Помощь студентам в учебе
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ КАК ИНДИКАТОР ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТЕРРИТОРИИ Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА
|
Введение 3
1 Анализ современных методов и подходов оценки техногенного воздействия на
урбанизированной территории 10
2 Геоэкологическая характеристика территории исследований 36
3 Материалы и методы исследования 48
3.1 Исходный материал и методика пробоотбора 48
3.2 Пробоподготовка и методы лабораторных исследований 53
3.3 Методика обработки результатов аналитических исследований 59
4 Анализ состояния окружающей среды урбанизированной территории с применением
биогеохимических методов 63
4.1. Геохимические особенности территории г. Усть-Каменогорска на основании изучения элементного состава листьев тополя (Populus nigra L.) 63
4.2 Сравнительная геохимическая характеристика листьев тополей различных территорий ..87 5 Изучение пространственного распределения химических элементов с целью выявления проявленности промышленных предприятий в биогеохимических полях 93
5.1 Общие особенности пространственного распределения химических элементов 93
5.2 Проявленность предприятий Северной промышленной зоны г. Усть-Каменогорска в
биогеохимических полях 100 6 Степень воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и здоровье
человека 112
6.1 Выбросы промышленных предприятий как фактор косвенного воздействия при
выращивании сельскохозяйственной продукции 112
6.2 Степень воздействия деятельности промышленных предприятий на состояние
экосистемы и здоровье человека 118
Выводы 128
Список сокращений и некоторых определений 129
Список использованных источников 131
1 Анализ современных методов и подходов оценки техногенного воздействия на
урбанизированной территории 10
2 Геоэкологическая характеристика территории исследований 36
3 Материалы и методы исследования 48
3.1 Исходный материал и методика пробоотбора 48
3.2 Пробоподготовка и методы лабораторных исследований 53
3.3 Методика обработки результатов аналитических исследований 59
4 Анализ состояния окружающей среды урбанизированной территории с применением
биогеохимических методов 63
4.1. Геохимические особенности территории г. Усть-Каменогорска на основании изучения элементного состава листьев тополя (Populus nigra L.) 63
4.2 Сравнительная геохимическая характеристика листьев тополей различных территорий ..87 5 Изучение пространственного распределения химических элементов с целью выявления проявленности промышленных предприятий в биогеохимических полях 93
5.1 Общие особенности пространственного распределения химических элементов 93
5.2 Проявленность предприятий Северной промышленной зоны г. Усть-Каменогорска в
биогеохимических полях 100 6 Степень воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и здоровье
человека 112
6.1 Выбросы промышленных предприятий как фактор косвенного воздействия при
выращивании сельскохозяйственной продукции 112
6.2 Степень воздействия деятельности промышленных предприятий на состояние
экосистемы и здоровье человека 118
Выводы 128
Список сокращений и некоторых определений 129
Список использованных источников 131
Актуальность диссертационной работы
В условиях повсеместной урбанизации и развития промышленности изменяется состав всех геосферных оболочек Земли, что усиливает геоэкологические проблемы территорий и негативно влияет на состояние здоровья человека (Казначеев, 1983; Revich, 1992; Ревич, 1998, 2008; Гичев, 2002 и др.). Поэтому все большее внимание уделяется контролю состояния компонентов природных сред на территории городов (Сает, 1990; Алексеенко, 2000б; Язиков, Шатилов, 2004; Климова, 2005; Красовская, Галкин, 2006; Барановская, 2011; Рихванов и др., 2015 и др.).
На территории России, благодаря работам В.И. Вернадского и его последователей, получили широкое применение методы биогеохимического районирования с выделением территорий с избытком и недостатком химических элементов в окружающей среде, а также позволяющие в условиях усиления техногенеза охарактеризовать геоэкологические проблемы территории (Вернадский, 1939, 1940; Виноградов, 1952; Ковальский, 1974; Ковалевский, 1984; Геохимия..., 1990; Петрунина, 2000; Добровольский, 2003; Ермаков, 2013).
Листья деревьев в силу своих морфологических особенностей (наличие воска и трихом на поверхности, шероховатость поверхности, пассивная диффузия загрязнителей через устьица и др.) могут выступать в качестве своеобразного природного планшета, аккумулирующего загрязнение из сопряженных геосферных оболочек, и отражающего интенсивность техногенного воздействия на экосистемы (Everett et al., 1967; Goodman, Roberts, 1971; Kovacs et al., 1981; Markert, 1993; Djingova et al., 1995, 1999; Sawidis, 1995, 2011; Mulgrew, Williams, 2000; Черненькова, 2002; Celik et al., 2005; Кулагин, Шагиева, 2005; Леонова, 2010; Tomasevic, Anicic, 2010; Барановская, 2011; Воскресенский, 2011; Попова, 2015 и др.).
