Мониторинг окружающей среды в Республике Казахстан на содержание тяжелых металлов и радионуклидов

Автор: Омарова Нурия Молдагалиевна, Нургалиева Диана Жаныбековна, Нуркасимова Махаббат Улановна, Фронтасьева Марина Владимировна, Моржухина Светлана Владимировна, Кабдулкаримова Кульбану Кабдулкаримовна

Журнал: Сетевое научное издание «Международный журнал. Устойчивое развитие: наука и практика» @journal-yrazvitie

Статья в выпуске: 1 (20), 2018 года.

Бесплатный доступ

Метод мхов-биомониторов был применен для оценки атмосферного выпадения тяжелых металлов (ТМ) и других микроэлементов в Юго-Восточной, Северо-Восточной, Северной и Центральной частях Казахстана в рамках программы ООН по воздуху Европы (UNECE ICP Vegetation). Семьдесят восемь образцов мхов были собраны летом и осенью 2015 года, а тридцать пять образцов мхов - летом 2016 года. 46 элементов определили методом нейтронного активационного анализа на реакторе ИБР-2 в лаборатории Нейтронной Физики Объединенного Института Ядерных Исследований (ОИЯИ). Для прогноза и оценки состояния окружающей среды в последние десятилетия все большее распространение получают методы, основанные на биоиндикации. Данная тема актуальна, поскольку оценка загрязнения атмосферного воздуха является важной задачей охраны окружающей среды. Основной целью работы является определение степени загрязнения токсичными элементами с помощью мхов-биоиндикаторов районов Казахстана.

Еще

Биомониторинг, мхи-биоиндикаторы, тяжелые металлы, радионуклиды

Короткий адрес: https://sciup.org/14123184

IDR: 14123184

Текст научной статьи Мониторинг окружающей среды в Республике Казахстан на содержание тяжелых металлов и радионуклидов

Состояние окружающей среды и, следовательно, здоровье населения во многом зависят от состояния земной атмосферы. Атмосфера в основном состоит из смеси природных газов [5]. Частицы проникают в воздух либо из природных источников (почвы, горных пород, водных объектов и живых организмов), либо в результате антропогенной активности (промышленность, транспорт, топливо, человеческие отходы и т.д.). Среди различных видов загрязняющих веществ наиболее опасными являются тяжелые металлы [8, 9, 10].

В рамках ЕЭК ООН Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (LRTAP) в 1987 году была создана ICP Vegetation по растительности. ICP Vegetation по растительности является международной исследовательской программой, изучающей воздействие загрязнителей воздуха на сельскохозяйственные культуры и (полуфабрикаты) естественной растительности и отчитывается перед Рабочей группой по воздействию (WGE). В программе основное внимание уделяется следующим проблемам загрязнения воздуха: воздействию загрязнения озона на растительность и атмосферному выпадению тяжелых металлов и азота на растительность. Кроме того, ICP Vegetation по растительности учитывает воздействие смесей загрязнителей (например, озона и азота), последствия для биоразнообразия и модифицирующее влияние изменения климата на воздействие загрязнителей воздуха на растительность. Результаты исследований, проведенных ICP по растительности, используют при оценке текущих и прогнозов будущего, состояния окружающей среды. В программе участвуют 39 Сторон Конвенции по LRTAP . С 2014 года координация программой по воздуху Европы с использованием мхов-биомониторов перешла из Великобритании в Россию, в Объединенный институт ядерных исследований.

Использование мхов в качестве биомониторов в региональном масштабе было введено в Скандинавии более трех десятилетий назад [12], и в настоящее время оно широко применяется в качестве метода оценки атмосферного выпадения следовых элементов. Метод основан на том факте, что мхи, особенно коврообразующие виды, получают большую часть своих питательных веществ непосредственно из осадков и сухого осаждения; есть небольшое поглощение металлов из почвы. Тяжелые металлы, осажденные из атмосферы, как правило, удерживаются мхами, что делает пробы и химический анализ более достоверными. Это проще и дешевле, чем обычный анализ осадков, поскольку он позволяет избежать необходимости в развертывании большого количества сборщиков осадков с соответствующей долгосрочной программой регулярного сбора и анализа проб [6].

