Экогеохимия ртути в природных средах томского региона



Скачать 486.55 Kb.
страница1/3
Дата06.05.2016
Размер486.55 Kb.
  1   2   3

На правах рукописи



Ляпина Елена Евгеньевна

ЭКОГЕОХИМИЯ РТУТИ В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ

ТОМСКОГО РЕГИОНА

Специальность 25.00.36 – Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук
Томск – 2012

Работа выполнена в Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения российской академии наук



Научный руководитель:

кандидат биологических наук

Головацкая Евгения Александровна


Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук

Аношин Геннадий Никитович
кандидат геолого-минералогических наук

Жорняк Лина Владимировна




Ведущая организация:

АУ Республики Алтай «Алтайский региональный институт «Экология»», г. Горно-Алтайск


Защита состоится 14 марта 2012 г. в 15.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.07 при ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский «Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 2, стр. 5, корп. 20, ауд. 504.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский «Томский политехнический университет».


Автореферат разослан 13 февраля 2012 г.


Ученый секретарь совета,

д. г.-м. н., профессор С.И. Арбузов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Ртуть является одним из основных загрязнителей окружающей среды городов и прилегающих к ним территорий, обладающим широким спектром негативного воздействия на живые организмы.

Почвы городов - основной компонент природной среды, являющийся индикатором геохимической обстановки в ландшафте, и находящийся на пересечении всех путей миграции химических элементов (Рихванов и др., 1993; Таусон и др., 1995; Иванов, 1977 и др.). Время пребывания ртути в почве больше, чем в других компонентах биосферы (Добровольский, 2003, Башкин, 2004). Анализ снегового покрова, как кратковременной депонирующей среды, широко применяется в эколого-геохимических и геоэкологических исследованиях (Алехин, 2009, Гладышев, 2000). Исследование ртутной нагрузки на урбанизированных территориях, как в нашей стране, так и в республиках бывшего союза проведены Е.П. Яниным. В Томской области оценка ртутного загрязнения почв проводится сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии Национального исследовательского Томского политехнического университета (Л.П. Рихванов, Е.Г. Язиков, Р.В. Голева и др.), а также другими специалистами различных организаций и институтов. Анализ ранее проведенных исследований ртутного загрязнения территорий городов России и других стран показывает, что они характеризуются недостаточной изученностью комплексного влияния ртути на все компоненты окружающей среды города (снеговой покров, почвы, биооъбекты), часто отсутствуют расчеты эколого-геохимических показателей ртутной нагрузки на территорию городов.

Торфяные почвы характеризуются наибольшей сорбционной способностью к ртути благодаря высокому содержанию органического вещества, что позволяет оценить не только количество накопленного элемента, но и ретроспективу его накопления в прошлом. Исследования накопления ртути торфами на территории Томской области проводились в Сибирском научно-исследовательском институте торфа (Инишева, Цыбукова, 1999), но применявшийся метод исследования давал слишком большую ошибку.

Растения способны не только накапливать ртуть до весьма высоких концентраций, но и выделять ее обратно в атмосферу. Изучение содержания ртути в растениях по литературным данным, как в России, так и за рубежом, представлено в основном исследованием мхов, лишайников, хвои, грибов, реже деревьев. Литературные данные по изучению содержания ртути в растениях на территории Томской области автору не встречались.

Детальная оценка автором комплексной ртутной нагрузки на территорию г. Томска по результатам исследований почв, твердого осадка снега и биообъектов, а также исследования по определению степени биологического поглощения растительностью и аккумуляции ртути торфами Томской области, позволяет более полно оценить степень их загрязнения элементом.

Объектами исследований являются почвы и снеговой покров г. Томска, торфяные месторождения и биообъекты Томской области и Ханты-мансийского автономного округа, предметом исследований – содержание ртути в этих объектах.



Цель работы. Исследование содержания ртути в природных объектах на территории Западной Сибири, выявление природных индикаторов ртутного загрязнения окружающей среды и закономерностей ее накопления в них.

Основные задачи работы

  1. Изучить содержание ртути в твердом осадке снега и почве на территории г. Томска.

  2. Исследовать торфяные месторождения Томского региона как архивы атмосферного депонирования ртути и определить возможность хронологии ртутного депонирования в торфяных залежах различного типа.

  3. Исследовать содержание ртути в годичных кольцах деревьев Томского района для разработки методов дендрохроноиндикации.

  4. Выявить наиболее информативные индикаторы ртутного загрязнения (мхи, лишайники, грибы, хвоя) в Томской области.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертационной работы положены результаты исследований, проводившихся лично автором и совместно с сотрудниками Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН и кафедры геоэкологии и геохимии Национального исследовательского Томского политехнического университета в период с 2003 по 2007 гг.

