Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
16
ДНIПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
Савосько Василь Миколайович
УДК: [574.24.042+631.416]:669.1
ЕКОЛОГIЧНА РОЛЬ ГЕОХIМIЧНИХ БАР’ЄРIВ
В РОЗПОДIЛI ТА МIГРАЦIЇ ВАЖКИХ МЕТАЛIВ В ГРУНТАХ ТЕРИТОРIЙ, ЩО МЕЖУЮТЬ З ЗАЛIЗОРУДНИМИ ГІРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНИМИ КОМБIНАТАМИ
.00.16 - екологiя
Автореферат
дисертацiї на здобуття наукового ступеня
кандидата бiологiчних наук
Днiпропетровськ –
Дисертацiєю є рукопис.
Робота виконана в Українському НДI промислової медицини
Мiнiстерства охорони здоров’я України.
Науковий керiвник: доктор бiологiчних наук,
старший науковий співробітник
Сметана Микола Григорович,
Криворiзький державний
педагогiчний унiверситет
професор кафедри зоології
Офіційні опоненти:
доктор бiологiчних наук, професор Бессонова Валентина Петрiвна Запорiзький державний унiверситет, завiдуюча кафедрою ботанiки та екологiї
кандидат бiологiчних наук, доцент Ющук Євген Давидович
Криворiзький державний педагогiчний унiверситет, кафедра ботанiки та
екологiї, доцент
Провiдна установа:
Національний ботанiчний сад iм. М.М.Гришка НАН України, вiддiл бiоiндикацiї та хемосистематики, м. Київ.
Захист вiдбудеться “”“червня” 2001 р. о 15:00 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 08. 051. 04 на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Днiпропетровському Національному унiверситеті за адресою: 49050 м. Днiпропетровськ, пров. Науковий, 13, корп.17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.
З дисертацiєю можна ознайомитися в бiблiотецi Днiпропетровського Національного унiверситету Міністерства освіти і України.
Автореферат розiсланий “”“травня”р
Вчений секретар
спецiалiзованої вченої ради,
кандидат біологічних наук,
доцент. Дубина А.О
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми.Зараз у великих гiрничорудних регiонах спостерiгається напружена екологiчна ситуацiя, яка, в значнiй мiрi, обумовлена пiдвищеним вмiстом важких металiв в навколишньому середовищi.
Основними джерелами техногенного накопичення важких металiв в грунті є атмосферний пил, iнтенсивне видiлення якого вiдбувається внаслiдок виробничої дiяльностi гiрничо-збагачувальних комбiнатiв (ГЗК). Наявнiсть великої кiлькостi додаткових джерел пиловидiлення (внутрiшнi поверхнi кар’єрiв, вiдвали, сухi пляжi хвостосховищ) обумовлює безперервне надходження техногенного пилу в навколишнє середовище незалежно вiд ступеня навантаження потужностi ГЗК (Михайлов, 1990; Титовский и др. 1990; Васильев, 200).
Iснуючi нині високоефективнi технологiї очищення грунтiв вiд цих токсикантiв дуже дорогi, що зменшує можливiсть їх широкомасштабного застосування (Сleaning up., 1997; Raskin I, 1997; Chlopecka, 1998; Васильев, 2000; Environmental restoration., 2000).
В той же час вiдомо, що грунт, маючи комплекс поглинальних механiзмiв, вмiщує ряд геохiмiчних бар’єрiв мiграцiї хiмiчних речовин. Важкi метали, потрапляючи на такi бар’єри, переходять у фiксований стан i таким чином виводяться на довгий час з подальшої мiграцiї в навколишньому середовищi. Тому надзвичайно актуальним i важливим є дослiдження екологiчної ролi геохiмiчних бар’єрiв грунту в процесах регуляцiї вмiсту в ньому важких металiв (Чертко, 1981; Ковда, 1985; Перельман, 1989; Глазовская, 1997).
Зв’язок роботи з науковими темами. Дисертацiя виконувалася в рамках таких наукових тем: “Розробити методику комплексної оцiнки несприятливого впливу техногенних факторiв металургiйних комплексiв на характер зрушень в органiзмi та проявiв захворювань населення”(ДР_0194v029980); “Визначення впливу техногенних забруднень навколишнього середовища Пiвденного промислового вузла Кривбасу на характер змiн в органiзмi населення”(вiдповiдальний виконавець, ДР 0195v095563); “Визначити тести експозицiї важких металiв техногенного походження на органiзм людини”(ДР 0196v209663).
Мета роботи. Визначити екологiчну роль геохiмiчних (хімічних, фізико-хімічних, біологічних) бар’єрiв в розподiленнi та мiграцiї рухомих форм важких металiв в грунтах територiй, що межують з залiзорудними гiрничо-збагачувальними комбiнатами.
Висловлюю щиру подяку завідувачу лабораторією промислової екології та здоров’я Українського НДІ промислової медицини,
канд.мед.наук, с.н.с Гапону Василю Олександровичу
за наукове керівництво під час організації та проведення досліджень
Завдання дослiджень:
Наукова новизна.На територiї фонової дiлянки Кривбасу встановленi числовi значення вмiсту рухомих форм важких металiв в грунтi, а також особливостi їх розподiлу в генетичних горизонтах в залежності від дії біологічних, хімічних, фізико-хімічних бар`єрів міграції.
Уточненi закономiрностi розподiлу рухомих форм важких металiв в грунтах в залежностi вiд рiвня забруднення атмосферного повiтря та грунтових вод.
Встановленi дiапазони коливань властивостей фiзичної глини, мулу, гумусу, обмiнних основ, якi обумовлюють перехiд в дослiджених грунтах важких металiв з рухливого стану у фiксований.
Практичне значення.Розроблений та запропонований спосiб оптимiзацiї техногенного накопичення важких металiв в грунтах територiй, що межують з залiзорудними гiрничо-збагачувальними комбiнатами, який грунтується на зменшеннi надходження важких металiв в грунт аерогенним шляхом та створеннi штучних геохiмiчних (хімічних, фізико-хімічних, біологічних)бар’єрiв мiграцiї важких металiв в грунтi.
