Биогеохимические особенности поведения мышьяка в системе технозем - тополь душистый (Populus suaveolens Fischer) в антропогенных ландшафтах Шерловогорского рудного района (Забайкальский край)

Несмотря на длительное изучение As и его соединений, биогеохимия этого элемента изучена недостаточно.

В Забайкальском крае массы извлеченных из недр горных пород (не менее 340 млн т) с высоким содержанием токсичных элементов (мышьяка, свинца, цинка, кадмия, меди и др.) занимают более 4 тыс. га земель [2]. Они сосредоточены в центральной и юго-восточной частях. Из них 4,5 тыс. т As складировано в отходах горнодобывающих предприятий [2].

Цель исследования. Изучение биогеохимического поведения мышьяка в системе технозем – растение.

Объект, материал и методы исследования. В течение полевых сезонов 2002–2010 гг. на территории Шерловогорского рудного района были отобраны пробы техноземов и растений. В данной работе приведены результаты исследования поглощения мышьяка растениями на примере тополя душистого ( Р. suaveolens) , поскольку он является одним из пионерных видов растений, заселяющих техногенные массивы.

Шерловогорский рудный район находится на юго-востоке Забайкальского края, в Борзинском административном районе. Здесь около 300 лет функционировал горно-промышленный комплекс, в результате деятельности которого образовались техногенные массивы с высоким содержанием токсичных элементов, в том числе мышьяка [7].

Участки отбора проб представляют собой антропогенные ландшафты. Основным типом этих ландшафтов, согласно классификации Ф.Н. Милькова (1973), на изучаемой территории является карьерноотвальный комплекс, который образовался в результате деятельности Шерловогорского горнообогатительного комбината. Он включает в себя карьер, хвостохранилище, склады и отвалы пустой, забалансовой и подготовленной к переработке горной породы (техногенные массивы). Общая площадь, занятая карьерно-отвальным комплексом ландшафтов, на территории всего района составляет более 380 га. Из них площадь карьера сопки Большая около 150 га, хвостохранилища – 80 га, площадь земель, занятых отвалами и складами руды, – более 150 га [4]. Объем переотложенного каменного материала на территории карьерноотвального комплекса приведен в таблице 1.

Таблица 1

Объем переотложенного техническими средствами каменного материала и занимаемые им площади в Шерловогорском рудном районе [4]

Наименование	Виды техногенного каменного материала
	Хвостохранилище обогатительной фабрики	Горные породы вскрыши	Отвалы бедных оловянных руд	Отвалы бедных оловоцинковых руд	Отвалы свинцовоцинковых руд
Площадь, га	80	210	Общая площадь 53
Объем каменного материала, тыс. т	17617,3	133587	1430	3243	2434

Карьер, образовавшийся в результате добычи олово-полиметаллических руд, представляет собой воронку, на дне которой образовалось техногенное озеро. Тип местности – карьерно-отвальная пустошь. В карьере максимально залужен его западный фланг, здесь распространены древесно-кустарниковые заросли естественного происхождения. Это является следствием благоприятного географического положения (достаточная освещенность, защищенность от ветра) и процессов геотехногенеза.

Горные породы вскрыши карьера складированы в трех отвалах: Южном, Восточном и Северном. Они представляют собой высокие плато (от 17 до 46 м в высоту), сложенные щебнисто-глыбовым материалом – обнаженный карьерно-отвальный тип местности.

Наиболее распространенными видами растений, заселяющими поверхность отвалов, являются тополь душистый, береза повислая и мак голостебельный. Реже встречается осина, таран узколистный и полынь Гмелина. Проективное покрытие составляет менее 5 %. Это связано с тем, что технозем отвалов представляет собой горные породы разной крупности, от глыб более 3 м в диаметре до мелкозема, в состав которого входят рудные минералы и продукты их разрушения. Химические элементы, в том числе и токсичные, образуют ореолы рассеяния, в пределах которых распространение растительности затруднено.

Кроме этого, указанные техногенные массивы располагаются на высотах от 842 до 950 м над уровнем моря, что в силу природно-климатических особенностей территории существенно замедляет процесс почвообразования. В итоге зарастание поверхности происходит очень медленно.

В результате полевых работ установлено, что Северный отвал зарастает более интенсивно, чем другие отвалы, поэтому в данной работе представлены результаты исследования именно этого техногенного массива.

Хвостохранилище Шерловогорского ГОКа представляет собой обезвоженное озеро, озернохолмистый обнажено-пустошный тип местности. Технозем состоит из горных пород разной крупности, но преобладает зернисто-илистый материал класса – 0,2 мм, который является продуктом переработки руд. Руда состояла из рудных и нерудных минералов: пирит, арсенопирит, халькопирит, касситерит, сфалерит, галенит, турмалин, сидерит, флюорит [4]. После закрытия ГОКа в 1993 году хвостохранилище было обезвожено, и лишь в 2004–2005 гг. его частично засыпали неравномерным слоем каменного материала с отвалов и складов бедных руд. В северной и северо-восточной его частях лежат глыбы липаритов, привезенные сюда для засыпки его пылящей поверхности.

В хвостохранилище растительность распространяется неширокой полосой около 20–30 м, простираясь с юго-запада на северо-восток вдоль временного водоема (во влажный период года) и на дамбе. Поскольку поверхность хвостохранилища более увлажнена, чем другие техногенные массивы, то и его зарастание проходит более интенсивно. Растительное сообщество представлено тополем душистым, березой повислой, пятилистниками (кустарниковым и мелколистным), полынью Гмелина, тараном узколистным, дендрантемой Завадского, иван-чаем, маком голостебельным, злаками. На хвостохранилище периодически пасется крупный рогатый скот жителей пгт. Шерловая Гора.

