Биогеохимические аспекты почвообразования в угледобывающих регионах

Современная теория географии почв базируется на почвенно-экологическом и почве иноисторическом направлениях. Дополняя друг друга, они развивают главные принципы генетической географии почв, основы которой заложены русским учёным В .В. Докучаевым. В настоящее время географическое разнообразие почв сокращается из-за воздействия антропогенных средоразрушающих факторов почвообразования. Дифференциация почвообразователей на две равноправные категории: природные и антропогенные факторы появилась в начале XX века. До этого времени факторный набор состоял из материнской горной породы, климата, рельефа, живых организмов и времени (возраста). В этой связи, представляется своевременным и актуальным выявление тенденций формирования новых почв в нарушенных ландшафтах, геохимической специфики почвообразования, особенностей выживания первопоселенцев, участвующих в процессе становления почв.

Извлечение из недр полезных ископаемых, особенно открытым (карьерным) способом, и их промышленная переработка вблизи разработки месторождений обусловливают коренное изменение жизненного пространства. При формировании отходов производства, отвалов вскрышных и вмещающих пород одни почвы оказываются погребёнными под минеральными массами, другие -обнаруживают деградацию от загрязнения тяжёлыми металлами с формированием особого техно генноаккумулятивного типа распределения металлов в почвенном профиле. Загрязнение почв промышленными выбросами регистрируется на удалении 15 км от предприятий [1].

Крупноплощадные терриконы угля и отвалы вскрышных пород обусловливают хроническое загрязнение окружающей среды, поскольку содержат широкий набор экотоксикантов. Площадь загрязнения почв вокруг терриконов превышает таковую их самих порою в 10 раз [2]. Новообразование почв на поверхности отвалов с точки зрения потребностей человека идёт чрезвычайно медленно, поскольку освоение литогенной толщи фитопоселенцами и педобиотой может сдерживаться её высокой каменистостью, сильным засолением пород (тип засоления хлоридно-сульфатный и сульфатный), низкой обеспеченностью обменным калием, подвижными фосфатами, отсутствием азота и другими причинами. Углевмещающие породы, как и сам уголь, выветриваются долго. Поэтому распределение элювия, жизнепригодного для биоколонизаторов, в отвально-карьерных ландшафтах неравномерное. В этой связи, пионерная группировка растений, слагаемая на нетоксичных породах, характеризуется рассеянным расположением, несомкнутостью надземного и подземного ярусов, бедным видовым составом растений, преобладанием малолетников, аномохоров и существует около 5 лет. На токсичных породах длительность существования пионерных группировок значительно больше. В присутствии потенциально плодородных вскрышных пород, например четвертичных покровных суглинков, через 10 лет самозарастания отвалов образуется гумус, близкий к таковому зрелых зональных почв [3]. Эго свидетельствует о том, что почвообразование в техногенных ландшафтах может миновать стадию формирования примитивных почв, характерных для литогенных ландшафтов суровых климатических фаций. Однако на токсичных породах, в частности в Кизеловском угольном бассейне, в первые 30-100 лет жизни, генетические горизонты почв морфологически выражены слабо, причиной чему является значительная кислотность пород, поддерживаемая окисляющимися сульфидными минералами. Визуально диагностируются подстилка и гумусоподобный слой. Аналогичных ситуаций на Урале и в Сибири немало.

В Сибирском Федеральном округе проблема техногенного почвообразования стоит чрезвычайно остро, поскольку здесь добывается преобладающая доля каменного угля страны, причём высококачественного. Однако потери плодородных почв значительны, а рекультивации подвергается ежегодно не более 2% нарушенных земель.

