Оригинальная статья / Original article УДК 504
DOI: 10.18470/1992-1098-2020-2-158-164
Распределение уровней загрязнения почвы тяжёлыми металлами в Ивановской и Костромской областях
Алексей Н. Сивухин1 , Дмитрий С. Марков2, Ирина Б. Нода3
&Ивановский государственный университет, Иваново, Россия Ивановский государственный университет (Шуйский филиал), Шуя, Россия ФГБУ САС «Ивановская», Богородское, Россия
Контактное лицо
Алексей Н. Сивухин, старший преподаватель кафедры общей биологии и физиологии Ивановского государственного университета (ФГБОУ ВО «ИвГУ»); 153000 Россия, г. Иваново, пр-т Ленина, 136. Тел. +79158223153 Email: ecobiota@mail.ru ORCID https://orcid.org/0000-0002-5157-0500
Формат цитирования
Сивухин А.Н., Марков Д.С., Нода И.Б. Распределение уровней загрязнения почвы тяжёлыми металлами в Ивановской и Костромской областях // Юг России: экология, развитие. 2020. Т.15, N 2. С. 158-164. ЭО!: 10.18470/1992-1098-2020-2-158-164
Получена 14 января 2020 г.
Прошла рецензирование 16 марта 2020 г.
Принята 23 марта 2020 г.
Резюме
Цель. Определить потенциальные источники загрязнения тяжёлыми металлами почвенного покрова Ивановской и Костромской областей. Обозначить риски для здоровья населения изучаемых регионов. Материал и методы. Заложено 72 точки пробоотбора. Лабораторная подготовка вытяжек из почвенных образцов велась на базе биолого-химического факультета Ивановского государственного университета. Аппаратный анализ проводился на атомно-абсорбционном спектрофотометре «210 VGP». Статистическая и математическая обработка данных проводилась в открытом программном пакете «OpenOffice Calc». Построение картографических материалов осуществлялась в ГИС «Quantum GIS Brighton». Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них был рассчитан суммарный показатель загрязнения Zc, отражающий эффект воздействия групп элементов.
Результаты. В весенних образцах почвы значительных превышений предельно допустимых концентраций (ПДК) для кобальта, свинца и кадмия не обнаружено. Средняя величина загрязнённости (Zc) для Ивановской области составила 20 единиц (значительный уровень загрязнения), для Костромской -38 (высокий уровень загрязнения). Коэффициент опасности для содержания тяжёлых металлов в почвенном покрове Ивановской области входит во второй диапазон (значительный риск), в почвенном покрове Костромской области - в третий диапазон (высокий риск).
Заключение. В основном тяжёлые металлы попадают в почву со свалок твёрдых бытовых отходов, а также оседают в течение бесснежного времени года. Существует риск для здоровья населения. Ключевые слова
Тяжёлые металлы, Ивановская область, Костромская область, коэффициент опасности, почва.
© 2020 Авторы. Юг России: экология, развитие. Это статья открытого доступа в соответствии с условиями Creative Commons Attribution License, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.
Distribution of levels of soil contamination by heavy metals in the Ivanovo and Kostroma regions, Russia
Alexey N. Sivukhin1 , Dmitry S. Markov2 and Irina B. Noda3
Principal contact
Alexey N. Sivukhin. Senior Lecturer, Department of General Biology and Physiology, Ivanovo State University; 136 Lenin Ave, Ivanovo, Russia 153000. Tel. +79158223153 Email ecobiota@mail.ru ORCID https://orcid.org/0000-0002-5157-0500
How to cite this article
Sivukhin A.N., Markov D.S., Noda I.B. Distribution of levels of soil contamination by heavy metals in the Ivanovo and Kostroma regions, Russia. South of Russia: ecology, development. 2020, vol. 15, no. 2, pp. 158-164. (In Russian) DOI: 10.18470/1992-10982020-2-158-164
Received 14 January 2020 Revised 16 March 2020 Accepted 23 March 2020
Abstract
Aim. Identify potential sources of heavy metal contamination of soil in the Ivanovo and Kostroma regions, Russia. Identify the risks to public health in the regions studied.