Отбор проб технозема проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02-84. Растение отбирали и делили на органы. Корни и наиболее запыленные части промывали сначала струей проточной воды, а после дистиллированной, и высушивали до воздушно-сухого состояния. Во избежание потерь As пробы растений не озоляли, а непосредственно переводили в раствор. Химический анализ растений выполняли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрофотометре ICP-MS Elan DRC II PerkinElmer в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН аналитики: В.Е. Зазулина, А.Ю. Лушникова, Е.М. Голубева и Д.В. Авдеев. Анализ химического состава технозема выполнен рентгеновским флуоресцентным анализом (РФА) в аналитической лаборатории ГИН СО РАН (г. Улан-Удэ) на спектрометре VRA-30 канд. техн. наук Б.Ж. Жалсараевым, В.А. Ивановой, И.В. Бор-жоновой, И.В. Бардамовой и Ж.Ш. Ринчиновой.

Результаты исследований и их обсуждение. Полученные данные свидетельствуют о том, в техно-земах антропогенных ландшафтов валовое содержание As значительно превышает ПДК и кларк (табл. 2). Такая его концентрация закономерна и обусловлена тем, что он присутствует во всех месторождениях и ру-допроявлениях олова, вольфрама, цветных металлов и самоцветов. Его максимальное содержание в горных породах геологического субстрата составляет 1,47 % [5].

Содержание мышьяка в техноземах Шерловогоского рудного района, мг/кг

Таблица 2

Место отбора проб	х	σ	min	max	х/ПДК	x/кларк*	n
Карьер	172	152	3	790	86	34	40
Северный отвал	578	412	250	1427	289	116	7
Хвостохранилище	529	426	44	1700	265	106	40

Примечание: х – среднее содержание; σ – стандартное отклонение; min – минимум; max – максимум; кларк по [1]; n – число проб.

В результате деятельности Шерловогорского ГОКа горные породы с высоким содержанием As и отходы их переработки переместили в техногенные массивы. Поскольку рекультивацию не проводили, а мышьяк не был предметом извлечения, то и его содержание осталось на прежнем уровне.

Несмотря на столь высокую концентрацию As в техноземах, Р. suaveolens поглощает малую долю от его валового содержания (табл. 3).

Таблица 3

Среднее содержание As в органах Р. suaveolens (в числителе – среднее содержание, в знаменателе размах содержаний), мг/кг

Орган растения	Место отбора проб (число экземпляров в выборке)
	Карьер (45)	Северный отвал (30)	Хвостохранилище (135)
Листья	0,8	2,9	4,6
	0,3–1,5	0,8–5,1	0,2–17,2
Ветви	2,3	1,6	1,7
	2–2,5	1,3–2	0,2–4,2
Корни	0,4	4,0	4,0
	0,08–0,87	1,3–6,7	0,5–14,2

Из таблицы следует, что среднее содержание As в органах Р. suaveolens не превышает мировой фоновой концентрации, которая, по данным [3], составляет 1,5–5 мг/кг, но оно значительно выше растительного кларка (см. табл. 3). На разных участках опробования, в разных органах оно неодинаковое. Это связано с тем, что As в техноземах присутствует в различных формах. Известно, что в хвостохранилище около 40% от валового содержания составляет его подвижная форма [8]. По карьеру и Северному отвалу опубликованных дан- ных пока нет. Тем не менее для других древесных растений Шерловогорского рудного района установлены аналогичные особенности биологического захвата As [6]. Опыт показывает, что древесные растения менее интенсивно, чем травянистые, вовлекают As в биологический круговорот, они обладают барьерностью по отношению к его высокой концентрации в питающей среде [5]. Группой иностранных ученых была обнаружена устойчивость некоторых сельскохозяйственных растений к высокому содержанию мышьяка в почве [9], что указывает на наличие у растений фильтров-барьеров.

Установлено, что в подавляющем большинстве случаев (в 165 из 210) накопление мышьяка происходит в корнях и листьях Р. suaveolens . При этом в стеблях содержание As существенно меньше (в 2 и более раз), чем в других органах. Длительное накопление As происходит в корнях, поскольку лист – орган временный.

Интенсивность биологического поглощения As разными органами Р. suaveolens , выраженная через КБП, представлена на рисунке. Исходя из приведенных данных, следует, что на Северном отвале и в хво-стохранилище КБП As корнями и листьями больше, чем ветвями, а в карьере наоборот.

КБП As изученными растениями не превышает 0,12, поэтому рационально использовать это растение для биологической рекультивации техногенных массивов с высоким содержанием As в условиях юго-востока Забайкальского края. Это позволит решить две задачи: 1) уменьшить механическую миграцию мышьяка в составе пылеватых частиц в результате пыления поверхности отвалов и хвостохранилища за счет закрепление грунта; 2) исключить попадание As в продукты питания животноводства местного населения, поскольку Р. suaveolens домашние животные не едят.

КБП As Р. suaveolens

Выводы

• 1.    Установлено высокое содержание мышьяка в техноземах техногенных массивов Шерловогорского рудного района Забайкальского края.

• 2.    Среднее содержание As в Р. suaveolens не превышает мировую фоновую концентрацию в растениях, но существенно выше кларка.

• 3.    Длительное накопление As происходит в корнях Р. suaveolens. КБП As органами растения не превышает 0,12.

• 4.    Учитывая установленные биогеохимические особенности, рационально использовать это растение для биологической рекультивации техногенных массивов изученного района.