Объекты и методика исследования

Объекты исследования

Работа выполнена в 2008-2010 г.г. на кафедре почвоведения и агрохимии Южного Федерального Университета.

Мониторинговые площадки были заложены в 2009 году. Они расположены на разном удалении от НчГРЭС (1-20 км) и приурочены к точкам единовременного отбора проб воздуха, который производился при разработке проекта по организации и обустройстве санитарно-защитной зоны: точки № 1,2, 3, 5, б, 7 (рис.2).

В соответствии с розой ветров было определено, так называемое, «генеральное направление» - прямая, проходящая от источника загрязнения через селитебные зоны

г. Новочеркасска и станицы Кривянской. По линии «генерального направления» образцы отбирались в почвах мониторинговых площадок № 4, № 8, № 9, № 10.

Непременным условием отбора почвенных и растительных образцов было то, что площадки для мониторинговых наблюдений располагались на участках целины или залежи, т.е. почва не обрабатывалась, чтобы слои не были перемешаны, а растения имели естественное произрастание. Отбирались образцы вегетативной части растительности. Видовой состав представлен травянистыми дикорастущими растениями, типичными для степной зоны: овсюг обыкновенный (Avena fatua), бодяк полевой (Cirstum аrvense), полыни горькая (Artemisia fbsinthium), мышей зелёный (Sitaria viridis), пырей ползучий (Agropyrum repens), просо куриное (Echinochloa crus galli), пастушья сумка (Capsella bursa pastoris), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis), марь белая (Cnenopodium album), амброзия полыннолистная (Ambrosia artemisifolia), подорожник большой (Plantago major). Образцы отбирались ежегодно во второй декаде июня в период максимального развития вегетативной части растительности.

Для определения содержания в почве 3,4-бенз(а)пирена почвенные образцы отбирались послойно: на глубине 0-5 и 5-20 см.

В основу работы положен материал результатов исследования содержания 3,4-бенз(а)пирена в почвах, надземной частях растительности мониторинговых площадок.

Образцы почв мониторинговых площадок отбирались и подготавливались для химического анализа в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-84. Отбор растительных образцов на территории мониторинговых площадок включал образцы надземной части естественной травяной растительности.

Методика исследования

 

На базе эколого–аналитического экологического центра (ЮФУ) освоена и разработана методика пробоподготовки почвенных и растительных образцов. Методика осуществлялась в учебно-научной лаборатории агроэкологии и сертификации почв в п. Рассвет, Ростовская область.

Метод основан на экстракции 3,4-бенз(а)пирена из почвенных и растительных образцов гексаном (С₆Н₁₄) трех кратно.

Методика пробоподготовки почвенных и растительных образцов заключается в следующем:

Для начала 1г воздушно-сухой почвы (растительности) максимально диспергируется и дважды просеивается через сито диаметр которого 0,25 мм. Анализируемый образец помещается в ротационную колбу и заливается 20 мл 2-х % раствора КОН в этаноле, закрывается обратным холодильником и кипятится на водяной бане 2,5–3 часа. В процессе кипячения происходит омыление смолосодержащих и липидных компонентов почвы. Образуемый перколат сливают в коническую колбу и производят декантацию (встряхивание).

Заливают 15 мл гексана и 5 мл дистиллированная вода, для более четкого разделения слоев. Образец встряхивают на роторе в течение 10 минут. Образец переносят в делительную воронку и сливают гексановый экстракт в отдельную посуду. Перколат еще дважды экстрагируют гексаном по той же схеме. Три порции экстракта объединяют и приливают дистиллированную воду, до нейтральной рН, определяют с помощью индикаторной бумаги. Переливавают экстракт в чистую темную, плотно закрывающуюся посуду (10 штук) и засыпают 5 г Nа₂SO₄ (сульфат натрия) и оставляют на ночь в холодильнике. Обезвоженный экстракт декантируют в ротационную колбу (сухую) и выпаривают на ротационном испарителе. Выпарив экстракт растворяют ацетанитрилом (СН₃СN) и закаливают в жидкостный хроматограф «Agilent». По истечению заданного времени компьютер строит хроматограммы, которые затем анализирует исследователь.