Материалы и методы

Описание изучаемой территории . Республика Казахстан – государство в центре Евразии большая часть которого относится к Азии, меньшая – к Европе. Площадь территории – 2 724 902 км². Занимает 9-е место в мире по территории, 2-е место среди стран СНГ. Располагается между Каспийским морем, Нижним Поволжьем, Уралом, Сибирью, Китаем и Средней Азией. Граничит на севере и западе с Россией (длина границы – 7548,1 км), на востоке – с Китаем (1782,8 км), на юге – с Киргизией (1241,6 км), Узбекистаном (2351,4 км) и Туркменией (426 км). Общая протяженность сухопутных границ – 13392,6 км. Протяжённость страны с востока на запад составляет 2963 км, а с севера на юг – 1652 км. Омывается водами внутриконтинентальных Каспийского и Аральского морей. Экономикогеографически Казахстан делится на Западный, Центральный, Восточный, Северный и Южный регионы. Большую часть территории Казахстана занимают пустыни – 44 % и полупустыни – 14 %. Зона степей занимает 26 % территории Казахстана, леса – 4,6%. Казахстан обладает разнообразными полезными ископаемыми. В недрах Казахстана выявлено 99 элементов таблицы Менделеева, разведаны запасы по 70, вовлечено в производство более 60 элементов.В настоящее время известно 493 месторождения, содержащих 1225 видов минерального сырья. Казахстан занимает 1 место в мире по разведанным запасам Zn, W, второе – Ag, Pb и хромитов, третье – Cu и флюорита, четвёртое –Mo, пятое – Au [1].

Отбор проб и их подготовка к анализу. В соответствии с общепринятой международной методикой [7] были собраны 53 проб мхов летом 2014-2015 годов, 38 проб – осенью и летом 2015-2016 годов.

Точки пробоотбора (рис. 1) были выбраны на открытых местах вдали от деревьев, жилых объектов, крупных дорог, населенных пунктов. При сборе мха были использованы перчатки и полиэтиленовые пакеты.

В лаборатории после удаления инородных растительных материалов мох высушили при комнатной температуре, а затем довели до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 30° в течение 48 часов. Мох не промывали и не измельчали [13].

Рис. 1. Общая карта пробоотбора

Анализ. Концентрации элементов (Na, Mg, Al, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Zn, As, Se, Br, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo , Ag, Cd, Sb, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Tm, Hf, Ta, W, Au, Th и U) определялись с помощью инструментального эпитеплового нейтронного активационного анализа (ИНАА) [2]. Инструментальный нейтронный активационный анализ (ИНАА) проводили на реакторе ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ с использованием пневмотранспортной установки РЕГАТА [3]. Были использованы две различные процедуры анализа. Первым было короткое облучение в течение 3-5 минут для измерения гамма-активности короткоживущих изотопов (Al, Ca, Cl, Mg, Mn и V). После периода затухания 5-7 мин облученные образцы измерялись дважды, сначала в течение 3-5 минут, а затем в течение 10-15 мин. Для измерения долгоживущих радионуклидов использовалось длительное облучение в течение 45 дней. После облучения образцы были упакованы и измерены дважды, сначала через 40-50 мин для определения As, Br, K, La, Na, Mo, Sm, U и W, а затем через 20 дней 2,5 – 3 часа для

Электронное научное издание

«Международный электронный журнал. Устойчивое развитие: наука и практика»

вып. 1 (20), 2018, ст. 3

определения Ba, Ce, Co, Cr, Cs, Fe, Hf, Ni, Rb, Sb, Sc, Sr, Ta, Tb, Th и Zn.Обработка данных и определение концентраций элементов проводились с использованием сертифицированных эталонных материалов и потоковых компараторов с помощью программного обеспечения, разработанного в ЛНФ, ОИЯИ [11]

