Введение
Тяжёлые металлы являются одной из приоритетных групп элементов, так как, несмотря на их важность для жизнедеятельности организмов в качестве микроэлементов, их избыточное накопление в компонентах окружающей среды способно вызвать негативные последствия для экосистем [1, с. 12]. В последние годы было проведено множество исследований, посвящённых распространению, миграции, накоплению и влиянию тяжёлых металлов на живые организмы. Особое внимание уделяется свинцу, поскольку его активное использование в промышленности способствует постоянному увеличению объёмов добычи, что в свою очередь приводит к загрязнению окружающей среды. Несмотря на значительное сокращение использования свинца в ряде отраслей, включая отказ от свинцового бензина в большинстве стран, его накопленный экологический след и продолжающееся применение в некоторых регионах мира сохраняют проблему актуальной [2; 3]. Иссык-Кульская область Киргизии, находясь в пределах своих административных границ, считается биосферной зоной. Её ключевая задача – обеспечить гармоничное социально-экономическое развитие, при этом строго соблюдать экологические стандарты для сохранения биоразнообразия, природных ландшафтов и экосистем [4]. В связи с высокой чувствительностью экосистем восточной части Иссык-Кульского региона к воздействию антропогенных факторов особое значение приобретает осуществление экологического мониторинга, направленного на исследование уровня содержания, процессов накопления и перемещения тяжёлых металлов в различных природных компонентах.
Целью исследования явилось изучение степени накопления свинца и других микроэлементов (Mn, Ni, Co, Ti, V, Cr, Zr, Cu, Sn, Zn) в почвенно-растительном покрове восточной части Иссык-Кульского региона.
Материал и методы исследования
Для изучения уровней накопления свинца и других микроэлементов был проведен отбор проб почвы и растений в долинной, предгорной и высокогорной зонах региона. Почвенные образцы отбирались в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02-2017 [5]. Для определения содержания ТМ в растениях был произведен отбор средних проб (укос) из местной флоры. Подготовка проб осуществлялась на основе методических рекомендаций, применяемых в практике экологического мониторинга. Определение концентрации микроэлементов проводилось с использованием метода эмиссионного спектрального анализа в центральной лаборатории Министерства природных ресурсов, экологии и технического надзора Киргизской Республики. В рамках исследования было проанализировано 30 почвенных проб и 20 образцов растительности. Анализ полученных данных проводился с использованием общепринятых методов вариационной статистики, включая обработку абсолютных и относительных значений. Для количественной оценки содержания микроэлементов в почвенном материале применялся коэффициент концентрации Кк, рассчитываемый как соотношение фактического содержания элемента в почве к его среднему содержанию, установленному по данным А.П. Виноградова [6, с. 217]. Кроме того, степень загрязнённости почвы определялась с помощью коэффициента загрязнения (Contamination Factor – CF), который определяется по формуле:
CF = CmSample / CmBackground,
где CmSample – это содержание металла в почвенном образце, а CmBackground – его фоновая концентрация. В зависимости от полученных значений коэффициента CF выделяются следующие категории:
CF < 1 – низкий уровень загрязнения,
1 ≤ CF < 3 – умеренный уровень загрязнения,
3 ≤ CF < 6 – высокий уровень загрязнения,
CF > 6 – крайне высокий уровень загрязнения.
Результаты исследования и их обсуждение
Изучение распределения свинца в земной коре показывает, что его концентрации наиболее высоки в глинистых породах, где они могут достигать от 10 до 40 мг/кг. В то же время в ультраосновных и известковых породах уровень содержания значительно ниже – в пределах 0,1–10 мг/кг. Естественное присутствие свинца в почвенном слое напрямую связано с минеральным составом материнских пород. Однако в условиях растущей техногенной нагрузки, особенно в верхних горизонтах почвы, наблюдается увеличение его концентрации, вызванное антропогенными источниками загрязнения. Несмотря на обилие научных данных о распределении свинца в почвах, всё ещё остаётся сложной задачей чётко разграничить природный фон и антропогенное загрязнение. По информации, приведённой в работах А.П. Виноградова, средняя концентрация свинца в поверхностных почвах на планетарном уровне составляет около 25 мг/кг, при этом кларковское значение – 10 мг/кг. В растительных тканях, как правило, содержание свинца варьирует в пределах 1–10 мг/кг в пересчёте на зольную массу [7, с. 229]. В Киргизской Республике санитарные нормы устанавливают предельно допустимую концентрацию (ПДК) свинца в почве на уровне 32 мг/кг [8]. Согласно почвенно-географической классификации Киргизии, восточная часть Иссык-Кульского региона входит в состав Иссык-Кульской подпровинции и относится к Восточно-Прииссыккульскому почвенному округу. Здесь распространены такие типы почв, как каштановые, черноземные, а также полугидроморфные и гидроморфные. На исследуемой территории преобладают темно- и светло-каштановые горно-долинные почвы, а также песчаные аллювиальные отложения.
