Sources, accumulation levels and environmental hazard of heavy metals and metalloids in soils and PM₁₀ fractions of Severobaykalsk

Full Text

Введение

В настоящее время наблюдается рост техногенного воздействия на природную среду и население, которое наиболее сильно проявляется в промышленных городах. Многие исследователи признают необходимость приоритетного изучения наиболее опасных токсичных загрязнителей городских ландшафтов – тяжёлых металлов и металлоидов (ТММ) [1–3]. Часть поллютантов, поступающих с выбросами промышленных предприятий, рассеивается вблизи источников, образуя локальные техногенные геохимические аномалии в компонентах ландшафта, другая часть включается в региональные миграционные потоки, приводя к росту концентраций химических элементов в природных средах [4].

Почвенный покров является главной депонирующей средой для техногенных выбросов, что делает его наиболее информативным компонентом урболандшафта при определении масштабов загрязнения городских территорий [5, 6]. Основная часть ТММ поступает в почвы с атмосферными выпадениями, уровни их содержания и характер распределения в верхних горизонтах почв могут служить индикатором экологического состояния городских ландшафтов в течение многолетнего периода [7, 8]. Особое внимание в настоящее время уделяется изучению наиболее опасных твердых частиц диаметром <10 мкм – фракции физической глины (PM₁₀), которая задерживается в органах дыхания человека и тем самым способствует развитию респираторных, сердечно-сосудистых заболеваний и злокачественных новообразований [9–11]. Тонкие частицы обладают большей удельной поверхностью, что обусловливает более интенсивное накопление ТММ [12].

В Бурятии большинство населенных пунктов имеют горно-котловинное положение со слабой рассеивающей способностью воздушного бассейна, что приводит к накоплению воздушных загрязнителей в нижних слоях атмосферы. В этой связи остро стоит проблема эколого-геохимического изучения городских территорий Бурятии. Ранее были проведены исследования в столице республики – г. Улан-Удэ [13, 14], где сконцентрировано большое количество промышленных предприятий и районов частной застройки с печным отоплением, а также в Гусиноозерске [15, 16], где расположена крупнейшая в Байкальском регионе Гусиноозерская ГРЭС. Данная работа является продолжением почвенно-геохимического исследования Северобайкальска [17], в ней главный акцент сделан на изучении роли тонких частиц РМ10 как основных носителей ТММ в почвах, расчете вклада основных источников поллютантов в загрязнение почв и фракции РМ10, а также на оценке связанных с этим рисков для здоровья жителей г. Северобайкальска.

В Северобайкальске потребность в электроэнергии обеспечивается Центральной ТЭЦ и четырьмя муниципальными котельными, использующими в качестве топлива Канско-Ачинские бурые угли. Центральная ТЭЦ расположена в 600 м от озера Байкал – уникального объекта, внесенного в список Всемирного Наследия ЮНЕСКО, что вызывает необходимость тщательного изучения и мониторинга состояния окружающей среды в городе. Кроме того, Северобайкальск является крупным транспортным узлом Байкальского региона, железнодорожный транспорт представлен участком Байкало-Амурской магистрали (БАМ). Трасса проходит с северо-запада города на северо-восток по берегу Байкала и имеет протяженность около 86 км.

Цель работы – изучить источники и аккумуляцию ТММ в почвах и их фракции PM₁₀ г. Северобайкальска и оценить связанные с ними риски для здоровья населения. Решались следующие задачи: 1) исследовать химический состав Канско-Ачинских углей и золы Центральной ТЭЦ; 2) установить валовое содержание ТММ в верхнем (0–10 см) слое почв и их фракции PM₁₀ в разных функциональных зонах города; 3) определить вклад основных источников ТММ в загрязнение почв и их фракции РМ₁₀ в Северобайкальске; 4) оценить уровни неканцерогенной и канцерогенной опасности накопления ТММ в городских почвах для здоровья детей и взрослых при их пероральном поступлении и попадании на кожу.

Объекты и методы исследования

Изучаемая территория. Северобайкальск расположен на Северо-Байкальском нагорье, на северо-западном берегу оз. Байкал, в устьевой области р. Тыи. Длина береговой линии озера в Северобайкальске составляет около 5 км. Климат города резко континентальный, смягченный влиянием воздушных масс оз. Байкал. Господствуют ветры южного направления, характерна частая повторяемость туманов, особенно в летний период. Почвообразующие породы представлены в [18]. В долине р. Тыи распространены пылеватые пески и супеси, которые перекрывают гравийно-галечниковые и валунные образования. Территория Северо-Байкальского нагорья относится к Прибайкальской предгорной высоко-, средне- и низкогорной провинции Байкальского округа торфяно-подбуров, подбуров и буроземов и грубогумусовых почв. Основной фон почвенного покрова региона составляют подбуры, подзолы, дерново-подзолы, дерново-подбуры и буроземы грубогумусовые. В долине р. Тыи сформировались аллювиальные перегнойно-глеевые, темногумусовые, темногумусовые квазиглеевые, серогумусовые и торфяно-глеевые почвы [19]. Под воздействием антропогенной деятельности и техногенного загрязнения в Северобайкальске формируются антропогенно-преобразованные почвы, представленные преимущественно урбо-подбурами и урбо-подзолами [20].

Согласно геоботаническому районированию, территория Северобайкальска относится к Предбайкальской темнохвойно-горно-таежной провинции с преобладанием лесной растительности – горных лиственничных, сосново-лиственничных лесов с примесью березы и осины (Salix lanata L., S. rosmarinifolia L., S. pyrolifolia Ledeb., Carex diandra Schrank, C. meyeriana Kunth, C. capitata L., C. irriqua (Wahlenb.)) [21]. Со строительством трассы БАМ антропогенная нагрузка на ландшафты значительно выросла, наибольшее влияние на растительность оказывают вырубки и низовые пожары [22].

