Помощь студентам в учебе
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В РАЙОНАХ НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ СНЕГОВОГО ПОКРОВА И ЛИШАЙНИКОВ-ЭПИФИТОВ
|
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ О ПРИМЕНЕНИИ СНЕГОВОГО ПОКРОВА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 14
1.1 Место изучения снегового покрова и лишайников в системе
экологического мониторинга и природоохранных мероприятий 14
1.2 Поступление химических элементов в атмосферу 15
1.3 Выпадения аэрозолей 17
1.4 Анализ мирового научного опыта по осуществлению снеговой съёмки для
оценки загрязнения атмосферного воздуха 19
1.4.1. Изучение твёрдых аэрозольных частиц 21
1.4.2. Изучение состава снеготалой воды 23
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭПИФИТНЫХ ЛИШАЙНИКОВ В КАЧЕСТВЕ
БИОМОНИТОРОВ И БИОИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 25
2.1 Краткая характеристика лишайников 29
2.2. Обзор мирового опыта применения лишайников для оценки поступления
загрязняющих веществ в атмосферный воздух 32
2.3 Использование лихенофлоры в качестве объекта биомониторинга на
территории Урало-Сибирского региона и Томской области 37
ГЛАВА 3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ ТЕРРИТОРИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ
НГДК ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 39
3.1 Краткая характеристика климата северной и северо-западной части
Томской области 39
3.2. Типы почв и ландшафтов района исследований 41
3.3 Техногенная нагрузка 42
ГЛАВА 4. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 48
4.1 Выполнение пробоотбора 48
4.1.1 Выбор участков отбора проб снега 48
4.1.2 Участки отбора проб лишайников районов НГДК Томской области 52
4.1.3 Участки отбора проб лишайников района Томск-Северской
промышленной агломерации 53
4.1.4 Выбор фоновых участков произрастания лишайников 53
4.1.5 Методика пробоотбора снега и подготовка к анализу 55
4.1.6 Методика пробоотбора лишайников и пробоподготовка 56
4.2 Аналитическое обеспечение исследуемых сред 61
4.2.1 Метод индуктивно - связанной плазмы с масс-спектраметрическим
окончанием (ИСП-МС) 63
4.2.2 Аналитические исследования проб лишайников методом индуктивно -
связанной плазмы с масс-спектраметрическим окончанием (ИСП-МС) 64
4.2.3 Инструментальный нейтронно-активационный анализ для установления
уровней накопления химических элементов в лишайниках 64
4.3 Методика обработки информации 66
ГЛАВА 5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СНЕГОТАЛОЙ ВОДЫ ИЗ РАЙОНОВ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ68
5.1. Анализ ионного состава и органических веществ 72
5.2. Содержание химических элементов в талой воде снега районов НГДК
Томской области 83
5.2.1 Сопоставление данных с литературными источниками 83
5.2.2 Сопоставление данных опробования снегового покрова НГДК с
фоновыми районами Западной Сибири и Томской области 94
6.1 К вопросу о выборе фоновых концентраций химических элементов в
лишайниках-эпифитах 100
6.2 Характерные черты биогеохимии лишайников Томской области 119
7.1 Определение специфичных элементов-загрязнителей территории влияния
НГДК Томской области в сравнении с литературными данными 130
7.2 Содержания химических элементов в эпифитных лишайниках,
отобранных в фоновых пунктах и в точках влияния источников загрязнения на месторождениях 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 155
1.1 Место изучения снегового покрова и лишайников в системе
экологического мониторинга и природоохранных мероприятий 14
1.2 Поступление химических элементов в атмосферу 15
1.3 Выпадения аэрозолей 17
1.4 Анализ мирового научного опыта по осуществлению снеговой съёмки для
оценки загрязнения атмосферного воздуха 19
1.4.1. Изучение твёрдых аэрозольных частиц 21
1.4.2. Изучение состава снеготалой воды 23
ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭПИФИТНЫХ ЛИШАЙНИКОВ В КАЧЕСТВЕ
БИОМОНИТОРОВ И БИОИНДИКАТОРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ 25
2.1 Краткая характеристика лишайников 29
2.2. Обзор мирового опыта применения лишайников для оценки поступления
загрязняющих веществ в атмосферный воздух 32
2.3 Использование лихенофлоры в качестве объекта биомониторинга на
территории Урало-Сибирского региона и Томской области 37
ГЛАВА 3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ ТЕРРИТОРИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ
НГДК ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 39
3.1 Краткая характеристика климата северной и северо-западной части
Томской области 39
3.2. Типы почв и ландшафтов района исследований 41
3.3 Техногенная нагрузка 42
ГЛАВА 4. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 48
4.1 Выполнение пробоотбора 48
4.1.1 Выбор участков отбора проб снега 48
4.1.2 Участки отбора проб лишайников районов НГДК Томской области 52
4.1.3 Участки отбора проб лишайников района Томск-Северской
промышленной агломерации 53
4.1.4 Выбор фоновых участков произрастания лишайников 53
4.1.5 Методика пробоотбора снега и подготовка к анализу 55
4.1.6 Методика пробоотбора лишайников и пробоподготовка 56
4.2 Аналитическое обеспечение исследуемых сред 61
4.2.1 Метод индуктивно - связанной плазмы с масс-спектраметрическим
окончанием (ИСП-МС) 63
4.2.2 Аналитические исследования проб лишайников методом индуктивно -
связанной плазмы с масс-спектраметрическим окончанием (ИСП-МС) 64
4.2.3 Инструментальный нейтронно-активационный анализ для установления
уровней накопления химических элементов в лишайниках 64
4.3 Методика обработки информации 66
ГЛАВА 5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СНЕГОТАЛОЙ ВОДЫ ИЗ РАЙОНОВ НЕФТЕДОБЫВАЮЩЕГО КОМПЛЕКСА ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ68
