В последние десятилетия экологическая обстановка в регионах Поволжья значительно ухудшилась. В настоящее время в Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областях состояние окружающей среды в пределах городов, где проживает более половины населения, характеризуется как кризисное и требующее действенных мер по оздоровлению. Особо выделяется в поволжских городах экологическая проблема загрязнения техногенными тяжелыми металлами атмосферного воздуха [1].
На территории практически любого города распределение поллютантов, антропогенно выделяющихся в атмосферу, имеет свою специфику. Поллютанты, которые вместе с выбросами поступают в атмосферу на большой высоте над земной поверхностью (например, из высоких труб производственных объектов), распространяются на огромные расстояния воздушными массами. Эти выбросы в основном загрязняют территории, значительно удаленные от города.
Тяжелые металлы, как известно, содержатся в приземном слое атмосферного воздуха: в 1,5-3,5 м над земной поверхностью. Они способны мигрировать и аккумулироваться в депонирующих средах: в почве, водной среде, в биомассе живых организмов.
Содержащиеся в воздухе тяжелые металлы способны интенсивно рассеиваться воздушными массами на большие расстояния, что повышает опасность загрязнения и деградацию пограничных сред: почвенного покрова, водных объектов и живых организмов [3, 4].
Тяжелые металлы в составе техногенных выбросов промышленных предприятий и автотранспорта составляют основную массу твердой фазы и находятся преимущественно в форме оксидов, сульфидов, карбонатов, гидратов и микроскопических капель (шариков) металлов. Удельная масса этих соединений (г/см3) достаточно высокая: оксидов 5-6, сульфидов 4-4,5, карбонатов 3-4, металлов 7-8 [5].
Цель исследований, проведенных в 2009-2011 гг., состояла в анализе среднегодового содержания тяжелых металлов в городах Поволжья - Балашове, Саратове (Саратовская область), Сердобске, Кузнецке (Пензенская область), Камышине, Волжском (Волгоградская область), Инзе, Димитровграде (Ульяновская область) - с разной степенью техногенного прессинга на окружающую среду.
Материалы и методы исследования
Отбор проб воздуха на высоте 2-2,5 м от земли осуществлялся электроаспиратором ПУ-2Э на передвижных постах (автомобиль с инструментарием) [2-7]. В большинстве городов было заложено по 5 постов, за исключением крупных городов - Саратова и Волжского, в которых располагалось по 10 постов. На участках природных степных разнотравных экосистем (контроль) - в окрестностях с. Березовка и с. Пады Балашовского района Саратовской области - мониторинг проводился на 2 постах. Пробоотбор осуществлялся дискретно на передвижных постах утром (8.00 ч) и вечером (20.00 ч) в течение 3 дней в августе 2009-2011 гг.
Лабораторный анализ проб воздуха на предмет содержания в твердой фазе тяжелых металлов выполнен методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии [6, 7].
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты мониторинга атмосферного воздуха в эталонной экосистеме (в контроле) представлены в табл. 1. Здесь ежегодно постоянно идентифицировались четыре техногенных тяжелых металла - Pb, Zn, Mn, Cu, аэротехногенными источниками которых были: движущийся по проселочным дорогам автотранспорт и деятельность сельскохозяйственных предприятий животноводческой и растениеводческой отраслей.
Таблица 1 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе в контроле (2009-2011 гг.)
|
Год |
Pb |
Zn |
Mn |
Cu |
|
2009 |
0,00004 |
0,001 |
0,0003 |
0,0004 |
|
2010 |
0,0001 |
0,001 |
0,001 |
0,001 |
|
2011 |
0,0002 |
0,002 |
0,0007 |
0,0008 |
|
М±mM |
0,0001± 0,000003 |
0,001± 0,00004 |
0,0007± 0,00002 |
0,0007± 0,00001 |
|
ПДК |
0,0003 |
0,005 |
0,001 |
0,002 |
В контроле концентрации данных элементов в атмосферном воздухе предельно-допустимых значений не превышали.
