Помощь студентам в учебе
БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО И УРАНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРОИЗВОДСТВ НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ ТЕРРИТОРИИ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ЛИСТЬЕВ ТОПОЛЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА:
КРИТЕРИИ, ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 12
1.1 Техногенные геохимические системы 13
1.1.1 Техногенез горнопромышленных территорий 14
1.1.2 Техногенез промышленно-урбанизированых территорий 16
1.1 Минеральные частицы аэрозолей и их влияние на здоровье человека 17
1.2 Воздействие токсичных веществ аэрозолей на растительность 21
1.3 Элементный состав тканей древесной растительности как отражение
техногенеза 23
1.4 Минеральный состав тканей растений как отражение техногенеза 30
1.4.1 Минералы кальция 30
1.4.2 Минералы других элементов в тканях растений 34
1.4.3 Функциональное значение процесса кальцификации в растительных
тканях 38
1.5 Барьерная функция поверхности листовой пластины древесных растений .. 39
ГЛАВА 2 ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИЙ
ИССЛЕДОВАНИЯ 45
2.1 Влияние алюминиевых заводов на эколого-геохимическую обстановку
прилегающих территорий 45
2.2 Влияние уранодобывающего предприятий на эколого-геохимическую
обстановку прилегающих территорий 54
ГЛАВА 3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 63
3.1 Методика проведения полевых работ 63
3.2 Лабораторные методы исследований 65
3.2.1 Пробоподготовка 65
3.2.2 Методы определения элементного состава 66
3.2.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) 66
3.2.2.2 Определение фтора 67
3.2.3 Методы изучения форм нахождения элементов 68
3.2.3.1 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) 68
3.2.3.2 Энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия 71
3.2.3.3 Рентгеновская дифрактометрия 72
3.2.3.4 Авторадиография 73
3.3 Методы обработки аналитической информации 74
3.3.1 Методы математической обработки 74
ГЛАВА 4 БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ
АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДОВ НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ ТЕРРИТОРИИ 76
ГЛАВА 5 ОБРАЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ МИНЕРАЛОВ 89
В ЛИСТЬЯХ ТОПОЛЯ 89
5.1 Образование фторида кальция 89
5.2 Образование сульфата кальция 95
5.3 Биогеохимический кальциевый барьер 97
ГЛАВА 6 БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ
УРАНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ
ТЕРРИТОРИИ 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГЛАВА 1. БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ТЕХНОГЕНЕЗА:
КРИТЕРИИ, ОБЪЕКТЫ, УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 12
1.1 Техногенные геохимические системы 13
1.1.1 Техногенез горнопромышленных территорий 14
1.1.2 Техногенез промышленно-урбанизированых территорий 16
1.1 Минеральные частицы аэрозолей и их влияние на здоровье человека 17
1.2 Воздействие токсичных веществ аэрозолей на растительность 21
1.3 Элементный состав тканей древесной растительности как отражение
техногенеза 23
1.4 Минеральный состав тканей растений как отражение техногенеза 30
1.4.1 Минералы кальция 30
1.4.2 Минералы других элементов в тканях растений 34
1.4.3 Функциональное значение процесса кальцификации в растительных
тканях 38
1.5 Барьерная функция поверхности листовой пластины древесных растений .. 39
ГЛАВА 2 ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИЙ
ИССЛЕДОВАНИЯ 45
2.1 Влияние алюминиевых заводов на эколого-геохимическую обстановку
прилегающих территорий 45
2.2 Влияние уранодобывающего предприятий на эколого-геохимическую
обстановку прилегающих территорий 54
ГЛАВА 3 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 63
3.1 Методика проведения полевых работ 63
3.2 Лабораторные методы исследований 65
3.2.1 Пробоподготовка 65
3.2.2 Методы определения элементного состава 66
3.2.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) 66
3.2.2.2 Определение фтора 67
3.2.3 Методы изучения форм нахождения элементов 68
3.2.3.1 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) 68
3.2.3.2 Энергодисперсионная рентгеновская спектрометрия 71
3.2.3.3 Рентгеновская дифрактометрия 72
3.2.3.4 Авторадиография 73
3.3 Методы обработки аналитической информации 74
3.3.1 Методы математической обработки 74
ГЛАВА 4 БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ
АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАВОДОВ НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ ТЕРРИТОРИИ 76
ГЛАВА 5 ОБРАЗОВАНИЕ ВТОРИЧНЫХ МИНЕРАЛОВ 89
В ЛИСТЬЯХ ТОПОЛЯ 89
5.1 Образование фторида кальция 89
5.2 Образование сульфата кальция 95
5.3 Биогеохимический кальциевый барьер 97
ГЛАВА 6 БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ
УРАНОДОБЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИЛЕГАЮЩИЕ
ТЕРРИТОРИИ 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Актуальность работы. В условиях урбанизации и стремительного развития промышленности происходит изменение химического состава природных компонентов всех геосферных оболочек Земли. На урбанизированных и горнопромышленных территориях обостряются геоэкологические проблемы (Ревич, 2008). В.И. Вернадский и его последователи разработали и развили методы биогеохимического районирования, с помощью которых выделены территории с избытком или недостатком химических элементов (Вернадский, 1939, 1940;
Ковальский, 1974; Петрунина, 2000; Ермаков, 2013; Коробова, 2016). А.Е. Ферсман (1995) ввел понятие «техногенез» - геохимический процесс концентрации и рассеяния элементов вследствие промышленной деятельности человека.