В западных странах получили распространение методы, позволяющие оценить степень воздействия факторов окружающей среды на геосферные оболочки и здоровье человека: оценка воздействия на окружающую среду, анализ материальных потоков, оценка экологического риска и др. (Antunes et al., 2001; Van der Werf, Payraudeau, 2005; Strandesen et al., 2007; Alfonso Pina, Pardo Martinez, 2014). К этой группе также относится метод оценки жизненного цикла (ОЖЦ), представляющий собой процесс оценки интегрированной нагрузки на окружающую среду и человека, связанной с промышленными системами и производством изделий и услуг в течение всего их жизненного цикла, начиная с добычи сырьевых материалов, процессов производства, до окончательного размещения в окружающей среде (Guinee et al., 2011). На сегодняшний день, ОЖЦ очень слабо учитывает информацию о региональном уровне загрязнения окружающей среды, что особенно важно при производстве продуктов питания.
Для комплексной оценки территории, в частности урбанизированной, с целью получения общей картины загрязнения, степени воздействия на окружающую среду и дальнейшего использования результатов в целях профилактики здоровья населения и поддержания удовлетворительного качества окружающей среды необходимо разработать и апробировать научный подход, позволяющий объединить методику геоэкологических исследований и оценку воздействия на окружающую среду (Markert, 1993).
Данная задача становится еще более актуальной на городских территориях с разноплановым и многокомпонентным техногенным воздействием. Усть-Каменогорск - один из значимо техногенно трансформированных городов Казахстана, представляющий собой уникальную урбанизированную систему, на территории которой сосредоточено большое количество разнопрофильных промышленных предприятий. Наиболее крупными среди них являются Ульбинский металлургический завод (УМЗ), выпускающий топливо для атомных электростанций, тантал и бериллий, свинцово-цинковый комбинат (СЦК) «Казцинк», титано- магниевый комбинат (ТМК) и др. На территориях со столь специфичным набором предприятий, являющихся источниками загрязняющих веществ, масштабных исследований ранее не проводилось.
поэтому реализация комплексных работ по оценке состояния урбоэкосистемы с применением эффективного индикатора, способного отразить техногенное поликомпонентное многофакторное воздействие, картирование распределения загрязняющих компонентов, а также последующее применение полученных результатов в оценке степени воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и прогнозировании негативных последствий данного загрязнения (токсичность для человека и экосистемы) является актуальным.
Целью работы является эколого-геохимический мониторинг и оценка состояния территории г. Усть-Каменогорска посредством изучения элементного состава листьев тополя черного (Populus nigra L.) и оценки степени воздействия промышленных предприятий города на окружающую среду с использованием методики, интегрирующей методологии оценки жизненного цикла и биогеохимических исследований.
Задачи:
• провести системное опробование листьев тополя черного (Populus nigra L.) на территории г. Усть-Каменогорска;
• выявить их геохимическую специфику относительно региональных показателей и сопоставления с литературными данными;
• изучить пространственное распределение приоритетных химических элементов на территории города, сделать выводы и установить возможные источники их поступления;
• изучить формы распределения делящихся элементов (U) в листьях тополя черного и установить особенности их изменения относительно источников техногенного воздействия;
• применить данные о выбросах промышленных предприятий, количественно оцененных через элементный состав листьев тополя на элементарных площадках, для усовершенствования методики оценки жизненного цикла продукции;
• оценить гипотетический вклад выбросов промышленных предприятий в степень воздействия на окружающую среду через модельные расчеты выращивания 1 кг пшеницы;
• рассчитать вклад химических элементов, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, в общую экотоксичность и токсичность для человека на территории г. Усть- Каменогорска.
Основные защищаемые положения
1. По комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорск. Приоритетными элементами, из числа 31 изученного, концентрирующимися в листьях тополя являются: Zn, As, Sb, Ag, Ta, U, Be, La.
2. Особенности пространственной локализации химических элементов, выявленные через изменения трендов их накопления и форм нахождения, позволяют утверждать, что основными источником поступления Zn, Ag, Au, Sb является свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»; а для Be, Ta, U - Ульбинский металлургический завод.
3. Интегрированный метод оценки жизненного цикла, учитывающий результаты эколого-геохимического исследования, объективнее отражает специфику воздействия промышленных предприятий на окружающую среду. Наиболее высокий уровень общей токсичности отмечается на территории воздействия Северной промышленной зоны г. Усть- Каменогорска, а наибольший вклад в индекс токсичности (95%) вносят выбросы цинка.
Фактический материал и методы исследования
Основой диссертационной работы стали результаты исследования листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории г. Усть-Каменогорска (см. рис. 7). Пробоотбор, пробоподготовка и обработка результатов проводились лично автором. Количество изученных проб: 101 проба золы и 94 пробы сухого материала листьев. Также были отобраны и проанализированы 6 проб пылеаэрозолей из природного снегового покрова. Кроме того, автором проанализированы имеющиеся данные о содержании химических элементов в 101 пробе почвы и в 204 пробах листьев тополя городов России и Казахстана.
Количественное определение содержания химических элементов было выполнено комплексом современных методов анализа: инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), дуговой атомно-эмиссионный анализ по способу испарения из канала электрода (АЭА). Формы нахождения урана определялись при помощи f-радиографии. Электронная микроскопия позволила изучить элементный состав микровключений пылеаэрозолей.