В Северобайкальске выделены следующие функциональные зоны: промышленная, селитебная с многоэтажной и одноэтажной застройкой, рекреационная и транспортная (рис. 1). Промышленная зона включает четыре муниципальные котельные: Центральную ТЭЦ, предприятия дерево- и металлообработки, производства строительных материалов, пищевой и текстильной промышленности. Центральная ТЭЦ вырабатывает 148 Гкал/ч, она производит 75 % тепла, потребляемого городом. ТЭЦ располагается менее чем в 300 м от Байкала, вблизи озера находятся и площадки для разгрузки угля, вагонное хозяйство и локомотивное депо. К транспортной зоне относится участок БАМ с железнодорожной станцией Северобайкальск и автодублер БАМ. Селитебная подзона с многоэтажной застройкой разной плотности сосредоточена в центральной части города, она включает общественные и административные здания. Селитебная подзона с одноэтажной застройкой представлена частными домами с приусадебными участками. Рекреационная зона состоит из городских парков, скверов, сюда также входит прибрежная часть озера Байкал с пляжем.

 

Рис. 1. Функциональное зонирование и точки отбора проб из верхних (0–10 см) горизонтов почв в Северобайкальске

Fig. 1. Land-use zoning and sampling points from the upper (0–10 cm) soil horizons in Severobaikalsk

 

Материалы и методы исследования. Летом 2018 г. из верхнего (0–10 см) горизонта отобрано 50 проб городских почв. Пробы отбирались по сетке с шагом 500–600 м [23] в трех повторностях на расстоянии 3–5 м друг от друга, из которых составлялась одна смешанная проба. Кроме того, на Центральной ТЭЦ получены 2 пробы золы и угля. В качестве фона для Северобайкальска использовались верхние горизонты дерново-подбуров (7 проб), опробованные в 2–2,5 км к северу от города. Пробы отбирались на пологом склоне Северо-Байкальского нагорья, на территории, где нет влияния антропогенной деятельности и где распространены почвообразующие породы, представленные в городе.

Валовое содержание ТММ в пробах почв, угля и золы определяли масс-спектральным и атомно-эмиссионными методами с индуктивно-связанной плазмой в сертифицированной лаборатории ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского. Для подробного анализа выбрано 14 элементов: Zn, As, Cd, Pb (I класс опасности), Cr, Ni, Cu, Sb (II класс), V (III класс), а также Bi, Mo, Co, W и Sr. Фракция РМ₁₀ почв выделялась методом центрифугирования.

Обогащение ТММ Канско-Ачинских углей и золы Центральной ТЭЦ Северобайкальска выявлялось путём сравнения с мировыми кларками углей Kу и золы Kз [24] и расчетом кларков концентрации ККу=Cу/Kу и ККз=Cз/Kз, где Cу, Cз – содержание ТММ в углях и золе соответственно. Коэффициент выноса ТММ в атмосферу при сжигании угля вычислялся как Катм=Ст/Ср, где Ст – теоретическое содержание элемента в золе, мг/кг, которое рассчитывалось по формуле Ст=Су·З/100, З – зольность, %; Ср – реальное содержание элемента в золе, мг/кг.

Микроэлементный состав фоновых почв Сф сравнивали с кларками K1 верхней части континентальной коры [25], а также с региональным средним значением K2 для Центральной Бурятии [26] путём расчёта кларков концентрации KK=Сф/K1(2) при Сф≥K1(2) или рассеяния KР=K1(2)/Сф при Сф<K1(2). Интенсивность накопления ТММ в городских почвах и фракции PM₁₀ разных функциональных зон относительно фоновых почв оценивалась с помощью коэффициентов концентрации Kc=Сi/Сф при Сi≥Сф или рассеяния Kр=Сф/Сi при Сi<Сф, где Сi – содержание ТММ в городских образцах или фракции PM₁₀, мг/кг. Были рассчитаны доли изучаемых ТММ, которые дает фракция PM₁₀ в их валовом содержании с помощью показателя Di=((C·P)/(100·C_{пыль/почва}))·100 %, где D – доля элемента во фракции РМ₁₀ почв, %; С – концентрация элемента во фракции РМ₁₀ почв, мг/кг; P – доля фракции РМ₁₀ почв, %; С_вал – концентрация элемента в почвах в целом, мг/кг. Суммарное загрязнение почв ТММ оценивалось с помощью показателя Zс=ΣKс–(n–1), где n – число химических элементов с Kс>1,0. Показатель Zc имеет 5 градаций: <16 – низкое, неопасное, 16–32 – среднее, умеренно опасное, 32–64 – высокое, опасное, 64–128 – очень высокое, очень опасное, >128 – максимальное, чрезвычайно опасное загрязнение [7]. Опасность ТММ в почвах оценивалась путем расчета коэффициента экологической опасности Ко=Ci/ПДКi, где ПДКi – предельно допустимая (или ориентировочно допустимая, ОДК) концентрация i-го загрязняющего вещества, мг/кг [27]. Использовались значения ПДК для V, Sb и ОДК As, Cd, Ni, Pb, Cu, Zn в суглинистых нейтральных почвах с pH>5,5.

Оценка риска для здоровья взрослых и детей при воздействии ТММ, поступающих с почвенными частицами, производилась с помощью модели, разработанной на базе совместных исследований федерального центра гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана, Федерального центра экологической политики России и Американского агентства по охране окружающей среды US EPA [28–30]. Данная модель учитывает три пути поступления в организм загрязненных частиц: при проглатывании, контакте с кожей и попадании в дыхательные пути. Поскольку наибольшее влияние на здоровье человека оказывают первые два фактора [31, 32], для всех исследуемых ТММ была рассчитана среднесуточная доза вредных веществ (Average Daily Dose) и их воздействие при приеме внутрь (ADD_ingest) и контакте с кожей (ADD_dermal):

ADD_ingest =  $\frac{C_u \times IngR \times EF \times ED}{BW \times AT} \times CF$;

ADD_{dermal =}  $\frac{C_u \times SA \times AF \times ABS \times EF \times ED}{BW \times AT} \times CF$,

где C_u – содержание ТММ в городских почвах (мг/кг); IngR – количество проглатываемой почвы (мг/сутки); EF – частота нагрузки (сут./год); ED – продолжительность воздействия (лет); BW – средний вес человека (кг); AT=10950 – среднее время влияния неканцерогенных элементов (сутки); CF – коэффициент пересчета (1·10^–6 кг/мг); SA – площадь поверхности кожи, которая контактирует с почвой (см²); AF – коэффициент прилипания почвы к коже (мг/см); ABS – коэффициент поглощения элемента. Значения переменных различаются для взрослых и детей (табл. 1).