Material and Methods. 72 sampling sites were laid out. Laboratory preparation of extracts from soil samples was carried out in the facilities of the Biological-Chemical Faculty of Ivanovo State University. Hardware analysis was undertaken using a 210 VGP atomic absorption spectrophotometer. Statistical and mathematical data processing was carried out with the OpenOffice Calc open-source software package. The plotting of cartographic materials was done with Quantum GIS Brighton. Since soils are often contaminated with several elements at the same time, the total pollution index (Zc) was calculated for them, thus reflecting the effect of exposure of the groups of elements.
Results. Significant excesses above the maximum permissible concentrations (MPC) for cobalt, lead, and cadmium were not found in spring soil samples. The average pollution value Zc for the Ivanovo region was 20 units (a significant pollution level) and for Kostroma - 38 (a high pollution level). The hazard coefficient for the content of heavy metals in the soil cover of the Ivanovo region is thus in the second range (significant risk), while in the soil cover of the Kostroma region it is in the third range (high risk).
Conclusions. Mostly heavy metals enter the soil from solid waste dumps and also settle during the snowless season. There is a risk to public health. Key Words
Heavy metals, Ivanovo region, Kostroma region, hazard coefficient, soil.
© 2020 The authors. South of Russia: ecology, development. This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, неизбежно сопровождающее нынешний технический прогресс, наносит ущерб здоровью населения [1-3]. В связи с тем, что работы, посвящённые изучению загрязнения почвенного покрова и его влияния на здоровье жителей Ивановской и Костромской областей очень немногочисленны, актуальность и своевременность данного исследования не подлежит сомнению. В докладе Департамента природных ресурсов и экологии по Ивановской области отражено в основном влияние на водную и атмосферную среду, почва изучена лишь опосредованно, работ на эту тему немного [4].
Общее содержание тяжелых металлов в почвенном покрове Ивановской и Костромской областей достаточно высоко, предельно допустимые концентрации свинца, кадмия и кобальта в отдельных местах превышены в несколько раз [5].
Помимо очевидного вреда, который могут приносить валовые формы тяжёлых металлов, с пылью попадая в дыхательные пути человека и животных, серьёзную опасность загрязнение подвижными формами тяжёлых металлов представляет по причине их высокой биодоступности для культурных растений, возделываемых на проблемной территории и выпас скота, либо скашивание травы для прокорма скота и птицы [6; 7]. Поля Ивановской и Костромской областей активно засеваются сельскохозяйственными культурами, как в промышленных масштабах, так и в личных целях (огороды, дачные участки). Потребление этих растений и мяса этих животных в пищу обуславливает накопление поллютанта в организме человека.
Очень важно понять, откуда поступают поллютанты в почвенный покров и в какие сезоны их концентрация наиболее высока. Исследования в соседних регионах показывают, что источниками тяжёлых металлов в почвах в основном являются промышленные предприятия [8].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводилось на территории Ивановской и Костромской областей. Объектом исследования послужили почвы. Опираясь на данные, полученные в 2014 году [5], было принято решение проверить содержание кадмия, кобальта и свинца в районе потенциальных источников загрязнения, поскольку именно эти поллютанты характеризовались наибольшими величинами содержания в почвенном покрове. Для уточнения времени задержки элементов в биодоступном слое почвы пробы отбирались в мае-июне 2018 года.
Были проанализированы образцы из 20 точек пробоотбора - район Костромской ГРЭС, юго-восточная граница Приволжска, район рекультивированной ШПУ УР-100 в 5 км севернее Лежнева, районы ТЭЦ-2 (в том числе её золоотвалы) и бывшего меланжевого комбината в г. Иваново, свалка ТБО «Чистое поле» и район ИЗТС в г. Иваново, а также деревни Болобино, Серково и Чихачево, которые находятся вдоль трассы Иваново - Нижний Новгород. Эти точки максимально приближены к потенциальным источникам тяжёлых
металлов (промышленные предприятия,
электростанция, крупные автомагистрали, такие как Иваново - Нижний Новгород). Также, были математически проанализированы данные, полученные нами ранее для Ивановской и Костромской областей.