Все аналитические исследования проведены в аккредитованных и аттестованных лабораториях с применением стандартных образцов сравнения. Внутренний контроль качества измерений показал удовлетворительную сходимость результатов.
Достоверность защищаемых положений обеспечена применением отработанной методики отбора статистически значимого количества проб материала, зарекомендовавшего себя как чувствительный биомонитор, изучением содержания 31 химического элемента и форм нахождения некоторых из них с применением пяти современных высококачественных аналитических методов, использованием современного программного обеспечения, а также глубиной проработки полученного материала и литературы по теме исследований.
Статистическая обработка данных проводилась при уровне надежности 95 %. Для проверки гипотезы о нормальном распределении элементов в выборке применялись критерии Пирсона и Колмогорова-Смирнова. Для сравнения значимости различий между двумя выборками использовались критерий Стьюдента или U-критерий Манна-Уитни, различия принимались значимыми при p-уровне от 0,001 до 0,01.
Научная новизна
Установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорска, по комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах;
определены закономерности пространственного распределения химических элементов и тенденции изменения их концентраций относительно вероятных источников поступления на территории города;
выявлены закономерности изменения формы нахождения урана от рассеянной к форме собственных микроминералов по мере приближения к источнику поступления;
разработан новый подход, позволяющий рассчитать уровни условного токсического воздействия промышленных предприятий на человека и экосистемы с использованием методик оценки жизненного цикла и биогеохимических исследований;
выявлены элементы, вносящие наибольший вклад в суммарный показатель токсической нагрузки на территории г. Усть-Каменогорска.
Практическая значимость
Составлены и представлены для широкого обсуждения комплекты геохимических карт на территории г. Усть-Каменогорска по результатам изучения элементного состава листьев тополя черного.
Выполнено районирование территории с выделением наиболее напряженных по экологической опасности участков и подтверждено с использованием методики оценки жизненного цикла.
Материалы диссертационной работы используются при подготовке лекций, методических указаний к выполнению лабораторных работ для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» кафедры геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов Томского политехнического университета в курсах «Экология», «Г еохимия живого вещества», «Медицинская геология», а также для лекционных занятий по курсу «Оценка жизненного цикла» в Технологическом университете Труа (Франция).
Результаты проведения исследований на территории г. Усть-Каменогорска могут быть использованы Министерством охраны окружающей среды Республики Казахстан, Департаментом экологии по Восточно-Казахстанской области Комитета экологического регулирования и контроля Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан, экологическими департаментами РГП Казгидромет-Усть-Каменогорск. Методика учета региональных геохимических данных в оценке жизненного цикла, предложенная впервые, может заинтересовать как российских, так и зарубежных исследователей.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы, полученные автором, докладывались на 13 Международных и Всероссийском симпозиумах, конференциях, школах-семинарах: XV, XVI, XVII, XVII Международных симпозиумах им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2011-2014), Международной научно-практической конференции «Сатпаевские чтения. Геология в XXI веке» (г. Алматы, Казахстан, 2011), XVI, XVII Международных экологических студенческих конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2011, 2012), XV Международной научной школе-конференции «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2011), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (г. Семипалатинск, Казахстан, 2013), Международном молодежном школе-семинаре «Геохимия живого вещества» (г. Томск, 2013), конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2013), Международной конференции «European Geosciences Union» (г. Вена, Австрия, 2013), Международной конференции «SETAC» (г. Базель, Швейцария, 2014).
Публикации
Опубликовано 23 работы, из них 22 по материалам диссертации, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 за рубежом, из которых 1 в журнале, индексируемом в базе данных Scopus (ИФ=1,879) и 2 статьи, опубликованные на английском языке в материалах конференций.
Структура и объем работы
Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и список литературы, изложенные на 172 страницах печатного текста, содержащих 57 рисунков и 21 таблицу. Список литературы насчитывает 478 источников, из них 256 - на иностранном языке.
Личный вклад диссертанта в получении результатов, представленных в диссертации, заключается в непосредственном участии в отборе и подготовке к анализу проб листьев тополя черного, в статистической обработке данных, составлении комплекта геохимических карт на территории г. Усть-Каменогорска по результатам изучения элементного состава листьев тополя черного. Автором проводился расчет вклада выбросов промышленных предприятий в степень воздействия производства сельскохозяйственной продукции на окружающую среду, расчет общего уровня токсичности и построении карт токсичности (для человека и экосистемы). Анализ и обобщение результатов, проводились под контролем руководителя и консультанта.
Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна количеству соавторов.
Благодарности
Автор глубоко и искренне благодарен научному руководителю доценту, доктору биологических наук Наталье Владимировне Барановской и научному консультанту PhD Джун Беум Киму, а также профессору доктору геолого-минералогических наук Леониду Петровичу Рихванову за совместное обсуждение и обобщение материалов, ценные советы, всестороннюю поддержку и помощь на всех этапах выполнения работы.
Автор признателен исполнителям аналитических исследований: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, С.С. Ильенок (Томск, Россия), И.Е. Васильевой (Иркутск, Россия) и Ф. Клемену (Труа, Франция). Благодарность выражает студентам и магистрантам кафедры геоэкологии и геохимии (ГЭГХ) (Литусовой Е., Соктоеву Б.Р., Абикеевой Ж.Е., Алдонгаровой Ж.М., Шоншабаевой З.Т., Намчаку Е.), осуществлявшим отбор проб листьев тополя черного на различных территориях (данные, используемые для сопоставления), а также Петровой Л., отобравшей и проанализировавшей почвы на территории г. Усть-Каменогорска.
За помощь и поддержку, ценные советы и рекомендации автор приносит благодарность сотрудникам кафедры ГЭГХ: д.г.-м.н. Е.Г. Язикову, С.И. Арбузову, к.х.н. Н.А. Осиповой, к.г.н. Н.П. Соболевой, к.г.-м.н. И.С. Соболеву, С.В. Азаровой, Т.А. Архангельской, Л.В. Жорняк, А.М. Межибор, А.В. Таловской, Т.В. Усмановой, Д.В. Наркович, Д.В. Юсупову, зав. лабораторией Г.А. Бабченко, аспирантам Е.А. Филимоненко, Б.Р. Соктоеву, Т.А. Перминовой. Автор благодарит за ценные советы по оценке жизненного цикла Б. Ларата (Ph.D., ТУТ), за помощь и поддержку сотрудников исследовательского центра по изучению окружающей среды и устойчивому развитию Технологического университета Труа (ТУТ), Франция: профессора Н. Трусие, к.г.н. Н. Сирину, Ph.D. Б. Гийома, инженеров Ж. Гобер, Ф. Братек, М. Ови и аспирантов Р. Аллэ, О. Брюэля, К. Вадуди, Я. Джин, Ж. Жубера и М. Жамбу.
Работа в Технологическом университете Труа выполнена за счет средств грантов для научной мобильности ТПУ «Плюс» и гранта для мобильности президента РФ.
В условиях повсеместной урбанизации и развития промышленности изменяется состав всех геосферных оболочек Земли, что усиливает геоэкологические проблемы территорий и негативно влияет на состояние здоровья человека (Казначеев, 1983; Revich, 1992; Ревич, 1998, 2008; Гичев, 2002 и др.). Поэтому все большее внимание уделяется контролю состояния компонентов природных сред на территории городов (Сает, 1990; Алексеенко, 2000б; Язиков, Шатилов, 2004; Климова, 2005; Красовская, Галкин, 2006; Барановская, 2011; Рихванов и др., 2015 и др.).
На территории России, благодаря работам В.И. Вернадского и его последователей, получили широкое применение методы биогеохимического районирования с выделением территорий с избытком и недостатком химических элементов в окружающей среде, а также позволяющие в условиях усиления техногенеза охарактеризовать геоэкологические проблемы территории (Вернадский, 1939, 1940; Виноградов, 1952; Ковальский, 1974; Ковалевский, 1984; Геохимия..., 1990; Петрунина, 2000; Добровольский, 2003; Ермаков, 2013).
Листья деревьев в силу своих морфологических особенностей (наличие воска и трихом на поверхности, шероховатость поверхности, пассивная диффузия загрязнителей через устьица и др.) могут выступать в качестве своеобразного природного планшета, аккумулирующего загрязнение из сопряженных геосферных оболочек, и отражающего интенсивность техногенного воздействия на экосистемы (Everett et al., 1967; Goodman, Roberts, 1971; Kovacs et al., 1981; Markert, 1993; Djingova et al., 1995, 1999; Sawidis, 1995, 2011; Mulgrew, Williams, 2000; Черненькова, 2002; Celik et al., 2005; Кулагин, Шагиева, 2005; Леонова, 2010; Tomasevic, Anicic, 2010; Барановская, 2011; Воскресенский, 2011; Попова, 2015 и др.).
В западных странах получили распространение методы, позволяющие оценить степень воздействия факторов окружающей среды на геосферные оболочки и здоровье человека: оценка воздействия на окружающую среду, анализ материальных потоков, оценка экологического риска и др. (Antunes et al., 2001; Van der Werf, Payraudeau, 2005; Strandesen et al., 2007; Alfonso Pina, Pardo Martinez, 2014). К этой группе также относится метод оценки жизненного цикла (ОЖЦ), представляющий собой процесс оценки интегрированной нагрузки на окружающую среду и человека, связанной с промышленными системами и производством изделий и услуг в течение всего их жизненного цикла, начиная с добычи сырьевых материалов, процессов производства, до окончательного размещения в окружающей среде (Guinee et al., 2011). На сегодняшний день, ОЖЦ очень слабо учитывает информацию о региональном уровне загрязнения окружающей среды, что особенно важно при производстве продуктов питания.
Для комплексной оценки территории, в частности урбанизированной, с целью получения общей картины загрязнения, степени воздействия на окружающую среду и дальнейшего использования результатов в целях профилактики здоровья населения и поддержания удовлетворительного качества окружающей среды необходимо разработать и апробировать научный подход, позволяющий объединить методику геоэкологических исследований и оценку воздействия на окружающую среду (Markert, 1993).
Данная задача становится еще более актуальной на городских территориях с разноплановым и многокомпонентным техногенным воздействием. Усть-Каменогорск - один из значимо техногенно трансформированных городов Казахстана, представляющий собой уникальную урбанизированную систему, на территории которой сосредоточено большое количество разнопрофильных промышленных предприятий. Наиболее крупными среди них являются Ульбинский металлургический завод (УМЗ), выпускающий топливо для атомных электростанций, тантал и бериллий, свинцово-цинковый комбинат (СЦК) «Казцинк», титано- магниевый комбинат (ТМК) и др. На территориях со столь специфичным набором предприятий, являющихся источниками загрязняющих веществ, масштабных исследований ранее не проводилось.
поэтому реализация комплексных работ по оценке состояния урбоэкосистемы с применением эффективного индикатора, способного отразить техногенное поликомпонентное многофакторное воздействие, картирование распределения загрязняющих компонентов, а также последующее применение полученных результатов в оценке степени воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и прогнозировании негативных последствий данного загрязнения (токсичность для человека и экосистемы) является актуальным.
Целью работы является эколого-геохимический мониторинг и оценка состояния территории г. Усть-Каменогорска посредством изучения элементного состава листьев тополя черного (Populus nigra L.) и оценки степени воздействия промышленных предприятий города на окружающую среду с использованием методики, интегрирующей методологии оценки жизненного цикла и биогеохимических исследований.
Задачи:
• провести системное опробование листьев тополя черного (Populus nigra L.) на территории г. Усть-Каменогорска;
• выявить их геохимическую специфику относительно региональных показателей и сопоставления с литературными данными;
• изучить пространственное распределение приоритетных химических элементов на территории города, сделать выводы и установить возможные источники их поступления;
• изучить формы распределения делящихся элементов (U) в листьях тополя черного и установить особенности их изменения относительно источников техногенного воздействия;
• применить данные о выбросах промышленных предприятий, количественно оцененных через элементный состав листьев тополя на элементарных площадках, для усовершенствования методики оценки жизненного цикла продукции;
• оценить гипотетический вклад выбросов промышленных предприятий в степень воздействия на окружающую среду через модельные расчеты выращивания 1 кг пшеницы;
• рассчитать вклад химических элементов, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, в общую экотоксичность и токсичность для человека на территории г. Усть- Каменогорска.
Основные защищаемые положения
1. По комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорск. Приоритетными элементами, из числа 31 изученного, концентрирующимися в листьях тополя являются: Zn, As, Sb, Ag, Ta, U, Be, La.
2. Особенности пространственной локализации химических элементов, выявленные через изменения трендов их накопления и форм нахождения, позволяют утверждать, что основными источником поступления Zn, Ag, Au, Sb является свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»; а для Be, Ta, U - Ульбинский металлургический завод.
3. Интегрированный метод оценки жизненного цикла, учитывающий результаты эколого-геохимического исследования, объективнее отражает специфику воздействия промышленных предприятий на окружающую среду. Наиболее высокий уровень общей токсичности отмечается на территории воздействия Северной промышленной зоны г. Усть- Каменогорска, а наибольший вклад в индекс токсичности (95%) вносят выбросы цинка.
Фактический материал и методы исследования
Основой диссертационной работы стали результаты исследования листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории г. Усть-Каменогорска (см. рис. 7). Пробоотбор, пробоподготовка и обработка результатов проводились лично автором. Количество изученных проб: 101 проба золы и 94 пробы сухого материала листьев. Также были отобраны и проанализированы 6 проб пылеаэрозолей из природного снегового покрова. Кроме того, автором проанализированы имеющиеся данные о содержании химических элементов в 101 пробе почвы и в 204 пробах листьев тополя городов России и Казахстана.
Количественное определение содержания химических элементов было выполнено комплексом современных методов анализа: инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА), атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), дуговой атомно-эмиссионный анализ по способу испарения из канала электрода (АЭА). Формы нахождения урана определялись при помощи f-радиографии. Электронная микроскопия позволила изучить элементный состав микровключений пылеаэрозолей.
Все аналитические исследования проведены в аккредитованных и аттестованных лабораториях с применением стандартных образцов сравнения. Внутренний контроль качества измерений показал удовлетворительную сходимость результатов.
Достоверность защищаемых положений обеспечена применением отработанной методики отбора статистически значимого количества проб материала, зарекомендовавшего себя как чувствительный биомонитор, изучением содержания 31 химического элемента и форм нахождения некоторых из них с применением пяти современных высококачественных аналитических методов, использованием современного программного обеспечения, а также глубиной проработки полученного материала и литературы по теме исследований.
Статистическая обработка данных проводилась при уровне надежности 95 %. Для проверки гипотезы о нормальном распределении элементов в выборке применялись критерии Пирсона и Колмогорова-Смирнова. Для сравнения значимости различий между двумя выборками использовались критерий Стьюдента или U-критерий Манна-Уитни, различия принимались значимыми при p-уровне от 0,001 до 0,01.
