного водоема
— р. Юрас.
Определить четкие границы данных зон затруднительно из-за непостоянства состава фильтрационных
вод свалки и необходимости изучения «барьерных»
свойств верховых торфяно-болотных почв, представляющих исследуемую территорию.
Как известно, торф обладает большой удельной поверхностью, высокой пористостью (95%). Отмечена
способность торфа очищать загрязненные воды и конкурировать с другими адсорбентами при низких скоростях потока и небольших количествах воды, подаваемой
на очистку [13]. По данным работы [14] можно заключить, что торф пригоден для предварительной очистки
сильно загрязненных фильтрационных вод свалок.
Анализ грунтовых вод на участках постов мониторинга подземных вод, организованных по периметру
свалки твердых бытовых отходов Архангельска, дал
следующие результаты.
В пробах грунтовых вод, отобранных по периметру
свалки отходов, из неорганических поллютантов обнаружены Hg (до 10,8 ПДК), Cd (до 2,2 ПДК), Zn (до 3,4
ПДК), Bi (до 6,7 ПДК), Fe (до 42 ПДК), Mn (до 118
ПДК). Содержание Pb, Cu, Ni, Cr, V находится в пределах ПДК. Состояние неорганических поллютантов, в
частности, тяжелых металлов, в исследуемых природ-
ных водах, содержащих гумусовые кислоты, определяется прежде всего процессами комплексообразования.
Однако определение доли металла, включаемого в комплексы с гумусовыми веществами, и константы устойчивости этих комплексов осложняется рядом специфических особенностей гумусовых кислот [15], а именно,
непостоянством состава и полидисперсностью, гетерогенностью, полиэлектролитной природой гумусовых
кислот.
Из органических поллютантов в пробах грунтовых
вод обнаружены нефтепродукты (до 16 ПДК в пересчете на валовое содержание нефтепродуктов) и фенолы
(до 624 ПДК в пересчете на летучие фенолы).
В пробах грунтовых вод, отобранных по периметру
свалки, установлено 2400-кратное превышение показателя термотолерантных колиформных бактерий и 240кратное превышение общих колиформных бактерий над
нормативом в летний период, являющийся наиболее
эпидемиологически опасным [16]. Сравнение с данными
микробиологических исследований, проведенных ранее,
показало существенное изменение в сторону ухудшения
состояния грунтовых вод по содержанию этих бактерий.
Пробы грунтовых вод, отобранные на постах мониторинга грунтовых вод, расположенных по периметру
свалки, а также на посту мониторинга, организованном
для отбора проб грунтовых вод в основании свалки, не
удовлетворяют гигиеническим требованиям, так что
свалка твердых бытовых отходов представляет источник
эпидемиологической опасности. Вместе с тем все пробы
воды по паразитологическим показателям соответствуют санитарным требованиям [17]. Отмечается отсутствие яиц гельминтов и цист кишечных патогенных простейших, а также антигенов вируса гепатита А и ротавирусов во всех проанализированных пробах грунтовых
вод.
В пробах грунтовых вод, отобранных на удалении
1 км от восточной границы свалки отходов по направлению движения грунтовых вод, не обнаруживается
большинство микроэлементов или они находятся в пределах ПДК вследствие их фильтрации через толщу торфяно-болотной почвы и сорбционных процессов.
Воды реки Юрас, являющейся приемником грунтовых вод, загрязненных фильтратом от свалки отходов —
пресные (их минерализация в среднем составляет
0,29 г/л) и нейтральные (рН = 6,9—7,3), что связано с
присутствием в них гидрокарбонатов Ca(HCO3)2 и
Mg(HCO3)2. Бихроматная окисляемость (ХПК) в среднем составляет 72 мг О2/л, доходя до 122 мг О2/л на
участке впадения грунтовых вод в поверхностный водоисточник, с севера ограниченном дренажной канавой.
По величине ХПК р. Юрас относится к категории очень
загрязненных водоемов. В соответствии с классификацией О.А. Алекина [12], воды р. Юрас — гидрокарбонатные кальциевые (HCO3– > Ca2+ + Mg2+).
