XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Эколого-геохимическая оценка ледово-снежного и почвенного покрова вблизи крупных автомобильных дорог и на территории заказника «Воробьевы Горы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Остороухова В.И. 1

---

1ГБОУ Школа 171

Крахина Е.А. 1

---

1ГБОУ Школа 171

Работа в формате PDF

346.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Снег является одним из основных индикаторов качества окружающей среды, особенно по визуальным признакам. Современный, развивающийся город поставляет в атмосферный воздух большое количество загрязняющих веществ. Различные химические соединения постепенно осаждаются на земную поверхность, в холодное время года в снег и лед. За длительный период времени вещества постепенно накапливаются, смена сезона приведет к изменению температуры воздуха, что будет способствовать таянию холодного покрова и проникновению химических веществ в поверхностные водотоки и водоемы, грунтовые воды, а главным образом в почвы. Химические соединения различных веществ начнут накапливаться в почвенных горизонтах и оказывать определенное воздействие на растительные сообщества.

Определенную часть снега отвозят на снегоплавильные пункты, расположенные в Москве и Московской области, но из-за значительных объемов другая часть перемещается и складируется на пустых территориях в виде снежных отвалов или на прямую сбрасывается в реки.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью выявления степени распространения загрязняющих веществ от автомобильных дорог и характера их осаждения и проникновения в почвенный покров. По окончанию холодного сезона часть снега транспортируется в различные предназначенные для утилизации снега места и нет предназначенные, а часть остается не тронутой. Важным аспектом является грамотное распределение между названными объемами, для чего и необходимо понимать возможную степень накопления загрязняющих веществ в снежном и ледяном покрове, а также в подстилающих почвенных горизонтах.

Целью исследовательской работы являлось сравнительный эколого-геохимический анализ степени техногенного изменения ледово-снежного покрова в городском ландшафте и оценка техногенной трансформации почв. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение нормативной документации;

2. Выявление потенциальных источников загрязнения снежного и ледяного покрова;

3. Проведение работ по отбору образцов льда, снега в зимнее время года и почв в весенний период, вдоль автомобильных дорог и на особо охраняемой природной территории заказника «Воробьевы горы»;

4. Проведение химического количественного анализа проб снега, льда и почв;

5. Осуществление сравнительного анализа проб «грязного» и «чистого» льда и снега;

6. Выявление степени техногенного изменения загрязненного льда, снега и подверженности к техногенной трансформации почвенных горизонтов.

Гипотеза исследования в предположении о том, что степень техногенной трансформации снега и льда внутри городской территории будет значительной, как и в селитебных зонах, так и на особо охраняемой природной территории (ООПТ).

2. Экологическая характеристика

   1. Потенциальные источники загрязнения снежного покрова на территории города

Источниками загрязнения снега жилой зоны городов являются продукты жизнедеятельности и хозяйственной деятельности населения, автомобильный транспорт, котельные установки и промышленные предприятия. Основным источником загрязнения атмосферного воздуха является автомобильный транспорт, на долю которого приходится до 80% от общего загрязнения атмосферного воздуха города. Автотранспорт вносит значительный вклад в загрязнение окружающей среды, и, в частности, в зимний период оказывает влияние на состояние снегового покрова. В связи с этим можно ожидать, что вблизи дорог загрязненность снега выше по таким показателям, как содержание углеводородов, трудноокисляемых органических веществ, взвешенных веществ и др.

Зимой наблюдается повышение концентрации различных химических веществ в атмосфере, обусловленное ухудшением метеорологических условий рассеяния примесей, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением химических процессов трансформации веществ принизкой температуре воздуха. По этим причинам в снежном покрове накапливается основная масса атмосферных поллютантов. Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения атмосферного воздуха. Снежный покров, если он не подвергался интенсивному таянию, фактически аккумулирует и сохраняет все загрязняющие атмосферу компоненты. Причем, содержание загрязняющих веществ в нем на 2–3 порядка выше по сравнению с атмосферным воздухом.

