HEAVY METALS IN THE ARCTIC SOILS OF THE WESTERN COAST OF SVALBARD ARCHIPELAGO

Full Text

Тяжелые металлы относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В настоящее время существует ряд классификаций. Так, к тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы с атомным весом свыше 50, в этот список попадают все металлы, начиная с ванадия, независимо от плотности. По классификации Н. М. Реймерса часто используемым критерием является плотность, примерно равная или большая плотности железа (8 г/см3). Некоторые классификации делают исключения для благородных и редких металлов, не относя их к тяжелым, некоторые исключают не цветные металлы (железо, марганец). Термин «тяжелый металл» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения [15, 20], и таким образом при включении в эту категорию учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность. Антропогенное поступление тяжелых металлов в биосферу в подавляющем большинстве случаев приводит к отравлению живых организмов, включая человека. При загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами почвы являются биогеохимическим барьером, который поглощает тонкодисперсные вещества и газы, поступающие из атмосферы, одновременно очищая другие сопредельные среды. В атмосфере и гидросфере происходит периодическое самоочищение от загрязнителей, почва же практически не обладает такой способностью [18]. Тяжелые металлы хорошо адсорбируются слоями почвы, их соединения длительное время сохраняют высокую подвижность и токсичные свойства. Являясь накопителями техногенных веществ, почвы могут стать вторичными источниками загрязнения воздуха, растений и природных вод, что может вызвать нарастание экологически опасных последствий [3, 19]. Металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. Так, период полу-удаления из почвы: цинка - до 500 лет, кадмия - до 1 100 лет, меди - до 1 500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет [13]. Актуальность данной работы прежде всего продиктована тем, что стратегия экономического развития пяти арктических стран направлена на использования природных ресурсов Арктики, в том числе углеводородных месторождений. Техногенные катастрофы на нефтяных месторождениях диктуют необходимость знать не только аномальные значения тех или иных загрязнителей, но и значения, входящие в реперентный интервал. Все это позволит спрогнозировать картину развития загрязнения, в том числе и тяжелыми металлами, в случае возникновения нештатной ситуации на добывающих предприятиях. Цель исследования - получить объективные данные по содержанию тяжелых металлов в почвах, сформированных на морских террасах за- 8 Экология человека 2014.09 Окружающая среда падного побережья архипелага Шпицберген, установить основные пути их поступления в почвенную среду. Методы Исследование тяжелых металлов в почвах проводилось на морских террасах, расположенных на западном побережье острова Западный Шпицберген вблизи поселков Лонгйир (норв. Longyearbyen) (N 78013,098; E 015o41,199), Баренцбург (норв. Barentsburg) (N 78004,264; E 014012,025), Ню-Олесунн (норв. Ny-Âlesund) (N 78055,891; E 01 1051,765). На морских террасах делались почвенные профили до материнской породы или до границы сезонно-талого слоя мерзлоты, из каждого почвенного слоя на анализ отбирались почвенные образцы. Предыдущие результаты почвенно-геохимических исследований архипелага опубликованы в работах [7, 10, 17]. Арктические почвы, подверженные действию холодного климата и многолетней мерзлоты, характеризуются тем, что период самоочищения у них практически отсутствует. Почвенный профиль в районе п. Лонгйир сделан на морской террасе, которая образовалась в результате изменения уровня моря. Высота террасы составляет 5 м над уровнем моря. Мощность почвенного профиля составляет 17 см. Профиль почв состоит из следующих горизонтов: А0 - подстилка из мхов, корней осок и других растений мощностью до 3-5 см, нижняя граница неровная; А0Ач - грубогумусовый горизонт мощностью 7 см, темно-коричневого цвета с серым оттенком, с большим количеством корней, по гранулометрическому составу - тяжелый суглинок, сырой, с резким переходом; Bg - коричнево-бурый с рыжеватыми и сизоватыми пятнами горизонт мощностью от 10 до 12 см, с большим количеством корней, по гранулометрическому составу - легкий