Формирование почвенного мониторинга при строительстве Гремячинского горно-обогатительного комбината

Для объективности выявления антропогенной нагрузки, в первую очередь, необходимо исследовать почвы территории до начала строительства и эксплуатации объекта. Нами был исследован почвенный покров горно-обогатительного комбината (ГОК) по добыче и обогащению калийных солей мощностью 2,3 млн. т/год 95 % KCl, строящегося на участке Гремячинского месторождения Котельниковского района Волгоградской области. Оно расположено на левобережье р. Дон (Цимлянское водохранилище) в междуречье ее левых притоков Аксай Есауловский и Аксай Курмоярский, в 150 км к юго-западу от Волгограда, в 20 км к северо-востоку от районного центра г. Котельниково 0,8 км на юго-восток от ст. «Гремячая».

Для организации почвенного мониторинга на территории ГОК нами были выбраны участки с учетом различного вида и интенсивности антропогенной нагрузки:

-        окрестности автотрассы (в 100 м на северо-восток, северо-запад и юг от автодороги «Волгоград-Котельниково», 3 точки);

-        окрестности железной дороги (200 м и 300 м восточнее, 2 точки);

-        территория водозаборной скважины и ее окрестности (100 и 400 м восточнее скважины и 400 м западнее от нее, 4 точки);

-        территория и окрестности балок «Веселка» и «Осиновая» (западный и восточный склоны, в 100 м на северо-восток и восток от ГОК, 4 точки);

-        пашня (200 м северо-западнее автодороги «Волгоград-Котельниково», 1,5 км западнее скважины; 1 км западнее автодороги «Волгоград-Котельниково»; 1,5 км северо-восточнее пруда «Осинов»; 1,65 км южнее железной дороги и 2,2 км юго-восточнее железной дороги, 5 точек);

-        целина (2,5 км на запад от скважины у лесополосы; 2 км северо-восточнее пруда «Осинов», 1,5 км северо-западнее х. «Нижние-Черни»; 1 км на юг от пруда и 800 м от фермерского хозяйства; 1,7 км на запад от трассы «Волгоград-Котельниково», 5 точек).

Почвенный покров представлен каштановыми карбонатными среднемощными среднесуглинистыми почвами в сочетании с каштановыми маломощными слабосмытыми 10–25 % тяжелосуглинистыми почвами, лугово-каштановыми среднемощными тяжелосуглинистыми почвами и в комплексе (10–25 и 25–50 %) с солонцами каштановыми глубокими средними тяжелосуглинистыми.

Отбор проб и подготовку почв к анализам проводили согласно ГОСТам [6, 8]. Содержание гумуса определяли методом И. В. Тюрина в модификации ЦИНАО с погрешностью 0,26–0,55 % по ГОСТУ [9]. Величину рН измеряли потенциометрическим методом на приборе рН-метре с погрешностью 0,1 по ГОСТУ [7]. Валовые формы Cd, Zn, Pb, Ni, Cu в гумусовых горизонтах почв анализировали на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки C115–1M согласно [12] в трехкратной повторности.

Метод атомно-абсорбционного анализа основан на свойстве атомов металлов, поглощать в основном состоянии свет определенных длин волн, который они испускают в возбужденном состоянии [10]. Необходимую для поглощения резонансную линию, чаще всего, получают от лампы с полым катодом, изготовленным из определяемого элемента (Cd, Zn, Pb, Ni, Cu).

Этот метод обладает рядом достоинств: хорошая чувствительность, избирательность, высокая производительность, хорошая воспроизводимость результатов, простота выполнения анализов. Метод обеспечивает предел обнаружения многих элементов на уровне 0,1–0,01 мкг/мл, что во многих случаях дает возможность анализировать почвы без предварительного концентрирования элементов [1, 10]. Погрешность метода 0,1–14,2 мг/кг [12].

Результаты исследования показали, что каштановые почвы малогумусные, доля органического углерода составляет — 1,58–3,65 %, слабощелочные (7,16–8,10). Диапазон и среднее содержание в почвах тяжелых металлов (ТМ) представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Диапазон варьирования валовых форм тяжелых металлов, мг/кг

Из анализа данных, представленных в таблице 1, следует, что максимальное накопление никеля в почвах вдоль автотрассы (40,00 мг/кг) и балок. Концентрация валовых форм никеля превышает ПДК повсеместно в 1,03–2,00 раза. Выявлено локальное превышение ПДК цинка (63,80 мг/кг) в почвах пашни.