 

Краткая характеристика почв

 

Материалом исследования являются пробы почв и растений отобранные на мониторинговых площадках, прилегающих к НчГРЭС (рис.2).

 

Рис.2 Карта-схема расположения мониторинговых площадок в зоне влияния Новочеркасской ГРЭС

 

Площадка № 1- удаленность от НчГРЭС 1 км, направление северо-восточное;

Площадка № 2 - удаленность от НчГРЭС 3 км, направление юго-западное;

Площадка № 3 - удаленность от НчГРЭС 2,7 км, направление юго-западное;

Площадка № 4- удаленность от НчГРЭС 1,6 км, направление северо-западное;

Площадка № 5- удаленность от НчГРЭС 1,2 км, направление северо-запалное;

Площадка № 6- удаленность от НчГРЭС 2 км, направление северное;

Площадка № 7- удаленность от НчГРЭС 1,5 км, направление северное;

Площадка № 8- удаленность от НчГРЭС 5 км, направление северо-западное;

Площадка № 9- удаленность от НчГРЭС 15 км, направление северо-западное;

Площадка № 10- удаленность от НчГРЭС 20 км, направление северо-западное;

Пробы отбирались с различных типов почв (табл. 4).

 

Таблица 4

Физико-химические и агрохимические свойства почв территорий, прилегающих к НчГРЭС (температура 20 ^оС)

№ площадки	почва
1	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках
2	Аллювиально-луговая карбонатная слабогумусированная песчаная на аллювиальных отложениях
3	Лугово-черноземная пойменная малогумусная легкоглинистая на аллювиальных отложениях
4	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках
5	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках
6	Лугово-черноземная среднемощная малогумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках
7	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках
8	Лугово-черноземная среднемощная малогумусная тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках
9	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках
10	Чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках

 

Результаты исследования

 

Анализ данных мониторинговых наблюдений представлен в таблицах 5 и 6, что даёт возможность выявить основные тенденции загрязнения 3,4-бенз(а)пиреном таких важнейших компонентов экосистемы как почвы и растительность.

 

Таблица 5

Содержание 3,4-бенз(а)пирена (нг/г)в почвах мониторинговых площадок (среднее за 2009г.)

№ площадки	Удаление и направление	Глубина отбора, см	Среднее	Превышение ПДК	Отношение содержания 3,4- БП в слоях
1	1,0 С-В	0-5	275	14	2.2
		5-20	126	6.3
2	3,0 Ю-З	0-5	97	4.9	1
		5-20	97	4.9
3	2,7 Ю-З	0-5	201	10.1	1.2
		5-20	162	8.1
4	1,6 С-З	0-5	193	9.7	3
		5-20	64	3.2
5	1,2 С-З	0-5	104	5.2	1,1
		5-20	100	5
6	2,0СС-З	0-5	50	2.5	3
		5-20	17	-
7	1,5 С	0-5	90	4.5	1,4
		5-20	65	3
8	5,0 С-З	0-5	190	9.5	3.2
		5-20	59	3
9	15,0 С-З	0-5	47	2.4	1,9
		5-20	25	1.3
10	20,0 С-З	0-5	52	2.6	1.2
		5-20	45	2.3

 

Таблица6

Содержание 3,4-бенз(а)пирена (нг/г) в вегетативной части естественной растительности мониторинговых площадок (среднее за 2009г.)

№ площадок	Удаленность и направление от источника загрязнения	Вегетативная часть растений
		Содержание 3,4 БП, нг/г	Превышение фоновых концентраций
1	1,0 северо-восточное	196	39,2
2	3,0 юго-западное	79	15,8
3	2,7 юго-западное	189	37,8
4	1,6 северо-западное	167	33,4
5	1,2 северо-западное	71	14,2
6	2,0 северное	34	6,8
7	1,5 северное	76	15,5
8	1,0 северо-западное	133	26,6
9	15 северо-западное	36	7,2
10	20 северо-западное	41	8,2

 

Установлено превышение фоновых концентраций поллютанта как минимум в 4 раза на всех участках исследуемых территорий. Обобщение полученных результатов проводится с использованием группировки мониторинговых площадок по интенсивности техногенной нагрузки и пространственному распределению.