В городах наиболее значимыми источниками загрязнения атмосферы являются крупные промышленные производства с их выбросами. Один из факторов техногенного преобразования природной среды - горнодобывающая промышленность, под воздействием которой происходит рост интенсивности миграции химических элементов (Недра России, 2002; Птицын, 2013). Так, алюминиевое производство сопряжено с техногенной эмиссией загрязняющих веществ в атмосферу вследствие использования устаревших технологий (Павлов, 1998, 2014; Танделов, 2012).
Особое место в загрязнении окружающей среды занимают процессы в атмосферном воздухе, оказывающие воздействие на биоту и организм человека. Установлена связь между загрязнением атмосферы и уровнем заболеваемости и смертности населения (Rajagopalan et al., 2018; Chen et al., 2019). Основная роль в загрязнении атмосферы принадлежит взвешенным частицам, наиболее опасными из которых являются частицы диаметром менее 10 мкм (Driscoll and Maurer, 1991; Кацнельсон и др., 1995; Skinner, 2007; Дорн и др., 2008; Голохваст, 2014). Их негативное воздействие на бронхолегочную систему человека включено в первую десятку факторов риска (Lim et al., 2013; Bai et al., 2020). На поверхности взвешенных частиц сорбируются другие аэрозоли, которые также могут быть токсичными для живых организмов. С целью исследования качества атмосферного воздуха используют широкий набор методов, контролирующих, главным образом, содержание и состав взвешенных микрочастиц (PM10), тогда как состав и генезис более мелких частиц остаются малоизученными.
Среди природных биомониторов ассимилирующие органы древесных растений рассматриваются как эффективный биогеохимический планшет, отражающий качество атмосферного воздуха (Есенжолова, 2013; Ялалтдинова, 2015). За счет большой площади листовой поверхности, размеров и количества устьиц (Ram et al., 2014) листва деревьев накапливает и поглощает значительное количество загрязняющих веществ, выступая механическим и биогеохимическим барьером (Алексеенко, 2006; Popek et al., 2013; Manes et al., 2016). Листья деревьев используются для определения геохимической специализации техногенных потоков вещества в воздушной среде (Барановская, 2011; Рихванов и др., 2015).
Работы В.А. Алексеенко, С.Б. Бортниковой, Н.В. Барановской, В.И. Гребенщиковой, В.П. Зверевой, В.В. Ермакова, Н.С. Касимова, Н.Е. Кошелевой, Е.М. Коробовой, М.С. Панина, Ю.Е. Саета, В.Н. Удачина, М.Д. Уфимцевой, Н.И. Янченко и многих других исследователей сыграли важную роль в становлении и развитии эколого-геохимических исследований компонентов окружающей среды на урбанизированных и горнопромышленных территориях.
В ходе многолетних исследований, проводимых под руководством профессоров д.г.-м.н. Л.П. Рихванова и д.г.-м.н. Е.Г. Язикова, коллективом ученых Томского политехнического университета (ТПУ) наработан опыт в проведении комплексных эколого-геохимических исследований, которые включают исследования территорий городов, отдельных предприятий, рудников. В ходе работ установлен многофакторный характер загрязнения промышленноурбанизированных территорий. Продолжаются работы по систематизации и обобщению полученной информации о составе антропогенных аэрозолей на территории городов Сибири (Е.Г. Язиков, А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Т.С. Шахова), механизмах их поступления и преобразования, что обусловливает актуальность настоящего исследования.
Цель работы заключается в биогеохимической оценке влияния техногенных выбросов алюминиевого и уранодобывающего производств на прилегающие территории на основе анализа вещественного состава листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить вещественный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности в зоне техногенного воздействия выбросов алюминиевых заводов;
- установить пространственное распределение элементов-индикаторов техногенных выбросов алюминиевых заводов с учетом розы ветров;
- выявить механизмы образования индикаторных вторичных минеральных фаз в листьях тополя в районах размещения алюминиевого производства;
- изучить вещественный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности на территории с уранодобывающим производством;
- установить пространственное распределение элементов-индикаторов воздействия промышленных объектов уранодобывающего производства;
- определить формы нахождения и пути поступления урана в листья тополя в зоне влияния уранодобывающего предприятия.