суглинок, мокрый. Ниже располагается суглинисто-глинистая почвообразующая порода с большим содержанием щебня и глыб. Такое морфологическое строение почвенного профиля соответствует подтипу арктотундровых глееватых почв. Второй почвенный разрез был выполнен на морской террасе вблизи п. Баренцбург. Генезис морской террасы связан с изменением уровня моря. Высота террасы составляет 25 м над уровнем моря. Растительность представлена в основном мхом и осокой. Мощность почвенного профиля составляет 22 см. Профиль почв состоит из следующих горизонтов: A0 - подстилка из мхов, корней осок и других растений мощностью до 2 см, нижняя граница неровная; A1g - гумусово-торфянистый горизонт с признаками глеевых подтеков в верхней части горизонта, мощность горизонта 7 см, темно-серого цвета, с большим количеством корней, по гранулометрическому составу суглинистый, хорошо отслаивается от других горизонтов, сырой, с резким переходом, граница неровная; Bg - оглеенный горизонт мощностью до 5-7 см, коричнево-бурый с сизоватым оттенком, с большим количеством корней, по гранулометрическому составу - легкий суглинок, мокрый, тиксотропный, переход по границе оттаива ния; GM - оглеенный, темно-сизый, суглинистый. Ниже располагается суглинисто-глинистая почвообразующая порода с большим содержанием щебня и глыб. Такое морфологическое строение почвенного профиля соответствует подтипу арктотундровых глееватых типичных торфянистых почв. Третий почвенный разрез был выполнен на молодой аккумулятивной морской террасе вблизи п. Ню-Олесунн. Высота террасы составляет 7 м над уровнем моря. К борту морской террасы прилегает снежник. В небольших углублениях площадки морской террасы встречается снег. Растительный покров представлен редкими куртинами, расположенными на расстоянии нескольких метров друг от друга, состоящими изо мхов, лишайников и отдельных цветковых растений. Мощность почвенного профиля составляет 25 см. Профиль почв имеет следующее морфологическое строение: А0 - мохово-лишайниковая куртина, мощность до 2 см; А1 - гумусовый горизонт мощностью до 4 см, светло-серый, легкосуглинистый, непрочно зернистой структуры, содержит карбонатные выделения, наблюдается нормальное вскипание горизонта под действием 10 % HCp граница размытая; АчС - переходный горизонт мощностью 19 см, буровато-желтоватый, легкосуглинистый, непрочно комковатой структуры; переход по границе оттаивания; С - материнская порода, светло-бурая, супесчаная, плотная, щебнистая. Такое морфологическое строение почвенного профиля характерно для пустынно-арктических почв. В процессе исследования использовался метод рентгенофлуоресцентного анализа. Определялись следующие элементы, которые всегда включаются в группу тяжелых металлов: стронций, ванадий, цинк, медь, никель, хром, кобальт и свинец. Массовая доля всех вышеперечисленных элементов в порошковых пробах почв и донных отложений определялась по методике М049-П/04 [14] на рентгенофлуоресцентном спектрометре «СПЕКТРОСКАН - мАкС» GF-2E. Данная методика предусматривает определение валового содержания элемента (суммарного содержания элемента во всех присутствующих в анализируемой пробе химических формах). В зависимости от целей конкретной аналитической задачи анализ может быть ограничен определением одного или нескольких элементов (далее - компонентов). Диапазоны измерений массовой доли определяемых компонентов приведены в таблице. Диапазоны измерений массовой доли компонентов, х10-6 Определяемый компонент Диапазон измерений массовой доли определяемого компонента, от-до Sr 50-310 V 10-180 Zn 10-610 Си 20-310 Ni 10-380 Cr 80-180 Со 10-150 Pb 25-280 9 Окружающая среда Экология человека 2014.09 Отбор проб проводился согласно ГОСТ 28168-89 [9]. Пробы готовили к анализу в соответствии с ОСТ 10-259-2000 [16]. Высушивали пробы до воздушносухого состояния при температуре 105 °С. Сухая проба должна быть измельчена так, чтобы максимальный размер частиц не превышал 1 мм. Масса измельчённой пробы должна быть не менее 100 г. Для проведения рентгеновского анализа из измельченной пробы отбирался рабочий образец массой 15-25 г. С этой целью применяли квартование пробы. Рабочий образец дополнительно измельчали до пудры на оборудовании, не загрязняющем пробу. Степень измельчения считается удовлетворительной, если выход класса 71 мкм после измельчения не