Загрязняющие вещества в пыли проезжих частей дорог и в древесной растительности придорожных полос городской зоны
Автор: Кайгородов Р.в, Тиунова М.И., Дружинина А.В.
Журнал: Вестник Пермского университета. Серия: Биология @vestnik-psu-bio
Рубрика: Экология. Охрана природы
Статья в выпуске: 10, 2009 года.
Бесплатный доступ
Исследовано содержание тяжелых металлов, микро- и макроэлементов в пыли проезжих частей дорог и листьях липы мелколистной, придорожных газонов городов Люнебург (Германия), Соликамск и Краснокамск (Россия). Содержание тяжелых металлов в пыли дорог имеет региональную специфику. Накопление металлов в листве лип определяется видовыми физиологическими особенностями растения. Установлено повышенное содержание свинца, цинка, меди, никеля, хрома и других микроэлементов в пыли проезжих частей. Содержание опасных элементов в листьях липы существенно ниже токсичного уровня.
Короткий адрес: https://sciup.org/147204452
IDR: 147204452
Текст научной статьи Загрязняющие вещества в пыли проезжих частей дорог и в древесной растительности придорожных полос городской зоны
Автотранспорт является одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Придорожные экосистемы и атмосфера постоянно подвергаются воздействию различных загрязняющих веществ. Главным образом транспорт является источником свинца, который при сжигании горючего поступает в воздух, растительность и в конечном итоге в почву. Свинец обладает высокой кумулятивной способностью в природных объектах и имеет очень большой период выведения из почвы. Несмотря на использование свободного от свинца топлива и катализаторов, в придорожных экосистемах постоянно обнаруживается содержание свинца, что представляет экологическую проблему (Wegelin, 1997). Кроме свинца транспорт поставляет в придорожные участки другие токсичные элементы: кадмий, цинк, медь, хром и ванадий. Источники загрязняющих элементов в придорожных полосах представлены в таблице 1.
Автотранспорт наряду с промышленными предприятиями представляет существенную угрозу здоровью населения городов в результате эмиссии пыли в атмосферу. При работе двигателей внутреннего сгорания, при сжигании горючих материалов в ТЭЦ и других промышленных и коммунальных предприятиях урбанизированные территории загрязняются тонкой пылью с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм и грубой пыль (диаметром более 10 мкм). Частицы тонкой пыли мигрируют с потоками воздуха на большие расстояния, длительно находятся в воздухе, попадают в организм человека и проникают глубоко в легкие, являясь причиной воспалений, сердечно-сосудистых заболеваний. Они также обладают канцерогенным действием. По данным Всемирной организации здравоохранения содержание в воздухе населенных пунктов тонкой пыли в количестве более 10 мкг/м3 может приводить к сокращению продолжительности жизни людей (WHO …, 2005). Согласно оценкам Федеральной службы статистики ФРГ смерть участников автомобильного движения наступает в среднем в возрасте 44 года при средней продолжительности жизни в Германии 76 лет (Wichmann-Fiebig et al., 2005).
Таблица 1
и сточники поступления химических элементов в придорожные полосы (по f ritsche , b ecker , 1992 )
Источник |
Элемент |
Выхлопные газы |
Pb, Ni |
Износ проезжей части |
Si, Ca, Mg, тяжелые металлы |
Износ колес |
Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni |
Износ тормозных колодок |
Cr, Cu, Ni, Pb, Zn |
Горюче-смазочный материал |
Pb, Ni, Zn, Cu, V, Cr |
Коррозия автомобилей |
Cu, Pb, Zn |
Антигололедные средства |
Na, Ca, Mg |
Грубые частицы также представляют опасность для экологического и санитарно-гигиенического состояния городских территорий. На поверхности частиц пыли в адсорбированном состоянии находятся разнообразные токсичные вещества: РАК, диоксины, тяжелые металлы (As, Cd, Ni,, Hg). Частицы пыли оседают на обочинах дорог, поверхности почвы и листьев растений и могут вновь вовлекаться в миграцию со сточными водами или потоками воздуха, включаться в круговорот веществ и пищевые цепи животных и человека.
Для растений придорожные участки представляют экстремальные места обитания. Растения испытывают прямое и косвенное (через почву) влияние тяжелых металлов и антигололёдных средств. Кроме того, растения должны приспосабливаться к меняющимся почвенным параметрам (уровень кислотности, содержание воды, баланс веществ).
