ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОВИНЦИЯХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ В БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОВИНЦИЯХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
Аннотация
В рамках исследования была проведена оценка загрязнения почвы тяжелыми металлами: Al, As, Cd, Pb, Sr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Cr и Zn. Обычно используемые методы оценки загрязнения почвы тяжелыми металлами на местном и международном уровнях можно условно разделить на индексные и модельные методы. Нами были рассчитаны индекс геоаккумуляции (Igeo) и коэффициент накопления (EF) и сравнено содержание тяжелых металлов в почвах биогеохимических провинций Республики Татарстан с определением происхождения загрязнения. Наибольшие значения Igeo обнаружены в биогеохимических провинциях Республики Татарстан для As, Mo, Co и Cd. Исходя из выявленных высоких значений Igeo и EF, такие тяжелые металлы как As, Mo, Co и Cd являются продуктами антропогенного загрязнения.
1. Введение
Тяжелые металлы (ТМ) естественным образом присутствуют в окружающей среде, куда попадают из различных источников антропогенного и природного происхождения. Отслеживание источников загрязнения в загрязненных ТМ почвах, изучение адсорбционной способности и распределения ТМ, а также оценка фитопоглощения ТМ и их экотоксичности – это одни из немногих направлений исследований для обобщенного понимания степени загрязнения ТМ почвенно-растительных систем . Понимание механизмов взаимодействия между ТМ и почвой является ключом к эффективному контролю и устранению загрязнения ТМ, так как именно в почве происходит мобилизация ТМ с образованием различных подвижных форм . В Республике Татарстан зафиксировано 6 районов в агробиоценозах которых выявлен скот с повышенным содержанием таких ТМ, как: As, Mo, Sr, Cr, Pb , что свидетельствует о потенциальном загрязнении почв. Индексы загрязнения, такие как индекс геоаккумуляции (Igeo) и коэффициент накопления (EF), считаются полезными инструментами для комплексной оценки степени загрязнения тяжелыми металлами и могут иметь большое значение при оценке качества почвы и прогнозировании будущей устойчивости экосистемы, особенно в случае анализа смешанных типов территорий, чтобы наилучшим образом интерпретировать загрязнение различных почв (сельскохозяйственных, лесных и городских) . Республика Татарстан разделена на 45 районов и 2 городских округа. Условно территория Республики Татарстан объединена в пять биогеохимических провинций . В данном исследовании выявлено пространственное распределение и интерпретированы индексы загрязнения ТМ в почвах биогеохимических провинций Республики Татарстан.
2. Методы и принципы исследования
Отбор смешанных почвенных образцов производился (методом конверта из пяти точек) почвенным буром Эйдельмана. Отобранные для анализа репрезентативные образцы почвы (горизонт А (5-25 см)) высушивали в хорошо проветриваемом помещении. С каждой исследуемой точки отбиралось по 5 проб, из которых формировали смешанную пробу для последующего анализа. Таким образом, всего было отобрано 4340 пробы почвы (Предволжье – 720, Западное Предкамье – 1490, Восточное Предкамье – 230, Западное Закамье – 610, Восточное Закамье – 1290). Валовое содержание элементов определяли на атомно-эмиссионном спектрофотометре ICPE-9000 («SHIMADZU Corp.», Япония) согласно инструкции к прибору. В почвенных пробах определяли валовое содержание элементов разных классов опасности: Al, As, Cd, Pb, Sr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Cr и Zn. При составлении таблиц по среднему содержанию тяжелых металлов учитывали вхождение их в пределы обнаружения прибора с помощью ПНД Ф 16.1:2:3:3.11-98 (издание 2005 года), устанавливающего методику выполнения измерений массовой доли для указанных микроэлементов в твердых пробах почвы атомно-эмиссионным способом с ионизацией в индуктивно связанной аргоновой плазме [6]. В работе руководствовались: ГОСТ 17.4.4.02-2017; МУК 4.1.1483-03; ГОСТ Р 8.563-96; ГОСТ Р 1.5-92; ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002; ГОСТ Р ИСО 5725-2-2002; ГОСТ Р ИСО 5725-3-2002; ГОСТ Р ИСО 5725-4-2002; ГОСТ Р ИСО 5725-5-2002; ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002; ПНД Ф 16.1:2.2:3.16-98 и МУ 2.1.7.730-99.
Расчет Igeo производился по формуле:
где Ci – содержание металла в образцах почвы; GB – фоновое содержание (или кларк в почве) , в настоящей работе использованы региональные нормативы фонового содержания тяжелых металлов в почвах Республики Татарстан (утверждены Приказом Министерства экологии и природных ресурсов Республики Татарстан от 30.12.2015 № 1134-п), а также кларки в почве , .
С помощью критерия Igeo выделялось семь классов состояния почв: чистые (Igeo<0), слабо загрязненные (0<Igeo<1), среднее загрязнение (1 <Igeo<2), загрязнение от среднего до сильного (2<Igeo<3), сильное загрязнение (3<Igeo<4), загрязнение от сильного до очень сильного (4<Igeo<5) и очень сильное загрязнение (5<Igeo) .