1. 2. Нормативная документация

Для реализации исследования изучались нормативные документы в области использования водных ресурсов и предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового. Использование документов в области водопользования обосновывается тем, что с потеплением, талые воды попадают в водные объекты различного назначения. Были проанализированы материалы из различных нормативных актов и постановлений:

СанПиН 2.1.5.980-00. 2.1.5. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы;

ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования;

ГОСТ 31861-2012 Вода. Общие требования к отбору проб: Профессиональные справочные системы;

ГОСТ Р 58556-2019 Национальный стандарт Российской Федерации. Оценка качества воды водных объектов с экологических позиций.

3. Методика и результаты исследования

   1. Объект исследования

Объектом исследования является степень воздействия техногенного фактора на снежный и ледяной покров города, определяемая по концентрациям загрязняющих веществ, содержащихся внутри. В охват исследовательской работы вошли пробы снега, льда с естественных и техногенно преобразованных территорий, данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные исследуемые компоненты

Наименования «чистый» и «грязный» были присвоены для четкого разграничения мест отбора проб снега и льда. Каждой пробе присваивался номер и компонент – указывающий на характер местности: городской ландшафт – искусственный, особо охраняемая природная территория (ООПТ) – естественный. Вторым этапом исследования являлось изучение химического состава каждого почвенного горизонта. Наименования и обозначения исследуемых типов почв и почвенных горизонтов представлены в таблице 2.

Таблица 2. Исследуемые типы почв

1. 2. Методика проведения исследования

Полевые исследования с отбором проб льда и снега осуществлялись в соответствии с требованиями нормативных документов, указанных в разделе 2 «Экологическая характеристика», подпункте 2.2., данной работы. Отбор осуществлялся вблизи селитебной зоны района Раменки и Гагаринский (Западного административного округа) и на территории заказника «Воробьевы Горы».

Отбор проб осуществлялся при помощи металлического совочка, геологического молотка и бура. На рис. 1. представлена картосхема контрольных точек, в каждой из которых были отобраны пробы льда или снега.

Рис. 1. Картосхема контрольных точек отбора проб снега, льда и почв в районе Раменки и Гагаринский

На территории района Раменки пробы льда отбирались при помощи геологического молотка, корка раскалывалась на более мелкие сегменты, затем помещались в плотные пластиковые контейнеры подписывались, снег – при помощи совочка. На территории ООПТ отбор проб льда осуществлялся на поверхности Андреевского пруда.

Исследование почвенных горизонтов реализовывалось в весенний период, после обильного снеготаяния и осуществлялось в несколько этапов: закладывание и выкапывание почвенных разрезов на контрольных точках; отбор почвенных проб по почвенным горизонтам; проведение количественного химического анализа отобранных почвенных проб; выявление степени техногенной деформации почвенных горизонтов.

Химические анализы проводились на базе школьного химического класса. Отобранные пробы льда и снега предварительно растапливались при комнатной температуре. Затем, для изучения качества талой воды применяли методики по анализу природных поверхностных водотоков и водоемов.

Для исследования каждого химического показателя почвы, заготавливалась водная вытяжка, путем фильтрования через фильтрующую бумагу дистиллированной водой. Для проведения количественный химического анализа были использованы два основных метода лабораторного исследования – титрование и колориметрирования.

Колориметрия – физический метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов. Колориметрия, метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры. Титрование – метод количественного/массового анализа, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом.

Гидрохимическое лабораторные исследования проводилось с помощью тест систем, реактивов (тест-комплексов) «Christmas» и специальных приборов для исследования водных показателей. Перечень оборудования представлен в таблице 3.

Таблица 3. Лабораторное оборудование и приборы

Порядок действий для всех элементов примерно одинаковый. Рассмотрим методику проведения анализа:

1. Перед началом контроля содержания вещества необходимо предварительно определить значение pH анализируемой пробы, поскольку при pH выше 5 необходимо использовать дополнительный реагент.

2. Извлечь индикаторный элемент (индикаторную полоску) из защитного пакета.

3. Отрезать от индикаторной полоски рабочий участок размером около 5х5 мм (допускается заготавливать участки индикаторной полоски заранее, но не более чем за 1 час до анализа).

4. Не снимая полимерного покрытия, опустить его в анализируемую воду на 5-10 сек. и полностью смочить рабочую часть индикаторного элемента через его незащищенную полимерным покрытием боковую часть.