Основные защищаемые положения:
1. На территориях размещения алюминиевых заводов листья тополя накапливают специфические химические элементы и минеральные фазы, отражающие особенности технологии производства. Элементами-индикаторами техногенного воздействия являются Al, Na, Ca, F и их минеральные ассоциации. Высокие концентрации F фиксируются в двухкилометровой зоне, F-содержащие минеральные фазы - до 10 км.
2. В зоне влияния алюминиевых заводов в устьицах листьев тополя формируется биогеохимический кальциевый барьер, где происходит нейтрализация кислотообразующих компонентов выбросов - фтористого водорода и диоксида серы, с образованием вторичных минералов - фторида кальция и сульфата кальция.
3. Пространственное распределение повышенных концентраций урана в листьях тополя на территории размещения предприятий уранодобывающего производства определяется ветровым переносом минеральных частиц. Минералогическими индикаторами его влияния являются микроразмерные частицы оксида урана.
Фактический материал и методы исследований. В основе работы - результаты, полученные автором в период обучения в магистратуре и аспирантуре (с 2015 г. по 2020 г.) в отделении геологии (ОГ) инженерной школы природных ресурсов (ИТТII1Р) Томского политехнического университета (ТПУ). Доработка полученного фактического материала и написание диссертации осуществлялись автором в ИГиП ДВО РАН (с 2020 г. по 2021 г.).
Пробы листьев тополя (всего 176) отбирали в период 2014 - 2017 гг. на территории 6 городов: с алюминиевым (Красноярск, Братск, Шелехов, Новокузнецк и Саяногорск) и уранодобывающим (Краснокаменск) производствами в конце августа - начале сентября в соответствии с методическими рекомендациями (Зырин и Малахов, 1981; Алексеенко, 2000).
Пробоподготовку проводили методом сухой минерализации по ГОСТ 26929-94. Химический состав листьев определяли методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) в ядерно-геохимической лаборатории на ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ (аналитик А.Ф. Судыко).
Химический состав минеральных частиц изучали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N с энергодисперсионным спектрометром Bruker XFlash 5010 в МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова (ОГ ИТПР ТПУ). Исследования проводили в режиме низкого вакуума с применением детектора обратно рассеянных электронов (BSE).
Рентгенофазовый анализ минерального состава золы листьев выполнен с использованием дифрактометра Bruker «D2 Phaser» в МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова (ОГ ИШПР ТПУ) (аналитик к.г.-м.н. Б.Р. Соктоев). Валовое содержание фтора в листьях определяли ионоселективным методом в Институте почвоведения СО РАН (аналитик к.б.н. В.В. Демин).
Для определения механизма поступления в листья и формы нахождения U использовали метод авторадиографии на кафедре радиохимии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (аналитик к.г.-м.н. А.С. Торопов).
Научная новизна. На территории городов с алюминиевыми заводами установлены особенности распределения, формы нахождения элементов и минеральных частиц на поверхности листьев тополя в зависимости от технологии алюминиевого производства.
Впервые описаны механизмы образования вторичных минералов - фторида кальция и сульфата кальция - в устьицах листьев тополя и формирования кальциевого биогеохимического барьера, нейтрализующего токсичные кислотообразующие компоненты - фтористый водород и диоксид серы - выбросов алюминиевого производства.
Установлено, что в зоне влияния уранодобывающего производства индикаторными минеральными частицами являются мелкоразмерные частицы урана. Доказан их ветровой перенос.
Практическая значимость. Выявленные особенности химического и минерального составов листьев, а также элементный состав минеральных частиц на их поверхности позволяют определять границы зон воздействия алюминиевых заводов и уранодобывающих предприятий, а также оценивать воздействие неаварийных выбросов предприятий на компоненты окружающей среды. Эта информация может быть использована при проведении геоэкологического и биогеохимического мониторингов качества окружающей среды на урбанизированных и горнопромышленных территориях.
Предложено включить листья тополя в сети мониторинга территорий в качестве биогеохимического сезонного планшета для оценки качества приземного атмосферного воздуха.
Полученные результаты используются в лекциях и на практических занятиях учебных курсов «Геоэкология», «Основы биоминералогии», «Ядерно- физические и электронно-микроскопические методы исследования вещества» основной образовательной программы магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование» в ОГ ИШПР ТПУ.