Для исследования содержания ртути в природных объектах на территории Томского региона были отобраны и проанализированы пробы снега, почвы, торфа, а также биообъектов. Пробы снега (56 проб) и почвы (120 проб) отбирали по сети, равномерно покрывающей г. Томск (рис. 1). Кроме этого, дополнительно были отобраны пробы почв с территорий 16 промышленных предприятий г. Томска (63 пробы), а также в условно фоновом районе (с. Киреевск, Кожевниковский район, Томская область). Пробы торфа отобраны на болотных экосистемах Томского района, Томской области и Ханты-мансийского Автономного округа (табл. 1). Всего проанализировано 12 торфяных разрезов (480 проб). Пробы биологических объектов отобраны на территории г. Томска, Томского района и Томской области (296 проб).

Все пробы проанализированы с помощью ртутного газоанализатора РГА-11 атомно-абсорбционным методом в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. Все анализы выполнены по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов. При этом осуществлялся внутренний контроль параллельным определением элемента. Погрешность определения не превышает 30 %.

Рис. 1. Схема расположения точек опробования почв на территории

г. Томска:

ТЭМЗ – ОАО «Томский электромеханический завод»; ТЭЛЗ – ОАО «Томский электроламповый завод»; ТИЗ – ОАО «Томский инструмент»; МЗ – ОАО «Манотомь»; СибМ – ОАО «Сибэлектромотор»; РТЗ – ОАО «Томский радиотехнический завод»; КЗ – ООО «Континентъ» (Кирпичный завод); ЭмПр – Эмальпроизводство ЗАО «Сибкабель»; ПЗ – ЗАО «Томский приборный завод»; СпичФ – спичечная фабрика «Сибирь»; СибК – ЗАО «Сибкабель»; ШЗ – ОАО «Томский шпалопропиточный завод»; ФЗ – ОАО «Фармстандарт-Томскхимфарм»; ДЗ – Томский дрожжевой завод (Жорняк, 2009)

Таблица 1

Характеристика исследуемых торфяных месторождений

Ключевой участок

Мощность торфяной залежи, м

Характеристика

Место расположения

торфяное месторождение «Бакчарское», олиготрофное болото

Заболоченный лес (БЗЛ)

0,2

Естественный участок

Бакчарский

район, Томская область



Высокий рям (БВР)

1,0

Естественный участок

Низкий рям (БНР)

3,0

Естественный участок

Осоково-сфагновая топь (БОТ)

2,7

Естественный участок

торфяное месторождение «Васюганское», олиготрофное болото

Низкий рям (ВНРмел)

2,8

Участок лесомелиорации

Низкий рям (ВНР)

1,0

Естественный участок

торфяное месторождение «Сухое-Вавиловское», эвтрофное болото

«Сухое-Вавиловское» (СВ)

2,6

Выработанный участок

торфяное месторождение «Самара», эвтрофное болото

Ерниково-осоковый фитоценоз (СЭБ)

3,7

Естественный участок

торфяное месторождение «Таган», эвтрофное болото

Таган (Тв)

1,05

Выработанный участок

Томский район, Томская область

Таган (Т)

3,4

Естественный участок

торфяное месторождение «Озерное», олиготрофное болото

Грядово-мочажинный комплекс (ОзГМК)

3,4

Участок с антропогенным влиянием

Каргасокский район, Томская область

торфяное месторождение «Салымо-Юганское», олиготрофное болото

Грядово-мочажинный комплекс (СЮГМК)

3,1

Естественный участок

Ханты-Мансийский автономный округ


Научная новизна


  1. Впервые проведена комплексная геоэкологическая оценка ртутной нагрузки на территорию г. Томска по результатам измерений содержания ртути в твердом осадке снега, почвах и растениях, а также на основании расчета геоэкологических показателей.

  2. Впервые получены глубинные распределения концентрации ртути на фоновых и нарушенных участках торфяных месторождений Томского региона.

  3. Впервые проведен анализ распределения ртути в торфах с помощью модели «Ртуть/Биомасса».

  4. Впервые проведены исследования по изучению биоиндикаторов ртутного загрязнения в Томском регионе.

Практическая значимость работы. Результаты работы по определению ртутной нагрузки на территорию г. Томска могут представлять интерес для органов и организаций экологического контроля г. Томска и Томской области. Полученные нами данные по содержанию ртути в почвах, торфах и растениях могут найти применение при оценке экологического состояния как урбанизированных, так и фоновых территорий Томской области. Материалы диссертационной работы могут быть использованы при проведении практических и лабораторных занятий студентов экологических специальностей. Материал, собранный автором, является основой для дальнейшего мониторинга урбанизированных и фоновых территорий.

Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым количеством проб, изученных современными высококачественными аналитическими методами, проанализированных и обработанных с применением статистических методов анализа, а также глубиной проработки материала.