Результаты и их обсуждение. С помощью НАА определили 46 элементов, присутствующие в атмосферных выпадениях: тяжелые металлы (Al, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sr, Mo, Ba, W), галогены (Cl, Br, I), аниогенные элементы (Si, As, Se), редкоземельные элементы (Sc, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb), щелочные металлы (Na, K, Rb, Cs), щелочноземельные элементы (Mg, Ca, Ba), рассеянные элементы (Sb, Hf, Ta), актиниды (U и Th), а также Ti и Au.

Важно отметить, что не все вышеперечисленные элементы имеют отношение к загрязнителям воздуха, но их определяют в качестве дополнительной информации в процессе многоэлементнего анализа (табл. 1).

Таблица 1. Концентрации элементов (мкг/г) во мхах

Элемент	Изотоп	Период полураспада	Энергия гамма линии, кЭв	Maкси мум	Mини мум	Среднее
Na	²⁴Na	14,7 h	2753,6	1960	361	760,4
Mg	27 _Mg	9,5 m	1014,1	5380	1100	2627
Al	28 _Al	2,2 m	1778,9	9690	1410	3879,5
Si	³⁰Si	2,62 h	1266,2	46400	8270	19933,5
Cl	38 _Cl	37,2 m	2168,8	229	66,1	128,81
K	⁴²K	12,4 h	1524,7	9470	3040	6667,5
Ca	49 _Ca	8,7 m	3084,4	11000	1620	5643,5
Sc	46 _Sc	83,8 d	889,2	2,16	0,498	1,1
Ti	⁵¹Ti	5,8 m	320,1	679	72,5	259,96
V	52 _V	3,8 m	1434,1	18,9	2,63	7,374
Cr	⁵¹Cr	27,7 d	320,1	17,9	5,53	9,406
Mn	56 _Mn	2,6 h	1810,7	444	44,3	234,115
Fe	59 _Fe	44,5 d	1099,2	5700	1280	2815
Co	⁶⁰Co	5,3 y	1173,1	3,07	0,685	1,5261
Ni	58 _Co	70,9 d	810,8	7,8	1,8	4,1415
Zn	65 _Zn	244 d	1116	101	28,8	55,745
As	⁷⁶As	26,3 h	559,1	5,42	1,35	3,195
Se	75 _Se	119,8 d	264,7	0,404	0,199	0,306
Br	⁸²Br	35,3 h	776,5	12,8	2,6	5,2195
Rb	86 _Rb	18,7 d	1076,6	16,6	6,11	10,495
Sr	85 _Sr	64,8 d	514	53,8	14,9	29,555
Zr	⁹⁵Zr	64 d	756.7	29,5	5,23	14,2995
Mo	⁹⁹Mo	66 h	140,5	0,701	0,101	0,2295
Sb	124 _Sb	60,2 d	1691	0,525	0,139	0,29085
I	128	25 m	442,9	12,1	0,303	6,62815
Cs	134 _Cs	2,1 y	795,8	0,799	0,282	0,49155
Ba	131 _Ba	11,8 d	496,8	84,4	19,7	44,38
La	140 _La	40,2 h	1596,5	15	1,26	3,6125
Ce	141 _Ce	32,5 d	145,4	19,8	1,99	6,011
Nd	147 _Nd	10,98 d	531	8,4	0,384	2,453