Каждая почвенная проба была усреднена квартованием, затем из образцов были приготовлены азотнокислые и пероксидные вытяжки для обнаружения валовых и подвижных соединений тяжёлых металлов соответственно [9]. Лабораторная подготовка вытяжек велась на базе биолого-химического факультета Ивановского государственного университета. Аппаратный анализ проводился на атомно-абсорбционном спектрофотометре «210 VGP» на базе испытательного центра «Качество». Статистическая и математическая обработка данных проводилась в открытом программном пакете «OpenOffice Calc». Построение картографических материалов осуществлялась в ГИС «Quantum GIS Brighton».
Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них был рассчитан суммарный показатель загрязнения Zc, отражающий эффект воздействия групп элементов: Zc= I(Kc)-(n-1), где n - число учитываемых элементов [10].
Расчёт рисков для населения зависит от многих факторов. Необходимо учитывать способ и скорость распространения того или иного поллютанта, опасность каждого из них, особенности жизни людей в различных регионах и множество других параметров.
Общая формула для расчета величины поступления химического вещества имеет следующий вид:
CxCRXEFXED
BWxAT & W
I - поступление (количество химического вещества на границе обмена), мг/кг массы тела в день; С - концентрация химического вещества; средняя концентрация, воздействующая в период экспозиции (например, мг/л воды);
CR - величина контакта; количество загрязненной среды, контактирующее с телом человека в единицу времени или за один случай воздействия (например, л/день);
EF - частота воздействий, число дней/год; ED - продолжительность воздействия, число лет; BW - масса тела: средняя масса тела в период экспозиции, кг;
AT - время осреднения; период осреднения экспозиции, число дней [11].
Характеристика риска развития неканцерогенных
эффектов для отдельных веществ проводится на основе
расчета коэффициента опасности по формуле:
HQ = AD/RfD или HQ = AC/RfC,
где HQ - коэффициент опасности;
AD - средняя доза, мг/кг;
АС - средняя концентрация, мг/м3;
RfD - референтная (безопасная) доза, мг/кг;
RfC - референтная (безопасная) концентрация, мг/м3
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Общая величина загрязненности 2с, рассчитанная для Ивановской области относительно регионального фона в 2014 г. составляет 20, что говорит о значительном уровне загрязнения, для которого характерен относительно высокий уровень заболеваемости населения, особенно детей, а также высокая вероятность развития физиологических отклонений. Для удобства восприятия информации были созданы
карты распределения значения 2с по муниципальным районам (рис. 1). Рассчитанные значения 2с для большинства исследуемых участков в Костромской области в основном превышают порог в 32 единицы (рис. 2), что говорит о высокой степени общего загрязнения тяжёлыми металлами на данных территориях (32 < 2с < 128). Среднее значение 2с по Костромской области составило 38, что говорит об опасной категории загрязнения почв [11; 12].
