Эколого-гигиеническая оценка состояния почвенного покрова промышленного региона

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Тяжелые металлы, попадая в наш организм, остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока и белых грибов. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие - вызывают отравления, мутации. Кроме того, что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его - ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки - за их выведение наружу.

Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность земли более 150 тыс. тонн меди, 120 тыс. тонн цинка, около 90 тыс. тонн свинца, 12 тыс. тонн никеля, 1,5 тыс. тонн молибдена, около 800 тонн кобальта и около 30 тонн ртути. На 1 грамм черновой меди отходы медеплавильной промышленности содержат 2,09 тонн пыли, в составе которой содержится до 15% меди, 60% окиси железа и по 4% мышьяка, ртути, цинка и свинца. Отходы машиностроительных и химических производств содержат до 1 тыс. мг/кг свинца, до 3 тыс. мг/кг меди, до 10 тыс. мг/кг хрома и железа, до 100 г/кг фосфора и до 10 г/кг марганца и никеля. В Силезии вокруг цинковых заводов громоздятся отвалы с содержанием цинка от 2 до 12% и свинца от 0,5 до 3%, а в США эксплуатируют руды с содержанием цинка 1,8%. С выхлопными газами на поверхность почв попадает более 250 тыс. тонн свинца в год; это главный загрязнитель почв свинцом. Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также и с биоцидами. Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства).Техногенное поступление металлов в почву, закрепление их в гумусовых горизонтах в почвенном профиле в целом не может быть равномерным. Неравномерность его и контрастность прежде всего связана с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то 37,3% всех металлов будет рассеяно всего лишь в 2% обитаемой суши [13, c.70].

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановке в целом. Источник загрязнения в целом определяет качество и количество выбрасываемого продукта. При этом степень его рассеивания зависит от высоты выброса. Зона максимального загрязнения распространяется на расстояние, равное 10.

О загрязнении окружающей человека природной среды вредными веществами сейчас знают почти все. Средства массовой информации - печать, радио и телевидение - пытаются формировать такие знания у различных групп населения. Очевидно, что представить хороший обзор того, как, чем и в каких количествах загрязняется наш большой общий дом - биосфера - практически невозможно. К настоящему времени человечество ввело в биосферу более 4 миллионов ксенобиотиков (чужеродных для нее антропогенных веществ) и продолжает вводить по 6 тысяч веществ ежедневно. Понятно, что удельный вес, доля различных вредных веществ в загрязнении окружающей среды не являются одинаковыми. В золе угля и нефти обнаружены практически все металлы. В каменноугольной золе установлено наличие 70 элементов. В 1 т в среднем содержится по 200 г цинка и олова, 300 г кобальта, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка. Максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать 10 кг на 1 т. Зола нефти содержит много ванадия, ртути, молибдена и никеля. В золе торфа содержится уран, кобальт, медь, никель, цинк, свинец. Учитывая современные масштабы использования ископаемого топлива, приходит к следующему выводу: не металлургическое производство, а сжигание угля представляет собой главный источник поступления многих металлов в окружающую среду (приложение 2). Например, при ежегодном сжигании 2,4 млрд. т каменного и 0,9 млрд. т бурого угля вместе с золой рассеивается 200 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана, тогда как мировое производство этих двух металлов составляет 40 и 30 тыс. т в год соответственно [14, c.11].

Наблюдение за изменением тяжелых металлов в почве невозможно без знания факторов, определяющих их подвижность. Процессы передвижения удержания, обуславливающие поведение тяжелых металлов в почве, мало чем отличаются от процессов, определяющих поведение других катионов. Хотя тяжелые металлы иногда обнаруживаются в почвах в низких концентрациях, они формируют устойчивые комплексы с органическими соединениями и вступают в специфические реакции адсорбции легче, чем щелочные и щелочноземельные металлы.

Миграция тяжелых металлов в почвах может происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов. Миграции растворимых соединений происходит вместе с почвенным раствором (диффузия) или путем перемещения самой жидкости. Вымывание глин и органического вещества приводит к миграции всех связанных с ними металлов. Миграция летучих веществ в газообразной форме, например, диметила ртути, носит случайный характер, и этот способ перемещения не имеет особого значения. Миграция в твердой фазе и проникновение в кристаллическую решетку являются больше механизмом связывания, чем перемещения.

Тяжелые металлы могут быть внесены или адсорбированы микроорганизмами, которые в свою очередь, способны участвовать в миграции соответствующих металлов. Дождевые черви и другие организмы могут содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или включая металлы в свои ткани. Из всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

Тяжелые металлы в почве через трофическую цепь поступают в растения, а затем потребляются животными и человеком. В круговороте тяжелых металлов участвуют различные биологические барьеры, вследствие чего происходит выборочное бионакопление, защищающее живые организмы от избытка этих элементов. Все же деятельность биологических барьеров ограничена, и чаще всего тяжелые металлы концентрируются в почве. Устойчивость почв к загрязнению ими различна в зависимости от буферности.

Почвы с высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены растениями, значительно меньше, чем в песчаных кислых почвах. Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. Тяжелые металлы, удерживаемые органической и коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв. Песчаные почвы, которые характеризуются низкой поглотительной способностью, как и кислые почвы очень слабо удерживают тяжелые металлы, за исключением молибдена и селена. Поэтому они легко адсорбируются растениями, причем некоторые из них даже в очень малых концентрациях обладают токсичным воздействием.