Результаты исследования показали, что уровень свинца в прибрежных почвах восточной части Иссык-Куля находится в диапазоне 12–30 мг/кг, что укладывается в рамки нормативных требований. В зависимости от почвенного типа были зафиксированы следующие значения: в тёмно-каштановых горно-долинных почвах – 30 мг/кг, в светло-каштановых – 23 мг/кг, а в аллювиальных песчаных почвах – минимальные значения на уровне 12 мг/кг (табл. 1).
Таблица 1
Статистические характеристики содержания свинца в почвах и растениях прибрежной зоны восточного Прииссыккулья (составлено автором)
|
Вид образца |
х ± m (мг/кг) |
D |
σ |
V, % |
Предел колебаний (мг/кг) |
|
Почва |
24,4±10,3 |
69,6 |
8,3 |
34,2 |
12-30 |
|
Растения (надземная часть) |
3,4±1,8 |
2,3 |
1,5 |
44,7 |
1-5 |
|
Растения (корневая система) |
6±3,3 |
10 |
3,1 |
32,7 |
2-10 |
В растительных образцах надземной части зафиксированы лишь небольшие концентрации свинца (1–10 мг/кг), поскольку основной его запас сосредоточен в корневой системе. Например, у тянь-шаньской полыни (Artemisia tianshanica) содержание элемента варьировало в зависимости от типа почвы. У полыни эстрагон (Artemisia dracunculus), произраставшей на светло-каштановых горно-долинных почвах, обнаружено 8 мг/кг, тогда как на тёмно-каштановых – 12 мг/кг. В зерне озимой пшеницы (Triticum aestivum), собранной на светло-каштановых почвах, концентрация свинца составила 0,32 мг/кг в расчёте на сухую массу. Уровень других микроэлементов, таких как марганец, никель, кобальт, ванадий, хром, цирконий, титан, медь и цинк, соответствует природным показателям. Вероятно, незначительные колебания содержания микроэлементов в почвенно-растительном покрове обусловлены геохимическими особенностями почвообразующих пород, а также влиянием как природных, так и антропогенных факторов.
Индекс загрязнения почвы свинцом (CF) равен 2, что указывает на умеренный уровень загрязнения этим микроэлементом. Поскольку свинец и другие тяжелые металлы имеют способность накапливаться в почве и сохраняться там на протяжении длительного времени, такие изменения могут существенно повлиять на качество почвы, биологические процессы, протекающие в ней, а также в перспективе отразиться на экологическом состоянии региона. В связи с этим возникает необходимость в регулярном проведении экологического мониторинга для оценки текущей ситуации и предотвращения негативных последствий.
В последние годы было проведено множество научных работ, посвящённых исследованию процессов накопления микроэлементов в почвах и растительном покрове исследуемого региона. Так, в работе Токтоевой Т.Э. было установлено, что уровень тяжёлых металлов (таких, как свинец, кадмий, медь и цинк) в почвах агроэкосистем Прииссыккульского региона соответствует фоновым значениям, характерным для данной местности [9, с. 14]. Согласно результатам, полученным Кенжебаевой А.В., почвы восточной части Прииссыккулья демонстрируют различную степень устойчивости к загрязнению тяжёлыми металлами, в частности медью, свинцом и кадмием. При этом установлено, что их концентрации не превышают допустимые уровни и не оказывают негативного влияния на качество сельскохозяйственной продукции [10, с. 8]. Исследование Тотубаевой Н.Э. показало, что содержание свинца в почвах различных природных зон Иссык-Кульской области варьируется в пределах 21,7–32,0 мг/кг. Наивысшие показатели зарегистрированы вблизи промышленных объектов и в районах, подвергшихся воздействию автотранспорта и активной аграрной деятельности [11, с. 14].