Целью нашей работы являлось изучение антропогенного загрязнения придорожных полос урбанизированных территорий.
Были изучены:
-
• валовое содержание тяжелых металлов, радиоактивных элементов, микроэлементов и остатков солей в пыли проезжих частей дорог;
-
• подвижность тяжелых металлов и
- макроэлементов в исследуемой пыли;
-
• накопление токсичных и питательных
элементов в листьях придорожных деревьев.
Объект и методы исследований
Исследования проводились на территориях городов Люнебург (Германия), Краснокамск и Соликамск (Россия) (см. табл. 2).
Пробы твердых отложений отбирались в летний период непосредственно с проезжих частей на дорогах с разной интенсивностью движения (главные и второстепенные дороги). В каждом городе было исследовано по 6 крупных дорог и по
-
6 второстепенных дорог, расположенных в центе и на разном удалении от центра города (от 0 до 5 – 7 км). В качестве растительных объектов послужили листья липы мелколистной ( Tilia cordata L.). Пробы листьев (приземный ярус) отбирались в точках сбора образцов пыли. Схема отбора проб позволила равномерно охватить всю территорию исследуемых городов. В качестве контроля служили пробы пыли с дорог и листья лип, отобранные в пешеходной зоне г. Люнебург, в 7.5 км от центра, и в 1.5 км от проезжих частей. Контроль в данном случае является весьма условным, поскольку пешеходные участки урбанизированных территорий также подвержены загрязнению в результате атмосферного переноса.
Обменную кислотность пыли определяли в солевой суспензии пыли (0.1 М раствор CaCl 2 ).
В пыли содержание химических элементов определяли в гранулометрических фракциях менее 0.25 мм. Анализ валового содержания элементов в пыли и листьях проводился методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES) после мокрого озоления с использованием СВЧ-системы пробоподготовки. Подвижность элементов изучалась в водной вытяжке пыли. Валовое содержание редких и радиоактивных элементов определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS)
Работа проводилась в рамках совместного проекта университета г. Люнебург и Пермского государственного университета «Загрязняющие вещества на проезжих частях дорог» в 2006 – 2008 гг. при финансовой поддержке Немецкой службы академических обменов (DAAD).
Уровень кислотности влияет на физикохимические свойства поверхностных отложений на проезжих частях дорог. Кислотно-основные свойства играют существенную роль в миграции тяжелых металлов в окружающей среде. Как показывает таблица 3, уровень кислотности твердых отложений на проезжих частях находится
Таблица 2
Общая характеристика исследуемых городов
Параметр |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
|
Климат |
Умерено-влажный |
Умерено-континентальный |
||
Площадь, км2 |
73,34 |
68,0 |
165,0 |
|
Численность населения |
72 299 (на 2007) |
52 675 (на 2006) |
98 200 (на 2007) |
|
Промышленность |
Текстильная, пищевая, электроника, типографии |
Целлюлозно-бумажная, металлургия, химическая, пищевая, энергетика |
Горнодобывающая, производство минеральных удобрений, пищевая, металлургия |
|
Количество автотранспорта |
32000 |
13665 |
23005 |
Таблица 3
Уровень обменной кислотности твердых отложений проезжих частей дорог
Химический состав выбросов, поступающих на поверхность проезжих частей дорог, весьма разнообразен. В связи с этим химические элементы, найденные в составе исследуемых твердых отложений, были разбиты на несколько групп по происхождению:
-
• тяжелые металлы, поступающие непосредственно от автотранспорта,
-
• микроэлементы, поступающие из прочих источников,
-
• остатки антигололедных средств,
-
• макроэлементы.
В твердых отложениях проезжих частей дорог пешеходной зоны всех городов установлено достоверно повышенное содержание хрома, никеля и цинка (табл. 4). Повышенное накопление меди и свинца относительно контроля отмечено только в г. Люнебург, в российских городах содержание этих металлов сопоставимо с контролем. По суммарному содержанию тяжелых металлов в твердых отложениях проезжих частей исследуемые города можно расположить в следующем порядке убывания: Люнебург>Краснокамск>Соликамск. Во всех городах на проезжих частях дорог преимущественно накапливается цинк. По характеру накопления других тяжелых металлов города отличаются. В дорожной пыли Люнебурга, включая пешеходную зону, следующими по содержанию за цинком элементами являются медь и свинец, а в российских городах – никель и хром. Т.е. поступление тяжелых металлов в дорожную пыль имеет региональную специфику.