Роль металлов в развитии и становлении технической культуры человечества исключительно велика. Твердость, пластичность, ковкость сделали их незаменимым материалом для изготовления орудий труда и производства. Исторически сложившиеся названия "Бронзовый век", " Железный век " говорят о сильном влиянии металлов и их сплавов на все направления развития производства. И в нашей повседневной практике мы ежеминутно сталкиваемся с металлами. Выглянув на улицу, мы видим сотни автомашин, каждая из которых сделана из металлов. Мы видим металлические тросы, мосты, рельсы, трамваи, поезда и, наконец, самолеты, в конструкции которых использованы алюминий, железо, медь, хром, ванадий, титан.…Везде металлы. Ну и в нас самих есть металлы. Они используются для осуществления различных процессов в организме. Но не всегда металлы являются необходимыми. Многие из них даже являются для организма опасными. Так, например, свинец - металл, который при контактах с кожей и при попадании в организм вызывает наибольшее количество тяжелейших заболеваний.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями предприятиями промышленности определяется спецификой их производственной деятельности. Это непосредственное производство свинца и его соединений, попутное извлечение свинца из других видов сырья, содержащих свинец в виде примеси, использование свинца в производстве различной продукции и т. д.

Наибольшие выбросы свинца в атмосферу происходит в следующих отраслях производства:

- металлургическая промышленность. Причем на долю цветной металлургии приходится 98% от общего выброса данной промышленности;

- машиностроение. Точнее производство аккумуляторов;

- топливно-энергетический комплекс. Загрязнение среды обусловлено производством этилированных бензинов;

- химический комплекс. Выбросы связаны с производством пигментов, сиккативов, специальных стекол, смазок, антидетонационных присадокк автомобильным бензинам, полимеризацией пластмасс и др.;

- стекольные предприятия;

- консервное производство;

- деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность

- предприятия оборонной промышленности;

В настоящее время свинец занимает первое место среди причин промышленных отравлений. Это вызвано широким применением его в различных отраслях промышленности. Воздействию свинца подвергаются рабочие, добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и прежде всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов [15,c.30].

Свинец является одним из наиболее токсичных металлов и включен в списки приоритетных загрязнителей рядом международных организаций, в том числе ВОЗ, ЮНЕП, Американским агентством по контролю за токсичными веществами и заболеваниями (CDC), и другими аналогичных государственными организациями в различных странах.

Отравление свинцом (сатурнизм) - представляет собой пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием окружающей среды. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз и накопление их в организме, пока его концентрация не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления. Острые свинцовые отравления встречаются редко. Их симптомы - слюнотечение, рвота, кишечные колики, острая форма отказа почек, поражение мозга. В тяжёлых случаях - смерть через несколько дней. Ранние симптомы отравления свинцом проявляются в виде повышенной возбудимости, депрессии и раздражительности. При отравлении органическими соединениями свинца его повышенное содержание обнаруживают в крови.

Высокие концентрации свинца в почве, атмосферном воздухе источниках питьевой воды, растениеводческой продукции на территории вокруг свинцовоплавильных заводов и вдоль автомобильных трасс обусловливает высокое содержание этого элемента в крови людей (более 40 мкг в 100 мл крови). С учетом этих высоких концентраций свинца, которые обнаруживаются в почве и контактирующих с ней средах, содержание этого элемента в крови людей может достигать 500 мкг на 100 мл. В организме человека, живущего в чистой экологической среде при содержании свинца в почве 10-20 мг на кг, концентрация свинца в крови не превышает 10 мкг на 100 мл. Резкое ухудшение здоровья наступает при концентрации свинца в крови более 40 мкг на 100 мл .Увеличение свинца в почве, как правило, но не всегда, ведет к его накоплению растениями. В соответствии с этим содержание свинца в растениях, выращенных в тяжелосуглинистых почвах, может достигать самой высокой отметки. (7 мг/кг). Боле высокие концентрации свинца (до 1000 мг/кг) характерны для растительности на техногенно загрязненных территориях. Так, например, в окрестностях металлургических предприятий, рудников по добыче полиметаллов и, главным образом, вдоль автострад.

Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно меняются. Ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать 100-150м. Лесные полосы вдоль дорого задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых загрязнений определяются условиями застройки и структурой зеленых насаждений. В сухую погоду происходит накопление свинца на поверхности растений, но после обильных дождей значительная его часть (до 45%) смывается. На загрязненных свинцом почвах безопаснее всего выращивать зерновые культуры. Возделывание в этих зонах овощей, кукурузы на силос, кормовых трав может оказаться рискованным. Аккумуляция свинца представителями животного мира зависит от множества факторов и, в первую очередь, от их таксономической принадлежности. Подтверждена прямая зависимость между уровнем загрязнения атмосферного воздуха свинцом и степенью его накопления в организме теплокровных животных, обитающих рядом с металлургическими производствами. У беспозвоночных животных, имеющих твердые покровы, свинец в наибольшей степени концентрируется в них. У позвоночных животных свинец в наибольшей степени накапливается в костной ткани, у рыб - в гонадах, у птиц - в перьях, у млекопитающих - в головном мозге и печени. По степени воздействия на живые организмы свинец отнесен к классу высокоопасных веществ наряду с мышьяком, кадмием, ртутью, селеном, цинком, фтором и бензапиреном.

Опасность свинца для человека определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. Различные соединения свинца обладают разной токсичностью: малотоксичен стеарин свинца; токсичны соли неорганических кислот (хлорид свинца, сульфат свинца и др.); высокотоксичные алкилированные соединения, в частности, тетраэтилсвинец. Однако на практике, как правило, анализируется только общее содержание свинца в различных компонентах окружающей среды, продовольственном сырье и пищевых продуктах, без дифференциации на фракции и идентификации вида соединений.

