Тяжелые металлы в почвах и овощных культурах в зоне влияния цементного завода города семей (Республика Казахстан)

В городах многих государств СНГ имеется большое количество дачных и приусадебных участков, на которых местные жители выращивают овощные культуры, в основном для личного потребления. Почвы этих участков и выращиваемые на них овощные культуры подвергаются загрязнению атмосферными выбросами промышленных предприятий и объектов теплоснабжения городов. В числе прочих загрязнителей эти выбросы содержат тяжелые металлы (ТМ), многие из которых представляют значительную опасность для здоровья человека, попадая в организм при потреблении в пищу овощных культур, выращенных на загрязненной территории [1; 2].

Цементные заводы являются источниками пылевых выбросов в атмосферу, содержащих ТМ [3].

Поскольку в городе Семей цементный завод является одним из крупнейших предприятий с большим объемом выбросов в атмосферу, содержащих ТМ, которые загряз-

няют расположенные в его зоне влияния почвы и растительность дачных участков, исследования имеют как теоретический, так и практический интерес.

Объекты и методы

В ходе рекогносцировочного этапа исследований была обработана и систематизирована информация о составе и объеме атмосферных выбросов цементного завода. Затем был проведен отбор проб почв с глубин 0–5 см и 5–20 см на территории промышленной зоны с целью определения границ техногенного ореола рассеивания, образуемого цементным заводом. Был также заложен полнопрофильный почвенный разрез для изучения вертикального распределения ТМ.

После определения границ техногенной аномалии, образуемой цементным заводом, был проведен основной этап исследований, который включал отбор проб почв по 4 румбам на расстоянии 50, 100, 200, 500, 1500, 2000 м от источника загрязнения. За точку отсчета были приняты трубы предприятия. В пробах определяли общепринятыми методами содержание гумуса, карбонатов, физической глины, величину рН, емкость катионного обмена для характеристики почв и последующего определения буферной способности почв по отношению к ТМ.

На дачных участках в зоне влияния цементного завода были отобраны пробы употребляемых в пищу органов овощных культур – плодов томата, огурцов; кочанов капусты, корнеплодов свеклы и моркови, луковиц репчатого лука.

Содержание кадмия и свинца в почвах и растениях определяли при помощи спектрометра с индуктивно связанной плазмой Spetra-clam и методом атомной абсорбции при помощи атомно-абсорбционного спектрофотометра ADS-3.

В качестве фоновых использовали концентрации кадмия и свинца в незагрязненной техногенной деятельностью почве, отобранной в 80 км от города.

Для оценки буферной способности почв по отношению к ТМ использовали градации, предложенные В.Б. Ильиным [4].

Результаты исследования

В результате проведенных исследований установлено, что в цементной пыли, выбрасываемой в атмосферу, содержатся в высоких концентрациях следующие ТМ (мг/кг): Zn – 8000, Pb – 4000, Cd – 120, Cu – 230, As – 59, Mo – 21, Tl – 8,3. Основным источником загрязнения цементной пыли являются используемые в качестве компонента сырья огарки [5]. Так, содержание ТМ в огарках составляет (мг/кг): Zn – 3300, Pb – 1300, Cd – 45, Cu – 2500, As – 1040, Mo – 88, Tl – 3,8. Высокое содержание тяжелых металлов в цементной пыли обнаружили также другие исследователи. Так, согласно данным, представленным Рэуце и Кырстя [6], в цементной пыли содержание Cd – 31, Cu – 218, Pb – 836 мг/кг.

Атмосферные выбросы цементного завода и ТЭЦ-1 послужили источником формирования в почвах левобережной части города Семей цинково-свинцово-медно-хромово-никелевого загрязнения. Именно для этой почвенно-геохимической аномалии характерно наибольшее загрязнение городских почв. В частности, суммарный показатель загрязнения Z c в ядре этой аномалии достигает 155,3, а максимальное загрязнение почв наблюдается в районе промышленной площадки цементного завода.

