XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Комплексный мониторинг состояния окружающей среды городской экосистемы (на примере г. Кирово-Чепецка)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Брагина З.И. 1

---

1МБОУ многопрофильный лицей города Кирово-Чепецка Кировской области

Дектерёва Е.А. 1

---

1МБОУ многопрофильный лицей города Кирово-Чепецка Кировской области

Работа в формате PDF

520.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: город Кирово-Чепецк исторически является крупным промышленным центром Кировской области, где расположены предприятия химической и энергетической отрасли. Несмотря на модернизацию производств, проблема воздействия промышленных выбросов на качество окружающей среды остается актуальной. Комплексная оценка состояния воздуха, воды и почвы позволяет получить объективную картину экологического благополучия городской территории и выявить потенциальные риски для здоровья населения.

Новизна исследования заключается в проведении синхронного мониторинга трех сред (воздух, вода, почва) на территории города Кирово-Чепецка с использованием доступных методов школьного экологического мониторинга, что позволяет оценить взаимосвязь между состоянием разных компонентов экосистемы.

Проблема: Существует ли комплексное загрязнение атмосферного воздуха, вод реки Вятки в черте города и почв городских ландшафтов, связанное с техногенной нагрузкой?

Гипотеза: Можно предположить, что в районах города, расположенных вблизи промышленной зоны и вдоль крупных автодорог, наблюдается повышенный уровень загрязнения воздуха и почвы, а также отмечается негативное влияние на качество воды в реке Вятка ниже по течению от города.

Цель: Оценить экологическое состояние окружающей среды г. Кирово-Чепецка путем комплексного мониторинга качества атмосферного воздуха, воды реки Вятки и почвенных проб.

Задачи:

1. Изучить теоретические основы экологического мониторинга и особенности промышленности г. Кирово-Чепецка.

2. Освоить методики биоиндикации воздуха и простейших химических анализов воды и почвы.

3. Провести отбор проб и исследование:

   • Воздуха: методом лихеноиндикации и оценки запыленности.

   • Воды: органолептические свойства, pH, нитраты, нитриты.

   • Почвы: механический состав, pH, влажность.

4. Проанализировать полученные данные, сравнить их с нормативами.

5. Сформулировать выводы и предложить рекомендации.

Методы исследования: теоретический анализ; наблюдение; эксперимент (химический анализ, биоиндикация); сравнительный анализ; статистическая обработка.

Глава 1. Теоретические основы экологического мониторинга и характеристика района исследования

1.1 Теоретические основы экологического мониторинга

Прежде чем характеризовать объект исследования, необходимо определить методологическую основу работы. Экологический мониторинг представляет собой систему непрерывных наблюдений, оценки и прогноза изменений в окружающей среде под влиянием антропогенной деятельности. Основной целью мониторинга является получение достоверной информации для принятия управленческих решений в области охраны природы и обеспечения экологической безопасности. К ключевым задачам мониторинга относятся: 1. Контроль за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, водных объектов, почв. 2. Выявление источников загрязнения и оценка степени их воздействия. 3. Оценка эффективности природоохранных мероприятий. 4. Прогнозирование изменений экологической обстановки. В зависимости от масштаба, выделяют глобальный, национальный, региональный и локальный мониторинг. Настоящее исследование относится к категории локального мониторинга, сфокусированного на изучении конкретного промышленного центра.

1.2. Природно-промышленные особенности г. Кирово-Чепецка

Город Кирово-Чепецк, основанный как посёлок при химическом комбинате, является ярким примером моногорода с ярко выраженной промышленной специализацией. Градообразующим предприятием на протяжении десятилетий выступает АО «Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова». Комбинат является источником потенциального химического загрязнения атмосферного воздуха и водных объектов. Помимо химического комбината, значительный вклад в формирование экологической обстановки вносят объекты энергетики, в частности Кирово-Чепецкая ТЭЦ, а также автотранспорт, доля которого в валовых выбросах в атмосферу постоянно растет. Важнейшим природным фактором является роза ветров, для города Кирово-Чепецка характерно преобладание западных и юго-западных ветров. Данная особенность обуславливает перенос воздушных масс с промышленной зоны в восточном и северо-восточном направлении, что создает повышенную антропогенную нагрузку на районы, расположенные на пути движения загрязненных воздушных потоков.

1.3. Критерии и методы оценки загрязнения

Для оценки степени загрязнения окружающей среды в отобранных пробах планируется использовать совокупность методов и критериев. В ходе анализа будут применяться следующие подходы:

Химический анализ для определения концентрации специфических загрязнителей (тяжелые металлы, нефтепродукты, нитраты/нитриты и др.).

Сравнение полученных концентраций с установленными гигиеническими и экологическими нормативами, такими как ПДК (предельно допустимая концентрация) и ОДК (ориентировочно допустимая концентрация).

Расчет комплексных показателей, например, индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) или суммарного показателя загрязнения (Zc) для почв.

Такой комплексный подход позволит не только констатировать факт наличия загрязнения, но и классифицировать его уровень, выявить приоритетные загрязнители для каждой зоны и оценить потенциальную опасность для экосистем и здоровья человека.

Глава 2. Материалы и методика исследования

2.1. Организация эксперимента

Исследование проводилось в период с января по октябрь 2025 года и включало четыре этапа: 1. Подготовительный этап (январь-февраль 2025): Изучение литературы, выбор объектов, разработка методики. 2. Экспериментальный этап (март-август 2025): Полевые исследования и отбор проб. 3. Аналитический этап (сентябрь 2025): Обработка данных, анализ результатов. 4. Отчетный этап (октябрь 2025): Оформление работы, подготовка к защите.

2.2. Выбор точек отбора проб

Для получения репрезентативных данных о состоянии окружающей среды в г. Кирово-Чепецк была разработана сеть мониторинга, включающая 4 ключевые точки. Выбор точек осуществлялся с учетом принципа репрезентативности и был направлен на охват зон с различным типом и уровнем антропогенной нагрузки. Расположение всех точек отбора проб показано на карте-схеме (Приложение 2). Точка 1 (Фоновая): Комсомольский парк. Данная локация выбрана в качестве фоновой, поскольку она удалена от непосредственного влияния промышленной зоны и крупных автомобильных магистралей. Растительность парка выполняет функцию естественного биофильтра, что позволяет считать полученные здесь данные приближенными к фоновым показателям для данной местности. Точка 2 (Промзона): прибрежная зона р. Вятки в районе промышленных предприятий. Отбор проб в данной точке, расположенной ниже по течению от предполагаемых сбросов химического комбината и ТЭЦ, позволяет оценить непосредственное влияние промышленных стоков на качество воды и прибрежных экосистем. Точка 3 (Автотранспортная): пересечение пр. Мира и ул. Ленина. Эта точка расположена в зоне активного движения автотранспорта. Исследования здесь направлены на оценку уровня загрязнения атмосферного воздуха и почвы продуктами износа шин, тормозных колодок, выхлопными газами (такими как оксиды азота, углерода, летучие органические соединения и взвешенные частицы). Точка 4 (Жилой район): микрорайон Боёво. Выбор данной точки обусловлен ее расположением на восток от промзоны, то есть на пути преобладающих западных и юго-западных ветров. Это позволяет оценить уровень трансграничного переноса загрязняющих веществ от промышленных источников в жилую застройку и оценить потенциальные риски для здоровья населения.

2.3. Мониторинг воздуха

Лихеноиндикация. Данный метод, широко применяемый в системе школьного экологического мониторинга [1], основан на высокой чувствительности лишайников к загрязнению воздуха, особенно к диоксиду серы (SO₂) и тяжелым металлам. Учет проводился на 10 модельных деревьях (береза, осина) в каждой точке на высоте 1.5 м с четырех сторон света. Проективное покрытие (%) определялось с помощью сетки Раменского (10x10 см), наложенной на кору. Видовое разнообразие фиксировалось с помощью определителя [3]. Для интегральной оценки состояния воздуха использовалась стандартная шкала, принятая в исследованиях подобного рода [2, 6]: <30% – зона сильного загрязнения («лишайниковая пустыня»), 30-60% – зона среднего загрязнения, >60% – условно чистая зона. Оценка запыленности. Метод гравиметрического анализа основан на точном измерении массы осевших твердых частиц. Стеклянные пластинки-ловушки стандартного размера (9x12 см) обезжиривались, взвешивались на аналитических весах с точностью до 0.1 мг, после чего на их поверхность наносился тонкий равномерный слой вазелина. Пластинки экспонировались в каждой точке на высоте 2-3 метра от земли в течение 7 суток. После экспозиции пластинки повторно взвешивались, и масса пыли пересчитывалась на единицу площади (мг/см²/нед.). Полученные количественные данные были систематизированы и представлены в протоколе лабораторных исследований № 1 (см. Приложение 1, Протокол №1).

2.4. Мониторинг воды реки Вятка

Отбор проб проводился в Точке 1 (Городской пляж) и Точке 2 ( Прибрежная зона в районе промзоны). Органолептические показатели. Запах оценивался по 5-балльной шкале при 20°C. Прозрачность определялась по шкале Снеллена (и диску Секки) – высоте столба воды в см, при которой становится виден стандартный шрифт. Химические показатели. Водородный показатель (pH) определялся с помощью универсальной индикаторной бумаги с цветовой шкалой (точность ±0.2). Содержание нитратов (NO₃⁻) и нитритов (NO₂⁻) определялось полуколичественным методом с использованием визуальных тест-полосок, которые изменяют цвет в зависимости от концентрации ионов. Результаты сравнивались с ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения, установленными СанПиН 1.2.3685-21 [4]. Результаты анализа проб воды занесены в протокол лабораторных исследований № 2 (см. Приложение 1, Протокол №2).

