Методический подход к оценке экологического риска в связи с химическим загрязнением земель

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методический подход к оценке экологического риска в связи с химическим загрязнением земель

О.П. САЗОНЕНКО, канд. с.-х. наук¹

С.Б. МЕЛЬНОВ, д-р биол. наук, профессор¹'Республиканское научно-исследовательское унитарное предприятие «Бел НИЦ «Экология», г. Минск, Республика Беларусь

В данной статье представлен методический подход расчета коэффициента токсичности и индекса экологического риска для диагностики потенциального загрязнения земель. Данный методический подход основан на количественной оценке содержания химических элементов в почве и расчетного коэффициента токсичности элементов. Коэффициент токсичности рассчитывается с учетом содержания загрязняющих веществ в разных компонентах экосистемы.

Для апробации методического подхода мы провели расчет экологического риска загрязнения земель тяжелыми металлами в городах Минской области (Борисов, Воложин, Минск, Молодечно, Слуцк, Солигорск) и промышленных функциональных зонах республики (металлурго - машиностроительного комплекса и промышленно-строительного комплекса) по данным Национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь. Содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий находилось в пределах: РЬ 17,3-48,3 мг/кг; 2п 63,0171;Cd 0,16-1,65; N 6,8-29,7; ^ 14,7-62,2; Mn 273-482 мг/кг, а хрома (^) - 67,9 мг/кг, мышьяка (As) - 3,07 и 19,5 мг/кг. Количественная оценка загрязняющих элементов показала, что металлурго-машиностроительный комплекс имеет высокий индекс экологического риска, и этот риск в значительной степени определяется присутствием кадмия. Территория промышленностроительного комплекса имеет очень высокий индекс экологического риска в значительной степени за счет соединений, содержащих мышьяк и кадмий. В городах Минской области индекс экологического риска по изучаемым загрязняющим элементам на исследуеммых территориях находится преимущественно на умеренном и низком уровнях. На этом фоне несколько выделяется Минск со значительным уровнем загрязнения отдельных территорий по соединениям меди.

Ключевые слова: экологический риск, тяжеллые металлы, закрязнение земель.

SAZONENKO O., Cand. ofAgricul. Sc.¹

MEL'NOV S., Doctor of Biol. Sc., Professor¹

Republican Research Unitary Enterprise «Bel NIC «Ecology», Minsk, Republic of Belarus

METHODOLOGICAL APPROACH TO THE ESTIMATION OF ENVIRONMENTAL RISKS RELATED TO CHEMICAL CONTAMINATION OF LANDS

This article presents a methodical approach for calculating the toxicity factor and the ecological risk index for the diagnosis of potential land contamination. This methodical approach is based on a quantitative assessment of the environmental consequences of the entry of chemicals into the environment. It takes into account the current content of the pollutant in the soil, the background content of these pollutants and the calculated toxicity factor of the elements. The toxicity factor is calculated taking into account the content ofpollutants in different components of the ecosystem.

To approbate the methodology, we calculated the environmental risk of land contamination with heavy metals in the cities of the Minsk Region (Borisov, Volozhin, Minsk, Molodechno, Slutsk, Soligorsk) and the industrial functional zones of the Republic (metallurgical machine building complex and industrial complex) according to the National Environmental Monitoring System environment of the Republic of Belarus. The content of heavy metals in the soils of the study areas was in the range: Pb 17.3-48.3 mg / kg; Zn 63.0-171; Cd 0.16-1.65; Cr 67.9; Ni 6.8-29.7; Cu 14.7-62.2; As 3.07 and 19.5; Mn 273-482 mg / kg. The quantitative assessment of pollutants showed that the metallurgical-machine building complex has a high index of environmental risk, and this risk is largely determined by the presence of cadmium. The territory of the industrial complex has a very high index of environmental risk, largely due to compounds containing arsenic and cadmium. In cities of the Minsk region, the environmental risk index for the pollutants studied in soils is mainly at moderate and low levels. Against this background, Minsk stands out with a significant level of land contamination by copper compounds.

Keywords: environmental risk, heavy metals, land pollution.

Введение

токсичность экологический риск земля экосистема

Состояние экосистемы в существенной степени зависит от содержания антропогенных веществ в землях. Оценка относительных уровней загрязнения земель химическими элементами всегда неоднозначна. Ведь и при высоком содержании загрязняющих веществ в почвах экосистема будет существовать, будет изменяться и адаптироваться к почвенным условиям. В то же время известно, что небольшие колебания того или иного параметра экосистемы (в том числе и химического состава почв) приводят к существенным ее изменениям. Возможность быстрой оценки потенциального загрязнения земель всегда актуальна.

