To estimation of critical loads of territories of cities and agricultural industrial complexes

V.V. Kurilenko, I.M. Haikovich

[email protected], [email protected]

St. Petersburg State University

В 1905 г английским геоботаником А. Тенсли было введено представление об «экосистеме», под которой он понимал сообщество живых организмов (биоты) и среды их обитания, объединенных в единое функциональное целое.При этом экосистема стала являться главным объектом изучения общей экологии и основной таксономической единицей, а предметом ее исследования стали законы формирования структуры, особенности функционирования, развития и гибели экосистем, а также связанные с этими состояниями характеристики целостных свойств систем, такие как устойчивость, продуктивность, круговорот веществ и баланс энергии.

В последние десятилетия понятие экосистемы стали использовать геологи Московской и С-Петербургской школ применительно к изучению экологических особенностей геологической среды, введя для этого термин эколого-геологическая (или экогеологическая) система. Так, Трофимов В.Т. понимает под этим термином определенный объем литосферы как геологический компонентприродной среды с находящейся в ней биотой и включающей в себя три подсистемных блока – литосферу (абиотический), биоту (биотический) и блок источников воздействия техногенного и природного происхождения (2004 г.). Куриленко В.В. видит в экогеологии совокупность абиотических компонент литогенной сферы Земли, образующих определенную целостность и единство и находящихся в функциональных отношениях и связях как между собой, так и с биотой, включая человека (2004 г.).

Ниже пойдет речь об антропогенных нагрузках, которые испытывают эколого-геологические системы территорий городских и аграрно-промышленных комплексов вследствие интенсивной хозяйственной деятельностью человека. Порой эти нагрузки могут достигать таких критических уровней, при которых происходит нарушение функциональной и структурной целостности экосистемы и делают ее практичски непригодной для проживания человека. Обычно под термином критическая нагрузка понимают количество загрязняющих веществ, которое экосистема способна утилизировать в течение достаточно длительного времени (десятки лет) при сохранении способности к самосохранению и саморегуляции. Следовательно, критическая нагрузка - это максимальное значение поступающих поллютантов, загрязняющих среду обитания живых существ, но которое не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение какого-либо времени. Критическая нагрузка является индикатором чувствительности экосистемы к внешнему воздействию, и определяет максимально допустимое поступление загрязняющих веществ, при котором риск нанесения ущерба экосистеме будет еще приемлемым для ее дальнейшего существования. Источники критических нагрузок имеют как правило, различный генезис происхождения и важно своевременно оценить критический уровень всего комплекса нагрузок, чтобы своевременно принять меры к не достижению данного критического уровня.

Техногенные поллютанты, попадающие в загрязняют воздух, водоемы и почву, в трансформированном виде поступают в биоту и мигрируют по трофическим цепям «почва⟶растения⟶животные⟶человек». Воздействие поллютантов зависит от характера и интенсивности антропогенного фактора, т.е. от количества загрязнений, попавших в окружающую среду, характера загрязняющих веществ, их экотоксикологических свойств, устойчивости и способности их к разложению, а также механизмов превращения в окружающей среде. В организм человека основная часть загрязнений поступает в процессе дыхания, с продуктами питания и с водой

В литературе последнего десятилетия вопросам оценки критических нагрузок уделяют достаточно много внимания и связано это со всё ускоряющимися темпами промышленного производства и ростом отходов, содержащих поллютанты, Как следует из определения, в основе концепции критических нагрузок лежит предположение о некоторой пороговой величине (например, дозе ионизирующего излучения, концентрации химического вещества), превышение которой может привести к необратимым изменениям в структуре и функционировании экосистемы (рис. 1). Ниже этого порога изменения в экосистеме могут происходить, но они не оказывают ощутимого влияния на биоту (или биоразнообразие) и человека.

К настоящему времени разработан ряд методов оценки критических нагрузок, различающихся по подходам, детальности и выбору абиотических составляющих экосистем потенциально загрязненную поллютантами. В алгоритме расчета критических нагрузок на экосистему на первом месте стоит выбор абиотических и биотических составляющих экосистем, потенциально загрязненных поллютантами. Остановимся на их выборе в сложной трофической цепи «почва⟶растения⟶животные⟶человек».