Для почв в районе цементного завода характерно высокое содержание мобильных форм ТМ. В табл. 1 приведено содержание двух форм ТМ – кислоторастворимой и обменной, извлекаемых экстрагентами 1 н. HCl и ацетатно-аммонийным буфером (рН 4,8) соответственно.

Хотя 1 н. HCl представляет собой довольно агрессивный раствор и извлекает значительную часть содержащихся в почве ТМ, он широко используется в почвенно- агрохимических исследованиях. В частности, на использовании этого экстрагента основан предложенный Г.Я. Ринькисом метод оптимизации минерального питания [7]. Извлекаемое этим раствором количество химических элементов следует рассматривать в качестве «ближнего резерва».

Ацетатно-аммонийный буфер, примененный для извлечения обменных форм химических элементов, согласно мнению ряда исследователей [8] извлекает наиболее доступную для растений форму химических элементов.

Таблица 1

Содержание мобильных форм тяжелых металлов в почвах в зоне влияния цементного завода

Местонахождение техногенной аномалии	Максимальное содержание, мг/кг
	Zn	Pb	Cu	Cd
Район цементного завода	185,0 121,0	86,0 65,0	71,0 57,0	3,2 1,8
Фоновое содержание	6,0–8,5 1,3–9,5	2,5–3,8 1,5–2,3	0,22–0,43 0,22–0,65	0,04–0,08 0,04–0,06

Примечание . Над чертой – содержание кислоторастворимой формы (экстрагент – 1 н. HCl), под чертой – содержание обменной формы (ацетатно-аммонийный буфер, рН 4,8).

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, максимальное содержание мобильных форм представленных ТМ превышает фоновый уровень в десятки раз.

Приоритетные металлы – загрязнители почв обладают высокой мобильностью (доля мобильный форм этих элементов от валового содержания). Так, мобильность Zn достигает 50%, Cd – 65%, Cu – 45%, что косвенно указывает на значительное загрязнение почвы. Такая высокая мобильность характерна для загрязненных почв в пределах геохимической аномалии, тогда как в менее загрязненных почвах доля мобильных форм не превышает 10% от валового содержания.

Значительному загрязнению атмосферными выбросами цементного завода подвергаются находящиеся вблизи предприятия дачные поселки «Мурат», «Бобровка», а также многочисленные огородные участки в поселках «Цементный», «Степной», «Западный».

Содержание приоритетных ТМ-загрязнителей в овощных культурах в пределах техногенной аномалии, ведущую роль в образовании которой играет цементный завод, показано в табл. 2. В этой таблице для сравнения приведено содержание этих же элементов в слабозагрязненных почвах поселка «Восточный».

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что максимальное содержание Zn, Cd, Cu, Cr и Pb в некоторых овощных культурах в зоне влияния цементного завода значительно превышает ДОК, а в овощах, произрастающих на незначительно загрязненной территории поселка «Восточный», содержание этих ТМ находится на фоновом уровне. Кроме приоритетных ТМ-загрязнителей, содержание некоторых других элементов (Mn, Co, Mo) также велико и превышает фоновый уровень. Однако в связи с отсутствием гигиенических нормативов оценить негативное влияние этих элементов на организм человека не представляется возможным. Высокое содержание циркония и ванадия обнаружено в свекле, произрастающей в зоне влияния цементного завода.

В овощных культурах, выращиваемых в зоне влияния цементного завода, отмечена повышенная концентрация таллия в органах запасания ассимилянтов. Содержание таллия в капусте, моркови, картофеле и свекле находится в пределах 0,06–0,19; 0,5; 0,19–0,33; 0,15–0,28; 0,19–0,45 мг/кг соответственно. Поскольку ПДК таллия в России не разработаны, были использованы ПДК этого элемента, разработанные в Германии и равные 1 мг/кг. Подобным образом ситуация складывается в Западной Сибири, где имеет место загрязнение таллием овощных культур атмосферными выбросами Черно-реченского цементного завода [9].