5.1. Анализ ионного состава и органических веществ 72
5.2. Содержание химических элементов в талой воде снега районов НГДК
Томской области 83
5.2.1 Сопоставление данных с литературными источниками 83
5.2.2 Сопоставление данных опробования снегового покрова НГДК с
фоновыми районами Западной Сибири и Томской области 94
6.1 К вопросу о выборе фоновых концентраций химических элементов в
лишайниках-эпифитах 100
6.2 Характерные черты биогеохимии лишайников Томской области 119
7.1 Определение специфичных элементов-загрязнителей территории влияния
НГДК Томской области в сравнении с литературными данными 130
7.2 Содержания химических элементов в эпифитных лишайниках,
отобранных в фоновых пунктах и в точках влияния источников загрязнения на месторождениях 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 152
ЛИТЕРАТУРА 155
Актуальность
Практически любая территория при современном уровне развития промышленности и сельского хозяйства, подвержена в большей или меньшей степени антропогенной нагрузке. Томская область характеризуется наличием таких специфичных производств как ядерно-топливный комплекс, теплоэнергетика и нефтехимическая промышленность (Томск-Северская промышленная агломерация), нефтегазодобывающий комплекс (НГДК) (запад, северо-запад области), которые являются источниками поступления в атмосферу разнообразных газообразных веществ и твердых частиц, содержащих широкий спектр химических элементов, в том числе редких и радиоактивных.
В последние десятилетия на территории Томской области ведётся активная добыча, разведка и разработка месторождений нефти и газа, что, несомненно, способствует возрастанию опасности загрязнения атмосферы и других природных сред. Значительное влияние на уровень атмосферного загрязнения в пределах Томской области может оказывать трансграничный перенос загрязняющих веществ предприятий с севера и юга Западной Сибири, Южного Урала, Казахстана.
Основные антропогенные источники загрязнения Томской области расположены на севере и северо-западе области, в связи с преимущественным сосредоточением в этих районах нефтегазодобывающих предприятий области. По данным Департамента природных ресурсов (Доклад о состоянии и охране окружающей среды Томской области в 2014 году находится в печати), за 2014 год в Парабельском районе величина валовых выбросов составила 94,7 тыс. т или 32,6 %, в Каргасокском - 89,6 тыс. т или 30,9 %, и в Александровском - 34,8 тыс. т или 12 % от суммарного валового выброса по Томской области.
Изучение уровня эмиссий в атмосферу загрязняющих веществ имеет практическое значение, позволяя оценивать степень загрязнения от локальных источников в условиях активного освоения нефтегазовых месторождений, и представляет интерес с целью определения переноса загрязнителей от источников эмиссий.
Атмосфере присуща крайне высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. В связи с этим, оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются весьма непростой задачей. На данный момент ее состояние оценивается в первую очередь по данным статистической отчётности предприятий-природопользователей - на основе суммарных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников. Существует ряд недостатков нормативного подхода. Среди них можно назвать следующие: ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Следовательно, такой подход к оценке состояния природной среды не отвечает и требованиям экологического нормирования, направленного на установление допустимой экологической нагрузки на природные объекты в целях сохранения видового разнообразия экосистем (Большунова, 2010).
Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы за кратковременный период (зимние месяцы) является снеговой покров, который, будучи естественным планшетом-накопителем, отражает загрязнение воздушного бассейна, обусловленное поступлением загрязняющих веществ из различных источников.
В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или не определяются расчетными данными по пылегазовыбросам. Химический состав фильтрата талого снега формируется в результате поступления с осадками различных химических элементов, поглощения снеговым покровом газов, водорастворимых аэрозолей и взаимодействия со снеговым покровом твёрдых частиц, оседающих из атмосферы. При образовании снегового покрова из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей концентрация загрязняющих веществ в снегу оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе (Бояркина и др., 1993г.; Василенко и др., 1985 и др.).
Это определяет важность проведения экологического мониторинга снегового покрова как депонирующей среды, что позволяет проследить уровень загрязнения атмосферного воздуха за краткосрочный период. На практике состояние приземного слоя атмосферы месторождений, принадлежащих предприятиям нефтедобывающего комплекса Томской области, оценивается посредством проведения экологического мониторинга атмосферного воздуха, в программу которого входят локальные аппаратные замеры небольшого перечня загрязняющих веществ от источников эмиссии на месторождениях (Хаустов и Редина, 2006) и снеговая съёмка с отбором проб снега и анализированием снеготалой воды и твёрдого остатка снега (Шатилов, 2001; Язиков, 2006; Грива, 2006 и др.). Значительным преимуществом снеговой съёмки перед инструментальными замерами является тот факт, что процесс отбора проб снежного покрова весьма прост. Также важно, что применение снеговой съёмки, наряду с высокой достоверностью результатов, в финансовом отношении менее затратно, чем выполнение локальных инструментальных замеров.