Рис. 1. Иллюстрация концепции критических нагрузок (по [1])

Почвы. Следует иметь в виду, что наибольшую опасность для биоты и человека поллютанты приобретают в том случае, если они обретают способность мигрировать в почве. Так, в природных условиях обычно выделяют кислые и слабокислые воды с рН от 3 до 6,5; нейтральные и слабощелочные воды с рН от 6,5 до 8,5; сильнощелочные воды с рН>8,5. При этом установлено, что Са, Sr, Ва, Ra, Сu, Zn, Cd и другие элементы, образующие катионы («катионогенные элементы», преимущественно металлы), наиболее подвижны в кислых средах, a V⁵⁺, As⁵⁺, Se, Mo, Si, Ge и другие элементы, образующие анионы («анионогенные элементы»), - в щелочных средах. Те и другие менее подвижны в нейтральных средах. Отсюда следует, что основную информацию об опасности загрязнения ОС могут нести химические элементы, растворенные во взаимодействующих с горными породами и почвами природных водах, а оценка эколого-геологического состояния экосистем территорий городских и аграрно-промышленных комплексов, с точки зрения их потенциальной экологической опасности, должна строиться на основе эколого-геохимического изучения проб горных пород, минералов и руд по результатам анализа их водных вытяжек, которые моделируют естественный процесс выщелачивания, с использованием воды со значениями рН, характерными для данного региона. Такая обработка проб в определенной степени представляет физическую модель процесса, аналогичного природному, когда атмосферные осадки при их инфильтрации через горные породы и почвы осуществляют перенос растворимых соединений в подземные водоносные горизонты, имеющие часто хозяйственно-питьевое значение.

Растения. Результаты многолетней аккумуляции поллютантов в почве отражает главным образом растительность, вследствие чего фитоиндикация загрязнения (в первую очередь – тяжелыми элементами и их соединениями) должна рассматриваться как первый необходимый этап для выполнения дальнейших экологических исследований почвенного покрова анализа почвенной мезофауны, физико-химического анализа почв и др.

Важность оценки состояния природных популяций растений состоит в том, что именно растения являются основными продуцентами, их роль в экосистеме трудно переоценить. Растения ‒ чувствительный объект, позволяющий оценивать весь комплекс воздействий, характерный для данной территории в целом, поскольку они ассимилируют вещества и подвержены прямому воздействию одновременно из двух сред: из почвы и из воздуха. В связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, состояние их организма отражает состояние конкретного локального местообитания. Удобство использования растений состоит в доступности и простоте сбора материала для исследования. Специфика растений как объекта исследования предъявляет определенные требования к выбору видов. При выборе вида растений, в зависимости от задачи исследования, необходимо учитывать, что, в силу прикрепленного образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиологические условия (как естественные локальные различия типа почвы, влажности и других факторов, так и антропогенные – точечное загрязнение). При наличии таких микробиологических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиологических различий предпочтителен выбор травянистых растений нескольких видов.

Животные.Для изучения животного мира перспективными объектами биологических исследований могут выступать пресмыкающиеся, птицы и млекопитающие.

Из рептилий наиболее интересным объектом исследования может быть прыткая или полосатая ящерица. Использование этого вида представляется удобным, в связи с его широким распространением.

Птицы, как объекты для оценки здоровья среды, обладают рядом преимуществ: приуроченность развития птенцов к определенному локальному участку, большое экологическое разнообразие. Объекты исследования должны отвечать следующим требованиям: многочисленность, оседлость (при анализе взрослых особей), широкая распространенность, эвритопность, доступность изучения. Из воробьинообразных можно рекомендовать большую синицу, мухоловку-пеструшку, обыкновенного скворца, домового и полевого воробьев и др. Для оценки ситуации на локальном участке оптимальным вариантом является использование гнездовых птенцов. Возможен также отлов ювенильных особей после вылета из гнезда до начала дальних кочевок. Взрослых птиц используют только у строго оседлых видов при сравнении каких-либо удаленных биотопов, например, естественных и урбанизированных территорий.

