Исследование содержания тяжелых металлов в почвах и растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеров Башкирского Зауралья
Международная
публикация
ART 54749
УДК
001
Г.
Ш. КужинаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Кужина
Г.
Ш.,
Ягафарова
Г.
А.,
Янтурин
С.
И. Исследование содержания тяжелых металлов в почвах и растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеров Башкирского Зауралья // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
2426–2430. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54749.htm.
Аннотация. В статье приведены данные о содержании кислоторастворимых подвижных форм тяжелых металлов (меди, цинка, железа) в почвах и произрастающей на них травянистой растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеров добычи медноколчеданных и железных руд Башкирского Зауралья. Оценка степени загрязнения исследованных почв позволила отнести их к допустимой категории. Травянистая растительность, произрастающая на почвах вблизи карьеров Куль-юрт-тау, Тубинск, Миндяк, испытывает токсическое действие железа.
Ключевые слова:
почва, золото, тяжелые металлы, травянистая растительность, медноколчеданная руда, железная руда
Текст статьи
Кужина Гульнара Шарифовна,кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет», г. Сибайkugina@mail
Ягафарова Гульсина Азатовна,кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет», г. Сибайiagafarovagul@mail.ru
Янтурин Сафаргали Искандарович,доктор биологических наук, профессор, академик Российской академии естествознания, заведующий кафедрой экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет», г. Сибайecologiasibgu@mail.ru
Исследование содержания тяжелых металлов в почвах и растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеров Башкирского Зауралья
Аннотация. В статье приведены данные о содержании кислоторастворимых подвижных форм тяжелых металлов (меди, цинка, железа) в почвах и произрастающей на них травянистой растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеровдобычи медноколчеданных и железных руд Башкирского Зауралья. Оценка степени загрязнения исследованных почв позволила отнести их к допустимой категории. Травянистая растительность, произрастающая на почвах вблизи карьеров Кульюрттау, Тубинск, Миндяк, испытывает токсическое действие железа.Ключевые слова:почва, травянистая растительность,тяжелые металлы,медноколчеданная руда, золото, железная руда.
Тяжелые металлы (ТМ) относятся к классу наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, называемые суперэкотоксикантами[1]. Постоянный приток металловв биосферу обусловлен хозяйственной деятельностью человека, что и приводитк увеличениюплощадей загрязненных земель. Поэтому возникает необходимость систематическогомониторинга содержания ТМ, особенно это касается районов, где среда и без того обогащенная их соединениями дополнительно подвергается техногенному загрязнению [2].Натерритории Республики Башкортостан (РБ) были расположены крупные центры горнодобывающейи металлургическойпромышленности, которые более полувека велидобычу и переработку медноколчеданных и железных руд.Загрязнению подвергались почвыв зоне добычи руды,обогатительными фабриками, отвалами и хвостохранилищами, а также населенные пункты, расположенные вблизи карьеров. Почвы, накапливая ТМ, могут служитьиндикатором экологической обстановки, а произрастающаяна ней растительность является основным поставщикомв организм животных и человека[3].Литературные источники указывают на то, что протяженность месторождений Восточной зоны составляет около 80 км, при этом расстояние между ними в ней равно 5 км. Можно предположить, что на этом участкедолжно быть 16 месторождений. В действительности же их в 2 раза меньше, причем у половины из них вскрыты лишь верхние слои медноколчеданных руд [4].В центральной части Баймакского рудного района,в 18 кмюгозападнее г.Баймака, расположеноместорождение БакрТау,площадь которого составляет 1,01км2.. Оно было открыто в 1915 году, а разведано лишь в 19611972 гг.Месторождение относится к золотобаритполиметаллическому типу, руды которого представлены сплошными и прожилкововкрапленными типами[5].В настоящее время карьер затоплен, так как считается отработанным.Месторождений, содержащих золото, в Башкирском Зауралье не так мало. Золото в ТаналыкоБаймакском районе впервые было разведано в 1835 году. К1860 г. на Южном Урале действовало174 прииска. Славу золотодобычи в республике делали не кварцевые золотоносные жилы и золотоносные россыпи, а сульфидные руды с повышенным содержанием золота. Наиболее важной являлась группа месторождений типа железных шляп», распространенных на ТаналыкБаймакском участке (Семеновское, Кульюрттау, Тубинское). Они приурочены к вулканогенным свитам восточного склона Южного Урала и образовались в результате окисления верхних горизонтов сульфидных залежей[4]. Так, кюговостоку от г. Баймак, примерно в 12 км, поднималась невысокая возвышенность Юша тауы», которая таила в себе несметное богатство. В 1909 1914 гг. были изучены залежи золотосодержащих руд на вершине горы. В дальнейшем же именем геолога Семенова и была названа местность, поселок шахтеров и сам рудник. В 1915 году Семеновск началдавать руду, в более позднее время на немвпервые был применен химический способ извлечения золотаи введен в эксплуатацию цианоиловый завод[6].