 

Таблица 1. Значения коэффициентов, используемых в формулах для оценки риска [28–30]

Table 1. Values of factors used in risk assessment formulas [28–30]

Факторы Factors	Значение/Value
	Взрослые/Adults	Дети/Children
IngR (мг/сут./mg/day)	100	200
EF (сут./год/day/year)	350	350
ED (лет/years)	30	6
BW (кг/kg)	70	15
AT (сут./days)	10 950	2190
SA (см2/cm2)	5700	2800
AF (мг/см/mg/cm)	0,07	0,2
ABS	0,03 для As и 0,001 для остальных ТММ 0.03 for As and 0.001 for other HMMs

 

Потенциальный неканцерогенный риск, связанный с конкретными элементами, оценивался для каждого пути поступления ТММ в организм человека с использованием коэффициента опасности Hazard Quotient (HQ):

HQ_ingest =  $\frac{AD{D}_{ingest}}{Rf{D}_o},$
HQ_dermal =  $\frac{AD{D}_{dermal}}{Rf{D}_{ABS}},$

где RfD_o – контрольная доза (Reference Dose), при повседневном потреблении которой в течение длительного периода у человека не возникают патологические изменения или заболевания. На сегодняшний день установлены контрольные дозы для каждого химического элемента только при пероральном поступлении RfD_o [28, 30, 31]. При поступлении через кожный покров эталонные значения RfD_ABS рассчитывались согласно рекомендациям [29] по формуле:

RfD_ABS=RfD_o ABS_GI,

где ABS_GI – коэффициент поглощения желудочно-кишечным трактом, индивидуален для каждого элемента [33].

Для оценки общего неканцерогенного воздействия элементов применялся индекс опасности (Hazard Index) HI=∑(HQ_ingest+HQ_dermal), который учитывает поступление загрязнённых частиц почвы двумя путями: пероральным и через кожный покров. Показатели HQ_i и HI имеют четыре уровня опасности для здоровья человека: отсутствует (<0,1), низкий (0,1–1), средний (1–10), высокий (>10) [29, 30].

Загрязнение канцерогенными элементами As, Cr, Pb, попадание которых в организм человека может привести к развитию злокачественных опухолей [33–35], оценивалось путем расчета возрастающей вероятности развития рака (Incremental Lifetime Cancer Risk) ILCR при влиянии ТММ в течение всей жизни человека (AT=70 лет=25550 суток) [28, 30, 33]:

ILCR_ingest=ADD_ingest SF_o,
ILCR_dermal=ADD_dermal SF_ABS.

Фактор риска при поступлении через кожный покров SF_ABS для As, Cr, Pb [28, 30] рассчитывался аналогично RfD_ABS:

SF_ABS=SF_o/ABS_G,

где SF_o – фактор риска (Slope Factor) (мг/кг·день) при пероральном поступлении, равный 0,5 мг/кг·сут. для Cr, 0,0085 для Pb. Для As SF_o=1,5 и SF_ABS=3,66. Эти значения SF_o рекомендованы в [33].

Показатели ILCR_i имеют пять уровней [24, 26]: очень низкий (<10^–6), низкий (10^–6–10^–5), средний (10^–5–10^–4), высокий (10^–4–10^–3), очень высокий (>10^–3).

Основные источники поллютантов и их вклад в загрязнение верхних горизонтов почв и фракции РМ₁₀ определены путем анализа главных компонент (principal component analysis, PCA) в пакете STATISTICA 12.0. Данный метод позволяет выделить обобщенные факторы, что облегчает анализ причинно-следственных связей путем свертки массивов многомерных данных в несколько линейных комбинаций главных компонент. Почвенно-геохимические карты составлены в пакете ArcGis 10.1 методом интерполяции сплайн.

Результаты и обсуждение

Источники техногенного загрязнения почв. Основными источниками иммиссии ТММ в почвенный покров Северобайкальска являются предприятия топливно-энергетического комплекса, железнодорожный и автомобильный транспорт, складирование и сжигание коммунально-бытовых отходов. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Северобайкальска от стационарных источников в 2019 г. составили 0,314 тыс. т [36].

В качестве топлива для Центральной ТЭЦ и котельных Северобайкальска используют бурые угли Канско-Ачинского бассейна, их зольность составляет 6–12 %, теплотворная способность 2800–3800 ккал/кг. Результаты химического анализа Канско-Ачинских углей показали, что они обогащены лишь Sr_3.1 (нижний индекс – значение ККу), обладающим высокой углефильностью; содержание остальных ТММ ниже кларковых значений (рис. 2). По сравнению со среднемировыми значениями зола Центральной ТЭЦ обеднена ТММ, лишь для Ni ККз=1,0. Наибольшие коэффициенты выноса в атмосферу установлены для Pb (Kатм=16) и Bi (15). В углях с содержанием Pb, близким к кларковым значениям, преобладает органическая форма поллютанта, которая при сгорании полностью испаряется и выбрасывается с дымовыми газами [24]. Минимальный коэффициент Катм=1,9 отмечен у As, что может быть обусловлено нахождением As в Канско-Ачинских углях преимущественно в силикатной форме, в результате чего поллютант задерживается в шлаке [24].

 

Рис. 2. Кларки концентрации углей и золы Центральной ТЭЦ г. Северобайкальска относительно среднемировых данных [23]

Fig. 2. Concentration сlarkes of coal and ash from the Central TPP of Severobaikalsk relative to the world average data [23]

 

Железнодорожная инфраструктура включает участок БАМ, железнодорожную станцию Северобайкальск, локомотивное депо, дистанцию электроснабжения, которая обеспечивает техническое обслуживание контактной сети и тяговых подстанций, а также площадки разгрузки и хранения угля. Загрязняющие вещества, среди которых пыль, сажа, углеводороды, Cl и ТММ (Ni, Сr, Сu, Cd, Pb, Sb, Zn), попадают в почву с выхлопными газами двигателей тепловозов, со сточными водами при обслуживании железнодорожных составов, при торможении подвижных составов в результате изнашивания бандажа колес при трении о рельс и истирании тормозных колодок [37, 38].

