Биоиндикационная оценка окружающей среды города Усть-Каменогорска

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

Биоиндикационная оценка окружающей среды города Усть-Каменогорска

Кабыкенова Н.А. 1Касымова К.А. 1
1НИШ
Попова М.В. 1Шаматова Г.Ж. 1
1НИШ
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

Проблема взаимосвязи состояния окружающей среды и здоровья человека в Республике Казахстан с каждым годом приобретает все более актуальный характер. Загрязнение природной среды и его влияние на здоровье человека тесно коррелируют между собой, что прослеживается при анализе данных по уровню заболеваемости, выбросам загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников, сбросу загрязненных сточных вод в водоемы, образованию токсичных отходов, доступности населения к питьевой воде и качеству воды и пр.

Многолетняя деятельность промышленных предприятий Усть-Каменогорска оказывает отрицательное воздействие не только на экологическое состояние окружающей среды, но и на здоровье населения.

Цель работы: рассмотреть загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами территорий города Усть-Каменогорска на основании результатов исследования почвы и хвои и составить карту загрязненности районов.

Задачами исследования являются:

литературный обзор и анализ экологической обстановки города Усть-Каменогорска;

отбор проб образцов для анализа;

определение содержания свинца и цинка в почвах и хвое ели г. Усть-Каменогорска;

выявление закономерностей накопления ТМ и составление карты загрязненности районов

Методы исследования: теоретические – методы анализа литературных источников; физико-химические и биологические методы анализа.

1Нормативы и методы исследования оценки качества окружающей среды

Нормирование качества окружающей природной среды представляет собой деятельность по установлению нормативов предельно допустимых воздействий человека на окружающую природную среду.

В качестве основного параметра нормирования используются предельно- допустимые концентрации (ПДК) — нормативы, устанавливающие концентрации вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства.

Для оценки качества атмосферного воздуха, как правило, определяют среднесуточную концентрацию.

ПДК среднесуточная - значение концентрации вредного вещества, которое не оказывает вредного воздей­ствия на человека при неограниченно длительном вдыхании. Значения ПДКсс веществ в атмосферном воздухе санитарно-курортной зоны принимается численно на 20 % меньше, чем для обычных населённых мест.

Принципы нормирования вредных веществ в почве существенно отличаются от принципов, положенных в основу нормирования их для водоемов, атмосферного воздуха и пищевых продуктов. Разница обусловлена тем, что прямое поступление вредных веществ через почву в организм человека невелико, оно ограничено немногими случаями прямого контакта с ней (игра детей в песочницах, употребление в пищу немытых овощей и т.д.). Вредные химические вещества, попавшие в почву, поступают в организм человека в основном через контактирующие с почвой среды: воду (миграционный водный показатель вредности), воздух (миграционный воздушный показатель вредности) и растения (транслокационный показатель вредности).

Степени загрязнения почв сельскохозяйственных угодий оценивают по транслокационному показателю вредности, в наибольшей степени отражающему уровень возможного накопления токсикантов в пищевых продуктах.

Для оценки качества окружающей среды используются различные химические, физико-химические и биологические методы анализа.

К химическим методам относятся титриметрические, гравиметрические. Титриметрический метод- метод качественного анализа, целью которого является определение содержания вещества с помощью измерения обьема раствора реагента вступившим в рекацию с назначенным веществом.

Гравиметрический анализ в процессе осаждения взвешиватеся выделенный в чистом виде веществов. Так можно определить присутстиве почти любого элемента в растворе. Например, определение сульфат-ионов.

Основные физико-химические методы анализа, используемые при анализе окружающей среды: атомно-абсорбционный, спектрофотометрический, потенциометрический, вольтамперометрический.

Биологические методы оценки - это характеристика состояния экосистемы по растительному и животному населению. 

Важные преимущества биологических методов – их простота, отсутствие дорогостоящего и сложного оборудования, необходимого для использования традиционных физико-химических и физических методов. Они не требуют пробоподготовки и выделения определенного соединения, позволяют проводить анализ вод, почв и воздуха в экспедиционных условиях непосредственно на месте отбора проб. С их помощью оценивают степень общего загрязнения и общей токсичности объекта окружающей среды для живых организмов и целесообразность его дальнейшего детального анализа другими, более сложными и дорогостоящими, методами.

Растения чувствительны к загрязнению воздуха. Высокая чувствительность растений вызвана наличием у них фотосинтетического аппарата, высокочувствительного к любым воздействиям. Синтез углеводов и запасание световой энергии в процессе фотосинтеза у растений сопровождаются поглощением диоксида углерода. Попутно, а иногда и в ущерб ассимиляции диоксида углерода растения поглощают из воздуха загрязняющие вещества. Именно с этой особенностью автотрофного метаболизма продуцентов связана их более высокая чувствительность к большинству поллютантов. Оценку качества воздуха проводят с помощью чувствительных растений-индикаторов.

Выделяют два типа биоиндикаторов: чувствительный и аккумулятивный.

Чувствительный - быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы. Например, отклонения в поведении животных, в физиологических реакциях клеток могут быть обнаружены практически сразу после начала действия нарушающего фактора.