В составе атмосферного воздуха г. Балашова (Саратовская область) ежегодно индентифицировались следующие поллютанты: Pb, Zn, Mn, Cu, Fe, Co, Cd. Из них пять (Pb, Zn, Mn, Cu, Fe) оказывали наиболее значимое влияние на качество воздуха (табл. 2). Эти поллютанты содержались в воздухе в количествах (мг/м3), превышающих фоновые показатели, но не превышающих соответствующие им гигиенические нормативы (ПДК). Средние арифметические значения концентраций Pb, Zn, Mn и Cu в атмосферном воздухе г. Балашова оказались равными ПДК, что свидетельствует о начинающимся процессе ухудшения качества воздуха и деградации окружающей среды.
Таблица 2 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Балашова (2009-2011 гг.)
|
Год |
Pb |
Zn |
Mn |
Cu |
Fe |
|
2009 |
0,0002 |
0,002 |
0,0006 |
0,0006 |
0,0002 |
|
2010 |
0,0005 |
0,007 |
0,002 |
0,003 |
0,0003 |
|
2011 |
0,0002 |
0,004 |
0,0008 |
0,002 |
0,0003 |
|
М±mM |
0,0003± 0,00001 |
0,004± 0,0001 |
0,001± 0,00002 |
0,002± 0,00005 |
0,00027± 0,00001 |
|
ПДК |
0,0003 |
0,005 |
0,001 |
0,002 |
0,04 |
В атмосферном воздухе г. Саратова выявлено десять тяжелых металлов (Pb, Zn, Mn, Cu, Co, Cd, Fe, Mo, Ni, Hg), из них наиболее значимые следующие шесть элементов: Pb, Zn, Mn, Cu, Co, Cd. Первые четыре металла содержались в приземной атмосфере в количествах, превышающих ПДК в 9,0, 6,2, 3,7 и 2,9 раз соответственно. Данные величины свидетельствуют о весьма нестабильном экологическом состоянии атмосферного воздуха в пределах г. Саратова, что требует срочной реализации неотложных природоохранных мер (табл. 3).
Таблица 3 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Саратова (2009-2011 гг.)
|
Год |
Pb |
Zn |
Mn |
Cu |
Co |
Cd |
|
2009 |
0,0005 |
0,009 |
0,001 |
0,003 |
- |
- |
|
2010 |
0,0014 |
0,012 |
0,007 |
0,009 |
0,0002 |
0,0001 |
|
2011 |
0,0008 |
0,010 |
0,003 |
0,005 |
0,0002 |
- |
|
М±mM |
0,0027± 0,0001 |
0,031± 0,0006 |
0,0037± 0,00009 |
0,0057± 0,0002 |
0,0001± 0,000004 |
0,0001± 0,000003 |
|
ПДК |
0,0003 |
0,005 |
0,001 |
0,002 |
0,0004 |
0,00003 |
В г. Сердобске (Пензенская область) зарегистрированы следующие тяжелые металлы - загрязнители приземной атмосферы: V, Pb, Zn, Co, Cu, Cd, Ni, Mo, но наиболее существенное влияние оказывают первые шесть элементов. Из всех поллютантов лишь Pb (1 ПДК) и Co (1,3 ПДК) содержались в воздухе в больших объемах, что характеризует состояние воздуха как экологически нестабильное (табл. 4). При увеличении объемов неочищенных или недостаточно очищенных аэротехногенных выбросов в ближайшие годы уровень загрязнения воздушного бассейна в пределах г. Сердобска будет оцениваться как высокий.