Критерии качества среды должны оцениваться и рассматриваться с учётом потребностей живых организмов, только в этом случае будут обеспечены условия для сохранения и развития жизни. В этой связи, биомониторинг является неотъемлемой частью экологического мониторинга (Николаевский, 1981 и др.). Лихеномониторинг (lichen - лишайник (англ.)), т.е. использование лишайников в качестве объектов наблюдения и исследования химического состава - одно из актуальных направлений системы оценки качества природной среды, поскольку позволяет за счёт довольно продолжительного периода жизни лишайников получать многолетние осредненные характеристики состояния экосистемы.
Территория Томской области характеризуется широким
распространением лишайникового покрова, однако же, целенаправленных исследований в области изучения элементного состава лишайников, особенно произрастающих в районах НГДК, не проводилось. Информация о состоянии природной среды по данным биомониторинга является скудной и недостаточной.
Как отмечалось выше, мониторинговые исследования проводятся при помощи стандартных методов, использование которых позволяет определить узкий перечень загрязняющих веществ в воздухе. Однако представляется небезынтересным получить более емкую информацию о том, как влияют на природную среду источники загрязнения атмосферы нефтяных месторождений, а также составить реестр типичных элементов-загрязнителей в изучаемом районе. Таким образом, комплексное изучение состояния атмосферного воздуха в районах нефтедобывающего комплекса с применением данных изучения снегового покрова и лишайников позволит развернуто и исчерпывающе оценить степень влияния источников загрязнения, а также оптимизировать методику ведения экологического мониторинга атмосферного воздуха.
Объектом исследования является нефтедобывающий комплекс (НГДК) Томской области.
Цель исследований. Разработать подходы к оценке степени трансформации природной среды территории влияния НГДК Томской области по результатам изучения снегового покрова и лишайников-эпифитов.
Задачи:
1. Изучить химический состав снеготалой воды из районов НГДК и сопоставить уровень накопления химических элементов с фоновыми районами.
2. Исследовать элементный состав эпифитных лишайников, произрастающих в районах эксплуатации нефтяных месторождений и сопоставить их геохимические особенности с таковыми из фоновых районов.
3. Определить приоритетный перечень химических элементов-индикаторов, характерных для выбросов источников НГДК, в отношении которых необходимо ведение мониторинга.
Фактический материал и методы исследований.
Основу диссертационной работы составляют результаты исследований фактического материала, собранного автором в составе коллектива департамента экологии ОАО «ТомскНИПИнефть», сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии в течение 2010-2013 гг. и обработанного непосредственно автором и сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии. Также использованы результаты исследований специалистов, в разное время занимавшихся изучением пылеаэрозольных выпадений в снеготалой воде, лишайниках, сфагновых мхах на территории Томской области (С.В. Шатилова, А.М. Межибор, И.С. Соболев и др.).
В основу работы положены обработанные автором результаты анализа 127 проб компонентов природной среды - эпифитных лишайников и снеготалой воды (100 проб лишайников и 27 проб снегового покрова). Часть работы была выполнена в рамках гранта РФФИ № 12-05-31522.
Количественное определение химических элементов в лишайниках было выполнено методом инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии, функционирующей на базе исследовательского ядерного реактора Томского политехнического университета (аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская), и методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на базе исследовательской лаборатории Федерального центра защиты здоровья животных, г. Владимир (аналитик И.В. Подкозлин). Также этим методом выполнялись анализы в химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск, аналитик Н.В. Федюнина) и в лаборатории аналитического центра геохимии природных систем, ТГУ, г. Томск, (аналитики Ю.В. Аношкина, Е.И. Никитина, Т.В. Трофимова) с целью исследования снеготалой воды.
Все аналитические исследования проведены в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с применением стандартных образцов сравнения. Погрешность определения большинства анализируемых элементов не превышала 20%.
Защищаемые положения:
1. Снеготалая вода в районах нефтедобывающего комплекса Томской области характеризуется слабокислой реакцией среды, повышенными относительно фона содержаниями нитратов, фенолов и нефтепродуктов, а также повышенными концентрациями Sb, Cr, Pb, Zn, Ba, As.
2. Микроэлементный состав эпифитных лишайников является надёжным индикатором, отражающим природную эколого-геохимическую и техногенную специфику исследуемых территорий, в т.ч. фоновых районов, территории влияния Томск-Северской агломерации.
3. Типоморфными химическими элементами эпифитных лишайников районов нефтегазодобывающего комплекса Томской области являются: V, Cr, Ва, Pb, Zn, As, Br, Rb, Sb, Au, и этот перечень рекомендуется для использования при эколого-геохимических исследованиях в этих районах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлен элементный состав широкого спектра лишайников-эпифитов (58 химических элементов) и снеготалой воды (64 химических элемента) территории НГДК Томской области.
Выявлено, что элементный состав лишайников в фоновых районах имеет близко идентичный микроэлементный состав, а концентрации химических элементов отражают специфику ландшафтно-геохимических особенностей произрастания и (или) техногенной трансформации. Например, установлена закономерность зонального распределения редких, редкоземельных и радиоактивных элементов лишайников Томск-Северской промышленной агломерации относительно их источника.
Доказано, что в изучаемых компонентах природной среды специфичными элементами, отражающими влияние НГДК Томской области на природную среду, по комплексу изученных сред являются Cr, Ba, Pb, Zn, As, Sb.
Практическая значимость работы.
