Помощь студентам в учебе
ЭКОГЕОХИМИЯ РТУТИ В ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЯХ РОДА ТОПОЛЬ (ЛИСТЬЯХ И ГОДОВЫХ КОЛЬЦАХ) УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Биогеохимическая индикация состояния окружающей среды с использованием
древесных растений 13
2. Объекты и методы исследования 32
2.1 Обоснование выбора объекта исследования 32
2.2 Отбор проб и пробоподготовка 35
2.3 Методы лабораторных исследований 42
2.3.1 Атомно-абсорбционный анализ 42
3. Экогеохимические последствия ртутного загрязнения территорий Сибири и
Дальнего Востока 49
4. Характер накопления ртути в листьях древесных растений рода тополь 57
4.1 Распределение ртути по высоте кроны тополя 58
4.2 Видовая специфика концентрирования ртути в сухой массе листьев деревьев
рода тополь 60
4.3 Влияние вегетационного периода на содержание ртути в листьях деревьев
рода тополь 62
5. Эколого-геохимическая оценка ртутной нагрузки на урбанизированные территории Сибири и Дальнего Востока по результатам изучения листьев тополя
69
6. Влияние техногенеза на накопление ртути в древесных растениях рода тополь 76
6.1 Распределения ртути в сухой массе листьев рода тополь в зоне влияния
химического производства (г.Усолье-Сибирское) 81
6.2 Распределения ртути в сухой массе листьев рода тополь вблизи горнорудного
производства (с.Акташ) 84
6.3 Распределения ртути в древесных растениях рода тополь вблизи литиевого
производства (г. Новосибирск) 86
7. Ретроспективный анализ накопления ртути в кольцах деревьев от различного
типа источников 91
7.1 Динамика изменения концентраций ртути в годичных кольцах деревьев рода
тополь в зоне влияния антропогенного источника 91
7.2 Пространственно-временные закономерности распределения ртути в
годичных кольцах тополя в сейсмоактивной зоне 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 98
Список литературы 100
1. Биогеохимическая индикация состояния окружающей среды с использованием
древесных растений 13
2. Объекты и методы исследования 32
2.1 Обоснование выбора объекта исследования 32
2.2 Отбор проб и пробоподготовка 35
2.3 Методы лабораторных исследований 42
2.3.1 Атомно-абсорбционный анализ 42
3. Экогеохимические последствия ртутного загрязнения территорий Сибири и
Дальнего Востока 49
4. Характер накопления ртути в листьях древесных растений рода тополь 57
4.1 Распределение ртути по высоте кроны тополя 58
4.2 Видовая специфика концентрирования ртути в сухой массе листьев деревьев
рода тополь 60
4.3 Влияние вегетационного периода на содержание ртути в листьях деревьев
рода тополь 62
5. Эколого-геохимическая оценка ртутной нагрузки на урбанизированные территории Сибири и Дальнего Востока по результатам изучения листьев тополя
69
6. Влияние техногенеза на накопление ртути в древесных растениях рода тополь 76
6.1 Распределения ртути в сухой массе листьев рода тополь в зоне влияния
химического производства (г.Усолье-Сибирское) 81
6.2 Распределения ртути в сухой массе листьев рода тополь вблизи горнорудного
производства (с.Акташ) 84
6.3 Распределения ртути в древесных растениях рода тополь вблизи литиевого
производства (г. Новосибирск) 86
7. Ретроспективный анализ накопления ртути в кольцах деревьев от различного
типа источников 91
7.1 Динамика изменения концентраций ртути в годичных кольцах деревьев рода
тополь в зоне влияния антропогенного источника 91
7.2 Пространственно-временные закономерности распределения ртути в
годичных кольцах тополя в сейсмоактивной зоне 92
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 98
Список литературы 100
Актуальность темы исследования. Ртуть обладает особыми экологогеохимическими свойствами: миграционной подвижностью, высокой
токсичностью, способностью накапливаться в трофических цепочках водных и континентальных биоценозов, а также считается одним из наиболее опасных глобальных загрязнителей окружающей среды, оказывающих негативное воздействие на любые живые организмы (Гладышев, 1974; Сает, 1990; Иванов, 1997; Буренков, 2000; Антипов, 2002; Добровольский, 2003; Ляпина, 2012; Fitzgerald, 2014; Grandjean, 2017).
Токсичный элемент применялся человеком для своих нужд еще с древних времен, но началом антропогенных загрязнений ртутью, по результатам анализа состава донных отложений озера Уиндермир (Англия), считают XVI век н.э. (Bowen, 1979).
