Scientific journal

Scientific Review. Biological science

ISSN 2500-3399

ПИ №ФС77-57454

В условиях техногенной насыщенности тяжелыми металлами почв остается актуальным вопрос разгрузки земель агроландшафта от нарастающего загрязнения, для дальнейшего экологически безопасного и рационального их использования. Успешное решение этого вопроса зависит от грамотного подхода к изучению источника загрязнения, а также рассмотрения закономерностей их распространения в ландшафтах участка.

Занимая второе место по степени опасности, тяжелые металлы уступают лишь пестицидам, оставляя далеко позади такие загрязнители, как широко распространенные двуокись серы и углерода. Имеется перспектива обогнать опасные твердые отходы и еще более опасные отходы атомных электростанций. Частое использование тяжелых элементов в промышленном производстве – причина широкого распространения загрязнения ими [1].

Чуть более чем 40 элементов с атомной массой 50 и выше атомных единиц: Cr, V, Cu, Mn, Co, Zn, Ni, Fe, Hg, Sn, Mo, Pb, Cd, Bi и др. – являлись основной целью исследования – экологического мониторинга и изучения загрязнения окружающей среды. Металлы с плотностью 5 г/см3 и более являются тяжелыми (классификация Н. Реймерса) [2]. К категорированию тяжелых металлов относят их токсичность в низких концентратах для живых организмов, способность к биологической аккумуляции и магнификации. По опасности нежелательной концентрации тяжелые металлы, металлоиды подразделяют на 3 класса: высоко опасные элементы – Cd, As, Se, Hg, F, Pb, Zn; умеренно опасные элементы – Co, B, Mo, Ni, Cr, Sb, Cu; мало опасные элементы – V, Ba, W, Mn, Sr [3].

Прогрессирующая урбанизация и, как следствие, огромное количество бытовых отходов и их утилизация – главная причина экологических проблем и загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день вокруг всех крупных городов имеются полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), где хранятся и частично утилизируются ТБО. Анализ последних лет показал, что в Узбекистане образуется более 100 млн т промышленных отходов, на долю бытового мусора приходится около 35 млн т в год. Согласно открытым данным, на площадях в 12 тыс. га отстаивается 2 млн т промышленных, бытовых, а также строительных отходов [4].

Процесс хранения и утилизация (в основном сжигание) могут влиять на изменение структуры и свойств почвенного покрова, динамику плодородия и агроэкологическое состояние почв. Одним из негативных воздействий полигонов ТБО на почвенный покров может быть их загрязнение тяжелыми металлами, так как среди бытовых отходов также могут оказаться предметы, содержащие металлические части. В процессе хранения, утилизации они могут попасть в почвенный покров. Например, И.Н. Бузиновой установлено, что в Харьковской области на территории близ полигона ТБО содержание тяжелых металлов подвижных форм в почвах превышает ПДК в 5 раз, это создает критическую экологическую ситуацию, также установлены условия распространения тяжелых металлов в ландшафтах участка [5].

Так же как в зоне Балаковского полигона, для почв в местах захоронения отходов опасно загрязнение такими тяжелыми элементами, как Zn, Cu и Ni, где они образуют большие площадные аномалии. Пики высоких концентраций тяжелых элементов группируются у северо-восточных, а также юго-западных границ полигона. Также идет распространение в почвы частных садоводческих участков. Отдельные территории почв загрязнены опасными формами Zn и Cu. Причинами такого распространения загрязнения являлись, во-первых, пологий характер территории, позволяющий местным ветрам переносить аэрозольные выбросы тяжелых металлов с полигона; во-вторых, глинистый и суглинистый состав почв, активно сорбирующих Cu, Ni и Zn [6, 7].

Изучив состояние окружающей среды и природоохранные рекомендации в районе расположения полигонов ТБО Воронежской области Т.В. Ащихмина установила загрязнение почв и подземных вод с тяжелыми металлами и другими токсичными компонентами и разработала рекомендации по минимизации негативных последствий воздействия полигонов ТБО на окружающую среду [8]. Также изучением загрязнения почв и подземных вод вокруг полигонов ТБО занимались Ю.Н. Водяницкий, Д.В. Ладонин, А.Т. Савичев, Г.К. Лобачева, Н.В. Колодницковая и др. [9–10].

Мониторинг окружающей среды в Узбекистане закреплен Постановлением Кабинета Министров № 273 от 23.08.2016 г. Об утверждении программы мониторинга окружающей природной среды в Республике Узбекистан на 2016–2020 гг., где приведены главные механизмы и мероприятия реализации мониторинга окружающей среды. Сформирован перечень основных природных и техногенных источников загрязнения окружающей среды, разработаны современные методики выполнения измерений, проработана материально-техническая база экологически-аналитических лабораторий [11].