Визначенi допустимi рiвнi рiчних викидiв пилу в атмосферне повiтря гiрничо-збагачувальними комбiнатами, при яких не буде вiдбуватися надмiрне накопичення важких металiв в грунтi. На основi визначення наявностi важких металiв в грунтi здiйснене екологiчне ранжування територiй з урахуванням техногенного впливу гiрничо-рудних пiдприємств.
Результати дослiдження використанi при пiдготовцi пакету нормативних документiв щодо проведення еколого-економiчного експерименту в мiстi Кривому Розi, поданого на розгляд в Кабiнет Мiнiстрiв та Верховну Раду України.
Особистий внесок здобувача.Здобувач провiв польовi та лабораторнi хiмiчнi дослiдження зразкiв грунту, математичну обробку результатiв. Автором також був проведений аналiз одержаних результатiв та зроблені висновки.
Апробацiя роботи. Матеріали досліджень доповідалися та обговорювалися на: Fourth International Sympozium and Exhibition on Enviromental Contaminated in Central and Eastern Europe (Warsaw 1998); Third Word Congress “Global Environmental Issue in 21st Century: Problems, Causes and Solutions” (Briton 2000); Fifth International Symposium and Exhibition on Environmental Contaminated in Central and Eastern Europe (Prague 2000); Міжнародній науковій конференції "Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку" (Кривий Ріг, 1993);); Міжнародних науково-практичних конференціях: "Екологічні аспекти забруднення навколишнього середовища" (Київ, 1996); Всеукраїнській конференції "Охорона навколишнього середовища: екологічні, освітні, медичні аспекти" (Кривий Ріг, 1997); XII з'їзді гігієністів України (Київ, 1995); Наукових та науково-практичних конференціях: "Екологія і освіта: проблеми теорії та практики" (Умань,1994); "Охорона генофонду рослин на Україні" (Кривий Ріг, 1994); "Проблеми екологічної безпеки та керованого контролю динамічних природно-техногенних систем" (Львів, 1996).
Публiкацiї. Основний змiст роботи вiдображений в 24 наукових публiкацiях, з них - 3 статті у фахових виданнях.
Обсяг та структура роботи. Дисертацiйна робота викладена на 252 сторiнках машинописного тексту i складається iз вступу, п’яти роздiлiв, висновкiв, перелiку лiтератури, що включає 259 найменувань, з яких 54 - iноземними мовами, та 67 сторiнок додатків. Робота iлюстрована 20 таблицями та 16 малюнками.
ЗМIСТ РОБОТИ
ОСОБЛИВОСТI ЗАБРУДНЕННЯ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ГРУНТIВ ТЕРИТОРIЙ, ПРИЛЕГЛИХ ДО ГIРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ КОМБIНАТIВ
(огляд лiтератури)
У роздiлi приведений аналiз наукової лiтератури з питань накопичення важких металiв (ВМ) в грунтi великих iндустрiальних регiонiв. В результатi встановлено, що, незважаючи на численнi публiкацiї з цiєї проблеми в рiзних промислових регiонах, (Обухов, 1991, 1992; Мотузова, 1992; Ильин, 1992, 1995, Титовский, 1986, 1990, Сает, 1989, 1990; Цветкова, 1996, 1997; Глазовская, 1987, 1989, 1992, 1993, 1997, ), а також в регiонах видобутку залiзної руди, цi питання висвiтлені не в повнiй мiрi (Тютюник, 1995; Васильев, 2000). Фрагментарнi данi цих та iнших авторiв про вмiст окремих металiв в грунтi не дозволяють одержати цiлісну картину щодо особливостей акумуляцiї та мiграцiї в грунтi найбiльш розповсюджених в гiрничорудних регiонах ВМ техногенного походження (Добровольский, Цветкова, 1988; Цветкова, 1997; Зберовский и др., 1996; Писанец и др., 1990).
Розробленi та запропонованi технологiї i способи використання геохiмiчних бар’єрiв в грунтi, з метою оптимiзацiї вмiсту ВМ, спрямованi, в основному, на використання шару грунту, як поглинача цих забруднювачiв під час будiвництва складiв зберiгання рiдких вiдходiв (Сергенев и др., 1996; Алехин и др, 1996)
Разом з тим, встановлення основних механiзмiв розподiлу ВМ на геохiмiчних бар'єрах грунту в умовах техногенного навантаження має не лише теоретичне значення, але може бути використаним в практичнiй природоохороннiй роботi гiрничорудних пiдприємств (Ковда, 1985; Перельман, 1989; Knox, 2000).
ОБ’ЄКТ, ОБСЯГИ ТА МЕТОДИ ДОСЛIДЖЕННЯ
Об’єктом дослiдження були вибранi грунти територiй, що межують з Пiвнiчним та Iнгулецьким гiрничо-збагачувальними комбiнатами (ПiвнГЗК та IнГЗК), якi знаходяться в Криворiзькому залiзорудному басейнi. Грунти територiй, що прилягають до ПiвнГЗК, представленi чорноземами звичайними, в той час, як грунти територiй поблизу IнГЗК - чорноземами пiвденними середньо- та малопотужними.
Пробнi дiлянки для визначення вмiсту ВМ при їх аерогенному надходженнi вибирались в зонах з рiзними концентрацiями пилу, визначеними на основi карт розподiлу пилу в приземному шарi повiтря. Карти були побудованi за даними валових викидiв комбiнатiв за допомогою комп’ютерної програми ПЛЕНЕР-1.25. На ПiвнГЗК перша зона спостереження мала концентрацiї пилу в приземному шарi повiтря в межах 0.3-1.0 ГДК, друга - 1.1-2.0 ГДК, третя - 2.1-4.0 ГДК. На IнГЗК вибранi двi зони (перша - 0.3-1.0 ГДК, друга - 2.1-4.0 ГДК).
