Тяжелые металлы и мышьяк в почвах района размещения промышленных предприятий и атомной электростанции (на примере Белоярской АЭС)

Abstract

Актуальность. Загрязнение экосистем тяжелыми металлами и мышьяком является значимым антропогенным фактором, негативно влияющим на человека и биоту. В Свердловской области, где ведется добыча и переработка минерального сырья, отмечены высокие уровни выбросов в атмосферу поллютантов от стационарных источников, включая тяжелые металлы. Регион также характеризуется многокомпонентным загрязнением территорий техногенными радионуклидами. С 1964 г. в Свердловской области эксплуатируется Белоярская АЭС. Длительная работа промышленных предприятий и радиационноопасных объектов увеличивает техногенную нагрузку на экосистемы Урала. Цель: оценка содержания тяжелых металлов и мышьяка в почвах наземных экосистем района размещения промышленных предприятий и Белоярской АЭС на основе экологического мониторинга. Объекты. В 2013 и 2019 гг. исследованы почвы природных (луговых) и аграрных (пашня, лугопастбищные угодья) экосистем 30-км зоны влияния Белоярской АЭС. В почвенном покрове изучено содержание 17 элементов, относящихся к I (Pb, Zn, Cd, As, Hg), II (Mo, Cu, Ni, Co, Cr, Sb), III (Sr, Mn, V, W, Ba) классам опасности, а также железо. Методы. Оценку валового содержания тяжелых металлов и мышьяка в почве проводили в испытательной лаборатории агроэкологии ФГБНУ ВНИИРАЭ (аттестат аккредитации RA.RU.513078). Для подготовки почвенных проб к измерениям использовали методы «холодного пара» и «мокрого» озоления с помощью микроволновой системы MARS-5 (CEM, США). Элементы в образцах определяли атомно-абсорбционным и плазменно-эмиссионным методами анализа. Для измерений использовали аксиальный атомно-эмиссионный (оптический) спектрометр с атомизацией проб в индуктивно-связанной плазме (ИСП- ОЭС) Liberty II (Varian, Австралия-США) и спектрометр КВАНТ. Zэта-1 с приставкой ГРГ-3. Результаты. Показано, что за 2013-2019 гг. соотношение элементов в почвенном покрове наземных экосистем района расположения Белоярской АЭС было достаточно стабильным. По снижению валового содержания в почве тяжелые металлы и мышьяк в 2019 г. располагались в ряд: Fe (среднее - 16700 мг/кг) >Mn (879)>Ba (134)>Zn (51)>Ni (35)≥Cr (32)≥V (30)≥Sr (28)>Cu (21)>Pb (12,4)≥Co (11,9)>W (6,7)>Sb (2,4)>As(1,7)≥Mo (1,5)>Cd (0,2)>Hg (0,01 мг/кг). По общему накоплению элементов в почве наземные экосистемы находятся в соотношении: пашня (18,7 г/кг почвы)>луга (14,9 г/кг)>целина (12,6 г/кг). В основном такая разница обусловлена отличиями по содержанию в почве железа, вклад которого в региональный фон составляет 90…95 %. Слабая корреляция между содержанием в почве элементов и расстоянием от Белоярской АЭС (-0,44…0,29 в 2013 г. и -0,29…0,38 в 2019 г.) показала отсутствие значимых выбросов токсикантов в окружающую среду от атомной станции как вследствие ее многолетней работы, так и после начала эксплуатации реактора БН-800. Среди поллютантов I класса опасности, накопленных в почве, доминирует цинк (вклад 76…78 %), на втором месте идет свинец (18…21 %). Во II классе опасности основными почвенными загрязнителями являются никель (45…34 %) и хром (28…30 %). В III классе опасности преобладают марганец (68…81 %) и барий (14…27 %). Показано, что в 25…63 % почвенных проб в районе Белоярской АЭС валовое содержание никеля не отвечает ориентировочно допустимым концентрациям, установленным в СанПиН 1.2.3685-21. Также на всех контрольных участках луговых экосистем превышена предельно-допустимая концентрация по содержанию сурьмы. В 2019 г. в 4…25 % проб почв пашни и лугов отмечено несоответствие предельно-допустимой концентрации по марганцу и в 4…11 % проб почв пашни превышены ориентировочно допустимые концентрации по мышьяку. Уровни накопления в почве ряда тяжелых металлов превышают также региональный фон Свердловской области: по никелю в 25…63 % почвенных образцов природных и аграрных экосистем, по марганцу в 10…50 % проб почв пашни и лугов. Наибольшее количество элементов (в среднем 42 %) аккумулировано в 0-5 см слое почвы. Максимальное накопление в верхнем почвенном горизонте отмечено у кадмия (62 %), мышьяка (49 %) и свинца (48 %), а минимальное у сурьмы (29 %) и марганца (28 %). По общему запасу токсикантов в 0-5 см слое почвы они располагаются в ряд: Cd>As>Pb>Zn>Cu>Mo>Hg>Sr>Ni>Cr>V>W>Co>Ba>Sb>Mn. В более глубоких горизонтах (5-10, 10-15 и 15-20 см) элементы распределены достаточно равномерно. По сравнению с другими техногенно загрязненными регионами России, результаты мониторинга содержания тяжелых металлов и мышьяка в почве района Белоярской АЭС показывают стабильную экологическую обстановку. При планировании дальнейших мониторинговых исследований необходимо обратить внимание на поведение в почве мышьяка, никеля, сурьмы, марганца, кадмия и свинца. Повышенное содержание данных токсикантов в почве может привести к их накоплению в сельскохозяйственной и природной пищевой продукции.

