Загрязнение почв Москвы диоксинами

Введение

     Наличие в городах зеленых насаждений является одним из наиболее благоприятных  факторов. Они активно очищают атмосферу, кондиционируют воздух, снижают уровень акустического загрязнения. Особое значение приобретают зеленые насаждения в городах-мегаполисах, крупных промышленных центрах.

     Однако  окружающая среда и экология города не создают условий для нормального  выполнения ими санитарно-гигиенических  функций. Особенно негативное влияние  на состояние “зеленых легких”  в рекреационных ландшафтах оказывает загрязнением почв тяжелыми металлами (ТМ), источником которых является огромное количество автотранспортных средств.

     Уплотнение  почвы в лесных и лесопарковых ландшафтах в сочетании с загрязнением почвы тяжелыми металлами значительно  ослабляет состояние зеленых насаждений.

     Также происходит засоление и заболачивание  почв, разрушение их структуры. Все  это ведет к потере естественного  плодородия, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.

     Естественные  ненарушенные почвы в Москве остались лишь островками в городских лесах и лесопарках (Лосиный остров, Фили-Кунцево и т. д.).[1] 

1.Загрязнение  почв Москвы диоксинами

     Диоксины  относятся к числу наиболее опасных  экотоксикантов. Под названием диоксины, как правило, понимают широкую группу полихлорированных дибензо-п-диоксинов (ПХДД) и полихлорированных дибензофуранов (ПХДФ). Основная опасность данных соединений для организмов обусловлена их способностью к кумуляции. Токсическое действие диоксинов приводит к канцерогенным, мутагенным и тератогенным эффектам, нарушению репродуктивной функции, детальности иммунной, эндокринной и нервной систем. Последствия данных форм поражающего действия  этих соединений могут проявиться в последующих поколениях. В настоящее время урбоэкосистемы обладают мощными источниками эмиссии диоксинов в окружающую среду, среди которых наибольшее значение имеет высокотемпературное сжигание отходов. ПХДД/ПХДФ также поступают в биосферу с выбросами химических, нефтехимических и металлургических заводов, транспорта, при производстве строительных материалов. Несмотря на острый интерес к загрязнению городской среды диоксинами, литературные данные об их содержании в почвенном покрове городов, в том числе Москвы, крайне ограничены. Вместе с тем, почва представляет собой “депо” ПХДДД/ ПХДФ в экосистеме, степень загрязнения ее диоксинами можно рассматривать как показатель вредного воздействия этих экотоксикантов на обитателей урбоэкосистемы.

     Рассматривая  сведения о качественном и количественном составе спектра ПХДД/ПХДФ в почве  Москвы в зависимости от функциональной зоны города, накоплении конгенеров в почвенном покрове и на основании полученных данных можно сделать вывод об экологическом состоянии почвенного покрова города в связи с диоксиновым загрязнением.

     Статистические характеристики  пространственного распределения диоксинов в почвах Москвы показывают, что значение содержания ПХДДД/ПХДФ в промышленной зоне значительно варьируют. В других функциональных зонах варьирование данного показателя намного ниже. Распределение диоксинов в почвенном покрове города в целом проявляет логнормальных характер, что характерно для поведения загрязнителей в урбоэкосистемах.