Основними джерелами гiдрогенного надходження ВМ в грунти територiй, прилеглих до хвостосховища ПiвнГЗК, є мiнералiзованi води лесоподiбних суглинкiв. Нами були визначенi двi зони спостереження: перша - з концентрацiєю солей 1-5 г/л, друга - з концентрацiєю 5-10 г/л. На IнГЗК найбiльш істотний вплив на грунт чинять водоноснi горизонти четвертинних лесоподiбних суглинкiв та алювiальних вiдкладень, де i були вибранi двi зони для спостереження.
Для порiвняння рiвня забруднення грунту ВМ використана територiя з локальними фоновими концентрацiями ВМ в грунтi, яка знаходиться поза межами впливу атмосферних забруднень пилом техногенного походження та
мiнералiзованих грунтових вод, але в межах природної геохiмiчної аномалiї Кривбасу. Концентрацiї ВМ в грунтi цiєї територiї були прийнятi за локальний фон регiону.
Пiд час польових дослiджень грунту на визначених площах були закладенi розрiзи та взятi проби грунту через кожнi 10 см (Кауричев, 1986).
Кислоторозчинну витяжку для визначення вмiсту важких металiв (залiза, марганцю, цинку, нiкелю, мiдi, свинцю, кадмiю) одержували шляхом спалювання зразка грунту в однонормальнiй азотнiй кислотi (Алексев,1987). Кiнцеве визначення концентрацiй ВМ здiйснювали на атомно-адсорбцiйному спектрофотометрi AAS - 30 фiрми Karl Ceis - Jena (Обухов, Плеханова, 1991).
Визначення вмiсту гумусу проводилося за Тюрiним в модифiкацiї Орлова (Орлов, 1969); органiчної речовини грунту - за стандартними методиками; суми обмiнних основ - за Шмукком (обмiннi основи витiснялися однонормальним розчином хлористого натрiю з рН 7) з титрометричним та спектрометричним закiнченням; гранулометричного складу - методом пiпетки по Качинському в модифiкацiї Терехова (Качинский, 1958; Терехов, Терехова, 1993).
За період дослідження закладено 38 ключових та 56 допоміжних розрізів, на яких відібрано 350 зразків грунту. Для визначення вмісту важких металів в грунті проведено 5000 елементовизначень. Для визначення вмісту гумусу виконано 1050 аналізів, органічної речовини - 1050, суми обмінних основ - 4200, гранулометричного складу грунту - 3150 аналiзiв.
Статистична обробка одержаних результатiв здiйснювалася на IBM PC за допомогою програми STADIA, яка базується на методах та алгоритмах розрахункiв ряду авторiв (Шиган, 1986; Лакин,1990).
ВМIСТ ВАЖКИХ МЕТАЛIВ В ГРУНТI ТЕРИТОРIЙ, ЩО ЗНАХОДЯТЬСЯ ПОЗА ЗОНОЮ ВПЛИВУ ПРОМИСЛОВИХ ПIДПРИЄМСТВ КРИВБАСУ
В результатi дослiдження встановлено, що в грунтi територiй локальної фонової дiльницi у всiх генетичних горизонтах найбiльше виявлено залiза, на порядок менше - марганцю, на три - мiдi та свинцю, на чотири порядки - кадмiю (таблиця).
Таблиця. Вмiст рухомих форм важких металiв в грунтi територiй локальної фонової дiлянки Кривбасу (М+m, мг/кг сух. грунту)
|
Важкий метал |
Генетичні горизонти |
|
А |
АВ |
В |
ВС |
С |
|
|
Залізо |
±17,58 |
±52,10 |
,8±140,9 |
±109,9 |
,0±137,61 |
|
Марганець |
,7±18,3 |
,2±14,3 |
±32,62 |
,3±28,7 |
,38±1,07 |
|
Цинк |
,40±0,89 |
,0±2,76 |
17,89±0,65 |
,36±0,74 |
,21±0,14 |
|
Нікель |
,48±1,84 |
,61±3,82 |
,26±1,38 |
,55±1,29 |
,70±0,60 |
|
Мідь |
,38±0,10 |
,43±0,98 |
,14±0,33 |
,12±0,26 |
,03±0,17 |
|
Свинець |
,15±0,11 |
,50±0,24 |
,82±0,09 |
,85±0,07 |
,00±0,02 |
|
Кадмій |
,44±0,03 |
,27±0,05 |
,79±0,06 |
,79±0,05 |
,81±0,05 |
Встановлено, що в гумусо-акумулятивному горизонтi, у порiвняннi з материнською породою, вiдбувається акумуляцiя залiза, марганцю, цинку, нiкелю. Вмiст мiдi в цьому горизонтi знаходиться на одному рiвнi з материнською породою, в той час як кiлькiсть свинцю та кадмiю на 20-40% (P<0.05) вище.
Провiдне значення в розподiлi залiза, марганцю, цинку, нiкелю, мiдi по грунтовому профiлю належить карбонатному геохiмiчному та бiологiчному бар’єрам мiграцiї. Цим пояснюється максимальне накопичення рухомих форм ВМ в перехiдному гумусовому горизонтi, де їх вмiст вище в 1.6-2.9 раза (Р<0.05), нiж в материнськiй породi.
РОЗПОДІЛ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ ПРИ ЇХ АЕРОГЕННОМУ НАДХОДЖЕННІ В ГРУНТИ ТЕРИТОРІЙ, ПРИЛЕГЛИХ ДО ЗАЛІЗОРУДНИХ ГІРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ КОМБІНАТІВ
В чорноземах звичайних (зона впливу ПівнГЗК) техногенне накопичення рухомих форм ВМ характерне лише для залiза, марганцю, нiкелю, цинку, де їх вмiст в 1.2-2.4 раза (Р<0.05) перевищує локальний фон. Аеротехногенний вплив комбiнату обумовлює як вилуговування, так i накопичення кадмiю, але нагромадження домiнує i тому концентрацiї металу в деяких випадках в 1.2-2.2 раза (Р<0.05) вищi контрольної фонової. Для розподiлу мiдi та свинцю характерне лише вилуговування, вмiст цих металiв в 1.2-1.6 раза (Р<0.05) нижчий контролю.
