Комплексная эколого-геохимическая оценка урболандшафтов Волгоградской агломерации

Комплексная эколого-геохимическая оценка урболандшафтов Волгоградской агломерации

Содержание

Введение

1. Антропогенное воздействие на природную среду

1.1 Антропогенное воздействие человека на литосферу

1.2 Антропогенное воздействие на атмосферу

1.3 Химическое загрязнение атмосферы

1.4 Эколого-геохимическая оценка урболандшафтов промышленных агломераций

1.4.1 Химическое загрязнение почвы

2. Методики исследования загрязнения окружающей среды и оценки ее качества

2.1 Ландшафтная индикация загрязнения природной среды и биотестирование

2.1.1 Методики исследования: индикаторы техногенного воздействия на геосистемы

2.2 Химические методы анализа

2.2.1 Основное оборудование и приборы, используемые для химического анализа загрязнений окружающей среды

2.3 Биологические методы анализа

2.4 Статистические методы обработки результатов исследований

3. Экспериментальная часть

Оценка воздействия загрязняющих веществ промышленных предприятий (ОВПП) Волгоградской агломерации на состояние атмосферы

3.1 Оценка воздействия промышленных предприятий Южного промузла на состояние атмосферы

3.2 Оценка воздействия промышленных предприятий Северного промузла на состояние атмосферы

4. Оценка воздействия загрязняющих веществ на почву

4.1 ОВПП Южной агломерации на почву

4.1.1 Мероприятия по благоустройству СЗЗ

4.2 ОВПП Северной агломерации на почву

5. Оценка воздействия загрязняющих веществ на растения

5.1 Оценка качества окружающей среды ОКОС по уровню ассиметрии морфологических структур растений на территории Южного промузла Волгоградской агломерации

5.2 ОКОС по уровню ассиметрии морфологических структур растений на территории Северного промузла Волгоградской агломерации.

6. Экологические последствия загрязнения окружающей природной среды (ОПС) для здоровья населения и вопросы риска

Выводы

Литература

Введение

Рассмотрена устойчивость различных ландшафтов к воздействию загрязняющих веществ от производств черной и цветной металлургии, энергетических комплексов. Обосновано применение ландшафтной индикации загрязнения природной среды как одного из основных направлений в изучении техногенных воздействий. Оценена экологическая опасность загрязнения лесных ценозов и сельскохозяйственных земель, намечены пути предотвращения неблагоприятных последствий.

Для научных работников в области охраны природы, лесного и сельского хозяйства, географов, биологов, экологов.

Актуальность темы диссертации. Волгоградская агломерация является крупнейшим на юге России сосредоточением предприятий-гигантов различных отраслей промышленности. Подавляющее большинство промышленных предприятий (ПП) городской и прилегающей территории не отвечает современным требованиям экологической безопасности. Оборудование многих производств морально и физически устарело, в результате чего опасные соединения поступают в атмосферу, водоемы и почву. Загрязнение окружающей природной среды (ОПС) отраслями промышленности, вызывающее ухудшение качества среды обитания и наносящее ущерб здоровью населения, остается наиболее острой экологической проблемой, имеющей приоритетное социально-экономическое значение. Отсюда особую актуальность приобретают исследования по изучению экологических изменений ОПС и их последствий, а также по разработке рекомендаций, ориентированных на их предупреждение.

Комплексные исследования загрязнения ОПС направлены на получение важной и до настоящего времени отсутствующей или неполной информации, необходимой для принятия решений по обеспечению экологической безопасности для нынешних и будущих поколений людей. К таким исследованиям относятся согласованные во времени и пространстве наблюдения за уровнем загрязнения в различных компонентах ОПС в промышленных районах с интенсивной антропогенной нагрузкой. В совокупности с режимным контролем, осуществляемым общегосударственной службой наблюдения за загрязнением ОПС, выполненные исследования создают полную и реальную оценку ее загрязнения. Такой подход определяет: актуальность исследований; необходимость использования как традиционных, так и новых усовершенствованных методах наблюдений и контроля за загрязнением ОПС; надежность и достоверность получаемой информации и результатов ее обобщения.

Представленные в работе результаты исследований выполнены в соответствии с планом научно-исследовательских работ ВОРАЕН и ВолГУ (2001-2008 гг.).

Объектами исследования служили: ОПС (атмосфера, почвы, растительность, человек); источники токсичного потока химического загрязнения ОПС (черная, цветная, теплоэнергетика, нефтехимическая и другие отрасли промышленности); промышленные зоны Волгоградской агломерации. В пределах последней при выборе конкретных объектов учитывались: концентрация промышленных объектов на единицу площади, объемы выбросов (сбросов), токсичность выбрасываемых в атмосферу и сбрасываемых в водные объекты вредных веществ, уровень загрязнения, общая численность и заболеваемость населения в том или ином районе.

В мониторинге техногенных воздействий выделена и детально рассмотрена практически не изученная проблема (теория, методика, практика) - ландшафтная индикация загрязнения ОПС: биотическая компонента и надпочвенный покров.

Цель и задачи исследований - эколого-геохимическая комплексная оценка состояния урболандшафтов (почв и растительности) в местах загрязнения ОПС и разработка практических рекомендаций по их реабилитации на основе создания целевых постоянно-действующих экологических моделей-карт территории Волгоградской агломерации.