Sm	153 _Sm	46.7 h	103.2	1,67	0,179	0,45045
Eu	152 _Eu	13,3 y	1407,5	0,229	0,0254	0,11231
Tb	160 _Tb	72,3 d	879,4	0,181	0,0251	0,0663
Yb	169 _Yb	31.8 d	177.2	0,693	0,0729	0,305695
Hf	181 _Hf	42,4 d	482	0,697	0,137	0,341
Ta	182 _Ta	114,4 d	1221,4	0,128	0,0299	0,065725
W	187 _W	23,9 h	685,8	1,59	0,148	0,50195
Au	198 _Au	2,7 d	411,8	0,0213	0,000325	0,004308
Th	233 _Pa	27 d	312	2,12	0,35	0,8971
U	²³⁹Np	2,4 d	228,2	2,1	0,12	0,3494

Сравнение концентраций элементов Казахстан-Норвегия показало повышенные значения для большинства тяжелых металлов (Fe, Mn, Ti, V, As, Mg, Al, Ca и т. д.) (табл. 2).

Таблица 2. Сравнения значений медианы элементов, содержащихся во мхах Казахстана с данными Македонии [4] и Норвегии [14]

	Казахстан		Македония (2010)		Норвегия (2015)
Элемент	Медиана	Диапазон	Медиана	Диапазон	Медиана	Диапазон
²⁴Na	1950	260-17100	-	²⁴Na	-	-
27 _Mg	5140	918-24800	1900	27 _Mg	1730	940-2370
²⁸Al	9260	33,8-40300	1900	²⁸Al	200	67-820
38 _Cl	160	36,8-2900	-	38 _Cl	-	-
42 _K	8080	1450-23200	4600	42 _K	-	-
⁴⁹Ca	8880	1100-137000	7100	⁴⁹Ca	2820	1680-5490
51 _Ti	55,5	61,7-3920	-	51 _Ti	23.5	12.4-66.4
52 _V	13	2,63-64	3.5	52 _V	0.92	0.39-5.1
56 _Mn	218	30,8-1260	130	56 _Mn	256	22-750
59 _Fe	5090	884-25900	1500	59 _Fe	209	77-1370
⁶⁵Zn	53,65	0,933-1500	20	⁶⁵Zn	26.5	7.9-173
76 _As	2,47	0,0909-17,1	-	76 _As	0.093	0.020-0.505
⁸²Br	4,13	1,39-74	-	⁸²Br	4.5	1.4-20.3
86 _Rb	16,6	4,76-79,9	-	86 _Rb	7.7	1.3-51.5
⁹⁹Mo	0,3	0,0639-2,13	-	⁹⁹Mo	0.135	0.065-0.70
¹¹⁵Cd	0,259	0,005-4,4	0.22	¹¹⁵Cd	0.058	0.025-0.171
128	2,11	0,151-12,1	-	128	2.5	0.6-41.7
124 _Sb	0,335	0,11-1,77	-	124 _Sb	0.033	0.004-0.240
131 _Ba	102	12,5-439	34	131 _Ba	17.1	5.6-50.5
140 _La	5,56	0,78-37,3	-	140 _La	0.189	045-2.56
153 _Sm	0,888	0,0124-7,09	-	153 _Sm	0.33	0.05-1.34
187 _W	0,37	0,00208-2,78	-	187 _W	0.127	0.009-1.23
198 _Au	0,00234	0,000205-0,0246	-	198 _Au	-	-

Повышение концентраций металлов в исследуемых образцах, по-видимому, обусловлены состоянием промышленного загрязнения в этих регионах (табл. 3).

Таблица 3. Потенциальные источники загрязнения в исследуемых районах

Промышленность	Типы производства	Загрязняющие элементы
Металлургия	Гидрометаллургический завод	U, Ni, Zn, Au, Co, Fe, Al, Mg, Eu, Pb, Sn
	Национальная атомная компания «Казатомпром»	U, Mo, Ta, Nb, Se
	Южполиметалл	Cd, As, Cl, Sb, Pb, Zn, Re, Bi