В настоящее время в республике оценка экологического риска определяется как произведение вероятности события на ожидаемые последствия. Если в течение периода может произойти несколько опасных событий, то показателем риска служит сумма последствий от всех возможных событий. Если говорить о практике применения данной оценки экологического риска, то ее можно применить только при наличии научно обоснованных статистических данных об опасных экологических последствиях при различных концентрациях загрязняющего вещества в почве. Таких научно обоснованных данных для оценки экологического риска загрязнения земель в республике недостаточно. В связи с чем для оценки экологического риска загрязнения земель предлагаем применять методический подход, предложенный в свое время Ларсом Хакансом [1]. Специфика данного методического подхода в том, что в нем учитывается содержание загрязняющих веществ в разных компонентах экосистемы (в почве, воде, растениях, животных). Это придает методическому подходууниверсальность и объективность. Для реализации этого методического подхода в качестве диагностического инструмента на землях Беларуси рассчитали коэффициент токсичности с учетом имеющихся данных в республике.

В данной статье приводится расчет коэффициента токсичности и индекса экологического риска для оценки потенциального экологического риска загрязнения земель. Описываемый методический подход основан на количественной оценке содержания химических элементов в почве и расчетном коэффициенте токсичности элементов. Коэффициент токсичности рассчитывается с учетом содержания загрязняющих веществ в разных компонентах экосистемы.

С нашей точки зрения, экологический риск - это вероятность наступления события, имеющего неблагоприятные последствия для окружающей среды, обусловленного негативным воздействием хозяйственной и иной деятельностью человека, которая может привести к возникновению угроз экологической безопасности.

Методика и объекты исследований

В отношении городов использовались данные, касающиеся содержания кадмия, цинка, свинца, меди, никеля и марганца в почвах за период 2010-2015 гг., по промышленным функциональным зонам - данные по содержанию соединений кадмия, цинка, свинца, хрома, меди, никеля и мышьяка в слое почв 0-5 см, полученные по результатам обследований в 2015 г. [4, 5, 6, 7, 8, 9].

Результаты и их обсуждение. Оценка экологического риска, возникающего в результате поступления химических веществ в землю, производится с целью определения потенциальной экологической опасности химического загрязнения земель.

Потенциальность (или вероятность) загрязнения земель химическими элементами в данном контексте заключается в том, что при увеличении содержания этих химических элементов в почве экосистема будет самоочищаться. При более критическом загрязнении земель экосистема будет адаптироваться и значительно меняться.

Таблица 1. - Среднее содержание химических элементов в почве, питьевой воде, наземных растениях, наземных животных, кларк, фоновое содержание, ПДК, мг/кг или мг/л

Эти изменения в каждом конкретном месте будут зависеть от микроусловий участка, уровня загрязнения и буферной способности экосистемы и однозначно оценить отрицательный эффект изменения экосистем достаточно сложно.

В предлагаемом методическом подходе основным суммирующим коэффициентом является коэффициент токсичности элемента. Расчет коэффициента токсичности проводится следующим образом: в каждом показателе (кларк, почва, питьевая вода, наземные растения, наземные животные) берется химический элемент с самым высоким содержанием и присваивается ему значение 1,0. Остальным элементам присваивается значение, равное значению во сколько раз их содержание меньше максимального значения. Например, концентрация кадмия в почве в 547 раз ниже (Мп 235 / Cd 0,43 = 547), чем марганца и так далее (таблица 2). Полученные значения компонентов экосистемы распределили по каждому элементу, эти данные представлены в таблице 3.

Таблица 2. - Относительные величины химических элементов в почве, питьевой воде, наземных растениях, наземных животных, кларке

Таблица 3. - Суммы относительных величин химических элементов и индекс содержания

В столбце 7 таблицы 3 представлены данные по сумме пяти компонентов экосистемы для каждого элемента (например: Мп 804 =1,0+1,0+1,0+1,0+800).

Для того чтобы сбалансировать полученные цифры и снизить влияние возможно случайных больших чисел, суммируем значения компонентов экосистемы за исключением максимального значения (пример: Мп 4=1,0+1,0+1,0+1,0) (столбец 8, таблица 3).