Для достижения указанных целей предусматривалось решение следующих задач:

· Проанализировать: состояние изученности проблемы; причины загрязнения ОПС Волгоградской агломерации; состояние здоровья населения города, подверженного антропогенному воздействию ПП;

· Определить уровень критической нагрузки на ландшафт техногенного воздействия ПП для оценки их влияния на атмосферу, почву и растения;

· Выполнить комплексные исследования по качественной и количественной оценке экологического состояния ландшафтов промышленных районов;

· Определить степень загрязнения ОПС по состоянию ландшафта: по тяжелым металлам (ТМ) в системе почва-растение и газообразным выбросам ПП в атмосфере;

· Составить электронные экологические карты ПП с прилегающими к ним территориями;

· Составить прогноз состояния экосистем и разработать мониторинг техногенных воздействий на ландшафт;

· Разработать практические рекомендации по снижению антропогенного воздействия ПП на ОПС и здоровье человека.

Научная новизна. Теоретически разработана, методически обоснована и практически подтверждена возможность комплексной эколого-геохимической оценки состояния урболандшафтов Волгоградской агломерации.

Впервые проведена комплексная эколого-геохимическая оценка урболандшафтов агломерации: исследованы и определены состояние почв (надпочвенный покров) и растительности (тополь и береза повислая) в качестве чувствительных индикаторов загрязнения ОПС.

Дана качественная и количественная оценка негативного воздействия ПП на здоровье населения города и прилегающих районов. Разработаны методы снижения такого воздействия на урболандшафты Волгоградской агломерации.

Впервые выполнено экологическое картографическое оделтрование и на его основе созданы статистические и динамические постоянно-действующие модели (карты) загрязнения урболандшафтов Волгоградской агломерации.

Новизна полученных результатов исследований по теме диссертационной работы подтверждена двумя авторскими свидетельствами и одной заявкой на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

· Комплексная качественная и количественная эколого-геохимическая оценка состояния урболандшафтов Волгоградской агломерации с высоким уровнем антропогенного воздействия, а также степени опасности для ОПС, жизни и здоровья населения;

· Диагностика источников поступления токсикантов в урболандшафты и степени загрязнения ими ОПС (по ТМ в системе почва-растение и газообразным выбросам ПП в атмосфере) по наиболее чувствительным индикатором - по изменению состояния почвенной биоты и по уровню угнетения березы повислой, тополя и других растений;

· Эколого-геохимическое картографическое моделирование (распределение химических элементов и их соединений в природных средах, депонирующих загрязняющие вещества; снижение стабильности развития растений);

· Разработанные методы, мониторинг и рекомендации реабилитации загрязненных почв.

Практическая значимость. Полученные в работе объективные данные, выводы и предложения могут найти применение: при прогнозировании изменений ОПС до наступления угрожающей ситуации; для оценки степени антропогенной нагрузки на ОПС и возможных последствий химического загрязнения атмосферы и почвенного покрова; для определения перспектив дальнейшего использования пораженных почв и выдать адресные практические рекомендации по снижению негативного эффекта техногенного загрязнения ОПС для сохранения темпов устойчивого развития региона, а также здоровья населения Волгоградской агломерации. Созданные электронные постоянно действующие эколого-геохимические карты как отдельных административных единиц, так и всей агломерации в целом позволяют широко использовать результаты многолетних наблюдений и обобщений для принятия судьбоносных социально-экономических решений для города и прилегающих районов архитекторами, градостроителями и чиновниками.

Результаты выполненных исследований применимы в любом регионе России и по этой причине могут служить основой для разработки: соответствующих положений экологического законадательства и важнейшей характеристика объекта конституционного права граждан на благоприятную ОПС; учебных пособий для студентов геоэкологов, экологов, природопользователей, экономистов.

Полученные результаты используются в курсах лекций в Волгоградском государственном университете: «Промышленная экология и экологический менеджмент» (2004 г.), «Экология и автотранспорт» (2004 г.), «Сертификация и аудит» (2004 г.), «Химия и окружающая среда» (2005 г.).

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в период 2000-2007 годы на материалах авторских исследований (более 80%). Ее непосредственное участие в работе нашло отражение при: постановке проблемы и путей ее решения, разработке научно-методического подхода к решению поставленных целей и задач, организации и проведении комплексных экологических исследований, обработке, анализе и обобщении полученных результатов, составлении электронныз карт урболандшафтов рассмотренных территорий.

Апробация. Материалы исследований докладывались на международных научно-практических конференциях: «Проблемы экологической безопасности России» (1, Волгоград, 2007), «Современные проблемы утилизации отходов» (Волгоград, 2007), «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (V, волгоград, 2007), международная научно-практическая конференция «взаимодействия НИУ и социума в решении задач АПК» РАСХН, июль 2007 Астраханская обл. с. Соленое Займище, «Россия периода реформ: актуальные проблемы корпоративного менеджмента» (X и XI, Волгоград, 2007); на межВУЗовских конференциях «Материалы круглого стола» и «Эколого-экономические аспекты развития региона» (Волгоград, 2007).

Публикации. Автором опубликовано более 30 (110 п.л.) работ, из которых по теме диссертации 28, в том числе 4 учебных пособия для студентов ВУЗов. Лично автору принадлежит более 40 печатных листов. Основное содержание диссертации, выводы и рекомендации опубликованы в 10 ведущих научно-технических рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в том числе в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложения.