Апробация работы. Основные результаты работы, полученные автором докладывались на 9 Российских и 13 Международных научных симпозиумах, конференциях, совещаниях и школах-семинарах: Российской конференции «Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (Томск, 2005, 2007, 2008, 2011 гг.), Международном симпозиуме студентов и молодых ученых им. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2006, 2007, 2008 гг.), Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2006, 2008 гг.), Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в новом тысячелетии» (Томск, 2006, 2009 гг.), International Conference on Environmental Observations, Modeling and Informational Systems (Томск, 2006), International Conference and Young Scientists School on Computation Information Technologies for Environmental Sciences (Томск, 2007; Красноярск, 2009), Международном симпозиуме «Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты» (Москва, 2010) и др.

Публикации. Основное содержание и научные положения диссертации опубликованы в 40 работах, в том числе 3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы составляет 154 страницах, включая 33 таблицы и 41 рисунок. Список литературы состоит из 300 наименований, в том числе 42 на иностранном языке.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и проведенных исследований. Определены цели и задачи диссертационной работы, обозначен вклад автора в исследования по данной теме, отражена научная новизна работы и практическая значимость полученных результатов.

В главе 1 отражены современные научные достижения в области исследования содержания ртути в природных средах, геохимических особенностей миграции и трансформации.

Глава 2 посвящена методике исследований. Описаны способы отбора и обработки проб снега, почв, торфа и биообъектов, методы анализа ртути в разных средах. Приведена характеристика природно-климатических особенностей пунктов отбора проб, а также геоэкологической ситуации г. Томска.

В главе 3 приведен уровень ртутной нагрузки на территорию г. Томска по данным исследования почв и твердого осадка снега.

В главе 4 обсуждается динамика накопления ртути торфами как нативных, так и антропогенно-нарушенных болотных экосистем.

В главе 5 проанализировано содержание ртути в биологических объектах Томской области.

В заключении приведены основные выводы и рекомендации.

Личный вклад соискателя в получение результатов, изложенных в диссертации, заключается в непосредственном участии в отборе и подготовке к анализам проб почвы, подготовке к анализу проб торфа и биообъектов, исследовании состава проб, статистической обработке материала, построении карт-схем загрязнения почвенного и снегового покрова изучаемой территории.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю к.б.н. Е.А. Головацкой и руководителю лаборатории физики климатических систем Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН профессору д.ф.-м.н. И.И. Ипполитову за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы.

Искреннюю благодарность автор выражает сотрудникам кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета профессору, д.г.-м.н. Л.П. Рихванову за внимание и ценные советы, к.г.-м.н. А.В. Таловской, к.г.-м.н. Л.В. Жорняк. за помощь в проведении полевых исследований и плодотворное сотрудничество.

Особо признателен автор сотрудникам Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН: лаборатории геофизических исследований И.В. Курьиной за ценные советы, к.б.н. Ю.И. Прейс, лаборатории биоинформационных технологий к.б.н. В.Д. Несветайло, А.Н. Маркеловой за помощь в проведении исследований.

Автор благодарен коллегам по лаборатории физики климатических систем к.ф.-м.н. Е.А. Дюкареву, С.В. Логинову, к.ф.-м.н. Смирнову С.В. за ценные советы, рекомендации, помощь и поддержку при написании и оформлении работы.

Отдельную признательность за помощь в проведении исследований автор выражает Головацкому Ю.В.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПОЛОЖЕНИЕ 1. Концентрация ртути в почвах и пылеаэрозольных выпадениях на снеговой покров города Томска позволяют выделить наиболее нагруженные районы. Распространение загрязнения связано с воздушным переносом и имеет пространственное распределение, определяемое преобладающим направлением ветра и орографией города.

По результатам исследований содержания ртути в пылеаэрозольных выпадениях на снеговой покров г. Томска установлен очаговый характер распространения поллютанта по территории города (рис. 2а), с содержанием в очагах от 60 до 258 нг/г, что превышает фон до 4,5 раз (Янин, 2005, Буренков и др., 2000). Более высокие концентрации ртути получены для северной части города, что объясняется преобладающим направлением ветра в зимний период 2007 г., а так же аэродинамическими закономерностями распределения потоков воздуха по долине р. Томь. Кроме преобладающего направления ветра на распределение загрязнения влияет орография города и характер жилой застройки районов, создающий особый тип циркуляции воздушных масс (Рихванов и др., 2006). Исходя из средних концентраций ртути в снеге, следует отметить Октябрьский и Ленинский районы, как наиболее загрязненные. Наиболее чистым можно считать Советский район.