Свинец содержится в выбросах предприятиями металлургии, металлообработки, электротехники, нефтехимии и автотранспорта. Влияние свинца на здоровье происходит при вдыхании воздуха, содержащего свинец, и поступлении свинца с пищей, водой, на пылевых частицах. Свинец накапливается в теле, в костях и поверхностных тканях. Свинец влияет на почки, печень, нервную систему и органы кровообразования. Пожилые и дети особенно чувствительны даже к низким дозам свинца. В организм человека большая часть свинца поступает с продуктами питания (от 40 до 70% в разных странах и по различным возрастным группам), а также с питьевой водой, атмосферным воздухом, при курении, при случайном попадании в пищевод кусочков свинец содержащей краски или загрязненной свинцом почвы [16,c.35].

Загрязненная свинцом почва является источником его поступления в продовольственное сырье и непосредственно в организм человека, особенно детей. Наиболее высокие концентрации свинца обнаруживаются в почве городов, где расположены предприятия по выплавке свинца, производству свинецсодержащих аккумуляторов или стекла. Ведущими по числу случаев "сатурнизма" (отравление свинцом) являются: электротехническая промышленность (производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия, цветная металлургия. В электротехнической промышленности, цветной металлургии и машиностроении интоксикация обусловлена превышением ПДК свинца в воздухе рабочей зоны в 20 и более раз.

Свинец нарушает деятельность сердечно-сосудистой системы, вызывая изменения электрической и механической активности сердечной мышцы, морфологические и биохимические изменения в миокарде с признаками сосудистой дегенерации, повреждения мышечной стенки сосудов и нарушение сосудистого тонуса. Ведущими по числу случаев "сатурнизма" являются: электротехническая промышленность (производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия, цветная металлургия.

Органические соединения свинца, например тетраэтилсвинец, высокотоксичные для нервных тканей - они подавляют метаболизм глюкозы, синтезы РНК и ДНК, повреждают миелиновые оболочки нервных клеток, что сопровождается снижением скорости передачи нервного возбуждения. Тетраэтилсвинец значительно изменяет метаболизм серотонина и норадреналина, повышает уровень пирувата в крови, что ведет к нарушению снабжения мозга кислородом.

Свинцовые отравления весьма различны в проявлениях и включают психическое возбуждение, тревогу, ночные кошмары, галлюцинации, нарушение памяти и интеллекта с симптоматикой распада личности.

Очень опасны неврологические нарушения у детей - гиперактивность, ухудшение показателей психического развития, снижение работоспособности к обучению. Отравления свинцом и его солями вызывает поражение десен, расстройство кишечника заболевания почек. Соединения свинца обладают канцерогенностью и генотоксичностью - они могут вызвать мутации, нарушая третичную структуру и функции ферментов синтеза и репарации ДНК.

Среди рабочих, страдающих от воздействия свинца, около 40% составляют женщины. Для женщин свинец представляет особую опасность, так как этот элемент обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке. ВОЗ отмечает возможность риска спонтанных абортов при концентрации свинца в крови беременных работниц 30 мкг/л и увеличения числа хромосомных аберраций у рабочих при содержании свинца в крови свыше 80 мкг/л.

Основным показателем воздействия свинца на здоровье детей является уровень его содержания в крови, причем происходит постоянный пересмотр рекомендуемого нормативного содержания свинца в крови.

Результаты ряда крупных международных и национальных проектов подтвердили, что при увеличении концентрации свинца в крови ребенка с 10 до 20 мкг/дл происходит снижение коэффициента умственного развития (IQ). Допустимый уровень содержания свинца в волосах - 8-9 мкг/г. Среди детского населения, подвергающегося воздействию повышенных концентраций свинца, наиболее высокие уровни его накопления отмечаются на территориях вблизи металлургических и аккумуляторных производств, а также в зоне влияния Чернобыльской катастрофы.

Эффекты воздействия cвинца на здоровье детского населения рассмотрены по отдельным системам организма, на состояние которых этот металл оказывает наиболее выраженное влияние. У маленьких детей изменения психомоторных реакций связывают с повышенным поступлением свинца в организм при облизывании пальцев рук и игрушек, побывавших на загрязненной почве. Для детей школьного возраста характерно изменение показателя IQ. Влияние свинца проявляется также в изменениях двигательной активности, координации движений, времени зрительной и слухомоторной реакции, слухового восприятия и памяти. Эти изменения в психоневрологическом статусе ребенка возможны и в более старшем возрасте, что выражается в трудностях обучения и поступления в высшие учебные заведения. Наиболее выражены изменения психоневрологического статуса у детей, проживающих вблизи аккумуляторных заводов в городах.

Свинец не является жизненно необходимым элементом. Он токсичен и относится к I классу опасности. Неорганические его соединения нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов (подобно большинству тяжелых металлов). Одним из наиболее коварных последствий действия неорганических соединений свинца считается его способность заменять кальций в костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного времени. Биологический период полураспада свинца в костях - около 10 лет. Количество свинца, накопленного в костях, с возрастом увеличивается, и в 30-40 лет у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца, составляет 80-200 мг. Органические соединение свинца считаются ещё более токсичными, чем неорганические. Вдыхаемая пыль примерно на 30-35 % задерживается в легких, значительная доля её всасывается потоком крови. Всасывания в желудочно-кишечном тракте составляют в целом 5-10 %, у детей - 50 %. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца.

Вследствие глобального загрязнения окружающей среды свинцом он стал вездесущим компонентом любой пищи и кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные. Важнейшим источником свинца для человека служит питьевая вода. Доказано, что повышение содержания свинца в воде обуславливает, как правило, увеличение его концентрации в крови. В настоящее время в качестве гигиенического норматива утверждена ПДК свинца в питьевой воде на уровне 0,03 мг/л. Комитет экспертов ФАО/ВОЗ установил, что допустимый еженедельный прием свинца составляет 3 мг на человека, или около 7 мг/кг массы тела. Эти значения были основаны на данных о токсичности для взрослых людей и на предположении, что поглощается только 10% принятого с пищей свинца. Было отмечено, что эта величина не относится к грудным и маленьким детям, так как неизвестна степень отрицательного влияния свинца на них и не могли быть установлены уровни приема [17, c.40].