В составе дорожной пыли обнаружены микроэлементы B, Co, Mn и Sr (см. табл. 5). Содержание микроэлементов в пыли проезжих частей дорог всех исследуемых городов достоверно превышает их концентрации в пешеходной зоне, за исключением марганца на территории г. Соликамск. Во всех городах отмечено наибольшее содержание марганца. Краснокамск отличается повышенным содержанием бора и кобальта в пыли. Транспорт и автотранспортные сети являются, таким образом, существенным источником микроэлементов в окружающей среде. При повышенном содержании микроэлементы переходят уже в ранг тяжелых металлов, и за их миграцией в урбанизированных территориях необходим мониторинг.
В результате техногенной деятельности в городах и на промышленных территориях может существенно изменяться накопление рассеянных элементов, в том числе и радиоактивных.
Таблица 4
Валовое содержание тяжелых металлов в пыли, мг/кг
Элемент |
ПДК* |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
Cd |
3 |
** - |
- |
- |
- |
Cr |
100 |
41.6±14.5 |
55.3±3.7 |
36.2±2.3 |
7.7±3.4 |
Cu |
100 |
133.3±58.7 |
30.7±8.5 |
32.6±9.1 |
28.4±12.3 |
Ni |
50 |
18.5±5.1 |
71.7±12.3 |
47.7±9.7 |
9.4±2.8 |
Pb |
100 |
54.6±32.2 |
22.0±10.4 |
21.0±8.3 |
23.1±3.4 |
Zn |
300 |
205±112 |
92.4±20.1 |
61.0±8.4 |
45.6±4.9 |
Сумма |
452.4 |
272.1 |
198.5 |
114.2 |
* ПДК для почв (по Klärschlammverordnung, 1982)
** ниже предела обнаружения (<0.1 мг/кг)
Таблица 5
Валовое содержание микроэлементов в пыли, мг/кг
Элемент |
ПДК |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
B |
5 – 80* |
44.8±9.4 |
57.7±10.7 |
48.5±6.1 |
23.8±2.3 |
Co |
50 |
46.6±11.2 |
65.3±8.3 |
58.0±9.2 |
23.2±4.3 |
Mn |
850 |
310±77 |
242±24 |
151±43 |
173±16 |
Sr |
300 |
32.9±8.9 |
34±7.4 |
35±9.3 |
22.0±5.0 |
* нормальное содержание по Alloway, 1999
Таблица 6
Валовое содержание относительно редких и радиоактивных элементов в дорожной пыли, мг/кг
Элемент |
Люнебург |
Соликамск/Краснокамск* |
Нормальное содержание** |
Ag |
0.10 |
0.44 |
0.01 – 5 (0.1) |
As |
0.96 |
0.96 |
2 – 20 |
Be |
0.12 |
0.08 |
*** - |
Bi |
0.15 |
0.28 |
- |
Cd |
0.09 |
0.07 |
0.01 – 2 |
Cs133 |
0.28 |
0.20 |
- |
Tl |
0.06 |
0.05 |
0.1 – 0.8 |
U235 |
0.73 |
0.38 |
0.7 – 9 |
U238 |
0.26 |
0.17 |
0.7 – 9 |
* среднее значение для 2 городов, ** по Alloway (1999), *** - нет данных.
Таблица 6 отражает содержание относительно редких и радиоактивных элементов в пыли проезжих частей дорог. Использование метода ICP-MS позволило обнаружить в пыли элементы, не найденные менее чувствительным методом ICP-OES. Найденные в составе дорожной пыли редкие и радиоактивные элементы используются в различных отраслях промышленности и энергетики. Исследуемые города отличаются по содержанию редких и радиоактивных элементов в пыли проезжих частей (табл. 6). Для Люнебурга характерно повышенное содержание Be, Cs, U (оба изотопа). В российских городах отмечено повышенное количество Ag и Bi. По остальным элементам - As, Cd и Tl - не выявлено достоверных отличий между городами. Количество редких и радиоактивных элементов находится в диапазоне нормального (фонового) содержания, установленного для почвенного покрова.
Антигололедные средства, применяемые в зимний период на дорогах, являются источником щелочных и щелочноземельных элементов. В городах в качестве наиболее дешевых антигололедных средств в основном используются соли. Более дорогие органические вещества применяются на специальных территориях, например в аэропортах.