За короткий срок одновременно было открыто и Тубинское месторождение золотоносных руд. Этот рудник возник на невысоком холме, именуемый местными жителями Алайтыртубэ»[6]ине прекращал добычи золотав трудные для России времена (гражданская война, ВеликаяОтечественнаявойна). Месторождение КульЮртТаусовместно с отработанными золотополиметаллическими месторождениями Графское, Троицкое, Новотроицкое,образуетединое рудное поле. Рудник расположен в 6 км от г. Баймак, у которого большая часть его территории закрыта делювиальными отложениями. При этом широтные границы обусловлены выклиниванием зон рудоносных метасоматитов [7].Открытие рудникаЮлалы следует отнести к1912 году. Его месторождениеприуроченок отложениям второй толщи ирендыкской свиты, представленным псаммитогравийнолапилиевыми туфами смешанного, преимущественно кислого состава, прорванными субвулканическими телами риолитодацитового и дацитового состава[8].Следует отметить, что в3040х гг. добыча золота составила для Тубинского рудника –500 кг в год, Байкаринского, объдиняющего Семеновск, КульЮртТау, Юлалы, БакрТау –до 450 кг из окисленных руд месторождений[6]. Однако в 1968 году были прекращены горные и эксплуатационные работы на Тубинском карьере. Остальные месторождения Баймакского рудного района по итогам геологоразведочных работ имеют огромные запасы не только медноколчеданных руд, но и кварца (КульЮртТау)[7].Золотосульфидные месторождения в зонах рассланцевания и смятия вулканогенноосадочных пород имеются и в Учалинском районе РБ. С 1924г. Миндякским рудником были добыто около2,4 т. россыпногозолота.Однако открытые работы в Миндяке завершились в1961г., а к 1975 г. рудник становится плановоубыточным. В начале 80х гг. почти все разведанные тела Благодатного, Ремезовского и ЮжноРемезовского месторождений Миндякского рудного поля были практически отработаны[9]. КолчеданноеместорождениеБакрУзякрасположеноназападномкрылеМагнитогорской синформы в северной части одноименной брахиантиклинальной складки. Онолокализовано ввисячем крыле субмеридионального ВосточноБакрузякского разлома, представляющего собойзападнуюветвьрегиональногоКизильскогоразрывногонарушения[10].Карьер БакрУзяк–это медный рудник, что в переводе с башкирского означает медный лог». Рудник расположенк юговостокуот д.Альмухаметово Абзелиловского района. Он был открыт в 1928 г., а исследования продолжались вплоть до 70х годов ХХвека. Ценные комплексные колчеданные руды этого месторождения содержат, кроме меди, цинк, серебро, золото и другие элементы. Однако с 2003 г. добыча руды на руднике была приостановлена[8].Белорецкий район отличается от других районов республики тем, что на его территории расположено более100 месторождений железных руд. Промышленные залежи бурых железняков, в основном, сосредоточены в Восточном крыле ЗападноТуканской горстантиклинали, среди которыхвыделяется наиболее крупное Туканское месторождение. Оно находится в центральной части ЗигазиноКомаровского железорудного района, непосредственно к северовостоку от поселка Тукан и в 117 км к западу от г. Белорецк[4].История Туканского месторождения железных руд началась в 1888 г.,однако введено в разработку лишь с 1925 г.Всвязи с остановкой доменного производства на ОАО Белорецкий металлургический комбинат»прекратился и спрос на руду, что и повлекло прекращение добычи в 2002 г. [11].