Научная новизна
Установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорска, по комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах;
определены закономерности пространственного распределения химических элементов и тенденции изменения их концентраций относительно вероятных источников поступления на территории города;
выявлены закономерности изменения формы нахождения урана от рассеянной к форме собственных микроминералов по мере приближения к источнику поступления;
разработан новый подход, позволяющий рассчитать уровни условного токсического воздействия промышленных предприятий на человека и экосистемы с использованием методик оценки жизненного цикла и биогеохимических исследований;
выявлены элементы, вносящие наибольший вклад в суммарный показатель токсической нагрузки на территории г. Усть-Каменогорска.
Практическая значимость
Составлены и представлены для широкого обсуждения комплекты геохимических карт на территории г. Усть-Каменогорска по результатам изучения элементного состава листьев тополя черного.
Выполнено районирование территории с выделением наиболее напряженных по экологической опасности участков и подтверждено с использованием методики оценки жизненного цикла.
Материалы диссертационной работы используются при подготовке лекций, методических указаний к выполнению лабораторных работ для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» кафедры геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов Томского политехнического университета в курсах «Экология», «Г еохимия живого вещества», «Медицинская геология», а также для лекционных занятий по курсу «Оценка жизненного цикла» в Технологическом университете Труа (Франция).
Результаты проведения исследований на территории г. Усть-Каменогорска могут быть использованы Министерством охраны окружающей среды Республики Казахстан, Департаментом экологии по Восточно-Казахстанской области Комитета экологического регулирования и контроля Министерства охраны окружающей среды Республики Казахстан, экологическими департаментами РГП Казгидромет-Усть-Каменогорск. Методика учета региональных геохимических данных в оценке жизненного цикла, предложенная впервые, может заинтересовать как российских, так и зарубежных исследователей.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы, полученные автором, докладывались на 13 Международных и Всероссийском симпозиумах, конференциях, школах-семинарах: XV, XVI, XVII, XVII Международных симпозиумах им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2011-2014), Международной научно-практической конференции «Сатпаевские чтения. Геология в XXI веке» (г. Алматы, Казахстан, 2011), XVI, XVII Международных экологических студенческих конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2011, 2012), XV Международной научной школе-конференции «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2011), VII Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (г. Семипалатинск, Казахстан, 2013), Международном молодежном школе-семинаре «Геохимия живого вещества» (г. Томск, 2013), конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2013), Международной конференции «European Geosciences Union» (г. Вена, Австрия, 2013), Международной конференции «SETAC» (г. Базель, Швейцария, 2014).
Публикации
Опубликовано 23 работы, из них 22 по материалам диссертации, в том числе 2 в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 за рубежом, из которых 1 в журнале, индексируемом в базе данных Scopus (ИФ=1,879) и 2 статьи, опубликованные на английском языке в материалах конференций.
Структура и объем работы
Диссертация включает введение, шесть глав, заключение и список литературы, изложенные на 172 страницах печатного текста, содержащих 57 рисунков и 21 таблицу. Список литературы насчитывает 478 источников, из них 256 - на иностранном языке.
Личный вклад диссертанта в получении результатов, представленных в диссертации, заключается в непосредственном участии в отборе и подготовке к анализу проб листьев тополя черного, в статистической обработке данных, составлении комплекта геохимических карт на территории г. Усть-Каменогорска по результатам изучения элементного состава листьев тополя черного. Автором проводился расчет вклада выбросов промышленных предприятий в степень воздействия производства сельскохозяйственной продукции на окружающую среду, расчет общего уровня токсичности и построении карт токсичности (для человека и экосистемы). Анализ и обобщение результатов, проводились под контролем руководителя и консультанта.
Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна количеству соавторов.
Благодарности
Автор глубоко и искренне благодарен научному руководителю доценту, доктору биологических наук Наталье Владимировне Барановской и научному консультанту PhD Джун Беум Киму, а также профессору доктору геолого-минералогических наук Леониду Петровичу Рихванову за совместное обсуждение и обобщение материалов, ценные советы, всестороннюю поддержку и помощь на всех этапах выполнения работы.
Автор признателен исполнителям аналитических исследований: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, С.С. Ильенок (Томск, Россия), И.Е. Васильевой (Иркутск, Россия) и Ф. Клемену (Труа, Франция). Благодарность выражает студентам и магистрантам кафедры геоэкологии и геохимии (ГЭГХ) (Литусовой Е., Соктоеву Б.Р., Абикеевой Ж.Е., Алдонгаровой Ж.М., Шоншабаевой З.Т., Намчаку Е.), осуществлявшим отбор проб листьев тополя черного на различных территориях (данные, используемые для сопоставления), а также Петровой Л., отобравшей и проанализировавшей почвы на территории г. Усть-Каменогорска.
