Assessment of the aerogenic impact of the Norilsk industrial complex on the natural environment using epigeal lichens

Full Text

Введение

В центральной части Арктического региона воздействие на природную среду формируется в основном за счет Норильского горно-металлургического комплекса. Норильский промышленный район (НПР) представляет собой единый производственный комплекс по добыче и производству цветных и драгоценных металлов. В данном промышленном районе ведётся добыча Cu, Ni, Co, Pd, Os, Pt, Au, Ag, Ir, Rh, Ru. Попутная продукция: техническая сера, Se, Te, H₂SO₄. Столь широкий ряд продукции обусловливает и разнообразие вредных выбросов с предприятий НПР: на эти предприятия приходится 78 % вредных выбросов Красноярского края и 10 % Российской Федерации [1–4]. Наиболее активными поллютантами являются диоксид серы и тяжелые металлы: Cu, Ni, Pb.

 

Рис. 1. Роза ветров, Норильский промышленный район, 2021 г.

Fig. 1. Wind rose, Norilsk industrial district, 2021

 

Согласно розе ветров (рис. 1) в районе Норильского промышленного комплекса в течение 2021 г. превалировали юго-юго-восточные ветра со скоростью 0,5–7,9 м/сек-в общем около 42 % [5]. В зависимости от сезона направление ветров кардинально меняется: например, в январе превалируют северо-северо-западные ветра (около 50 %). Исследования, проведенные в этом регионе в юго-восточном направлении [1, 2] позволили выявить три зоны аэрогенного воздействия Норильского промышленного комплекса на природную среду. Первая зона распространена до 80 км от промышленного центра, вторая зона – 80–140 км, третья зона – на удалении более 140 км. В первой зоне древесная растительность погибла полностью. Содержание серы в растениях превышает фоновый уровень, (в качестве которого был взят участок вблизи р. Черной в 223 км от Норильска) в 1,2–4 раза, никеля – в 1,5–470 раз, меди – в 1,3–156 раз [6]. В зоне 80–140 км появляются черты, свойственные данной биоклиматической зоне, подлесок и мохово-травянистая растительность не угнетены. В этой зоне содержание серы, никеля и меди в растениях близки к фоновым значениям.

Данные о распространении аэрогенного воздействия Норильского промышленного района в направлении юг, юго-запад практически отсутствуют.

При оценке техногенных факторов воздействия на природную среду наиболее важным является контроль за атмосферными выпадениями. Этот контроль может осуществляться несколькими методами: отбор атмосферных аэрозолей с помощью аспираторов, расположение планшетов на исследуемых территориях, отбор образцов снежного покрова, оценка с помощью мхов и лишайников. В результате анализа достоинств и недостатков каждого из этих методов мы остановились на использовании последнего метода. В отличие от воды и атмосферного воздуха, которые выступают в роли транспортирующих сред, лишайники являются депонирующей средой и наиболее объективными индикаторами техногенного загрязнения экосистем [7, 8]. При изучении аэрогенного воздействия использовались многие виды лишайников, но наиболее перспективными из них считаются Cladonia rungeferinа и Cetraria sp. [7–9]. С точки зрения распространенности, доступности и легкости пробоотбора эти лишайники представляют собой универсальные объекты для исследования.

Целью настоящей работы было изучение особенностей аэрогенного воздействия на природную среду к югу и юго-западу от Норильского промышленного комплекса с использованием эпигейных (растущих на почве) лишайников Cladonia rungeferinа и Cetraria sp.

Методика эксперимента

Отбор образцов. Отбор образцов проводился в летний сезон 2021 г. в Таймырском Долгано-Ненецком районе в 40–60 км к югу-юго-западу от Норильского промышленного комплекса.

Площадки отбора образцов характеризовались бедным распространением растительности, видимо, вследствие низовых пожаров, произошедших в этой области в 2019–2020 гг. (рис. 2). Растительность представлена многолетними морозоустойчивыми травами: осокой, господствующей в низинах и болотах, лютиком, пушицей, лишайниками.

 

Рис. 2. Ландшафт места отбора проб (фото Д.Б. Петренко)

Fig. 2. Landscape of the sampling site (photo by D.B. Petrenko)

 

Образцы почвы и лишайников [видов Cladonia rungeferinа ((L.) Weber ex F.H.Wigg) и Cetraria sp.] отбирались с одних и тех же площадок, отбор образцов осуществлялся условно по схеме двух профилей: профиль 1 – СВ-ЮЗ протяженностью 20 км, и профиль 2 – СЗ-ЮВ протяженностью 14 км с шагом около 0,5–2 км (в зависимости от наличия или отсутствия необходимых лишайников шаг изменялся в широких пределах) (рис. 3).

