AN ASSESSMENT OF SOIL CONTAMINATION WITH HEAVY METALS IN BIOGEOCHEMICAL PROVINCES OF THE REPUBLIC OF TATARSTAN
AN ASSESSMENT OF SOIL CONTAMINATION WITH HEAVY METALS IN BIOGEOCHEMICAL PROVINCES OF THE REPUBLIC OF TATARSTAN
Abstract
Within the framework of the study, soil contamination with heavy metals: Al, As, Cd, Pb, Sr, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Cr and Zn was evaluated. Commonly used methods of soil heavy metal pollution assessment at local and international levels can be divided into index and model methods. We calculated the geoaccumulation index (Igeo) and enrichment factor (EF) and compared the content of heavy metals in soils of biogeochemical provinces of the Republic of Tatarstan with the determination of the origin of pollution. The highest values of Igeo were detected in biogeochemical provinces of the Republic of Tatarstan for As, Mo, Co and Cd. Based on the identified high values of Igeo and EF, such heavy metals as As, Mo, Co and Cd are products of anthropogenic pollution.
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.