менее 95 %. Рабочий образец засыпали в кювету, поставляемую со спектрометром, до образования горки и уплотняли с помощью цилиндрического пуансона, изготовленного из материала, не загрязняющего образец. Затем вновь добавляли материал до образования горки и раздавливали стеклом для формирования плоской поверхности, находящейся вровень с краями кюветы. Образовавшуюся поверхность закрывали плёнкой из полиэтилентерефталата толщиной 5 мкм. Плёнка закреплялась кольцом, входящим в комплект кюветы. Кювету вставляли в обойму, обойму в спектрометр. Первый и второй рабочий образец (дубликат) вводили последовательно. Значения массовой доли компонентов в рабочем образце (результат опреде ления) автоматически вычисляли после окончания измерений. Результаты, полученные для первого и второго рабочего образца усредняли, получая среднее арифметическое значение массовой доли компонента - С (% или млн-1). Доверительный интервал результата анализа (р = 0,95) рассчитывали, исходя из среднего арифметического двух определений по зависимостям, приведенным в методике. Результаты Анализ данных, полученных в ходе измерения почвенных образцов на рентгенофлуоресцентном спектрометре, показал особенности распределения тяжелых металлов в трех профилях, различающихся по месту нахождения и морфологическому строению (рис. 1-3). Обсуждение результатов Валовое содержание стронция (Sr) на западном побережье острова Западный Шпицберген составляет от 78,2 до 622 мг/кг. Кларк Sr в почве равен 300 мг/ кг. ПДК элемента отсутствует. Высокая концентрации Sr отмечается в почвенном профиле, сделанном на морских террасах вблизи п. Баренцбург, наибольшая концентрация его приходится на центральную часть профиля, где развиваются процессы оглеения, здесь концентрация данного тяжелого металла превышает кларк Sr в почве почти в два раза (рис. 2). В почвенных профилях арктотундровых глееватых почв и пустынно-арктических почв в районе поселков Рис. 1. Распределение валового содержания тяжелых металлов по почвенному профилю арктотундровых глееватых почв в районе п. Лонгйир Рис. 2. Распределение валового содержания тяжелых металлов по почвенному профилю арктотундро-вых глееватых типичных торфянистых почв в районе п. Баренцбург 10 Экология человека 2014.09 Окружающая среда 160 -і 120 ас 80 - 2 40 - О -Рис. 3. Распределение валового содержания тяжелых металлов по почвенному профилю пустынно-арктических почв в районе п. Ню-Олесунн Лонгйир и Ню-Олесунн концентрация Sr уменьшается сверху вниз по профилю. Такую закономерность можно объяснить тем, что Sr легко переходит в почвенный раствор и сорбируется почвенным комплексом. Далее распределение Sr в почвенном профиле наследует главные тенденции циркуляции почвенного раствора. Высокие значения Sr в верхних частях профиля свидетельствуют о его внешнем поступлении. Основной путь поступления Sr в почву - дальний перенос тяжелого металла атмосферными потоками на аэрозольных частицах. Основной поток аэрозольных частиц наблюдается со стороны металлургических предприятий Кольского полуострова. Современные методы получения и анализа метеорологической информации позволяют оценивать среднее воздействие крупных промышленных регионов на природные среды и объекты как близлежащих, так и удаленных территорий [5, 12]. С воздушными массами переносятся морские аэрозоли, основную часть которых составляют водорастворимые соли, при количестве осадков 400 мм/год в западных районах архипелага Шпицберген осаждается около 4 т/км2 морских солей, в виде ничтожной, но постоянно присутствующей примеси в них находятся тяжелые металлы [11]. Как известно, вдоль всего западного побережья архипелага проходит теплое западно-шпицбергенское течение, одно из ответвлений Гольфстрима, которое переносит водорастворимые тяжелые металлы с западноевропейских предприятий, в том числе и с радиохимических заводов (Селлафилд, Ла-Хагуа, Доунрей) [1]. Следующим тяжелым металлом, особенности поведения которого исследовались в почвенных профилях, был ванадий (V). Кларк V в почве равен 100 мг/кг. ПДК в почве 150 мг/кг. Относительно равномерное распределение V вниз по почвенному профилю отмечается в районе поселков Лонгйир и Баренцбург. В почвенном профиле, сделанном на морской террасе в районе п. Ню-Олесунн, валовое содержание V увеличивается вниз по профилю. Следует отметить, что