В почвах скважин наибольшая аккумуляция кадмия (0,35 мг/кг) и свинца (19,8 мг/кг), на пашне — цинка (63,80 мг/кг) и меди (23,50 мг/кг) и не превышает ПДК. Наименьшее содержание ТМ в почвах целины (меди — 11,00 мг/кг, никеля — 11,50 мг/кг, свинца — 9,50 мг/кг и цинка — 27,50 мг/кг), кадмия — в почвах вдоль автотрассы (< 0,10 мг/кг).

Таблица 2

Средние значения валовых форм тяжелых металлов, мг/кг

Из анализа данных, представленных в таблице 2, очевидно, что средние значения валовых форм тяжелых металлов (ТМ) за исключением никеля в почве не превышают ПДК [3, 14] и ОДК [4].

Среднее содержание никеля только на целине практически соответствует ПДК, в почвах остальных объектов выше норматива, особенно высока его аккумуляция в почвах вдоль автотрассы (27,60), балках (27,10) и на пашне (26,90 мг/кг).

Известно большое число катионных комплексов никеля с органическими лигандами. Никель относится к элементам, легко составляющим катионные и анионные комплексы, хелатные соединения [15, 18]. Он образует устойчивые с водой аквакомплексы. Эти особенности и делают его относительно более стабильным по сравнению с другими рассмотренными нами элементами.

По полученным результатам был построен селективный ряд элементов:

Zn ≥ Ni ≥ Cu ≥ Pb ≥ Cd

Выявленная закономерность показывает, что приоритетные места принадлежат Zn и Ni, среднее положение у Cu и Pb. Самые низкие концентрации наблюдаются у Cd.

Этот ряд соответствует закономерности накопления ТМ, установленных нами ранее при изучении почв Волгограда [13]. Эту последовательность можно объяснить химическими свойствами тяжелых металлов. Zn и Cd — элементы подгруппы цинка, полные аналоги, каждый в своем периоде. Сорбция кадмия в щелочной среде снижается [17, 18], что объясняет его меньшее содержание в почве по сравнению с другими элементами. В ряду Ni ≤ Cu повышается потенциал ионизации, соответственно 7,68 и 7,72 [2]. Химическая активность меди невелика. В отсутствии окислителей ее соединения устойчивы по отношению к основаниям. Никель обладает высокой степенью растворимости соединений, часто встречается в органических формах, биохимически активен, а так же способен к биоаккумуляци [19]. Никель является химически стойким элементом, что объясняется его способностью к пассивированию — образованию на поверхности оксидной пленки, благодаря этому никель устойчив на воздухе, в воде и в ряде кислот. Никель легко сорбируется гидроксидом железа, органическими веществами, высокодисперсным карбонатом кальция, глинами, некоторыми растениями и микроорганизмами [20, 21]. В органической форме никель присутствует в виде карбонила:

Ni + 4CO = Ni(CO)_4.

Растения, и некоторые микроорганизмы, накапливающие никель, являются «концентраторами» никеля [22, 23]. Они содержат в тысячи и даже в сотни тысяч раз больше никеля, чем окружающая среда. После их гибели никель в форме соединений попадает в почву, где сорбируется и накапливается приведенными выше веществами. Совокупность указанных свойств никеля объясняет его высокое содержание в почвах.

Наибольшее сродство с карбонатами у кобальта, кадмия, меди, свинца и цинка. Карбонаты закрепляют в почвах такие тяжелые металлы как кобальт, кадмий, никель [16].

Почвенный покров регулирует поток поллютантов, интенсивность их миграции зависит не только от степени техногенного влияния, но и от эффективности их депонирования [11].

Выводы:

1)      Выбраны участки для мониторинга экологического состояния почв с учетом различного вида и интенсивности антропогенной нагрузки.

2)      Каштановые почвы малогумусные, доля органического углерода составляет — 1,58–3,65 %, слабощелочные (рН 7,16–8,10).