Личный вклад автора заключался в постановке цели и задач исследования, в обосновании и выборе методов исследования, а также в непосредственном выполнении комплекса исследовательских работ - самостоятельной пробоподготовке ко всем видам анализа, планировании экспериментальных исследований. Автор лично провел изучение вещественного состава образцов методами электронно-микроскопического анализа. Автором лично выполнен аналитический обзор отечественной и зарубежной научной литературы по изученной проблеме; сформулированы и согласованы с научным руководителем защищаемые положения и выводы; составлены базы данных минерального и химического составов изучаемых объектов; проведена статистическая обработка данных, их интерпретация, построены картосхемы биогеохимических ореолов.
Достоверность защищаемых положений обеспечена глубокой проработкой научной литературы по теме исследования; представительным количеством проб, большим массивом фактических данных, полученных с помощью прецизионных методов анализа на современном оборудовании в аккредитованных лабораториях; апробацией результатов работы на научных симпозиумах, конференциях, семинарах, а также публикацией результатов исследования в рецензируемых периодических изданиях.
Апробация работы. Основные результаты исследования апробированы на научных симпозиумах и конференциях: Международном симпозиуме студентов и молодых ученых им. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018, 2019, 2020, 2021); Всероссийской конференции молодых ученых
«Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2018); Всероссийской научнопрактической конференции (Москва, 2018); VI International Symposium «Biogenic - abiogenic interactions in natural and anthropogenic systems» (Санкт-Петербург, 2018); «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии» (Сыктывкар, 2018); Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования»
(Екатеринбург, 2019); XV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2021); XXI региональной научнопрактической конференции «Молодежь XXI века - шаг в будущее» (Благовещенск, 2021); VI Международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2021).
Публикации. Основное содержание и научные положения диссертации изложены в 17 публикациях, в том числе: 5 статьях в журналах перечня ВАК, из них 3 индексируемые в Web of Science и Scopus.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность научному руководителю - д.г.-м.н., профессору рихванову Л.П.| за научное сопровождение, ценные советы, поддержку, внимание и всестороннюю помощь. Автор выражает признательность и благодарность к.г.-м.н., доценту Юсупову Д.В. за незаменимые советы, мотивацию, помощь на всех этапах реализации работы и доведении ее до логического завершения. Автор благодарен к.г.-м.н. Ильенку С.С. за помощь в освоении методов электронной микроскопии; к.г.-м.н. Соктоеву Б.Р. и к.х.н., доценту Осиповой Н.А. за помощь в проведении аналитических исследований. Автор признателен исполнителям аналитических исследований Судыко А.Ф., Богутской Л.В., к.г.-м.н. Торопову А.С., к.б.н. Демину В.В. Автор благодарит сотрудников, магистрантов и аспирантов отделения геологии ИШПР ТПУ за внимание и интерес к этой работе. Автор глубоко признателен и благодарен к.б.н. Павловой Л.М. (ИГиП ДВО РАН) за поддержку и всестороннюю помощь.
Основное содержание работы
Структура диссертации включает введение, 6 глав и заключение. Объем работы составляет 159 страниц, в том числе 13 таблиц и 29 рисунков; список литературы состоит из 423 источников.
Во введении обозначена актуальность исследования, цель, задачи, научная и практическая значимость работы, личный вклад автора. В главе 1 осуществлен анализ современных научных данных, касающихся техногенных систем, состава атмосферных взвесей, их влияния на здоровье человека, растительность, сведений о минералах на поверхности и внутри тканей растений. В главе 2 приведена краткая эколого-геохимическая характеристика территорий исследования с алюминиевым и уранодобывающим производствами. В главе 3 описаны материалы и методы исследования. В главе 4 охарактеризован элементный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности на территориях с алюминиевым производством. В главе 5 рассматриваются механизмы образования вторичных минералов в листьях тополя в зоне воздействия выбросов алюминиевого производства. Глава 6 посвящена анализу содержания урана и форм его нахождения в листьях тополя на территории с уранодобывающим производством. Основные выводы представлены в заключении.
Ковальский, 1974; Петрунина, 2000; Ермаков, 2013; Коробова, 2016). А.Е. Ферсман (1995) ввел понятие «техногенез» - геохимический процесс концентрации и рассеяния элементов вследствие промышленной деятельности человека.
В городах наиболее значимыми источниками загрязнения атмосферы являются крупные промышленные производства с их выбросами. Один из факторов техногенного преобразования природной среды - горнодобывающая промышленность, под воздействием которой происходит рост интенсивности миграции химических элементов (Недра России, 2002; Птицын, 2013). Так, алюминиевое производство сопряжено с техногенной эмиссией загрязняющих веществ в атмосферу вследствие использования устаревших технологий (Павлов, 1998, 2014; Танделов, 2012).
Особое место в загрязнении окружающей среды занимают процессы в атмосферном воздухе, оказывающие воздействие на биоту и организм человека. Установлена связь между загрязнением атмосферы и уровнем заболеваемости и смертности населения (Rajagopalan et al., 2018; Chen et al., 2019). Основная роль в загрязнении атмосферы принадлежит взвешенным частицам, наиболее опасными из которых являются частицы диаметром менее 10 мкм (Driscoll and Maurer, 1991; Кацнельсон и др., 1995; Skinner, 2007; Дорн и др., 2008; Голохваст, 2014). Их негативное воздействие на бронхолегочную систему человека включено в первую десятку факторов риска (Lim et al., 2013; Bai et al., 2020). На поверхности взвешенных частиц сорбируются другие аэрозоли, которые также могут быть токсичными для живых организмов. С целью исследования качества атмосферного воздуха используют широкий набор методов, контролирующих, главным образом, содержание и состав взвешенных микрочастиц (PM10), тогда как состав и генезис более мелких частиц остаются малоизученными.
Среди природных биомониторов ассимилирующие органы древесных растений рассматриваются как эффективный биогеохимический планшет, отражающий качество атмосферного воздуха (Есенжолова, 2013; Ялалтдинова, 2015). За счет большой площади листовой поверхности, размеров и количества устьиц (Ram et al., 2014) листва деревьев накапливает и поглощает значительное количество загрязняющих веществ, выступая механическим и биогеохимическим барьером (Алексеенко, 2006; Popek et al., 2013; Manes et al., 2016). Листья деревьев используются для определения геохимической специализации техногенных потоков вещества в воздушной среде (Барановская, 2011; Рихванов и др., 2015).
Работы В.А. Алексеенко, С.Б. Бортниковой, Н.В. Барановской, В.И. Гребенщиковой, В.П. Зверевой, В.В. Ермакова, Н.С. Касимова, Н.Е. Кошелевой, Е.М. Коробовой, М.С. Панина, Ю.Е. Саета, В.Н. Удачина, М.Д. Уфимцевой, Н.И. Янченко и многих других исследователей сыграли важную роль в становлении и развитии эколого-геохимических исследований компонентов окружающей среды на урбанизированных и горнопромышленных территориях.
В ходе многолетних исследований, проводимых под руководством профессоров д.г.-м.н. Л.П. Рихванова и д.г.-м.н. Е.Г. Язикова, коллективом ученых Томского политехнического университета (ТПУ) наработан опыт в проведении комплексных эколого-геохимических исследований, которые включают исследования территорий городов, отдельных предприятий, рудников. В ходе работ установлен многофакторный характер загрязнения промышленноурбанизированных территорий. Продолжаются работы по систематизации и обобщению полученной информации о составе антропогенных аэрозолей на территории городов Сибири (Е.Г. Язиков, А.В. Таловская, Е.А. Филимоненко, Т.С. Шахова), механизмах их поступления и преобразования, что обусловливает актуальность настоящего исследования.
Цель работы заключается в биогеохимической оценке влияния техногенных выбросов алюминиевого и уранодобывающего производств на прилегающие территории на основе анализа вещественного состава листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить вещественный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности в зоне техногенного воздействия выбросов алюминиевых заводов;
- установить пространственное распределение элементов-индикаторов техногенных выбросов алюминиевых заводов с учетом розы ветров;
- выявить механизмы образования индикаторных вторичных минеральных фаз в листьях тополя в районах размещения алюминиевого производства;
- изучить вещественный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности на территории с уранодобывающим производством;
- установить пространственное распределение элементов-индикаторов воздействия промышленных объектов уранодобывающего производства;
- определить формы нахождения и пути поступления урана в листья тополя в зоне влияния уранодобывающего предприятия.
Основные защищаемые положения:
1. На территориях размещения алюминиевых заводов листья тополя накапливают специфические химические элементы и минеральные фазы, отражающие особенности технологии производства. Элементами-индикаторами техногенного воздействия являются Al, Na, Ca, F и их минеральные ассоциации. Высокие концентрации F фиксируются в двухкилометровой зоне, F-содержащие минеральные фазы - до 10 км.
2. В зоне влияния алюминиевых заводов в устьицах листьев тополя формируется биогеохимический кальциевый барьер, где происходит нейтрализация кислотообразующих компонентов выбросов - фтористого водорода и диоксида серы, с образованием вторичных минералов - фторида кальция и сульфата кальция.
3. Пространственное распределение повышенных концентраций урана в листьях тополя на территории размещения предприятий уранодобывающего производства определяется ветровым переносом минеральных частиц. Минералогическими индикаторами его влияния являются микроразмерные частицы оксида урана.