1. Создана база данных для определения местного уровня содержания химических элементов в эпифитных лишайниках и снеготалой воде, которая впоследствии может использоваться при ведении экологического мониторинга, в комплексных экологических изысканиях в качестве оценочных уровней, а также служить для прогнозирования влияния техногенного воздействия на природную среду и здоровье человека.
2. Предложен перечень типоморфных химических элементов в снеготалой воде в комплексе с оценкой содержания элементов, накапливаемых лишайниками-эпифитами при ведении мониторинга атмосферного воздуха в исследуемых районах в дополнение к методу прямых измерений загрязняющих веществ от источников выбросов и анализа количественного содержания узкого перечня элементов и химических показателей в снеготалой воде.
3. Результаты исследований рекомендованы государственным
природоохранным органам и научно-производственным предприятиям в работах по оценке состояния атмосферного воздуха на нефтяных месторождениях Томской области.
4. Результаты исследований использованы при чтении учебных курсов «Геохимический мониторинг», «Геоэкология» для студентов кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ по специальности «Геоэкология».
Апробация работы и публикации.
Основные положения работы и результаты исследований, полученных автором, докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: XIV, XVI, XVIII, XIX Международных научных симпозиумах имени
академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2010, 2012, 2014, 2015), на
Международной научно-практической конференции Самарского
государственного технического университета «Ашировские чтения» (г. Туапсе, 2010 г.), на V Межвузовской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», (г. Москва, 2010 г.), на V Сибирской конференции молодых учёных по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2010 г.), на третьей региональной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ТомскНИПИнефть», (г. Томск, 2011 г.), на VIII
Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2011» и Школе молодых учёных, посвящённые 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, (г. Архангельск, 2011 г.), на European Geosciences Union General Assembly 2013 (EGU 2013) (Вена, Австрия, 2013), на Международной школе-семинаре «Геохимия живого вещества» (Томск, 2013 г.), на международной конференции молодых учёных «Изменение климата и природной среды Северной Евразии: анализ, прогноз, адаптация»(Кисловодск, 2014 г.).
Основные положения диссертации отражены в 16 статьях и тезисах докладов, из которых 3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья на английском языке в издании, цитируемом Scopus.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов, изложенных на 182 страницах машинописного текста, иллюстрированных 40 рисунками и 19 таблицами. Список литературы содержит 242 наименования, из них 101 - на английском языке.
Личный вклад автора заключается в организации и отборе проб лишайников, подготовке проб лишайников и снегового покрова к аналитическим исследованиям; обработке полученных результатов
аналитических исследований, в проработке, обобщении и теоретическом осмыслении полученных данных, в формулировке защищаемых положений.
Достоверность защищаемых положений определяется количеством используемого фактического материала, изученного высококачественными современными аттестованными аналитическими методами в аккредитованных лабораториях, глубокой проработкой полученного материала и имеющихся литературных данных, апробацией результатов исследования в публикациях в рецензируемых научных журналах и докладах на научных конференциях.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, профессору, д.г.-м.н. Леониду Петровичу Рихванову за ценные советы, внимание и помощь при выполнении работы. Искреннюю благодарность автор приносит д.б.н. Н.В. Барановской, к. г.-м. н. И.С. Соболеву, к.х.н. Н.А. Осиповой, к. г.-м. н. А.М. Межибор, к. геог. н. Н.П. Соболевой за внимание и методическую помощь на многих этапах подготовки работы. Автор благодарит руководителей лабораторий и исполнителей работ в г. Томке: Н.К. Смирнову, А.Ф. Судыко, Л.В. Богутскую, Н.В. Федюнину, Ю.В. Аношкину, Е.И. Никитину, Т.В. Трофимову. Автор сердечно благодарен к.х.н. Т.Б. Никешиной, сотруднику исследовательской лаборатории Федерального центра защиты здоровья животных, г. Владимир за организацию исследований проб методом ИСП-МС, а также аналитику, к.х.н. И.В. Подкозлину за выполнение анализов. Автор приносит искреннюю благодарность руководству ОАО «ТомскНИПИнефть» за предоставленную возможность, работая в его структуре, выполнять научно-исследовательскую работу по данной теме. Особую признательность автор выражает всем коллегам - сотрудникам департамента экологии ОАО «ТомскНИПИнефть», особенно И.В. Энгель, В.А. Кондыкову, А.А. Искрижицкому, А.В. Чемерису, к.б.н. Ю.А. Носкову, Д.В. Гвоздыреву, С.В. Афанасьеву за поддержку, ценные советы и помощь в пробоотборе. Также автор выражает благодарность к.б.н. В.В. Коневой за помощь при определении видов лишайников.
Особую благодарность автор выражает своим родным и близким за постоянную поддержку и понимание.
Практически любая территория при современном уровне развития промышленности и сельского хозяйства, подвержена в большей или меньшей степени антропогенной нагрузке. Томская область характеризуется наличием таких специфичных производств как ядерно-топливный комплекс, теплоэнергетика и нефтехимическая промышленность (Томск-Северская промышленная агломерация), нефтегазодобывающий комплекс (НГДК) (запад, северо-запад области), которые являются источниками поступления в атмосферу разнообразных газообразных веществ и твердых частиц, содержащих широкий спектр химических элементов, в том числе редких и радиоактивных.
В последние десятилетия на территории Томской области ведётся активная добыча, разведка и разработка месторождений нефти и газа, что, несомненно, способствует возрастанию опасности загрязнения атмосферы и других природных сред. Значительное влияние на уровень атмосферного загрязнения в пределах Томской области может оказывать трансграничный перенос загрязняющих веществ предприятий с севера и юга Западной Сибири, Южного Урала, Казахстана.
Основные антропогенные источники загрязнения Томской области расположены на севере и северо-западе области, в связи с преимущественным сосредоточением в этих районах нефтегазодобывающих предприятий области. По данным Департамента природных ресурсов (Доклад о состоянии и охране окружающей среды Томской области в 2014 году находится в печати), за 2014 год в Парабельском районе величина валовых выбросов составила 94,7 тыс. т или 32,6 %, в Каргасокском - 89,6 тыс. т или 30,9 %, и в Александровском - 34,8 тыс. т или 12 % от суммарного валового выброса по Томской области.
Изучение уровня эмиссий в атмосферу загрязняющих веществ имеет практическое значение, позволяя оценивать степень загрязнения от локальных источников в условиях активного освоения нефтегазовых месторождений, и представляет интерес с целью определения переноса загрязнителей от источников эмиссий.
Атмосфере присуща крайне высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. В связи с этим, оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются весьма непростой задачей. На данный момент ее состояние оценивается в первую очередь по данным статистической отчётности предприятий-природопользователей - на основе суммарных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных и передвижных источников. Существует ряд недостатков нормативного подхода. Среди них можно назвать следующие: ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Следовательно, такой подход к оценке состояния природной среды не отвечает и требованиям экологического нормирования, направленного на установление допустимой экологической нагрузки на природные объекты в целях сохранения видового разнообразия экосистем (Большунова, 2010).
Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы за кратковременный период (зимние месяцы) является снеговой покров, который, будучи естественным планшетом-накопителем, отражает загрязнение воздушного бассейна, обусловленное поступлением загрязняющих веществ из различных источников.
В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или не определяются расчетными данными по пылегазовыбросам. Химический состав фильтрата талого снега формируется в результате поступления с осадками различных химических элементов, поглощения снеговым покровом газов, водорастворимых аэрозолей и взаимодействия со снеговым покровом твёрдых частиц, оседающих из атмосферы. При образовании снегового покрова из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей концентрация загрязняющих веществ в снегу оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе (Бояркина и др., 1993г.; Василенко и др., 1985 и др.).
Это определяет важность проведения экологического мониторинга снегового покрова как депонирующей среды, что позволяет проследить уровень загрязнения атмосферного воздуха за краткосрочный период. На практике состояние приземного слоя атмосферы месторождений, принадлежащих предприятиям нефтедобывающего комплекса Томской области, оценивается посредством проведения экологического мониторинга атмосферного воздуха, в программу которого входят локальные аппаратные замеры небольшого перечня загрязняющих веществ от источников эмиссии на месторождениях (Хаустов и Редина, 2006) и снеговая съёмка с отбором проб снега и анализированием снеготалой воды и твёрдого остатка снега (Шатилов, 2001; Язиков, 2006; Грива, 2006 и др.). Значительным преимуществом снеговой съёмки перед инструментальными замерами является тот факт, что процесс отбора проб снежного покрова весьма прост. Также важно, что применение снеговой съёмки, наряду с высокой достоверностью результатов, в финансовом отношении менее затратно, чем выполнение локальных инструментальных замеров.
Критерии качества среды должны оцениваться и рассматриваться с учётом потребностей живых организмов, только в этом случае будут обеспечены условия для сохранения и развития жизни. В этой связи, биомониторинг является неотъемлемой частью экологического мониторинга (Николаевский, 1981 и др.). Лихеномониторинг (lichen - лишайник (англ.)), т.е. использование лишайников в качестве объектов наблюдения и исследования химического состава - одно из актуальных направлений системы оценки качества природной среды, поскольку позволяет за счёт довольно продолжительного периода жизни лишайников получать многолетние осредненные характеристики состояния экосистемы.
Территория Томской области характеризуется широким
распространением лишайникового покрова, однако же, целенаправленных исследований в области изучения элементного состава лишайников, особенно произрастающих в районах НГДК, не проводилось. Информация о состоянии природной среды по данным биомониторинга является скудной и недостаточной.
Как отмечалось выше, мониторинговые исследования проводятся при помощи стандартных методов, использование которых позволяет определить узкий перечень загрязняющих веществ в воздухе. Однако представляется небезынтересным получить более емкую информацию о том, как влияют на природную среду источники загрязнения атмосферы нефтяных месторождений, а также составить реестр типичных элементов-загрязнителей в изучаемом районе. Таким образом, комплексное изучение состояния атмосферного воздуха в районах нефтедобывающего комплекса с применением данных изучения снегового покрова и лишайников позволит развернуто и исчерпывающе оценить степень влияния источников загрязнения, а также оптимизировать методику ведения экологического мониторинга атмосферного воздуха.
Объектом исследования является нефтедобывающий комплекс (НГДК) Томской области.
Цель исследований. Разработать подходы к оценке степени трансформации природной среды территории влияния НГДК Томской области по результатам изучения снегового покрова и лишайников-эпифитов.
Задачи:
1. Изучить химический состав снеготалой воды из районов НГДК и сопоставить уровень накопления химических элементов с фоновыми районами.