Для расчета опасного воздействия ртутного загрязнения на окружающую среду г. Томска были использованы следующие экогеохимические показатели (табл. 2): общая ртутная нагрузка - PHg=CHg·Pn/100, мг/(м2·сут); где CHg - концентрация ртути в снеговом покрове, %; Pn - пылевая нагрузка, мг/(м2·сут); коэффициент общей ртутной нагрузки - KpHg=PHgф, величина безразмерная, где; Рф - общая нагрузка ртути на фоновом участке (с. Киреевск), 26,7 мг/(м2·сут); коэффициент аэрозольной аккумуляции - Ка=А/К, где А - содержание ртути в твердой фазе аэрозоля, %; К - кларк ртути в гранитном слое континентальной земной коры (0,033·10-4% по А.А. Беусу (Янин, 2005)); коэффициент концентрации - Кс=СHgф, где Сф - содержание ртути в соответствующем компоненте окружающей среды для фонового района (Летевнинкас, 2002), кларк концентрации - Кк=CHg/К, где Кк - кларк концентрации ртути, CHg - концентрация ртути в почве (%), К - кларк ртути в земной коре (4,5·10-7%, по Н.А. Озеровой (Иванов, 1997).

Проведенная оценка ртутной нагрузки на территорию города в зимний период позволяет выделить Ленинский и Октябрьский районы как более загрязненные, а Кировский и Советский – как менее загрязненные по всем экогеохимическим показателям.


а)

б)

Рис. 2. Распределение содержания ртути по территории г.Томска, нг/г:

а) в снеговом покрове, б) в почвах

Таблица 2



Содержание ртути в объектах окружающей среды г. Томска

Показатель

Район

Кировский

Советский

Октябрьский

Ленинский

Снег

CHg, нг/г

50-183/113*

19-222/96

7-194/121

4-258/111

Кc

0,5-1,84/1,12

0,18-2,24/0,99

0,07-1,96/1,27

0,04-2,6/1,22

Ка

0,02-0,06/0,04

0,02-0,07/0,03

0,02-0,06/0,04

0,01-0,07/0,03

PHg, мг/(м2сут)

9,6-206,6/20,4

3,9-417,1/21,2

2,4-295,8/44,0

1,3-498,9/134,1

KpHg

0,36-7,74/0,76

0,15-15,62/0,79

0,09-11,08/1,65

0,05-18,69/5,02

Почва

CHg, нг/г

160-1160/359

260-2250/783

170-570/309

100-1010/482

Кc

1,78-12,89/3,98

2,89-25/8,7

1,89-6,89/3,43

1,11-11,22/5,36

КcПДК

0,08-0,55/0,17

0,12-1,07/0,37

0,08-0,3/0,15

0,05-0,48/0,23

Кк

0,04-0,33/0,1

0,06-0,50/0,14

0,04-0,14/0,07

0,05-0,20/0,1

Примечание: * - минимум-максимум/среднее

Данные, полученные в ходе исследования поверхностной составляющей почв г. Томска показали наличие в отдельных районах города концентраций Hg в значениях, незначительно превышающих ПДК (2100 нг/г), но значительно выше фонового содержания для почв Томской области (90 нг/г) и в 2 раза превышающие концентрации, полученные Л.П. Рихвановым в 1993 г., однако очаги максимального содержания ртути совпадают (Рихванов и др, 1993) (рис. 2б). Максимальная концентрация Hg 2250 нг/г отмечена в Советском районе (пос. Восточный), также выявлены очаги высоких концентраций в Ленинском и Кировском районах, что объясняется наличием большого количества котельных (в том числе и печное отопление), влиянием загруженных транспортных магистралей, функционированием железнодорожного вокзала, а также большим количеством несанкционированных свалок и положением на рельефе. Низкая концентрация ртути наблюдается в лесопарковых зонах, Академгородке и в спальных районах, где нет крупных промышленных предприятий и нагрузка автотранспорта невелика.

Несоответствие площадного расположения очагов с максимальным содержанием ртути в твердом осадке снега и почвах на территории г. Томска объясняется основным направлением стока с более высоких точек ландшафта (Каштачная гора, район Лагерного сада, Академгородок) в более низкие (мкр. Черемошники, пос. Восточный, набережная р. Томь) во время весеннего снеготаяния и в период дождей. Карта распространения содержания Hg в твердом осадке снега по территории г. Томска отражает характер ртутного загрязнения только за один зимний сезон, в то время как карта распределения содержания ртути в почве - за более длительный период.

Более детальное изучение содержания ртути, проведенное в пробах грунтов, отобранных вблизи промышленных предприятий г. Томска, позволило выделить два предприятия с наибольшими концентрациями поллютанта в почвах их территорий - Электромеханический и Дрожжевой заводы (табл. 3), что объясняется производственной деятельностью первого и положением в ландшафте второго.



Таблица 3
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница