Оценка техногенного загрязнения территории озера Атаманского

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Оценка техногенного загрязнения территории озера Атаманского

Орлова  В.В. 1
1МБОУ "Школа №80» имени Героя Советского Союза РИХАРДА ЗОРГЕ», г. Ростова-на-Дону
Королева  М.Г. 1
1МБОУ "Школа №80» имени Героя Советского Союза РИХАРДА ЗОРГЕ», г. Ростова-на-Дону
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность: Одной из основных экологических проблем современности является урбанизация, связанная со стремительным ростом городов. Сосредоточение промышленных предприятий, мощные транспортные потоки, деятельность коммунальных служб, привели к тому, что крупные промышленные города выделяются на природном фоне как центры концентрации загрязнителей окружающей среды. Около 1% территории суши Земли занято под городами, при этом доля городского населения в общей численности населения промышленно развитых стран составляет 75%. Возникшая сложная экологическая обстановка на урбанизированных территориях представляет определенную опасность для здоровья населения.

Каждый город является уникальной техноэкосистемой, компоненты которой находятся под различным по мощности антропогенным прессом. Наиболее опасными загрязнителями окружающей среды городов являются тяжелые металлы (ТМ), которые, вовлекаясь в биологический круговорот, оказывают ряд негативных воздействий на все природные компоненты городской экосистемы: «воздух - почва - вода - растения». Нарушения и изменения круговорота химических элементов в городской экосистеме, накопление их в природных компонентах урбоэкосистемы вызывает ухудшение условий проживания человека, способствует росту числа заболеваний, появлению новых болезней. Поступление ТМ в организмы городских жителей может происходить, минуя трофические цепи, например, при ингаляции атмосферного воздуха, содержащего аэрозоли загрязненной почвы, которая, в данном случае, выступает как вторичный источник его загрязнения.

Цель: Оценка техногенного загрязнения территории прилегающей к озеру Атаманское Каменского района Ростовской области.

Задачи:

1. Изучение литературы по теме исследования

2. Анализ и интерпретация данных полученных рентгенфлуоресцентным анализом

3. Оценка техногенного загрязнения территории прилегающей к озеру Атаманское Каменского района Ростовской области.

1. Обзор литературы

1.1.Что такое ТМ

Тяжелые металлы– это металлы со сравнительно большой атомной массой. Включаясь в круговорот веществ и, накапливаясь в природной среде, ведут к ее загрязнению и являются потенциальноопасными (токсичными) для организмов. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц массы.

1.2 Тяжелые металлы в почве

Химический состав почв различных территорий неоднороден и распространение содержащихся в почвах химических элементов по территории неравномерное. Так, например, находясь преимущественно в рассеянном состоянии, тяжелые металлы способны образовывать локальные связи, где их концентрации во многие сотни и тысячи раз превышают кларковые уровни.

Ряд химических элементов необходим для нормального функционирования организма. Их недостаток, избыток или дисбаланс может вызывать болезни, называемые микроэлементозами1, или биогеохимическими эндемиями, которые могут быть как природными так и техногенными. В их распротранении важная роль принадлежит воде, а также пищевым продуктам, в которые химические элементы попадают из почвы по пищевым цепочкам.

Опытным путем установлено, что на процентное содержание ТМ в растениях влияет процентное содержание ТМ в почве, атмосфере, воде (в случае водорослей). Также было замечено, что на почвах с одним и тем же содержанием тяжелых металлов одна и таже культура дает разный урожай, хотя и климатические условия тоже совпадали. Тогда была обнаружена зависимость урожайности от кислотности почв.

Наиболее изученными представляются загрязнения почв кадмием, ртутью, свинцом, мышьяком, медью, цинком и марганцем. Рассмотрим загрязнение почв этими металлами отдельно для каждого.

1.3 Влияние ТМ на здоровье человека

Кобальт. Даже его малая концентрация в организме приводит к анемии, эндемическому зобу, недостаточному синтезу или вообще отсутствию витамина В12, так как при большой концентрации этого металла угнетается выработка вышеназванного витамина. А без В12 прекратится рост, нарушится нормальное кроветворение, созревание эритроцитов, синтез лабильных метильных групп, накопление в эритроцитах соединений, которые содержат сульфгидрильные группы и образование холина, метионина, креатина, нуклеиновых кислот. Так же без него прекратит нормально функционировать печень и нервная система.

Медь. При малых концентрациях возможны анемия и заболевания костной системы, а избыток этого элемента таблицы Менделеева поражает печень, вызывая желтуху.

Свинец, - поступивший при дыхании, в 10-100 раз токсичнее того, который поступает через желудок. Он поступает в кровь и соединяется с эритроцитами, что приводит к отравлению крови и всего организма. Так при сгорании одного литра горючего в воздух попадает 200-400 миллиграммов свинца. Но каким бы он путём ни поступал в организм, он всё равно скапливается в костях.

Избыток хрома замедляет регенерацию клеток, от этого страдает кожа и слизистые оболочки. Получить с пищей токсичную дозу хрома маловероятно. При несоблюдении мер безопасности, люди,  которые работают на гальванических производствах, могут получить токсическое отравление. Работники химической и металлургической промышленности сталкиваются с соединениями шестивалентного хрома, которые в виде комплексных солей хорошо всасываются в кишечнике и обладают выраженным мутагенным и тератогенным эффектом.

 Попадание слишком большого количества никеля в организм может вызвать желудочно-кишечные расстройства, повышение уровня эритроцитов, почечный стресс, хронический бронхит, снижение функции легких, а в некоторых случаях и рак легкого. может привести к снижению функции легких, бронхиту и повышенному риску рака легких и раку.

Передозировка мышьяка вызывает аллергические реакции, головные боли, нарушения в работе нервной системы, повышение раздражительности. Кроме того, возможны проблемы с кожей (дерматит, экзема или язвы), глазные заболевания (конъюнктивит) и поражение органов дыхания. В некоторых случаях возникает нефропатия, внутрисосудистый гемолиз, эндоангиит и кардиогенный шок. Переизбыток мышьяка существенно увеличивает риск развития онкологических заболеваний.

Избыток цинка в организме замедляет рост костей, нарушая их минерализацию. Повышенное содержание соединений цинка в крови приводит к ослаблению сухожильных рефлексов и прогрессирующей слабости. Цинковое отравление приводит к фиброзному перерождению поджелудочной железы.

2. Характеристика Каменского района Ростовской области

Каменский район Воронежской области образован в 1928 году. Административный центр Каменского района – поселок городского типа Каменка. Территория района составляет 1030 кв.км. Каменский муниципальный район включает в себя 1 городское поселение – пгт Каменка и 10 сельских поселений, всего в районе насчитывается 40 населенных пунктов. Население района составляет 22 тыс.человек, около 10 тысяч проживают в поселке городского типа Каменка. По территории района протекает 8 рек, 3 из них берут начало на территории района.

По территории Каменского района проходит участок Юго-Восточной железной дороги и автомобильной трассы Воронеж-Луганск.

Промышленность района представлена тремя основными промышленными предприятиями: ОАО «Евдаковский масложировой комбинат», ОАО «Каменкамолоко» и ООО «Завод Растительных масел Каменский». Сельскохозяйственное производство Каменского района складывается из сельхозпредприятий, крестьянско-фермерских хозяйств и личных подсобных хозяйств населения. Сельскохозяйственных предприятий в районе - 13.

2.1. Характеристика г. Каменск-Шахтинск

История города насчитывает более трех столетий, а датой основания города (тогда еще станицы Каменской) считается 1671 г., когда Войсковой круг разрешил группе казаков, облюбовавших побережье Северского Донца близ речки Каменки «собрав станицу, городок устроить жить, как иные прочие казачьи городки». Настоящее месторасположение города уже пятое. Первое было на левом берегу реки Северский Донец в 10 км выше по течению реки. Ныне это место называется «Старый городок». Согласно преданиям, причины, побудившие перенести станицу на новое место, связаны с неоднократными набегами татар, и расположилась она в семи километрах ниже прежнего своего места. С прекращением набегов станица переместилась на новое - третье место, но за участие казаков в восстании Кондрата Булавина в 1708 г была сожжена. Ныне - это хутор Погорелов. В четвертый раз станица переселилась вновь на левый берег Северского Донца, но изменение русла реки, частые ее разливы привели к тому, что в 1817 г. большинство жителей переселилось на возвышенный правый берег, а оставшееся поселение до сих пор называется “Старая Станица”. С 1802 г. станица стала административным центром Донецкого округа Области войска Донского, в которой в 1915 году насчитывалось 2385 дворов, 10208 десятин земельного довольствия, 9813 мужчин и 9904 женщин. Здесь располагались управление окружного атамана, окружной земской совет, окружной предводитель дворянства, почтово-телеграфная контора, комитеты: Красного Креста, народного здравоохранения, спасения на водах, отделение Азово-Донского коммерческого банка, общество взаимного кредита, ссудосберегательное товарищество, сельскохозяйственное общество с кузнечно-слесарными мастерскими, окружной медицинский врач, судебный пристав, полицейский пристав, 4 церкви, реальное училище, женская гимназия, 2 приходских училища, церковно-приходская школа, окружное военно-ремесленное училище, Донецкое окружное училище, оружейная мастерская; заводы: 2 чугунно-литейных, колбасный, 2 свечно-восковых, 2 пивных, 3 мыловаренных, 2 кожевенных, 4 кирпичных, маслобойный; 5 ветряных и 2 паровых мукомольных мельницы. 2 февраля, с 26 по 29 июня и с 25 сентября по 9 октября проводились ярмарки. Долгое время эта самая многолюдная станица Донской области была известна как одна из богатейших и славилась своими цер­квями и ярмарками.

В результате нового административного деления станица в 1923 г. вошла в состав Украины. В октябре 1924 г. из Шахтинского округа Донецкой губернии Украинской ССР вновь вошла в состав Северо-Кавказского края. В 1927 г. станица получила статус города, который в 1929 г. в целях отличия от одноименных городов получил название Каменск-Шахтинский.

Сейчас на правом берегу Северского Донца раскинулся крупнейший на севере Ростовской области город Каменск-Шахтинский. Тех, кто впервые посещает наш город, привлекают его прямые, как стрелы, улицы, проспекты и переулки, одетые в буйную зелень лип, то­полей и каштанов, зеркальная гладь широкой реки, что не спеша несет свои светлые воды к Тихому Дону. В окрестностях Каменска раскину­лись обширные сельскохозяйственные и охотничьи угодья, живописные места для туризма и отдыха.

Сегодняшний Каменск - развитый промышленный город с широки­ми экономическими связями, расположенный на пересечении желез­ной и автомобильной дорог с водной магистралью.

Промышленность города представлена предприятиями химиче­ской, машиностроительной, легкой и пищевой отраслей, многие из ко­торых имеют общероссийское значение. Продукция камен­ских предприятий хорошо известна и пользуется спросом в странах ближнего и дальнего зарубежья. Постоянно расширяются связи с эко­номически развитыми государствами.

Развивается малый и средний бизнес. Городская администрация вы­ступила инициатором создания Фонда поддержки предпринимательст­ва и малого бизнеса, придает большое значение повышению уровня квалификации предпринимателей.

2.2.Озеро Атаманское

Под пруды-отстойники и шламонакопители химических заво­дов в г. Каменске-Шахтинском Ростовской области в 50-х годах прошлого века были использованы озера Атаманское, Сошники и Поличка в пойме р. Северский Донец. Сброс промстоков в эти озера продолжался до середины 90-х годов, и в результате природ­ные экосистемы были уничтожены, техногенные озера шламонакопители превратились в опаснейший источник загрязнения окружа­ющей среды. Вследствие фильтрации иловых вод из оз. Атаманское, под ним образовался ореол сильно загрязненных подземных вод. В зоне загрязнения оказались Бородиновское и Мало-Каменское месторождения подземных пресных вод, которые используются для снабжения питьевой водой жителей г. Каменска-Шахтинского. Основ­ная масса загрязняющих веществ (сероводород, сероуглерод, фенолы, цинк, медь, свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, бор, серебро, молибден и др.) сосредоточена в текучих илах, в верхнем слое тол­щиной 1,5-2,5 м. Текучие техногенные илы озер Атаманское и Сорное по содер­жанию цинка, свинца, меди и других микроэлементов могут быть приравнены к богатым рудам, а их запасы позволяют начать раз­ работку техногенных руд в промышленных масштабах. Только в озерах Атаманское и Сорное запасы цинка превышают 30 000т. при его концентрации в текучепластичном иле свыше 10 %. В этих же озерах запасы свинца достигают 570 т, меди — более 176 т, лития — около 60 т, мышьяка — 40 т, олова — 6 т, молибдена — 4,7 т, ртути — 3,5 т, серебра — 180 кг.

3. Методы исследования

Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа. С помощью него могут быть найдены различные элементы от бериллия (Be) до урана (U). Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, возникающего при облучении исследуемого материала рентгеновским излучением. При взаимодействии с высокоэнергетичными фотонами атомы вещества переходят в возбуждённое состояние, что проявляется в виде перехода электронов с нижних орбиталей на более высокие энергетические уровни вплоть до ионизации атома. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии либо испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек. При этом каждый атом испускает фотон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.

В качестве источника излучения могут использоваться как рентгеновские трубки, так и изотопы каких-либо элементов. Поскольку каждая страна имеет свои требования к ввозу и вывозу излучающих изотопов, в производстве рентгенофлуоресцентной техники в последнее время стараются использовать, как правило, рентгеновскую трубку. Трубки могут быть как с родиевым, так и с медным, молибденовым, серебряным или другим анодом. Анод трубки, в некоторых случаях, выбирается в зависимости от типа задачи (элементов, требующих анализа), для решения которой будет использоваться данный прибор. Для разных групп элементов используются различные значения силы тока и напряжения на трубке. Для исследования лёгких элементов вполне достаточно установить напряжение 10 кВ, для средних 20-30 кВ, для тяжелых — 40-50 кВ. Кроме того, при исследовании лёгких элементов большое влияние на спектр оказывает атмосфера, поэтому камеру с образцом либо вакуумируют либо заполняют гелием. После возбуждения спектр регистрируется на специальном детекторе. Чем лучше спектральное разрешение детектора, тем точнее он сможет отделять друг от друга фотоны от разных элементов, что в свою очередь скажется и на точности самого прибора. В настоящее время наилучшей возможной разрешающей способностью детектора является 123 эВ.

После попадания на детектор фотон преобразовывается в импульс напряжения, который в свою очередь подсчитывается счётной электроникой и наконец передается на компьютер. Ниже приведён пример спектра, полученный при анализе корундовой ступки (содержание Al2O3 более 98 %, концентрации Ca, Ti порядка 0,05 %). По пикам полученного спектра можно качественно определить, какие элементы присутствуют в образце. Для получения точного количественного содержания необходимо обработать полученный спектр с помощью специальной программы калибровки (количественной градуировки прибора). Калибровочная программа должна быть предварительно создана с использованием стандартных образцов, чей элементный состав точно известен. Упрощённо, при количественном анализе спектр неизвестного вещества сравнивается со спектрами полученными при облучении стандартных образцов, таким образом получается информация о количественном составе вещества.

Рентгенофлуоресцентный метод широко используется в промышленности, научных лабораториях. Благодаря простоте, возможности экспресс-анализа, точности, отсутствию сложной пробоподготовки, сферы его применения продолжают расширяться.

4. Результаты и обсуждения

Обследование территории оз. Атаманского проводилась научно-исследовательской группой ЮФУ в период с октября 2015 по июль 2016 г. В течение указанного времени было изучено 89 площадок, находящихся на территории или в окрестностях оз. Атаманского. Почвенные образцы для анализов отбирались по 2-м схемам: регулярная сеть – для территории озера Атаманского и нерегулярная сеть – территории крупных населенных пунктов в 30 км зоне.

Рисунок 1. Картосхема расположения площадок опробования озера Атаманского и прилегающей территории

По результатам рентгенофлуоресцентного анлизанами были получены данные по следующим металлам: Cu, Zn, Pb. Единицы измерения мг/кг. В качестве фоновых концентраций были взяты данные по содержанию тяжелых металлов в особо охраняемой природной территории «Хороли» Зерноградского района Ростовской области.

Таблица 1. Превышения ПДК в почвах и донных отложения озера Атаманского (данные для наиболее загрязненных площадок)

№ площадки

Превышения ПДК

Cu

Zn

Pb

14

13

687

19

64

7

727

9

74

5

406

72

ПДК

55

100

32

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов на территории ООПТ «Хороли» (фоновые значения)

Элемент

Значение

1

2

3

4

Cr

115,31

105,95

118,42

112,48

MnO

1101,65

1016,53

964,02

927,81

Co

30,00

31,63

34,94

34,05

Ni

78,39

76,88

76,69

74,53

Cu

68,70

69,97

72,67

70,89

Zn

103,04

102,33

101,56

101,18

Sr

117,20

132,29

160,21

176,03

Pb

47,36

35,02

31,56

28,21

Для территории озера Атаманского отмечаются крайне высокое содержание загрязнителей. Концентрация Pb превышает ПДК в 72 раза, Zn в 727 раз.

На основе полученных данных был рассчитан суммарный показатель загрязнения, отражающий загрязнение территории прилегающей к озеру Атаманское. В качестве фоновых значений при расчете коэффициента были использованы данные по содержанию тяжелых металлов на территории ООПТ «Хороли».

Таблица 3. Суммарный показатель загрязнения территории озера Атаманское (Максимальные показатели)

Kc (Cu)

Kc(Zn)

Kc (Pb)

Zc

64

5.270888

705.8136

5.914063

714.9985

64

5.270888

705.8136

5.914063

714.9985

76

5.234352

707.3564

2.629645

713.2204

14

10.22052

666.4942

12.98965

687.7044

43

5.702329

633.8393

3.36951

640.9111

42

5.949782

633.1792

2.699324

639.8283

28

7.669723

581.2043

11.57369

598.4477

41

6.369287

557.4717

5.243243

567.0842

34

5.171616

523.2733

3.320101

529.765

36

2.469723

524.0911

1.940878

526.5017

35

1.926638

476.7499

6.29223

482.9688

74

4.156914

394.0011

48.5777

444.7357

Территория озера Атаманского относится к категории «Чрезвычайно опасная», по содержанию тяжелых металлов. Суммарный показатель загрязнения варьирует в интервале от 0 (удаленные от озера территории) до 714 (дно озера Атаманское).

C помощью ГИС-технологий нами была выполнена картосхема загрязнения территории прилегающей к озеру Атаманскому Каменского района Ростовской области (рис.2).

Выводы

Изучены литературные источники по теме исследования.

Выполнен анализ и интерпретация полученных данных по содержанию тяжелых металлов на территории озера Атаманского Каменского района Ростовской области. Для территории озера Атаманского отмечаются крайне высокое содержание загрязнителей. Концентрация Pb превышает ПДК в 72 раза, Zn в 727 раз, Cu в 13.

Выполнен расчет суммарного показателя загрязнения почв и донных отложений объекта исследований. Территория озера Атаманского относится к категории «Чрезвычайно опасная», по содержанию тяжелых металлов. Суммарный показатель загрязнения варьирует в интервале от 400 до 700 . Это приводит к увеличению заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикозов беременности, числа преждевременных родов, мертворождаемости, гипотрофий новорожденных).

Список литературы

Алексеенко В.А., Суверинов А.В., Алексеенко В.Ан., Бофанова А.Б.Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов Ростовской области. М.: Логос, 2002. – 309 с.

Ермашов Х.Ю. Экологические проблемы больших городов РФ на примере г. Ростова-на-Дону // Материалы II междунар. науч. студ. конф. «Город и экология»/ Ростов н/Д.: Тез. докл. – 1996. – С. 23.

Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов н/Д.: Изд. СКНЦ ВШ, 2000 – 230 с.

Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Т. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. Ростов н/Д: Эверест, 2009. – 208 с.

Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв М.: Академический проект – Гаудеамус, 2007. – 234 с.

Орлов А.С., Безуглова О.С. Биогеохимия. Ростов н/Д: Феникс, 2000. – 320 с.

Просмотров работы: 46