5. Через 3 мин. сравнить окраску смоченного рабочего участка с образцами цветной контрольной шкалы.

6. Определить значение концентрации, соответствующее ближайшему по окраске образцу цветной контрольной шкалы – это и будет результат анализа (при промежуточной окраске – за результат следует принять соответствующий интервал концентраций). Результат анализа получают в мг/л.

Израсходованные рабочие участки не содержат ядовитых и опасных веществ, и утилизируются в общем порядке как хозяйственный бытовой мусор. При необходимости контроля более низких концентраций допускается упаривание растворов до внесения в них реактива с последующим перерасчетом значений концентраций обратно пропорционально степени упаривания. Тест-системы рекомендуется хранить в сухом, прохладном и обязательно темном месте, исключающем попадание света.

Порядок выполнения методом экспресс-определения массовой концентрации сульфат-ионов.

1. Ополосните мерную склянку несколько раз анализируемой водой. Поместите в склянку 2,5 мл пробы воды и 0,2 г катионита (1 мерную ложку или на кончике шпателя).

2. Содержимое склянки встряхивайте в течении 3 мин.

3. С помощью универсальной индикаторной бумаги, а также, в зависимости от рН среды, доведите рН пробы до рH=4 растворами гидроксида натрия либо соляной кислоты.

4. Добавьте в склянку с анализируемой водой раствор ортанилового К до метки «5 мл». Закройте склянку пробкой и перемешайте раствор.

5. Соедините шприц-дозатор с пипеткой для титрования. С помощью шприца наберите в пипетку раствор хлорида бария.

6. Постепенно, по каплям, титруйте содержимое склянки раствором хлорида бария до появления не исчезающей синей окраски. Определите объем раствора хлорида бария, израсходованного на титрование (V, мл).

7. Рассчитайте концентрацию сульфатов (С., мг/л) в анализируемой воде по формуле: С.= 384×V.

Лабораторное оборудование для определения концентрации загрязняющих веществ представлено на рис. 2. (а, б).

а) б)

Рис. 2. Исследовательское оборудование: а) Тест-системы и комплексы «Christmas»; б) Приборы

1. 3. Результаты исследования качества снежного и ледяного покрова

Полученные данные в ходе химического исследования были преобразованы в табличный материал в программе «Microsoft Excel». Результаты химического анализа представлены в таблице 4.

Сравнительный анализ полученных концентраций загрязняющих веществ осуществлялся с данными из ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Сокращение в таблице «не нормю» означает, что данный показатель не нормируется.

Таблица 4. Результаты химического анализа талой воды

Табличные материалы были преобразованы в графики для боле наглядного анализа результатов, представленные на рис. 3 и 4. Для построения графиков были взяты наиболее информативные показатели химических веществ – это алюминий, медь, железо общее, аммоний, нитраты, сульфаты, хлориды и хроматы. На графиках сохраняется типизация по компонентам – «читый» и «грязный», разобранная в разделе 3, подпункте 3.1. «Объект исследования» (таблица 1). В ходе аналитического анализа рассматривались потенциальные источники загрязнения снега и льда в городском ландшафте.

Показатели по водородному показателю в пробах № 1-4 превышают установленный норматив и находятся в диапазоне от 9,8 до 10,3, что свидетельствует о значительном подщелачивании осадков, которое, вероятно, обусловлено присутствием в атмосфере большого количества взвешенных частиц техногенной пыли и золы, твердых фракций сгоревшего топлива и оксидов металлов.

Рис. 3. Выявленные концентрации алюминия, меди, железа общего и аммония в талой воде

Концентрация ионов-меди была превышена во всех контрольных точках исследования. Самые высокие превышения ПДК были зафиксированы в контрольной точке №2 – в 500, и в точке №3 – в 200 раз. Основными источниками поступления меди в атмосферный воздух являются выбросы с предприятий цветной металлургии и гальванических материалов, автомобильный транспорт, сварочные процессы, сжигание углеводородного топлива в различных отраслях промышленности. Минимальное превышение установленного норматива (в 10 раз) было выявлено на территории ООПТ «Воробьевы Горы». Миграция соединений, содержащих медь на территорию заказника, может осуществляться благодаря воздушным массам и дальнейшему осаждению.