Экспериментально доказаны факты аккумуляции свинца растениями, произрастающими на почвах, загрязненных выбросами промышленных предприятий. Концентрация свинца в таких растениях может превышать допустимые концентрации от 2 до 100 раз. Отмечено, что количество свинца на поверхности и внутри растений зависело от места, времени, направления ветров, регулярность осадков, свойств поверхности листьев и других причин. В растительное сырье, в том числе зерно, овощи, плоды свинец попадает из почвы также с удобрениями, водой, частично вносится средствами химической защиты растений. Выхлопные газы, как уже говорилось, являются важнейшим источником свинца. Многие данные свидетельствуют о резком возрастании содержания свинца в растениях, выросших по краям автострад (в среднем в 10 раз). При этом установлена прямая зависимость содержания свинца в плодах и ягодах от длительности воздействия выхлопных газов и плотности транспорта на дорогах. Следует обратить внимание на то, что речь идет в основном об их поверхности. При химическом анализе вымытых и невымытых плодов оказалось, что от 30 до 65% свинца удалялось путем обычной мойки.

По данным американских исследователей, основным источником свинца в консервированных продуктах является жестяные банки, которые используются для упаковки 10-15% консервной продукции. Использование свинцового припоя в швах банок и для закрытия выпускных отверстий было причиной попадания свинца в различные консервы, в том числе сгущенные молочные продукты для детского питания. В последние годы в связи с усовершенствованием методов пайки и закатки банок содержание свинца заметно снизилось. Однако при длительном хранении в жестяных банках продуктов, имеющих высокую кислотность - компотов, соков, маринадов, томатопродуктов - из-за частичной коррозии содержание свинца и других металлов может превышать ПДК. Например, при хранении разных видов консервов в жестяных банках в течение 24 мес. содержание свинца возросло в мясе в 2 раза, в горошке - в 4, в персиках - в 8 раз. Следует отметить, что соли свинца могут попадать в пищу в случаях, когда металлическая или керамическая посуда и оборудование покрыты эмалью, глазурью и другими материалами с повышенным содержанием свинцах. Иногда источниками свинца являются также некоторые виды пищевого сырья, способного к сорбированию повышенных количеств тяжелых металлов, в том числе свинца. Это моллюски, креветки и другие морепродукты, особенно при обитании их в загрязненных водоемах. Интенсивное накапливание металлов наблюдается постоянно в грибах, а также в печени, почках и других внутренних органах животных по сравнению с мышечной тканью.

Источниками избыточного загрязнения свинцом винограда и вин служат свинцово-мышьяковистые инсектициды (СМИ), применяемые на виноградниках. Например, исследование сухих вин, изготовленных на 14 винзаводах США, показало, что при использовании СМИ на виноградниках содержание свинца в винах составило в среднем 0,31 мг/л. В аналогичных винах из винограда, выращенного без применения СМИ, содержание свинца не превышало 0,03 мг/л. В виноградных и яблочных винах бывшей Чехословакии, полученных из сырья, выращенного на виноградниках и в садах, где проводились обработки металлорганическими фунгицидами, содержание свинца колебалось в пределах 0,91-1,8 мг/л [18, c.6].

Для выведения из организма накопившегося свинца необходимо как можно чаще употреблять в пищу молочные продукты, содержащие кальций. Поэтому и рекомендуется всем, кто подвержен воздействию воздуха, загрязненного свинцом, пить молоко и употреблять больше молочных продуктов. Очень важно, чтобы в продуктах питания содержалось большое количество клетчатки. Нужно больше есть овощей, фруктов и зерновых продуктов. Тогда тяжелые металлы будут оседать в желудочно-кишечном тракте, и выводиться из организма, не всасываясь. Пища не должна быть жирной.

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановке в целом. Зона максимального загрязнения распространяется на расстояние, равное 10-40-кратной высоте трубы при высоком и горячем выбросе, 5-20 кратной высоте трубы при низком промышленном выбросе.

Полученные данные заставляют задуматься над тем, насколько сильно загрязнены улицы нашего города свинцом, и что необходимо сделать, для того чтобы уменьшить это загрязнение. Может необходимо посадить больше деревьев, может уменьшить использование этилированного бензина, может создать какой- либо другой барьер, может еще что-то.

1.3 Краткая характеристика БГМК

В качестве объекта исследования был выбран г. Балхаш, являющийся типичным для Центрального Казахстана городом с развитой промышленностью, количество населения составляет более 70 тысяч человек.

Город Балхаш расположен на южной, равнинной, окраине Казахского мелкосопочника, на северном берегу оз. Балхаш.

Поверхность окружающей город местности представляет собой холмистую равнину с выходами коренных горных пород в виде отдельных скал или холмов с каменистой поверхностью. Относительная высота их редко превышает десяток метров. Поверхность равнины имеет незначительный уклон в направлении озера. Разность высот между северной и южной частями города составляет 50 метров. При строительстве города территория, предназначенная под застройку, была спланирована, поэтому рельеф в пределах города представляет собой слабоволнистую поверхность.

В северо-западной части города находятся частные, в основном одноэтажные, строения. В восточной - деловой части города и ряде микрорайонов двух-пятиэтажные дома. Улицы в городе достаточно широкие и, для полупустынной зоны, хорошо озеленены. Промышленное предприятие Балхашский горнометаллургический комбинат (БГМК) находится в юго-западной части города. На западе от комбината расположено хвостохранилище, общая площадь которого - 40 км² .