С помощью EF выявлялось антропогенное воздействие на содержание тяжелых металлов в почве . В качестве эталона использовалось содержание тяжелых металлов, характеризующихся низкими изменениями по своей встречаемости, как в анализируемых пробах, так и в фоне. Стандартными элементами обычно являются Fe, Al, Ca, Ti, Sc или Mn. В данной работе мы использовали Al. EF рассчитывался по формуле:
где Ci/СAl – это содержание анализируемого тяжелого металла (Ci) и алюминия (СAl) в образце и GBi/GBAl – контрольное содержание анализируемого тяжелого металла (Ci) и алюминия (CAl).
EF позволяет выявить пять уровней накопления металла: минимальное (EF <2), среднее (2–5), значительное (5–20), очень высокое (20–40), чрезвычайно высокое (>40) .
Если значение EF колеблется от 0,5 до 1,5, можно констатировать, что содержание именно этого тяжелого металла в почве обусловлено естественными процессами. Однако, если значение EF превышает 1,5, существует вероятность того, что загрязнение тяжелыми металлами произошло в результате антропогенной деятельности .
3. Основные результаты
Рисунок 1 - Содержание микроэлементов в почве биогеохимических провинций Республики Татарстан
Таблица 1 - Значения EF по биогеохимическим провинциям Республики Татарстан
Значение | минимальное (EF<2), | среднее (2–5), | значительное (5–20), | очень высокое (20–40), | чрезвычайно высокое (>40) |
Предволжье | - | Pb, Sr, Mn | As, Fe | Cd, Cu, Ni, Cr, Zn | Mo, Co |
Западное Предкамье | Sr | As, Mn | Pb, Cu, Fe, Ni, Cr, Zn | Cd, Mo, Co | - |
Восточное Предкамье | Sr | Pb, Mn | Cd, Cu, Fe, Ni, Co, Cr, Zn | - | As, Mo |
Западное Закамье | - | Sr, Mn | As, Pb, Cu, Fe, Ni, Cr, Zn | Cd, Mo, Co | - |
Восточное Закамье | Pb | Sr, Mn | As, Cu, Fe, Ni, Cr, Zn | Mo, Co | Cd |
4. Обсуждение
Можно обнаружить связь между уровнями загрязнения ТМ в почвах биогеохимических провинций Республики Татарстан и гранулометрическим и минералогическим составами почв на основании имеющихся литературных данных. В Предкамье широко распространены элювиальные глины и суглинки, в различной степени выщелоченные от карбонатов, выветрелые известняки и известковистые мергеля, в Предволжье преобладают лесостепные почвы с оподзоленными и выщелоченными черноземами, а в Закамье – оподзоленные, выщелоченные и типичные типы почвы с заметно выщелочеными от карбонатов почвообразующими породами. Так как собственные минералы Cd (CdO, CdCO3) образуются в сильноокислительных условиях , а почвообразующие породы описанных биогеохимических провинций имеют более щелочную среду, повышенное содержание Cd в почве большей степени может быть вызвано деятельностью сельскохозяйственной отрасли (орошение сточными водами и фосфатные удобрения). Co содержится в основных и глинистых отложениях и не образует собственные породообразующие минералы, чаще встречаясь в составе минералов Fe. As и Mo хорошо сорбируется на поверхности органических и минеральных коллоидов , а снижение рН почвы уменьшает их адсорбированность и приводит к возрастанию его концентраций в почвенном растворе , . В таких кислых почвах закрепление As и Mo связано с соединениями окислов обладающими низкой миграционной способностью и накапливающимися в иллювиальных горизонтах (в них As концентрируется в Fe-Mn ортштейнах) , а Mo – c окислами Fe и Al в форме аниона Мо04 . В то же время в карбонатных почвах большое значение имеет хемосорбция As и Mo с карбонатами. Так как образованные соединения малоподвижны в нейтральных и слабокислых условиях, то с ростом рН подвижность As и Mo возрастает . Существенные техногенные источники загрязнения данными ТМ вероятнее всего связаны с цветной металлургией, сжиганием угля и других видов топлива.
5. Заключение
Применение различных индексов загрязнения, хоть и различается в отношении загрязнения отдельными элементами, позволило выявить более детальное изображение распределения тяжелых металлов в почвах биогеохимических провинций Республики Татарстан. Почвы с этих территорий находятся под влиянием техногенной нагрузки. Наибольшие значения Igeo обнаружены в биогеохимических провинциях Республики Татарстан для As, Mo, Co и Cd. В почвах Восточного Предкамья средний уровень загрязнения в отношении As и сильный уровень загрязнения в отношении Mo. В Восточном Закамье средний уровень загрязнения установлен только в отношении Cd. Показатели EF определили потенциальное влияние антропогенного фактора на загрязнение ТМ.