В последние годы изучением влияния промышленных предприятий и прилегающих зон на окружающую среду, а также формами тяжелых металлов в почвах и их влиянием на микроорганизмы почвенного покрова Ахангаранского района занимался Н.Э. Шукуров [12–13]. Изучая концентрации тяжелых металлов в почвах, Шукуров установил, что содержание тяжелых металлов всегда увеличивается с приближением к очагу загрязнения (Ангренская ТЭС, горнопромышленные предприятия АГМК) и уменьшается по мере удаления от него [12]. Валовые содержания тяжелых металлов в почвенных пробах распределяются по ряду Zn > Cu > Pb > Cr > Ni в Альмалыке и Zn > Pb > Cu > Ni > Cr в Ангрене. Также в верхних слоях почвенного покрова отмечаются более высокие содержания тяжелых металлов, чем в нижних слоях.

Формы нахождения техногенных элементов-токсикантов в почвах, отобранных вблизи предприятий АГМК и Ангренской ТЭС, представлены весьма сложными составами первичных и вторичных рудных минералов, различных шаровидных техногенных новообразований. В пробах Алмалыка встречаются шарики, состоящие из чистой меди и цинка, большинство из них – это смеси металлов и их окислов. В некоторых почвенных пробах, отобранных на территории цинкового завода, наблюдаются явные сфероидальные (шаровые) структуры. В периферийных слоях большинства этих шариков содержатся послойно ( %): Pb – до 61,03, Zn – до 73,49, Cu – до 55,72, S – до 26,73 и др. В их ядрах обнаружены дендриты, срастающие в большом количестве железо (до 58 %), а в других зернах наблюдается срастание железа с медью. Тяжелые фракции Ангренских почв состоят в основном из различных шариков, состоящих из окислов железа [12].

Загрязнение почв тяжелыми металлами негативно влияет на мир микроорганизмов почвенного покрова Ангрен-Алмалыкского промышленного района (Ахангаран). На основе изучения содержания тяжелых металлов и микроорганизмов установлено, что в сильно загрязненных тяжелыми металлами почвах количество микроорганизмов значительно ниже, чем в незагрязненных или мало загрязненных почвах. Различные показатели экосистемы микроорганизмов (общие количества нематод, базальное дыхание, микробная биомасса C, N, микробный коэффициент) увеличиваются по удалении от источников загрязнения почв тяжелыми металлами [13].

Попадание техногенных бытовых отходов в плодородные земли оказывает сильное влияние на активность бактерий, микроорганизмов, а также питательные вещества (калий, фосфор, азот), это показали результаты последних исследований [14]. Идет распространение подвижного калия, фосфора и гумуса в почвах прилегающих зон полигона ТБО г. Ташкента. В накопившейся с годами искуственной биомассе стремительно повышается количество гумуса и углерода. Подвижный калий и фосфор увеличились при переваривании отдельных бытовых отходов (преимущественно пищевых), а также накопленных биомасс. В зональном удалении от полигонов бытовых отходов установлена тенденция к увеличению содержания подвижного фосфора и калия [15].

Район работ

Полигон твердых бытовых отходов г. Ташкента расположен в Ахангаранском районе Ташкентской области. Район исследования представляет собой предгорные возвышенности, равнины, адыры и долины рек. Для континентального климата района характерны сухое и жаркое лето, холодная зиму. Характерна среднегодовая температура в +15,0 °C, со средними температурами -3,0 °C в январе, и +26,0 °C в июле. Абсолютный минимум -28 °C, максимум +50 °C. 220–280 мм – среднее количество осадков, выпадающих в год, основная их часть приходится на осень и весну. Вегетационный период длится 180 дней. Лугово-сероземные и сероземные почвы – основной характерный покров адыров.

Земля вокруг полигона ТБО города Ташкента в Ахангаранском районе орошается и используется в сельском хозяйстве для выращивания овощей. Отбор образцов производился в координатах:

41 °05'32.5"N / 69 °28'48.8"E; 41 °05'31.9"N / 69 °28'48.0"E; 41 °05'26.7"N / 69 °28'45.8"E; 41 °05'20.7"N / 69 °28'45.4"E; 41 °05'19.0"N / 69 °28'31.8"E; 41 °05'32,5"N / 69 °28'48,8"E; 41 °05'32,5"N / 69 °28'48,8"E; 41 °08'15.0"N / 69 °26'35.0"E; 41 °10'13.6"N / 69 °24'49.0"E [14].

Материалы и методы исследования

Для изучения степени загрязнения почв тяжелыми металлами пробы отбирали из слоев почвы 0–15 см и на различных расстояниях: 0; 0,2; 0,4; 0,6; 1,2; 3; 6 и 10 км от полигона. Также для изучения распределения тяжелых металлов по вертикали были отобраны почвенные пробы по разрезам глубиной до 2 м. После высушивания при комнатной температуре отобранные пробы были истерты до аналитического размера 0,045 мм. Определение содержания тяжелых металлов осуществлялось методом оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС). Полученные данные были сопоставлены с предельными допустимыми концентрациями (ПДК) и кларковыми содержаниями элементов в земной коре для определения степени загрязнения почв тяжелыми металлами. Также были сопоставлены содержания тяжелых металлов в почвах, отобранных в прилагающих территориях полигона ТБО и на удалении (6–10 км).

