Influence of traffic emission on distribution of heavy metals and benzo(α)pyrene in water of recreational areas

Full Text

Введение Не подлежит сомнению тот факт, что растущее количество зарегистрированных автомобилей оказывает негативное влияние на биосферу. Особенно сильно данное воздействие ощущается в мегаполисах, состояние окружающей среды которых находится в упадочном состоянии. Несмотря на отказ от применения специализированных добавок в топливо для автомобилей, постоянно приходится сталкиваться с сообщениями о повышенном содержании стойких контаминатов окружающей среды, таких как: свинец, сурьма, селен, железо, бенз(α)пирен. Бенз(α)пирен (БП) - является одним из наиболее опасных контаминантов окружающей среды и в результате выраженного канцерогенного, мутагенного, тератогенного действий отнесен к суперэкогенотоксикантам 1-го класса опасности, подлежит обязательному контролю в различных объектах окружающей среды. Образование БП в условиях мегаполиса является серьёзной проблемой из-за постоянного роста числа автомобилей. БП химически устойчив и в окружающей среде накапливается преимущественно в почве, донных отложениях. Данные обстоятельства не могут не вызвать интереса к установлению влияния автотранспортных потоков на изменение фоновых значений для разных природных тел. При проведении данного исследования в качестве целевых компонентов были выбраны бенз(α)пирен и элементы, входящие в ГОСТ 17.4.1.02-83, как вещества с разной степенью опасности, кроме того, из-за возможного применения ферроцена как специализированной добавки в топливо для автомобилей, железо. Объекты исследования Объектами данного исследования были выбраны природные системы Герценского, Владимирского, Лебедянского и Верхнего Кузьминского прудов, расположенных в рекреационных зонах г. Москвы. Выбор оправдан расположением данных рекреационных зон относительно транспортных магистралей. Рекреационные зоны были условно разделены на две группы. Герценский и Владимирский пруды были отнесены к группе I, с повышенной нагрузкой от автотранспорта; Лебедянский и Верхний Кузьминский - к группе II, с умеренной нагрузкой от автотранспорта. Герценский пруд на 570 м вытянут в западном и юго-западном направлениях, повторяя поворот р. Журавенки, на которой он создан. Ширина пруда около 50 м, площадь 3 га, длина береговой линии 1260 п. м. Является исключительно декоративным и напоминает большую реку. Берега естественные, местами крутые. Осуществлен сток в колодец, глубиной около 4 м и далее в подземный коллектор р. Журавенки. На востоке в пруд впадают Попов ручей и бывший сток с пруда Дунай, выходящие из подземных коллекторов близ самого берега [1]. Владимирский пруд является верховым озером в бассейне реки Нищенки. Площадь 2.3 га. Средняя глубина 2.5 м, объем воды в 22.5 тыс.куб.м. Почти на 400 м вытянут в северо-западном направлении (по одноимённому ручью, в пойме которого создан). Ширина от 40 до 60 м. Берега с узкой бетонной набережной. Пруд окружён травяными откосами высотой от 1 до 3 - 4 м и асфальтированной дорожкой выше откосов [1]. Лебедянский пруд - один из прудов Измайловского каскада, известного с 17 века. Лебедянский расположен в восточной части бывшего Измайловского Зверинца (Измайловский парк) и занимает площадь более 16 га (включая каскад и плотину в западной части). Известно, что в 17 веке берега Лебедянского пруда были промышленными территориями. Верхний Кузьминский пруд, расположен вблизи бывшего села и усадьбы Кузьминки (Влахернское) в природном и историческо-рекреационном комплексе «Кузьминки-Люблино», откуда и получил свое название. Второе название пруда - Мельничный [4]. Верхний Кузьминский - самый большой пруд в каскаде (площадь 14.5 га, средняя глубина 2.5 м, объем воды 360.0 тыс. куб.м). Дно пруда песчаное, пологое. Питание осуществляется за счёт грунтовых и поверхностных вод [5]. Кузьминский лесопарк находится в черте города Москвы и ограничен со всех сторон оживленными транспортными системами. Так, на севере, северо-востоке и востоке с ним граничат и оказывают антропогенную нагрузку Волгоградский проспект и Московская кольцевая автодорога, на юге и юго-востоке лесопарк граничит с улицами оживленного района Люблино: ул. Верхние поля, ул. Чагинская, ул. Ставропольская. На западе с Краснодонской и Люблинской улицами [7]. Рисунок 1. Коэффициенты вариации для исследуемых элементов в почве; 1 - Владимирский пруд; 2 - Герценский пруд; 3 - Верхний