Аккумулятивный - накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Например, лес на начальных этапах его загрязнения будет прежним по своим основным характеристикам (видовому составу, разнообразию, обилию и пр.). Лишь по прошествии какого-то времени начнут исчезать редкие виды, произойдет смена преобладающих форм, изменится общая численность организмов и т.д. Таким образом, лесное сообщество как биоиндикатор не сразу обнаружит нарушение среды.

Общая характеристика предприятий города Усть-Каменогорска и экологический мониторинг

Усть-Каменогорск, представляет собой уникальную урбанизированную систему, содержащую промышленные предприятия самой различной техногенной ориентации. Здесь на сравнительно небольшой территории размещены крупные объекты цветной металлургии, атомно-промышленного и редкометалльного комплексов, теплоэнергетики, транспорта, пищевой и перерабатывающей промышленности, коммунального хозяйства.

Одним из крупнейших предприятий являеся ТОО Казцинк. Главными продуктами ТОО Kaзцинк являются цинк, рафинированный свинец, катодная медь, зoлотo, сeрeбрo, кaдмий.

В 2017 году добыча металлического цинка превисило 300 тысяч тонн, добыча свинца стало больше на 150 тысяч тонн. Обжиг цинковых концентратов выщелачивание огарка,очистка из двух стадий, электролиз цинковых растворов и переплавка катодного цинка это пути добычи цинка.

Основными загрязнителями являются тяжелые металлы, фенол, диоксид серы, дикосид азота и формальдегид.

Усть-Каменогорский металлургический комплекс состоит из цинкового завода мощностью 190 000 т/год, свинцового завода – мощностью 144 000 т/год, медного завода – мощностью 70 000 т/год, завода по производству драгоценных металлов и сернокислотного завода.

Ульбинский металлургический завод имеет в своей структуру танталовое, бериллиевое и урановое производство.

Наряду со всеми преимуществами ОАО «УМЗ» является источником радиоактивного загрязнения окружающей среды. Здесь определено 61 загрязняющее вещество, из них 1 класса опасности: бериллий, бенз(а)пирен, свинец и его неорганические соединения, 2 класса опасности: марганец и его соединения, оксид никеля, хлор, диоксид азота, сероводород, фтористые соединения и др., 3 класса опасности: оксид железа, неорганическая пыль, сажа, сернистый ангидрид, 4 класса: оксид углерода, аммиак. Специфическим загрязняющим веществом для ОАО «УМЗ» является общая альфа- активность. Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят: фтористый водород (77,7%), оксиды азота (9,22%), аммиак (5,87%), бериллий (3,01%), сернистый ангидрид(1,12%). Под влиянием производства также сильно загрязнена водная среда города. Сточные воды технологических процессов, содержащие соли тяжелых металлов, минеральные примеси, сбрасываются на хвостохранилище. Основное загрязнение происходит солями аммония, марганцем, железом и сульфатами на фоне увеличения общей минерализации подземных вод.

Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат - металлургическое предприятие, которое входит в семерку производителей губчатого титана во всем мире и имеет долю 20%. Основная продукция – хлористый магний, титановая губка, которая производится магниетермическим способом. Источниками загрязнения на предприятии являются пылегазовые выбросы ЗВ в атмосферу, сбросы сточных вод в реки, твердые и жидкие отходы производства. Основными загрязняющими веществами в воздушных выбросах предприятия являются хлор, хлористый водород, пыль общая, оксид углерода, диоксиды азота и серы.

ТОО «Усть–Каменогорская ТЭЦ», являясь предприятием жизнеобеспечения города Усть-Каменогорска, считает важным соблюдение баланса между надежным теплоснабжением, экологической безопасностью производства и социальной ответственностью.

Наблюдения за состоянием окружающей среды в Республике Казахстан осуществляет РГП «Казгидромет», который выпускает информационный бюллетень о состоянии окружающей среды.

На основании данных информационного бюллетеня «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан» за 2016-2018гг, построен сводный график по загрязнению атмосферы химическими веществами в г. Усть-Каменогорск.

Рисунок 1 –Загрязнение атмосферы города Усть-Каменогорска за 2016-2018гг

Наибольшее загрязнение в воздухе наблюдается следующими веществами: фтористый водород, диоксид азота, свинец, озон, диоксид серы. Большее содержание в воздухе зафиксировано диоксидом серы. В 2016-2018 гг. оно превышало ПДК на 0,3 и 1,2 раза. Также, за 2018 год значительное содержание показали озон (1,4 ПДК) и диоксид азота (1,8 ПДК). В 2018 году снижение обнаружилось у свинца и фтористого водорода, и только свинец не превышает 1 ПДК.

Рисунок 2- Загрязнение почвы города Усть-Каменогорска тяжелыми металлами за 2016-2018гг

Наибольшее загрязнение наблюдается такими тяжелыми металлами как свинец и цинк. Содержание тяжелых металлов в верхних слоях почвы определяется близостью к локальным источникам загрязнения и переносом загрязнителей нижними слоями атмосферы, что обусловливается региональными факторами, такими как климат, рельеф, а также растительный покров, тяжелые металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся.