Таблица 2

Содержание приоритетных тяжелых металлов-загрязнителей в овощных культурах в пределах техногенной аномалии и на слабозагрязненных почвах, мг/кг

Местонахождение и источник загрязнения	Культура	Zn	Cd	Cu	Cr	Pb	Zr
Западная промышленная зона	Томат	2,0–5,1 3,7	0,01–0,05 0,02	3,2–10,4 5,6	0,04–0,10 0,07	0,18–0,54 0,37	–
	Свекла	4,3–13,5 8,9	0,04–0,18 0,11	2,3–12,6 8,7	0,08–0,25 0,18	0,22–1,1 0,64	0,01
	Морковь	2,6–10,3 6,2	0,02–0,08 0,05	1,5–9,3 4,5	0,05–0,28 0,17	0,2–10,5 0,6	–
	Лук	2,1–8,5 5,8	0,02–0,07 0,05	1,0–7,8 4,5	0,04–0,15 0,09	0,11–0,75 0,51	–
	Капуста	2,1–8,8 5,1	0,01–0,05 0,03	1,0–4,2 2,4	0,02–0,09 0,05	0,19–0,60 0,39	–
	Картофель	2,9–19,0 10,1	0,02–0,11 0,07	2,8–12,3 9,1	0,08–0,24 0,16	0,17–1,3 0,71	–
Дачные участки поселка «Восточный»	Томат	0,8–2,5 1,1	0,002–0,004 0,003	0,1–1.1 0,6	0,003–0,008 0,005	0,008–0,15 0,1	–
	Свекла	1,3–2,6 1,9	0,006–0,008 0,007	0,04–0,9 0,43	0,06–0,10 0,08	0,05–0,29 0,17	–
	Морковь	1,0–1,7 1,3	0,003–0,006 0,004	0,5–0,8 0,65	0,005–0,08 0,04	0,07–0,11 0,09	–
	Лук	1,3–2,5 1,8	0,004–0,006 0,005	0,2–0,6 0,35	0,06–0,09 0,07	0,09–1,3 0,1	–
	Капуста	0,8–1,7 1,2	0,01–0,02 0,014	0,2–1,2 0,2	0,01–0,07 0,045	0,05–0,11 0,07	–
	Картофель	0,009–2,9 0,15	0,01–0,02 0,15	0,2–1,2 0,7	0,03–0,14 0,08	0,09–0,13 0,1	–

Примечание . Над чертой – пределы колебаний, под чертой – средняя арифметическая.

Однако далеко не все овощные культуры в пределах этой техногенной аномалии опасно загрязнены ТМ. Так, кадмием и цинком загрязнено только 15–28% всех овощных культур, а цинком и медью загрязняются главным образом корнеплоды. Это явление, снижающее остроту экологической ситуации, можно объяснить наличием защитных механизмов, ограничивающих поступление ионов ТМ в органы запасания ассими-лянтов [10], и высокой буферной способностью почв [11].

Заключение

Цементный завод является крупным источником поступления выбросов ТМ в атмосферу города Семей с цементной пылью, в которую элементы поступают из огарков, входящих в состав сырья.

Атмосферные выбросы являются основой для формирования техногенной аномалии в почвах в зоне влияния предприятия с цинково-свинцово-медно-хромово-никеле-вого загрязнением. Именно для этой почвенно-геохимической аномалии характерно наибольшее загрязнение городских почв.

Приоритетные металлы-загрязнители почв в пределах техногенной аномалии обладают высокой мобильностью.

Максимальное содержание Zn, Cd, Cu, Cr и Pb в некоторых овощных культурах в зоне влияния завода значительно превышает ДОК, а содержание некоторых других элементов (Mn, Co, Mo) также велико и превышает фоновый уровень.

Цементный завод является источником повышенного содержания таллия в овощных культурах.

В пределах техногенной аномалии, образовавшейся в зоне влияния цементного завода, опасно загрязнены ТМ только 15–28% всех овощных культур, что связано с большой мозаичностью почв и различиями в буферной способности.

A.N. Korolev

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

V.A. Boev

Tyumen State University, Tyumen

Heavy metals in soils and vegetable crops in zone of cement plant influence of Semej city