Результаты исследования и их обсуждение

Зола ТБО (проба 0 м), отобранная на территории полигона ТБО, содержит повышенные содержания Zn (1610 г/т), Pb (26,7 г/т), Cu (306 г/т), Cr (91,0 г/т) Se (9,08 г/т), из тяжелых металлов и металлоидов и S (12600), которая обычно образует различные (сульфиды, сульфаты) соединения с металлами и металлоидами (табл. 1). Поведение мышьяка As (8,78 г/т) и ванадия V (45,3 г/т) несколько отличается из остальных загрязнителей по удалению от источника загрязнения. Содержание их почти не меняется по удалению от ТБО. Это можно объяснить фоновым содержанием. По сравнению с содержаниями ПДК установлено высокое содержание мышьяка, которое в 3,6–7,2 раза выше нормы. Также превышают ПДК медь, сера во всех проанализированных пробах. Содержание цинка превышает в 165 раз ПДК в золах ТБО. В почвенных пробах содержание цинка близко к ПДК (67,3–100) или незначительно превышает его рядом с полигоном ТБО (105 г/т). Результаты работ показали, что остальные элементы в почве не превышают значений ПДК (табл. 1).

По сравнению с кларковыми содержаниями элементов в земной коре (Виноградов, 1962) отмечаются высокие кларк концентрации мышьяка, висмута, молибдена, селена, олова, меди. Например, кларк концентрации мышьяка выше в 4,2–8,7 раз, висмута в 157,7–222,2 раза, меди в 1,68–6,5 раз, молибдена 5,47–13,45 раз. Остальные тяжелые металлы характеризуются близкларковыми содержаниями.

Отмечается тенденция снижения содержаний цинка, свинца, хрома, меди, олова на удалении от полигона ТБО (рис. 1). Если в составе золы ТБО цинк составляет 1610 г/т, то в почвенных пробах, отобранных в 10 км от полигона ТБО, содержание цинка снижается до 67,3 г/т. Содержание хрома в почвенных покровах вблизи полигона ТБО (0–600 м) составляет 51,3–91 г/т, на удалении (1200–10000 м) снижается до 43,8 г/т.

При анализе распределения элементов по вертикальному разрезу почв установлено, что содержания кобальта, хрома, железа, марганца, молибдена, свинца, ванадия, иттрия и цинка в верхних слоях почвенного покрова (0–70 см) выше, чем в нижних горизонтах (70–200 см, рис. 2). Такое распределение этих металлов можно объяснить ареальными выбросами вредных веществ, образованных при сжигании ТБО, а также их хранением в открытом состоянии. То есть результаты показали, что зола, образованная при сжигания ТБО, содержит значительное количество тяжелых металлов и металлоидов, таких как цинк, свинец, хром, мышьяк, медь, молибден и др. Под воздействием естественных процессов, таких как ветер, осадки, они могут попасть в почвенный покров. Для остальных элементов не отмечаются четкие закономерности распределения элементов по вертикальному разрезу (табл. 2).

Заключение

Результаты проведенного исследования показали, что почвенный покров, прилегающий к территории полигона ТБО, загрязнён тяжёлыми металлами. Высокие концентрации тяжелых металлов и металлоидов в почвах характерны для мышьяка, цинка, меди, молибдена, селена, висмута и др. Сильно превышают ПДК медь, мышьяк, сера, в незначительном количестве цинк. Отмечается тенденция снижения содержаний цинка, свинца, хрома, меди, олова по мере удаления от полигона ТБО. По вертикальному разрезу почв содержание кобальта, хрома, железа, марганца, молибдена, свинца, ванадия, иттрия и цинка в верхних слоях почвенного покрова выше, чем в нижних горизонтах. Такое распределение этих металлов можно объяснить ареальными выбросами вредных веществ, образованных при сжигании ТБО, а также их сохранением в открытом состоянии.

Установленный нами характер распределения тяжелых металлов в почвенных покровах похож на результаты Н.Э. Шукурова, который в своих исследованиях доказал, что источниками загрязнения почв тяжелыми металлами в Ангрен-Алмалыкском горнопромышленном районе являются горнодобывающие предприятия АГМК и Ангренской ТЭС. Изучая концентрации тяжелых металлов в почвах, Шукуров установил (2006), что содержание тяжелых металлов всегда увеличивается с приближением к очагу загрязнения (Ангренская ТЭС, горнопромышленные предприятия АГМК) и уменьшается по мере удаления от него.

Полученные результаты показывают, что полигон твердых бытовых отходов является источником загрязнения почв тяжелыми металлами. Нужно отметить, что почвенный покров прилегающих к полигону ТБО территорий в меньшей степени загрязнен тяжелыми металлами. Но несоблюдение мер при утилизации ТБО может привести к более интенсивному загрязнению почв тяжелыми металлами. Загрязнение почв негативно влияет на микроорганизмы почв, растительный мир, через них на здоровье человека, так как земля вокруг полигона ТБО г. Ташкента в Ахангаранском районе орошается и используется в сельском хозяйстве для выращивания овощей.