В чорноземах пiвденних (зона впливу IнГЗК) техногенний вплив обумовлює накопичення в рухомих формах лише залiза, вмiст якого в 1.2-1.9 раза (Р<0.05) вище фону. Для цинку, свинцю, кадмiю характерна одночасна наявнiсть двох процесiв, що вiдбуваються в грунтi: вилуговування та акумуляцiя (з переважанням акумуляцiї). Ступiнь останньої перевищує контроль в 1.2-2.2 раза (Р<0.05). В результатi техногенного вилуговування марганцю, нiкелю та мiдi їх вмiст в бiльшостi випадкiв на 20-60% нижче фону.
Виявлено, що ВМ в рухомих формах можуть мiгрувати в грунтах на значну глибину. Тому техногенне накопичення залiза в чорноземах звичайних (зона впливу 2.0-4.0 ГДК) вiдбувається в грунтах на глибинi до 50 см, а кадмiю - до 60 см. В чорноземах пiвденних в аналогiчнiй зонi забруднення атмосферного повiтря пилом метали мiгрують ще глибше: кадмiй - до 80 см, залiзо - до 100 см. Зi зменшенням рiвня забруднення атмосферного повiтря спостерiгається збiльшення здатностi ВМ мiгрувати по грунтовому профiлю, що пов’язано з дисперсним станом аерозольних часток. Рухомі форми металiв як в чорноземах звичайних (марганець, цинк, свинець, кадмiй), так i в чорноземах пiвденних (залiзо, свинець) в зонi впливу 0.3-1.0 ГДК проникають на глибину 100-110 см.
Залежностi мiж властивостями грунту та вмiстом в ньому рухомих форм ВМ у бiльшостi випадкiв найбiльш повно описуються регресiйними рiвняннями у виглядi полiномiв третього та п’ятого порядкiв. Тому можливе визначення межi значень властивостей грунту, якi обумовлюють мiнiмальний вмiст полютантiв.
В чорноземах звичайних при вмiстi фiзичної глини в межах 45-60% в грунтi вiдмiчається мiнiмальна кiлькiсть рухомих форм кадмiю та цинку; при вмiстi гумусу 6-7% - цинку, кадмiю, свинцю. Для обмiнного кальцiю такими межами є концентрацiї 20-25 мг.-екв/100 г грунту, при яких спостерiгається мiнiмальний вмiст рухливої форми мiдi.
Встановлено, що при вмiстi фiзичної глини в межах 30-55% в грунтi (чорнозем пiвденний) знаходиться мiнiмальна кiлькiсть рухомих форм залiза
та кадмiю. За наявностi мулистої фракцiї в грунтах не бiльше як 20%, концентрацiї рухомих нiкелю та марганцю будуть мати найменшi рiвнi накопичення. Кiлькiсть кадмiю в грунтi буде мiнiмальною, якщо вмiст обмiнного кальцiю буде знаходитись в концентрацiях 22-25 мг.-екв/100 г грунту. Накопичення рухомих форм мiдi та свинцю будуть мати мiнiмальнi значення, якщо кiлькiсть обмiнного магнiю не буде перевищувати 12-14 мг.-екв/100 г грунту.
РОЗПОДIЛ ВАЖКИХ МЕТАЛIВ ПРИ ЇХ ГІДРОГЕННОМУ НАДХОДЖЕННI В ГРУНТИ ТЕРИТОРIЙ, ПРИЛЕГЛИХ ДО ЗАЛIЗОРУДНИХ ГIРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ КОМБIНАТIВ
Грунтовi води алювiальних вiдкладень долини р.Iнгулець (район IнГЗК) обумовлюють переважно техногенне накопичення ВМ в рухомих формах. Встановлено, що вмiст цинку в 2-40 разiв (Р<0.05) вищий значень локального фону. Концентрацiї перевищення фону, визначенi для свинцю та кадмiю, дещо нижчi i складають, вiдповiдно, 2.9-4.5; 3.2-8.8 раза (Р<0.05).
В той час, як вмiст марганцю та мiдi лише в 1.5-1.9 та 1.5-2.2 раза (Р<0.05) вище фонових значень.
В чорноземах звичайних (район ПiвнГЗК) техногенне накопичення рухомих форм характерне лише для залiза, марганцю та цинку, концентрацiї яких перевищують фон в 1.2-1.8 раза (Р<0.05). В той же час, розподiл нiкелю, мiдi, свинцю, кадмiю характеризується як накопиченням, так i вилуговуванням (з перевагою першого процесу). Тому концентрацiї цих металiв в 1.2-1.6 раза (Р<0.05) вищі за фон.
В чорноземах пiвденних (район IнГЗК) наявнiсть техногенного накопичення виявлена тiльки для залiза, вмiст рухомих форм якого в 1.5-1.9 раза (Р<0.05) перевищує фоновi значення. У розподiлi нiкелю, цинку, кадмiю акумуляцiя та вилуговування мають однакову ступiнь виявлення.
Максимальнi рiвнi накопичення мав цинк - концентрацiї перевищували фон у 1.4-4.8 раза (Р<0.05). Гiдротехногенний вплив комбiнату обумовлював вилуговування з грунту марганцю, мiдi та свинцю, вмiст яких на 30-50% нижче фонових значень.
Визначено, що в грунтах заплав при вмiстi обмiнного кальцiю в межах 16-24 мг.-екв/100 г грунту, має мiсце мiнiмальна акумуляцiя рухомих форм свинцю та мiдi. Для залiза цi показники знаходяться в межах 10-30 мг.-екв/100 г грунту. Рухливий кадмiй має найменшi концентрацiї в тому випадку, коли вмiст мулистих частинок дорiвнює 3.8-5.9%. При кiлькостi фiзичної глини 35-45% виявлений мiнiмальний вмiст цинку. Мiнiмальне накопичення марганцю спостерiгалося при кiлькостi органiчної речовини в межах 7-8%.