Фиксируемое низкое содержание тяжелых металлов
в водах реки Юрас можно объяснить тем, что металлтоксикант распределяется между компонентами этой
водной экосистемы (металл в растворенной форме,
95
Н. С. Ларионов, К. Г. Боголицын, И.А. Кузнецова
сорбированный и аккумулированный фитопланктоном,
удерживаемый донными отложениями, адсорбированный на поверхности донных отложений из водной среды
в растворимой форме или адсорбированный на частицах
взвеси) [18].
Концентрация микроэлементов и основные показатели качества воды на участке впадения грунтовых вод
и вод дренажной канавы существенно отличаются от
таковых для вод ниже по течению и выше по течению
на фоновом посту мониторинга, что свидетельствует о
влиянии грунтовых вод и вод дренажной канавы на
состав воды поверхностного водоисточника.
Оценка загрязнения почвенного покрова,
болотной и лесной растительности на территории,
прилегающей к свалке
Потоки веществ в почве связаны с приземной атмосферой, растительностью, поверхностными и почвенногрунтовыми водами. Почва способна активно трансформировать соединения, поступающие в нее, повышать или понижать их миграционную способность [19].
На заболоченных территориях европейской части
Севера России в роли природного коллектора поступающих с грунтовыми водами поллютантов выступает
торф, обеспечивающий их эффективное улавливание и
иммобилизацию [20]. Поэтому при оценке степени
влияния свалки твердых бытовых отходов Архангельска
на окружающую среду особое внимание уделялось торфу — одному из основных компонентов ландшафта
данного региона, в котором протекают разнообразные
биогеохимические и миграционные процессы и который
выступает в роли природного сорбента различных веществ.
Мониторинг состояния растительности проводился в
соответствии с методическими положениями [21—23], а
также по методам полевых исследований, принятым в
геоботанике, лесоведении и почвоведении. При этом
применялся метод «ключевых участков», который используется при изучении компонентов почв и растительности на небольших репрезентативных площадках,
которые характеризуются таким важным параметром,
как площадь выявления. В лесной зоне она составляет
до 0,5—0,75 га [24].
Мониторинг растительности и почвы проводился на
трех ключевых участках. Первый участок был заложен в
молодом кустарничково-сфагновом сосняке, прилегающем к юго-восточной части свалки, где возможно влияние на состояние растительности не только самой свалки, но и обитающих на ней птиц. Второй ключевой участок был выделен в середине полосы стоков вод свалки
в направлении р. Юрас, где из-за сильного переувлажнения и под действием сточных вод происходит трансформация верхового торфа в низинное. Третий участок
был заложен в северо-восточной части свалки на середине между границей полосы стока вод свалки и мелиоративным каналом, где сформировался средневозрастной кустарничково-сфагновый сосняк.
96
Фоновые пробные площадки, одна из которых находилась на удалении 2 км от восточной границы свалки
отходов, а другая удалена на 25 км от Архангельска,
предназначались для оценки аэрогенного загрязнения
почвенного и растительного покрова.
В случае загрязнения почвы растения накапливают в
своих тканях токсичные вещества, которые по трофическим цепям передаются человеку. Поэтому химический
анализ почвы, на которой произрастают виды растений
и плоды которых употребляются в пищу населением,
крайне необходим.
Отбор проб почвы для химического анализа проводился после описания морфологических признаков почв
каждого почвенного разреза в соответствии со стандартами [25, 26]. Образцы почв отбирали послойно (0—5,
5—20, 20—40, 40—80 см) из четырех почвенных разрезов (глубиной до 90—100 см) на каждом ключевом
участке. При тщательном перемешивании четырех образцов почвы, взятого из каждого слоя почвы, получали
смешанный образец.
При обустройстве постов мониторинга состояния
грунтовых вод дополнительно проводился отбор проб
грунтов с глубины 0,5, 1,5 и 2,5 м с последующим анализом на содержание микро- и макроэлементов.
Периодичность отбора проб для оценки состояния
почвенного и растительного покрова — один раз в год
(летний период, период максимальной вегетации и эпидемиологически опасный период).