Фактический материал и методы исследований. В основе работы - результаты, полученные автором в период обучения в магистратуре и аспирантуре (с 2015 г. по 2020 г.) в отделении геологии (ОГ) инженерной школы природных ресурсов (ИТТII1Р) Томского политехнического университета (ТПУ). Доработка полученного фактического материала и написание диссертации осуществлялись автором в ИГиП ДВО РАН (с 2020 г. по 2021 г.).
Пробы листьев тополя (всего 176) отбирали в период 2014 - 2017 гг. на территории 6 городов: с алюминиевым (Красноярск, Братск, Шелехов, Новокузнецк и Саяногорск) и уранодобывающим (Краснокаменск) производствами в конце августа - начале сентября в соответствии с методическими рекомендациями (Зырин и Малахов, 1981; Алексеенко, 2000).
Пробоподготовку проводили методом сухой минерализации по ГОСТ 26929-94. Химический состав листьев определяли методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) в ядерно-геохимической лаборатории на ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ (аналитик А.Ф. Судыко).
Химический состав минеральных частиц изучали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Hitachi S-3400N с энергодисперсионным спектрометром Bruker XFlash 5010 в МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова (ОГ ИТПР ТПУ). Исследования проводили в режиме низкого вакуума с применением детектора обратно рассеянных электронов (BSE).
Рентгенофазовый анализ минерального состава золы листьев выполнен с использованием дифрактометра Bruker «D2 Phaser» в МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова (ОГ ИШПР ТПУ) (аналитик к.г.-м.н. Б.Р. Соктоев). Валовое содержание фтора в листьях определяли ионоселективным методом в Институте почвоведения СО РАН (аналитик к.б.н. В.В. Демин).
Для определения механизма поступления в листья и формы нахождения U использовали метод авторадиографии на кафедре радиохимии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова (аналитик к.г.-м.н. А.С. Торопов).
Научная новизна. На территории городов с алюминиевыми заводами установлены особенности распределения, формы нахождения элементов и минеральных частиц на поверхности листьев тополя в зависимости от технологии алюминиевого производства.
Впервые описаны механизмы образования вторичных минералов - фторида кальция и сульфата кальция - в устьицах листьев тополя и формирования кальциевого биогеохимического барьера, нейтрализующего токсичные кислотообразующие компоненты - фтористый водород и диоксид серы - выбросов алюминиевого производства.
Установлено, что в зоне влияния уранодобывающего производства индикаторными минеральными частицами являются мелкоразмерные частицы урана. Доказан их ветровой перенос.
Практическая значимость. Выявленные особенности химического и минерального составов листьев, а также элементный состав минеральных частиц на их поверхности позволяют определять границы зон воздействия алюминиевых заводов и уранодобывающих предприятий, а также оценивать воздействие неаварийных выбросов предприятий на компоненты окружающей среды. Эта информация может быть использована при проведении геоэкологического и биогеохимического мониторингов качества окружающей среды на урбанизированных и горнопромышленных территориях.
Предложено включить листья тополя в сети мониторинга территорий в качестве биогеохимического сезонного планшета для оценки качества приземного атмосферного воздуха.
Полученные результаты используются в лекциях и на практических занятиях учебных курсов «Геоэкология», «Основы биоминералогии», «Ядерно- физические и электронно-микроскопические методы исследования вещества» основной образовательной программы магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование» в ОГ ИШПР ТПУ.
Личный вклад автора заключался в постановке цели и задач исследования, в обосновании и выборе методов исследования, а также в непосредственном выполнении комплекса исследовательских работ - самостоятельной пробоподготовке ко всем видам анализа, планировании экспериментальных исследований. Автор лично провел изучение вещественного состава образцов методами электронно-микроскопического анализа. Автором лично выполнен аналитический обзор отечественной и зарубежной научной литературы по изученной проблеме; сформулированы и согласованы с научным руководителем защищаемые положения и выводы; составлены базы данных минерального и химического составов изучаемых объектов; проведена статистическая обработка данных, их интерпретация, построены картосхемы биогеохимических ореолов.
Достоверность защищаемых положений обеспечена глубокой проработкой научной литературы по теме исследования; представительным количеством проб, большим массивом фактических данных, полученных с помощью прецизионных методов анализа на современном оборудовании в аккредитованных лабораториях; апробацией результатов работы на научных симпозиумах, конференциях, семинарах, а также публикацией результатов исследования в рецензируемых периодических изданиях.
Апробация работы. Основные результаты исследования апробированы на научных симпозиумах и конференциях: Международном симпозиуме студентов и молодых ученых им. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2018, 2019, 2020, 2021); Всероссийской конференции молодых ученых
«Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2018); Всероссийской научнопрактической конференции (Москва, 2018); VI International Symposium «Biogenic - abiogenic interactions in natural and anthropogenic systems» (Санкт-Петербург, 2018); «Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии» (Сыктывкар, 2018); Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования»
(Екатеринбург, 2019); XV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2021); XXI региональной научнопрактической конференции «Молодежь XXI века - шаг в будущее» (Благовещенск, 2021); VI Международной конференции «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (Томск, 2021).