Город Балхаш является крупным промышленным регионом в Центральном Казахстане с населением порядка 74 000 человек. Город Балхаш расположен на южной, равнинной окраине Казахского мелкосопочника, на северном берегу озера Балхаш. Поверхность равнины имеет незначительный уклон в направлении озера. При строительстве города территория, предназначенная под застройку, была спланирована, поэтому рельеф в пределах города собой слабоволнистую поверхность [22,c.5].

Рисунок 1. Карта-схема г. Балхаша

В географическом отношении город расположен на северном берегу озера Балхаш, на равнинной местности, поверхность которой имеет незначительный уклон в сторону озера. Озеро Балхаш - одно из крупнейших бессточных озер Земли. Оно формирует благоприятный для проживания людей климат. Кроме природных богатств, создаваемых водоемом, в регионе сосредоточены большие запасы сырья.

Ветер имеет северо-восточное направление, среднегодовая скорость составляет 4,7 м/с. Значительных колебаний скорости ветра от месяца к месяцу не наблюдается. Наиболее часто наблюдаются ветры со скоростями от 4 до 5 м/с (31,5 %), несколько реже ветры - от 2 до 3 м/с (25,9%). Довольно высокая повторяемость ветров 6 - 7 м/с -19,8 %. Максимальные скорости ветра 14 - 15 м/с бывают крайне редко - 0,2 %.

В течение года по многолетним данным преобладают восточные (23%) и северо-восточные (17%) ветры, причем наибольшее преобладание этого направления выражено в зимний период. Ветры северо-восточных направлений наиболее благоприятны для города. Ветры южного и юго-западного направлений (при которых факелы БГМК накрывают город) бывают гораздо реже (4% и 6% в год соответственно). Однако, в многолетнем суточном ходе, ветры юго-западного направления возрастают в сроки 9, 12, 15, 18 часов (т.е. в дневное время) до 10 - 19 %. Штили наблюдаются 18% в год от общего числа случаев.

Климат в этой местности резко-континентальный, зимой небольшие морозы (8-11⁰С) часто сменяются оттепелями. В холодные зимы морозы до - 30⁰С. Снежный покров небольшой, держится с декабря до марта. Лето жаркое с ясной погодой, преобладающая температура +25-35⁰С, в отдельные дни достигает 45⁰С.

Как показывают данные, климатические условия г. Балхаша в целом благоприятны для рассеивания выбросов. Близость к мощным источникам выбросов БГМК, ТЭЦ и хвостохранилищу при неблагоприятных направлениях ветра приводит к значительному возрастанию содержания SO₂ и пыли в воздухе.

Острой экологической проблемой является хвостохранилище комбината. Отсутствие полигона для захоронения промышленных отходов приводит к тому, что основная масса токсичных отходов 1-3 класса опасности накапливается в нем и способствует дополнительному техногенному загрязнению почвенного покрова и вторичному загрязнению атмосферного воздуха. В хвостохранилище складируются твердые отходы производства обогатительной фабрики комбината, поступающие туда по пульпопроводу. При выплавке меди от 70 до 90% первичного сырья переходит в отвалы (приложение 3).

Хвостохранилище, которое состоит из пруда отстойника (362,8 м³/с) и пруда испарителя (356,8 м³/с), расположено на западе от комбината и непосредственно примыкает к нему. С юга оно отделено от залива Торангалык плоской песчаной полосой, заросшей невысоким камышом. Ширина этой полосы 250-300 метров. Расстояние от восточной стороны хвостохранилища до жилого массива г. Балхаш составляет 2,5-3 км. Площадь хвостохранилища составляет 22 км², вместе с прудом - испарителем 40 км² . В нем накоплено до 1200 млн. тонн отходов, содержащих значительное количество тяжелых металлов. Большая часть этих отходов медеплавильного производства подвергается выветриванию и выносится за пределы хвостохранилища.

По содержанию ионов тяжелых металлов, по мнению ряда авторов пробы хвостохранилиша нельзя относить к категории природных почв - по концентрации тяжелых металлов эти искусственные почвы являются промышленно обогащенными концентратами, готовыми к вторичному использованию [23,c.14].

Исследование выноса частиц с поверхности хвостохранилища Балхашского горно-металлургического комбината, проведенные Казгидрометом, показали наличие интенсивных процессов дефляции примерно на половине его площади. Повседневно действующий конвективный механизм подъема мелкодисперсных частиц на фоне умеренных скоростей ветра (4 - 5 м/с) дает в сутки величину выноса порядка 100 т. Учитывая длительность теплого периода, когда действуют конвективные процессы, вынос этим механизмом, достигает, по мнению О.Е. Семенова, порядка 24000 - 25000 т в год.

При рассмотрении факторов, определяющих степень загрязнения окружающей среды и влияния их на состояние здоровья населения, обращает на себя внимание отсутствие санитарно-защитной зоны. Жилая зона города привязана к территории комбината, в результате чего источники загрязнения находятся в непосредственной близости от проживающего населения, где проживает порядка 21 тысячи человек.

Таким образом, резко-континентальный климат города, с северо-восточным направлением ветра, способствует тому, что большая часть выбросов уносится от города. Однако по данным гидрометеостанции, 12% дней в году приходится на ветры западного, юго-западного направления и тогда все выбросы поворачиваются в город. Органами государственного санитарного надзора г. Балхаша было замерено, что при таких днях превышение сернистого ангидрида составляют десятки ПДК от Балхашского горно-металлургического комбината, являющимся крупнейшим комбинатом Казахстана с численностью работающих около 13 тысяч человек.