Значения столбца «Индекс содержания» были получены делением суммы каждого элемента из столбца 8 на минимальное значение - 4 (это значение Мп, марганца) этого столбца. Например: Cd 1955 / Мп 4 = 489. Рассчитанный индекс содержания имеет большой предел разброса значений и не учитывает природное поглощение элемента (фоновые значения) и предельно допустимый уровень элементов в почвах (ПДК/ОДК). Для учета этих показателей рассчитывается индекс поглощения (таблица 4).

Расчет индекса поглощения проводится делением фонового значения на ПДК. Затем, для соизмеримого их представления, делим на 10^-2. (например: 2п 34,0 = (18,7 / 55) / 10^-2).

Затем перемножаем индекс содержания и индекс поглощения. Это дает нам следующий возрастающий ряд значений (пример: 2п 83 = 2,43 х 34,0 и округляем до целого числа):

Мп=12, 2п=83, Си=252, РЬ=663, N1=1093, У=2377,8п=3722,Мо=4036,Со=10079,

Сг=19893, Л8=22352, Са=29310, ^=112846.

Эти значения велики, и для их сближения делим на наименьшее число 12 (значение Мп). Получаем следующий ряд (пример: 2п 7 = 83 / 12):

Мп=1, 2п=7, Си=21, РЬ=55, N1=91, У=198, 8п=310, Мо=337, Со=840, Сг=1658, Л8=1863, Са=2443, ^=9404.

Затем, чтобы уменьшить числовые значения и сохранить порядок соотношений, извлекаем корень квадратный:

Мп=1, 2п=3, Си=5, РЬ=7, N1=10, У=14, Мо=18, 8п=18, Со=29, Сг=41, Л8=43, Са=49, ИВ=97.

Для кадмия и ртути коэффициенты получились очень высокие. Учитывая неабсолютность данного методического подхода, округляем значения. Коэффициент для этих элементов принимаем 40.

После округлений получаем ряд коэффициента токсичности (Т₁):

Мп=1, 2п=3, Си=5, РЬ=7, У=15, N1=10, Мо=20, 8п=20, Со=30, Сг=40, Са=40, Л8=40, Hg=40.

Экологический риск загрязнения земель оценивается по коэффициенту экологического риска в отношении каждого химического элемента. Коэффициент экологического риска рассчитывается по формуле 1:

где: Е₁ - коэффициент экологического риска 1-го элемента;

Т₁ - коэффициент токсичности Уго элемента; С₈ - фактическая концентрация Уго элемента, мг/кг;

С_Ь - фоновая концентрация Уго элемента, мг/кг;

Таблица 4. - Фоновое содержание химических элементов в почвах, ПДК и индекс поглощения, мг/кг

При полиэлементном загрязнении экологический риск оценивается по индексу экологического риска. Индекс экологического риска рассчитывается по формуле 2:

где: Ш- индекс экологического риска п-го количества химических элементов, но не более восьми элементов;

Б₁ - коэффициент экологического риска і-го элемента.

Опасность химического загрязнения земель оценивается по уровню экологического риска (Ш) (таблица 5). Уровень экологического риска определяется: при моноэлементном загрязнении - по коэффициенту экологического риска (Е₁), при полиэлементном загрязнении - по индексу экологического риска.

Для апробации вышеприведенного методического подхода мы провели расчет экологического риска загрязнения земель тяжелыми металлами городов Минской области и промышленных функциональных зон республики. Данные по содержанию тяжелых металлов в почвах, используемые при расчете, представлены в таблице 6.

Таблица 5. - Уровни экологического риска химического загрязнения земель [1]

Таблица 6. - Содержание тяжелых металлов в почвах городов (максималные значения на одной из пробных площадок) и промышленных функциональных зонах республики, мг/кг

Содержание химических элементов в почвах промышленных функциональных зон и городов Минской области в большинстве были одного порядка. Несколько большее содержание кадмия и никеля было в промышленных функциональных зонах по сравнению с городской территорией. Так, содержание химических элементов в почвах исследуемых территорий находилось в пределах: РЬ 17,3-48,3 мг/кг; 2п 63,0-171; Cd 0,16-1,65; N1 6,8-29,7; Си 14,7-62,2; Мп273482 мг/кг, хрома (Сг) - 67,9, мышьяка (As) - 3,07 и 19,5 мг/кг почвы.