Для оценки влияния свалки твердых бытовых отходов на почвенный покров прилегающей территории
были выбраны следующие группы показателей.
1. Показатель pHKCl (потенциометрический анализ).
2. Содержание неорганических и органических поллютантов: тяжелых металлов (рентгенофлуоресцентный
анализ/инверсионная
вольтамперометрия/атомно-абсорбционная спектроскопия), нефтепродуктов (ИКспектроскопия).
3. Микробиологические показатели: общее микробное число.
4. Паразитологические показатели: яйца гельминтов
и личинки гельминтов (жизнеспособные), цисты кишечных патогенных простейших.
В связи с тем, что работы по расчету кларков элементов в торфах не проводились, общепринято оценивать уровень накопления элементов в торфах путем
сравнения их с кларками в почвах, т.е. определяется
отношение содержания элемента в данном образце к
кларку в почве. Если торф рассматривать как геологическое образование, то логичнее сравнивать среднее содержание элементов в торфах с кларками элементов в
литосфере. Но поскольку торф имеет органогенное происхождение, то такой подход является не совсем корректным.
Основным критерием гигиенической оценки загрязнения почв химическими веществами является предельно допустимая концентрация или ориентировочно допустимая концентрация вещества в почве.
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2011, т. LV, № 1
Оценка уровня химического загрязнения почв проводится по показателям, разработанным по данным
сопряженных геохимических и геогигиенических исследований объектов окружающей среды. Такими показателями являются коэффициент концентрации химического
вещества Кс, выражаемый отношением фактического содержания определяемого вещества в почве Сi (в мг/кг почвы) к региональному фоновому содержанию Сфi:
Кс = Ci/Cфi
(1)
и суммарный показатель загрязнения Zс, равный сумме
коэффициентов концентраций химических элементовзагрязнителей:
Zc = ∑(Kci + … + Kcn) – (n – 1)
(2)
где n — число определяемых суммируемых веществ.
Анализ распределения геохимических показателей,
полученных в результате анализа проб почв, отобранных
на постах мониторинга их состояния, дает пространственную структуру загрязнения территорий и позволяет
выделить зоны риска для здоровья населения [27].
Суммарный показатель загрязнения, отражающий интенсивность загрязнения почв техногенными поллютантами, нормативно закреплен и получил значительное распространение в качестве интегрального показателя [28].
Поскольку в Архангельской области не установлены
фоновые концентрации тяжелых металлов в почве и
растительности, полученные нами данные о содержании
данных поллютантов сравнивались с кларками элементов, а валовое содержание нефтепродуктов – с их предельно допустимой концентрацией в почве.
Полученные данные позволяют присвоить торфу на
постах мониторинга состояния грунтовых вод, где во
время их организации были отобраны пробы торфа,
следующие категории загрязнения: «опасная» на постах
на территории свалки; «чрезвычайно опасная» (Zc > 128)
на посту, расположенному на восточной оконечности
свалки; «умеренно опасная» (16 < Zc < 32) на постах,
расположенных по периметру и на удалении 2,5 км,
соответственно; «допустимая» (Zc < 16) на остальных
постах мониторинга [29].
Наибольший вклад в загрязнение почвенного покрова вносят вещества 1 класса опасности (содержащие Hg,
As, Zn), 2 класса опасности (содержащие Cu, Co),
3 класса опасности (нефтепродукты).
Максимальная плотность загрязнения зафиксирована
непосредственно вблизи восточной границы и под основанием свалки отходов, что соответствует данным о
выносе поллютантов с фильтрационными водами свалки
в направлении движения грунтовых вод. Отмечается
снижение загрязнения торфяной почвы поллютантами с
глубиной на прилегающей территории.
По результатам корреляционного анализа проб почвы с постов мониторинга грунтовых вод были выделены
следующие ассоциации элементов в пределах исследуемой территории, подверженной влиянию свалки бытовых отходов в Архангельске: As-Zn-Pb (r > 0,9074) и СuNi-V (r > 0,6157), так как между содержанием их в тор-
фяно-болотной почве выявлены наиболее значимые
положительные связи.