Воздействие автотранспорта обусловлено эмиссией выхлопных газов и моторного масла, содержащих Pb, Cu, Sr, Fe, Mg, Zn, истиранием шин (Cd, Mn, Zn, Pb, Cr, Cu, Sb), износом тормозных колодок (Cu, Sb, Zn, Pb) и абразией дорожного покрытия (Ag, Zn, As, W, Cr, V, Co) [39]. Источниками загрязнения почв Zn, Cu, Sn, Ag, Pb Cr также являются свалки и сжигание бытовых и промышленных отходов с полиэлементным составом загрязнителей [40, 41].

На северо-востоке города расположена нефтебаза, где выполняются слив, хранение и отгрузка нефтепродуктов в грузовики-цистерны. В процессе эксплуатации металлических изделий и резиновых шлангов с аварийными разливами нефтепродуктов и отработанных моторных масел в окружающую среду поступают Pb, Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, ПАУ [42]. В Северобайкальске функционируют предприятия металло- и деревообработки, строительных материалов (производство бетона), пищевой и текстильной промышленности, хотя расположение города в Центральной экологической зоне Байкальской природной территории должно являться очевидным препятствием для размещения ряда производств.

Уровни содержания ТММ в фоновых и городских почвах и их фракции РМ₁₀. В районе г. Северобайкальска верхние горизонты фоновых почв обогащены относительно верхней части земной коры As_3,2Cd_2,2Zn_1,4Bi_1,3Pb_1,2 (нижний индекс – величина KК) и обеднены Sb^2,7W^1,8Ni^1,6Mo^1,6Cu^1,5Cr^1,4V^1,3 (верхний индекс – величина KР). В частицах PM₁₀ накапливаются Cd_2,7Pb_1,8Zn_1,6, рассеиваются V^2,4W^2,3Bi^2,1Cr^1,9As^1,8Mo^1,7Ni^1,7Sb^1,5Co^1,5. По сравнению с региональными кларками фоновые почвы отличаются повышенным содержанием Cd_2,0Cr_1,6Ni_1,6Zn_1,5Co_1,5V_1,3Cu_1,2, фракция PM₁₀ обогащена Cd_2,4Cu_1,8Zn_1,7Pb_1,6 As_1,6Ni_1,5Cr_1,2, концентрации остальных ТММ ниже регионального фона.

В верхних горизонтах почв Северобайкальска концентрации большинства изучаемых ТММ близки к фоновым, для V, Co, Cr, Ni, Mo, Sn, Zn, As, Cd средние значения Кс составляют 1,1–1,2. Максимально относительно местного фона накапливаются Sb_2,4Cu_1,6Pb_1,6W_1,4 (нижний индекс – величина Kс), Bi рассеивается. Более интенсивная аккумуляция во фракции PM₁₀ по сравнению с почвами в целом характерна для Mo, Sn, Cr, Ni, Cu, Co и Bi. Наибольшее превышение над фоном установлено для Sn_1,7Mo_1,5Cu_1,4Cr_1,3, концентрации остальных ТММ близки к фоновым (Kc=1,0–1,2), As во фракции PM₁₀ рассеивается. Накопление Sb в почвах Северобайкальска может быть обусловлено выбросами железнодорожного и автомобильного транспорта [7, 43], а также осаждением золы-уноса [5, 44]. Молибден и Cu поступают в почву при сжигании угля в котельных [45, 46], а также при обработке черных и цветных металлов [47–49].

В гранулометрическом составе почв Северобайкальска на фракцию PM₁₀ приходится от 10 до 32 %, со средним 21 %. Результаты свидетельствуют о том, что в валовом содержании поллютантов доля связанных с частицами PM₁₀ не превышает 50 %. На фракцию PM₁₀ почв в среднем приходится 48 % Pb, 37–39 % As и Sn, 22–26 % Cu, Sb, Mo, Zn и Cd. Доли Ni, Cr и W составляют 19, 17 и 18 % соответственно, Bi и Co – 15 %. Наименьший вклад фракции PM₁₀ установлена для V – 13 % (рис. 3). При том что фракция физической глины составляет в среднем 21 %, она аккумулирует значительную часть пула загрязняющих веществ в почвах.

 

Рис. 3. Геохимические спектры почв (а) и фракции PM₁₀ почв (б) в функциональных зонах Северобайкальска

Fig. 3. Geochemical spectra of soils (a) and PM₁₀ fraction of soils (b) in the land-use zones of Severobaikalsk

 

Таблица 2. Среднее содержание ТММ (Ci) в почвах в целом и их фракции PM₁₀ в Северобайкальске по сравнению с фоновыми почвами (Cф) (в скобках указаны пределы колебаний)

Table 2. Average content of HMMs (Ci) in the soils and their PM₁₀ fraction in Severobaikalsk compared to the background soils (Cф) (limits of fluctuations are indicated in parentheses)

Элемент Element	Фракция PM10 почв PM10 fraction			Почвы в целом/Soils
	Ci	Cф	Kc	Ci	Cф	Kc
	мг/кг/mg/kg			мг/кг/mg/kg
Sn	3,9 (1,5–12)	2,4	1,7	3,5 (0,1–8,9)	3,2	1,1
Mo	0,9 (0,4–8,2)	0,6	1,5	0,7 (0,4–1,3)	0,7	1,1
Cu	38 (8,8–90)	27	1,4	28 (12–64)	18	1,6
Cr	63 (28–208)	49	1,3	71 (24–169)	62	1,1
V	54 (10–99)	44	1,2	88 (50–141)	80	1,1
Pb	38 (13–168)	31	1,2	34 (0,1–101)	21	1,6
Ni	34 (10–62)	29	1,2	37 (21–59)	32	1,1
Cd	0,3(0,1–0,9)	0,2	1,2	0,3 (0,2–1,0)	0,2	1,2
Co	12 (2,6–34)	10	1,1	16 (9,5–35)	15	1,1
Sb	0,6(0,1–3,2)	0,6	1,1	0,9 (0,1–7,6)	0,3	2,4
W	1,2 (0,2–2,4)	0,9	1,1	1,1 (0,1–10)	1,1	1,4
Bi	0,2 (0,1–0,5)	0,1	1,1	0,2 (0,1–0,6)	0,3	0,8
Zn	129 (39–250)	117	1,1	125 (69–593)	103	1,2
As	2,9 (1,0–6,8)	3,1	0,9	2,1 (0,1–5,1)	1,7	1,2

 

Наиболее загрязнены ТММ почвы промышленной и транспортной зон (рис. 3, а). Приоритетными поллютантами являются Sb_4,2Cu_2,0Pb_1,9. Сурьма содержится в тормозной смазке автомобилей в виде сульфида Sb₂S₃ и поступает при истирании металлических частей автотранспорта [39, 43], при торможении и истирании рельс и ходовой части подвижного состава [38]. Накопление Pb в промышленной зоне связано с деятельностью станций технического обслуживания автомобилей и переработкой металлолома [47–50]. Аккумуляция Cd_1,5Sb_1,5 в почвах селитебной многоэтажной подзоны вызвана истиранием шин и асфальтового покрытия, а также утечками моторного масла [43]. Наименьшее загрязнение свойственно почвам рекреационной зоны, где накапливается лишь W_1,7.

