ОЦЕНКА АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ДРУГИХ

ОЦЕНКА АТМОСФЕРНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И
ДРУГИХ ТОКСИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В Г. ЕКАТЕРИНБУРГ НА ОСНОВЕ
МЕТОДА МХОВ-БИОИНДИКАТОРОВ, НЕЙТРОННОГО
АКТИВАЦИОННОГО АНАЛИЗА И ГИС ТЕХНОЛОГИЙ
А.А.Пешкова1, Н.С.Юшин, 1,2, И.З. Каманина1, М.В. Фронтасьева2
1
Кафедра экологии и природопользования, Международный университет
природы, общества и человека «Дубна», Дубна, Россия
2
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия
ATMOSPHERIC DEPOSITION OF HEAVY METALS AND OTHER TOXIC ELEMENTS IN
YEKATERINBURG – ASSESSMENT BASED ON MOSS BIOMONITORING, NEUTRON
ACTIVATION ANALYSIS AND GIS TECHNOLOGIES
А.A. Peshkova, N.S. Yushin, I.Z. Kamanina, M.V. Frontasyeva
1
Department of Ecology and Earth Sciences, International University of Nature, Society and Man
"Dubna", Dubna, Russia
2
Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
Введение
Промышленность Екатеринбурга в настоящее время представлена
главным образом машиностроением и приборостроением, металлургией,
производством строительных материалов, химической отраслью. Их усиленное
развитие привело к загрязнению атмосферного воздуха, водных объектов, почв.
Для изучения атмосферных выпадений тяжелых металлов и других токсичных
элементов был использован метод мхов-биомониторов, морфологические и
физиологические свойства которых наряду с широким распространением,
делают их полезными биоиндикаторами для оценки состояния окружающей
среды [1]. Этот метод положен в основу Международной Кооперативной
Программы мониторинга и оценки воздействия загрязнителей воздуха на
растительность [2] в рамках Конвенции ООН о трансграничном загрязнении
воздуха на большие расстояния Европейской экономической комиссии ООН.
Пробоотбор и пробоподготовка
Образцы мха Pleurozium schreberi были отобраны летом 2011 года в 17
точках пробоотбора (см. рис.1), расположенных вблизи транспортных
магистралей (точки 2, 3, 8, 13, 15 16), в ближайших поселках (4, 5, 6, 9, 10, 11,
12), лесопарках (1, 7, 14, 17) в соответствии с Инструкцией Программы ООН
[2]. Определение элементного состава образцов мха осуществлялось с
помощью инструментального нейтронного активационного анализа (ИНАА).
Процедура проведения ИНАА на реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ приведена в [3].
Анализ
В результате
обработки
гамма-спектров,
наведенной
активности и расчета концентраций
элементов с помощью пакета
программ [4] были определены
концентраций
30
химических
элементов. Среди них металлы (Na,
Mg, Al, K, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
Zn, Rb, Sr, Mo, Sb, Cs, Ba, Hf, W,
Au), галогены (Cl, Br), аниогенные
элементы (As, Se), лантаниды (La,
Sm, Tb) и актиниды (U, Th).
Погрешность
определения
концентрации для большинства
элементов лежит в пределах 10–15%.
Рис.1. Карта отбора проб
Контроль качества осуществлялся с помощью международных
стандартов и эталонов.
По результатам анализа мхов-биоиндикаторов были построены карты
распределения следовых элементов по изучаемой территории с помощью
геоинформационной системы Golden Software Surfer, с использованием метода
радиальных базисных функций (Radial Basis Functions). Интервалы для
построения карт были выбраны с помощью метода описательной статистики,
выполненного в программе Microsoft Excel. Результаты визуализации
соответствуют территориальному кластерному анализу.
В качестве примеров атмосферных выпадений тяжелых металлов,
относящихся к наиболее токсичным элементам, приведены данные по
некоторым из них.
Рис.2. Карты распределения значений
концентрации цинка, мг/кг
Рис.3 Карты распределения
концентрации никеля, мг/кг
значений
Наибольшие значение концентрации цинка наблюдаются вблизи
Нижнеисетского пруда в точках 10, 12 и к юго-востоку от оз. Исетское в точке
17 (рис.2). Значения концентраций цинка во мхах варьируют от 42,4 до 119
мг/кг. Минимальные значения наблюдаются за пределами городской черты.
Точка пробоотбора 17 находится в непосредственной близости к центральной
части города, где сконцентрировано множество промышленных объектов.