В пределах Салаиро-Кузнецкого прогиба (Западная Сибирь) располагаются залежи наиболее ценных метаморфизированных углей - антрацитов, выходы которых регистрируются порою на глубине 1 м. Их добыча экономически выгодна, но экологически небезопасна для окружающей среды. Углефикация на данной территории происходила в палеозое, в период высокой тектонической, магматической и сейсмической активности. Древние организмы, населявшие территорию, аккумулировали широкое разнообразие химических элементов. Не случайно, в углистых частицах присутствуют редкие элементы, в том числе тяжёлые и радиактивные металлы [4]. Геохимическое наследие выявляется в подотвальных водах, в зрелых почвах по ходу техногенных водотоков [5]. Природные радиактивные элементы U и Th, и некоторые тяжёлые металлы, а также As присутствуют в выветренном угле и эмбриозёмах в количествах, превышающих кларк литосферы. Крупноплощадные отвалы пылят, горят и, обладая большим водосбором, оказываются активным транспортёром экотоксикантов с потоками дождевой и снеготалой воды, а при сухой ветреной погоде - с пылью. Эго отрицательно воздействует на флору и фауну почв окружающих территорий, санитарно-гигиенические условия местности.

Не следует исключать, влияние некогда использованных взрывчатых веществ, применяемых в былые времена при добыче полезных ископаемых. В прошлом веке были востребованы аммонал и аммониты (20-е годы), динамоны (30-е годы), оксиликвиты и аммониты (40-е годы), игданит (с 1956 г. по 60-е годы). Позднее ассортимент взрывчатых веществ содержал ядовитый тротил, гранулированную аммиачную селитру, граммониты (смесь селитры с тротилом) [6]. [Розентретер Б.А., Федоров А.С. , Институт истории естествознания и техники (Академия наук СССР). Техника горного дела и металлургии. — Изд-во "Наука", 1968. — С. 166. — 404 с. — (Очерки развития техники в СССР)]. Кроме того, в атмосфере техногенных ландшафтов может присутствовать сероводород, который поступает из межпластовых вод, трещин вмещающих пород, с горелых участков. Наряду с ним, могут находиться окись углерода, формальдегид, акролеин, образующиеся при сгорании топлива бульдозеров, экскаваторов, тракторов, автомобилей и другой горно-транспортной техники. Их концентрация может усиливаться при выемочно-погрузочных операциях, при этом газы выделяются как из развала, так и из породы, находящейся в ковше экскаватора или кузове самосвала. Наряду с токсичными газами в атмосферу поступает сажа выхлопов двигателей, на частицах которой абсорбируется канцероген бенз(а)пирен. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсичных веществ на биоту. Кроме перечисленных токсикантов, в техногенных ландашафтах регистрируются соединения тетраэтил- или тетраметилсвинца, добавляемого в автомобильное топливо в качестве антидетонатора. Около 70% свинца попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на поверхность отвалов сразу за срезом выхлопной трубы. Повышению токсичности отработавших газов способствует увеличение влажности атмосферного воздуха, понижение температуры воздуха.

Стоит отметить и негативную роль пыления минеральных частиц, которые неизбежны при выемке и погрузке горной массы из развала взорванных горных пород, особенно угля, а также при сильном ветре с поверхности отвалов. Большое количество пыли выделяется при экскавации перегоревших пород и при транспортировке уголя. Интенсивность выделения пыли зависит от скорости движения автотранспорта и состояния дорожного покрытия. Автомобильные дороги со щебёночногравийным покрытием на отвалах являются основными источниками пылеобразования, на их долю приходиться до 90% всей выделяемой пыли. С техногенной пылью переносится большое разнообразие тяжёлых металлов. Не случайно, в целях предотвращения угрозы возникновения массовых неинфекционных заболеваний (отравлений) Постановлением Главного санитарного врача РФ в августе текущего года установлен размер санитарнозащитной зоны размером 300 м во всех направлениях от границы земельного участка для всего имущественного комплекса горнотранспортной части антрацитового разреза, установлен Федеральный контроль за соблюдением данного постановления [7].