Фракция PM₁₀ почв Северобайкальска наиболее загрязнена в транспортной зоне, где интенсивно аккумулируются Sb_2,3Cu_1,9Pb_1,8Co_1,7V_1,6W_1,6Ni_1,5, содержащиеся в выбросах предприятий железнодорожного транспорта, включая обслуживание железнодорожных составов и разгрузку угля для котельных (рис. 3, б). Эти поллютанты поступают также при истирании асфальтового покрытия, шин и тормозных колодок автотранспорта [39]. В рекреационной зоне фракция PM₁₀ почв незначительно обогащена W_1,7.

Оценка суммарного загрязнения почв. Средний суммарный показатель загрязнения почв в целом и фракции PM₁₀ составил Zc=6, что соответствует низкому уровню загрязнения. Бóльшая часть городских почв и фракции PM₁₀ (78 и 72 % соответственно) характеризуется минимальным уровнем загрязнения (Zc<8), это почти вся рекреационная и селитебная многоэтажная зоны и часть селитебной одноэтажной и промышленной зон. Низкий уровень загрязнения (Zc<8–16) установлен на 15 % территории для почв в целом и на 22 % для фракции PM₁₀, это преобладающая часть транспортной зоны. Среднее загрязнение почв (Zc=16–32) выявлено на 4 %, а фракции PM₁₀ – на 6 % территории. Лишь 3 % территории города характеризуются высоким уровнем загрязнения (Zc>32) почв, для частиц PM₁₀ высокий уровень загрязнения не выявлен (рис. 4).

 

Рис. 4. Уровни суммарного загрязнения ТММ почв в целом и фракции PM₁₀ в функциональных зонах Северобайкальска: П – промышленной; См – селитебной многоэтажной; Со – селитебной одноэтажной; Т – транспортной; Р – рекреационной

Fig. 4. Levels of total contamination with HMMs of soils and their PM₁₀ fraction in the land-use zones of Severobaikalsk: П – industrial; См – residential multi-store; Co – residential one-store; T – transport; Р – recreational

 

Средние значения показателя Zc загрязнения ТММ почв в целом уменьшаются в ряду функциональных зон: транспортная (Zc=8,5)>селитебная одноэтажная (6,6)> промышленная (6,3)>селитебная многоэтажная (4,4)>рекреационная (3,8). Для фракции PM₁₀ почв контрастность значений показателя Zc увеличивается в ряду: транспортная зона (9,3)>селитебная одноэтажная (7,2)>селитебная многоэтажная (5,6)>промышленная (4,9)>рекреационная (3,2). Сравнение этих рядов говорит о том, что основная часть ТММ в промышленных выбросах содержится в более крупных частицах, чем PM₁₀.

В верхних горизонтах почв сформировались две техногенные геохимические аномалии, одна со средним и одна с высоким уровнем загрязнения. Наибольшая по площади полиэлементная аномалия с Zc=18–22 расположена на юго-западе Северобайкальска, в промышленной и селитебной одноэтажных зонах. Накопление Sb₁₅Zn_5,8Pb_4,9Cd_4,3As_3,1Bi_2,1 связано с выбросами железнодорожного и автомобильного транспорта, летучей золы и с воздействием коммунального-бытового мусора. Наиболее высокое значение суммарного показателя загрязнения почв Zc=35 установлено в транспортной зоне вблизи локомотивного депо, аккумуляция Sb₂₇Cu_3,5Sn_2,7Pb_2,6Co_2,4 обусловлена сгоранием топлива в подвижных составах, истиранием тормозных колодок, рельсов, а также пылением перевозимых грузов. Поллютанты также попадают в почву со сточными водами при мойке и обслуживании железнодорожных составов в депо.

Геохимические аномалии, сформировавшиеся во фракции PM₁₀ почв Северобайкальска, имеют меньшую контрастность и иную локализацию. Полиэлементная техногенная аномалия с Zc=18 установлена на востоке города в транспортной зоне, где аккумуляция Pb_5,3Sb_3,7W_2,7Cu_2,6Ni_2,1V_2,0 связана преимущественно с выбросами золы-уноса Центральной ТЭЦ, транспортировкой и разгрузкой угля, ТММ также поступают с выхлопами двигателей тепловозов и при обслуживании и ремонте путей. Максимальный уровень загрязнения фракции PM₁₀ почв с Zc=20 обнаружен в частном секторе на ул. Рабочая, где накопление Mo₁₃Cr_4,3Ni_2,1 обусловлено влиянием стихийной свалки коммунально-бытовых отходов и воздействием автомобильного транспорта.

Вклад природных и антропогенных источников в загрязнение городских почв. С помощью метода главных компонент (PCA) были определены основные источники ТММ в верхних горизонтах почв и фракции РМ₁₀ Северобайкальска. При интерпретации факторов использовались геохимические профили наиболее характерных источников тех или иных поллютантов, описанные в [10, 51–54].

Для почвенного покрова Северобайкальска выявлено четыре основных фактора, объясняющих в сумме 68 % общей дисперсии ТММ (рис. 5). На первый фактор (PC1) приходится около 24 % общей дисперсии, он включает As, Sb и Mo с факторными нагрузками 0,72–0,80. Корреляционные связи между элементами этой группы невысокие – 0,36–0,52. Вероятно, эти ТММ поступают из нескольких источников. Влияние данного фактора проявляется вблизи Центральной ТЭЦ, кроме того, источником Sb и Mo (r=0,52) являются контейнерная станция и локомотивное депо, где проводится ремонт и обслуживание подвижных составов. Второй фактор (PC2) объясняет 22 % общей дисперсии и связан с накоплением Co, Ni, V и Cr, факторные нагрузки равны 0,80–0,88. PC2 отражает вклад природных (литогенных) и техногенных источников – сжигания угля при печном отоплении частных домов и выбросов железнодорожного транспорта.