	Алюминий Казахстана	Al, Ga
	АрселорМиттал	Zn, Sn, W, Mo
	Титано-магниевый комбинат	Ti, Mg, Zr, Nd
	Ульбинский металлургический завод(УМЗ)	Nb, Ti, Ta, Zr, W, Y, Al, Be, Cu
Горнодобывающая	Горно-металлургический концерн «Казахалтын»	Au, Hg
	ОАО Казахмыс	Cu, Zn
	ОАО Казхром	Cr, Ti, Zr
	Казцинк	Pb, Zn, Cu, Cd, Ag, Se, Te, Hg, In, Ce
	Жезказганредмет	Rb, Au, Ag, Bi, Zn, Mo, Cd, Ce, Li, Tl, Co, Re
	Жайремский горно-обогатительный комбинат	Mn
	ТОО «ГРК Казахстанский никель»	Ni, Co
Машиностроение	АО «Тыныс» производство узлов и агрегатов авиационной техники, средств пожаротушения, газозапорной арматуры, медицинской и весоизмерительной техники, полиэтиленовых труб	Fe, Cl, Se
Химическая	ТОО «Казфосфат»	P, Cd,Ca
	ТОО «Степногорский горно-химический комбинат» - производство U, Mo концентрата	U, Mo, Cu, Zn, Pb, As, Cu
	ТОО «Оркен - Атансор» – добыча железной руды	Fe, Mn, As, Si
	ОАО «Гербициды » производит химические средства защиты растений	As, Br, Cd, Cl, Cu, Hg, Zn

Графические и статистические методы обработки данных позволили выявить антропогенное происхождение ряда токсичных элементов, присутствующих в атмосферном воздухе (рис. 2).

Электронное научное издание

«Международный электронный журнал. Устойчивое развитие: наука и практика»

вып. 1 (20), 2018, ст. 3

Акмолинская область, Боровое

• Алматы (Иссыккуль)

Шымкент

• Усть-Каменогорск

Павлодар

• Семей

—• Акмолинская область, Боровое

Алматы (Иссыккуль)

е Шымкент

Усть-Каменогорск

Павлодар

е Семей

Рис. 2. Концентрация некоторых элементов в разных районах Казахстана

Выводы

Проведенное предварительное исследование показывает, что биомониторинг мхов атмосферного выпадения тяжелых металлов является эффективным методом изучения воздушных выпадений в Казахстане.

Самые низкие концентрации для большинства тяжелых металлов можно увидеть в Акмолинской области. В Cеверном Казахстане на одноименном озере находится поселок Боровое, климато-кумыс-лечебный курорт в Акмолинской области, окрестности которого считаются одним из самых красивых и нетронутых мест всей страны. Неудивительно, что туристы назвали его «Жемчужиной Казахстана» и «Казахстанской Швейцарией».

Эти предварительные результаты наших исследований в разных областях Казахстана, несмотря на небольшое количество исследуемых территорий, выглядят весьма перспективными для расширения зон отбора проб для обследования мхов в 2020 году.

Список литературы Мониторинг окружающей среды в Республике Казахстан на содержание тяжелых металлов и радионуклидов

Республиканский туристский портал - Акмолинская область http://visitkazakhstan.kz/ru/guide/tours/view/491.
Фронтасьева М.В. Нейтронный активационный анализ в науках о жизни // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2011. Т. 42. № 2. C. 636-716.
Фронтасьева М. В., Павлов С. С. REGATA Experimental Setup for Air Pollution Studies // Проблемы современной физики. Дубна, ОИЯИ.1999. С.152-158.
Barandovski L., Stafilov T., Frontasyeva M., Šajn R., Bačeva K., Mihajlov M., Steinnes E. Moss biomonitoring of trace elements in the atmosphere in the Republic of Macedonia - a survey in 2010. IX Conference of the Society of Physicists of Macedonia, Book of Abstracts. Ohrid. 20-23 September 2012. Р. 73.
Baumbash G. Air Quality Control. Environmental Eng. Ser., Ed. by U. Forstner, R. J. Murphy, and W. H. Rulkens, Springer, Heidelberg, Berlin. 1996. 214 с.

Статья научная