во всех разрезах, выполненных на территории исследования, концентрация V повышается в почвенных горизонтах, где превалируют процессы оглеения. Мы предполагаем, что повышенные концентрации V в по- АО А0А1 G В\Ск Горизонт И Zn ■ Cu И Ni ■ V В Sr □ Cr чвах на архипелаге Шпицберген связаны с залежами угля. Данный металл имеет свойство накапливаться в биолитах, в нашем случае в каменном угле. Атмосферные и талые воды выщелачивают V из угольных пластов; попадая в почву, он образует комплексные соединения с органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами. Дальнейшая миграция V связана с распределением гумусовых кислот по почвенному профилю. Другим тяжелым металлом, который имеет высокие концентрации в почве, является цинк (Zn). Кларк Zn в почве 50 мг/кг [6]. ПДК его в почве 100 мг/ кг. Согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 [8] Zn относится к первому классу опасности, то есть к высокоопасным веществам. Валовое содержание Zn в почвенных разрезах, сделанных на морских террасах в районе поселков Ню-Олесунн и Лонгйир, уменьшается сверху вниз по профилю. Такое распределение тяжелого металла связано с его внешним аэрозольным поступлением. В почвенном профиле, сделанном в районе п. Баренцбург, повышенное содержание Zn замерено в почвенных образцах, отобранных из горизонтов, имеющих яркие признаки оглеения. Вероятно, что аккумуляция металла в данных горизонтах связана с его выщелачиванием из подстилающих пород - карбонатов, в которых Zn имеет свойство накапливаться. Следующий химический элемент, который анализировался в почвах Шпицбергена, медь (Cu). Кларк Cu в земной коре 47 мг/кг [4]. ПДК его в почве 55 мг/кг. Среднее содержание Cu в почвах мира 30 мг/кг. Почвенные образцы, отобранные на территории исследования, имеют концентрацию Cu от 18 до 38 мг/кг. Во всех почвенных профилях обнаруживаются слабые вариации суммарного содержания Cu по слоям. Это связано с тем, что Cu - малоподвижный элемент в почвах. Основополагающим фактором, влияющим на величину содержания Cu, является концентрация ее в почвообразующих породах, так как медь проявляет большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. Ионы Cu могут также легко осаждаться такими анионами, как сульфид, карбонат и гидроксид. Аккумуляция в верхних горизонтах - обычная черта распределения Cu в почвенном профиле. Это явление есть результат 11 Окружающая среда Экология человека 2014.09 действия разных факторов, но прежде всего концентрация Cu в верхнем слое почвы отражает ее биоаккумуляцию, Cu образует устойчивые комплексы с гуминовыми и фульвокислотами. Некоторое влияние на концентрацию Cu в почве оказывает и угольные залежи. По данным [2], каменный уголь разных месторождений может содержать от 15 до 340 мг/ кг соединений меди. Концентрация никеля (Ni) в почвах западного побережья архипелага Шпицберген изменяется от 14 до 38 мг/кг. Содержание никеля в почвах мира колеблется в широких пределах - от 1 до ~ 100 мг/ кг. Суммарная концентрация Ni, так же как и Cu, незначительно варьирует по профилю. В верхних горизонтах почв никель присутствует главным образом в органически связанных формах, часть из которых может быть представлена легкорастворимыми хе-латами [21]. В нижних горизонтах состояние Ni в почвах во многом определяется его содержанием в материнских породах. Во всех почвенных разрезах, сделанных на западном побережье Западного Шпицбергена, наблюдается слабая дифференциация хрома (Cr) по горизонтам. Содержание тяжелых металлов кобальта (Co) и свинца (Pb) ниже диапазона измерений массовой доли определяемого компонента. Таким образом, на кумуляцию и миграцию тяжелых металлов в арктических почвах архипелага Шпицберген влияют специфика почвообразовательного процесса, содержание металла в материнской породе и дальний перенос тяжелых металлов атмосферными потоками на аэрозольных частицах.

About the authors

V V Kryauchyunas

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch of Russian Academy of Sciences

Email: vidas76@mail.ru

S A Iglovsky

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch of Russian Academy of Sciences

E V Shakhova

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch of Russian Academy of Sciences

A V Malkov

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

References

Supplementary files