Публикации. Основное содержание и научные положения диссертации изложены в 17 публикациях, в том числе: 5 статьях в журналах перечня ВАК, из них 3 индексируемые в Web of Science и Scopus.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность научному руководителю - д.г.-м.н., профессору рихванову Л.П.| за научное сопровождение, ценные советы, поддержку, внимание и всестороннюю помощь. Автор выражает признательность и благодарность к.г.-м.н., доценту Юсупову Д.В. за незаменимые советы, мотивацию, помощь на всех этапах реализации работы и доведении ее до логического завершения. Автор благодарен к.г.-м.н. Ильенку С.С. за помощь в освоении методов электронной микроскопии; к.г.-м.н. Соктоеву Б.Р. и к.х.н., доценту Осиповой Н.А. за помощь в проведении аналитических исследований. Автор признателен исполнителям аналитических исследований Судыко А.Ф., Богутской Л.В., к.г.-м.н. Торопову А.С., к.б.н. Демину В.В. Автор благодарит сотрудников, магистрантов и аспирантов отделения геологии ИШПР ТПУ за внимание и интерес к этой работе. Автор глубоко признателен и благодарен к.б.н. Павловой Л.М. (ИГиП ДВО РАН) за поддержку и всестороннюю помощь.
Основное содержание работы
Структура диссертации включает введение, 6 глав и заключение. Объем работы составляет 159 страниц, в том числе 13 таблиц и 29 рисунков; список литературы состоит из 423 источников.
Во введении обозначена актуальность исследования, цель, задачи, научная и практическая значимость работы, личный вклад автора. В главе 1 осуществлен анализ современных научных данных, касающихся техногенных систем, состава атмосферных взвесей, их влияния на здоровье человека, растительность, сведений о минералах на поверхности и внутри тканей растений. В главе 2 приведена краткая эколого-геохимическая характеристика территорий исследования с алюминиевым и уранодобывающим производствами. В главе 3 описаны материалы и методы исследования. В главе 4 охарактеризован элементный состав листьев тополя и минеральных частиц на их поверхности на территориях с алюминиевым производством. В главе 5 рассматриваются механизмы образования вторичных минералов в листьях тополя в зоне воздействия выбросов алюминиевого производства. Глава 6 посвящена анализу содержания урана и форм его нахождения в листьях тополя на территории с уранодобывающим производством. Основные выводы представлены в заключении.
Исследование и анализ вещественного состава листьев тополя бальзамического, произрастающего на промышленно-урбанизированных и горнодобывающих территориях Сибири и Дальнего Востока, позволили выявить особенности формирования элементного состава, минеральные формы нахождения и распределения элементов в зависимости от вида техногенного воздействия - алюминиевого и уранодобывающего производств.
Вещественный состав листьев тополя отражают специфику алюминиевого производства. Элементами-индикаторами влияния алюминиевого производства являются Al, Na, Ca и F и их минеральные ассоциации.
В зоне влияния Новокузнецкого алюминиевого завода определены размеры зоны негативного влияния алюминиевого производства на окружающую среду - 2 км. Фторсодержащие минеральные частицы на поверхности листьев тополя в Новокузнецке, Братске и Саяногорске зафиксированы на расстоянии до 10, 4 и 8 км от алюминиевых заводов соответственно. На значительном удалении от них обнаружены преимущественно минеральные фазы фторида кальция.
Минеральные фазы в выбросах позволяют выявить различия в технологиях производства: на территории большинства заводов обнаружены минеральные фазы фторида кальция, Na-Al-F-содержащие минеральные фазы, по составу близкие к криолиту, F-Al-содержащие частицы и вторичный фторид кальция в устьицах, по составу близкий к флюориту. Исключениями являются НкАЗ, в зоне влияния которого в устьицах найдены вторичные минеральные фазы сульфата кальция и отсутствуют частицы криолита, и САЗ, где на поверхности листьев обнаружены частицы фторида кальция и в единичных случаях Na-Al-F-содержащие минеральные фазы, по составу близкие к криолиту.
В зоне влияния алюминиевых заводов в устьицах листьев тополя установлены вторичные фазы фторида кальция и сульфата кальция, по составу близкие к флюориту и гипсу. В проводящих тканях листьев тополя обнаружено большое количество кристаллов карбоната кальция ромбоэдрической формы - кальциты. Предложен механизм их образования и формирования биогеохимического кальциевого барьера в ответ на воздействие кислотообразующих фтор- и серосодержащих газообразных веществ на ткани листьев тополя.