2.5. Мониторинг почвенного покрова

Отбор почвенных образцов с глубины 0-10 см в каждой из 4-х точек. Методики анализа почвенных образцов были адаптированы из практикума по экологии и охране окружающей среды А.И. Федоровой [5], что обеспечило сопоставимость и достоверность полученных данных. Механический состав определялся в полевых условиях модифицированным методом «скатывания шнура»: увлажненный образец почвы раскатывался в шнур толщиной около 3 мм. По его прочности и способности сворачиваться в кольцо без растрескивания определялся тип почвы (песок, супесь, суглинок, глина). Водородный показатель (pH) определялся в водной вытяжке (соотношение почва:вода = 1:2,5). Суспензия отстаивалась 15 минут, после чего в нее опускалась индикаторная бумага. Полученный цвет сравнивался со шкалой. Влажность определялась весовым (термостатно-весовым) методом. Навеска почвы около 100г высушивалась в сушильном шкафу при температуре 105±2°C до достижения постоянной массы. Влажность рассчитывалась как процент потери массы от исходной. Результаты физико-химического анализа почвенных образцов отражены в протоколе лабораторных исследований № 3 (см. Приложение 1, Протокол №3).

Глава 3. Результаты исследования и их анализ

3.1. Оценка качества атмосферного воздуха

Данные, полученные в ходе мониторинга воздуха, представлены в Протоколе № 1 (Приложение 1) и визуализированы в Таблице 1 и на диаграмме (Приложение 4).

Таблица 1. Результаты лихеноиндикации и оценки запыленности

Вывод: наименьшее проективное покрытие лишайников и преобладание устойчивых накипных форм в Промзоне (Точка 2) свидетельствует о сильном загрязнении воздуха. В районе автодороги (Точка 3) наблюдается максимальная запыленность, что связано с автомобильными выбросами. В микрорайоне Боёво (Точка 4) состояние воздуха ухудшено, вероятно, из-за переноса загрязняющих веществ с промзоны.

3.2. Оценка качества воды реки Вятка

Результаты анализа проб воды из двух точек отбора, систематизированные в Протоколе № 2 (Приложение 1), приведены в Таблице 2.

Таблица 2. Результаты анализа воды р. Вятка

Вывод: вода ниже города в промышленной мзоне (Точка 2) имеет несколько худшие органолептические показатели. Сдвиг pH в щелочную сторону и появление следов нитритов может косвенно указывать на наличие загрязняющих веществ в стоках, однако все показатели не превышают установленных ПДК для водоемов [4].

3.3. Оценки качества почвенногопокрова

Показатели механического состава, кислотности и влажности почв, зафиксированные в Протоколе № 3 (Приложение 1) и визуализированы на диаграмме 2 (Приложение 4), представлены в Таблице 3.

Таблица 3. Результаты анализа почв

Вывод: Фоновая почва в парке имеет слабокислую реакцию, характерную для данных широт [6]. Почвы в промзоне и у автодороги имеют выраженную щелочную реакцию, что может быть связано с оседанием щелочных компонентов промышленных выбросов и противогололедных реагентов. Наблюдается снижение влажности в зонах с сильным загрязнением.

Выводы исследования.

1. Проведенный комплексный мониторинг подтвердил наличие значительной техногенной нагрузки на окружающую среду г. Кирово-Чепецка.

2. Результаты лихеноиндикации и оценки запыленности показали, что наиболее загрязнен воздух в районе интенсивного автомобильного движения и в промзоне. Воздух в микрорайоне Боёво также подвержен влиянию промышленных выбросов.

3. Качество воды в реке Вятка ниже города по изученным показателям ухудшается, но остается в пределах норм. Обнаружение следов нитритов требует более глубокого контроля.

4. Почвенный покров города испытывает заметное воздействие: зафиксировано защелачивание почв в промзоне и у автодорог, что нарушает естественные почвенные процессы.

Гипотеза исследования подтвердилась: выявлено комплексное загрязнение воздуха и почв, связанное с расположением промышленных предприятий и транспорта, а также отмечено негативное влияние на воду ниже по течению от города.