Что касается состояния почвообразующей микробиоты в углеотвалах, то оно обусловлено геохимией элементов. Например, Azotobacter chroococcum, выявлялся повсеместно в старовозрастных отвалах, но обнаруживал замедление роста в выветренных углях и эмбриозёмах, по сравнению с вскрышной породой, где отсутствовали радиактивные элементы и мышьяк. Максимальное содержание As достигало 15,1 мг/кг, что многократно превышало кларк литосферы. Как известно, As образует арсенаты щелочных металлов и аммония, которые растворимы в воде. Арсенаты в той или иной степени токсичны, действуют как инсектициды, фунгициды и бактериоциды. Они блокируют сульфгидрильные группы, ответственные за ряд реакций клеточного обмена. На отвалах антрацита, где Са и РЬ присутствуют в избытке, арсенаты этих металлов, очевидно, присутствуют. Арсенат Са может содержать до 42% пятиокиси мышьяка, ядовит для всего живого. В природных условиях наблюдается переход арсенатов в арсениты, которые наиболее подвижны в нейтральной и щелочной среде. При метилировании арсенитов образуются метилмышьяковистые кислоты. В аэробных условиях образуется триметилсарцин.

Анализ подвижных форм элементов минерального питания азотобактера на отвале показал, что жизненно важный элемент роста - Са преобладает в почвообразующей породе и эмбриозёмах. Максимум Fe (56 мг/кг) и Ми (50 мг/кг) присутствует в последних. При этом содержание подвижных форм Fe, Zn и Pb также оказалось наибольшим в эмбриозёмах. Возможно, снижению токсичности ТМ способствовало хелатообразование и рНводн среды (6,4-8,5), не благоприятствующие подвижности катионогенных элементов (которые мигрируют в основном в форме катионов). Максимальное содержание Мо обнаружено в суглинке, где превышало кларк литосферы, в эмбриозёмах -равнялось ему. В щелочной обстановке, которая складывается на отвалах, соединения Мо, как анионогенного элемента, могут проявлять высокую растворимость и усвояемость микроорганизмами. Молибден входит в состав нитрогеназы, благодаря чему участвует в связывании азота атмосферы азотобактером. Кроме этого, Мо вместе с другими элементами с переменной валентностью (Fe, Со, Си) служит посредником при переносе электронов в окислительно -восстановительных ферментативных реакциях.

Азотобактер - аэробная свободноживущая бактерия, которая выполняет важные экосистемные функции: продукционные, средообразующие, санитарные. Бактерия колонизирует углеотвалы уже в первый год их естественного самозарастания. Она выживает в присутствии углистых частиц, благодаря гетерогенности популяции и преобладанию штаммов, приспособленных к токсичным элементам и радиации. Среди жизнедеятельных бактерий обнаружена мутационная изменчивость. Она выражается в присутствии ризоидных и мукоидных вариантов колоний азотобактера. Во всех случаях рост сопровождался выделением в окружающую среду метаболитов, имеющих жёлтые, красные, оранжевые тона, возможно, меланиновой и каротиноидной природы, особенно обильных в выветренном антраците. У гетеротрофных бактерий подобные пигменты выполняют функцию защиты от повреждающего действия видимых и ультрафиолетовых лучей. Высокая устойчивость бактерии к U и Th, очевидно, является отражением эволюционных приобретений тех эпох, когда предки бактерии, обитающие в водной среде, подвергались воздействию космической и солнечной радиации. Возникновение аэробной атмосферы увеличило степень риска ионизирующей радиации, привело к необходимости повышения резистентности азотобактерии к радиации.

Месторождения каменных углей, в том числе антрацита, - это национальное природное богатство России, высокий энергетический и редкометальный потенциал страны, поэтому многоцелевая добыча полезных ископаемых неизбежно ведёт к росту нарушенных земель. Сведений об экологической безопасности отвалов вскрышных пород углей и молодых почв, формирующихся в техногенных ландшафтах, недостаточно, что, возможно, свидетельствует о недостаточном внимании к среде обитания всего живого. Информация об особенностях развития педобиоты на отвалах угля представляют несомненную ценность ускорения перехода предпочвы в почву в техногенных ландшафтах угледобывающих регионов, улучшения в них экологической обстановки.