Ртуть является своеобразным показателем антропогенной нагрузки на территории, в связи с ее поступлением в окружающую среду с промышленными выбросами в атмосферу, сбросами в водную среду, работой транспорта, отходами предприятий, цветной металлургии, химпроизводства,
теплоэнергетики, машиностроения, производства минеральных удобрений. (Сауков, 1946; Янин, 1992; Таусон, 1995; Маликова, 2003; Ляпина, 2012; Гордеева, 2012; Осипова 2015; Барановская, 2015; Юсупов, 2018, Таций, 2020 и др.). На данный момент, большая часть ртути используется в химической промышленности и в производстве люминесцентных ламп, ртутных термометров. Следует отметить, что ртуть поступающая в атмосферу от предприятий, использующих ее в технологических процессах (целевое), составляет 13% от общего объема поступления в атмосферу (хлорно-щелочное производство, производство винилхлоридмономера (ВХМ), добыча золота (амальгация), производство термометров, источников освещения и тд.). Большая часть (77%) поступления ртути в воздух приходится на источники, где элемент является нежелательной примесью в составе перерабатываемого сырья (электроэнергетика (уголь), нефтепереработка и использование нефтепродуктов, производство цинка, свинца никеля, меди и других металлов, производство цемента и извести). Остальная часть (10%), связана с утилизацией отходов (сжигание отходов, размещение на полигонах, осадок сточных вод) (Lassen, 2005).
Токсичный элемент может иметь и природные источники поступления. Анализ литературных данных (Коваль, 2005; Гребенщикова, 2019) указывает на повышение концентраций ртути в воде оз. Байкал в периоды стихийных бедствий, таких как: землетрясения, ураганы, наводнения, штормы и тд. В периоды отсутствия катаклизм отмечается низкое содержание ртути в экосистеме озера (<0,0005 мкг/л), но в периоды землетрясений концентрация увеличивается в 3-5 раз.
В Российской Федерации крупномасштабных федеральных проектов направленных на инвентаризацию источников ртутного загрязнения окружающей среды, не выполнялось, хотя токсичный элемент нормативно определен в разных компонентах окружающей среды как вещество 1 класса опасности (по ГОСТ 17.4.1.02-83), что влечет за собой необходимость осуществлять экологический мониторинг и изучение интенсивности ртутного загрязнения урбанизированных территорий. Особое внимание уделяется методам экологической оценки компонентов окружающей среды в крупных промышленных центрах. Одним из таких методов является биогеохимическая индикация, основанная на исследованиях загрязнения воздуха, почвы и растительного покрова урбанизированных территорий химическими элементами и их соединениями с использованием различных биологических объектов, в том числе растений (Сабинин, 1955; Москаленко, 1991; Игнатьева, 2005; Маликова, 2008; Ляпина, 2009; Кашин, 2009; Азовский, 2010; Рогова, 2011; Гусев, 2012; Гордеева, 2012; Страховенко, 2012; Густайтис, 2016; Межибор, 2017; Рапута, 2017; Юсупов,2018, Ермаков, 2018; Сысо, 2018; Якубович, 2018; Робертус, 2018; Пахорукова, 2019; Барановская, 2020; Рихванов, 2020 и др.). Широкое использование методов биогеохимического районирования избытка или недостатка химических элементов в окружающей среде на территории России получили благодаря работам В.И. Вернадского и его последователей (Виноградов, 1952; Вернадский, 1959,1983,1994). Полученные с применением растений концентраторов химических элементов результаты, говорят о высокой эффективности применения биогеохимического метода в изучении геоэкологических проблем (Голубев, 2019). Проведенные нами исследования накопления ртути в листьях и кернах тополя позволяют оценить содержание поллютанта в приземном атмосферном воздухе в течение сезона и выявить источники загрязнения.
Объектами исследований служат листья и годовые кольца деревьев рода тополь, отобранные на урбанизированных территориях Сибири и некоторых отдельных городов Дальнего Востока, предметом исследования является изучение концентрации и динамики поступления ртути в указанных объектах.
Цель работы - установление ориентировочных значений среднего содержания ртути в деревьях рода тополь на современных урбанизированных территориях и выявление их индикаторных особенностей.
Основные задачи работы:
1. Определение характера распределения ртути в сухой массе листьев древесных растений рода тополь в зависимости от ряда факторов: высоты отбора пробы, ориентации дерева относительно источника загрязнения, вида дерева и сезона;
2. Проведение эколого-геохимической оценки ртутной нагрузки на урбанизированные территории Сибири и Дальнего Востока по результатам анализа сухой массы листьев деревьев рода тополь и изучение влияния техногенеза на концентрацию ртути;
3. Установление динамики поступления ртути в годичные кольца деревьев рода тополь от природного и антропогенного источников.
Фактический материал и методы исследования.
В основу работу входят результаты, обобщенные автором по пробам, отобранным сотрудниками отделения геологии Национального
исследовательского Томского политехнического университета в период с 2014 по 2019 гг., в том числе при личном участии автора в период с 2015 по 2020гг. Основу составляют данные, полученные лично автором по изучению содержания ртути в древесных растениях, а именно, в более 1200 пробах листьев тополя и 15 кернах (720 годичных колец) на урбанизированных территориях Сибири и отдельных территориях Дальнего Востока. Пробы листьев отбирались по равномерной сети, охватывающей большую часть исследуемой территории города или вдоль трасс между городами. Отобраны дополнительные пробы для изучения: видовой специфики концентрирования ртути, влияния вегетационного периода, распределения ртути по кроне дерева.
Для исследования динамики накопления ртути от природных и техногенных источников в древесных растениях, был отобран керн тополя в период 2017-2018 гг.:
- на территории Тункинской котловины в 11 точках, расположенных вблизи населенных пунктов (514 проб годичных колец);
- на территории г. Новосибирск в 4 точках, расположенных на разном удалении от источника ртутного загрязнения (206 проб годичных колец) с параллельным отбором проб почв.
Общее количество проанализированных проб, включая листья, годичные кольца и почву, составило -2006 шт.
Пробоподготовка листьев включала в себя: высушивание при комнатной температуре и ручное измельчение. Керны после просушки были зачищены, отшлифованы, маркированы и разделены на отдельные годичные кольца. Маркировка колец проводилась при помощи прибора LINTAB (514 проб годичных колец) лаборатории дендроэкологии Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН (г. Томск). Все пробы были проанализированы при помощи ртутного анализатора «РА-915+» с приставкой «ПИРО-915+» методом атомной абсорбции в лаборатории микроэлементного анализа в составе Международного инновационного научнообразовательного центра «Урановая геология» при отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов (ИТТТПР) Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ). Были определены формы ртути в 23 пробах отобранные в г.Новосибирск, так-как именно формы нахождения ртути определяют степень токсичности элемента и негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. Анализ проведен на ртутном анализатора «РА-915+» с приставкой «ПИРО-915+» методом термодесорбции на разных температурных режимах.
Достоверность защищаемых положений
Для достоверности результатов была применена отработанная методика отбора проб (Зырин, 1981), проведена обработка полученного материала статистическими методами анализа и изучена литература по тематике исследования. Также, проводился внешний и внутренний лабораторный контроль. Внешний контроль заключался в проведении дополнительного анализа в количестве 3% от общего объема проб в сторонней организации (Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева (ИГМ СО РАН)). Внутрилабораторный контроль проводился как повторный анализ проб с зашифрованными номерами в количестве 15 % от общего объема ранее
проанализированных проб.
Научная новизна.
1. Проведен ряд опытно-методических исследований направленных на изучение влияния различных факторов (высота кроны, ориентация относительно источника загрязнения, вегетационный период, видовая принадлежность) на изменения концентрирования токсичного элемента в листьях деревьев рода тополь;
2. Проведена оценка ртутной нагрузки и установлен средний уровень содержания ртути в листьях тополя для урбанизированных территорий Сибири и городов Дальнего Востока. Выявлены территории с повышенным валовыми концентрациями ртути и определены возможные источники загрязнения. Получены данные, отражающие современное состояние загрязнения компонентов окружающей среды;
3. Установлена динамика накопления ртути на сейсмически активной территории Тункинской котловины. Прослежена связь между датами крупных и мелких землетрясений и валовым содержанием ртути в годовых кольцах деревьев рода тополь.
Практическая значимость работы.
1. Данные могут быть использованы при дальнейшей оценке современного экологического состояния урбанизированных территорий и эмиссии ртути в атмосферу;
2. Результаты исследований могут представлять интерес для организаций экологического контроля;
3. Материалы диссертации могут быть использованы в учебных курсах «Геоэкология», «Геохимия живого вещества», «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» в отделении геологии ИШПР ТПУ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Среднее содержание ртути в листьях тополя на урбанизированных территориях Сибири составляет 25±2,9 нг/г. На концентрирование элемента влияет сезонный фактор (от 601 нг/г до 2425 нг/г) с максимальным концентрированием в опаде в виде свободной формы, высота кроны дерева (от 776 нг/г до 1697 нг/г), ориентация относительно источника техногенной эмиссии ртути и не оказывает существенного влияния видовая принадлежность.
2. На территории Сибири и Дальнего Востока повышенные и высокие концентрации ртути в листьях тополя приурочены к зонам ее добычи и переработки и представляют колебания среднего содержания от 41 до 246 нг/г, что превышает среднее значение по всей выборке в 2-10 раз.
3. Дендрогеохимические данные по содержанию ртути в годовых кольцах тополя применимы как для анализа пространственно-временных закономерностей ее распределения на территориях нахождения источников техногенного загрязнения окружающей среды (на примере АО «НЗХК»), так и для оценки уровня природной эмиссии ртути в приземную атмосферу при крупных и средних землетрясениях (на примере Тункинской котловины).
Апробация результатов.
Основные результаты исследований по теме диссертации были рассмотрены на XXI, XXII, XXIII, XXIV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск 2017, 2018, 2019, 2020); Всероссийской научной конференции и школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов «Ртуть и другие тяжелые металлы в экосистемах. Современные методы исследования содержания тяжелых металлов в окружающей среде» (Череповец, 2018); XXII, XXIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск 2017, 2018); Всероссийской
конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии - 2018» (Иркутск, 2018); Международной научно-практической конференции, посвященной памяти чл.-корр. РАН А.Н. Антипова «Географические основы и экологические принципы региональной политики природопользования» (Иркутск, 2019); XXV, XXVI конференции «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2018, 2019);
Всероссийской конференции XIII Сибирского совещания и школы молодых ученых по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2019), Научнопрактической конференции с международным участием «Современные проблемы гигиены, токсикологии и медицины труда», посвященной 90-летию образования ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Роспотребнадзора (Новосибирск, 2020).
Публикации
Опубликовано 24 работы по материалам диссертации: 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК, 2 статьи в журналах, входящих в базу Scopus, 2 публикации в материалах конференций на английском языке входящих в базу Scopus.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Результаты изложены на 140 страницах и содержат 42 рисунков и 10 таблиц.
Список литературы включает в себя 345 наименований, 80 из которых на иностранном языке.
Личный вклад диссертанта заключается в отборе проб листьев в городах Зима, Саянск, Усолье-Сибирское и участии в отборе проб листьев, почвы и керна в г. Новосибирск, а так же в обобщении материалов и подготовке и проведении анализа на содержание ртути проб, отобранных сотрудниками отделения геологии ТПУ по городам Сибири и Дальнего Востока. Автором самостоятельно проведена пробоподготовка листьев и годичных колец тополя, исследования на ртутном анализаторе, статистическая обработка результатов, построение графиков и карт ореолов распространения ртути на урбанизированных территориях, формулировка защищаемых положений.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность и признательность научному консультанту, безвременно ушедшему профессору отделения геологии Томского Политехнического университета, д.г.-
Рихванову Л.П. за ценные советы, поддержу, помощь на всех этапах диссертации, индивидуальный подход и прививание интереса к научной работе. Признательность и благодарность автор выражает, научному руководителю профессору отделения геологии Томского Политехнического университета, д.б.н. Барановской Н.В. за отзывчивость, терпение, ценные советы и помощь в написании работы. Так же, к.г.-м.н Юсупова Д.В., автор благодарит за ценные советы, участие на различных этапах работы диссертации, поддержку, отзывчивость, предоставление проб листьев тополя и к.г.-м.н. Ляпиной Е.Е. за помощь в освоении работы на ртутном анализаторе, консультацию, поддержку и предоставление отобранных проб керна тополя с территории Тункинской котловины. За помощь и ценные советы автор приносит благодарность к.г-
Робертусу Ю.В. |, д. ф.-м. н. Рапуте В.Ф. Автор благодарен за советы и поддержку к.х.н., Осиповой Н.А., а также всем сотрудников отделения геологии Томского Политехнического университета за рекомендации направленные на написание и доработку диссертации. За помощь в пробоотборе древесного керна и
12 пробоподготовке, автор приносит благодарность студентам отделения геологии Томского Политехнического университета, Павловой А.А., Матвиенко Я.С..
Всем сотрудникам и студентам отделения геологии, автор благодарен за предоставление проб листьев тополя отобранных на урбанизированных территориях Сибири и Дальнего Востока.
токсичностью, способностью накапливаться в трофических цепочках водных и континентальных биоценозов, а также считается одним из наиболее опасных глобальных загрязнителей окружающей среды, оказывающих негативное воздействие на любые живые организмы (Гладышев, 1974; Сает, 1990; Иванов, 1997; Буренков, 2000; Антипов, 2002; Добровольский, 2003; Ляпина, 2012; Fitzgerald, 2014; Grandjean, 2017).
Токсичный элемент применялся человеком для своих нужд еще с древних времен, но началом антропогенных загрязнений ртутью, по результатам анализа состава донных отложений озера Уиндермир (Англия), считают XVI век н.э. (Bowen, 1979).
Ртуть является своеобразным показателем антропогенной нагрузки на территории, в связи с ее поступлением в окружающую среду с промышленными выбросами в атмосферу, сбросами в водную среду, работой транспорта, отходами предприятий, цветной металлургии, химпроизводства,
теплоэнергетики, машиностроения, производства минеральных удобрений. (Сауков, 1946; Янин, 1992; Таусон, 1995; Маликова, 2003; Ляпина, 2012; Гордеева, 2012; Осипова 2015; Барановская, 2015; Юсупов, 2018, Таций, 2020 и др.). На данный момент, большая часть ртути используется в химической промышленности и в производстве люминесцентных ламп, ртутных термометров. Следует отметить, что ртуть поступающая в атмосферу от предприятий, использующих ее в технологических процессах (целевое), составляет 13% от общего объема поступления в атмосферу (хлорно-щелочное производство, производство винилхлоридмономера (ВХМ), добыча золота (амальгация), производство термометров, источников освещения и тд.). Большая часть (77%) поступления ртути в воздух приходится на источники, где элемент является нежелательной примесью в составе перерабатываемого сырья (электроэнергетика (уголь), нефтепереработка и использование нефтепродуктов, производство цинка, свинца никеля, меди и других металлов, производство цемента и извести). Остальная часть (10%), связана с утилизацией отходов (сжигание отходов, размещение на полигонах, осадок сточных вод) (Lassen, 2005).
Токсичный элемент может иметь и природные источники поступления. Анализ литературных данных (Коваль, 2005; Гребенщикова, 2019) указывает на повышение концентраций ртути в воде оз. Байкал в периоды стихийных бедствий, таких как: землетрясения, ураганы, наводнения, штормы и тд. В периоды отсутствия катаклизм отмечается низкое содержание ртути в экосистеме озера (<0,0005 мкг/л), но в периоды землетрясений концентрация увеличивается в 3-5 раз.
В Российской Федерации крупномасштабных федеральных проектов направленных на инвентаризацию источников ртутного загрязнения окружающей среды, не выполнялось, хотя токсичный элемент нормативно определен в разных компонентах окружающей среды как вещество 1 класса опасности (по ГОСТ 17.4.1.02-83), что влечет за собой необходимость осуществлять экологический мониторинг и изучение интенсивности ртутного загрязнения урбанизированных территорий. Особое внимание уделяется методам экологической оценки компонентов окружающей среды в крупных промышленных центрах. Одним из таких методов является биогеохимическая индикация, основанная на исследованиях загрязнения воздуха, почвы и растительного покрова урбанизированных территорий химическими элементами и их соединениями с использованием различных биологических объектов, в том числе растений (Сабинин, 1955; Москаленко, 1991; Игнатьева, 2005; Маликова, 2008; Ляпина, 2009; Кашин, 2009; Азовский, 2010; Рогова, 2011; Гусев, 2012; Гордеева, 2012; Страховенко, 2012; Густайтис, 2016; Межибор, 2017; Рапута, 2017; Юсупов,2018, Ермаков, 2018; Сысо, 2018; Якубович, 2018; Робертус, 2018; Пахорукова, 2019; Барановская, 2020; Рихванов, 2020 и др.). Широкое использование методов биогеохимического районирования избытка или недостатка химических элементов в окружающей среде на территории России получили благодаря работам В.И. Вернадского и его последователей (Виноградов, 1952; Вернадский, 1959,1983,1994). Полученные с применением растений концентраторов химических элементов результаты, говорят о высокой эффективности применения биогеохимического метода в изучении геоэкологических проблем (Голубев, 2019). Проведенные нами исследования накопления ртути в листьях и кернах тополя позволяют оценить содержание поллютанта в приземном атмосферном воздухе в течение сезона и выявить источники загрязнения.
Объектами исследований служат листья и годовые кольца деревьев рода тополь, отобранные на урбанизированных территориях Сибири и некоторых отдельных городов Дальнего Востока, предметом исследования является изучение концентрации и динамики поступления ртути в указанных объектах.
Цель работы - установление ориентировочных значений среднего содержания ртути в деревьях рода тополь на современных урбанизированных территориях и выявление их индикаторных особенностей.
Основные задачи работы:
1. Определение характера распределения ртути в сухой массе листьев древесных растений рода тополь в зависимости от ряда факторов: высоты отбора пробы, ориентации дерева относительно источника загрязнения, вида дерева и сезона;
2. Проведение эколого-геохимической оценки ртутной нагрузки на урбанизированные территории Сибири и Дальнего Востока по результатам анализа сухой массы листьев деревьев рода тополь и изучение влияния техногенеза на концентрацию ртути;
3. Установление динамики поступления ртути в годичные кольца деревьев рода тополь от природного и антропогенного источников.
Фактический материал и методы исследования.
В основу работу входят результаты, обобщенные автором по пробам, отобранным сотрудниками отделения геологии Национального
исследовательского Томского политехнического университета в период с 2014 по 2019 гг., в том числе при личном участии автора в период с 2015 по 2020гг. Основу составляют данные, полученные лично автором по изучению содержания ртути в древесных растениях, а именно, в более 1200 пробах листьев тополя и 15 кернах (720 годичных колец) на урбанизированных территориях Сибири и отдельных территориях Дальнего Востока. Пробы листьев отбирались по равномерной сети, охватывающей большую часть исследуемой территории города или вдоль трасс между городами. Отобраны дополнительные пробы для изучения: видовой специфики концентрирования ртути, влияния вегетационного периода, распределения ртути по кроне дерева.
Для исследования динамики накопления ртути от природных и техногенных источников в древесных растениях, был отобран керн тополя в период 2017-2018 гг.:
- на территории Тункинской котловины в 11 точках, расположенных вблизи населенных пунктов (514 проб годичных колец);
- на территории г. Новосибирск в 4 точках, расположенных на разном удалении от источника ртутного загрязнения (206 проб годичных колец) с параллельным отбором проб почв.
Общее количество проанализированных проб, включая листья, годичные кольца и почву, составило -2006 шт.
Пробоподготовка листьев включала в себя: высушивание при комнатной температуре и ручное измельчение. Керны после просушки были зачищены, отшлифованы, маркированы и разделены на отдельные годичные кольца. Маркировка колец проводилась при помощи прибора LINTAB (514 проб годичных колец) лаборатории дендроэкологии Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН (г. Томск). Все пробы были проанализированы при помощи ртутного анализатора «РА-915+» с приставкой «ПИРО-915+» методом атомной абсорбции в лаборатории микроэлементного анализа в составе Международного инновационного научнообразовательного центра «Урановая геология» при отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов (ИТТТПР) Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ). Были определены формы ртути в 23 пробах отобранные в г.Новосибирск, так-как именно формы нахождения ртути определяют степень токсичности элемента и негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. Анализ проведен на ртутном анализатора «РА-915+» с приставкой «ПИРО-915+» методом термодесорбции на разных температурных режимах.
Достоверность защищаемых положений
Для достоверности результатов была применена отработанная методика отбора проб (Зырин, 1981), проведена обработка полученного материала статистическими методами анализа и изучена литература по тематике исследования. Также, проводился внешний и внутренний лабораторный контроль. Внешний контроль заключался в проведении дополнительного анализа в количестве 3% от общего объема проб в сторонней организации (Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева (ИГМ СО РАН)). Внутрилабораторный контроль проводился как повторный анализ проб с зашифрованными номерами в количестве 15 % от общего объема ранее
проанализированных проб.
Научная новизна.
1. Проведен ряд опытно-методических исследований направленных на изучение влияния различных факторов (высота кроны, ориентация относительно источника загрязнения, вегетационный период, видовая принадлежность) на изменения концентрирования токсичного элемента в листьях деревьев рода тополь;
2. Проведена оценка ртутной нагрузки и установлен средний уровень содержания ртути в листьях тополя для урбанизированных территорий Сибири и городов Дальнего Востока. Выявлены территории с повышенным валовыми концентрациями ртути и определены возможные источники загрязнения. Получены данные, отражающие современное состояние загрязнения компонентов окружающей среды;
3. Установлена динамика накопления ртути на сейсмически активной территории Тункинской котловины. Прослежена связь между датами крупных и мелких землетрясений и валовым содержанием ртути в годовых кольцах деревьев рода тополь.
Практическая значимость работы.
1. Данные могут быть использованы при дальнейшей оценке современного экологического состояния урбанизированных территорий и эмиссии ртути в атмосферу;
2. Результаты исследований могут представлять интерес для организаций экологического контроля;
3. Материалы диссертации могут быть использованы в учебных курсах «Геоэкология», «Геохимия живого вещества», «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании» при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» в отделении геологии ИШПР ТПУ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Среднее содержание ртути в листьях тополя на урбанизированных территориях Сибири составляет 25±2,9 нг/г. На концентрирование элемента влияет сезонный фактор (от 601 нг/г до 2425 нг/г) с максимальным концентрированием в опаде в виде свободной формы, высота кроны дерева (от 776 нг/г до 1697 нг/г), ориентация относительно источника техногенной эмиссии ртути и не оказывает существенного влияния видовая принадлежность.
2. На территории Сибири и Дальнего Востока повышенные и высокие концентрации ртути в листьях тополя приурочены к зонам ее добычи и переработки и представляют колебания среднего содержания от 41 до 246 нг/г, что превышает среднее значение по всей выборке в 2-10 раз.
3. Дендрогеохимические данные по содержанию ртути в годовых кольцах тополя применимы как для анализа пространственно-временных закономерностей ее распределения на территориях нахождения источников техногенного загрязнения окружающей среды (на примере АО «НЗХК»), так и для оценки уровня природной эмиссии ртути в приземную атмосферу при крупных и средних землетрясениях (на примере Тункинской котловины).
Апробация результатов.
Основные результаты исследований по теме диссертации были рассмотрены на XXI, XXII, XXIII, XXIV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск 2017, 2018, 2019, 2020); Всероссийской научной конференции и школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов «Ртуть и другие тяжелые металлы в экосистемах. Современные методы исследования содержания тяжелых металлов в окружающей среде» (Череповец, 2018); XXII, XXIII Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск 2017, 2018); Всероссийской
конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии - 2018» (Иркутск, 2018); Международной научно-практической конференции, посвященной памяти чл.-корр. РАН А.Н. Антипова «Географические основы и экологические принципы региональной политики природопользования» (Иркутск, 2019); XXV, XXVI конференции «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2018, 2019);
Всероссийской конференции XIII Сибирского совещания и школы молодых ученых по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2019), Научнопрактической конференции с международным участием «Современные проблемы гигиены, токсикологии и медицины труда», посвященной 90-летию образования ФБУН «Новосибирский НИИ гигиены» Роспотребнадзора (Новосибирск, 2020).