     Наиболее  высокое содержание диоксинов в  почве промышленной зоны связано  с образованием их как примесей в  различных высокотемпературных  технологических процессах на предприятиях. Например, максимальное содержание ПХДД/ПХДФ в почве Москвы отмечено в районе шоссе Энтузиастов. Эта территория относится к одно из самых мощных техногенных зон города в связи с высокой концентрацией металлургических, машиностроительных и химических заводов, функционированием окружной железной дороги. Обращает внимание, что содержание ПХДД/ПХДФ в почве селитебной зоны близко к их содержанию в почве промышленной зоны. Высокие уровни содержания ПХДД/ПХДФ в почве селитебной зоны, очевидно, обусловлены поступлением их с продуктами термической обработки бытовых отходов (изделия из ПВХ), строительного мусора. Это подтверждает большую роль данного источника в формировании диоксинового загрязнения урбоэкосистем. По литературным сведениям, сжигание бытовых отходов является причиной выбросов в атмосферу до 44% диоксинов в станах Европы и США. В почвах селитебно-транспортной зоны выявлены наиболее низкие уровни содержания ПХДД/ПХДФ по сравнению с другими функциональными зонами города. Это может быть связано с тем, что в Москве проводится регулярное озеленение примыкающих к транспортным магистралям газонов. При этом в верхний слой почвы вносится “экологически чистая” торфокомпостная смесь. Кроме того обогащение почвы гумусовыми веществами и элементами питания способствует активизации почвенной микрофлоры. Известно, что основную роль в разрушении ПХДД/ПХДФ в почве играют биотические процессы с участием бактерий и грибов, ускорению которых способствует        внесение активных гумусовых кислот.

     На  основе данных о среднем содержании конгенеров ПХДД/ПХДФ в почвенном  покрове города был проведен анализ структуры спектра ПХДД/ПХДФ. Установлено, что около половины нагрузки диоксинов на почвенный покров города обусловлено наиболее токсичными конгерами (рисунок1). Относительное содержание в спектре самого токсичного 2,3,7,8-ТХДД, включенного Международным агентством изучения рака (МАИР) в группе 1 (“безусловные канцерогены для человека”), составляет 6%, а двух других высокотоксичных соединений 2,3,4,7,8-ПеХДФ и 1,2.3,7,8-ПеХДД – 32% и 7% соответственно. Другая часть нагрузки диоксинов на почвенный покров города связана в основном с присутствием в их спектре слаботоксичных конгенеров, преимущественно гексаизомеров и гептаизомеров полихлорированных фуранов, вклад каждого из которых в спектре ПХДД/ПХДФ колеблется от 6 до 10%(Рис1.)

   Рис.1

     Таким образом, уровни загрязнения почвенного покрова Москвы ПХДД//ПХДФ характерны для жилых массивов индустриальных стран и соответствуют европейским допустимым нормам содержания. Однако высокую обеспеченность вызывает тот фактор, что содержание диоксинов в почве жилых районов города практически равно таковому для промышленных зон. При этом коэффициенты концентрации в почве отдельных конгенеров ПХДД/ПХДФ достигают нескольких десятков единиц. Значительный вклад диоксиновое загрязнение почв города вносят наиболее опасные представители ПХДД/ПХДФ. В структуре спектра диоксинов на долю 2,3,7,8-ТХДД с выявленными канцерогенными свойствами приходится 6%, на долю других высокотоксичных конгенеров ПеХДД и ПеХДФ – 39%. [2-4]

2.Особенности  поведения ПАУ  в почвенном покрове  парков г.Москвы

     Одно  из важных мест в формировании опасной  экотоксикологической ситуации в городе принадлежит загрязнению природных  сред полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ). Несмотря на относительно низкое содержание ПАУ в природных средах урбоэкосистем по сравнению с другими поллютантами , они вносят существенный вклад в их канцерогенную и мутагенную активность. Например, большая группа ПАУ, поступающих в атмосферу в составе конденсата выхлопных газов автомобилей, полностью определяет канцерогенные свойства выброса по отношению к некоторым видам живых организмов. Важным показателем возможности неблагоприятного воздействия ПАУ на здоровье городского населения является загрязнение ими почвенного покрова, выступающего эффективным аккумулятором этих соединений в экосистемах. Несмотря на накопленный материал о закономерностях поведения полиаренов в почвах городских территорий, данный вопрос требует дальнейшего исследования, а получение информации систематизации и обобщения на примере большого числа представителей этой группы углеводородов.

     Для исследования состава, концентрации, накопления и вертикального распределения  спектра ПАУ “техногенного” происхождения в почвенном покрове парково-рекреационной зоны Москвы.