1. Антропогенное воздействие на природную среду

Полвека тому назад академик А.Е. Ферсман писал: «Там поставлено правильно производство, где не пропадает ни одного грамма добытой горной породы, где нет ни грамма отбросов, где ничто не улетает в воздух и не смывается водами». Все это особенно актуально в наше время. Ведь в нашей стране ежегодно поступает в отвалы свыше 2 млрд. м³ всевозможных «хвостов» обогащения руд, до 100 млн. т металлургических шлаков, около 100 млн. т угольной золы электростанций.

Механизм воздействия промышленности на природную, среду необходимо знать, чтобы предвидеть экологические последствия. Такие отрасли промышленности, как черная, цветная металлургия и теплоэнергетика, служат источниками токсичного потока химического загрязненная в атмосферу, термического и химического - в природные воды.

В работах А.В. Дончева и др. [6] изучены Дончева А.В., Козаков Л.К., Калуцков В.Н. Ландшафтная индикация загрязнения природной среды - М.: Экология , 1992. техногенные воздействия цветной и черной металлургии, теплоэнергетики на природную среду.

Были предложены программы и методики, комплексных физико-географических исследований загрязнения природной среды на ландшафтной основе, разработаны принципы ландшафтной индикации загрязнения, которые совершенствовались. В монографии обобщены результаты 15-20 - летних исследований техногенных воздействий на ландшафт производств этих отраслей, дана оценка экологических последствий использования загрязненных территорий в сельском хозяйстве.

Принципы и методы ландшафтной индикации загрязнения природной среды отработаны на примерах воздействия медно-никелевого комбината «Североникель», медных и никелевых производств Урала, медно-молибденового Балхашского комбината, Алавердского медно-химического производства.

Исследование нарушений ландшафтов под воздействием черной металлургии проводилось в лесной и лесостепной зонах в сферах воздействия Череповецкого, Нижнетагильского, Серовского и Старооскольского металлургических центров.

Проводившиеся до недавнего времени исследования загрязнения природной среды в подавляющем большинстве случаев носили отраслевой характер. Изучалось изменение одного или нескольких компонентов природной среды под техногенным воздействием (например, влияние загрязнения на поверхностные воды, газов - на физиологические и биохимические изменения в растениях и т.д.) [40,38,25]. В настоящее время исследования принимают все более комплексный характер [3, 4,6,41,18,42].

Комплексные физико-географические исследования техногенных воздействий на ландшафт пока немногочисленны. [43,44,45]. Под руководством Т.В. Звонковой проведено исследование состояния природы в сфере действия железорудной горнодобывающей промышленности в районе Курской магнитной аномалии. Изучение воздействия горнопромышленного производства и прогноз развития природных комплексов выполнены на Дальнем Востоке под руководством Ю.Г. Симонова. К.Н. Дьяконовым [7] изучалось воздействие нефтедобывающей техники на природу Северного Приобья. Работы, проводимые под руководством ФЛ. Милькова в Воронежском университете, посвящены в основном картированию антропогенных ландшафтов и их классификации. В.И. Федотов исследовал техногенные ландшафты в лесостепных и степных районах Русской равнины, как генетической группы антропогенных комплексов. Полустанционарные исследования биологических, физико-химических процессов в почвах, а также изменения геохимической среды при загрязнении нефтью и при угледобыче проведены Н.П. Солнцевой и др. В работе В.Г. Волковой и Н.Д. Давыдовой на основании стационарных наблюдений раскрыт механизм влияния на компоненты ландшафта выбросов теплоэлектростанции и выявлены закономерности трансформации растительности в связи с изменениями ландшафтно-геохимической обстановки.

1.1 Антропогенное воздействие человека на литосферу

Говоря о роли человека в преобразовании литосферы, акад. А.Е. Ферсман писал, что «по своему масштабу она отвечает в геологической истории страны революционным периодам усиленных процессов, перед которыми бледнеют даже сильнейшие извержения вулканов» [8, с. 41]. Это высказывание ученого, сделанное 50 лет назад, стало особенно понятным в настоящее время.

Человек в процессе своей деятельности ускоряет рост речных дельт (дельта Миссисипи увеличивается сейчас со скоростью 100 м/год, а в последние 300-500 лет - всего лишь 24 м/год); порождает процессы эрозии, распахивая земли (в США только за последние 100 лет в результате эрозии уничтожено 20 млн. га земли); приводит в движение пески, развевая их [9].

Преобразования литосферы такого рода, а также их последствия в разных частях Земли еще далеко не изучены. Новый взгляд на изменение литосферы дают наблюдения из космоса, которые позволяют оценить результаты не только непосредственных, но и косвенных видов воздействия человека на литосферу. Пожалуй, главное, что дают съемки из космоса, - это возможность оценить суммарный эффект данного воздействия, причем в крупном, региональном и даже глобальном масштабах.

В крупных районах добычи полезных ископаемых открытым способом их площадь достигает многих сотен и даже тысяч гектаров. Земли, нарушенные открытыми горными разработками, наиболее широко распространены в США, где их площадь в 1980 г. составила около 2 млн. га [10].

Помимо вышеотмеченного крупные карьеры являются также мощными источниками загрязнения атмосферы пылью, особенно во время взрывных работ [11,12]. Поднятая над карьером пыль перемещается и, так же как это происходит вокруг городов, выпадает на поверхность земли в прилегающей к карьеру зоне. В результате возможно загрязнение почвы, водоемов, а иногда и поражение растительности и сельскохозяйственных угодий. Дистанционные изображения, в том числе и космические, в сочетании с наземными работами весьма перспективны для изучения этого весьма малоисследованного вида воздействия карьеров на окружающую среду. В СССР проводились такие исследования, в частности в области оценки изменений, происходящих в окружающей среде в результате разработки открытым способом полезных ископаемых [13]. Получена многочисленная информация о техногенных воздействиях на ландшафт на основе космических снимков района Хибин на Кольском полуострове [14].