2. Исследовать элементный состав эпифитных лишайников, произрастающих в районах эксплуатации нефтяных месторождений и сопоставить их геохимические особенности с таковыми из фоновых районов.
3. Определить приоритетный перечень химических элементов-индикаторов, характерных для выбросов источников НГДК, в отношении которых необходимо ведение мониторинга.
Фактический материал и методы исследований.
Основу диссертационной работы составляют результаты исследований фактического материала, собранного автором в составе коллектива департамента экологии ОАО «ТомскНИПИнефть», сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии в течение 2010-2013 гг. и обработанного непосредственно автором и сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии. Также использованы результаты исследований специалистов, в разное время занимавшихся изучением пылеаэрозольных выпадений в снеготалой воде, лишайниках, сфагновых мхах на территории Томской области (С.В. Шатилова, А.М. Межибор, И.С. Соболев и др.).
В основу работы положены обработанные автором результаты анализа 127 проб компонентов природной среды - эпифитных лишайников и снеготалой воды (100 проб лишайников и 27 проб снегового покрова). Часть работы была выполнена в рамках гранта РФФИ № 12-05-31522.
Количественное определение химических элементов в лишайниках было выполнено методом инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии, функционирующей на базе исследовательского ядерного реактора Томского политехнического университета (аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская), и методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на базе исследовательской лаборатории Федерального центра защиты здоровья животных, г. Владимир (аналитик И.В. Подкозлин). Также этим методом выполнялись анализы в химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск, аналитик Н.В. Федюнина) и в лаборатории аналитического центра геохимии природных систем, ТГУ, г. Томск, (аналитики Ю.В. Аношкина, Е.И. Никитина, Т.В. Трофимова) с целью исследования снеготалой воды.
Все аналитические исследования проведены в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с применением стандартных образцов сравнения. Погрешность определения большинства анализируемых элементов не превышала 20%.
Защищаемые положения:
1. Снеготалая вода в районах нефтедобывающего комплекса Томской области характеризуется слабокислой реакцией среды, повышенными относительно фона содержаниями нитратов, фенолов и нефтепродуктов, а также повышенными концентрациями Sb, Cr, Pb, Zn, Ba, As.
2. Микроэлементный состав эпифитных лишайников является надёжным индикатором, отражающим природную эколого-геохимическую и техногенную специфику исследуемых территорий, в т.ч. фоновых районов, территории влияния Томск-Северской агломерации.
3. Типоморфными химическими элементами эпифитных лишайников районов нефтегазодобывающего комплекса Томской области являются: V, Cr, Ва, Pb, Zn, As, Br, Rb, Sb, Au, и этот перечень рекомендуется для использования при эколого-геохимических исследованиях в этих районах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Установлен элементный состав широкого спектра лишайников-эпифитов (58 химических элементов) и снеготалой воды (64 химических элемента) территории НГДК Томской области.
Выявлено, что элементный состав лишайников в фоновых районах имеет близко идентичный микроэлементный состав, а концентрации химических элементов отражают специфику ландшафтно-геохимических особенностей произрастания и (или) техногенной трансформации. Например, установлена закономерность зонального распределения редких, редкоземельных и радиоактивных элементов лишайников Томск-Северской промышленной агломерации относительно их источника.
Доказано, что в изучаемых компонентах природной среды специфичными элементами, отражающими влияние НГДК Томской области на природную среду, по комплексу изученных сред являются Cr, Ba, Pb, Zn, As, Sb.
Практическая значимость работы.
1. Создана база данных для определения местного уровня содержания химических элементов в эпифитных лишайниках и снеготалой воде, которая впоследствии может использоваться при ведении экологического мониторинга, в комплексных экологических изысканиях в качестве оценочных уровней, а также служить для прогнозирования влияния техногенного воздействия на природную среду и здоровье человека.
2. Предложен перечень типоморфных химических элементов в снеготалой воде в комплексе с оценкой содержания элементов, накапливаемых лишайниками-эпифитами при ведении мониторинга атмосферного воздуха в исследуемых районах в дополнение к методу прямых измерений загрязняющих веществ от источников выбросов и анализа количественного содержания узкого перечня элементов и химических показателей в снеготалой воде.
3. Результаты исследований рекомендованы государственным
природоохранным органам и научно-производственным предприятиям в работах по оценке состояния атмосферного воздуха на нефтяных месторождениях Томской области.
4. Результаты исследований использованы при чтении учебных курсов «Геохимический мониторинг», «Геоэкология» для студентов кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ по специальности «Геоэкология».
Апробация работы и публикации.
Основные положения работы и результаты исследований, полученных автором, докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: XIV, XVI, XVIII, XIX Международных научных симпозиумах имени
академика М.А. Усова студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2010, 2012, 2014, 2015), на
Международной научно-практической конференции Самарского
государственного технического университета «Ашировские чтения» (г. Туапсе, 2010 г.), на V Межвузовской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле», (г. Москва, 2010 г.), на V Сибирской конференции молодых учёных по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2010 г.), на третьей региональной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ТомскНИПИнефть», (г. Томск, 2011 г.), на VIII
Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА-2011» и Школе молодых учёных, посвящённые 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова, (г. Архангельск, 2011 г.), на European Geosciences Union General Assembly 2013 (EGU 2013) (Вена, Австрия, 2013), на Международной школе-семинаре «Геохимия живого вещества» (Томск, 2013 г.), на международной конференции молодых учёных «Изменение климата и природной среды Северной Евразии: анализ, прогноз, адаптация»(Кисловодск, 2014 г.).