     Отбор проб проводили из верхнего (0-10 см) слоя почв на территории ГПНК “Лосиный остров”, Природно-исторического парка “Измайлово”, лесопарков “Хорошевский”, “Кузьминки”, “Кусково”, Серебряноборского  опытного лесничества, ПКиО “Перовский”, парков Петровский, Братцево, Искусств, Нескучный сад и др. (n=20). Объекты исследования включали естественные дерново-подзолистые, аллювиальные дерновые почвы, естественно-антропогенные поверхностно-преобразованные почвы, искусственно созданные поверхностно-гумифицированные почвоподобные образования (почвогрунты, урбанотехноземы). В почвах была поведена идентификация 16 соединений ПАУ как возможных компонентов эмиссии из техногенных источников.

     Отмечены  высокие концентрации ПАУ в почвах московских парков. Максимальные значения содержания в поверхностных слоях московских парков таких важнейших представителей “техногенных” ПАУ, как бенз(а)пирен, бенз(g,h,i)перилен и бенз(b)флуорантен, достигают уровней, наблюдаемых в лесной подстилке на расстоянии 2,5 км от предприятий г. Электроули (Московская обл.), сформировавших техногенную геохимическую аномалию. Высокое содержание ПАУ в верхних горизонтах почв парково-рекреационной зоны города объясняется тем, что лесная подстилка является эффективным сорбентом ПАУ, поступающих в атмосферу из техногенных источников. Данный факт отмечается как в зонах техногенных аномалий, так и при глобальном загрязнении фоновых территорий. Кроме того, травянистый покров и деревья экранируют почву от ультрафиолетового излучения и тем самым снижают скорость фотохимической деструкции ПАУ. Другим источником ПАУ в почве парков может выступать сжигание листвы и травы.

     Высокие концентрации ПАУ в почвах московских парков (Тимирязевский, Измайловский, Сокольники и др.), также отмечались. Согласно литературным данным, в почвах парков среднее значение  содержания некоторых ПАУ. Несколько выше установленных аналогичных показателей. Данный факт, вероятно, объясняется более широким диапазоном рассмотренных в настоящей работе почвенных объектов. Последние отобраны как в парках “старой” Москвы (Нескучный сад, “Измайлово” и др.), испытывавших долгое время высокий техногенный прессинг, так и в природных комплексах (ГПНК “Лосиный остров”, Серебряноборское лесничество, Хорошевский лесопарк и др.), удаленных от техногенных источников.

     Для сравнения способности индивидуальных ПАУ к накоплению в почвах парков были рассчитаны их коэффициенты концентрации (Кс) в поверхностных горизонтах. Данный показатель определялся как отношение фактического содержания химического соединения в исследуемой почве к его региональному фоновому содержанию. Выявлено значительное влияние коэффициент концентрации молекулярной структуры полиарена. Наиболее высокие коэффициенты концентрации ПАУ отмечались в случае тяжелых многоядерных структур. Многогранные структуры являются известными индикаторами техногенной нагрузки на природные среды, для которых выявлены канцерогенное воздействие на живые организмы. Значительную роль в формировании уровней содержания в почве углеводородов могут играть наряду с техногенными источниками природные педогенные процессы. Повышение аккумуляции “тяжелых” полиаренов в верхних горизонтах почв по сравнению с “легкими” полиаренами, очевидно, связана со слабой растворимостью первых в воде и сильным сродством с гумусовыми веществами.

     Особенности вертикального распределения полиаренов рассмотрены на примере поверхностно-преобразованной  урбо-дерново-подзолистой почвы  дендропарка МГУ им. М.В. Ломоносова. Накопление полиаренов происходит на биогеохимическом барьере в верхнем органогенном горизонте за счет поступления выбросов автотранспорта на поверхность почвы и в техногенном слое на глубине 20-30 см. Возникновение техногенного слоя, вероятно, связано с поверхностным загрязнением в процессе строительства МГУ почвенного покрова, на котором в дальнейшем шло формирование верхних горизонтов почвенного профиля. Чрезвычайно высокое содержание ПАУ в техногенном слое можно объяснить присутствием остатков строительно- композиционного материала, включающего битумы, каменноугольные смолы, каменноугольный пек. Доля бенза(а)пирена и других полиаренов в их составе достигает нескольких процентов. При этом инкубация ПАУ на достаточно большей глубине в почве сада препятствует их трансформации под действием ультрафиолетового излучения и активности почвенного микробного сообщества.