Публикации
Опубликовано 24 работы по материалам диссертации: 2 статьи в журнале, входящем в перечень ВАК, 2 статьи в журналах, входящих в базу Scopus, 2 публикации в материалах конференций на английском языке входящих в базу Scopus.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы. Результаты изложены на 140 страницах и содержат 42 рисунков и 10 таблиц.
Список литературы включает в себя 345 наименований, 80 из которых на иностранном языке.
Личный вклад диссертанта заключается в отборе проб листьев в городах Зима, Саянск, Усолье-Сибирское и участии в отборе проб листьев, почвы и керна в г. Новосибирск, а так же в обобщении материалов и подготовке и проведении анализа на содержание ртути проб, отобранных сотрудниками отделения геологии ТПУ по городам Сибири и Дальнего Востока. Автором самостоятельно проведена пробоподготовка листьев и годичных колец тополя, исследования на ртутном анализаторе, статистическая обработка результатов, построение графиков и карт ореолов распространения ртути на урбанизированных территориях, формулировка защищаемых положений.
Благодарности. Автор выражает огромную благодарность и признательность научному консультанту, безвременно ушедшему профессору отделения геологии Томского Политехнического университета, д.г.-
Рихванову Л.П. за ценные советы, поддержу, помощь на всех этапах диссертации, индивидуальный подход и прививание интереса к научной работе. Признательность и благодарность автор выражает, научному руководителю профессору отделения геологии Томского Политехнического университета, д.б.н. Барановской Н.В. за отзывчивость, терпение, ценные советы и помощь в написании работы. Так же, к.г.-м.н Юсупова Д.В., автор благодарит за ценные советы, участие на различных этапах работы диссертации, поддержку, отзывчивость, предоставление проб листьев тополя и к.г.-м.н. Ляпиной Е.Е. за помощь в освоении работы на ртутном анализаторе, консультацию, поддержку и предоставление отобранных проб керна тополя с территории Тункинской котловины. За помощь и ценные советы автор приносит благодарность к.г-
Робертусу Ю.В. |, д. ф.-м. н. Рапуте В.Ф. Автор благодарен за советы и поддержку к.х.н., Осиповой Н.А., а также всем сотрудников отделения геологии Томского Политехнического университета за рекомендации направленные на написание и доработку диссертации. За помощь в пробоотборе древесного керна и
12 пробоподготовке, автор приносит благодарность студентам отделения геологии Томского Политехнического университета, Павловой А.А., Матвиенко Я.С..
Всем сотрудникам и студентам отделения геологии, автор благодарен за предоставление проб листьев тополя отобранных на урбанизированных территориях Сибири и Дальнего Востока.
На исследованных урбанизированных территориях Сибири и Дальнего Востока было рассчитано среднее значение ртути в сухой массе листьев тополя, по всей выборке которое составило 25 нг/г. Относительно полученного значения выделены территории с повышенными содержаниями ртути, в число которых вошли: Акташ, Новосибирск, Шелехов, Славгород, Яровое, Северск, Усолье- Сибирское, Краснокаменск, Барнаул, Омск, Комсомольск-на-Амуре, Владивосток, Бийск, Красноярск, Зима, Новокузнецк.
В крупном промышленном центре Иркутской области, г.Шелехов, обнаружен ореол с повышенными содержаниями ртути вблизи несанкционированной свалки и двух автомагистралей с максимальной концентрацией - 264 нг/г. Г. Усолье-Сибирское, г. Саянск, г. Зима, расположенные в Северо-западной части Иркутской области, подвержены влиянию деятельности крупных химических предприятий.
В г. Славгород и г. Яровое (Алтайский край) повышенные содержания ртути в листьях тополя связаны с существующими локальными источниками и трансграничным переносом с Павлодарской области (Республика Казахстан).
В зоне влияния Акташского горно-металлургического предприятия (Г орный Алтай) концентрации ртути в листьях тополя в 10 раз превышают среднее значение по всей выборке исследованных городов. Максимальное значение установлено в пос. Акташ.
Обнаружены высокие концентрации ртути в листьях тополя в северовосточной части г. Новосибирск. Результаты повторного опробования территории с выявленными высокими содержаниями ртути в сухой массе листьев тополя, указали на наличие ореола в зоне влияния Новосибирского завода химконцентратов (НЗХК).