Особую значимость приобретают дистанционные, и в том числе космические исследования районов добычи нефти. В этом случае по снимкам фиксируются, конечно, не сами глубинные нарушения литосферы, связанные с добычей нефти, нефтепромысловыми работами, а разнообразные попутные изменения ландшафта, и среди них такие экологически опасные, как загрязнение разлившейся нефтью почвы, в результате - поражение растительности. Космические наблюдения начали использоваться для изучения антропогенной динамики ландшафтов в некоторых районах нефте- и газодобычи [15,16].

Все это разнообразие рельефа в конечном счете - результат антропогенной деятельности; картирование и изучение его значительно легче и быстрее проводить на основе материалов космических съемок.

На основании космических наблюдений можно сделать вывод, что человек становится все более мощным преобразователем литосферы Земли [17-19].

На космических снимках видны разнообразные следы дефляции поверхности Земли, связанные с деятельностью человека.

Выявление таких участков, возникающих вследствие нерациональной сельскохозяйственной деятельности, особенно важно для предупреждения развития дальнейшего процесса эрозии. Важно отметить работы, проводимые во ВНИАЛМИ под руководством академика Кулика К.Н.

По некоторым прогнозам, антропогенные овражные - «дурные» земли к 2010 г. будут занимать территорию Земли, равную всем пашням планеты [20]. Отсюда ясно, сколь важна своевременная инвентаризация таких земель (в том числе на основе космической информации) с целью планирования их рационального использования.

Таким образом, космические наблюдения позволяют по-новому оценить воздействие человека на литосферу: выявить масштабность ее преобразования человеком, точнее оценить районы наиболее интенсивного антропогенного воздействия, определить направление транспортировки вещества литосферы на большие и сверхбольшие (сотни и тысячи километров) расстояния, оконтурить зоны осаждения переносимого материала.

Космические наблюдения Земли еще раз убеждают нас в правоте высказываний В.И. Вернадского: <С человеком, несомненно, появилась новая огромная геологическая сила на поверхности планеты> [21, с. 37]. Эти слова интересны для нас не только неожиданной оценкой деятельности человека, как мощного геологического агента, преобразователя верхнего слоя литосферы, в них ощущается и опасение за ее последствия.

1.2 Антропогенное воздействие человека на атмосферу

Вопрос о воздействии человека на атмосферу в региональном и даже глобальном масштабе находится сейчас в центре внимания специалистов, в том числе метеорологов, климатологов, экологов. Существуют многочисленные доказательства существования такого воздействия, полученные на основании результатов наземных наблюдений, с помощью которых довольно трудно выявить и оценить их распространение (как в пространстве, так и во времени). Поскольку наземные наблюдения, как правило, узколокальны, т.е. характеризуют только какие-либо отдельные точки наблюдений, постольку экстраполяция (распространение) этих данных на большие расстояния затруднительна и ненадежна. Трудности в изучении вопроса о воздействии человека на атмосферу в региональном масштабе при помощи наземных методов возникают также и из-за динамичности процессов, протекающих в атмосфере. Съемки из космоса оказались значительным подспорьем в решении этого вопроса. Были получены новые фактические данные по данной тематике.

С помощью съемок из космоса получена большая информация о загрязнении атмосферы. С помощью космической съемки стало возможным выделение нескольких типов этого загрязнения, оценка его площадного распространения, миграции, установление источников (очагов) и, наконец, хотя и в небольшой мере, - выделение (разграничение) его от загрязнений атмосферы естественного происхождения. Из космоса обнаруживаются антропогенные загрязнения атмосферы трех типов: 1) дымовые загрязнения от городов, в том числе от промышленных предприятий и транспорта; 2) дымовые загрязнения от лесных, болотных и травяных пожаров; 3) пылевые бури.

Было доказано, что загрязнение атмосферы антропогенного происхождения развито гораздо шире, чем это считалось раньше. Огромные дымовые «языки», пелена, закрывающая многие густонаселенные районы Земли, поразили не только космонавтов, но и специалистов, которые и не подозревали о таком их масштабе. Главным источником информации из космоса является съемка с автоматических беспилотных спутников.

Среди загрязнений первого типа из космоса постоянно фиксируются дымы от таких источников, как заводы и фабрики, теплоэлектроцентрали, суда, самолеты [22,23].

Дым от промышленных предприятий в Силезии (Польша) протягивался иногда на расстояние до 70-80 км [24]. Такие дымовые скопления вызывают загрязнение атмосферы на площади в несколько сотен, а иногда даже до нескольких тысяч квадратных километров.

В результате съемки из космоса обнаружено ранее неизвестное явление - формирование крупных (региональных и даже субконтинентальных размеров) дымовых облаков промышленного происхождения. Оказалось, что в разных районах мира, и прежде всего над крупными промышленными районами, периодически возникают дымовые замутнения атмосферы площадью в сотни тысяч квадратных километров. Они образуются в результате слияния дымовых загрязнений от отдельных источников или нескольких групп их скоплений. В качестве примера такого загрязнения можно привести огромное дымовое облако, возникшее 05.08.70 над Западной Европой [18].

Из космоса можно проследить особенности динамики различных дымовых загрязнений атмосферы. Большой интерес представляет период, в течение которого существует загрязнение.