2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

В настоящее время тяжелые металлы (ТМ) являются признанными приоритетными загрязнителями атмосферного воздуха, воды водоемов и почвы в глобальном и региональном масштабе. Из-за своей высокой миграционной способности, склонности к биоаккумуляции и биомагнификации, политропности металлы представляют опасность для человека не только при непосредственном воздействии на организм, но и через негативное влияние на санитарно-гигиенические показатели объектов окружающей среды.

Исследования проводились на базе Национального центра гигиены труда и профессиональных заболеваний РК.

Техногенная эмиссия металлов в городских условиях прежде всего представлена продуктами сгорания минерального топлива, отходами металлообрабатывающей промышленности, выбросами различных отраслей промышленности и выхлопами отработанных транспортных газов.

В связи с трудоемкостью отбора проб воздуха за продолжительный период и сложности анализа на тяжелые металлы, наблюдения за их содержанием в воздухе ведется, даже в крупных городах, в 1-2 точках, что в условиях сложной промышленно-селитебной застройки не позволяет получить достоверную информацию от их пространственном распределении на всей городской территории.

Для характеристики промышленных предприятий города как возможных источников загрязнения объектов окружающей среды свинцом проводилось изучение технологии производства и характеристики промышленных выбросов предприятий. Кроме того уровень загрязнения объектов окружающей среды проводилось по 7 маршрутным постам (1 - 500 м от БГМК, 2 - 1500 м от БГМК, 3- 3000 м от БГМК, 4 - ТЭЦ, 5 - автостанция, 6 - вокзал, 7 - Центральный парк.

Для определения загрязнения почвенного покрова проводилось определение содержания свинца по разработанным и утвержденным 18.11.02 г. МЗ РК Методическим указаниям по контролю загрязнения почвы, растений и снега тяжелыми металлами [19, c.206].

С выбранной площадки отбирался смешанный образец почвы, состоящий из 5 проб, взятых по методу «конверта» (по углам площадки и в центре). Пробы отбирались буром на глубину 5 см.

Все 5 проб ссыпались вместе, освобождались от камней, корней и других включений и тщательно перемешивались. После этого из общей массы методом квартования (деления на 4 части и взятие одной из них) отбиралось 1,5-2 кг почвы, которая ссыпалась в хлопчато-бумажный мешочек. Отобранные пробы почвы высушивали до воздушно-сухого состояния на бумаге в тени, безветренном месте.

После высушивания проба почвы перетиралась в большой фарфоровой ступке и просеивалась через капроновое сито с размером отверстий 1 мм. Из измельченной пробы методом квартования брали средние пробы. Для этого просеянную почву помещали на лист чистой бумаги, перемешивали, распределяли ровным слоем толщиной около 0,5 см, делили на квадратики площадью 3х3 см и из каждого квадратика брали шпателем небольшое количество почвы (около 5 г), захватывая ее на всю глубину слоя.

Воздушно-сухие образцы почвы размельчали в агатовой ступке до пудрообразного состояния и из них брали навески для определения свинца.

Отобрано 35 проб почвы (7 пунктам по 5 проб).

С целью изучения загрязнения почвы г. Балхаша тяжелыми металлами сотрудниками лаборатории экологической биохимии и биофизики НЦГТ и ПЗ были произведены количественный и качественный спектральные анализы на содержание химических элементов в почвенном покрове г. Балхаша методом атомной эмиссии, вышеназванным методом определялось порядка 20-30 химических элементов.

Содержание меди в почвах составляет в среднем 15-20 мг/кг. Медь и ее соединения очень токсичны для почвенной микрофлоры, для всех представителей водной флоры и фауны, для теплокровных и человека.

Основными антропогенными источниками поступления меди в окружающую среду являются предприятия цветной металлургии, транспорт, содержащие медь удобрения и пестициды, процессы сварки, гальванизации, сжигание углеродного топлива.

Наиболее широко распространенным методом определения меди является экстракционный метод с диэтилдитиокарбаматом свинца. Определение меди основано на образовании растворимого в органических растворителях окрашеного комплекса ионов Сu2+ с диэтилдитиокарбаматом. Этот реагент образует окрашенные комплексы не только с медью, но и с рядом других элементов, поэтому, чтобы определение было селективным, необходимо строгое соблюдение рН.

Реакция проходит в щелочной среде, где возможно образование гидроксидов ряда металлов, с которыми может соосаждаться медь. Поэтому используется раствор диэтилдитиокарбамата свинца в хлористом углероде.

Образовавшийся комплекс меди растворяют в хлороформе, в присутствии анионов лимонной кислоты. При этом гидроксиды железа, цинка, марганца и другие остаются в водной фазе.

Для определения меди в почве использовались такие оборудования как:

1) ротатор; 2) делительная воронка; 3) пробирки на 20 мл; 4) колбы конические на 200 мл с пробирками; 5)пипетки на 1 мл,10 мл с делениями и на 5 мл и без делений; 6) бюретка; 7) мерные колбы на 100 мл,1000 мл; 8) раствор диэтилдитиокарбамата свинца в CCl:664 мг диэтилдитиокарбамата поместить в двух литровую делительную воронку и прилить 1 л CCl, прибавить 486 мг нитрата свинца, растворенного в 100 мл бидистиллята и встряхивать в течении 5 мин. После разделения фаз нижний слой CCl с растворенным в нем диэтилдитиокарбаматом свинца фильтруют в темную склянку. Раствор хранят в холодильнике; 9) 5%-ный лимонно-кислый аммоний: 50 г химически чистой соли растворить в 1 л бидистиллированной воды; 10) разбавленный аммиак готовят разбавлением концентрированного аммиака в 2 раза; 11) стандартный раствор меди:3,928 г сульфата меди, содержащих 1 г меди, растворить в 1 л бидистиллированной воды и прибавить 5 мл концентрированной серной кислоты. Для приготовления шкалы стандартных растворов этот раствор разбавляют в 100 раз. Получают раствор, содержащий 100 мкг/мл меди. Ионы меди сильно сорбируются стеклом, поэтому рабочий стандартный раствор готовят в день употребления; 12) раствор HCl 1:82 мл концентрированного HCl (d=1,19) разбавить дистиллированной водой до 1 л.