Следует отметить, что Cu, Ni и V образуют умеренные положительные корреляционные связи c Fe (r >
0,3223); такая корреляция прослеживается независимо
от того, на какой глубине находятся в почве указанные
элементы. Содержание этих же элементов (Cu, Ni и V) в
почве на глубине, начиная с 1,5 м, показывает умеренную отрицательную (r > 0,3184) зависимость от содержания Co. На глубине 0,5 м такая зависимость положительная (r > 0,3640), что, вероятно, объясняется процессами конкурентной сорбции указанных элементов толщей торфяно-болотной почвы.
Исследования показали значительную неравномерность микрокомпонентного состава торфяной почвы по
площади распространения и по глубине.
Представляет интерес сравнение содержания загрязнителей на фоновых площадках мониторинга и площадках, выделенных в зоне влияния свалки отходов в Архангельске. Сравнимая и самая высокая концентрация
микроэлементов и нефтепродуктов обнаружена в почве
пробных площадок мониторинга состояния почвенного
покрова, болотной и лесной растительности, заложенных
по направлению движения грунтовых вод в непосредственной близости от свалки отходов. Этот факт подтверждают данные геологических изысканий о направлении
движения грунтовых вод и предположение о влиянии
фильтрационных вод свалки отходов на грунтовые воды и
почвенный покров прилегающей территории.
Микроэлементный состав почвы фоновых пробных
площадок отличается от такового для почвы площадей,
подверженных влиянию загрязненных фильтратом
грунтовых вод, и характеризуется пониженным содержанием всех исследованных микроэлементов.
По результатам корреляционного анализа проб почвы с постов мониторинга состояния почвы и растительности можно выделить следующую ассоциацию элементов в пределах исследуемой территории, подверженной
влиянию свалки отходов в Архангельске: Zn-Cu-Ni-V-Fe
(между содержанием данных микроэлементов в торфяно-болотной почве выявлены наиболее значимые положительные связи). Результаты корреляционного анализа
отражают данные, полученные при определении содержания исследуемых микроэлементов в пробах торфяной
почвы на постах мониторинга грунтовых вод.
Целесообразно также провести сравнение среднего
содержания некоторых микроэлементов (тяжелых металлов) в почве исследуемой территории и почве Архангельска по данным за 2007 год [30]. В среднем содержание Hg, Cd, Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Mn в торфяной
почве пробных площадок мониторинга соответственно
в 48, 580, 35, 56, 160, 93, 86, 71 раз выше, чем в целом
по Архангельску.
Для геохимической оценки элементного состава
торфов использовались следующие показатели [31]:
встречаемость элемента (количество образцов, в
которых элемент обнаружен, от общего количества
проанализированных образцов, %);
97
Н. С. Ларионов, К. Г. Боголицын, И.А. Кузнецова
геохимические ряды элементов, ранжированные по
пробным площадкам (ПП) мониторинга почвенного
Показатели накопления микроэлементов
покрова, расположенным на трех ключевых участках:
в торфах исследуемой территории
участке, прилегающем к юго-восточной части свалки,
О б о з н а ч е н и я : n — число анализированных проб,
В — встречаемость элемента, ККср — отношение элемента в где возможно влияние на состояние растительности не
данном образце к кларку элемента, ВК — встречаемость выше- только самой свалки, но и обитающих на ней птиц
(П1), участке, выделенном в середине полосы стоков
кларковых концентраций
вод свалки в направлении поверхностного водотока
n
Элемент
В, %
ККср
ВК, %
(П2), и участке, заложенном в северо-восточной части
свалки на середине между границей полосы стока вод
Hg
48
69
24,07
65
свалки и мелиоративным каналом (П3), а также фоноCd
32
50
1,16
13
вых пробных площадках, заложенных на удалении
Pb
64
63
2,48
53
2 км от восточной границы свалки отходов, а также на
Zn
64
100
2,33
98
удалении 25 км от Архангельска (ПП 4к и ПП 5к):
Таблица 1
Cu
64
94
2,00
94
Ni
64
97
0,93
36
Co
64
84
1,62
84
V
64
52
0,40
22
Sr
64
98
0,31
0
Mn
64
97
0,21
0
Fe
64
73
0,18
0
Нефтепродукты
48
100
—
—
ПП 1: Hg19,92 > Cd5,20 > Pb3,06 > Zn2,85 > Cu2,12 > Co1,86 >
Ni1,02 > V0,60 > Sr0,25 > Mn0,18 > Fe0,16
ПП 2: Hg43,25 > Zn3,23 > Pb2,49 > Cu2,10 > Co1,48 > Ni0,97 >
Sr0,52 > V0,45 > Mn0,30 > Cd0,28 > Fe0,19
ПП 3: Hg37,42 > Pb3,99 > Cu2,47 > Zn2,31 > Co1,94 > Ni1,21 >
V0,56 > Sr0,32 > Cd0,27 > Fe0,20 > Mn0,19
ПП 4к: Hg4,92 > Cu1,97 > Zn1,81 > Pb1,44 > Co1,37 > Ni0,87 >
V0,35 > Sr0,23 > Fe0,19 > Mn0,17 > Cd0,09
Таблица 2
Классификация элементов по степени их концентрирования
в верховом торфе исследуемой территории
ПП 5к: Hg14,83 > Zn, Pb,Co1,45 > Cu1,32 > Ni0,57 > Sr0,22 >
Mn0,19 > Fe0,16 > V0,03 > Cd0,00
Ранжирование рассчитанных значений коэффициентов
суммарных показателей концентрации Zc позвоНакопление в торфе элементов
Встречаемость
ляет
отнести
почвенный покров с двух фоновых пробэлементов (В)
энергичное сильное
слабое
ных площадей ПП 4к и ПП 5к к категории загрязнения
в верховом торфе
(ККср. > 0,3) (0,3 > ККср (КК < 0,1)
ср
«допустимая» (Zc < 16) [29], почву с пробной площади
> 0,1)
ПП1 — к категории «умеренно опасная» (32 > Zc > 16),
Zn, Cu, Ni,
Mn
—
В > 75%
почву с пробных площадей ПП2 и ПП3 — к категории
Co, Sr
Широко распростра«опасная» (128 > Zc > 32).
ненные элементы
Как и в случае оценки загрязнения почвы на постах
мониторинга грунтовых вод, мониторинг на пробных
Hg, Cd, Pb,
Fe
—
75% > В > 50%
V
Элементы средней
площадках почвы показал, что наибольший вклад в
степени распростразагрязнение почвенного покрова вносят вещества 1
ненности
класса опасности (Hg, Pb, Zn), 2 класса опасности (Cu,
Co),
3 класса опасности (нефтепродукты).
—
—
—
В < 50%
Микробиологические
и паразитологические исслеМалораспространенные
дования
торфяно-болотной
почвы Архангельской обэлементы
ласти выполнялись совместно с ФГУЗ «Центр гигиены
и эпидемиологии». Почва, пробы которой отобраны на
постах мониторинга грунтовых вод, по паразитологикларк концентрации элемента (отношение содержания
ческим показателям можно оценить как «чистая» в соэлемента в данном образце к кларку элемента в почве);
ответствии с требованиями [29], а почва в точке пробовстречаемость вышекларковых концентраций (колиотбора, расположенной на периферии свалки, — как
чества образцов с вышекларковым содержанием от
«умеренно опасная».
общего количества образцов, %).
Микроэлементы по их содержанию в торфяных почРезультаты расчета представлены в табл. 1. На основах на территории, прилегающей к свалке отходов, расве этих показателей (встречаемости элемента, кларкополагаются в порядке:
вых концентраций и вышекларковых содержаний) полуFe > Mn > Zn > Sr > Cu, V, Ni > Pb > Co > Hg, Cd
чена оценка содержания элементов в верховых торфах
исследованной территории (табл. 2).
