авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

Биогеохимия тяжелых металлов при горнопромышленном техногенезе (на примере карабашской геотехнической системы, южный урал)

-- [ Страница 3 ] --

При увеличении возраста хвои содержания ТМ в ней возрастают. В Карабашской ГТС в импактной зоне хвоя 4-х-летнего возраста встречалась единично, а в радиусе первых километров от завода сохранность хвои уменьшается до 2-х лет. Одним из факторов этого является накопление в хвое ТМ до уровней, превышающих токсический эффект (до 100 фоновых концентраций). По данным Т.В. Черненьковой (2004), критический предел концентрации ТМ в ассимилирующих органах сосны, сопровождаемый гибелью деревьев, наступает на порядок раньше (Ni – 30–35 раз, Cu – 10–15 раз), что соответствует абсолютным концентрациям для лесов Севера – Ni > 100, Cu > 50 мг/кг. В Карабашской ГТС такие уровни Cu обнаружены в хвое второго года. Также в импактной зоне наблюдается резкое увеличение Zn, Pb, и Cd в 2-х-летней хвое, а затем происходит либо отмирание хвои, либо снижение концентраций за счет вымывания этих элементов при разрушении тканей (рис. 4).

Рис. 4. Изменение интенсивности накопления Cu разновозрастной хвоей от градиента техногенного загрязнения.

Это позволяет отнести полученные средние значения содержаний ТМ в хвое второго года (Сu – 65, Zn – 270, Pb – 190, Cd – 1.2 мг/кг) к их пороговым значениям для условий техногенеза Карабашской ГТС. Связь накопления ТМ с возрастом хвои аппроксимируется уравнением экспоненциальной функции:

,

где а и k – эмпирические коэффициенты; x – возраст хвои, лет; y – содержание ТМ в хвое сосны возраста х лет, мг/кг.

Cмещение графика к центру на рис. 4 обусловлено увеличением абсолютных концентраций Cu в однолетней хвое при приближении к источнику загрязнения. Изменение угла наклона графика свидетельствует о различиях в интенсивности накопления Cu многолетней хвоей при увеличении уровня техногенного воздействия. Для других ТМ тенденция остается той же, с различием в значении коэффициентов a и k.

Положение 4. Комплексный органо-минеральный состав эпифитовзвеси способствует более интенсивному накоплению тяжелых металлов, в отличие от донных отложений, в условно-фоновых водотоках и зонах смешения. Эпифитовзвесь, как биогеохимический барьер в природных и природно-техногенных аквальных экосистемах, является одним из факторов седиментогенеза.

В результате воздействия продуктов разложения пиритных «хвостов» обогатительной фабрики на водотоки Карабашской ГТС образуются воды различного состава, в которых ТМ мигрируют в двух контрастных формах: растворенной и взвешенной. Осадконакопление происходит при изменении физико-химических параметров с участием механических и гравитационного барьеров. Одними из таких механических барьеров являются подводные части высших водных растений. Покрываясь микроводорослями обрастаний, они представляют собой «фильтры» для влекомой взвеси. Образуется специфический субстрат – эпифитовзвесь (Янин, 2002).

Минеральный состав эпифитовзвеси в условно-фоновых участках р. Сак-Элга отражает литологические особенности пород, слагающих южное выклинивание метаморфитов Уфалейского комплекса (кварц, слюда, хлорит, амфиболы и полевые шпаты). На участках техногенных вод в составе минеральной части эпифитовзвеси присутствуют фазы сульфидсодержащих «хвостов» – кварц, слюда, пирит и аутигенный гипс. При повышении рН в зонах смешения наблюдаются образованные при гидролизе современные суспензионные охры, представленные гетитом (-FeOOH), лепидокрокитом (-FeOOH), швертманнитом (Fe16O16(OH)y(SO4)z·nH2O) и ферригидритом (Fe5HO8·4H2O) в зависимости от рН-условий минералообразования. При этом швертманнит является основным минералом, отлагающимся из вод в диапазоне рН от 3.0 до 4.5, ферригидрит и гетит образуются при рН > 5.0 и 6.0, соответственно.

Состав микроводорослей водотоков наиболее разнообразен по количеству видов в фоновой зоне, водотоки которой характеризуются минимальным содержанием ТМ (10 видов диатомовых водорослей) (табл. 6). В техногенных водотоках высокие концентрации ТМ влияют на видовое богатство (4 вида), токсическое воздействие проявляется на морфологическом уровне в изменении формы и размеров клеток. В зонах смешения, где происходят активные процессы трансформации форм миграции ТМ, вероятно происходит нейтрализация токсикантов, отмечено увеличение биоразнообразия на уровне высших таксонов (8 видов, 5 групп), при этом в образовании биомассы участвуют водоросли трех групп – Bacillariophyta, Euglenophyta, Сhlorophyta (табл. 6).

