Геохимические особенности распределения ртути в листьях и годовых кольцах тополя урбанизированных территорий на примере г. Новосибирск

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью эколого-геохимической оценки техногенного воздействия на окружающую среду и здоровье населения в связи с развитием урбанизации и промышленности в городах, повлекшее за собой загрязнение поллютантами компонентов природной среды. Цель: оценка ртутной нагрузки на природные компоненты урбанизированной территории с промышленно развитой инфраструктурой по данным изучения листьев и керна тополя в г. Новосибирск. Объекты: листья и годовые кольца тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Выбранный вид тополя широко распространен в городах умеренного пояса. Он имеет ряд особенностей, в числе которых относительно большая площадь, восковое покрытие и наличие устьиц с двух сторон листовой пластины, позволяющие улавливать в значительном количестве пылевые частицы и аэрозоли, являясь индикатором состояния воздушного бассейна. Методы: отбор проб листьев тополя во временном периоде 2014-2018 гг. по равномерной площадной сети 4•4 со сгущением 1•1 км вблизи предполагаемого источника загрязнения; отбор проб древесного керна с отдельно стоящих деревьев на расстоянии от 0,5 до 1 км от предполагаемого источника; высушивание и измельчение; атомно-абсорбционный анализ Hg методом пиролиза; статистическая обработка данных; построение карт и графиков. Результаты. В ходе проведения полевых и лабораторных работ получены данные по геохимическим особенностям распределения Hg в листьях и годичных кольцах тополя бальзамического (P. balsamifera L.) на территории г. Новосибирск. В северовосточной части города выявлен биогеохимический ореол Hg изометричной формы размером 25 км{2} с содержанием более 100 нг/г. Высокая концентрация Hg (1300 нг/г) в листьях тополя зафиксирована в 2017 г. в Калининском районе, вблизи промышленной площадки Новосибирского завода химконцентратов (НЗХК). Исследования показали четкую тенденцию увеличения накопления Hg в листьях тополя в течение вегетационного периода. Максимальное среднее содержание выявлено в листовом опаде - 2006 нг/г (1153-2425 нг/г). Однако среднее содержание Hg в почве - 294 нг/г, что значительно ниже предельно-допустимых концентраций (2100 нг/г). Исследован характер распределения содержания Hg в листьях тополя по высоте кроны дерева, произрастающего в эпицентре биогеохимического ореола Hg. С наветренной стороны от источника эмиссии концентрация Hg в листьях в среднем в 1,5 раза выше, чем со стороны "ветровой тени". В ходе изучения форм нахождения Hg в листьях тополя установлено, что Hg содержится преимущественно в свободной и физически связанной формах, наиболее мобильных, склонных к повышенной миграции, трансформации и мителированию в условиях окружающей среды. По содержанию Hg в керне тополя установлены три периода эмиссии Hg вблизи источника: 1-й - с максимальной эмиссией в 1967-1985 гг., 2-ой - снижение содержания Hg в 1991-2000 гг., 3-й - сравнительно низкий уровень содержания Hg в 2000-2017 гг. В г. Новосибирске оконтурен крупный биогеохимический ореол Hg, установлен возможный источник её эмиссии. Методом дендробиогеохимии в эпицентре наиболее высокого содержания Hg установлена многолетняя динамика изменения содержания Hg в объектах исследования. Определен период с максимальным техногенным влиянием Hg на городскую среду. В селитебной и промышленной зонах на северо-востоке Новосибирска в пределах крупного биогеохимического ореола Hg рекомендуется постановка эколого-геохимического мониторинга со ртутнометрической съемкой атмосферного воздуха, исследованием почвенно-растительного покрова, контроль санитарно-гигиенических показателей состояния здоровья населения.

Relevance of the study is determined by the necessity to provide ecological and geochemical assessment of technogenic impact on environment and population health related to urbanization and industrial development resulting in contamination of natural assets with various pollutants. The aim of the study is to assess mercury loads onto the natural components of an urbanized territory with a well-developed industrial infrastructure by studying leaves and cores of balsam poplar (P. balsamifera L.). Subjects of research are poplar leaves and annual rings. This species of poplar is very common in urban localities of temperate zone. It has a number of features allowing it to capture significant amounts of dust particles and aerosols, namely, relatively large area, wax covering and presence of both abaxial and adaxial stomata; the tree serves as an indicator of community air. Research methods were sampling of poplar leaves through the period of 2014-2018 and following a 4•4 uniform area grid with a further concentration of 1•1 km near assumed pollution sources; sampling of wood from separate trees at a distance of 0,5 to 1 km from the assumed pollution source; atomic absorption spectrometry of Hg by pyrolysis; statistical processing of data; plotting maps and graphs. Results. During the field and laboratory works, the authors have obtained the data on geochemical features of Hg distribution through the leaves and annual rings of balsam poplar (P. balsamifera L.) in the territory of the city of Novosibirsk. In the northwestern part of the city, a biogeochemical halo of Hg concentrations was identified; it is isometric in form, has an area of approximately 25 km{2} and is characterized by Hg content of over 100 ng/g. In 2017, a high Hg concentration (1300 ng/g) in poplar leaves was recorded in Kalininsky district, near the industrial site of the Novosibirsk Chemical Concentrates Plant. The studies have shown a clear trend for Hg accumulation in poplar leaves throughout the vegetation period. Maximum average content was found in leaf litter at 2006 ng/g (the range is 1153-2425 ng/g). However, the average Hg content in soil is 294 ng/g, which is significantly lower than the maximum allowable concentration of 2100 ng/g. Distribution of Hg content in poplar leaves depending on leaf position in the tree crown was studies for a tree in the epicenter of biogeochemical halo of Hg concentrations. Upwind the emission source, Hg concentration in the leaves is on average 1,5 times higher than in the wind shadow. During the studies of Hg forms in poplar leaves it was established that Hg is primarily found in free and physically-bound forms, which are the most mobile, prone to increased migration, transformation and methylation under the environmental conditions. Studies of wood cores in the vicinity of the pollution source allowed establishing three periods of Hg emission: the first period, with the maximum emission covers 1967-1985, the second period of 1991-2000 shows a decrease in Hg content; the third period of 2000-2007 is characterized with a relatively low level of Hg concentration. A large biogeocheimcal halo of Hg concentrations was mapped in the city of Novosibirsk, a possible emission source was found. Dendrobiogeochemical methods applied in the epicenter of the area with the highest mercury content allowed establishing long-term dynamics in Hg content in the subjects of the study. A period with the highest technogenic impact on the urban environment was established. In residential and industrial zones in the northeast of Novosibirsk, in the territory of a large biogeochemical Hg-related halo, the authors recommend to establish environmental and geochemical monitoring with mercury metering of air samples, studies of soil and plant cover, monitoring of sanitary and hygienic indicators of population's health.