Для грунтових властивостей чорноземiв звичайних встановленi такі оптимальнi межi, при яких мають мiсце мiнiмальнi концентрацiї важких металiв: фiзична глина - 50-70% (мiнiмальний вмiст рухомих форм свинцю та марганцю); обмiнний кальцiй 14-28 мг.-екв/100 г грунту (нiкелю, мiдi, кадмiю); гумусу 5-8% (залiза, марганцю, цинку).
В чорноземах пiвденних за наявностi фiзичної глини в межах 35-45% спостерiгається мiнiмальний вмiст рухомих форм мiдi, а в межах 45-55% - нiкелю. Найменше накопичення марганцю та залiза виявлено у випадках, коли концентрацiї обмiнного кальцiю знаходяться в межах 11-19 мг.-екв/100г грунту. При вмiстi мулистих частинок менше як 20% виявленi мiнiмальнi концентрацiї кадмiю.
ОБГРУНТУВАННЯ СПОСОБУ ОПТИМIЗАЦIЇ
ВМIСТУ ВАЖКИХ МЕТАЛIВ В ГРУНТАХ
ГIРНИЧОРУДНИХ РЕГIОНIВ
Для зниження вмiсту рухомих форм ВМ в грунтi гiрничорудного регiону необхiдно виконати комплекс таких заходiв: 1) прогнозування надходження ВМ в грунт; 2) екологiчне ранжування територiї; 3)_регулювання вмiсту вже накопичених важких металiв шляхом створення штучних геохiмiчних бар’єрiв.
Для складання прогнозу надходження рухомих форм ВМ в грунт використовувалися графiчнi та математичнi моделi. Основою графiчних моделей площинного розподiлу ВМ стали прогнознi карти (на найближчi 20 рокiв) накопичення рухомих форм ВМ в грунтi територiй. Карти складенi на основi пiдсумку даних про аерогенне та гiдрогенне надходження важких металiв в результатi техногенних валових викидiв ПiвнГЗК та IнГЗК протягом року.
Складений графiчний прогноз свiдчить про те, що в грунтах, прилеглих до ПiвнГЗК, найбiльш забрудненими є дiлянки сумiсного впливу аеротехногенного та гiдротехногенного джерел. На територiях, прилеглих до IнГЗК, вiдбувається бiльш iнтенсивне накопичення ВМ, нiж на прилеглих до ПiвнГЗК. Пiд впливом мiнералiзованих грунтових вод алювiальних вiдкладень в найближчi 20 рокiв прогнозується екологiчно небезпечне накопичення в грунтi марганцю, цинку, свинцю та кадмiю.
В процесi математичного аналiзу отриманих результатiв, якi характеризують залежностi мiж концентрацiєю пилу в приземному шарi атмосфери та вмiстом ВМ в грунтi, нами встановлено, що вони найбiльш повно описуються однофакторною лiнiйною регресiйною функцiєю: y=a+bx (де y - накопичення ВМ в грунтi, кг/га за рiк; х - вмiст пилу в приземному шарi атмосфери, ГДК). Тому ця математична функцiя i була використана для математичного прогнозування.
Одержанi регресiйнi рiвняння стали передумовою для обгрунтування екологiчно допустимих рiвнiв валових викидiв пилу в атмосферне повiтря. Встановлено, що для зменшення подальшого накопичення рухомих форм залiза в грунтi територiй, прилеглих до ПiвнГЗК, необхiдне щорiчне зменшення валових техногенних викидiв в атмосферне повiтря на 24 % вiд iснуючого рiвня. На IнГЗК при щорiчному зменшеннi викидiв пилу на 28 % не буде вiдбуватися техногенна акумуляцiя в грунтi залiза, на 47% - залiза та цинку, на 74 % - залiза, цинку та свинцю.
Екологiчне ранжування техногенно забруднених територiй здiйснене на основi принципiв оцiнки еколого-гiгiєнiчної безпеки в залежностi вiд наявних концентрацiй та фактiв дiї впливу рухомих форм ВМ на стан екологiчної рiвноваги в грунтi (Сердюк, 1996). Цi змiни оцiнювалися в поверхневому шарi грунту, товщиною 0-20 см.
Встановлено, що аеротехногенне та гiдротехногенне надходження ВМ обумовлює порушення геохiмiчної рiвноваги в грунтi, яке проявляється зменшенням числа зв’язкiв мiж парами металiв, а також кiлькостi металiв, що входять до асоцiацiй (рис.1).
Згiдно iснуючої критерiальної шкали еколого-гiгiєнiчного ранжування визначенi три зони екологiчного стану територiй: 1) нормального стану; 2)_екологiчної неблагополучностi; 3) екологiчної кризи.
Зоною нормального екологiчного стану вважалася територiя, на якiй концентрацiї в грунтi хоча б одного металу перевищували в 2 раза концентрацiї значень локального фону. До зони екологiчної неблагополучності вiднесена територiя з перевищенням концентрацiй локального фону в грунтi в 2 раза для двох i бiльше металiв та зменшенням асоцiативностi на 30 %.
Рис.1 Залежності між рівнями забруднення атмосферного повітря пилом
та наявністю асоціації ВМ в грунтах.
Умовні позначення: ФОН-контроль; Іа-ПівнГЗК 0.3-1.0 ГДК; Іb-ПівнГЗК 1.1-2.0 ГДК; Іс-ПівнГЗК 2.1-4.0 ГДК; ІІа-ІнГЗК 0.3-1.0 ГДК; ІІс-ІнГЗК 0.3-1.0 ГДК. Кількість: r - достовірних коефіцієнтів кореляції; Ас - асоціації; Мет - металів, що входять до складу асоціації.
Зоною екологiчної кризи класифiкувалася територiя, де концентрацiя в грунтi двох i бiльше металiв перевищували значення локального фону в 2 раза та спостерiгалося повне порушення асоцiацiй металiв.