Химический состав. Наименьшим суммарным показателем загрязнения характеризуются р. Сак-Элга («фон») в верхнем течении, подвергающаяся только аэральному воздействию выбросов медеплавильного завода, и р. Миасс после слияния с техногенными водами, где благодаря интенсивному процессу гидролиза, происходит выведение ТМ из миграционного потока на коротких дистанциях путем перевода их в донные отложения (табл. 7). На таком участке р. Миасс эпифитовзвесь не содержит значительных количеств Cu, а коэффициенты концентрации Cd, Zn, Pb не превышают 20.

Таблица 6

Таксономическое разнообразие микроводорослей в водотоках Карабашской ГТС

Таксоны водорослей Техногенные водотоки Водотоки зоны
смешения
Фоновые водотоки
Отделы Bacillariophyta, Chlorophyta Bacillariophyta, Chlorophyta, Euglenophyta, Cyanophyta, Сryptophyta Bacillariophyta,
Chlorophyta, Cyanophyta
Виды Nitzschia recta, N. palea, Synedra ulna var. ulna., Mougeotia sp. Oscillatoria limosa, Trachelomonas volvocina, Gomphonema acuminatum, Diatoma vulgare, Nitzschia recta, N. palea, Synedra ulna,
Ulothrix zonata
Melosira undulate, Achnanthidium minutissima, Cymatopleura solea, Gomphonema acuminatum, G. truncatum, G. turgidum, Navicula capitata var. hungarica, N. radiosa, Tabellaria fenestrate, Synedra ulna

Таблица 7

Геохимические ассоциации элементов в эпифитовзвеси рек Карабашской ГТС

Точка опробования Интервалы значений Кc химических элементов Zc
> 100 100–30 30–10 10–3 3–1.5
р. Миасс (фон) Cd Cu-Fe-Pb Zn 30
р. Сак-Элга («фон») Cd Ca Zn-Cu 16
р. Серебрянка (техн.) Cd Zn-Cu Pb Fe 476
р. Сак-Элга (зоны смеш.) Cd Zn Cu Pb-Fe 157
Cd Zn Cu Pb-Mn Fe-Ni 201
Cd-Cu Zn Fe-Pb 170
р. Миасс (зона смеш.) Cd Zn-Cu Fe-Pb Ni 110

Примечание: рассчитано согласно геохимического способа выявления и оценки зон техногенного воздействия (Янин, 2005)

, ,

где Кс – коэффициент концентрации, Сi – содержание в эпифитовзвеси; Сф – фоновое содержание; Zс – суммарный показатель загрязнения (значения Кс не менее 1.5); n – количество химических элементов, входящих в геохимическую ассоциацию.

Максимальное значение суммарного показателя загрязнения наблюдается в р. Серебрянка (табл. 7). Воды на данном участке реки, несмотря на высокое значение рН (7.1), характеризуются высокими концентрациями ТМ. Перифитонные обрастания способствуют сорбции коллоидных частиц, что приводит как к увеличению количества эпифитовзвеси, так и к концентрированию ТМ.

Высокие значения суммарного показателя загрязнения также характерны для водотоков непосредственно в зонах смешения кислых высокометальных вод с природными, где обогащение эпифитовзвеси ТМ обусловлено улавливанием новообразованных «хлопьев» гидроксидов Fe и Al (табл. 7).

Эпифитовзвесь на таких участках значительно обогащается металлами (рис. 5А). Также наблюдается обогащение техногенными ТМ «фонового» участка р. Сак-Элга, который подвергается только аэральному воздействию (рис. 5Б). Значения коэффициента накопления ТМ эпифитовзвесью позволяют говорить о ней как о более чувствительном субстрате для индикации «микро-техногенного» воздействия, нежели пробы воды или донные отложения.

Рис. 5. Коэффициенты накопления металлов эпифитовзвесью относительно донных отложений в зонах смешения (А) и «фоновых» (Б) водотоках Карабашской ГТС.