Основные положения диссертации отражены в 16 статьях и тезисах докладов, из которых 3 статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья на английском языке в издании, цитируемом Scopus.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов, изложенных на 182 страницах машинописного текста, иллюстрированных 40 рисунками и 19 таблицами. Список литературы содержит 242 наименования, из них 101 - на английском языке.
Личный вклад автора заключается в организации и отборе проб лишайников, подготовке проб лишайников и снегового покрова к аналитическим исследованиям; обработке полученных результатов
аналитических исследований, в проработке, обобщении и теоретическом осмыслении полученных данных, в формулировке защищаемых положений.
Достоверность защищаемых положений определяется количеством используемого фактического материала, изученного высококачественными современными аттестованными аналитическими методами в аккредитованных лабораториях, глубокой проработкой полученного материала и имеющихся литературных данных, апробацией результатов исследования в публикациях в рецензируемых научных журналах и докладах на научных конференциях.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, профессору, д.г.-м.н. Леониду Петровичу Рихванову за ценные советы, внимание и помощь при выполнении работы. Искреннюю благодарность автор приносит д.б.н. Н.В. Барановской, к. г.-м. н. И.С. Соболеву, к.х.н. Н.А. Осиповой, к. г.-м. н. А.М. Межибор, к. геог. н. Н.П. Соболевой за внимание и методическую помощь на многих этапах подготовки работы. Автор благодарит руководителей лабораторий и исполнителей работ в г. Томке: Н.К. Смирнову, А.Ф. Судыко, Л.В. Богутскую, Н.В. Федюнину, Ю.В. Аношкину, Е.И. Никитину, Т.В. Трофимову. Автор сердечно благодарен к.х.н. Т.Б. Никешиной, сотруднику исследовательской лаборатории Федерального центра защиты здоровья животных, г. Владимир за организацию исследований проб методом ИСП-МС, а также аналитику, к.х.н. И.В. Подкозлину за выполнение анализов. Автор приносит искреннюю благодарность руководству ОАО «ТомскНИПИнефть» за предоставленную возможность, работая в его структуре, выполнять научно-исследовательскую работу по данной теме. Особую признательность автор выражает всем коллегам - сотрудникам департамента экологии ОАО «ТомскНИПИнефть», особенно И.В. Энгель, В.А. Кондыкову, А.А. Искрижицкому, А.В. Чемерису, к.б.н. Ю.А. Носкову, Д.В. Гвоздыреву, С.В. Афанасьеву за поддержку, ценные советы и помощь в пробоотборе. Также автор выражает благодарность к.б.н. В.В. Коневой за помощь при определении видов лишайников.
Особую благодарность автор выражает своим родным и близким за постоянную поддержку и понимание.
Геохимическими особенностями снеготалой воды территории влияния НГДК Томской области являются повышенные содержания Sb, Cr, Pb, Zn, Ba, As.
Снеготалые воды севера Томской области в большинстве своём характеризуются слабокислой реакцией, содержат незначительные количества твердых примесей, характеризуются несколько повышенными содержаниями нитратов, фенолов повсеместно и нефтепродуктов - в единичных пробах. Тем не менее, хлориды, фенолы, нитраты, нефтепродукты являются приоритетными загрязняющими веществами нефтедобывающего комплекса, и данные мониторинга снегового покрова месторождений Томской области хорошо это подтверждают.
В отношении показателя рН, хлоридов и нитратов прослеживается географическая зональность: среднее значение увеличивается с севера на юг, что, вероятно, объясняется влиянием промышленных предприятий Омской, Новосибирской области и Казахстана и связано с преобладающим направлением ветров (южное и юго-западное).
Выделяется группа следовых элементов, характеризующихся повышенными значениями и в снеготалой воде, и в лишайниках: Cr, Ba, Pb, Zn, As, Sb, что подтверждает их индикаторное значение для нефтегазодобывающего производства.
Нами установлено, что в качестве регионального фона для изученного типа лишайников хорошо подходит участок Томского района Томской области, который характеризуется незначительным влиянием промышленных предприятий и отсутствием каких-либо выявленных геохимических аномалий коренных пород и почвы.
По результатам нашего исследования можно говорить о достаточно близких уровнях накопления лишайниками, укладывающихся в доверительный интервал определений таких 16 элементов, как La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Th, Sc, Fe, Co, Ca, Na, Rb, Cs, а также группы из 12 элементов: Cr, Zn, As, Br, Sr, Ag, Sb, Ba, Nd, Ta, Au, U, для которых наблюдаются более значимые различия в оценке их средних для каждого типа фоновых участков. Можно высказать предположение, что первая группа элементов, по-видимому, обусловлена общим глобальным фактором накопления элементов в атмосфере: например, общий пылевой перенос минерального вещества почв и земной коры наноразмерного уровня (Th, Hf, Sc и значительная часть редких земель) и др. Вторая группа элементов, вероятно, отражает как природные ландшафтногеохимические и геологические особенности расположения оцениваемых фоновых участков, так и специфику региональных потоков.