ЕКОЛОГIЧНА РОЛЬ ГЕОХIМIЧНИХ БАР’ЄРIВ МIГРАЦIЇ В РОЗПОДIЛI ТА АКУМУЛЯЦIЇ ВАЖКИХ МЕТАЛIВ В ГРУНТI ТЕРИТОРIЙ, ПРИЛЕГЛИХ ДО ЗАЛIЗОРУДНИХ ГIРНИЧО-ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ КОМБIНАТIВ
Генетичнi горизонти грунту, якi є результатом дiї грунтотвірних процесiв, можна також розглядати як сукупнiсть геохiмiчних бар’єрiв мiграцiї. Тому розподiл рухомих форм важких металiв техногенного походження по грунтовому профiлю вiдображає екологiчну роль цих бар’єрiв в процесах мiграцiї та акумуляцiї металiв (рис.2).
а)
б)
Рис.2 Екологічна роль геохімічних бар`єрів міграції в розподілі ВМ по грунтовому профілю.
Умовні позначення: а) чорнозем звичайний; б) чорнозем південний;
В ходi дослiдження визначено, що геохiмiчнi бар’єри не чинять iстотного впливу на розподiл залiза, мiдi та цинку. У всiх грунтових горизонтах (як у чорнозему звичайному, так i чорнозему пiвденному) вiдбувається накопичення рухомих форм залiза та цинку.
Вмiст рухомих форм мiдi в грунтових горизонтах чорноземiв пiвденних та звичайних нижче значень локального фону. Беручи до уваги те, що розподiл мiдi в грунтi практично не залежить вiд її властивостей, можна передбачити, що має мiсце мiграцiя цього металу за межi грунтового профiлю.
Розподiл нiкелю та кадмiю повнiстю “контролюється” геохiмiчними бар’єрами. Накопичення кадмiю в рухомих формах спостерiгається тiльки в перехiдному гумусовому горизонтi, а нiкелю - в гумусо-акумулятивному в чорноземах звичайних (зона дiї 0.3-1.0 ГДК). В iнших випадках концентрацiї цих металiв знаходяться на одному рiвнi зi значеннями локального фону. Характер розподiлу марганцю та свинцю в грунтах, що дослiджувалися, iстотно вiдрiзняється. В чорноземах звичайних нагромаджувався марганець та вилуговувався свинець, в той час, як в чорноземах пiвденних, навпаки, вiдбувалися акумуляцiя свинцю та вилуговування марганцю. Найбiльш імовiрно, що геохiмiчнi бар’єри обумовлювали iмобiлiзацiю цих металiв.
Було встановлено, що геохiмiчнi бар’єри чинять iстотний вплив на процеси мiграцiї та акумуляцiї в тих випадках, коли надходження загальної кiлькостi металiв в рухомих формах аерогенним та гiдрогенним шляхом не перевищує 0.50-0.75 кг на гектар протягом року. В той же час, для металiв з перевищенням такого рiвня надходження виявлено техногенне накопичення в грунтових горизонтах. В тих випадках, коли розмір надходження не перевищував встановлений рiвень, накопичення металiв або не вiдбувалося, або було в одному чи двох грунтових горизонтах (АВ або В).
Як вiдомо, в чорноземах звичайних та пiвденних максимальна кiлькiсть карбонатiв та гумусу припадає саме на межi горизонтiв АВ та В. Тому нами припускається, що карбонатний геохiмiчний бар’єр мiграцiї вiдiграє найбiльш суттєву роль у розподiлi рухомих форм ВМ по грунтовому профiлю.
Виявлено, що в чорноземах пiвденних має мiсце окисно-вiдновлювальний бар’єр мiграцiї, який обумовлює розподiл рухливого марганцю. Вмiст металу в усiх дослiджуваних зонах нижче значень, нiж на територiї локальної фонової дiлянки. На нашу думку, основною причиною цього є iмобiлiзацiя марганцю.
Встановлена нами екологiчна роль геохiмiчних бар’єрiв мiграцiї була використана для розробки технологiї оптимiзацiї вмiсту важких металiв в грунтi. Основним принципом зниження несприятливого впливу на навколишнє середовище ВМ, що вже накопичилися, можуть бути методи
хеморемедiацiї (внесення в грунт мелiорантiв, якi є сорбентами ВМ, або створюють штучнi геохiмiчнi бар’єри мiграцiї).
В зонах екологiчної кризи доцiльно застосовувати сорбенти ВМ, зокрема цеолiти, найбiльш оптимальнi дози яких становлять 5-15 тонн на гектар.
В зонах екологiчної неблагополучностi також доцiльно здiйснювати заходи, спрямованi на забезпечення оптимальної буферностi грунту (вмiсту обмiнних основ та органiчної речовини грунту). При цьому буде вiдбуватися створення штучних бар’єрiв мiграцiї. Для регулювання кiлькостi обмiнних основ в грунтi необхiдно використовувати такий агротехнiчний захід, як гiпсування. При цьому аніони сульфатної групи, взаємодіючи з катіонами металів, будуть створювати нерозчинні сполуки, виводячи важкі метали з рухомого стану. Внесення в грунт пiдвищених доз (в середньому на 20-30%) органiчних добрив, гуматiв, торфу буде cприяти збiльшенню вмiсту органiчної речовини грунту, тим самим підвищувати ємкість поглинання металів гумусом.
Крiм того, в зонах нормального стану прiоритетними заходами є гумусозберiгаючi агротехнологiї (зменшення до мiнiмуму площ, що засiваються просапними культурами, iнтенсивне внесення органiчних добрив, зменшення кiлькостi засобiв захисту рослин та iн.).
Результати дослідження використані: а) екологічним відділом Виконкому Криворізької міської Ради Дніпропетровської області при підготовці пакету нормативних документів щодо проведення еколого-економічного експерименту в місті Кривому Розі згідно розпорядження Президента України від 06.01.96р. N 6/96 (лист від 16.12.98р. N 654); б) інноваційною упроваджувальною фірмою “Ековенпром” (лист від 08.10.98р. N 67); в) регіональною екологічною асоціацією “Відродження” (лист від 22.10.98р. N 36); г) в педагогічному процесі кафедрою гігієни праці факультету удосконалення лікарів Дніпропетровської медичної академії (лист від 22.01.97р. N 9).