По результатам анализа построена карта загрязнения почвы различных районов города Усть-Каменогорска

 

1

 

5

2016 год Максимальный уровень загрязнения

2017 год Минимальный уровень загрязнения

2018 год

- Пересечение улицы Тракторной и проспекта Абая

- Пересечение улиц Рабочая и Бажова (1 км от ОАО "Казцинк")

-Проспект Независимости (3 км на ЮЗ от ОАО "Казцинк")

- Школа - лицей №34 (3 км от ОАО "Казцинк")

- Парк "Голубые Озёра" (3 км от ОАО "Казцинк")

Рисунок 3- Карта загрязнения почв города Усть-Каменогорска

1.3 Методы биоиндикационной оценки города Усть-Каменогорска по состоянию хвои

Биоиндикаторами окружающей среды являются хвойные растения. Хвойные отличаются повышенной чувствительностью к уровню загрязнения окружающей среды.

Рисунок 4- Схема оценки окружающей среды по аккумулирующей способности хвойных деревьев

Для проведения анализа отбор хвои осуществлялся в различных районах города Усть-Каменогорска в январе 2019 года.

Для анализа использованы трехлетние побеги. Данные параметров занесены в таблицу 1.

Таблица 1 – Характеристика исследуемой хвои

Параметры

ул. Ауэзова (район Колоса)

КШТ

Библиотека Пушкина

Казцинк

пос. Согра

Защита

Цвет

Зеленый

Зеленый

Зеленый

Зеленый

Зеленый

Зеленый

Средняя масса/г

0,437

0,392

0,671

0,335

0,482

0,387

Средняя длина

14мм

16мм

17мм

10мм

17мм

12мм

В качестве исследуемых параметров выбраны свинец и цинк, поскольку наблюдается значительное превышение по данным показателям (рисунок 2).

Для определения содержания свинца и цинка в хвое, хвою высушивали, измельчали и озоляли в муфельной печи в течение трех часов при температуре 550оС. Затем полученную золу растворяли в 1н растворе азотной кислоты.

Свинец определяли атомно-абсорбционном методом с помощью спектрометра МГА 915.

Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание свинца, мг/кг в образцах хвои ели

Название района

Содержание свинца, мг/кг

Содержание цинка, мг/кг

ул. Ауэзова (район Колоса)

1,16±0,17

1,78±0,12

КШТ

1,03±0,21

1,39±0,11

Библиотека Пушкина

1,08±0,14

1,46±0,16

Район Казцинк

6,28±0,19

6,96±0,21

пос. Согра

1,04±0,16

1,35±0,17

Защита

2,74±0,11

2,98±0,18

В ходе исследования проведена биоиндикационная оценка хвои ели различных районов города Усть-Каменогорска.

Установлено, что наиболее загрязнённым районом является зона, где расположены металлургические предприятия.

По данным мониторинга окружающей среды уровни загрязнения превышают санитарно-гигиенические нормы, что сказывается на здоровье населения.

В связи с чем, необходимо разработать комплексную программу по снижению уровня загрязнения на территории города.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является огромной экологической проблемой современности. При этом особую опасность представляет загрязнение почв. Для снижения пагубного влияния накопления тяжелых металлов и других загрязнителей ведется контроль состояния почвенного покрова.

Контроль состояния почв в той или иной мере зависит от химического анализа. Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется развитию уже имеющихся методов анализа, разработке новых, а так же изучению вопроса химической очистки почвенных покровов без нанесения вреда окружающей среде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

Годовой информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан»- Астана, 2016

Годовой информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан»- Астана, 2017

Полугодовой информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан»- Астана, 2018

Ляшенко О.А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды: учебное пособие / СПб ГТУРП. - СПб., 2012. - 67 с.

Кучина О.Е. Изменение размера и состава хвои ели как индикатор аэрогенного загрязнения г. Красноярска / О.Е. Кучина, О.А. Есякова, Р.А. Степень // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы: сборник статей научно-практической конференции - Красноярск, 2008. - С. 123-127.

Биомониторинг состояния окружающей среды: уч.пособие/под ред. Проф. И.С.Белюченко-Краснодар: КубГАУ, 2014-153с.

Официальный сайт РГП «Казгидромет»: [Электронный ресурс]: сайт / РГП «Казгидромет» // https://kazhydromet.kz/ru/p/monitoring-sostoania-okruzausej-sredy

Пименова Е.В., Леснов А.Е. Химические методы в агроэкологическом мониторинге почвы: Учебное пособие / Е.В. Пименова, А.Е. Леснов, ФГОУ ВПО Пермская ГСХА.- Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2008.- 145 с

Воробьева Л.А. Химический анализ почв: Учебник. — М.: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.

Центральный институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО) Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства – Москва, 1992 – 63с.

А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина, Г.Ф. Лайдинен Ус- тойчивость растений к тяжелым металлам [отв. ред. Н.Н. Немова]; Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский науч- ный центр РАН, 2007. 172 с.

Просмотров работы: 107