Таблица 4 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Сердобска (2009-2011 гг.)
|
Год |
V |
Pb |
Zn |
Co |
Cu |
Cd |
|
2009 |
0,0016 |
0,001 |
0,0007 |
0,0006 |
- |
- |
|
2010 |
0,0009 |
0,004 |
0,001 |
0,0006 |
0,0001 |
0,0001 |
|
2011 |
0,0005 |
0,003 |
0,0009 |
0,0002 |
0,0001 |
- |
|
М±mM |
0,001± 0,00004 |
0,003± 0,0001 |
0,00087± 0,00004 |
0,0005± 0,00002 |
0,00007± 0,000003 |
0,00003± 0,000001 |
|
ПДК |
0,002 |
0,005 |
0,001 |
0,0004 |
0,002 |
0,0003 |
В пределах г. Кузнецка (Пензенская область) в связи с высокой загрязненностью воздушного бассейна сложилась напряженная экологическая ситуация. В химическом составе атмосферного воздуха выявлено восемь наименований техногенных тяжелых металлов: Fe, Pb, Zn, Co, Cr, Ni, из которых шесть содержались в воздухе практически постоянно. Концентрации Pb, Zn, Co значительно превышали ПДК в 2,2, 1,2 и 1,5 раз соответственно, что говорит о высоком уровне загрязнения воздуха (табл. 5).
Таблица 5 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Кузнецка (2009-2011 гг.)
|
Год |
Fe |
Pb |
Zn |
Co |
Cr |
Ni |
|
2009 |
0,02 |
0,007 |
0,004 |
0,0006 |
- |
- |
|
2010 |
0,05 |
0,016 |
0,009 |
0,0007 |
0,0001 |
0,0005 |
|
2011 |
0,04 |
0,009 |
0,005 |
0,0004 |
0,0002 |
0,0003 |
|
М±mM |
0,037± 0,001 |
0,011± 0,0004 |
0,006± 0,0002 |
0,0006± 0,00002 |
0,001± 0,00004 |
0,0003± 0,000005 |
|
ПДК |
0,04 |
0,005 |
0,005 |
0,0004 |
0,0015 |
0,001 |
Состав атмосферного воздуха г. Камышина (Волгоградская область) включает следующие поллютанты: Pb, Zn, Cd, Cu, Sb, V, Cd. Периодически выявляется присутствие в воздухе первых пяти элементов из этого перечня. Концентрации остальных металлов составляют либо следовые значения, либо отсутствуют продолжительное время. По Pb и Zn, входящим в состав выхлопных газов автомобилей и выбросов все еще функционирующих промышленных предприятий, ежегодно регистрировались повышенные концентрации, превышающие ПДК в 1,4 и 1,3 раза соответственно для каждого из этих загрязнителей (табл. 6). В соответствии с этим экологическое состояние воздушного бассейна в пределах г. Камышина оценивается как нестабильное.
Таблица 6 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Камышина (2009-2011 гг.)
|
Год |
Pb |
Zn |
Cd |
Cu |
Sb |
|
2009 |
0,006 |
0,03 |
0,0001 |
0,0006 |
0,0003 |
|
2010 |
0,008 |
0,06 |
0,0002 |
0,002 |
0,0004 |
|
2011 |
0,007 |
0,05 |
0,0001 |
0,001 |
- |
|
М±mM |
0,007± 0,0002 |
0,05± 0,001 |
0,00013± 0,000005 |
0,0012± 0,00004 |
0,0002± 0,000009 |
|
ПДК |
0,005 |
0,04 |
0,0003 |
0,002 |
0,02 |
Основными ингредиентами атмосферного воздуха в границах г. Волжского (Волгоградская область) являются следующие тяжелые металлы: Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Cd, Co, Hg, Cr. Первые четыре элемента являются приоритетными поллютантами, загрязняющими объекты окружающей среды. Экологическая обстановка на территории города оценивается как напряженная, связанная с большими объемами промышленных выбросов и значительно возросших количеств автомобильных выхлопов, содержащих Pb, Cd, и Cu в достаточно высоких концентрациях: 5,4, 2,3 и 2,5 долей ПДК по данным экотоксикантам (табл. 7). Требуются срочные природоохранные мероприятия.