Реализация методики постадийных экстракций (Tessier et all, 1979) позволила определить прочность связи ТМ в эпифитовзвеси и донных отложениях, с условной градацией соответственно названиям стадий эксперимента. Тенденции распределения Cu в донных отложениях и эпифитовзвеси в фоновых водотоках сходны. Около 18–23 % Cu находится в слабосвязанных «обменной и карбонатной формах», 29–32 % Cu прочно связано в соединениях «силикатного типа», до 31–65 % Cu связано с «органическими соединениями». В техногенных водотоках до 83 % Cu в составе эпифитовзвеси прочно связано в виде «силикатных» и «органических» соединений, а легкоподвижные «обменные формы» составляют не более 10 %, тогда как в составе донных отложений доля ионообменных форм достигает 40 %, что может быть обусловлено с разрушением органического вещества и переходом Cu в подвижные формы. Похожие тенденции обнаружены в распределении форм других ТМ: Zn, Pb, Cd.

Таким образом, сравнение экспериментальных данных с результатами исследования минерального, химического и биологического состава донных отложений поверхностных водотоков позволяет сделать вывод о том, что первостепенным фактором седиментогенеза в природных водотоках является

улавливание аутигенных и терри­генных минеральных частиц обра­станиями по принципу фильтра с дальнейшим гравитационным осаждением в местах понижения ско­рости течения (рис. 6). Основным фактором техноседи­ментогенеза в кислых водотоках является минералообразование при пересыщении вод в результате взаимодействия с породами или отходами производства, а при смешении кислых и нейтральных вод осадконакопление происходит за счет образования гидроксидов Fe и Al на щелочном барьере. Теоретический расчет и экспе­ри­ментальные исследования по определению потенциальных форм нахождения и моделированию про­цессов осадконакопления для водо­токов данного типа максимально приближаются к реальным.
Рис. 6. Схема миграции металлов в поверхностных водотоках и основные факторы седиментогенеза с участием макрофитов.

ВЫВОДЫ

  1. В Карабашской ГТС источниками техногенной нагрузки на наземные экосистемы являются аэральные выбросы медеплавильного завода, несущие в своем составе типоморфный спектр ТМ – Cu, Zn, Pb, Cd, преимущественно в форме Cu-Zn шпинели, сульфидов Fe, Cu, Pb, а также сульфатов Pb и оксидов Zn. При прохождении дождей через шлейф газо-пылевых выбросов формируются осадки сульфатно-хлоридного кальциевого типа с преобладанием в катионной части ТМ Cu и Zn и повышенной минерализацией.
  2. Лесной полог выступает как механический барьер и первичный преобразователь аэральных выпадений. При контакте атмосферных осадков с кронами сосны происходит подкисление, что ведет к увеличению концентраций ТМ в растворимой фазе осадков и повышению потенциальной токсичности исходных выпадений.
  3. Накопление ТМ почвенным слоем выражается в увеличении концентрации их в верхних слоях почвы – 5–12 см (независимо от типа почвенного горизонта) и резким понижением с глубиной. На формирование почвенных растворов горизонта А0 существенное влияние оказывает тип атмосферных осадков и техногенных выпадений, трансформируемых наземной растительностью. С проникновением в более глубокие горизонты почвы состав лизиметрических вод меняется вследствие взаимодействия с почвенными минералами и организмами, а в иллювиальном горизонте в значительной степени определяется типом почвообразующих пород.
  4. Сосновая кора, как динамичная часть системы дерева, может использоваться в качестве более чуткого и достоверного биоиндикатора загрязнения среды, нежели инертная древесина, поскольку концентрации ТМ в ней являются интегральной величиной внутритканевого и поверхностного накопления. Применение сосновой коры и хвои как биоиндикаторов позволило пересмотреть границы зон техногенного воздействия Карабашской ГТС с характеристикой уровней накопления ТМ в них. Импактная зона расширяется до 5 км, а буферная – до 18 и 15 км (по и против господствующего направления ветров соответственно). Для сосняков подзоны южной тайги установлена линейная зависимость накопления ТМ однолетней и двухлетней хвоей, а также корой от количества подвижных форм ТМ в почвах верхнего слоя гумусово-аккумулятивного горизонта. Значения средних содержаний ТМ (Сu – 65, Zn – 265, Pb – 190, Cd – 1.2 мг/кг) в двухлетней хвое в Карабашской ГТС можно считать пороговыми, выше которых наступает токсический эффект.
  5. Классифицированы природно-техногенные воды Карабашской ГТС с выделением 5 типов: нейтральных низко- и высокометальных, кислых и сильнокислых высокометальных и сильнокислых экстравысокометальных, рассчитаны потенциальные формы миграции ТМ в них. Осадконакопление в техногенных водотоках происходит за счет изменения значения окислительно-восстановительного потенциала и гравитационного осаждения. В фоновых водотоках и зонах смешения к основным факторам седиментогенеза можно отнести эпифитовзвесь, представляющую собой механический барьер. Установлено что эпифитовзвесь вследствие интенсивного обогащения ТМ является более эффективным биоиндикатором техногенного воздействия, нежели пробы воды и донных отложений.