В пыли проезжих частей дорог исследуемых городов содержание магния достоверно выше, чем в пешеходной зоне (контроль). Повышенное содержание натрия характерно только для проезжих частей дорог г. Люнебург и Краснокамск. Соликамск отличается наибольшим содержанием кальция в дорожной пыли (табл. 7).
Наши исследования проводились через большой промежуток времени после зимы, поэтому содержание остатков солей едва ли можно связать с использованием антигололедных веществ. Скорей всего, накоплению натрия, кальция и магния в дорожной пыли способствует износ проезжей части, транспортировка строительных материалов и удобрений и естественные процессы (эрозия прилегающего почвенного покрова).
Железо и алюминий являются самыми распространенными металлами в литосфере, они относятся к типичным макроэлементам. Однако техногенная деятельность может приводить к изменению путей миграции этих элементов в антропогенных экосистемах. Содержание алюминия в пыли проезжих частей дорог не отличается от такового пешеходной зоны. Железо, напротив, активно накапливается в дорожной пыли, его содержание на проезжих частях до 2 раз выше, чем в пыли пешеходной зоны (табл. 8).
Наибольшее экологическое значение имеют подвижные формы химических элементов. Они активно вовлекаются в геохимическую миграцию и поглощаются живыми организмами.
Таблица 7
Валовое содержание щелочных и щелочноземельных элементов в дорожной пыли, мг/кг
Элемент |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
Ca |
7827±2404 |
8434±454 |
17111±2067 |
6874±876 |
Mg |
1900±418 |
7195±673 |
5203±751 |
1012±328 |
Na |
450±112 |
295±98 |
164±76 |
186±64 |
Таблица 8
Валовое содержание алюминия и железа в дорожной пыли, мг/кг
Элемент |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
Al |
5399±1160 |
6372±1390 |
4533±1254 |
3183±1742 |
Fe |
10596±2110 |
13398±1765 |
11570±1045 |
6512±760 |
Таблица 9
Содержание водорастворимой фракции элементов в дорожной пыли (мг/кг) и их доля от валового содержания
Элемент |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
|||
мг/кг |
% |
мг/кг |
% |
мг/кг |
% |
|
B |
0.52 |
1.16 |
0.08 |
0.14 |
0.15 |
0.31 |
Ca |
66 |
0.84 |
85 |
1.00 |
61 |
0.89 |
Co |
-- |
-- |
-- |
-- |
0.03 |
0.05 |
Cr |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
-- |
Cu |
0.52 |
0.39 |
0.12 |
0.39 |
0.10 |
0.30 |
Mg |
10 |
0.53 |
15 |
0.21 |
13 |
0.08 |
Mn |
0.38 |
0.18 |
0.04 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
Na |
36 |
8 |
28 |
9.50 |
30 |
18.30 |
Ni |
0.02 |
0.11 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.08 |
Pb |
0.06 |
0.11 |
0.08 |
0.36 |
0.04 |
0.19 |
Sr |
0.33 |
1.00 |
0.28 |
0.82 |
0.25 |
0.11 |
Zn |
0.37 |
0.19 |
0.10 |
0.11 |
-- |
-- |
Примечание: «--» - ниже предела обнаружения (<0.01 мг/кг)
В урбанизированных экосистемах подвижные формы токсичных элементов могут поступать в водосборные коллекторы и накапливаться в осадке сточных вод. Это представляет проблему для утилизации и использования осадков очистных сооружений. Подвижность макро-, микроэлементов и тяжелых металлов в пыли проезжих частей дорог исследуемых городов (табл. 9) крайне ограниченна. Хром вообще не переходит в водную вытяжку. Остальные элементы в водорастворимой форме составляют сотые, десятые доли и единицы процентов от валового содержания. Даже натрий, наиболее подвижный элемент, имеет очень низкую степень растворимости и находится, вероятно, в ионнообменной форме в составе коллоидов дорожной пыли исследуемых городов.
Химические элементы придорожных экосистем поглощаются растительностью через почву или через поверхность листовых пластинок. Тяжелые металлы в листве лип придорожных полос всех исследуемых городов (табл. 10) можно расположить в следующий ряд убывания: Zn>Cu>Pb>Ni. Для лип контрольной пешеходной зоны характерна точно такая же тенденция к накоплению тяжелых металлов. Вероятно, можно говорить о видовой специфике накопления липами тяжелых металлов. Как и в пыли дорог, в листьях лип на первом месте находится цинк. Такая закономерность может свидетельствовать о техногенной аккумуляции цинка в исследуемых звеньях придорожных экосистем. Характер накопления других тяжелых металлов в листьях имеет тенденцию, отличную от накопления их в дорожной пыли, что связано, скорее всего, со свойствами глубоких слоев почвы, где находятся корни деревьев.