 

Рис. 5. Графики факторных нагрузок для концентраций ТММ в почвах и фракции PM₁₀ Северобайкальска

Fig. 5. Plots of factor loadings for HMMs concentrations in soils and PM₁₀ fraction in Severobaikalsk

 

Третий фактор (PC3) объясняет 13 % общей дисперсии, он связан с выбросами автотранспорта. Для Pb, Cd и Zn факторные нагрузки составляют 0,72–0,92, коэффициент корреляции между концентрациями Cd–Zn r=0,87, для Pb–Cd и Pb–Zn он ниже – r=0,50–0,54. Кадмий и Zn поступают, в первую очередь, с невыхлопными выбросами транспортных средств, к которым относится истирание тормозных колодок и шин. Для ускорения процесса вулканизации шин используют оксиды Pb, Mg, Zn, кроме того, Zn содержится в шинах в виде неорганических (ZnS и ZnO) и органических соединений (стеарат цинка) и составляет 0,4–4,3 % протекторов шин [51]. Источником Pb, помимо изнашиваемых деталей автотранспорта, могут являться выхлопы двигателей, работающих на этилированном бензине до введения запрета на его использование. Четвертый фактор (PC4) связан с накоплением Cu, на этот фактор приходится 9 % общей дисперсии. Вероятным источником Cu является эксплуатация железной дороги.

Во фракции РМ₁₀ почв Северобайкальска можно выделить три фактора, на которые приходится в сумме 75 % общей дисперсии (рис. 5). Первый фактор (PC1) объясняет 48 % дисперсии и накопление As, Co, Ni, Cu, V с факторными нагрузками 0,62–0,92. Помимо литогенного фактора, поступление Ni и V (r=0,81) может быть вызвано влиянием расположенной на востоке Северобайкальска нефтебазы: по данным [55], для предприятий нефтехимической промышленности характерны выбросы Ni, V, Hg, Cd, Cu. Источниками As, Co и Cu (r=0,54–0,88) могут быть дымовые выбросы Центральной ТЭЦ, а также предприятия автосервиса и металлообработки.

На второй фактор (PC2) приходится 15 % общей дисперсии, он связан с накоплением Mo, Ni и Cr (r=0,46–0,88), которые поступают из природных и природно-техногенных источников – с продуктами разрушения строительных материалов. Третий фактор (PC3) составляет 12 % общей дисперсии и характеризует влияние выбросов автомобильного транспорта. Источниками Pb, W, Sb, Cd, Zn служат изношенные металлические детали автомобилей, шины, дорожное полотно и дорожная разметка, а также выхлопы двигателей.

Оценка риска для здоровья. В Северобайкальске в почвах в целом не обнаружено превышения содержания ТММ над гигиеническими нормативами. Во фракции PM₁₀ городских почв экологическую опасность представляют лишь Pb и Zn, нормативы которых превышены на 5 и 8 % территории промышленной и транспортной зон. Более детальную оценку экологической опасности ТММ в почвах дает модель, которая учитывает все основные пути поступления в организм человека загрязненных частиц.

Оценка неканцерогенного риска. Для оценки вклада природной и антропогенной составляющих неканцерогенного воздействия исследуемых элементов была рассчитана среднесуточная потенциальная доза ТММ (ADD) – это количество химического вещества, которое проглатывается или находится в соприкосновении с кожей, усредненное с учетом массы тела и времени воздействия. Неканцерогенный эффект характеризует возрастание вероятности развития заболеваний различной природы, за исключением злокачественных новообразований [28−30].

Для фоновых почв г. Северобайкальска значения показателя ADD_ingest уменьшаются в ряду:

Zn>V>Cr>Ni>Pb>Cu>Co>Sn>As>W>Mo>Sb>Cd>Bi.

Значения этих параметров сильно различаются для разных элементов – от 3,1·10^–7 для Bi до 1,4·10^–4 мг/кг·сутки для Zn. Средние значения ADD_dermal ниже и уменьшаются в ряду

Zn>V>Cr>As>Ni>Pb>Cu>Co>Sn>W>Mo>Sb>Bi>Cd,

для Cd значение ADD_dermal составляет 1,3·10^–9 мг/кг·сутки, для Zn – 5,6·10^–7 мг/кг·сутки. Таким образом, бо́льшее количество поллютантов попадают в организм жителя г. Северобайкальска через проглатывание, чем через контакт с кожей.

Антропогенная деятельность и связанная с ней аккумуляция поллютантов в почвенном покрове г. Северобайкальска привела к увеличению в 1,1–2,5 раза потенциального среднесуточного потребления ТММ с загрязненными почвами за счет проглатывания и контакта с кожным покровом. Расчеты показали, что дети поглощают в 8,5–9,6 раз больше ТММ с частицами почвы, чем взрослые, при кожном контакте их количество возрастает в 6,3–92 раза, максимальное значение установлено для Bi.

Наиболее высокие значения ADD_ingest и ADD_dermal для V, Co, Cu, Mo, Sn и Sb для взрослого населения и детей выявлены в транспортной функциональной зоне, в связи с этим наибольшее среднесуточное потребление этих ТММ будет наблюдаться у работников железнодорожного транспорта, постоянно присутствующих на данной территории. Максимальные значения потенциальной суточной дозы при проглатывании и кожном контакте для As, Pb и Bi установлены в промышленной зоне, Ni, Cd – в селитебной многоэтажной, Zn, W – в селитебной одноэтажной, Cr – в рекреационной (табл. 3).