Концентрации ионов железа и алюминия превышены по трем контольным точкам - №2, 3 и 5 – пробы сгрязным снегом, льдом и реагетами, отобранные вблизи автодорог, на территории заказника «Воробьевы Горы» ПДК не были превышины. Потенциальным источником загрязнения снежного и ледяного покровя является транспорт, загрязняющие вещества поднимаются в атмосферу и оседают вблизи дорог. На территории района Раменки распоожено предприятие по производству гальванических соединений, выбросы загрязняющих веществ могут переноситься на определенные расстояния и накапливаться в снежном или ледяном покрове.

Рис. 4. Выявленные концентрации нитратов, сульфатов, хлоридов и хроматов в талой воде

Превышение ПДК по сульфат-ионам было зафиксировано в пробах №3 (лед с реагентами) и №5 (грязный снег). Концентрация вещества превышает установленный норматив на 50-80 мг/л. Сульфаты и сульфатсодержащие соединения, которые могут накапливаться в снежном и ледяном покрове за счёт осаждения из атмосферного воздуха аэрозолей диоксида серы, также из пылеватых частиц. Возможно влияние естественных факторов на увеличение концентрации сульфатов, например под воздействием процесса выветривания почвенного покрова. Можно говорить об невысокой загрязненности городского воздуха оксидом серы, и следовательно, не высокой техногенной нагрузки данного вещества на снег и лед, так как в большинстве точек превышения не зафиксированы.

Превышение концентрации нитритов было зафиксировано во всех анализируемых пробах талой воды. Значительное превышение было выявлено в пробе со льдом и реагентами – в 138 раз выше ПДК, в пробе с грязным снегом – в 55 раз и с грязным льдом – в 22 раза. Содержание NO^3- в пробах снега и льда могут объясняться интенсивным отопительным сезоном и, как следствие, относительно большим выбросом азота в атмосферный воздух, а также выбросом загрязняющих веществ от автотранспорта. Снег и лед, собранный в отдалении от автомобильных дорог на особо охраняемой природной территории, содержал незначительное превышение предельно допустимой концентрации вещества. Воздушные массы могут переносить от ближайших крупных дорог нитрат-ионы, которые в дальнейшем будут осаждаться в ледяной и снежный покров.

Повышенная концентрация хрома была выявлена на всех контрольных точках, значительные превышения ПДК было установлено в пробах с грязным льдом и снегом, а также в пробе с реагентами. Основными источником поступления соединений хрома в атмосферный воздух являются предприятия по производству цемента, стекла, сжигание топлива и автомобильный транспорт.

Результаты химического анализа почвенных проб были занесены в таблицу 5, в которой представлены данные по 4 почвенным профилям – 16 горизонтам. Сравнительный анализ по объемам загрязняющих веществ, содержащихся в почвах, осуществлялся на основе нормативного документа – СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Цветом отмечены концентрации веществ, превышающих установленный норматив. Сокращение «не н.» – означает, что конкретный элемент не нормируется, в данном случае, для вещества указывался кларк. Сокращение «кл. ч.» – означает кларковое число.

Итоговые результаты лабораторного анализа позволили проследить возможные пути миграции ряда химических веществ из снежного и ледяного покрова в почвенный за период снеготаяния. На урбанизированной территории в контрольных точках № 1, 3 были зафиксированы превышения концентрации веществ по установленным нормам ПДК или Кларк почв: алюминий, железо общее, нитраты, медь, сульфаты, хлориды.

Повышенное содержание сульфатов было зафиксировано в горизонтах КТ 5 – А₁, А₂, во всех горизонтах урбаноземов. Концентрация в почвенных горизонтах превышает норматив в 1,5-2 раза. Избыточное содержание ионов-сульфата может приводить к нарушению процессов фотосинтеза у растений, затрудняя дыхательную активность, в результате листья становится коричневыми и гниют еще до этапа развития плодов.

Повышенное содержание хлоридов было выявлено в горизонтах дерново-подзолистых почв: КТ 4 – А₂В; и КТ 5 – А₂, А₂В; во всех горизонтах урбаноземов, Концентрация превышена в урбаноземах в 2-2,5 раза, а в дерново-подзолистых 1. Повышенная концентрация хлоридов в почве может обуславливаться близостью к автомобильной дороге, вещества осаждаются и накапливаются за зимний период в снеге и затем поникают в почвы и переходят в нижние горизонты.