 «Генеральное направление (№ 4, 8, 9, 10)»

Территории, располагающиеся в направлении розы ветров (преимущественными являются ветры восточных направлений), испытывают максимальную техногенную нагрузку со стороны выбросов НчГРЭС. Превышение фоновых концентраций в надземной части растительности мониторинговых площадок, расположенных в северо-западном направлении, составляет от 7,2 до 33,4 раз; а в почвах превышение ПДК составляет от 2,4 до 9,7 раз. Максимальное содержание 3,4-бенз(а)пиреиа как в почве, так и в растительности (рис. 3), наблюдается на территории площадки № 4, удалённой от источника эмиссии на расстояние 1,6 км.

Рис. 3. Содержание 3,4-бенз(а)пирена в почвах и растительности по линии «генерального направления»

 

На гистограмме показано, что содержание поллютанта в изученных объектах снижается по мере удаления от источника эмиссии. Особое положение занимает мониторинговая площадка № 10, удаленная на расстояние 20 км от НчГРЭС, но испытывающая влияние дополнительных источников загрязнения. Территория площадки ограждёна двумя автомагистралями - Ростов-Москва с северо-западной стороны и Ростов-Новочеркасск с юго-восточной. В этой точке наблюдается возрастание содержания канцерогена во всех изучаемых объектах. Проведённые мониторинговые наблюдения показали, что даже значительно удалённые НчГРЭС территории могут содержать 3,4-бенз(а)пирен в концентрациях превышающих допустимые, причём преобладающим агентом загрязнения может являться не основной, а дополнительные источники эмиссии. Как наглядно демонстрирует гистограмма (рис.3), содержание изучаемого канцерогена в надземной части растительности не превышает его концентрацию в почве. Травянистая растительность, покрывающая почвенный покров изучаемых территорий, и обладающая развитой сорбционной поверхностью, накапливает загрязнённые вещества из атмосферных аэрозолей менее активнее почвы и, следовательно, содержит меньшее количество 3,4-бенз(а)пирена.

«Площадки, расположенные в радиусе 1-3 км (№ 1, 2, 3, 5, 6, 7)»

Площадки лежат на концентрической кривой, очерчивающей границы санитарно-защитной зоны.

 «Площадки, подверженные влиянию дополнительных источников эмиссии (№ 1)»

Активное накопление 3,4-бенз(а)пирена в надземной части растительности наблюдается на территории площадки № 1. Концентрация канцерогена в надземных органах составляет 196 нг/г, превышает ПДК в 39,2 раза, а содержание поллютанта в почве равно 275 нг/г, что превышает ПДК в 14 раз. Такой характер накопления поллютанта вызван атмосферным загрязнением, так как точка максимально приближена к НчГРЭС (1км).

 «Площадки близко расположенные к линии «генерального направления (№ 3)»

Среди площадок радиального направления, наибольшая концентрация 3,4-бенз(а)пирена обнаружена в растительности и почвах мониторинговой площадки № 3, расположенной па удалении 2,7 км на юго-запад от источника эмиссии (табл.5). Территория мониторинговой площадки № 3 расположена всего на 1100м южнее максимально загрязнённой площадки генерального направления №. 4, а уровень загрязнения почвы и надземной части растительности возрастает в 1 и 1,2 раза соответственно. Значительное повышение концентрации 3,4-беиз(а)пиреиа на территориях, расположенных севернее и южнее от «генерального направления», связано с физическими свойствами почв, а именно с гранулометрическим составом.

«Площадки среднего уровня влияния НчГРЭС (№ 2, 3, б, 7)»

Мониторинговые площадки № 2 и №. 3, расположенные на расстоянии 3,0 км и 2,7 км на юго-запад от НчГРЭС, имеют общие черты в характере расположения, а, следовательно, и в уровне загрязнения растительности и почв этих территорий 3,4-бенз(а)пиреном, но при этом имеются и различия.