 

Таблица 3. Среднесуточная доза при проглатывании и кожном контакте с почвой для взрослых и детей, исходя из суммарных концентраций ТММ в различных функциональных зонах г. Северобайкальска

Table 3. Average daily dose by ingestion and skin contact with soil for adults and children, based on the total concentrations of HMMs in various land-use areas of Severobaikalsk

Элемент Element	Функциональная зона/Land-use area
	Промышленная Industrial		Селитебная многоэтажная Residential multi-store		Селитебная одноэтажная Residential one-store		Рекреационная Recreational		Транспортная Transport
	ADDingest	ADDdermal	ADDingest	ADDdermal	ADDingest	ADDdermal	ADDingest	ADDdermal	ADDingest	ADDdermal
Взрослые/Adults
V	1200	4,8	1212	4,8	1121	4,5	1234	4,9	1266	5,1
Cr	910	3,6	1025	4,1	897	3,6	1028	4,01	1021	4,1
Co	220	0,86	222	0,9	205	0,82	210	0,8	244	0,97
Ni	500	2,0	559	2,2	519	2,1	463	1,8	519	2,1
Cu	410	1,6	342	1,4	342	1,4	309	1,2	501	2
Zn	1600	6,4	1770	7,1	2221	8,9	1531	6,1	1540	6,1
As	32	3,8	29	3,5	26	3,1	24	2,9	31	3,7
Mo	11	0,041	8,5	0,034	9,5	0,038	9,5	0,038	12	3,7
Cd	3,2	0,013	4,8	0,019	4,6	0,018	3,2	0,13	3,9	0,016
Sn	47	0,19	41	0,17	42	0,160	47	0,2	57	0,23
Sb	12	0,047	5,7	0,022	7,1	0,028	4,9	0,019	16	0,064
W	17	0,067	18	0,072	28	0,12	25	0,1	16	0,063
Pb	540	2,1	402	1,6	504	2	354	1,4	496	2
Bi	3,5	0,014	3,3	0,013	3,5	0,014	2,6	0,011	2,5	0,0098
HI	0,182		0,186		0,175		0,177		0,199
Дети/Children
V	11165	31	11315	32	10463	29	11518	32	11815	33
Cr	8470	24	9563	27	8369	23	9590	26	9530	27
Co	2006	5,6	2076	5,8	1914	5,4	1961	5,5	2277	6,4
Ni	4666	13	5219	15	4844	14	4326	12	4847	14
Cu	3797	11	3189	8,9	3192	8,9	2883	8,1	4681	13
Zn	14986	42	16516	46	20729	58	14289	40	14376	40
As	295	25	277	23	244	21	227	19	285	24
Mo	94	0,26	79	0,223	88	0,25	89	0,25	119	0,31
Cd	30	0,084	45	0,13	43	0,119	29	0,0838	37	0,103
Sn	439	1,2	388	1,1	389	1,1	443	1,2	533	1,5
Sb	109	0,3	53	0,15	66	0,184	45	0,13	150	0,421
W	156	0,43	168	0,47	269	0,753	237	0,66	148	0,413
Pb	5019	14	3754	11	4708	13	3308	9,3	4628	13
Bi	32	0,09	31	0,087	32	0,0902	25	0,069	230	0,064
HI	1,65		1,69		1,60		1,61		1,81

Примечание. Представленные в таблице значения ADD_ingest и ADD_dermal умножены на 1,0*10⁷.

Note. ADD_ingest and ADD_dermal values are multiplied by 1,0*10⁷.

 

Значения коэффициентов опасности HQ_ingest и HQ_dermal, которые количественно характеризуют неканцерогенный риск всех исследуемых ТММ, для взрослого населения не превышали допустимого уровня 0,1, что свидетельствует об отсутствии риска развития неканцерогенных эффектов. Потенциальный неканцерогенный риск для здоровья детей оказался выше.

Значения HQ_ingest для детей составили от 0,007 для Sn до 0,68 для Co, что соответствует низкому риску развития неканцерогенных эффектов. В целом потенциальный неканцерогенный риск для здоровья детей, связанный с проглатыванием наиболее опасных ТММ, содержащихся в почвах, убывает в ряду: Co>Cr>V>Pb. Показатели HQ_dermal всех ТММ для детей были ниже 0,1. Таким образом, вероятность развития у жителей г. Северобайкальска вредных эффектов при ежедневном поступлении исследуемых ТММ в течение жизни несущественна, и такое воздействие характеризуется как допустимое.

Сумма индивидуальных HQ, определяющая индекс опасности HI, не превысила безопасное пороговое значение 1 во всех функциональных зонах г. Северобайкальска для взрослого населения, что подтверждает низкий потенциальный неканцерогенный риск попадания в организм ТММ, содержащихся в частицах почвы (табл. 3). Для детей значения индексов HI в среднем составили 1,6, наиболее высокое значение (HI 1,8) выявлено в транспортной функциональной зоне, что соответствует опасному риску и требует дополнительного контроля (рис. 6). Дети, по сравнению со взрослыми, значительно более подвержены воздействию ТММ в силу своих поведенческих и физиологических особенностей [56–58]. Однако стоит отметить, что постоянное присутствие детей вблизи железной дороги и сопутствующей инфраструктуры маловероятно. Наибольший вклад в HI для взрослых и детей во всех функциональных зонах г. Северобайкальска вносят Co, Cr, V, Pb, As и Ni. Доля, приходящаяся на сумму остальных ТММ (Cd, Sb, W, Cu, Zn, Mo и Sn), составляет менее 7 %.

 

Рис. 6. Индекс опасности HI при проглатывании и кожном контакте с ТММ, содержащихся в частицах почвы, для взрослого населения и детей г. Северобайкальска в различных функциональных зонах

Fig. 6. HI upon ingestion and skin contact with HMMs contained in soil particles for the adult population and children of Severobaikalsk in various land use areas

 

Оценка канцерогенного риска. Под канцерогенным эффектом понимают возникновение злокачественных новообразований при воздействии факторов окружающей среды. Известно, что канцерогенные эффекты приближаются к прямой зависимости: чем выше доза, тем сильнее эффект. Как правило, канцерогены вызывают также побочные неканцерогенные эффекты [28−30].

Канцерогенный риск ILCR_ingest и ILCR_dermal, рассчитанный для As, Cr, Pb при поступлении поллютантов в организм взрослого человека через проглатывание и кожный контакт с частицами почвы, не превысил безопасный уровень 1·10^–4 во всех функциональных зонах г. Северобайкальска. Средние значения ILCR_ingest 6,1·10^–5 и ILCR_dermal 1,5·10^–5 относятся к предельно допустимому риску, т. е. верхней границе приемлемого риска, однако данные уровни подлежат постоянному контролю. Такие значения соответствуют одному дополнительному случаю серьезного заболевания или смерти на 100 тыс. экспонированных лиц [30]. Максимальные значения ILCR_ingest и ILCR_dermal 1,0·10^–4 и 2,9·10^–5 установлены в транспортной функциональной зоне, вблизи железной дороги и в 300 м от Центральной ТЭЦ, что превышает средний уровень в 1,64 и 1,93 раза соответственно. Оценка чувствительности метода к изменению содержания ТММ в городских почвах показала, что при увеличении концентрации Cr на 50 %, а Pb и As в 3 раза канцерогенный риск, связанный с проглатыванием загрязненных ТММ почвенных частиц, усилится до высокого уровня опасности. В этом случае среднее содержание Cr в почвах достигнет значения 92 мг/кг, Pb 101 мг/кг, As 8,3 мг/кг, а величина ILCR_ingest – 1,1·10^–4. Канцерогенный риск, вызванный поступлением ТММ через кожный покров ILCR_dermal, при увеличении концентраций Cr и Pb в 8 раз (до 568 и 269 мг/кг соответственно), As в 4 раза (до 8,2 мг/кг) составит 1,2·10^–4.

Средние значения показателя ILCR_ingest для детей составили 5,6·10^–4, что относится к опасному риску, неприемлемому для населения в целом, и требует разработки и проведения плановых оздоровительных мероприятий. Максимальное значение ILCR_ingest для детей установлено в транспортной зоне (6,2·10^–4), минимальное в селитебной одноэтажной (5,8·10^–4). Оценка чувствительности метода в зависимости от концентраций ТММ в почве показала, что канцерогенный риск уменьшится до предельно допустимых значений 9,8·10^–5 при уменьшении средних концентраций Cr и Pb в 6 раз, As в 5 раз, т. е. до 11,8; 5,6 и 0,4 мг/кг соответственно. Значения ILCR_dermal для детей, так же как и для взрослого населения, находятся в диапазоне более 1·10^–6, но менее 1·10^–4 и относятся к допустимому риску. Максимальное значение ILCR_dermal 1,9·10^–4 установлено вблизи железной дороги, к северо-востоку от Центральной ТЭЦ. Наибольший вклад в формирование канцерогенного риска для детей и взрослых, как при проглатывании, так и при кожном контакте с загрязненными частицами почвы, вносит Cr (78 %), наименьший – Pb (15 %).

Заключение

Основными источниками загрязнения почвенного покрова Северобайкальска являются объекты железнодорожной инфраструктуры БАМ, транспортировка, хранение и использование бурого угля в котельных и на Центральной ТЭЦ. Сжигаемые Канско-Ачинские угли обогащены по сравнению с мировыми кларками только Sr, содержание остальных ТММ, а также всех ТММ в золе Центральной ТЭЦ ниже кларковых значений. Ведущими загрязнителями почв в целом и фракции PM₁₀ в Северобайкальске являются Sb, Cu, Pb, Mo, Cr. Наибольшее загрязнение ТММ городских почв и фракции PM₁₀ приурочено к транспортной и промышленной зонам, в почвах в целом аккумулируются Sb_4,2Cu_2,0Pb_1,9, во фракции PM₁₀ – Sb_2,3Cu_1,9Pb_1,8Co_1,7V_1,6W_1,6Ni_1,5.

В почвах Северобайкальска не обнаружено превышения содержания ТММ над гигиеническими нормативами. Во фракции PM₁₀ почв наибольшую экологическую опасность представляют Pb и Zn, нормативы которых превышены на 5 и 8 % территории. Средний суммарный уровень загрязнения городских почв и фракции PM₁₀ соответствует низкому, неопасному уровню (Zc=6), максимальные значения Zc=8,5 для почв в целом и Zc=9,3 для фракции PM₁₀ зафиксированы в транспортной зоне.

Наибольшее влияние на микроэлементный состав городских почв и частиц PM₁₀ оказывают выбросы железнодорожной инфраструктуры и сжигание угля на Центральной ТЭЦ (доля объясняемой дисперсии 24 % для почв в целом и 48 % для фракции PM₁₀), что вызывает активную аккумуляцию в почвах As, Sb, Mo, Co, Ni, Cu, V. При сжигании Канско-Ачинских углей на Центральной ТЭЦ происходит концентрирование ТММ в золе-уносе: содержание V, Mo, Co, Ni и As возрастает в 5,6–8,7 раза, а Sb и Cu – в 2,7–3,7 раза по сравнению с исходным топливом. Осаждение содержащихся в золе-уносе поллютантов приводит к дальнейшей концентрации элементов в верхних горизонтах почв, где концентрация Sb увеличивается 4,3 раза, а V, Cu – в 1,7–2,0 раза по сравнению с золой-уносом. Фракция PM₁₀ почв обнаруживает еще более интенсивное относительно золы-уноса обогащение Sb (в 4,6 раза), V, As и Cu (в 1,4–3 раза).

Оценка риска для здоровья жителей Северобайкальска, связанная с загрязнением ТММ верхних горизонтов почв, показала, что поступление почвенных частиц путем проглатывания оказывает наиболее вредное воздействие как на детей, так и на взрослых. Неканцерогенный риск для детей оказался выше в 8,5–9,6 раза при проглатывании почвенных частиц и в 6,3–92 раза при кожном контакте. Суммарный неканцерогенный риск попадания в организм детей частиц почвы, загрязненных V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Sn, Sb, W, Pb и Bi, незначительно превысил безопасный уровень 1 (от 1,60 в селитебной одноэтажной до 1,81 в транспортной зоне), для взрослого населения значения HI были ниже допустимого порогового значения. Канцерогенный риск, связанный с попаданием в организм As, Cr и Pb через кожный покров как для детей, так и для взрослых, не превысил допустимый уровень. Поступление этих элементов перорально представляет потенциальную угрозу для здоровья детей, проживающих в г. Северобайкальске, – среднее значение ILCR_ingest 5,6·10^–4 указывает на опасный риск.

About the authors

Daria G. Sycheva

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: l.msu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8952-5820

Postgraduate Student

Russian Federation, 1, Leninskie Gory street, Moscow, 119991

Natalia E. Kosheleva

Lomonosov Moscow State University

Email: natalk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7107-5718

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, 1, Leninskie Gory street, Moscow, 119991

References

Supplementary files