Для извлечения подвижной меди из некарбонатных дерново-подзолистых почв применяют 1 раствор HCl. Соотношение между объемами почвы и раствора 1:10, время экстракции 1 час при взбалтывании на ротаторе.

Ход работы - в делительную воронку влить 10-25 мл вытяжки, прилить 5 мл 5%-ного лимоннокислого аммония и по фенолфталеину нейтрализовать разбавленным аммиаком до розовой окраски. Затем в воронку из бюретки прилить 15 мл раствора диэтилдитиокарбамата свинца в CCl и энергично встряхивать в течении 2 мин. После разделения фаз отфильтровать нижний слой CCl, окрашенный в коричневый цвет, в пробирку с притертой пробкой или прямо в 2-х сантиметровую кювету фотоколориметра. Оптическую плотность определять при 436 нм (синий светофильтр) относительно чистого CCl.

Шкалу стандартных растворов готовят таким же образом в пределах от 1 до 20 мкг Cu. Содержание меди в пробе определяют по калибровочному графику и вычитают из него результат холостого опыта. Расчет ведут по формуле (1):

Х=aЧV₀/HЧV₁, (1)

где, Х-содержание меди, мг/кг;

a-содержание меди, найденное по графику, мкг;

V₀-исходный объем вытяжки, мл;

V₁-объем вытяжки, взятый для определения, мл;

Н-навеска почвы, г.

Оценка загрязнения почвы проводилась по методическому подходу, разработанному в Почвенном институте им. В. В .Докучаева И.Г. Важениным и состоящему в следующем. Уровень загрязненности почвенного покрова определяется по отношению к местному фоновому содержанию загрязняющего химического вещества для валовых их содержания в почве. Уровни загрязненности кратны фону. Местный фон при наличии достаточного аналитического материала более информативен, чем общемировой кларк. Поэтому необходимо в первую очередь определить фоновое содержание элементов в почве конкретного региона. Для этого использовали результаты исследований по содержания элементов в слое 5-20 см целинных почв. Содержание элементов в слое 0-5 см наиболее ярко характеризует загрязнение почвы, которое и сравнивается с фоновым [21,c.9].

Шесть уровней загрязненности относительно фона обозначаются в этом подходе как слабый (1), умеренный (2), средний (3), повышенный (4), высокий (5) и очень высокий (6).

При 1-2-ом уровнях загрязненности сильно страдает вся почвенная биота, подавлены биохимические процессы (ферментативная активность, нитрификационная деятельность и т.д.); при 3-4 уровнях ухудшаются агрохимические свойства почвы, нарушается нормальная жизнедеятельность и химический состав растительности; при 5-6 уровнях страдает (болеет, гибнет) растительность, продукция растениеводства и животноводства становится непригодной для употребления в пищу, изменяется химический состав верхнего слоя почвы, резко ухудшаются все агрохимические показатели.



2.1 Исследование снежного покрова

Одним из перспективных методов оценки качества окружающей среды является определение загрязнения снеговой воды, так как снег является надежным индикатором загрязнения, аккумулирующим почти весь объем выпадения из атмосферы за зимний период и сохраняющим геохимическую информацию до начала таяния снегов, в немалой степени определяющим состояние водоемов и почв.

Геохимическими и гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием тяжелых металлов в атмосферном воздухе и выпадением их на территории городов, что фиксируется в виде аномалий в почве и снежном покрове. Снег обладает высокой сорбционной способностью, захватывая часть загрязняющих атмосферный воздух веществ во время снегопада и аккумулируя пыль, оседающую в периоды между снегопадами. Загрязнение атмосферы как бы проецируется на снежный покров. Влияние металлов почв на их содержание в снежном покрове считается незначительным.

Пробы снега отбирались в тех же точках, где отбирались пробы почвы, в местах без следов нарушения естественного залегания в одних и тех же точках в конце марта - начале апреля.

Отбирались пробы снега на всю его толщину (до почвы) с площадки 20х20 см с помощью бура и помещались в полиэтиленовые мешки.

Затем проба снега растапливалась в чистой полиэтиленовой посуде, измерялся объем талой воды. Вода отстаивалась сутки, после чего из нее брали квоту 200 мл для анализа водорастворимой формы свинца.

Остальная часть пробы фильтровалась, осадок просушивался и вместе с фильтром озолялся в муфельной печи при температуре 400 ?С, зола взвешивалась и из нее бралась навеска для определения свинца.

Отобрано 35проб снега (7 пунктов по 5 проб).

Определение свинца в почве о осадке от снега проводилось методом, основанном на осаждении свинца титрованным раствором бихромата калия. Избыток бихромата калия, не вошедший в реакцию, оттитровывался тиосульфатом натрия.

Навеска пробы (10 мг) помещалась в химический стакан, заливалась 15 мл 5% раствора азотной кислоты и нагревалась на кипящей водяной бане в течение 20 мин. Жидкость сливалась и осадок промывался дважды горячей водой по 10 мл. все промывные жидкости собирались в одну колбу и профильтровывались. К полученному раствору приливали небольшими порциями аммиак до нейтральной реакции по лакмусу.