     В почвенном профиле также отмечается накопление подвижных малоядерных структур полиаренов. Захоронение на территории строящихся объектов и промзон остатков отходов и многолетняя консервация под верхними горизонтами почв техногенных слоев с высоким содержанием экотоксикантов относится к наиболее характерным явлениям в урбоэкосистемах. Это указывает на то, что широко применяется оценка загрязнения городских почв на основе содержания ПАУ только в поверхностных горизонтах не всегда обоснована при анализе экологического состояния урбоэкосистем.[5

     3.Уплотнение  почвы как фактор  экологического риска  в рекреационных  лесных ландшафтах мегаполиса Москва

     Установлен  риск от уплотнения почвы в рекреационных лесных ландшафтах, связанных с увеличением доли подвижных форм тяжелых металлов, особенно свинца.

     В рекреационных лесных экосистемах, расположенных в городах-мегаполисах, крупных промышленных центрах, ущерб  от уплотнения может быть большим. Однако изученность этого вопроса крайне слабая. В этой связи были изучены изменения некоторых лесорастительных свойст почвы под воздействием нерегулируемой реакции и ее влияние на состояние насаждений Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ – МСХА, которая находится в центре города и является излюбленным местом отдыха москвичей.

     Древесные насаждения в ЛОД находятся в  исключительно угнетенном состоянии, что выражается в сильной степени  суховершинности древостоев, отрицательном  их приросте.

     Результаты исследований показали, что под влиянием массового посещения населением(повышенная антропогенная нагрузка) плотность верхнего 10-см слоя почвы увеличивается примерно на 50%.

     Послойное определение плотности почв показало ещё большее увеличение ее в зависимости от сезона года на участках с различной рекреационной нагрузкой.

     В почвах повышенного уплотнения нарушается воздушный и гидротермический режим, что также влияет на состояние  фитоценозов.

     Так, в спелых дубравах (X-XII класс возраста) выделение СО2 сокращается более чем в 3 раза. Под сосново-березовыми и молодыми дубовыми насаждениями интенсивность “дыхания” снижается почти в 1,5 раза. Нерегулируемая реакция приводит к вытаптыванию травянистой растительности, что оголяет почвенный покров и увеличивает нагревание почвы на 15-17%: с 15,7-16,1 до 17,8-19,9ºС. Увеличение прогреваемости почвы вызывает повышенное иссушение ее на 15-20%.

   Таблица1.Плотность почв ЛОД МСХА в условиях различного антропогенного воздействия (верхнего 10-см слоя)

     Ещё большую опасность представляет сочетание действия уплотнения почвы  с повышенным загрязнением тяжелыми металлами (ТМ), что приводит к увеличению их “подвижности”.

     При этом особую опасность представляет увеличение подвижности одного из наиболее токсичных ТМ – свинца.

     При более детальном рассмотрении действия плотности почвы становится очевидным  следующее. Уплотнение почвы ухудшает комплекс почвенно-экологических факторов, одним из которых является аэрация. Ухудшение воздушного режима почвы снижает ее биологическую активность.

     Существенно снижается численность аммонифицирующих микроорганизмов в (7-10 раз) и микроорганизмов, использующих минеральные формы азота.

     Следствием снижения биологической активности почвы под влиянием уплотнения является замедление процессов трансформации органического вещества. В результате на уплотненных участках увеличивается доля подвижного (кислоторастворимого) Pb.

     Более детальное изучение форм ТМ подтвердило зависимость различных по прочности связи форм ТМ от уплотнения почв.