Самое активное участие в процессах миграции и
Рассчитаные кларки элементов в торфяных почвах
трансформации химических соединений принимает
исследованной территории позволяют построить биорастительность. Интенсивность биогенной миграции
98
Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2011, т. LV, № 1
определяется химическим составом растений. Изучение
элементного состава растений необходимо для более
полной характеристики распределения химических элементов в природных и антропогенных ландшафтах,
поскольку растения являются важнейшим звеном биологического круговорота веществ.
Основную массу наземных растений (до 90—95%
сухого вещества) составляют углерод, кислород и водород, которые усваиваются из воздуха и воды. На оставшуюся долю (5—10%) растительного вещества приходятся
прочие элементы (в том числе и микроэлементы), поступающие из почвы. Химические элементы в растительных
организмах распределены неравномерно. Например, самые
высокие концентрации микроэлементов свойственны листьям и хвое, а в травянистой растительности они распределены более или менее равномерно [32].
Для характеристики избирательного поглощения
химических элементов растениями Б.Б. Полынов [33]
ввел величину, названную коэффициентом биологического поглощения Кб, который представляет собой отношение количества элемента в биомассе растений к его
содержанию в почве.
Так как растения обладают избирательной поглотительной способностью, в них наблюдается несколько
иное содержание элементов, чем в почвах. Распределение микроэлементов в тканях растений, произрастающих на площадках мониторинга почвенного покрова,
болотной и лесной растительности можно представить в
виде ряда:
Fe > Mn > Zn > Sr > Cu,Ni > Pb > Co
Величины коэффициента биологического поглощения показывают сильную дифференциацию элементов в
процессе их вовлечения в биологическую миграцию.
При этом интенсивность биологического поглощения
элементов мало зависит от их валового содержания в
почве, поскольку некоторые микроэлементы слабо вовлекаются в биологические процессы, а в почвах могут
преобладать формы, труднодоступные для растений.
Необходимо также учитывать наличие аэрогенного
поступления элементов в растения, особенно в их надземную часть. Следует отметить, что микроэлементный
состав болотной и лесной растительности в целом отражает таковой в почвенном покрове.
Заключение
В результате натурных и лабораторных исследований установлена высокая буферная способность торфа и
показана его экологическая роль как природного барьера, препятствующего распространению поллютантов,
источником поступления которых является свалка твердых бытовых отходов г. Архангельска, с грунтовыми
водами. Однако в таком случае сам торф постепенно
становится все более загрязненным и в какой-то момент
может произойти разрушение органического вещества
торфа с выбросом поллютантов в почвенный раствор.
Проведенные исследования явно показывают необходимость проведения инженерно-технических меро-
приятий по предотвращению негативного воздействия
свалки твердых бытовых отходов г. Архангельска на
компоненты окружающей природной среды.
***
Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры
инновационной России» на 2009—2013 годы (ГК
№ 16.740.11.0159).
ЛИТЕРАТУРА
1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской
Федерации в 2006 году. Государственный доклад. Под ред.
Ю.П. Трутнева, А.А. Темкина. М.: АНО «Центр международных проектов», 2007, 500 с.
2. Боголицын К.Г., Ларионов Н.С., Богданов М.В., Федина Ж.Т.
Экология и промышленность России, 2007, январь, с. 38.
3. Игнатович Н.И., Рыбальский Н.Г. Экологический вестник
России, 1998, № 1, с. 23—25; № 2, с. 24—26; № 3, с. 13.
4. РД 03-417-01. Методические рекомендации по составлению проекта мониторинга безопасности гидротехнических
сооружений на поднадзорных Госгортехнадзору России
производствах, объектах и в организациях. М.: Госстандарт
РФ, 1995, 12 с.
5. ГОСТ Р 22.1.08-99. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование опасных гидрологических явлений и процессов. Общие требования. Введ. 2000–
01–01. М.: ИПК Изд-во Стандартов, 1999, 8 с.
6. ГОСТ Р 22.1.07-99. Мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических явлений и процессов. Общие требования. Введ. 2000–01–01. М.: ИПК Изд-во Стандартов,
1999, 9 с.
7. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для
строительства. Введ. 1997–08–15. М.: Госстрой России,
1997, 44 с.