Если сравнить эти данные с действующими гигиеническими нормативами, (ПДК/ОДК) то видно, что в промышленно-функциональных зонах содержание исследуемых химических элементов в почвах превышает ПДК/ОДК по всем элементам (за исключением хрома), в Борисове отмечено превышение по цинку и никелю, в Минске - по свинцу, цинку и меди, в Молодечно - по цинку и меди, в Слуцке - по свинцу и цинку, в Солигорске - по цинку.

Расчет потенциального экологического риска промышленных функциональных зон и городов Минской области по данному методическому подходу представлен в таблице 7.

Таблица 7. - Коэффициент и индекс экологического риска содержания тяжелых металлов в почвах промышленных функциональных зон и городов Минской области

Коэффициент экологического риска показывает уровень экологического риска конкретного загрязнителя. Этот показатель в значительной степени зависит от коэффициента токсичности. Если изначальное содержание элемента в почве невысокое и при этом он легко мигрирует в компоненты экосистемы, то такой загрязнитель получит максимальный коэффициент токсичности и для перехода содержания загрязняющего элемента на следующий уровень экологического риска достаточно однократного его увеличения относительно фона. И наоборот, если содержание химического элемента в почве высокое и потенциал миграции по компонентам экосистемы невысок, то такой элемент будет иметь минимальный коэффициент токсичности и для перехода загрязняющего элемента на следующий уровень нужно будет сорокакратное его увеличение относительно фона.

Суммарный индекс экологического риска говорит об общем воздействии загрязняющих веществ.

Ранжирование и распределение расчетных данных исследуемых территорий по уровням экологического риска представлено в таблице 8.

Таблица 8. - Ранжирование индекса экологического риска для загрязняющих элементов исследуемых территорий

Оценка содержания химических элементов в почве показала, что металлурго-машиностроительный комплекс имеет высокий индекс экологического риска, и этот риск в значительной степени определяется содержанием кадмия. Территория промышленно - строительного комплекса имеет очень высокий индекс экологического риска и в значительной степени за счет содержания мышьяка и кадмия.

В городах Минской области индекс экологического риска по загрязняющим элементам в почвах находится на умеренном и низком уровнях. На этом фоне несколько выделяется Минск со значительным загрязнением отдельных территорий медью, что требует дополнительных исследований и мониторинга по этому элементу.

Расчет экологического риска загрязнения земель показывает потенциальный характер их загрязнения.

Выводы

1. Данный методический подход позволяет оценить экологический риск загрязнения земель как при моноэлементном, так и полиэлементном загрязнении.

2. В методическм подходе учитывается максимальное количество известных показателей компонентов экосистем, что позволяет его применять при расчете экологического риска загрязнения земель для различных функциональных зон.

Список литературы

токсичность экологический риск земля экосистема

1. Hakanson, L. An ecological risk index for aquatic pollution control - a sedimentological approach / L. Hakanson// Water Research, 1980. - Vol. 14. - P.975-1001.

2. Гигиенические нормативы 2.1.7. 12-1-2004. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических веществ в почве. - Утв. постановлением Главного государственного санитарного врача Республики Беларусь 25 февраля

2004. № 28.

3. Лукашёв, О. В. Фоновое содержание химических элементов в почвах и растительности особо охраняемых природных территориях Белорусского Поозерьяья / О. В. Лукашев [и др.] // Природопользование : сб. науч. тр. - Вып. 16. - Минск, 2009. - С. 57-63.

4. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2010 / Под общей редакцией С. И. Кузьмина, В. В. Савченко. - Минск, «Бел НИЦ «Экология». - 2011. - 308 с., ил. 311.

5. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2011 / Под общей редакцией С. И. Кузьмина, И. В. Комоско. - Минск, «Бел НИЦ «Экология». - 2012. - 320 с., ил. 318.

6. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2012 / Под общей редакцией С. И. Кузьмина. - [Электронныйресурс

http: //www .ecoinfo.by/content/692.htmlот

22 сентября 2017 года]. Электрон.текстовые, граф. данные. (173 Мб), - Минск, «Бел НИЦ «Экология». - 2013.

7. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2013 / Под общей редакцией М.А. Ересько. - [Электронный ресурс

http://www.ecoinfo.by/content/691.htmlот 22 сентября 2017 года]. Электрон.текстовые, граф. данные. (31,5 Мб). - Минск, «Бел НИЦ «Экология». - 2014.

8. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2014 / Под общей редакцией М.А. Ересько. - [Электронный ресурс

http: //www .ecoinfo.by/content/736.htmlот 22 сентября 2017 года]. Электрон.текстовые, граф. данные. (50,0 Мб). - Минск, «Бел НИЦ «Экология». - 2015.

9. Национальная система мониторинга окружающей среды Республики Беларусь: результаты наблюдений, 2015/ Под общей редакцией М.А. Ересько [Электронный ресурс

http: //www .ecoinfo.by/content/753.htmlот 22 сентября 2017 года]. Электрон, текстовые, граф.данные. (55,5 Мб). - Минск, «Бел НИЦ «Экология». -- 2016.

10. Петухова, Н. Н. Геохимическое состояние

почвенногопокроваБеларуси

/ Н. Н.Петухова, В. А. Кузнецов // Природные ресурсы, 1999. - № 4. - С 40-49.

References

1. Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control - a sedimentological approach. Water Research. 1980, Vol. 14, pp. 975-1001.

2. Gigienicheskienormativy 2.1.7. 12-1-2004. Perechen'predel'nodopustimyhkoncentracij (PDK) iorientirovochnodopustimyhkoncentracij (ODK) himicheskihveshchestv v pochve [Hygienic standards 2.1.7. 12-1-2004. The list of maximum permissible concentrations (MPC) and tentatively permissible concentrations (MPC) of chemicals in the soil]. - Utv. postanovleniemGlavnogogosudarstvennogosanitarnogovrachaRespubliki Belarus' 25 fevralya 2004, no 28. (In Russian)

3. Lukashov O. V., Zhukovskaya N. V., Lukasheva N. G., Savchenko S. V. Fonovoyesoderzhaniyekhimicheskikhelementov v pochvakhirastitel'nostiosobookhranyayemykhprirodnykhterritoriyakhBelorusskogoPoozer'ya'ya [Background content of chemical elements in soils and vegetation of specially protected natural territories of the Belarusian Lake District]. Prirodopol'zovaniye [Nature management]. Sb. nauch. tr. Vol. 16, 2009, pp. 57-63. (In Russian)

4. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespubliki Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2010 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2010] . Eds. Kuz'mina S. I., Savchenko V. V. Minsk, «Bel NITS «Ekologiya». 2011, 308 p. (In Russian)

5. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespubliki Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2011 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2011] . Eds. Kuz'mina S. I. Minsk, «Bel NITS «Ekologiya», 2012, 320 p. (In Russian)

6. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespubliki Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2012 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2012] . Eds. Kuz'mina S. I. Available at: http: //www .ecoinfo.by/content/692.html ot 22 sentyabrya 2017 goda. Elektron. tekstovyye, graf. dannyye. (173 Mb), Minsk, «Bel NITS «Ekologiya», 2013. (In Russian)

7. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespubliki Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2013 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2013] . Eds. Yeres'ko M.A. Available at: http://www.ecoinfo.by/content/691.htmlot 22 sentyabrya 2017 goda. Elektron. tekstovyye, graf. dannyye. (31,5 Mb), Minsk, «Bel NITS «Ekologiya». 2014. (In Russian)

8. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespubliki Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2014 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2014] . Eds. Yeres'ko M.A. Available at: http: //www .ecoinfo.by/content/736.html ot 22 sentyabrya 2017 goda. Elektron

2015]

tekstovyye, graf. dannyye. (50,0 Mb), Minsk, «Bel NITS «Ekologiya», 2015. (In Russian)

9. Natsional'nayasistemamonitoringaokruzhayushcheysredyRespublik Belarus': rezul'tatynablyudeniy, 2015 [The National Environmental Monitoring System of the Republic of Belarus: Observation Results,

2016] . Eds. Yeres'ko M.A. Available at: http://www.ecoinfo.by/content/753.htmlot 22 sentyabrya 2017 goda. Elektron.

tekstovyye, graf. dannyye. (55,5 Mb), Minsk, «Bel NITS «Ekologiya». 2016. (In Russian)

10. Petukhova N. N., Kuznetsov V. A. GeokhimicheskoyesostoyaniyepochvennogopokrovaBelarusi [Geochemical state of the soil cover of Belarus]. Prirodnyyeresursy[Natural Resources], 1999., no 4, pp. 40-49. (In Russian)

Размещено на Allbest.ru