3)      Максимальное накопление никеля в почвах вдоль автотрассы (40 мг/кг) и балок, а минимальное — в почвах целины (11,5 мг/кг). Выявлено локальное превышение ПДК цинка (63,8 мг/кг) в почвах пашни. Наибольшие значения содержания кадмия, меди и свинца в зонах воздействия на почвенный покров находятся в пределах ПДК.

4)      В почвах скважин выявлена аккумуляция кадмия (0,35 мг/кг) и свинца (19,8 мг/кг), на пашне — цинка (63,8 мг/кг) и меди (23,50 мг/кг). Наименьшее содержание ТМ в почвах целины (меди — 11,00 мг/кг, никеля — 11,50 мг/кг, свинца — 9,50 мг/кг и цинка — 27,50 мг/кг), кадмия — в почвах вдоль автотрассы (< 0,10 мг/кг).

5)      Выявлена зависимость химических свойств элементов и степени их аккумуляции в почве.

Литература:

1.      Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л. Агропромиздат. 1987. -142 с.

2.      Ахметов. Н. С. Общая и неорганическая химия. М. Высшая школа. 2001. — 743 с.

3.      ГН 2.1.7.2041–06. Предельно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве.

4.      ГН 2.1.7.2042–06. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве.

5.      ГОСТ 17.4.1.02.-83 Охрана природы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. М.: 1983. -12 с.

6.      ГОСТ 17.4.3.01–83«Почвы. Общие требования к отбору проб»

7.      ГОСТ 26423–85. Почвы. Методы определения удельной электрической проводимости, рН и плотного остатка.

8.      ГОСТ 28168–89 «Почвы. Отбор проб».

9.      ГОСТ 26213- 91. Почвы. Методы определения органического вещества.

10.  Лапенко Л. А., Виленский М. Г. Метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии в фоновом мониторинге тяжелых металлов./ Мониторинг фонового загрязнения природной среды. / Под ред. Ю. А. Израэля, Ф. Я. Ровинского. Вып.3. — Л.: Гидрометеоиздат, 1986. — С.216–223.

11.  Мажайский Ю. А., Тобратов С. А., Дубенок Н. Н., Пожогин Ю. П. Агроэкология техногенно загрязненных ландшафтов. Смоленск, 2003.

12.  Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий. ЦИНАО. Москва, 1992 г.

13.  Околелова А. А., Желтобрюхов В. Ф., Рахимова Н. А. Оценка накопления тяжелых металлов в почвах Волгограда. Волгоград. ВолгГТУ. 2012. — 80 с.

14.  Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 18 мая 2009 г. N 32 «Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.7.2511–09».

15.  Wiesniewska M 2001 EncyklopediaDla.wszystkich. Chemia.Wyd.Nauk.Tech. 226–227, Warszawa.

16.  Rotting T. S., Cama I., Ayora C., Cortina I-L., de Padlo I. Use of caustic magnesif to remove cadmium nichel and cjbalt from water in passive treatment system cjlumn experiments // Environ Sci. Technol. 2006. v. 40. p. 6438–6443.

17.  Laxen P. D. Trace metal adsorption/desorption under realistic conditions Water. Res. 19.1229–1236.

18.  Kabata-Pendias A., Pendias H. 1999. Biogeochemiapierwiastkówśladowych.PWN Warszawa.ss 398.248.

19.  Физические и химические свойства никеля [Электронный ресурс]. 2002. Дата обращения: 15.03.2014. URL: http://biofile.ru/geo/15180.html

20.  Популярная библиотека химических элементов: никель [Электронный ресурс]. 2012. Дата обращения: 15.03.2014.

21.  URL:http://chemistry-chemists.com/N3_2012/U3/Ni.html

22.  Федеральный портал PROTOWN.RU: Никель [Электронный ресурс]. 2008. Дата обращения: 15.03.2014. URL:http://www.protown.ru/information/hide/5586.html 4. Патент № 5364451. США. Phytoremediation of metals. [Текст] / Slavik Douchenkov, Nanda P. B. A. Kumar, Ilya Raskin; заяв. US 08/073,258; опуб. 15 ноя 1994: ил.

23.  Никель для растения: обеспечение азотом [Электронный ресурс]. 2014. Дата обращения: 15.03.2014. URL:http://pharmacognosy.com.ua/index.php/makro-i-mikro-chudesa/nikel-nyanya-dlya-nervnoj-systemy/nikel-dlya-rasteniya-obespecheniye-azotom