Кузьминский пруд; 4 - Лебедянский пруд Рисунок 2. Коэффициенты вариации для исследуемых элементов в донных отложениях: 1 - Владимирский пруд; 2 - Герценский пруд; 3 - Верхний Кузьминский пруд; 4 - Лебедянский пруд Отбор проб и проведение анализа Для проведения исследований на содержание тяжелых металлов был осуществлен отбор проб почвы по ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84, для чего береговую линию прудов равномерно разделили на пробные площадки по 0.5 - 1 га каждая, в зависимости от территориальных особенностей. За объединенную пробу почвы принимали две точечные, отобранные с каждой площадки, которые, в свою очередь, состояли из проб с глубиной отбора 0 - 5 см. и 5 - 20 см. Пробы донных отложений отбирали руководствуясь ГОСТ 17.1.5.01-80. Для проведения исследований на содержание бенз(α)пирена в пробах донных отложений и почвы отбор проб был произведен из Верхнего Кузьминского, Владимирского, Герценского прудов в соответствии с вышеуказанными нормативами. Отобранные пробы были проанализированы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой согласно ПНДФ 16.1:2.3:3.11-98. Для определения валового содержания химических элементов, пробы почв и донных отложений подвергались полному разложению минеральными кислотами. При определении бенз(α)пирена отобранные пробы были проанализированы методом высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) с флуориметрическим детектированием согласно ПНДФ 16.1:2:2.2:3.39-03. Результаты исследований В результате полученных данных исследуемые элементы были расположены в порядке возрастания их концентрации в природных средах. Из чего было заключено, что в данных природных телах преобладают железо, стронций, свинец, марганец, барий, цинк и хром. Полученные данные так же позволили судить о сходстве в распределении исследуемых элементов в природных телах при их незначительной разнице в расположении в ряде сравнения. Была произведена математическая обработка результатов, включившая в себя расчет коэффициентов вариации (не более 33%). В результате чего было установлено, что все исследуемые элементы укладываются в диапазон коэффициента вариации от 1 до 33.0% в почве и от 4.22 до 33.1 % в донных отложениях, см. рисунки 1, 2. Расчет коэффициентов вариации для бенз(α)пирена в почве показал, что достигнутые значения во всех исследуемых рекреационных зонах находятся в диапазоне 20.69 - 27.82%, в донных отложениях - в диапазоне 11.58 - 33.13%. Проведенные расчеты позволяют судить о достаточной однородности изучаемой совокупности и надежности средних значений, поэтому внутри каждой из исследуемых групп рекреационных зон провели объединение данных в рамках почвы и донных отложений, получив усредненные концентрации для каждого из исследуемых элементов, включая и БП. Рисунок 3. Сравнение усредненных концентраций исследуемых элементов в почве с фоновым значением; 1 - рекреационные зоны первой группы; 2 - рекреационные зоны второй группы В ходе проведения дальнейшей математической обработки для расчета отношения полученных средних концентраций к фоновому значению в почве за фон принимали значения содержания валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в почвах (ориентировочные значения для средней полосы России), для дерново-подзолистых суглинистых и глинистых почв [8]. Для элементов, не вошедших в СП 11-102-97 и не имеющих установленного фонового значения, использовали средние значения кларковых чисел, указанных Ведеполем, Виноградовым, Тэйлором [2], [3], [9], [10]. Выбор вышеописанных фоновых значений был обусловлен отсутствием каких либо данных по элементам, выходящим за рамки СП 11-102-97 для Московского региона. Имеющиеся данные сильно усреднены, а потому не могут быть использованы в качестве фоновых значений для рекреационных зон. При расчете содержания исследуемых элементов в донных отложениях пользовались фоновыми значениями для почвы, а также значениями, указанными в [6] для «целевого уровня». Использование данных значений оправдано отсутствием ПДК тяжелых металлов в донных отложениях. В случае с БП пользовались значениями ПДК, указанными в СанПиН 42-128-4433-87. В результате сравнения усредненных концентраций с фоновыми значениями было установлено, что содержание элементов первого и второго классов опасности в почве и донных отложениях превышает фоновые значения, либо находится близко к критической отметке, равной 1 [Кср/Ф], см. рисунки3, 4. Рисунок 4. Сравнение