Млекопитающие, находясь на вершине пищевых цепей, являются важным объектом для характеристики рассматриваемой экосистемы. Использование фоновых, наиболее многочисленных для данного региона видов облегчает сбор материала и дает возможность получения выборок одного и того же вида во всех изучаемых точках. Можно использовать такие широко распространенные виды как рыжая и обыкновенная полевки, полевая и домовая мыши, обыкновенная бурозубка и др. Различия между животными разных возрастных групп обычно отсутствуют, поэтому возможно использование суммарной выборки. Если желательна оценка ситуации на текущий момент, необходимы выборки молодых особей этого года рождения.

Естественно, что выбор абиотических и биотических составляющих экосистем для каждого вида должен происходить с учетом ареала его обитания и питания.

Человек.Состояние здоровья взрослого населения и подростков оценивается по официальным статистическим данным. Наряду с общими статистическими данными заболеваний необходимо проводить геохимические исследования биосубстратов человека. В качестве биосубстратов может выступать кровь, моча, ногти и волосы. Если кровь и моча характеризуют кратковременный период содержания микроэлементов, на который может сказываться состав пищи и воды, то долговременной депонирующей средой могут выступать ногти и волосы. Многолетние исследования волос позволили выявить коррелятивную связь химического состава волос и заболеваемости человека.

На втором месте алгоритма расчета критических нагрузок на экосистему стоит выбор расчета показателя загрязнения в каждом из абиотических и биотических составляющих экосистем.

При расчетах экологических характеристик (критических показателей) абиотических составляющих экосистем (почв и грунтов) обычно используют разнообразные прямые, косвенные и индикаторные показатели. А для оценки степени загрязнения территорий по геохимическим (эколого-геохимическим) показателям чаще всего применяют линейный информационный показатель Z_c (или суммарный показатель загрязнения), вычисляя его для каждой отобранной из объекта пробы по формуле Ю.Е. Саета [2]:

,

(1)

где - содержание i-го элемента в пробе, n – число анализируемых элементов, - значение фонового содержания (ФС, base-line concentration) i-го элемента на объекте. Как видно из формулы (1), учитываются только те элементы, для которых относительное превышение над фоном больше единицы и, если содержания всех элементов не превышают их фоновых значений, показатель Z_c=1.

Для разделения территорий по степени загрязнения по эколого-геохимическимпоказателям Саетом предложена следующая четырехбальная оценочная шкала: допустимая Z_c<16; умеренно опасная 16≤Z_c <32; опасная 32≤ Z_c< 128; чрезвычайно опасная Z_c≥128.

Следует иметь в виду, что использование суммарного показателя загрязнения Z_c и четырехбальной шкалы степени загрязнения территорий с точки зрения оценки влияния загрязнителей на биоту и человека имеет определенные ограничения.

Во-первых – показатель загрязнения Z_c, (1), не учитывает неодинаковую степень опасности воздействия различных загрязняющих веществ. А оценка непосредственно валовых содержаний химических элементов и/или их соединений не отражает, в принципе, их биологическую доступность и токсичность, т.е. характеристики, которые, в конечном счете, и определяют экологическую опасность этих элементов (соединений). В то же время в соответствии с Гигиеническим нормативом ГН 2.1.5.1315-03 все химические элементы (соединения), которые характеризуют значениями ПДКв, поделены на 4 класса - по признаку токсической опасности и по типу реакции организма при воздействии на организм человека и биоту: k=1 – элементы чрезвычайной опасности (чрезвычайно опасные), k=2 – высоко опасные, k=3 – умеренно опасные, k=4 – малоопасные. При этом следует отметить, что, например, наиболее токсичными являются соединения мышьяка в трехвалентной неорганической форме, а хрома в шестивалентной форме; хелатированные формы тяжелых металлов (медь, кадмий, ртуть) менее токсичны по сравнению со свободными ионами; такие металлы, как ртуть, мышьяк и частично свинец часто подвергаются метилированию с образованием высокотоксичных соединений; токсичность взвешенных форм свинца, меди и никеля во многом определяется способностью их поглощения биотой; в природных водах экологически опасные соединения свинца могут быть как в растворимой, так и в нерастворимой форме – и т.д. То есть степень токсичности того или иного элемента (соединения) во многом зависит от формы его нахождения в минералах, горных породах, в руде и в воде.

Во-вторых, основным источником экологической опасности являются породы, в которых содержания характерных для данного типа территорий элементов превышают предельно-допустимые их концентрации (ПДК, maximum permissible concentrations), а не фоновые содержания, которые используют при вычислении эколого-геохимического показателя Zc (1). Именно ПДК ориентированы на человека и определяют тот уровень, при котором не наблюдается ни прямых, ни косвенных вредных воздействий, включая снижение работоспособности или ухудшение самочувствия, а также отдаленные последствия для настоящего и следующих поколений. Среди наиболее опасных для биоты и человека химических элементов в техногенных геохимических полях обычно выделяют мышьяк, хром, кадмий, ртуть, свинец, кобальт, никель, селен, медь, молибден.

Для того, чтобы учесть отмеченные особенности экологической опасности при оценке критических показателей биотических составляющих экосистем в каждом из перечисленных выше звеньев трофической цепи, можно воспользоваться информационным показателем экологической опасности К [3], который авторы предлагают использовать для оценки экологических показателей почв по результатам водно-растворимых форм анализов проб. Показатель К рассчитывается по формуле:

(2a)

или

(2b)

где - − содержание в пробе i-го элемента k-го класса (k=1,2,3,4), – число анализируемых элементов класса k, сумма которых равна числу анализируемых элементов n, - весовые коэффициенты, которые призваны учесть степень опасности воздействия различных загрязняющих веществ k-го класса опасности – предельно допустимые концентрации элементов (ПДКв). Значения взвешивающих коэффициентов:

Понятно, что потенциальная опасность тех или иных объектов (территорий) зависит от того, насколько информационный показатель К больше 1. А поскольку при расчетах этого показателя элементы основного 4-го класса опасности учитываются с коэффициентом 1/8, то, соблюдая преемственность в оценке территорий по геохимическим (эколого-геохимическим) показателям, логично все объекты в зависимости по информационного показателя К подразделить на четыре категории: безопасная К ≤1 (допустимая К ≤2); умеренной опасности, 2< К ≤8;. высокой опасности, 8< К ≤16; чрезвычайной опасности, К >16.

Наличие информационных показателей загрязнения абиотических и биотических составляющих экосистем каждого звена сложной трофической цепи экосистемы, в качестве которой могут выступать территории крупных городов и аграрно-промышленных комплексов, дает возможность не только оценить загрязнение ее элементов и составных частей, но и подойти к оценке критического показателя экосистемы в целом, а также проследить за ходом движения поллютантов в каждой составляющей части экосистемы. Что касается расчета критического показателя экосистемы, то его логично вычислять как взвешенную сумму информационных показателей, приняв в качестве взвешивающих коэффициентов значения коэффициентов в (2), а в качестве ‒ значение информационного показателя для человека, вершины трофической цепи. Понятно, что критический уровень экологической опасности должен соответствовать требованию К ≤2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сает Ю.Е., Равич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды.// М.: Недра, 1990.

2. Башкин В.Н. Биогеохимия/учебное пособие. М.: Высшая школа, 2008.

3. Куриленко В.В., Хайкович И.М. Методика оценки эколого-геологического загрязнения территорий осваиваемых месторождений полезных ископаемых// Обогащение руд, №3 (357), 2015, с. 56-59.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОБНАРУЖЕНИЯ, И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Изосимова О.С.(СПбГУ, Санкт-Петербург),

Нурмакова Ж.И. (АГТУ, Астрахань)