Список опубликованных работ по теме диссертации

  1. Аминов, П.Г., Изучение состава эпифитовзвеси для индикации горнопромышленного техногенеза [Текст] / П.Г. Аминов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2008. – № 6. – С. 93–100 (Перечень ВАК).
  2. Аминов, П.Г. Тяжелые металлы в хвое Pinus Sylvestris в условиях градиентного аэрального потока загрязняющих веществ медеплавильного производства (Карабашская геотехническая система, Южный Урал) [Текст] / П.Г. Аминов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. – 2009. – № 8. – С. 18–25 (Перечень ВАК).
  3. Удачин, В.Н., Дерягин, В.В., Китагава, Р., Аминов, П.Г. Изотопная геохимия донных отложений озер Южного Урала для оценки масштабов горнопромышленного техногенеза [Текст] / В.Н. Удачин, П.Г. Аминов // Вестник Тюменского государственного университета. –2009. – № 3. – С. 144–149 (Перечнь ВАК).
  4. Удачин, В.Н., Вильямсон, Б., Аминов, П.Г. Геохимия геотехнических систем Южного Урала [Текст] / В.Н. Удачин, П.Г. Аминов // Естественные и технические науки.
    – 2009. – № 6. – С. 298–306 (Перечень ВАК).
  5. Аминов, П.Г., Вализер, Н.И., Лонщакова Г.Ф. Сравнительная характеристика pH-Eh условий почв природных и природно-техногенных ландшафтов Южного Урала и уровней содержаний в них тяжелых металлов [Текст] / П.Г. Аминов // Тезисы докладов Второй Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле,
    1–3 декабря 2004 г. – Новосибирск: НГУ, 2004. – С. 7–8.
  6. Аминов, П.Г., Лонщакова, Г.Ф. Элементы биоблока геосистемы в качестве оценочных параметров при техногенезе (Карабашская геотехническая система, Южный Урал) [Текст] / П.Г. Аминов // Проблемы геоэкологии Южного Урала. Материалы второй всероссийской научно-практической конференции.4–5 октября 2005 г. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. – С. 112–116.
  7. Аминов, П.Г., Лонщакова, Г.Ф. Опыт использования состава перифитонных обрастаний в качестве индикатора процессов горнопромышленного техногенеза (Южный Урал) [Текст] / П.Г. Аминов // Геология и геоэкология: исследования молодых. Материалы XVI конференции молодых ученых, посвященной памяти чл.-корр. Профессора
    К.О. Кратца, 15–18 ноября 2005. – Апатиты, КНЦ, ГИ РАН, 2005. – С. 331–334.
  8. Аминов, П.Г., Лонщакова, Г.Ф. Химический и минеральный состав перифитона при оценке трансформации поверхностных водотоков техногенных ландшафтов (Карабашская геотехническая система, Южный Урал) [Текст] / П.Г. Аминов // Материалы VI Межрегиональной научно-практической конференции «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана», 27–30 марта 2006 г. – Уфа: ИГ УНЦ РАН, 2006. С. 204–207.
  9. Аминов, П.Г., Лонщакова, Г.Ф. Использование перифитона для оценки трансформации поверхностных водотоков техногенных ландшафтов [Текст] / П.Г. Аминов // Сборник докладов седьмой международной научной конференции «Топорковские чтения», 25–26 мая 2006 г. – Рудный: РИИ, 2006. – Т. 1. – С. 360–376.
  10. Аминов, П.Г. Биоиндикация техногенного загрязнения с использованием Pinus Sylvestris [Текст] / П.Г. Аминов // Тезисы докладов Третьей Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле, 27–29 ноября, 2006. – Новосибирск: ОИГГМ СО РАН, 2006. – С. 4–5.
  11. Аминов, П.Г., Лонщакова, Г.Ф. Изучение распределения металлов в условиях градиентного аэрального потока загрязняющих веществ медеплавильного производства [Текст] / П.Г.Аминов // Материалы V международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», 16–18 октября 2008.
    – Семипалатинск: СПГИ, 2008. – Т. 1. – С. 82–90.
  12. Аминов, П.Г., Корнеева, Т.В. Использование методов дендрохронологии для установления периодов и объемов техногенного воздействия на экосистему [Текст] / П.Г.Аминов // Тезисы докладов Четвертой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле, 1–3 декабря, 2008. – Новосибирск: ОИГГМ СО РАН.
    – 2008. – С. 12–14.
  13. Аминов, П. Г., Лонща

    Pages:     | 1 | 2 ||
     





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.