Космические изображения позволили не только выявить пространственное распространение и очаги дымовых загрязнений антропогенного (частично смешанного) происхождения. Удалось также получить интересные сведения об их взаимосвязи с некоторыми особенностями (в частности - миграцией) воздушных масс и подстилающей поверхности [17,18,19]. Из космоса также наблюдаются пылевые загрязнения атмосферы антропогенного происхождения.

Загрязнения атмосферы, вызванные деятельностью человека, в свою очередь могут явиться основой для возникновения метеорологических образований другого типа - водяных облаков. Частички сажи, пыли, соли, поднятые в воздух, служат при этом ядрами конденсации водяного пара или формирования ледяных кристалликов. Явления такого рода нередко наблюдались из космоса. Дым от заводов, как видно из космоса, протягивался над акваторией в северо-восточном направлении на расстояние около 50 км. Далее в этом же направлении над озером образовалась кучевая облачность с отчетливым грядовым строением. Дымовые струи превращались в гряды кучевых облаков. Кучевые облака протягивались над озером и побережьем на расстояние более 100 км [].

1.3 Химическое загрязнение атмосферы

Привнесение в атмосферу или образование в ней физико-химических агентов и веществ называется загрязнением. Антропогенное загрязнение спровоцировано исключительно хозяйственной деятельностью человека и в первую очередь связано с выбросами золы, пыли, оксида цинка, сернистого ангидрида, сероводорода, меркаптана, альдегидов, углеводородов, фтористого водорода, хлористого водорода, кремнефтористого натрия, радиоактивных газов и аэрозолей [25.26].

Выбросы из стационарных источников определяются большой высотой труб (50-100 м), а также значительными концентрациями и объемами. Выбросы также связаны с транспортом, и с обработкой сельскохозяйственных территории ядохимикатами.

Согласно приведенной таблицы, антропогенное загрязнение атмосферы преобладает над естественным, при этом около 37% загрязнений дает автотранспорт, 32% - промышленность и 31% - прочие источники. Кроме того, следует учитывать, что не существовавшие ранее в природных условиях, специфические вредные вещества, в настоящее время становятся составной частью атмосферного воздуха, его микроэлементами.

Так как все живое очень медленно адаптируется к этим новым микрокомпонентам, химические вещества служат объективным фактором неблагоприятных воздействий на природную среду и здоровье человека.

Неорганические загрязнители. Проблема деградации окружающей среды в значительной мере связана с отрицательным воздействием неорганических веществ, среди которых наибольшую экологическую опасность создают металлы и их соединения, а также диоксид серы, оксиды азота и асбестовая пыль.

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Техногенная доля меди и цинка в атмосфере - 75%, кадмия и ртути - 50%, никеля 30%, кобальта - 10%. Наиболее высокая эмиссия в атмосферу характерна для свинца - 50…80%. [2,3,28,30]

В атмосфере тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). Основные механизмы выведения тяжелых металлов из атмосферы - вымывание с осадками и осаждение на подстилающую поверхность.

Биологическая активность металлов связана, с их способностью повреждать клеточные мембраны, повышать проницаемость барьеров, связываться с белками, блокировать многие ферментные системы, что приводит к повреждениям организма. Попав в живую клетку, соединение металла первоначально осуществляет некоторую простейшую химическую реакцию, за которой затем следует каскадный отклик все более сложных взаимодействий биологических молекул и ансамблей [27]

Целый ряд металлов включен в различные процессы метаболизма. Эти металлы являются жизненно важными для живых организмов. Так, например, железо и медь - переносчики кислорода в организме, натрий и калий регулируют клеточное осмотическое давление, магний и кальций (и некоторые другие металлы) активизируют энзимы - биологические катализаторы.

Некоторые металлыоказались крайне нежелательными для живых организмов, и небольшие избыточные дозы их оказывают фатальное воздействие[28].

Выбросы свинца в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Основными источниками загрязнения биосферы этим элементом являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания высокотемпературные технологические процессы [25]. Свинец характеризуется широким спектром вызываемых им токсических эффектов на различных представителей биоты. Механизм его действия обусловлен ингибированием ферментов, детоксикации ксенобиотиков и таким образом воздействие свинца приводит к биохимическим сдвигам.

В картине свинцового отравления можно выделить ряд клинических синдромов:

Изменения со стороны нервной системы, изменения системы крови, эндокринные и обменные нарушения, изменения со стороны желудочно-кишечного тракта, изменения со стороны сердечнососудистой системы, нарушения функции почек.

Особо следует отметить, что маленькие дети значительно легче, чем взрослые аккумулируют свинец и потому относятся к группе высокого риска в отношении свинцовых интоксикаций.

Выбросы ртути в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 6000 тонн ежегодно, причем менее половины - 2500 т составляют поступления от естественных источников.

Ртуть обладает широким спектром токсических эффектов на теплокровных. Механизм ее действия обусловлен блокадой аминных, сульфгидрильных и других активных групп молекул белка. Она способна включаться в транспортную РНК, нарушая тем самым биосинтез белков. Воздействие ртути приводит к биохимическим сдвигам, в частности к нарушению окислительного фосфорилирования в митохондриях почек и печени. Особо чувствительными к действию ртути являются эмбрионы.

Выбросы кадмия в воздушную среду ежегодно составляют около 9000 тонн, причем 7700 тонн (т.е. более 85%) - в результате деятельности человека. Основными источниками загрязнения окружающей среды этим элементом являются: производство цветных металлов, сжигание твердых отходов, угля, производство минеральных удобрений, красителей и т.д.

В организме кадмий может легко взаимодействовать с другими металлами, особенно с кальцием и цинком, что влияет на выраженность его воздействий. Кадмий способен замещать кальций, нарушая тем самым физиологические процессы регуляции поглощения кальция. Установлено, что токсическому действию кадмия наиболее подвержены водные организмы в эмбриональной стадии развития. Исследования на рыбах, показали действие соединений кадмия, выражающееся в разнообразных спинальных уродствах. Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность кадмия для человека. В связи с тем, что этот элемент весьма медленно выводится из человеческого организма (0,1% в сутки), отравление кадмием может принимать хроническую форму. Ее симптомы - поражение почек, нервной системы, легких, нарушение функций половых органов, боли в костях скелета

Согласно данным Института продуктов питания Австрии не ртуть и не свинец, а именно кадмий является самым опасным тяжелым металлом [29]

Выбросы хрома в окружающую среду происходит как из естественных источников, так и, в результате антропогенной деятельности. Содержание аэрозолей, в состав которых входит хром, в зоне заводов по выплавке хромистых сталей достигает 1 мг/куб. м (фоновое, содержание мг/куб. м). Частицы этих аэрозолей с ветром разносятся на большие расстояния и выпадают на поверхность Земли с атмосферными осадками.

При воздействии на людей выделяют легочную и желудочную формы интоксикации. Отмечаются различные дерматиты, аллергические реакции, раздражение верхних дыхательных путей. Многочисленными эпидемиологическими исследованиями установлено, что у людей, профессионально контактирующих с хроматами чрезвычайно высока частота бронхогенного рака. Это позволило экспертам отнести хром и его соединения к группе 1 канцерогенного риска для человека.

Выбросы мышьяка в окружающую среду в результате антропогенной деятельности связаны, в основном, с добычей и переработкой мышьяк содержащих руд, пиррометаллургией, сжиганием природных видов топлива - каменного угля, сланцев, нефти, торфа, а также производством и использованием суперфосфатов, содержащих мышьяк ядохимикатов, различных препаратов и антисептиков. В естественных условиях, мышьяк в виде разнообразных соединений поступает в атмосферу с извержением вулканов.

Что касается диоксида серы, то переносу диоксида серы на дальние расстояния способствует строительство высоких дымовых труб. Это возможно и снижает степень локального загрязнения, но увеличивает время пребывания в воздушной среде и степень его превращения в серную кислоту и в сульфаты. Таким образом, сернистый газ в сочетании с парами воды (туман) является главным компонентом так называемого сернистого смога (смог лондонского типа).

Кислотные дожди. В результате антропогенного загрязнения атмосферы сернистым газом и оксидами азота, происходит образование серной и азотной кислот, выпадающих на Землю вместе с осадками. Кислотность (pH) обычной дождевой воды за счет частичного растворения во влаге углекислого газа равна 5,6. Но известны случаи выпадения кислых дождей с pH =2,3 (кислотность лимонного сока). Такие осадки наносят существенный ущерб качеству воды в природных водоемах, качеству почвы, приводят к разрушению изделий из металлов, архитектурных сооружений, мрамора и бетона.

Ежегодно с осадками выпадают миллионы тонн кислот, что ведет к радикальному изменению химии природной среды. Частицы сульфатов размером 0,1-1 мкм, присутствующие в атмосфере, рассеивают свет, ухудшая видимость, что отрицательно воздействует на организм человека.

Органические загрязнители. Органические вещества, являющиеся токсичными для микроорганизмов, животных, человека, вырабатываются бактериями, микроводорослями, растениями, насекомыми, рыбами, пресмыкающимися. Среди этих природных токсинов и столь простые вещества, такие как синильная кислота, роданистый аллил и др. Однако число природных токсинов составляет ничтожную долю токсичных веществ, созданных в лабораториях органического синтеза и нашедших применение не только в криминальных целях, но и в медицине, технике мирной и военной (как боевые отравляющие вещества). Летальная доза современных отравляющих фосфорорганических веществ составляет мг на 1 кг живого веса, что в сотни раз превышает токсичность классических их предшественников: иприта, люизита. От безумия химической войны человечество отказалось, а безумие экотоксикации - выбросов в окружающую среду органических веществ, губительно действующих на здоровье миллиардов людей, продолжается [30].

За последние годы, благодаря тому, что во многих развитых странах действует законодательство, направленное на защиту воздушного бассейна, общая загрязненность воздуха несколько уменьшилась, однако выбросы, источником которых является автомобильный транспорт, возрастают. Так в США на его долю приходится до 63% выбросов углеводородов. Ряд исследователей предполагает, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом числа автомобилей [31].

Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей атмосферы служит промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. Вместе с производными (этилбензол, стирол, фенол, винилхлорид, акрилонитрил, фталевый ангидрид и терефталевая кислота) они используются в дальнейшем для выработки широкой номенклатуры большинства других органических соединений (свыше 40 тыс. наименований).

В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей - компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов синтетических моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями. Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды, кетоны, спирты и карбоновые кислоты. Целлюлозно-бумажные комбинаты выбрасывают большие количества загрязнителей, таких, как метил- и диметилсульфиды, формальдегид, спирты и фенолы. Полициклические ароматические углеводороды. Известно огромное количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Соединения этой группы очень распространены и встречаются практически во всех сферах окружающей человека среды. Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бензопирен (БП). Это положение впервые было сформулировано еще в 1966 г. Л.М. Шабадом и его школой (А.П. Ильницкий, Г.А. Белицкий, А.Я. Хесина, А.Б. Линник и др.).

Установлено, что только за 1 минуту работы газотурбинный двигатель современного самолета выбрасывает в атмосферу 2-4 мг БП. Даже приблизительные расчеты показывают, что в атмосферу от этого источника поступает ежегодго более 5000 тонн БП [32].

БП и многие другие ПАУ обладают мутагенным действием. В производственных условиях при экспозиции к ПАУ у людей, в зависимости от способа контакта с ними и вида продукта, могут возникать дерматиты, коньюктивиты, а также повышен риск возникновения ишемической болезни сердца, хронических заболеваний легких и другими болезнями респираторной системы.

Диоксины и родственные им соединения. Диоксины - полихлорированные соединения, содержащие ароматические ядра и, прежде всего, полихлорированные диоксины и дибензофураны за высокую токсичность относятся к особому классу загрязняющих веществ - суперэкотоксикантам.

В малых дозах диоксины вызывают мутагенный эффект, отличаются кумулятивной способностью, ингибирующим и индуцирующим действием по отношению ко многим ферментам живого организма, вызывают у человека повышение аллергической чувствительности. Комплексный характер действия этой группы соединений приводит к подавлению иммунитета, поражению внутренних органов и истощению организма. В природной среде диоксины достаточно устойчивы, и могут длительное время оставаться без изменений. Для них, по существу, не существует предела токсичности (явление так называемой сверхкумуляции), а понятие ПДК теряет смысл.

Высокой биологической активностью обладает еще один из компонентов летучих органических соединений (ЛОС) - этилен. Исследования показали влияние этилена на скорость созревания плодов, а также на опадание листьев. Это позволило назвать этилен гормоном созревания. Важна роль ЛОС в терморегуляции растений, предохраняет растения от перегрева.

Пути поступления могут быть разнообразные, одни химические элементы проникают в организм с пищей, другие же через слизистые оболочки и кожу.

По данным Минздрава РФ и ЕПА (США), никель, свинец, кадмий, аллюминий и хром являются потенциальными канцерогенами. Канцерогенные (бластомогенные) вещества - это вещества, воздействие которых на организм человека приводит к развитию злокачественных опухолей.

Основным мероприятием, направленным на полное предотвращение воздействия канцерогенных факторов, является исключение возможности контакта с ними человека в производственной и бытовой сферах. Производственные процессы, связанные, с канцерогенными веществами (факторами), должны отвечать требованиям санитарно-гигиенических правил и норм в области гигиены труда. При этом должна быть обеспечена герметизация оборудования и автоматизация технологических процессов, исключающие попадание канцерогенов в среду обитания человека.

1.4 Эколого-геохимическая оценка урболандшафтов промышленных агломераций

1.4.1 Химическое загрязнение почвы

В большинстве случаев антропогенному воздействию, в результате хозяйственной деятельности и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, подвергаются верхние горизонты земной коры. При этом сильной трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт литосферы в пределах суши, занимающей 29,2% поверхности земного шара, и включающей земли различной категории.

Почва - это поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растительности, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельным природным образованием. Важнейшим свойством почвы является плодородие - способность обеспечивать рост и развитие растений. Почва является гигантской экологической системой, оказывающей, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы Земли. Посредством почвы - важнейшего компонента биоценозов - осуществляются экологические связи живых организмов с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Химизм почв частично определяется минеральным скелетом, частично - органическим веществом. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами. Преобладающими почвенными минералами являются силикаты.

Почвенный покров - важнейшее природное образование. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для планеты.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов. Конечным продуктом разложения является гумус, находящийся в коллоидном состоянии, подобно глине, и обладающий большой поверхностью частиц с высокой катионообменной способностью. Одновременно с образованием гумуса жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например азот в ионы аммония, фосфор в ортофосфат-ионы, сера в сульфат-ионы. Этот процесс называется минерализацией. Углерод высвобождается в виде С0₂ в процессе дыхания.

Особое свойство почвенного покрова - его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур. Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтетической деятельности. Плодородие почвы зависит также от величины аккумулированной в ней солнечной энергии.

Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом.

Почва представляет собой сложную малодинамичную систему, меняющуюся на небольших климато - ландшафтных территориях.

Экспериментально обоснованную ПДК можно рассматривать как эталонную величину отсчета, используемую для оценки опасности загрязнения почвы в конкретных почвенно-климатических условиях [33,17].

Почвенный слой является буферной зоной между атмосферой и недрами. По сути, он принимает на себя основную долю нагрузки от всех видов хозяйственной деятельности человека.

Насчитывают не менее 6 типов антропогенно-технических воздействий которые могут вызвать разного уровня ухудшение почв. В их числе: 1) водная и ветровая эрозия, 2) засоление, подщелачивание, подкисление, 3) заболачивание, 4) физическая деградация, включая уплотнение и коркообразование, 5) разрушение и отчуждение почвы при строительстве, добыче полезных ископаемых, 6) химическое загрязнение почв[34].

По способу поступления в почву различные загрязнители, большинство из которых антропогенного характера, можно условно разделить на: поступающие с атмосферными осадками, осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей, непосредственно поглощающиеся влажной почвой газообразные соединения и вещества, поступающие в почву с растительными и животными останками.