Специфика геохимического спектра изученного лишайника, отобранного в зоне влияния Томск-Северской промышленной зоны, которую формируют предприятия ЯТЦ, нефтехимического комбината, ТЭЦ, определяется концентрированием Sr, Sb, лантаноидов, актиноидов (Th, U). Изучение пространственного распределения этих элементов в Томск-Северской промышленной зоне свидетельствует о том, что источниками поступления, главным образом, являются производственные объекты Сибирского химического комбината.
В сравнении с другими регионами, в том числе фоновыми районами, один из которых нами принят за региональный фон Томской области, в лишайниках НГДК отмечены более высокие концентрации V, Cr, Ва, Pb, Zn, As, Br, Rb, Sb, Au.
Наблюдается весьма небольшая разница в содержаниях химических элементов в лишайниках-эпифитах (в 1,2-2 раза) в контрольных пунктах - зонах максимального влияния источников эмиссий в сравнении с «условным фоном» на месторождениях. Это может говорить о незначительном влиянии источников загрязнения атмосферы на месторождениях ввиду хорошего рассеивания загрязняющих веществ.
Можно с уверенностью судить о хороших биомониторных свойствах эпифитных лишайников и рекомендовать их в качестве основного объекта исследований при оценке как техногенной трансформации природных сред, так и степени влияния природных геохимических особенностей.
В районах влияния НГДК при ведении мониторинга атмосферного воздуха в дополнение к методу прямых измерений загрязняющих веществ от источников выбросов и анализа количественного содержания узкого перечня элементов и определения химических показателей в снеготалой воде рекомендуется установление содержания индикаторных химических элементов в снеготалой воде в комплексе с оценкой содержания элементов, накапливаемых лишайниками-эпифитами.
Снеготалые воды севера Томской области в большинстве своём характеризуются слабокислой реакцией, содержат незначительные количества твердых примесей, характеризуются несколько повышенными содержаниями нитратов, фенолов повсеместно и нефтепродуктов - в единичных пробах. Тем не менее, хлориды, фенолы, нитраты, нефтепродукты являются приоритетными загрязняющими веществами нефтедобывающего комплекса, и данные мониторинга снегового покрова месторождений Томской области хорошо это подтверждают.
В отношении показателя рН, хлоридов и нитратов прослеживается географическая зональность: среднее значение увеличивается с севера на юг, что, вероятно, объясняется влиянием промышленных предприятий Омской, Новосибирской области и Казахстана и связано с преобладающим направлением ветров (южное и юго-западное).
Выделяется группа следовых элементов, характеризующихся повышенными значениями и в снеготалой воде, и в лишайниках: Cr, Ba, Pb, Zn, As, Sb, что подтверждает их индикаторное значение для нефтегазодобывающего производства.
Нами установлено, что в качестве регионального фона для изученного типа лишайников хорошо подходит участок Томского района Томской области, который характеризуется незначительным влиянием промышленных предприятий и отсутствием каких-либо выявленных геохимических аномалий коренных пород и почвы.
По результатам нашего исследования можно говорить о достаточно близких уровнях накопления лишайниками, укладывающихся в доверительный интервал определений таких 16 элементов, как La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Th, Sc, Fe, Co, Ca, Na, Rb, Cs, а также группы из 12 элементов: Cr, Zn, As, Br, Sr, Ag, Sb, Ba, Nd, Ta, Au, U, для которых наблюдаются более значимые различия в оценке их средних для каждого типа фоновых участков. Можно высказать предположение, что первая группа элементов, по-видимому, обусловлена общим глобальным фактором накопления элементов в атмосфере: например, общий пылевой перенос минерального вещества почв и земной коры наноразмерного уровня (Th, Hf, Sc и значительная часть редких земель) и др. Вторая группа элементов, вероятно, отражает как природные ландшафтногеохимические и геологические особенности расположения оцениваемых фоновых участков, так и специфику региональных потоков.
Специфика геохимического спектра изученного лишайника, отобранного в зоне влияния Томск-Северской промышленной зоны, которую формируют предприятия ЯТЦ, нефтехимического комбината, ТЭЦ, определяется концентрированием Sr, Sb, лантаноидов, актиноидов (Th, U). Изучение пространственного распределения этих элементов в Томск-Северской промышленной зоне свидетельствует о том, что источниками поступления, главным образом, являются производственные объекты Сибирского химического комбината.
В сравнении с другими регионами, в том числе фоновыми районами, один из которых нами принят за региональный фон Томской области, в лишайниках НГДК отмечены более высокие концентрации V, Cr, Ва, Pb, Zn, As, Br, Rb, Sb, Au.
Наблюдается весьма небольшая разница в содержаниях химических элементов в лишайниках-эпифитах (в 1,2-2 раза) в контрольных пунктах - зонах максимального влияния источников эмиссий в сравнении с «условным фоном» на месторождениях. Это может говорить о незначительном влиянии источников загрязнения атмосферы на месторождениях ввиду хорошего рассеивания загрязняющих веществ.
Можно с уверенностью судить о хороших биомониторных свойствах эпифитных лишайников и рекомендовать их в качестве основного объекта исследований при оценке как техногенной трансформации природных сред, так и степени влияния природных геохимических особенностей.
В районах влияния НГДК при ведении мониторинга атмосферного воздуха в дополнение к методу прямых измерений загрязняющих веществ от источников выбросов и анализа количественного содержания узкого перечня элементов и определения химических показателей в снеготалой воде рекомендуется установление содержания индикаторных химических элементов в снеготалой воде в комплексе с оценкой содержания элементов, накапливаемых лишайниками-эпифитами.