 

Рис. 3. Схема отбора проб

Fig. 3. Sampling scheme

 

Лишайники были представлены видами Cetraria islandica, Cladonia rangiferina, Cladonia alpestris. Следует отметить, что лишайники сохранились в основном в низинах и за буграми с подветренной стороны. Среди кустарничков наблюдались голубика, морошка, черника, брусника. Пожары относительно редки в экосистемах субарктической лесотундры, но они могут сильно изменить свойства экосистем – на исследуемой территории полностью выгорела древесная растительность (карликовая береза, полярная ива).

 

В каждой точке отбиралась почва и лишайник, всего было отобрано 25 проб почвы и 25 проб лишайников. Почва глеево-подзолистая, торфяно-глеевая, бурая супесчаная или суглинистая. В верхнем горизонте почвы (1–3 см) наблюдалось преобладание продуктов горения – крупно- и тонкодисперсная зола, обугленные древесные останки, подстилка в значительной степени минерализована. Почва отбиралась в соответствии с существующими нормативами ГОСТ Р 58595-2019 [10]. Отбор проб лишайников проводился в соответствии с опубликованными в литературных источниках рекомендациями [7–9, 11] в стерильные полиэтиленовые пакеты зип-лок, усредненные пробы лишайников отбирали с площади 10–20 м². Для анализа отбирали верхние части (3–7 см) талломов лишайников.

Анализ образцов. Отобранные образцы лишайников высушивали при комнатной температуре, а затем в сушильном шкафу при температуре 30 °С доводили до постоянного веса. Образцы, подготовленные таким образом, измельчали в гомогенизаторе до размеров <1 мм. Для анализа от каждого образца отбирали три параллельные навески по 150–500 мг. Пробы почвы высушивали при температуре 30 °С до воздушно-сухого состояния, просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм и истирали до крупности зерна 60–80 мкм (сито 200 меш). Анализ образцов почвы проводился при помощи рентгенофлуоресцентного (РФА) метода с использованием последовательного волнового XRF спектрометра «S4 Pioneer» (Bruker AXS, Германия). Обработка полученных результатов осуществлялась программой «S4 Spectra Plus». Образцы лишайника анализировали с помощью масс спектрометра с индуктивно-связанной плазмой высокого разрешения «ELEMENT-2» (Thermo Ficher Scientific, США). Совместное использование этих методов обеспечивает определение в отобранных образцах большинства интересующих нас элементов в широком диапазоне концентраций, за исключением определения Hg в почвах и лишайниках, а также Fe и Zn в лишайниках. Концентрация Hg в отобранных образцах определялась с помощью анализатора ртути «Юлия-5К» (НПО «Метрология», Россия), концентрация Fe и Zn в лишайниках определялась с помощью пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии на анализаторе «КВАНТ-2А» (КОРТЭК, Россия). В отобранных образцах была оценена концентрация Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, As, Se, Rb, Cd, Sb, Ba, La, Ce, Hg, Pb, Th, U. Все аналитические работы проводились в соответствии с аттестованными методиками, утвержденными в качестве руководящих документов, с использованием стандартных образцов состава производства МАГАТЭ, Китай, Россия. Анализ состава отобранных образцов осуществлялся в Лаборатории химико-аналитических исследований Геологического института РАН.

Результаты

В табл. 1 приведены данные о концентрации тяжелых и токсичных элементов в образцах почвы и лишайников. Следует отметить, что концентрация токсичных элементов в почве находится в пределах значений ПДК и ОДК, величина стандартного отклонения практически для всех приведенных в таблице элементов находится в пределах 30–35 %, что говорит о достаточно равномерной выборке данных, рН_KCl=4,35–5,11 [12]. Значения концентрации элементов, приведенные для лишайников, на порядок меньше, чем в почвах.

 