Анализ распределения концентраций ртути по кроне дерева и относительно его ориентации к источнику, указал на превышение содержания элемента в среднем в 1.5 раза с наветренной стороны. На расстоянии 2-3 метра от подстилающей поверхности, рекомендованной высоте отбора проб, отмечается повышенная концентрация и незначительные различия в содержания ртути. Исследования видовой специфики концентрирования ртути в листьях деревьев рода тополь, показало допустимость использования в анализе разных видов тополя при соблюдении равных условий пробоотбора. Изменчивость содержаний ртути в листьях тополя в течении вегетационного периода указывает на накопление элемента.
Использование дендрогеохимического метода позволило проследить динамику поступления ртути в годовые кольца тополя и выявить периоды наибольшей ртутной нагрузки на территорию г. Новосибирск вблизи предприятия ядерно-топливного цикла. Период с 1987г. характеризуется понижением валовых концентраций ртути по настоящее время.
При помощи годовых колец деревьев рода тополь, отобранных на территории Тункинской котловины (Иркутская область) зафиксирована ртутная дегазация Земли («ртутное дыхание») в период активации разломов. Максимальные концентрации ртути в годовых кольцах приходятся на пики соответствующие, либо предшествующие датам землетрясений.
Выводы
1. Проведена сравнительная оценка накапливания ртути сухой массе листьев деревьев рода тополь на урбанизированных территориях Сибири и Дальнего Востока. Результат свидетельствует о неоднородном характере концентрации элемента.
2. Установлены особенности распределения ртути в зависимости от
вегетационного периода, вида тополя, высоты отбора проб, стороны кроны.
3. Выявлено влияние специфики производства (литиевое, горнорудное, химическое) на концентрацию ртути в листьях деревьев рода тополь.
4. Изучены особенности концентрирования элемента в годичных кольцах деревьев рода тополь. Зафиксирована ртутная дегазация Земли («ртутное дыхание») в период активации разломов.
В крупном промышленном центре Иркутской области, г.Шелехов, обнаружен ореол с повышенными содержаниями ртути вблизи несанкционированной свалки и двух автомагистралей с максимальной концентрацией - 264 нг/г. Г. Усолье-Сибирское, г. Саянск, г. Зима, расположенные в Северо-западной части Иркутской области, подвержены влиянию деятельности крупных химических предприятий.
В г. Славгород и г. Яровое (Алтайский край) повышенные содержания ртути в листьях тополя связаны с существующими локальными источниками и трансграничным переносом с Павлодарской области (Республика Казахстан).
В зоне влияния Акташского горно-металлургического предприятия (Г орный Алтай) концентрации ртути в листьях тополя в 10 раз превышают среднее значение по всей выборке исследованных городов. Максимальное значение установлено в пос. Акташ.
Обнаружены высокие концентрации ртути в листьях тополя в северовосточной части г. Новосибирск. Результаты повторного опробования территории с выявленными высокими содержаниями ртути в сухой массе листьев тополя, указали на наличие ореола в зоне влияния Новосибирского завода химконцентратов (НЗХК).
Анализ распределения концентраций ртути по кроне дерева и относительно его ориентации к источнику, указал на превышение содержания элемента в среднем в 1.5 раза с наветренной стороны. На расстоянии 2-3 метра от подстилающей поверхности, рекомендованной высоте отбора проб, отмечается повышенная концентрация и незначительные различия в содержания ртути. Исследования видовой специфики концентрирования ртути в листьях деревьев рода тополь, показало допустимость использования в анализе разных видов тополя при соблюдении равных условий пробоотбора. Изменчивость содержаний ртути в листьях тополя в течении вегетационного периода указывает на накопление элемента.
Использование дендрогеохимического метода позволило проследить динамику поступления ртути в годовые кольца тополя и выявить периоды наибольшей ртутной нагрузки на территорию г. Новосибирск вблизи предприятия ядерно-топливного цикла. Период с 1987г. характеризуется понижением валовых концентраций ртути по настоящее время.
При помощи годовых колец деревьев рода тополь, отобранных на территории Тункинской котловины (Иркутская область) зафиксирована ртутная дегазация Земли («ртутное дыхание») в период активации разломов. Максимальные концентрации ртути в годовых кольцах приходятся на пики соответствующие, либо предшествующие датам землетрясений.
Выводы
1. Проведена сравнительная оценка накапливания ртути сухой массе листьев деревьев рода тополь на урбанизированных территориях Сибири и Дальнего Востока. Результат свидетельствует о неоднородном характере концентрации элемента.
2. Установлены особенности распределения ртути в зависимости от
вегетационного периода, вида тополя, высоты отбора проб, стороны кроны.
3. Выявлено влияние специфики производства (литиевое, горнорудное, химическое) на концентрацию ртути в листьях деревьев рода тополь.
4. Изучены особенности концентрирования элемента в годичных кольцах деревьев рода тополь. Зафиксирована ртутная дегазация Земли («ртутное дыхание») в период активации разломов.