В И С Н О В К И
1. Розподiл рухомих форм ВМ в грунтi територiї, що знаходилась поза зоною техногенного впливу IнГЗК та ПiвнГЗК, але в межах Кривбасу, має свої особливостi. Якщо концентрацiї кадмiю, свинцю та мiдi не вiдрiзняють вiд таких в чорноземних грунтах iнших фонових територiй України, то концентрацiї залiза, марганцю, цинку, нiкелю є вищими в 1.2-1.5 раза. Максимум бiогенної акумуляцiї ВМ виявлений в перехiдному гумусовому генетичному горизонтi, що обумовлюється діями карбонатного та біологічного бap`єрів міграції.
2. В чорноземи звичайнi (зона впливу ПiвнГЗК) та чорноземи пiвденнi (зона впливу IнГЗК) щорiчно надходить аерогенним шляхом 0.11-66 кг ВМ на 1 га. Концентрацiї рухомих форм ВМ в цих грунтах в 1.5-2.5 раза (Р<0.05) перевищують концентрацiї локального фону Кривбасу.
3. Важкi метали аеротехногенного походження в рухомих формах мiгрують в чорноземах звичайних та чорноземах пiвденних на значну глибину (80-110 см). Глибина мiграцiї ВМ тим бiльша, чим менша концентрацiя пилу в приземному шарi атмосфери, а також залежить вiд пiдтипу грунту: в чорноземах пiвденних величина мiграцiї бiльша, нiж в чорноземах звичайних.
4. В чорноземи звичайнi i пiвденнi та грунти заплав гiдротехногенним шляхом щорiчно надходить 0.14-126 кг ВМ на 1 га. Концентрацiї рухомих форм ВМ в цих грунтах в 2-40 разiв (Р<0.05) перевищують їх вмiст в грунтi локального фону.
5. В грунтi територiй, прилеглих як до ПiвнГЗК, так i до IнГЗК, вiдбувається руйнування природних асоцiацiй ВМ, що свiдчить про порушення в його геохiмiчному балансi. Згiдно iснуючої критерiальної шкали еколого-гiгієнiчного ранжування визначенi три зони екологiчного стану територiй: 1) нормального стану; 2) екологiчної неблагополучностi; 3) екологiчної кризи.
6. Серед буферних властивостей чорноземiв звичайних, якi обумовлюють мiнiмальнi концентрацiї рухомих форм ВМ в грунтi, найбiльш важливими є вмiст гумусу, гранулометричнi фракцiї фiзичної глини та вмiст обмiнного кальцiю. В чорноземах пiвденних в мiнiмалiзацiї ВМ , крiм цих властивостей, суттєву роль вiдiграють гранулометричнi фракцiї мулу та обмiнного магнiю.
7. Природнi геохiмiчнi бар’єри в чорноземах пiвденних та звичайних впливають на процеси мiграцiї та акумуляцiї ВМ за умови, що рiвень сумарного аеротехногенного та гiдротехногенного надходження не перевищує 0.5-0.75 кг/га рухомих форм на рiк. За таких умов техногенне накопичення ВМ не вiдбувається взагалi або воно локалiзоване в одному з грунтових горизонтiв (частiше всього в гумусовому перехiдному).
8. Для запобiгання в найближчi 20 рокiв накопичення залiза, яке вiдбувається аеротехногенним шляхом, в екологiчно небезпечних концентрацiях в грунтах територiї, прилеглої до ПiвнГЗК, необхiдно зменшити валовi викиди в атмосферне повiтря пилу цим пiдприємством до 6.4 тис.т на рiк. Запобiгання наявностi екологiчно небезпечних концентрацiй в грунтi територiй, прилеглих до IнГЗК, може бути досягнене в результатi зменшення валових викидiв комбiнату до 3.55 тис.т на рiк, а за умови зменшення викидiв до 2.6 тис.т на рiк в найближчi 20 рокiв також не буде вiдбуватися екологiчно небезпечне накопичення цинку.
9. Створення штучних геохiмiчних бар’єрiв мiграцiї ВМ в грунтi, пiдтримання показникiв буферних властивостей грунту в оптимальних межах забезпечує перехiд забруднювачiв iз рухомих у фiксованi форми. Для цього є доцiльним застосування хiмiчних мелiорантiв (цеолiтiв, торфу, гiпсу) з метою хеморемедiацiї зрушень, що виникли в грунтi.
Список основних праць, опублiкованих за темою дисертацiї
Статті:
Тези доповідей:
АНОТАЦІЯ
Савосько В.М. Екологічна роль геохімічних бар'єрів міграції в розподілі та акумуляції важких металів в грунтах територій, прилеглих до залізорудних гірничо-збагачувальних комбінатів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія.- Дніпропетровський Національний університет, Дніпропетровськ, 2001.
Вивчені закономірності розподілу рухомих форм важких металів в чорноземах звичайних та південних. Встановлено, що в ці грунти щорiчно надходить важких металів аерогенним шляхом 0.11-66 кг на 1 га та гiдротехногенним шляхом 0.14-126 кг на 1 га. Вміст рухомих форм металів в чорноземах звичайних та південних в 1.5-2.5 раза (Р<0.05) перевищє концентрацiї локального фону Кривбасу. Встановлені діапазони грунтових властивостей, що обумовлюють перехід металів з рухомого стану в фіксований. Розроблений спосіб оптимізації вмісту важких металів в грунтах шляхом створення штучних геохiмiчних бар’єрiв їх мiграцiї в грунтi та пiдтримання показникiв буферних властивостей грунту в оптимальних межах, що забезпечує перехiд забруднювачiв iз рухомих у фiксованi форми.
Ключові слова: важкі метали, акумуляція, вилуговування, геохімічні бар'єри, прогнозування, екологічне ранжування, оптимізація.
SUMMARY
Savosko V.M. The ecological significance of geochemical barriers of migration for spreading and accumulation of heavy metals in soils of territories adjoining to integrated iron-ore mine-concentrating mills.- Manuscript.
Thesis of competition for science degree of biological science’s master by speciality 03.00.16 - ecology.- Dnepropetrovsk State University, Dnepropetrovsk, 2001.