Высокаи концентрации цинка связаны с предприятиями машиностроительного
и металлургического комплекса. Кроме того близко точке17 проходит железная
дорога. Точки 10 и 12 располагаются в зоне влияния металлургических
предприятий пос. Верхняя Пышма, также возможен перенос поллютантов из
центра, в связи с преобладающими восточными и юго-восточными ветрами.
Максимальные значения концентрации никеля (рис.3) наблюдаются на
востоке региона вблизи оз. Шарташ (точки 1,7), в точках 2, 3 вдоль ЕКАД
(Екатеринбургская кольцевая автомобильная дорога), а также в точке 4 в
окрестностях села Шиловка (17,9 мг/кг). Концентрация никеля во мхах
снижается к западу. Минимальная концентрация наблюдаются вблизи оз.
Исетское и к западу от Верх-Исетского пруда за пределами ЕКАД, составляет
2,05 мг/кг. Среднее значение концентрации никеля 10,29 мг/кг. Точки
пробоотбора 1, 7 находятся в непосредственной близости к центральной части
города. Высокая концентрация никеля связана с машиностроительными
заводами и предприятиями цветной металлургии.
Для ранжирования данных по результатам анализа было проведено
сравнение с данными по Южному Уралу, Тульской области, Москве.
Рис.4.Сравнение атмосферного загрязнения промышленных регионов России
цинком, никелем (мг/кг).1-Екатеринбург, 2-Южный Урал[5], 3-Тульская
область[6], 4-Москва[7]
В г.Екатеринбург выявлены повышенные значения концентрации для
хрома, железа, мышьяка, никеля, цинка относительно других регионов. На
Рис.4 приведен пример диаграмм сравнения атмосферного загрязнения
промышленных регионов цинком и никелем. В Екатеринбурге концентрации
цинка выше, относительно Южного Урала, Тульской области, но ниже, чем в г.
Москва. По концентрации никеля Екатеринбург имеет самые высокие значения
относительно других регионов.
Сравнение результатов с данными промышленных центров РФ, показало,
что г.Екатеринбург, насыщенный промышленным предприятиями, испытывает
сильный экологический стресс.
Заключение
Данное
исследование
продемонстрировало
эффективность
биомониторинга с помощью мхов для характеристики и районирования
точечных выбросов загрязняющих веществ в условиях городской экосистемы.
Продолженное в большем масштабе, оно может служить для целей
мониторинга атмосферного загрязнения на Южном Урале.
Авторы благодарят Екатерину Тюжину, ученицу Гимназии № 8 г.
Екатеринбурга, за проведенный отбор образцов мхов-биоиндикаторов.
Литература
1. Абрамова Л.И. и др. Биоиндикация: состояние и перспективы. Сенсор №3,
2005.
2. UNECE ICP Vegetation http://icpvegetation.ceh.ac.uk/
3. Фронтасьева М.В. Нейтронный активационный анализ в науках о жизни.
Обзор. «Физика элементарных частиц и атомного ядра», 2011, Том. 42, № 2,
с. 636-716.
4. Дмитриев А.Ю., Павлов C.C. Автоматизация количественного определения
содержания элементов в образцах методом нейтронного активационного
анализа на реакторе ИБР-2 в ЛНФ ОИЯИ. Письма в ЭЧАЯ. Том 10, №
1(178), 2013, с. 58-64.
5. Смирнов Л.И., Фронтасьева М.В., Стейннес Э.. Многомерный
статистический анализ концентраций тяжелых металлов и радионклидов во
мхах и почве Южного Урала. «Атомная энергия», 2004, Том 97, Вып. 1, с.
68-74.
6. Ермакова Е.В., Фронтасьева М.В., Стейннес Э. Изучение атмосферных
выпадений тяжелых металлов и других элементов на территории Тульской
области с помощью метода мхов-биомониторов. Экологическая химия,
ТЕЗА,Санкт-Петербург, том 13, вып. 3, 2004, с. 167-180.
7. Н.С. Юшин, К.Н. Вергель, И.З. Каманина, М.В. Фронтасьева. Мониторинг
атмосферных выпадений следовых элементов на территории района
Очаково-Матвеевское г. Москвы на основе анализа мхов-биоиндикаторов
методом нейтронного активационного анализа. Proceeding of The IV
International Environmenatl Congress, VI International Scientific-Technical
Conference “Ecology and Life Protection of Industrial-Transport Complexes.
Togliatti-Samara, Russia, 18-22 September, 2013. С. 25-255.