Затем по каплям приливали 10% раствор уксусной кислоты до появления слабокислой реакции.

После нейтрализации пробы прибавляли из бюретки 20 мл 0,01 н раствора бихромата калия, осторожно взбалтывали и нагревали в течение 30 мин на кипящей водяной бане. Затем раствор перелили в мерный цилиндр и оставили на 3-4 часа, чтобы хорошо осел осадок.

Отметили объем жидкости в цилиндре и взяли в две колбы по 20 мл для определения.

Титрование проводили следующим образом: к 20 мл исследуемой жидкости прибавляли 2 мл 20% раствора серной кислоты, 2 мл 15% раствора иодида калия, закрывали пробкой, взбалтывали и оставляли на 5 мин. Затем прибавляли 20 мл воды и титровали 0,01 н раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала. Одновременно с пробой проводили контрольный опыт.

Концентрацию свинца в мг/кг рассчитывали по формуле (2):

Х= (а - а₁)ЧвЧКЧ0,69Ч100/бЧр, (2)

где, Х - концентрация свинца в мг/кг;

а - количество 0,01 н раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование контрольного опыта, мл;

а₁ - количество 0,01 н раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование пробы, мл;

б - объем пробы, взятый для титрования, мл;

в - объем всего анализируемого раствора, мл;

К - поправка 0,01 н раствора тиосульфата натрия;

0,69 - коэффициент пересчета 1 мл 0,01 н раствора бихромата калия на свинец, мг; р - навеска, мг;

100 - коэффициент пересчета на мг/кг.

Длительность нахождения частиц выброса в атмосфере зависит от их массы и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

2.2 Исследование талой воды

Метод определения свинца в талой воде основан на выделении свинца в виде хромата, переведении его в раствор и последующем фотометрировании с дифенилкарбазидом.

Пробу воды нейтрализуют по метиловому оранжевому, к пробе прибавляют 1 мл 1% раствора серной кислоты и 0,5 мл хорошо взболтанной суспензии сульфида цинка и дают постоять 1 час. Затем осадок отфильтровывают, смывают осадок с фильтра водой в стаканчик, растворяют его в 3 мл соляной кислоты (1:3) и кипятя раствор до удаления сероводорода. После этого прибавляют 2-3 капли азотной кислоты, упаривают раствор до 2 мл и переносят в центрифужную пробирку. Стакан промывают горячей водой и промывные воды сливают в ту же пробирку. Добавляют 100 мг хлорида аммония, нейтрализуя раствором аммиака в присутствии фенолового красного до появления малинового окрашивания и прибавляют к раствору ледяную уксусную кислоту до перехода окраски фенолового красного в оранжевую (рН 6,8 -7,0). После этого приливают избыток уксусной кислоты 0,5 мл и добавляют 1 мл 30% раствора хромата калия (свинец выпадает в осадок в виде хромата). Содержимое пробирки перемешивают и оставляют на ночь. Затем центрифугируют и выделившийся осадок хромата свинца промывают 3 раза 0,4% раствором ацетата аммония, порциями по 4 мл, каждый раз центрифугируя.

Полученный осадок растворяют в 3 мл соляной кислоты и переносят в пробирку. Центрифужную пробирку тщательно промывают, промывные воды сливают в ту же пробирку и доводят объем до 10 мл. затем приливают 10 мл 0,02% раствора дифенилкарбазида и через 10 мин фотометрируют при длине волны 540 нм в кювете с толщиной слоя 10 мм. Для построения калибровочного графика используют серию стандартных растворов чистого хромата калия, к которым добавляют указанные количества соляной кислоты и дифенилкарбазида. 0,01 мг свинца соответствует 0,0094 мг хромата калия.

Содержание свинца (Х) в мг/л вычисляют по формуле (3):

Х = сЧ10/V, (3)

где, с - обнаруженная концентрация свинца, мг/л;

V - объем пробы, взятой для анализа, мл;

10 - объем, до которого была разбавлена проба, мл.

Поскольку ПДК химических веществ для снега не существует, оценка загрязнения снежного покрова проводилась по фоновому содержанию. Фоновые участки выбирались на территории, не подвергающейся загрязнению или испытывающей его в минимальной мере.

Загрязненность снежного покрова характеризовалась коэффициентом загрязнения - превышением его над фоновым, который рассчитывался по формуле (4):

Кк = С/Сф, (4)

где Кк - коэффициент загрязнения;

С - концентрация вещества, мг/л;

Сф - фоновая концентрация вещества.

Источник загрязнения в целом определяет качество и количество выбрасываемого продукта. При этом степень его рассеивания зависит от высоты выброса

2.3 Загрязнение почвы г.Балхаша тяжелыми металлами от БГМК

Опасность загрязнения почвы как фактора риска для здоровья населения определяется ее функциональным использованием. В городах эта опасность связана в основном с загрязнением почв тяжелыми металлами. Нахождение детей на площадках с загрязненной почвой ведет к избыточному поступлению токсичных веществ в организм ребенка, что является одним из определенных факторов при оценке опасности загрязнения почв населенных пунктов.

Многолетняя деятельность промышленных предприятий г.Балхаша отрицательно сказалась на состоянии почвенного покрова города. Почва является одним из главных объектов окружающей среды, центральным связующим звеном биосферы.

Гигиеническими исследованиями установлены количественные связи между содержанием тяжелых металлов в атмосферном воздухе и выпадением их на территории городов, что фиксируется аномалиями на почве. Почва обладает высокой сорбционной и аккумулирующей способностью, накапливает и нарушает геохимическую информацию, заложенную природой. Другим достоинством контроля качества среды по степени загрязнения является то, что отбор почвы довольно прост и производится в среднем два раза в год.

...