The regularities in spreading of mobile heavy metals forms which get to usual and southern chernozem by air and water were revealed. Is established that in these soil annually arrives by an aerogenic way and hydrogenic by a way around 0.41-120 kg per 1ha. The content of the relative frame shapes of heavy metals in 1,5-2,5 times is higher than in control. The intervals of soil properties are detected, which one institutes a minimum content of heavy metals. The mode of optimisation of heavy metals accumulated in soils was carried out. It is bassed on adjustement of heavy metals availability by application of geochemical barriers. The methods of the chemoremediation are the basic reception of regulating of a content of heavy metals.
Key words: heavy metals, accumulation, leaching, geochemical barriers, prediction, ecological ranking, remediation.
АННОТАЦИЯ
Савосько В. Н. Экологическая роль геохимических барьеров миграции в распределении и аккумуляции тяжелых металлов в почвах территорий, прилегающих к железорудным горно-обогатительным комбинатам. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология.- Днепропетровский Национальный университет, 2001.
Изучено распределение подвижных форм тяжелых металлов в почвах территорий, прилегающих к Северному и Ингулецкому горно-обогатительным комбинатам (СевГОК и ИнГОК). Данные комбинаты расположены в Криворожском железорудном бассейне (Днепропетровская обл., Украина). Подвижные формы извлекались путем сжигания навески почвы в одно-молярной азотной кислоте с атомно-одсорбционным окончанием. В качестве контроля были выбраны почвы локальных фоновых участков, которые расположены вне зоны техногенного влияния промышленных предприятий, но в пределах природной геохимической аномалии. Исследовалось техногенное накопление подвижных форм тяжелых металлов в почвах при их аэрогенном (с атмосферной пылью) и гидрогенном (с минерализованными грунтовыми водами) поступлениях.
Установлено, что в почвах локального фонового участка Кривбасса содержание подвижных форм тяжелых металлов составляет (мг/кг абсолютно сухой почвы): железа – 771-1449; марганца - 108-3118; цинка - 15.21-25.00; никеля - 21.70-34.61; меди - 5.03-8.43; свинца - 2.15-3.00; кадмия - 0.27-0.81. Отмечается биогенное накопление железа, марганца, цинка, никеля и меди в гумусовых горизонтах. При этом необходимо отметить, что в распределении железа, марганца, цинка, никеля, меди по почвенному профилю контрольных территорий ведущее значение имеет карбонатный геохимический барьер миграции. Максимальное накопление этих металлов выявлено в горизонте АВ, где отмечается одновременно высокое содержание гумуса и карбонатов.
Выявлено, что содержание подвижных форм тяжелых металлов превышает значения локального фона в 1.5-2.5 раза, при их аэрогенном поступлении, и в 2.0-4.0 раза, при их гидрогенном поступлении (Р<0.05). На отдельных участках концентрации некоторых металлов до 40 раз превышают контрольные значения (Р<0.05). Аэротехногенные тяжелые в подвижных формах мигрируют по почвенному профилю на глубину до 80-100 см. Глубина миграции тяжелых металлов была тем больше, чем меньше концентрация пыли в приземном слое атмосферы, а также зависела от подтипа почвы: в черноземах южных величина миграции металлов выше, чем в черноземах обыкновенных.
Проведенный корреляционно-регрессионный математический анализ позволил выявить приоритетные буферные свойства почв, которые оказывают максимальное влияние на содержание подвижных форм тяжелых металлов, а также соответствующие интервалы этих свойств.
Среди исследованных буферных свойств почв территорий, прилегающих к СевГОКу, наибольшее влияние на распределение подвижных форм тяжелых металлов оказывают содержание гумуса, гранулометрической фракции физической глины и обменного кальция. На ИнГОКе помимо отмеченных свойств почвы, содержание металлов зависит также от гранулометрической фракции ила и обменного магния.
Выполнено прогнозирование накопления тяжелых металлов в поверхностном слое почвы (0-20 см), которое осуществлялось посредством разработки графических и математических моделей. Составленные прогнозные карты (на ближайшие 20 лет) позволили выделить экологически неблагоприятные зоны. Математические модели дали возможность обосновать уровни выбросов пыли, при которых не будет происходить накопление тяжелых металлов в поверхностном слое почвы.
Установлено, что геохимические барьеры оказывают разнонаправленное действие на распределение подвижных форм тяжелых металлов. Анализ полученных данных свидетельствует, что эти барьеры не в состоянии "контролировать" распределение железа и цинка в почвах Кривбасса (черноземах обыкновенных и южных). Поэтому в большинстве почвенных горизонтов отмечается их техногенная аккумуляция. Одновременно геохимические барьеры обуславливают иммобилизацию свинца в черноземах обыкновенных, а марганца - в черноземах южных. Вследствие этого, их содержание в почвах Кривбасса - ниже значений локального фона. В общем, естественные геохимические барьеры в черноземах южных и обыкновенных оказывают значимое влияние на процессы миграции и аккумуляции металлов при условии, если уровень их поступления не превышает 0.5-0.75 кг/га подвижных форм в год.
Разработан и предложен способ оптимизации содержания тяжелых металлов в почвах горнорудных регионов, который заключается в последовательном выполнении следующих этапов: а) предупреждение поступления тяжелых металлов в почву; б) экологическом ранжирование территории в) снижение воздействия накопившихся тяжелых металлов методами хеморемедиации. Основным экологическим подходом снижения неблагоприятного влияния на окружающую среду, уже накопившихся в почвах региона тяжелых металлов, являются приемы хеморемедиации. Под этим термином нами понимается внесение в почву мелиорантов, которые или сорбируют тяжелые металлы, или создают искусственные геохимические барьеры миграции. Тяжелые металлы, попадая на такие барьеры, переходят в фиксированное состояние, тем самым на длительное время исключаются из дальнейшей миграции в окружающей среде.
Ключевые слова: тяжелые металлы, аккумуляция, выщелачивание, геохимические барьеры, прогнозирование, экологическое ранжирование, оптимизация.