8. СП 2.1.7.1038-01. Гигиенические требования к устройству
и содержанию полигонов для твердых бытовых отходов.
Введ. 2001–08–24. М.: Изд-во Стандартов, 2001, 8 с.
9. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов. Утв. Минстроем России 02.11.1996, согл. с Госкомсанэпиднадзором
России 10.06.96 № 01-8/1711. М., 1996, 40 с.
10. ГОСТ Р 51592-2000. Вода: общие требования к отбору
проб. Введ. 2001–07–01. М.: ИПК Изд-во Стандартов, 2000,
31 с.
11. ISO 5667-11:1993. Качество воды. Отбор проб. Ч. 11. Руководство по отбору проб грунтовых вод.
12. Алекин О.А. Основы гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат,
1970, 443 с.
13. Ruel M., Chornet S., Coupal B., Aitcin P., Cossette M. In:
Muskeg and the Northern Environment. Ed. N. Radford, 1973,
p. 221—246.
14. Rock C.A., Greer T.F., Fiola J.W., Woodard F.E. J. New Eng.
Water Poll. Cont. Assoc., 1985, v. 19, p. 32.
15. Перминова И.В. Дисс. … докт. хим. наук. М., 2000, 359 с.
16. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране
поверхностных вод. Утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 22.06.2000. Введ.
2001–01–01. М.: Минздрав России, 2000, 11 с.
99
Н. С. Ларионов, К. Г. Боголицын, И.А. Кузнецова
17. СанПиН 3.2.1333-03. Профилактика паразитарных болезней
на территории Российской Федерации. Утв. Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 30
мая 2003 г. № 105. Введ. 2003–06–30. М.: Госсанэпиднадзор, 35 с.
18. Будников Г.К. Соросовский образовательный журнал, 1998,
№5, с. 23—29.
19. Алексеева А.С. Дисс. … канд. биол. наук. М., 2002, 125 с.
20. Frostman T.M. Water Management, 1996, January/February,
p. 14—16.
21. Методика организации и проведения работ по мониторингу
лесов СССР (в рамках Международной совместной программы по оценке и мониторингу воздействий загрязнения
воздуха на леса в регионе Европейской Экономической Комиссии ООН). Пушкино, 1987, 45 с.
22. Методика организации и проведения работ по мониторингу
лесов европейской части России по программе ICP Forest
(методика ЕЭК ООН). М., 1995.
23. Руководство по методам и критериям согласованного
отбора проб, оценки, мониторинга и анализа влияния загрязнения воздуха на леса. Франкфурт, 1994.
24. Яшин И.М., Шишов Л.Л., Раскатов В.А. Почвенно-экологические исследования в ландшафтах. М.: Изд-во МСХА,
2000, 557 с.
25. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Введ. 1984–07–01. М.: Изд-во Стандартов, 1984, 4 с.
100
26. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы
отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Введ. 1986–01–01.
М.: Изд-во Стандартов, 1984, 12 с.
27. МУ 2.1.7.730-99. Федеральные санитарные правила, нормы
и гигиенические нормативы. Гигиенические требования к
качеству почвы населенных мест. Введ. 1999–04–05. М.:
Минздрав России, 1999, 39 с.
28. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Почвоведение,
2004, № 10, с. 1264—1267.
29. СанПиН 2.1.7.1287-03. Почва, очистка населенных мест,
бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы.
Утв. Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 16 апреля 2003 г. Введ. 2003–06–15.
М.: Минздрав России, 2003, 10 с.
30. Состояние и охрана окружающей среды Архангельской
области в 2007 году. Отв. ред. Л.Г. Долгощелова. Архангельск: Изд-во ООО «Издательский центр СГМУ», 2008,
308 с.
31. Крештапова В.Н. Методические рекомендации по оценке
содержания микроэлементов в торфяных месторождениях
Европейской части РСФСР. М.: Изд-во Мингео СССР,
1974, 200 с.
32. Протасова Н.А., Беляев Б.А. Соросовский образовательный
журнал, 2001, том 7, № 3, с. 25—32.
33. Полынов Б.Б. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР,
1956, 751 с.