За помощь и поддержку, ценные советы и рекомендации автор приносит благодарность сотрудникам кафедры ГЭГХ: д.г.-м.н. Е.Г. Язикову, С.И. Арбузову, к.х.н. Н.А. Осиповой, к.г.н. Н.П. Соболевой, к.г.-м.н. И.С. Соболеву, С.В. Азаровой, Т.А. Архангельской, Л.В. Жорняк, А.М. Межибор, А.В. Таловской, Т.В. Усмановой, Д.В. Наркович, Д.В. Юсупову, зав. лабораторией Г.А. Бабченко, аспирантам Е.А. Филимоненко, Б.Р. Соктоеву, Т.А. Перминовой. Автор благодарит за ценные советы по оценке жизненного цикла Б. Ларата (Ph.D., ТУТ), за помощь и поддержку сотрудников исследовательского центра по изучению окружающей среды и устойчивому развитию Технологического университета Труа (ТУТ), Франция: профессора Н. Трусие, к.г.н. Н. Сирину, Ph.D. Б. Гийома, инженеров Ж. Гобер, Ф. Братек, М. Ови и аспирантов Р. Аллэ, О. Брюэля, К. Вадуди, Я. Джин, Ж. Жубера и М. Жамбу.
Работа в Технологическом университете Труа выполнена за счет средств грантов для научной мобильности ТПУ «Плюс» и гранта для мобильности президента РФ.
1. На территории г. Усть-Каменогорска было проведено системное опробование листьев тополя черного (Populus nigra L.).
2. По комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах была установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорск. Приоритетными элементами, из числа 31 изученного, концентрирующимися в листьях тополя являются: Zn, As, Sb, Ag, Ta, U, Be, La.
3. Изучение изменения трендов накопления и пространственного распределения приоритетных химических элементов позволило установить, что основным источником поступления Zn, Ag, Au, Sb является свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»; а для Be, Ta, U- Ульбинский металлургический завод.
4. Выявлены закономерности изменения формы нахождения урана от рассеянной к форме собственных микроминералов по мере приближения к источнику поступления (Ульбинскому металлургическому заводу).
5. Разработан интегрированный метод оценки жизненного цикла, учитывающий результаты эколого-геохимического исследования, который объективнее отражает специфику воздействия промышленных предприятий на окружающую среду.
6. Наиболее высокий уровень общей токсичности (для человека и экосистемы) отмечается в Ульбинском районе на территории воздействия Северной промышленной зоны г. Усть-Каменогорска.
7. Наибольший вклад в индекс токсичности (95%) вносят выбросы цинка.
8. Максимальный уровень токсичности, полученный для Ульбинского района, находит отражение в высоком уровне заболеваемости детского населения болезнями органов дыхания и высокой частоте хромосомных аберраций в этом районе.
Таким образом, объединение методик биогеохимии и оценки жизненного цикла может усовершенствовать и дополнить обе методики и использоваться как на территории России, так и за рубежом для проведения комплексного изучения окружающей среды, включающего как оценку состояния территории, так и оценку воздействия на нее деятельности промышленных предприятий, с выходом на составление прогноза влияния на здоровье человека и благополучие экосистемы в целом. Предложенная методика имеет, как и любая другая, свои преимущества и недостатки и требует дальнейшей доработки.
Список сокращений и некоторых определений
1,4-ДХБ - дихлорбензол (органическое соединение с формулой C6H4Cl2);
ААС - атомно-абсорбционная спектрометрия;
АЭА - дуговой атомно-эмиссионный анализ по способу испарения из канала электрода;
АЭС - атомная электростанция;
ВАК - высшая аттестационная комиссия;
ВКО - Восточно-Казахстанская область;
ГОСТ Р ИСО - государственный стандарт России в соответствии с Международной организацией по сертификации;
ГЭГХ - кафедра геоэкологии и геохимии;
ГЭС - гидроэлектростанция;
ЖЦ - жизненный цикл (последовательные и взаимросвязанные стадии цикла продукции от добычи сырьевых материалов до окончательного размещния в окружающей среде);
ИАЖЦ - Инвентаризационный анализ жизненного цикла (стадия методики оценки жизненного цикла, которая вколючает сбор информации и ее обработку по входным и выходным потокам для производимой продукции на всем протяжении ее ЖЦ);
ИНАА - инструментальный нейтронно-активационный анализ;
КБН - коэффициент биологического накопления;
КШТ - комбинат шелковых тканей;
МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии;
ОВЖЦ - оценка воздействия жизненного цикла (стадия методики оценки жизненного цикла, целью которой является установление величины и значимости воздействия на окружающую среду при производстве продукции на всем протяжении ее ЖЦ);
ОЖЦ - оценка жизненного цикла (процесс оценки интегрированной нагрузки на окружающую среду и человека, связанной с промышленными системами и производством изделий и услуг в течение всего их жизненного цикла, начиная с добычи сырьевых материалов, процессов производства, до окончательного размещения в окружающей среде);
ОС - окружающая среда;
ПДК - предельно допустимая концентрация;
РАЕН - Российская академия естественных наук;
РГП - Республиканское государственное предприятие;
Свалка ТБО - свалка твердых бытовых отходов;
СПЗ - Северная промышленная зона;
СЦК - свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»;
УК ТМК - Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат;
УК ТЭЦ - Усть-Каменогорская теплоэлектроценраль;
УККЗ - Усть-Каменогорский конденсаторный завод;
УМЗ - Ульбинский металлургический завод;
UNEP-SETAC - совместная рабочая группа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) и Общества экологической токсикологии
2. По комплексу биогеохимических показателей и их сравнению с таковыми в других регионах была установлена геохимическая специфика листьев тополя черного (Populus nigra L.), произрастающего на территории города Усть-Каменогорск. Приоритетными элементами, из числа 31 изученного, концентрирующимися в листьях тополя являются: Zn, As, Sb, Ag, Ta, U, Be, La.