Таблица 1. Содержание валовых и подвижных форм тяжёлых металлов в отдельных точках Ивановской и Костромской областей
Table 1. Content of gross and mobile forms of heavy metals at individual points in the Ivanovo and Kostroma regions
Точки Points Pb mov, mg\\kg* Pb gross, mg\\kg* Cd mov, mg\\kg* Cd gross, mg\\kg* to mov, mg\\kg* to gross, mg\\kg*
Примечание: * - Mov - подвижные формы, gross - валовые формы. ** - Полужирным шрифтом указаны превышения ПДК (ОДК) Note: * - Mov - mobile forms, gross - gross forms. ** - Bold indicates in excess of MPC (UEC)
Рисунок 1. Общая величина загрязнённости (Zc) для Ивановской области в 2014 году Figure 1. Total amount of pollution (Zc) for the Ivanovo region in 2014
Рисунок 2. Общая величина загрязнённости (Zc) для Костромской области в 2014 году Figure 2. Total amount of pollution (Zc) for the Kostroma region in 2014
Проведённый анализ рисков для населения при поступлении тяжёлых металлов в организм ингаляционным или пероральным путём из почвы показал, что имеются опасения насчёт отдельных элементов. В Ивановской области поступление меди (1,1*10-5), марганца (1,8*10-5), кадмия (2,9*10-5) и железа (7,6*10-6) соответствует второму диапазону риска ИЦ, что говорит о содержании этих металлов на границе предельно допустимой концентрации. Поступление же свинца (1,4*10-4) и кобальта (1,4*10-3) находятся в пределах третьего диапазона риска, что неприемлемо для населения. Для Костромской области поступление в организм человека меди (7,7*10-6), марганца (1,2*10-6), кадмия (2,5*10-6), никеля (9,8*10-7) и железа (2,2*10-5) соответствует второму диапазону риска. Свинца (6,8*10-4) и кобальта (8,6*10-4) - третьему диапазону. Значительных превышений ПДК для свинца, кадмия и кобальта не обнаружено (табл. 1), что может свидетельствовать о внесении значительного количества тяжёлых металлов за летний период в виде взвешенных частиц с атмосферной пылью, поскольку в пробах, взятых осенью, концентрация изучаемых металлов была гораздо выше [5]. Они накапливаются в течение лета и осени, а весной уходят в глубинные слои почвы вместе с растаявшим снегом. В качестве постоянного источника загрязнения тяжёлыми металлами могут выступать свалки ТБО. Достаточно высокие, хоть и не превышающие ПДК значения концентрации тяжёлых металлов были обнаружены в районе рекультивированной ШПУ УР-100 (табл. 1). Это можно объяснить тем, что при рекультивации в неё было сброшено несколько тонн деноминированных советских банкнот [13], краски для которых содержали свинец и некоторые другие тяжёлые элементы. Постоянное омывание содержимого шахты водами атмосферных осадков может поддерживать стабильный уровень тяжёлых металлов в окрестных почвах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сравнивая данные осенних и весенних пробоотборов, можно предположить, что основное количество тяжёлых металлов в верхнем слое почвы появляется в течение лета, предположительно из аэрозольной фракции атмосферы. Средняя величина загрязнённости 2с для Ивановской области составила 20 единиц (значительный уровень загрязнения), для Костромской - 38 (высокий уровень загрязнения). Коэффициент опасности для содержания тяжёлых металлов в почвенном покрове Ивановской области входит во второй диапазон (значительный риск), в почвенном покрове Костромской области - в третий диапазон (высокий риск). Необходимо продолжать мониторинг состояния почвенного покрова, поиск новых закономерностей распределения тяжёлых металлов, а также способов снижения рисков для населения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
REFERENCES
Toxicological Environmental Chemistry. 2014. V. 96. Iss. 5. P. 730-742. DOI: 10.1080/02772248.2014.984496
https://www.pravda.ru/accidents/36251-ivanovo (accessed 08.26.2019)
КРИТЕРИИ АВТОРСТВА AUTHOR CONTRIBUTIONS
Алексей Н. Сивухин осуществил сбор и анализ образцов, Alexey N. Sivukhin collected and analyzed samples,
статистическую обработку данных, написал рукопись. processed the data statistically and wrote the manuscript.
Дмитрий С. Марков составил картографические Dmitry S. Markov compiled cartographic materials and
материалы, провёл консультативную работу. Ирина Б. undertook consultative work. Irina B. Noda corrected the
Нода осуществила корректировку статьи, провела article and undertook advisory work. All authors equally
консультативную работу. Все авторы в равной степени bear responsibility for plagiarism, self-plagiarism and other
несут ответственность при обнаружении плагиата, ethical transgressions. самоплагиата или других неэтических проблем.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ NO CONFLICT OF INTEREST DECLARATION
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. The authors state that there is no conflict of interest.
Алексей Н. Сивухин / Alexey N. Sivukhin https://orcid.org/0000-0002-5157-0500 Дмитрий С. Марков / Dmitry S. Markov https://orcid.org/0000-0002-1983-6428 Ирина Б. Нода / Irina B. Noda https://orcid.org/0000-0001-9572-3225