В почвенном профиле КТ 5 было зафиксировано высокое содержание ионов железа общего, превышающих кларковое число в 1 раз (превышения ПДК в горизонтах А2 – ВС). В урбаноземах превышение норматива в 1,5 раза было замечено во всех горизонтах, кроме КТ 3 – У.

Таблица 5. Результаты химического анализа почвенных проб

Соединения, содержащие железо, могут проникать в почвенный покров, как естественным, так и антропогенным путем. В почвенном профиле КТ 5 данное вещество может проникать из нижележащих пород – ожелезненных глин, также попадать через водную миграцию веществ.

Антропогенный характер появления ионов-железа в городских почвах может обуславливаться автомобильными дорогами и предприятиями цветной металлургии и гальванических соединений. Превышенные концентрации соединений железа в почвах влияют на жизнедеятельность растительного сообщества, может приводить к деградации и ослаблению корневой системы.

4. Выводы

На основе вышеизложенного материала и проведенного исследования можно сделать вывод о том, что прослеживается значительная техногенная трансформация снежного и ледяного покрова на территории Раменского района Москвы. Результаты химического анализа показали о значительных превышениях установленных нормативов таких веществ, как – алюминий, аммоний, медь, нитраты, железо, сульфаты, хлориды и хроматы.

Транспортировку снега для дальнейшей утилизации на снего-плавильных предприятиях необходимо осуществлять изменения погодных условий. За холодный период, особенно вдоль крупных трасс, снежный покров подвергается значительной техногенной нагрузкой, вызванной различным источниками загрязнения – автотранспорт, предприятия и производства, усиленный отопительный режим, сжигание топлива. Накопленные концентрации веществ в «ледяных хранилищах» с наступлением оттепели постепенно будут проникать в поверхностные и подземные воды, накапливаться в растениях и животных, осаждаться в почвенном покрове. Важным аспектом становиться вовремя «обезвредить» данные хранилища. Все накопленные за зимний период объемы снега утилизировать, иногда, невозможно, следовательно снег подверженный наибольшей техногенный трансформации должен иметь в данном процессе преимущества.

Почвы, расположенные непосредственно в пределах селитебной, складской, промышленной зонах подвержены высокой степени антропогенной нагрузки, что влияет на свойства, состав и структуру почв.

Гипотеза исследования, о том, что степень техногенной трансформации снега и льда внутри городской территории будет значительной, как и в селитебных зонах, так и на особо охраняемой природной территории – частично опровергнута. Перенос загрязняющих веществ от различных антропогенных источников загрязнения осуществляется через воздушные потоки, но в зависимости от свойств и массы вещества, процесс осаждения будет различный.

5. Список литературы

   1. 1. Алекин, О. А. Основы гидрохимии / О. А. Алекин // Ленинград Гидрометеоиздат, 1953. — 297 с.

      2. Горячкин, С.В. Суглинистые почвы тундр Европейской территории России: генезис, география, классификация / С.В.Горячкин, В.Д. Тонконогов // Материалы VII Сибирцевских чтений, посвященных 145-летию со дня рождения Н.М. Сибирцева «Почвы как природный ресурс Севера». - Архангельск: АГТУ, 2005. - С. 8-12.;

      3. Войтов, И. В. Научно-методические основы организации и ведения национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь / И. В. Войтов, А. М. Самусенко и др; под ред. И. В. Войтов // — Минск: БелНИЦ «Экология», 2000 — 229 с.

      4. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды / А. И. Федорова // — М: ВЛАДОС, 2003. — 234 с.

      5. ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: Профессиональные справочные системы «Техэсперт» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/901798042. – Дата обращения: 08.10.2022.

      6. ГОСТ 31861-2012 Вода. Общие требования к отбору проб: Профессиональные справочные системы «Техэсперт» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200097520. – Дата обращения: 16.11.2022.

      7. СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Профессиональные справочные системы «Техэсперт» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://docs.cntd.ru/document/573500115/titles/8P20LR. – Дата обращения: 23.01.2023.