3. Изучение изменения трендов накопления и пространственного распределения приоритетных химических элементов позволило установить, что основным источником поступления Zn, Ag, Au, Sb является свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»; а для Be, Ta, U- Ульбинский металлургический завод.
4. Выявлены закономерности изменения формы нахождения урана от рассеянной к форме собственных микроминералов по мере приближения к источнику поступления (Ульбинскому металлургическому заводу).
5. Разработан интегрированный метод оценки жизненного цикла, учитывающий результаты эколого-геохимического исследования, который объективнее отражает специфику воздействия промышленных предприятий на окружающую среду.
6. Наиболее высокий уровень общей токсичности (для человека и экосистемы) отмечается в Ульбинском районе на территории воздействия Северной промышленной зоны г. Усть-Каменогорска.
7. Наибольший вклад в индекс токсичности (95%) вносят выбросы цинка.
8. Максимальный уровень токсичности, полученный для Ульбинского района, находит отражение в высоком уровне заболеваемости детского населения болезнями органов дыхания и высокой частоте хромосомных аберраций в этом районе.
Таким образом, объединение методик биогеохимии и оценки жизненного цикла может усовершенствовать и дополнить обе методики и использоваться как на территории России, так и за рубежом для проведения комплексного изучения окружающей среды, включающего как оценку состояния территории, так и оценку воздействия на нее деятельности промышленных предприятий, с выходом на составление прогноза влияния на здоровье человека и благополучие экосистемы в целом. Предложенная методика имеет, как и любая другая, свои преимущества и недостатки и требует дальнейшей доработки.
Список сокращений и некоторых определений
1,4-ДХБ - дихлорбензол (органическое соединение с формулой C6H4Cl2);
ААС - атомно-абсорбционная спектрометрия;
АЭА - дуговой атомно-эмиссионный анализ по способу испарения из канала электрода;
АЭС - атомная электростанция;
ВАК - высшая аттестационная комиссия;
ВКО - Восточно-Казахстанская область;
ГОСТ Р ИСО - государственный стандарт России в соответствии с Международной организацией по сертификации;
ГЭГХ - кафедра геоэкологии и геохимии;
ГЭС - гидроэлектростанция;
ЖЦ - жизненный цикл (последовательные и взаимросвязанные стадии цикла продукции от добычи сырьевых материалов до окончательного размещния в окружающей среде);
ИАЖЦ - Инвентаризационный анализ жизненного цикла (стадия методики оценки жизненного цикла, которая вколючает сбор информации и ее обработку по входным и выходным потокам для производимой продукции на всем протяжении ее ЖЦ);
ИНАА - инструментальный нейтронно-активационный анализ;
КБН - коэффициент биологического накопления;
КШТ - комбинат шелковых тканей;
МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии;
ОВЖЦ - оценка воздействия жизненного цикла (стадия методики оценки жизненного цикла, целью которой является установление величины и значимости воздействия на окружающую среду при производстве продукции на всем протяжении ее ЖЦ);
ОЖЦ - оценка жизненного цикла (процесс оценки интегрированной нагрузки на окружающую среду и человека, связанной с промышленными системами и производством изделий и услуг в течение всего их жизненного цикла, начиная с добычи сырьевых материалов, процессов производства, до окончательного размещения в окружающей среде);
ОС - окружающая среда;
ПДК - предельно допустимая концентрация;
РАЕН - Российская академия естественных наук;
РГП - Республиканское государственное предприятие;
Свалка ТБО - свалка твердых бытовых отходов;
СПЗ - Северная промышленная зона;
СЦК - свинцово-цинковый комбинат «Казцинк»;
УК ТМК - Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат;
УК ТЭЦ - Усть-Каменогорская теплоэлектроценраль;
УККЗ - Усть-Каменогорский конденсаторный завод;
УМЗ - Ульбинский металлургический завод;
UNEP-SETAC - совместная рабочая группа Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) и Общества экологической токсикологии
Подобные работы
- Оценка радиоэкологической ситуации на территории Карагандинской области в зоне влияния Семипалатинского испытательного ядерного полигона
Магистерская диссертация, химия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - Элементный состав листьев березы как индикатор состояния окружающей среды
территории Комсомольского хвостохранилища (Кемеровская область)
Магистерская диссертация, химия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - Накопление и распределение ртути в почвах г. Степногорска (Республика Казахстан)
Магистерская диссертация, химия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016 - ЛИСТЬЯ ТОПОЛЯ КАК ИНДИКАТОР КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ Г. НОВОСИБИРСКА)
Бакалаврская работа, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4500 р. Год сдачи: 2017 - Биогеохимические исследования урбанизированных ландшафтов восточной
Финляндии
Дипломные работы, ВКР, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016