Горные районы Иссык-Кульской области представляют значительный научный интерес в связи с выявлением полиметаллических залежей, где основная форма свинца представлена минералом галенитом (PbS). Установлено, что уровень содержания свинца в почвах тесно связан с минеральным составом материнских пород. Исследования показали, что горнолесные почвы, расположенные вблизи свинцово-полиметаллических рудников в бассейне реки Джергалан, способны накапливать свинец в гумусовом горизонте в количествах, превышающих кларковские значения в 7–15 раз. Кроме того, в ряде почвенных проб были выявлены повышенные уровни меди и цинка по сравнению с природным фоном. Что касается растительности, произрастающей на территории месторождения, то в большинстве случаев содержание свинца в её тканях остаётся в пределах фоновых показателей. Однако определённые виды растений, такие как аконит джунгарский (Aconitum soongaricum), манжетка низкостебельная (Alchemilla humilicaulis), бодяк полевой (Cirsium arvense) и чемерица Лобеля (Veratrum lobelianum), проявляют способность к аккумуляции свинца в корневой системе, при этом его концентрация может превышать кларковское значение (10 мг/кг).
Согласно литературным источникам, одним из основных техногенных факторов загрязнения окружающей среды свинцом являются выхлопные газы автотранспорта, где этот металл содержится в виде галогенидных солей, таких как PbBr2, PbBrCl, Pb(OH)Br, (PbO2)PbBr2 [7, с. 230]. По экспертным оценкам, около 70% всех загрязняющих веществ в атмосферу Киргизии поступает именно от передвижных источников, и эта тенденция продолжает расти. Следует отметить, что уровень выбросов напрямую связан с техническим состоянием транспортных средств и их возрастом. Статистические данные показывают, что около 66% автомобилей в республике исчерпали свой ресурс, так как эксплуатируются более 15 лет, а значительная часть автотранспорта была ввезена с пробегом свыше 10 лет [12].
Результаты исследований свидетельствуют, что содержание свинца в почвах Каракола не превышает предельно допустимую концентрацию (32 мг/кг), однако на участках с интенсивным движением автотранспорта в поверхностном слое почвы фиксируется его увеличение до 0,94 ПДК. Также установлено превышение кларка по Виноградову А.П. в 3 раза, а коэффициент загрязнения (CF) достиг 2,2, что соответствует умеренному уровню загрязнения. Анализ элементного состава растений Каракола показал, что содержание таких микроэлементов, как Pb, Cu, Co, Mo, Zn, Ni, находится в пределах естественных показателей. При этом установлено, что зола хвои и листвы деревьев аккумулирует больше микроэлементов по сравнению с травянистыми растениями. В условиях интенсивного трафика в коре, хвое и листьях деревьев фиксируется незначительное накопление свинца.
Вероятно, с ростом численности населения и увеличением автопарка техногенная нагрузка на окружающую среду будет возрастать. В этом контексте развитие концепции зелёного транспорта в рамках цели устойчивого развития № 11 «Устойчивые города и населённые пункты» приобретает особое значение.
Заключение
Полученные в ходе исследования данные свидетельствуют о том, что концентрации свинца и ряда других микроэлементов в почвах и растительности на территории города Каракол соответствуют фоновым значениям, характерным для природной среды. Однако в районах, расположенных вблизи перекрёстков центральных улиц с интенсивным движением транспорта, зафиксирован локальный рост концентрации свинца в почве. С увеличением числа автомобилей в регионе техногенная нагрузка на окружающую среду, очевидно, будет возрастать. Поэтому внедрение доступного, комфортного и экологически чистого общественного транспорта в Караколе необходимо для повышения качества жизни горожан и охраны окружающей среды. Рост численности населения и количества автомобилей провоцирует пробки, загрязнение воздуха и увеличение транспортных расходов. Использование электрического и альтернативного транспорта, оптимизация маршрутов и внедрение современных систем оплаты проезда позволят снизить нагрузку на дороги, сократить выбросы вредных веществ и сделать передвижение по городу более удобным и доступным. Это станет важным шагом на пути к устойчивому развитию города Каракол.