Основными источниками загрязнения почвы являются:

Коммунальное хозяйство, промышленные предприятия, в твердых и жидких отходах которых постоянно присутствуют различные токсические вещества, а выбрасываемые в атмосферу продукты - рано или поздно попадают в почву. Теплоэнергетика, из загрязнителей преобладают шлаки, образующиеся при сжигании каменного угля; сажа, оксиды серы, бенз(а) пирены, соединения ванадия и др. Горнодобывающая промышленность, отходами которой (отвалы) занимают немалые площади, выводя из пользования земельные угодья. FeS₂, H₂S0_4. Сельское хозяйство. Основными загрязнителями являются удобрения, ядохимикаты и отходы животноводства, а также транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания выделяется около 280 различных веществ, которые оседают на поверхности почвы или поглощаются растениями.

Особую опасность представляют собой высокотоксичные компоненты ракетного топлива - КРТ (применяемого на первых ступенях ракет-носителей) проливы и выбросы которых происходят в районах падения ракет и при их авариях [27]

КТР-гептил относится к 1-му классу опасности, загрязняет почву, поверхностные воды, растительный покров; его обнаружили в кормовой растительности, овощах, мясе домашних животных, что приводит к попаданию его в организм человека».

Тяжелые металлы. Тяжелые металлы поступают в почву преимущественно из атмосферы с выбросами промышленных предприятий а свинец - с выхлопньми газами автомобилей. Описаны случаи [34,36], когда большие количества тяжелых металлов попадали в почву с оросительными водами, если выше водозабора в реки сбрасывались сточные воды промышленных предприятий. Наиболее типичными загрязнителями данной группы являются: свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден, никель, кобальт, олово, титан, медь и ванадий.

Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов

Если почва прочно связывает тяжелые металлы (богатые гумусом тяжелосуглинистые и глинистые почвы), тем самым, предохраняя от загрязнения грунтовые воды и растительную продукцию, она сама постепенно становится все более загрязненной, что может привести к разрушение органического вещества с выбросом тяжелых металлов в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования [35].

Почвы песчаные, малогумусные устойчивы против загрязнения, за счет того, что они слабо связывают тяжелые металлы, легко отдают их растениям или пропускают их с фильтрующимися водами. Таким образом происходит загрязнение растений и подземных вод [37]/

Тяжелые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы. Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжелые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя ее. На рис. 1 представлена схема трансформации и миграции ТМ в почвах.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Почва является основной средой, в которую попадают тяжелые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод. Из почвы тяжелые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

Необходимо отметить, что гигиеническое состояние почвы ухудшается, хотя способность почвы к самоочищению является основным гигиеническим требованием для сохранения биологического равновесия. Почва уже не в состоянии справиться без помощи человека с загрязнениями [36,38,39,40].

2. Методики исследования загрязнения окружающей среды и оценки ее качества

Для выполнения задач и достижения цели были разработаны нами методики исследования комплексной эколого-геохимической оценки урболандшафтов Волгоградской агломерации, которая заключается в исследовании почв, растительности, оценки выбросов промышленных предприятий и влияния ОС на здоровье человека.

2.1 Ландшафтная индикация загрязнения природной среды и биотестирование

Ландшафтно-геохимические исследования загрязнения, опирающиеся на классические представления о геохимии ландшафтов (М.А. Глазовская, [41] А.И. Перельман, НЛ. Солнцева), геохимии поисков полезных ископаемых (Н.С. Касимов, Ю.Е. Сает), использующие геохимию техногенеза - представления о технобиогеомах, технофиль-ности химических элементов, их деструкционной активности и т.д., получили широкое распространение в Московском университете и институтах АН СССР [31,44].

Интересны представления А.И. Перельмана о геохимических принципах систематики антропогенных ландшафтов, использующего положения о формах движения материи и выделяющего следующие этапы развития ландшафтов: абиогенный (только механическая и физико-химическая миграция), биогенный (добавляется биогенная миграция) и техногенный (добавляется техногенная миграция). На взгляд авторов [46], формирование техногенных комплексов в первую очередь обусловлено интенсивностью поступления техногенных веществ, т.е. объемом техногенной миграции, а особенности дальнейшей миграций техногенных выбросов в ландшафтах определяются зональными и региональными факторами, особенно соотношением интенсивности и емкости техногенной, механической и биогенной миграций. Интенсивность накопления выбросов обусловливается соотношением различных видов миграции веществ. При преобладании техногенных потоков веществ над природными, а также при наибольшем распространении техногенных векторов миграции резко усиливается аккумуляция техногенных выбросов в ландшафтах и формируются техногенные аномалии и комплексы. [42-47]

Картированию геохимических техногенных аномалий в почвах городов посвящены исследования института ИМГРЭ. Сотрудники почвенного института им. Докучаева, почвенного факультета МГУ, Института экспериментальной метеорологии, Института географии ДВНЦ выявляют и регистрируют техногенные аномалии в почвах вблизи промъгшленных центров [10,13,20,15]. Дистанционные методы регистрации загрязнений разрабатываются в ГГИ, ИКИ и госцентре «Природа» [5].

В рамках проектов МАБ ЮНЕСКО «Человек и биосфера» осуществляются мониторинги: фоновый, различные региональные, биосферный, геохимический, экологический, ландшафтный. Методические приемы организации мониторинга не разработаны, а комплекс наблюдений, как правило, методологически не обоснован, наблюдения проводятся в рамках произвольно установленных границ, нет ландшафтного и географического обоснования выбора мест наблюдений.