Воздействие автотранспорта на распределение тяжелых металлов и бенз(α)пирена в водоемах рекреационных зон

Полный текст

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.

Об авторах

А. В Сорокин

Университет машиностроения

Email: alex_sorokin@list.ru
8 (495) 223-05-23

Е. В Сотникова

Университет машиностроения

доц. к.х.н.; 8 (495) 223-05-23

Список литературы

Дополнительные файлы