Таблица 1. Элементный состав почвы и лишайников, воздушно-сухой вес, мг/кг

Table 1. Elemental composition of soil and lichens, air-dry weight, mg/kg

Элемент Element	Почва/Soil		Лишайник/Lichen
	Сср\Cмед Cmean\Cmedian	Cмин–Cмакс Cmin–Cmax	Сср.\Cмед. Cmean\Cmedian	Cмин–Cмакс Cmin–Cmax
Ti	5260\5675	2213–8745	49,8\34,3	16,5–331
V	173\184	94–270	1,9\0,93	0,63–11,9
Cr	194\185	105–471	3,55\2,68	0,96–16,2
Mn	968\957	383–1987	51\30,8	5,15–162
Fe	42810\43115	12268–87568	407\515	218–933
Co	27,2\25,2	10,3–52,1	1,31\1,09	0,62–3,57
Ni	93,5\82,5	49,4–287	24,2\19,2	9,47–19,2
Cu	93,6\82,8	34,6–228	18,5\13,9	6,02–74,2
Zn	95,4\96,1	54,5–155	16,1\16,6	5,83–27,5
As	6,6\6,52	5,51–819	0,18\0,16	0,11–0,82
Se	4,7\4,51	2,25–8,36	0,95\0,76	0,26–3,28
Sr	119\118	62,6–219	6,28\3,04	1,04–29,6
Cd	0,73\0,67	0,43–1,18	0,14\0,12	0,05–0,59
Sn	0,61\0,66	0,31–1,03	0,16\0,12	0,05–0,55
Sb	0,04\0,06	0,02–0,07	0,02\0,02	0,01–0,11
Ba	488\494	154–956	6,76\5,02	1,47–18,3
La	11,9\12,5	7,91–15,8	0,51\0,43	0,22–0,86
Ce	26,9\27,3	18,8–35,3	1,11\0,92	0,56–1,75
Hg	0,095\0,91	0,052–0,133	0,032\0,021	0,009–0,089
Pb	14,8\14,1	11,6–20,7	2,39\1,91	0,25–6,72
Th	2,97\3,32	2,21–6,72	0,053\0,065	0,028–0,099
U	1,03\1,22	2,23–1,56	0,014\0,013	0,01–0,022

 

Исключение составляет концентрация Hg, которая сопоставима по величине с концентрацией в почве. Данные, приведенные в таблице для почвы и лишайников, обладают чрезвычайно высокой вариабельностью, что говорит о значительной неравномерности в выборке. Для того чтобы оценить особенности распределения элементов в лишайниках относительно почвы, было рассчитано отношение концентрации элементов в почве и лишайнике на концентрацию элементов в верхней части континентальной коры [9, 13–15] по формуле:

К_отн = С_i(почва, лишайник)/С_{i з.к},

где С_i – концентрация i-го элемента в почве или лишайнике; С_{i з.к} – концентрация i-го элемента в верхней части земной коры.

Распределение полученного коэффициента К_отн в почве и лишайнике приведено на рис. 3, графики расположены по мере убывания К_отн в почве. В наибольшей степени в почве накапливаются такие элементы, как Cu, Cr, Ni, Co, (К_отн=1,6–2,4). В лишайниках следует отметить накопление Cu, Ni, Hg, Mn, Cd и Pb, которые можно отнести к аэрогенному воздействию.

Обсуждение

Учитывая специфику производства, основными маркерами воздействия Норильского промышленного комплекса на природную среду являются Ni, Cu и Pb. Графики, представленные на рис. 3, позволяют отнести к основным поллютантам также Mn и Hg. Для того чтобы оценить соотношение техногенных и терригенных источников поступления Mn, Ni, Cu, Pb и Hg в талломы лишайников, нами были рассчитаны значения коэффициента обогащения EF (enrichment factor) для этих элементов по точкам отбора на профилях 1 и 2. Коэффициент EF широко используется в анализе атмосферных аэрозолей и лихинометрических исследованиях [11, 16–18]. Величина этого коэффициента показывает соотношение элементов-загрязнителей и основных литогенных элементов (Fe, Si, Al) в атмосферных выпадениях, вычленяя техногенную составляющую. В качестве эталонной величины нами использовалось содержание Fe в верхней части земной коры [9, 13, 14].

Расчёт коэффициента проводился по формуле:

$EF=\frac{{С}_i/{С}_{\text{Fe}i} \left(\text{лишайник}\right)}{\frac{{С}_{i \text{з.к}}}{{С}_{\text{Fe з.к}}} \left(\text{земная кора}\right)},$

 

Рис. 4. Распределение элементов в почве и лишайниках относительно концентрации в верхней части континентальной коры, где С_i – концентрация изучаемого элемента в лишайнике; С_Fei – концентрация Fe в лишайнике; C_{Fe з.к} – концентрация Fe в земной коре; C_{i з.к} – концентрация изучаемого элемента в земной коре.

Fig. 4. Distribution of elements in soil and lichens relative to concentrations in the upper part of the continental crust

 

Источники поступления элементов классифицируются на три группы в зависимости от рассчитанной величины EF. Низкие значения коэффициента обогащения (E_F<10) указывают на отсутствие антропогенных источников. В этом случае основным источником изучаемого элемента является местная минеральная и органическая пыль. Элементы с коэффициентами обогащения в интервале от 10 до 100 считаются умеренно обогащенными (до 50 %) и имеют смешанное происхождение. Значение коэффициента E_F >100 характеризует существенный вклад антропогенного источника (выше 50 %) [11, 16–18]. В табл. 2 представлены среднеарифметические значения коэффициента EF, рассчитанного по точкам отбора образцов профилей 1 и 2.