Возможно, причина того, что содержание 3,4-бенз(а)пирена в почве и растительности площадки № 3 выше, чем площадки № 2, заключается в том, что площадка № 3 находится в условиях лучшего увлажнения и характер сё растительного покрова несёт выраженные черты лугового сообщества. Растительность площадки более разнообразна, а надземные органы развиты лучше, и как следствие имеют большую адсорбционную площадь, что способствует накоплению изучаемого поллютанта.

Необходимо заметить, что почва мониторинговой площадки № 2, имеет наиболее лёгкий гранулометрический состав и самую низкую ёмкость катионного обмена (табл. 4.) и, следовательно, сорбционные способности, что и является причиной низкого содержания 3,4-бенз(а)пирена.

Возможно, сочетание перечисленных факторов приводит к тому, что содержание 3,4-бенз(а)иирена в слое почвы площадки № 2 по усреднённым данным двух лет наблюдений превышает ПДК не значительно и составляет 1.

Приведённые результаты исследований показывают, что даже при сходном расположении участков но отношению к источнику эмиссии, уровень загрязнения объектов экосистемы может заметно отличаться. Причинами этого служат различия в свойствах почв, условиях увлажнения, характере растительного сообщества, сорбционных свойствах надземных частей растений и т.д.

Картина распределения 3,4-бенз(а)пирена на территории площадок № б и № 7 имеет аналогичные черты, по сравнению с площадками № 2 и № 3. На указанных площадках большая часть поллютанта накапливается на площадке №7, что составляет в почве 90 нг/г, превышение ПДК здесь 1,4 раза. Канцероген накапливается и в надземной части растений интенсивнее нежели в точке №6. Причина приоритетного накопления 3,4-беиз(а)пирена в растительности и повышенная его концентрация в почве, по сравнению с площадкой № 6 - в расположении мониторинговой площадки № 7. Она соседствует с площадкой № 8, и располагается ближе к подфакельному пространству НчГРЭС.

Содержание изучаемого поллютанта на всех представленных мониторинговых площадках в надземной части растительности несколько меньше, чем в почве. Это наглядно демонстрирует, что почва более активно поглощает 3,4-бенз(а)пирен из загрязненной атмосферы нежели растения. Являясь жирорастворимым веществом, 3,4-бенз(а)пирен может проникать в ткани растения через липидные компоненты клеточной стенки, т.е. путём поступления поллютанта через поверхность надземных органов растений - стеблей и листьев. На изучаемых территориях именно этот путь и является приоритетным (табл.5).

Анализ данных мониторинговых исследований 2009 года позволяет предположить, что уменьшения содержания Пау в почвах, по сравнению с показателями 2008 года, не наблюдается, наоборот идет накопление поллютанта в верхнем слое почв.

 

Выводы

 

- Обнаружен 3,4-бенз(а)пирен во всех исследуемых объектах экосистемы в концентрациях значительно превышающих предельно допустимые (почва в 14 раз) и фоновые (растительность в 39,2 раза) значения.

- Основным источником являются атмосферные аэрозоли, загрязнённые дымовыми выбросами НчГРЭС, поступление 3,4-бенз(а)пирена на территории зоны максимального загрязнения составляет в среднем 9 нг/м² в сутки.

- Интенсивность накопления 3,4-бенз(а)пирена зависит от удаления и направления от основного источника загрязнения ОАО «НчГРЭС». Наиболее активно поллютант аккумулируется в северо-западном направлении, совпадающем с розой ветров. На значительном удалении (20 км) влияние НчГРЭС перекрывается дополнительными источниками эмиссии, автотрасс.

- Надземная часть растительности мониторинговых площадок содержит 3,4-бенз(а)пирен в концентрациях, не превышающих его содержание слое почвы 0-20 см, что доказывает приоритет атмосферного загрязнения над корневым питанием.

- Наиболее активно загрязнитель накапливается в верхнем 0-5 см слое почвы

- На накопление загрязнителя оказывает влияние физико-химические и агрохимические свойства почв