концентраций исследуемых элементов в донных отложениях с фоновым значением; 1 - рекреационные зоны первой группы, значения по Cd сокращены в 10 раз; 2 - рекреационные зоны второй группы Элементами с превышением фоновых значений в группе I являются следующие: Cu, Zn, As, Se, Cd, Pb, Hg. Элементами с превышением фоновых значений во II группе - Zn, As, Se, Cd, см. таблицу1. Таблица 1 Элементы превышающие фоновые значения, Кср/Ф Был рассчитан вклад автотранспортной составляющей в увеличение фоновых концентраций исследуемых элементов в рекреационных зонах I группы (1), а также вклад в полученные концентрации в пробах почвы и донных отложениях (2): , (1) где - усредненное содержание i-го элемента в исследуемой среде рекреационных зон I группы, мкг/кг. - усредненное содержание i-го элемента в исследуемой среде рекреационных зон II группы, мкг/кг. - фоновое содержание i-го элемента в исследуемой среде, мкг/кг. , (2) где - усредненное содержание i-го элемента в исследуемой среде рекреационных зон I группы, мкг/кг. - усредненное содержание i-го элемента в исследуемой среде рекреационных зон II группы, мкг/кг. Полученные по формулам (1) -(2) результаты представлены на рисунке 5 и в таблице 2. Рисунок 5. Вклад автотранспорта в полученные концентрации исследуемых металлов в пробах почвы и донных отложений рекреационных зон I группы: 1 - полученные значения для почвы; 2 - полученные значения для донных отложений Таблица 2 Вклад автотранспортной составляющей в увеличение фоновых концентраций исследуемых элементов в рекреационных зонах I группы В результате сравнения средних концентраций БП со значением ПДК (0.02 мг/кг) в пробах рекреационных зон I и II групп было установлено превышение его допустимой концентрации в первом случае, см. рисунок 6. Рисунок 6. Отношение полученных средних концентраций БП к ПДК для почвы и донных отложений: 1 - полученные значения для почвы первой и второй группы; 2 - полученные значения для донных отложений первой и второй группы Таким образом, концентрация БП в почве и донных отложениях рекреационных зон I группы превышает ПДК в 2.58 и 2.92 раза соответственно. Выводы Целью данной работы являлось установление влияния автотранспортных потоков на изменение фоновых концентраций элементов, входящих в ГОСТ 17.4.1.02-83, железа и БП. В результате проведенной работы было отобрано и проанализировано 82 пробы донных отложений и почвы. На этапе первичной обработки данных рассчитанные коэффициенты вариации позволили устранить имеющиеся явные промахи по W; Zn; Cd; Pb, а расположение элементов по возрастанию их концентрации в донных отложениях и почве позволило судить о некотором сходстве между рекреационными зонами в каждой из групп, что в последствии привело к их усреднению. Зарегистрированы превышения фоновых концентраций исследуемых элементов во всех группах рекреационных зон, как для почв, так и для донных отложений. Однако в группе I превышения в несколько раз выше, с максимумом, приходящимся на Se, Cd, Pb для всех сред. Влияние повышенной нагрузки от автотранспортной составляющей на I группу подтверждается также превышением ПДК БП как маркерного загрязнителя, в 2.58 и 2.92 раза в почве и донных отложениях соответственно. Был рассчитан вклад автотранспортной составляющей в изменение фоновых уровней исследуемых компонентов, см. таблицу 2. Распределение тяжелых металлов в почвах и донных отложениях было достаточно неравномерным, с максимумами, приходящимися на зоны, граничащие или находящиеся в непосредственной близости с транспортными магистралями. Так, на территориях Герценского пруда максимумы приходились на южную и юго-восточную часть береговой линии, однако имело место и повышение значений концентраций в северной части. Для более глубокой оценки распределения тяжелых металлов необходимо проводить дополнительные исследования с опробованием больших территорий, учитывая такие факторы, как роза ветров, количество осадков и рельеф местности, пропускная способность магистралей. В результате проведенной работы можно констатировать несомненное влияние транспортных потоков на фоновые значения тяжелых металлов и БП в виде их повышения на территориях рекреационных зон мегаполиса.

About the authors

A. V Sorokin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: alex_sorokin@list.ru
+7 495 223-05-23

E. V Sotnikova

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D.; +7 495 223-05-23

References

Supplementary files