В зоне влияния уранодобывающего комплекса (г. Краснокаменск, Приаргунский горно-химический комбинат) в золе листьев тополей установлено максимальное содержание урана - 12,2 г/т, превышающее региональный уровень в 80 раз; в селитебной зоне - 5,9 г/т, превышающее региональный фон в 40 раз. Значение Th/U отношения в золе листьев на территории г. Краснокаменска составило <1, что свидетельствует об эмиссии урана в окружающую среду, вызванной добычей и первичной переработкой урановых руд .
В промышленной зоне Приаргунского горно-химического комбината на поверхности листьев тополя зафиксированы частицы размером 1,6-5 мкм, представленные оксидом урана. Такие же частицы обнаружены и в 4-километровой зоне в восточном направлении от комбината.
В черте города, более чем 10 км от Приаргунского горно-химического комбината, отмечаются единичные точки с повышенным содержанием урана, где обнаружены в единичном случае минеральные частицы с содержанием урана размером около 3 мкм.
Методами авторадиографии и численного анализа подтвержден атмогенный путь переноса урансодержащих частиц от источников (хвостохранилище, отвалы вскрышных пород, отходы первичного цикла переработки руды).
Таким образом, листья тополя являются биогеохимическим планшетом, на котором аккумулируются минеральные частицы; они могут быть использованы для индикации качества и для эколого-геохимической оценки влияния алюминиевого и уранодобывающего производств на компоненты окружающей среды прилегающих территорий.
Вещественный состав листьев тополя отражают специфику алюминиевого производства. Элементами-индикаторами влияния алюминиевого производства являются Al, Na, Ca и F и их минеральные ассоциации.
В зоне влияния Новокузнецкого алюминиевого завода определены размеры зоны негативного влияния алюминиевого производства на окружающую среду - 2 км. Фторсодержащие минеральные частицы на поверхности листьев тополя в Новокузнецке, Братске и Саяногорске зафиксированы на расстоянии до 10, 4 и 8 км от алюминиевых заводов соответственно. На значительном удалении от них обнаружены преимущественно минеральные фазы фторида кальция.
Минеральные фазы в выбросах позволяют выявить различия в технологиях производства: на территории большинства заводов обнаружены минеральные фазы фторида кальция, Na-Al-F-содержащие минеральные фазы, по составу близкие к криолиту, F-Al-содержащие частицы и вторичный фторид кальция в устьицах, по составу близкий к флюориту. Исключениями являются НкАЗ, в зоне влияния которого в устьицах найдены вторичные минеральные фазы сульфата кальция и отсутствуют частицы криолита, и САЗ, где на поверхности листьев обнаружены частицы фторида кальция и в единичных случаях Na-Al-F-содержащие минеральные фазы, по составу близкие к криолиту.
В зоне влияния алюминиевых заводов в устьицах листьев тополя установлены вторичные фазы фторида кальция и сульфата кальция, по составу близкие к флюориту и гипсу. В проводящих тканях листьев тополя обнаружено большое количество кристаллов карбоната кальция ромбоэдрической формы - кальциты. Предложен механизм их образования и формирования биогеохимического кальциевого барьера в ответ на воздействие кислотообразующих фтор- и серосодержащих газообразных веществ на ткани листьев тополя.
В зоне влияния уранодобывающего комплекса (г. Краснокаменск, Приаргунский горно-химический комбинат) в золе листьев тополей установлено максимальное содержание урана - 12,2 г/т, превышающее региональный уровень в 80 раз; в селитебной зоне - 5,9 г/т, превышающее региональный фон в 40 раз. Значение Th/U отношения в золе листьев на территории г. Краснокаменска составило <1, что свидетельствует об эмиссии урана в окружающую среду, вызванной добычей и первичной переработкой урановых руд .
В промышленной зоне Приаргунского горно-химического комбината на поверхности листьев тополя зафиксированы частицы размером 1,6-5 мкм, представленные оксидом урана. Такие же частицы обнаружены и в 4-километровой зоне в восточном направлении от комбината.
В черте города, более чем 10 км от Приаргунского горно-химического комбината, отмечаются единичные точки с повышенным содержанием урана, где обнаружены в единичном случае минеральные частицы с содержанием урана размером около 3 мкм.
Методами авторадиографии и численного анализа подтвержден атмогенный путь переноса урансодержащих частиц от источников (хвостохранилище, отвалы вскрышных пород, отходы первичного цикла переработки руды).
Таким образом, листья тополя являются биогеохимическим планшетом, на котором аккумулируются минеральные частицы; они могут быть использованы для индикации качества и для эколого-геохимической оценки влияния алюминиевого и уранодобывающего производств на компоненты окружающей среды прилегающих территорий.