 

Таблица 2. Среднее значение коэффициента EF по профилям 1 и 2

Table 2. Average value of EF coefficient for profiles 1 and 2

Элемент Element	Профиль 1 Selection profile 1		Профиль 2 Selection profile 2
	EF	мин/макс min/max	EF	мин/макс min/max
Mn	1,6	0,65/3,6	1,7	0,71/5,3
Ni	2,22	0,24/4,56	1,78	0,22/6,93
Cu	2,31	0,15/7,07	1,65	0,17/6,15
Hg	18	2,7/62,6	23,1	2,54/74
Pb	1,6	0,65/3,6	4,52	1,23/14,5

 

Согласно данным табл. 2, величина коэффициента EF для Mn, Ni и Cu находится в диапазоне 0,15–6,9, что указывает на отсутствие техногенного воздействия на лишайники на протяжении обоих профилей. Диапазон значений величины коэффициента EF для Pb находится в пределах 0,6–4,5, для точек 6 и 7 профиля 2 он увеличивается до 14–15. Практически это также указывает на отсутствие какого-либо техногенного воздействия Pb. Для профилей 1 и 2 коэффициент EF Hg составляет в среднем 18 и 23,1, соответственно, максимальные величины достигают значений 63 и 74. Это указывает на значительное возрастание техногенного воздействия Hg на воздушную среду. Появление Hg в качестве приоритетного техногенного загрязнителя природной среды в данном регионе было несколько неожиданным: руды НПР в основном представлены пирротином, халькопиритом, пентландитом, пиритом и кубанитом [19, 20]. В этих минералах Hg представлена примесями c концентрациями 0,7–6,2 г/т, что не предполагает значительного присутствия Hg в производственных выбросах НПР. По мнению авторов наиболее вероятной причиной этого являются два обстоятельства:

1. Примерно половина выбросов Hg в окружающую среду имеет природное происхождение и является следствием дегазации земной коры. По этой причине Hg постоянно присутствует в любой экосистеме в значительных количествах [21].
2. Второй причиной послужили тундровые пожары 2019–2020 гг. Пожары имели характер так называемоо «низового» пожара, температура составляла около 400–450 °С. По литературным данным в верхнем горизонте почвы и золе растений после пожара концентрация Hg уменьшается примерно на порядок. При этом Hg переходит в атомарное состояние и распространяется в виде газовой компоненты атмосферы [22–24], концентрация Hg в атмосфере резко (в 7–10 раз) увеличивается. В дальнейшем происходит сорбция Hg атмосферными аэрозолями c последующим осаждением на поверхности выгоревших площадей, в том числе и на сохранившиеся лишайники. Это ведет к увеличению общей концентрации Hg в лишайнике и, соответственно, к увеличению EF. Следует подчеркнуть, что это увеличение происходит именно за счет совпадения естественных природных факторов и не является следствием техногенного воздействия.

Заключение

Аэрогенное воздействие Норильского промышленного комплекса в исследуемом районе не обнаружено. Выявлена атмохимическая аномалия Hg умеренной интенсивности (EF=10–100). Эта аномалия, по мнению авторов, не имеет отношения к Норильскому промышленному району, и возникла она при сочетании двух факторов – постоянного присутствия ртути в значительных концентрациях в экосистемах за счет природных факторов и тундровых пожаров 2019–2020 гг., которые привели в конечном итоге к вторичному осаждению Hg на выгоревших территориях.

About the authors

Anatoly V. Gorbunov

Geological Institute RAS

Email: anatolygor@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7794-100X

Senior Researcher Geological Institute RAS

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017

Dmitry B. Petrenko

Geological Institute RAS; State University of Education

Author for correspondence.
Email: dbpetrenko@yandex.by
ORCID iD: 0000-0003-0640-5159

Cand. Sc., Researcher

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017; 24, Vera Voloshina street, Mytishchi, 141014

Boris V. Ermolaev

Geological Institute RAS

Email: ermolaev-bv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9072-312X

Researcher

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017

Anna A. Dronova

Geological Institute RAS; State University of Education

Email: ann.drnv@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1232-9765

Junior Researcher, Postgraduate Student

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017; 24, Vera Voloshina street, Mytishchi, 141014

Elizaveta V. Aristarkhova

Geological Institute RAS; State University of Education

Email: aristarkhova_lisa@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-3826-9446

Junior Researcher, Postgraduate Student

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017; 24, Vera Voloshina street, Mytishchi, 141014

Olga I. Okina

Geological Institute RAS

Email: okina@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1947-4551

Cand. Sc., Leading Researcher

Russian Federation, 7s1, Pyzhevsky lane, Moscow, 119017

References

Supplementary files