The relevance. Pollution of ecosystems with heavy metals and arsenic is a significant anthropogenic factor that adversely affects humans and biota. In the Sverdlovsk region, where mining and processing of mineral raw materials is carried out, high levels of pollutant emissions from stationary sources, including heavy metals, are noted. The region is also characterized by multicomponent contamination of territories with artificial radionuclides. Since 1964, the Beloyarsk NPP has been in operation in the Sverdlovsk region. The long-term operation of industrial enterprises and radiation hazardous facilities increases the technogenic load on the ecosystems of the Urals. The main aim of the research is to assess the content of heavy metals and arsenic in the soils of terrestrial ecosystems in the vicinity of industrial enterprises and the Beloyarsk NPP based on environmental monitoring. Objects. In 2013 and 2019 the soils of natural (meadow) and agricultural (arable land, grassland) ecosystems of the 30-km zone of influence of the Beloyarsk NPP were studied. The content of 17 elements related to I (Pb, Zn, Cd, As, Hg), II (Mo, Cu, Ni, Co, Cr, Sb), III (Sr, Mn, V, W, Ba) hazard classes was studied in the soil cover, as well as iron. Methods. The assessment of the total content of heavy metals and arsenic in the soil was carried out in the testing laboratory of agroecology of the RIRAE (accreditation certificate RA.RU.513078). To prepare soil samples for measurements, we used the methods of «cold vapor» and «wet ashing» with a MARS-5 microwave system (CEM, USA). The elements in the samples were determined by atomic absorption and plasma emission methods of analysis. For measurements, we used an axial atomic emission (optical) spectrometer with sample atomization in inductively coupled plasma (ICP-OES) Liberty II (Varian, Australia-USA) and a KVANT spectrometer Zeta-1 with the GRG-3. Results. It is shown that for 2013-2019 the ratio of elements in the soil cover of terrestrial ecosystems in the vicinity of the Beloyarsk NPP was quite stable. According to the decrease in the total content in the soil, heavy metals and arsenic in 2019 were arranged in the following order: Fe (average - 16700 mg/kg)>Mn (879)>Ba (134)>Zn (51)>Ni (35)≥Cr ( 32)≥V (30)≥Sr (28)>Cu (21)>Pb (12,4)≥Co (11,9)>W (6,7)> Sb (2,4)>As (1,7)≥Mo (1,5)>Cd (0,2)>Hg (0,01 mg/kg). According to the total accumulation of elements in the soil, terrestrial ecosystems are in the ratio: arable land (18,7 g/kg of soil)>meadows (14,9 g/kg)>virgin land (12,6 g/kg). Such a distinction is due to differences in the content of iron in the soil, the contribution of which to the regional background is 90…95 %. A weak correlation between the content of elements in the soil and the distance from the Beloyarsk NPP (-0,44...0,29 in 2013 and -0,29...0,38 in 2019) showed the absence of significant emissions of toxicants into the environment from the nuclear power plant both as a result of its many years of work, and after the start of operation of the BN-800 reactor. Among the I hazard class pollutants accumulated in the soil, zinc dominates (contribution 76…78 %), lead is in second place (18...21 %). In II hazard class, the main soil pollutants are nickel (45…34 %) and chromium (28…30 %). In III hazard class is dominated by manganese (68...81 %) and barium (14...27 %). It is shown that in 25…63 % of soil samples in the vicinity of the Beloyarsk NPP, the gross nickel content does not correspond to the approximate permissible concentrations established in SanPiN 1.2.3685-21. In addition, in all control plots of meadow ecosystems, the maximum permissible concentration for the content of antimony was exceeded. In 2019, in 4…25 % of soil samples of arable land and meadows, a discrepancy was noted with maximum permissible concentration for manganese, and in 4…11 % of soil samples of arable land, the maximum permissible concentration for arsenic was exceeded. The levels of accumulation in the soil of a number of heavy metals also exceed the regional background of the Sverdlovsk region: for nickel in 25...63 % of soil samples of natural and agricultural ecosystems, for manganese in 10...50 % of soil samples of arable land and meadows. The greatest amount of elements (average 42 %) is accumulated in the 0-5 cm soil layer. The maximum accumulation in the upper soil horizon was noted for cadmium (62 %), arsenic (49 %), and lead (48 %), and the minimum for antimony (29 %) and manganese (28 %). According to the total stock of toxicants in the 0-5 cm soil layer, they are arranged in a row: Cd>As>Pb>Zn>Cu>Mo> Hg>Sr>Ni>Cr>V>W>Co>Ba>Sb>Mn. In deeper horizons (5-10, 10-15 and 15-20 cm) of soil the elements are distributed evenly. Compared to other technogenically-polluted regions of Russia, the results of monitoring the content of heavy metals and arsenic in the soil of the Beloyarsk NPP area show a stable ecological situation. When planning further monitoring studies, it is necessary to pay attention to the behavior of arsenic, nickel, antimony, manganese, cadmium and lead in the soil. The increased content of these toxicants in the soil can lead to their accumulation in agricultural and natural food products.