Заключение и перспективы исследования

Проведенное исследование позволило получить комплексную характеристику экологического состояния городской среды г. Кирово-Чепецка и достигнуть поставленной цели – оценить это состояние путем мониторинга качества воздуха, воды и почв. Гипотеза исследования, выдвинутая во введении, получила полное подтверждение. Использованные в работе методики школьного экологического мониторинга [1, 5] доказали свою эффективность для получения репрезентативных данных на локальном уровне. Экспериментальные данные убедительно демонстрируют, что:

1. Вблизи промышленной зоны и крупных автодорог наблюдается повышенный уровень загрязнения воздуха. Это доказано резким снижением проективного покрытия лишайников (до 5% в промзоне) и максимальными показателями запыленности (6.2 мг/см²/нед. у автодороги).

2. Почвенный покров в этих зонах подвергается значительной трансформации, что выражается в резком сдвиге pH из естественной слабокислой (6.0 в фоновой точке) в щелочную (7.5-7.8) область, что является прямым следствием оседания промышленных эмиссий и применения противогололедных реагентов.

3. Отмечается негативное влияние на качество воды в реке Вятка ниже по течению от города. Хотя показатели и не превышают ПДК, ухудшение органолептических свойств (прозрачности, запаха), сдвиг pH в щелочную сторону и появление следов нитритов ниже города однозначно указывают на антропогенную нагрузку.

Таким образом, выявлено комплексное загрязнение, затрагивающее все исследуемые компоненты окружающей среды, пространственное распределение которого четко коррелирует с расположением источников техногенной нагрузки – промышленных предприятий и транспортных магистралей.

На основании проведенного анализа были сформулированы следующие рекомендации:

1. Для органов городского управления: рассмотреть вопрос о создании системы общественного экологического мониторинга с привлечением школьных и волонтерских объединений для постоянного контроля ситуации.

2. Для озеленительных служб: разработать программу оптимизации озеленения города, предусматривающую создание защитных лесополос из устойчивых видов растений со стороны промзоны и вдоль крупных автодорог с учетом розы ветров.

3. Для экологического просвещения: проводить регулярную разъяснительную работу с населением, особенно в микрорайоне Боёво, о состоянии окружающей среды и мерах по ее защите.

Перспективы дальнейших исследований:

- Изучение сезонной динамики загрязнения воздуха (отопительный сезон, летний период).

- Расширение перечня определяемых показателей (например, анализ почв и воды на тяжелые металлы, определение взвешенных частиц в воздухе РМ2.5/РМ10) потребует применения более сложного оборудования, однако методическая основа, отработанная в данной работе (Приложение 4), может быть использована для сравнения.

- Проведение сравнительного анализа с другими промышленными центрами региона для выявления общих закономерностей и специфических проблем.

Список использованных источников

1. Ашихмина, Т. Я. Школьный экологический мониторинг / Т. Я. Ашихмина. – Москва : Агар, 2000. – 386 с.

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Кировской области в 2023 году» / Правительство Кировской области. – Киров, 2024. – 250 с. – URL: https://www.geo.kirov.ru/ecology/doklad (дата обращения: 15.01.2025).

3. Захаров, В. Б. Биология. Многообразие живых организмов. 7 класс : учебник / В. Б. Захаров, Н. И. Сонин. – Москва : Дрофа, 2014. – 255 с.

4. О гигиенических нормативах и требованиях к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания : СанПиН 1.2.3685-21. – Введ. 2021-03-01. – Москва : Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2021. – 307 с.

5. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды : учебное пособие / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. – Москва : Владос, 2001. – 288 с.

Приложения

Приложение 1

Протоколы лабораторных анализов

Исполнитель: Брагина Злата Игоревна

Место проведения: г. Кирово-Чепецк

Период проведения исследований: март-август 2025 г.

ПРОТОКОЛ № 1 Лабораторные исследования качества атмосферного воздуха

ПРОТОКОЛ № 2 Лабораторные исследования качества воды р. Вятка

ПРОТОКОЛ № 3 Лабораторные исследования качества почвы

Приложение 2 Карта-схема г. Кирово-Чепецка с указанием точек отбора проб.

Приложение 3 Таблицы с первичными данными измерений и расчетов

Таблица 4.1. Первичные данные лихеноиндикации (проективное покрытие, %)

Расчет среднего значения для Точки 1: (70+60+65+55+75)/5 = 65%

Таблица 4.2. Первичные данные по запыленности воздуха

Формула расчета: (Масса после - Масса до) * 1000 / Площадь
1000 - коэффициент для перевода граммов в миллиграмм

Таблица 4.3. Первичные данные анализа почвы

Формула расчета влажности: ((m_влажной - m_сухой) / m_влажной) * 100%

Таблица 4.4. Сравнение показателей качества воды выше и ниже города

Приложение 4 Графики и диаграммы по результатам исследования

Диаграмма 5.1. Проективное покрытие лишайников и масса пыли в точках отбора

Диаграмма 5.2. Влажность и кислотность (pH) почв в точках отбора