     Таким образом, уплотнение почвы в рекреационных  лесных ландшафтах мегаполиса Москва является фактором экологического риска.[1]

4.Исследование  подвижных форм  тяжелых металлов в образцах почв города Москвы

     Потенциальная опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) напрямую зависит от наличия и концентрации подвижных и биологически доступных  форм элементов.

     Как известно, подвижность и доступность элементов для растений и живых организмов определяется их химической формой и типом связи с матрицей почвы. В связи с этим возникает необходимость фракционирования различных по подвижности форм элементов, позволяющие получить информацию о физико-химической подвижности и потенциальной биологической доступности элементов.

     Кроме того, исходя из информации по содержанию наиболее подвижных форм, можно судить о наличии или отсутствии действующего источника загрязнения.

     В одну фракцию выделяют сразу две  формы элементов: обменную и кислоторастворимую. Поскольку эти формы, хотя и являются легкодоступными для растений, но отличаются по подвижности, их последовательное выделение проведено с использованием двух различных реагентов.

     В данной работе приводится результаты исследования пяти предположительно загрязненных образцов почв, отобранных на территории Москвы. Почвы были изучены на предмет содержания в них меди и цинка. Эти элементы в окружающей среде присутствуют в виде ионов в степени окисления +2, и поэтому входят лишь в обменную и кислоторастворимую фракции. Обменные формы представляют собой наиболее подвижную часть почвенного раствора, они легко могут быть выведены из почвы при ее очистке. Для выведения обменных форм меди и цинка в работе использовали раствор нитрата аммония. Специфически сорбированные ионы меди и цинка, определяющие кислоторастворимые формы соединений этих элементов, выделяли при помощи 0,11 М раствора (pH 1,5) уксусной кислоты. В полученном растворе определяли содержание тяжелых металлов. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

   Таблица 2. Результаты фракционирования форм элементов.

     Во  всех изученных образцах наблюдается  загрязнение почвы тяжелыми металлами. В образцах обнаружено преобладание кислоторастворимых форм Zn. Это свидетельствует о том, что постоянный источник загрязнения почвы отсутствует в течение времени, достаточного для практически полной трансформации форм элемента, связанного с матрицей слабыми электростатическими взаимодействиями в более устойчивое состояние. Так, при долговременном внесении в почву ТМ, содержание их и степень подвижности в почве резко увеличивается. При ликвидации источника загрязнения распределение ТМ между формами изменяется, свидетельством чего является высокое содержание относительно прочно связанных с твердофазными почвенными компонентами форм соединений ТМ при одновременном низком содержании наиболее подвижных форм соединений ТМ. Таким образом, разделение обменной и кислоторастворимой форм имеет большое значение для получения подробной информации о распределении форм ТМ, позволяющей судить о наличии или отсутствии действующего источника загрязнения. [6]

     5.Фракционный  состав соединений  свинца в почвах Москвы и Подмосковья

     Свинец  является одним из приоритетных и  экологически опасных элементов-загрязнителей  городской среды. Преобладающая  часть его соединений характеризует небольшой подвижностью и высокой аккумулирующей способностью, что приводит к его интенсивному накоплению в почвах. Основными источником свинца в городских ландшафтах являются газо-пылевые выбросы автотранспорта, промышленных предприятий и ТЭЦ. В Москве среднесуточное поступление пыли на территориях, прилегающих к автомагистралям, варьируется от 83 до 677 мг/м², а в непосредственной близости от дорог (первые 5 м) достигает 3-4г/м². В условиях реальной угрозы свинцового загрязнения городской среды и интоксикации населения возникает необходимость глубокого и разностороннего изучения геохимии этого поллютанта в почвах, где происходит миграция и трансформация его соединений.

     До  последнего времени усилия почвоведов и экологов-геохимиков были сосредоточенны в основном на выявлении особенностей накопления валового свинца и других тяжелых металлов в городских почвах. В гораздо меньшей степени изучены соединения свинца, прочносвязанные и непрочносвязанные с отдельными почвенными компонентами, фиксирующими этот элемент. А между тем от форм нахождения и закрепления металла в почвах зависит степень экологической опасности загрязнения городских ландшафтов, миграционная способность его соединений, возможность их вторичной мобилизации и перераспределения и другие природные среды. Ключевой вопрос данной проблемы – о механизмах связывания свинца в почвах, которые определяют его подвижность и доступность для растений, остается крайне дискуссионным.

     Одним из основных инструментов решения рассматриваемой  проблемы в настоящее время является метод фракционирования. Существует несколько его модификаций, включающих разное число вытяжек и обладающих разной селективностью в отношении отдельных форм соединений металла.

     В результате проведенного исследования установлено, что свинец входит в состав различных минеральных и органических соединений почв. В природных (фоновых) почвах Подмосковной Мещеры преобладают прочносвязанные соединения свинца, и среди них доминирует 3-я фракция, удерживаемая гидроксидами  Fe и Mn. Сумма же всех прочносвязанных соединений 3,4 и 5-ой фракций составляет 94,5% от общего содержания свинца при очень незначительном количестве обменных и карбонатных форм элемента. Это свидетельствует о достаточно прочном закреплении свинца в фоновых почвах.

     Геохимическим индикатором начала развития процесса загрязнения почв свинцом служит появление в их поверхностных горизонтах подвижных соединений 1- и 2-ой фракций (обменных, водорастворимых, связанных с карбонатами, специфически сорбированных), а в агроэкосистемах – накопление соединений свинца преимущественно 1-ой фракции. Основными же компонентами захвата и удержания соединений свинца как в фоновых, так и в загрязненных почвах являются три фракции: труднорастворимого остатка, гидроксидов Fe и Mn и органических веществ, что говорит о слабой миграционной способности и прочном закреплении свинца в почвах.[4,7,10]

6. Отсутствие правовых  норм земли и  почвы

     Критическое состояние качества земель Москвы объясняется  рядом причин, наиболее существенными  из регулирования экологически безопасного использования земель различных категорий;

     - отсутствие системы экономических  стимулов в рациональном использовании  земель (государственная поддержка  мероприятий по рекультивации  и улучшению земель, льготное  налогообложение, штрафные санкции за нарушение земельного и природоохранного законодательства и т.д.);

     - диспропорции в инвестиционной  политике;

     - принятие решений на различных  уровнях управления в области  хозяйственного использования земель  без необходимого обоснования  и учета природных особенностей территорий;

     - несовершенство системы учета  качества земель, слабая обеспеченность  органов управления информацией  о состоянии земельных ресурсов.

     В основу общегородской земельной  политики должен быть положен механизм создания оптимальных ландшафтных самовосстанавливающихся систем, в которых функциональное использование территорий строится на динамическом равновесии техногенных нагрузок и восстановления природных ресурсов.

     По  данным обследований 1999 г., в Москве отмечается умеренно опасное загрязнение почв (от 16 до 32) цинком, медью. Содержание кобальта в почвах Краснопресненского района Москвы превышает фоновое в 5 раз и более.

     Учитывая  неблагополучное состояние земель города (около 25% площадей почвенного покрова  характеризуются критическим показателем суммарного загрязнения) целесообразно проведение мероприятий по реабилитации земель.

     Радиационный  контроль и безопасность территорий, находящиеся в ведении МосНПО "Радон", обеспечены на высоком  уровне. Все территории, предназначенные  под строительство, проходят обследование на радиационное загрязнение. Регулярно вывозятся загрязненные грунты и проводится рекультивация свалок (в 1996г. вывезено более 169 т, проведена рекультивация бывшей Братеевской свалки), что способствует оздоровлению экологической ситуации в городе.

     Подтопление ведет к загрязнению грунтовых  вод тяжелыми металлами, нефтепродуктами, хлоридами, соединениями серы, а в  ряде случаев радионуклидами в результате утечки сточных вод из канализационных  сетей, инфильтрации атмосферных осадков.