Содержание хрома в листьях лип в г. Краснокамск в два раза превышает токсичный уровень. Содержание свинца превышает уровень нормального содержания, но не достигает фитотоксичных концентраций.
По содержанию макроэлементов в листьях лип статистически достоверных отличий между вариантами исследований не установлено (таблица 11). Как и в случае поглощения тяжелых металлов, в поглощении кальция, магния и натрия липа проявляет видовую специфику.
Таблица 10
Валовое содержание тяжелых металлов в листве придорожных лип, мг/кг сухого веса
Элемент |
Нормальное содержание* |
Токсический уровень* |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
Cd |
0.1 - 1 |
5 - 10 |
** -- |
-- |
-- |
-- |
Cr |
0.1 - 1 |
0.1 - 1 |
-- |
2.24±0.56 |
-- |
-- |
Cu |
2 - 20 |
15 – 20 |
10.8±2.6 |
12.3±3.7 |
9.85±2.43 |
11.5±1.2 |
Ni |
0.1 - 5 |
20 – 30 |
3.0±0.3 |
5.15±0.8 |
3.61±0.21 |
2.6±1.6 |
Pb |
1 - 5 |
10 – 20 |
5.8±0.5 |
6.67±0.56 |
5.68±0.78 |
4.6±0.7 |
Zn |
15 - 150 |
150 – 200 |
13.7±6.1 |
58.8±3.4 |
127±8.6 |
11.7±4.1 |
* по Alloway (1999); ** -- ниже предела обнаружения (<0.1 мг/кг)
Таблица 11
Общее содержание остатков солей в листве придорожных лип, мг/кг сухого веса
Элемент |
Люнебург |
Краснокамск |
Соликамск |
Контроль |
Ca |
11 867±1159 |
14 333±983 |
12 056±1037 |
10 383±2131 |
Mg |
2 330±100 |
2 581±237 |
1 756±468 |
2 473±540 |
Na |
471±289 |
158±48 |
131±87 |
206±41 |
Таким образом, исследования показали, что в пыли проезжих частей дорог резко снижается уровень кислотности. По содержанию тяжелых металлов в дорожной пыли отмечаются региональные особенности. Автомобильное движение обуславливает повышенное содержание микроэлементов в пыли проезжих частей дорог. Наиболее активно в исследованных частях урбанизированных экосистем (пыль, растения) накапливается цинк. Содержание химических элементов в листве липы мелколистной определяется видовыми физиологическими особенностями растений и не зависит (в условиях исследований) от типа дорог и региона.
Содержание токсичных элементов в пыли проезжих частей дорог в настоящее время не нормируется. По сравнению с ПДК для почвенного покрова, в дорожной пыли повышенное содержание кобальта и никеля в российских городах, меди и цинка (в отдельных пробах) – в Люнебурге. В листве лип содержание опасных элементов находится ниже токсичного уровня.
Список литературы Загрязняющие вещества в пыли проезжих частей дорог и в древесной растительности придорожных полос городской зоны
- Alloway J. Schwermetalle in Böden: Analytik, Konzentrationen, Wechselwirkungen./J. Alloway. Berlin et all.: Springer, 1999. 495 p.
- Fritsche M. Schadstoffgehalte von Bankettschäl-und Kehrgut und deren umweltverträgliche Entsorgung/M. Fritsche, G. Becker. Forschungsbericht FE. No. 03.222-R-90-l. Münster: Fachhochschule Münster Verlag. 1992. 165 s.
- Klärschlammverordnung -AbfKlärV vom 25.6.1982//Bundesgesetzblatt. 1982. T. 1. S. 734-738.
- Wegelin Th. PAK und Schwermetalle in Böden entlang stark befahrener Strassen./Th. Wegelin.//Umwelt Praxis. 1997. № 11. S. 27-29.
- WHO air quality guidelines global update//2005. http://www.euro.who.int/Document/E87950.pdf
- Wichmann-Fiebig M. Feinstaub -eine bleibende Herausforderung fur die Luftreinhaltung/M. Wichmann-Fiebig, H.-J. Hummel//Umweltbundesamt. Jahresbericht, 2005. S. 16-24.