Таблица 7 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Волжского (2009-2011 гг.)
|
Год |
Pb |
Zn |
Cd |
Cu |
Ni |
Cd |
|
2009 |
0,006 |
0,06 |
0,0001 |
0,001 |
- |
0,0002 |
|
2010 |
0,012 |
0,14 |
0,0004 |
0,003 |
0,0004 |
- |
|
2011 |
0,009 |
0,11 |
0,0002 |
0,001 |
0,0002 |
- |
|
М±mM |
0,027± 0,0006 |
0,31± 0,004 |
0,0007± 0,00002 |
0,005± 0,0002 |
0,0002± 0,000003 |
0,00007± 0,000003 |
|
ПДК |
0,005 |
0,04 |
0,0003 |
0,002 |
0,001 |
0,0003 |
Состояние атмосферного воздуха г. Инзы (Ульяновская область) оценивается как повышено загрязненное, поскольку в его составе периодически регистрируются тяжелые металлы: V, Pb, Zn, Cr, Cd, Ni, Mo. Ежегодно отмечаются высокие концентрации у Pb, Zn и Cr в приземном слое воздуха, причем Zn в среднем содержится в количестве, в 1,2 раза превышающим ПДК (табл. 8). Состояние воздуха оценивается как повышенно загрязненное. Экологическая проблема атмосферного воздуха связана с ежегодно возрастающими концентрациями тяжелых металлов, приближающихся к ПДК и превышающих ее.
Таблица 8 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Инзы (2009-2011 гг.)
|
Год |
V |
Pb |
Zn |
Cr |
Cd |
|
2009 |
0,0004 |
0,005 |
0,02 |
0,0014 |
0,0001 |
|
2010 |
0,0007 |
0,008 |
0,06 |
0,0012 |
- |
|
2011 |
0,0006 |
0,006 |
0,04 |
0,0013 |
- |
|
М±mM |
0,0006± 0,00002 |
0,006± 0,0001 |
0,04± 0,0009 |
0,0013± 0,00006 |
0,00003± 0,000001 |
|
ПДК |
0,002 |
0,005 |
0,04 |
0,0015 |
0,0003 |
В составе приземного слоя атмосферного воздуха в пределах г. Димитровграда установлено содержание порядка восьми техногенных элементов: V, Pb, Zn, Cu, Cr, Ni, Cd, Hg. Максимальное токсическое действие на окружающую среду оказывают четыре тяжелых металла: V, Pb, Zn и Cu. Их средневзвешенное содержание превышает ПДК в 1,5, 2,0, 1,8 и 2,5 раза соответственно для каждого из этих поллютантов (табл. 9). Состояние воздушного бассейна в пределах г. Димитровграда характеризуется как кризисное, напряженное и требует мер по его улучшению.
Таблица 9 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Димитровграда (2009-2011 гг.)
|
Год |
V |
Pb |
Zn |
Cu |
Cr |
Ni |
|
2009 |
0,001 |
0,007 |
0,05 |
0,003 |
0,0002 |
- |
|
2010 |
0,004 |
0,013 |
0,09 |
0,008 |
- |
0,0001 |
|
2011 |
0,003 |
0,011 |
0,08 |
0,005 |
- |
0,0004 |
|
М±mM |
0,003± 0,00007 |
0,01± 0,0004 |
0,07± 0,003 |
0,005± 0,0001 |
0,00007± 0,000002 |
0,00002± 0,0000008 |
|
ПДК |
0,002 |
0,005 |
0,04 |
0,002 |
0,0015 |
0,001 |
Выводы
Максимально загрязнен атмосферный воздух в городах с мощным техногенным воздействием на окружающую среду промышленностью и автотранспортом: в Саратове (уровень загрязнения воздуха - «очень высокий»), Кузнецке (уровень загрязнения воздуха - «высокий»), Волжском («высокий» уровень загрязнения воздуха), Димитровграде («высокий» уровень загрязнения воздуха).
Рецензенты:
- Любимов Валерий Борисович, д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии и рационального природопользования ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского», г. Брянск.
- Зайцева Елена Владимировна, д.б.н., профессор, зав. кафедрой зоологии и анатомии ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского», г. Брянск.