Целью данной работы явилось изучение пространственной изменчивостирядаТМ(Cu, Zn, Fe)в образцах почв и растительного сырья, отобранных в зоне влияния недействующих или отработанных карьеров Башкирского Зауралья, окруженныхотвалами вскрышных (горных) пород, и граничащихс населенными пунктами. Материалом для работы послужили результаты полевых и лабораторных исследований, проведенных на территории Баймакского, Абзелиловского, Белорецкогои УчалинскогорайоновРБ.Полевые исследованияносили характер экспедиционных работ, которые проводились в сухое время летом в течение в 2010 –2012 гг. Объектами исследования послужили почвы окрестностей карьеров, а также произрастающая на них травяная растительность. Для исследования были выбраны следующие рудники: 1 –БакрТау; 2. –Семеновск; 3 –Юлалы; 4 –Кульюрттау; 5 –Тубинск (Баймакский район); 6 –БакрУзяк (Абзелиловский район); 7 –Тукан (Белорецкий район); 8 –Миндяк (Белорецкий район) (рис. 1). Следует отметить, что преобладающими почвами лесостепи Учалинского района РБ являются черноземы выщелоченные, для которых характерна слабокислая среда и сравнительно высокое содержание гумуса. Почвенный покров Белорецкого района РБ представлен горным черноземом, аБаймакского и Абзелиловскогорайонов черноземами южными [12].Почвенные образцы отбирались с помощью саперной лопатки методом прикопок в соответствии с принятыми в геохимии и почвоведении методиками [13]. На каждой пробной площадке в трех равноудаленных друг от друга точках из верхнего гумусового слоя (от 0 до 15 см) отбирали образцы почвы. Далее тщательно перемешав их, методом конверта брали усредненную пробу, которая и подвергалась дальнейшим операциям.Отбор растительных образцов проводилипараллельно с почвенными на тех же пробных площадкахв сухую погоду. Травянистые растения срезались на уровне почвы в разных достаточно удаленных друг от друга точках пробной площадки. Почвы и взятые для анализа растения доводились до воздушносухого состояния. Образцы почв растирали в ступке и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. В таком виде почвы были готовы к элементному анализу. Сухой растительный материал измельчали вручную и взвешивали необходимое количество для анализа, определяемое по выходу золы (не менее 100 мг зольных веществ)[13].
Рис. 1. Карта –схема расположения точек отбора проб почв и растительности
CодержаниеCu, Zn, Feв почвенных и растительных образцах определялиметодоматомной абсорбции в центральной химической лаборатории Сибайского филиала Учалинского горно –обогатительного комбината. Выбор металлов для исследования обусловлен, прежде всего, природными геохимическими особенностями данного региона.Известно, что знание валового содержания металлов в почве не дает объективной оценки о степени доступности элементов для растений, поэтому определяли наиболее доступные кислоторастворимые формы, являющиеся для них ближайшим резервом. Для определения их содержания почву обрабатывали 1М HNO3. Минерализацию растительных проб проводили методом сухого озоления.В связи отсутствием литературных данных о ПДК и фоновом содержании кислоторастворимых форм ТМ в почвах региона для сравнения использовались значения фона, установленные для валовых форм [14](табл.)ТаблицаРегиональный геохимический фон (РГФ) степных почвБашкирского ЗауральяПараметрCuZnFeРГФ492233800Кларк
по Р. Бруксу, 1986708025000Фон для черноземов2568
Загрязнение почв оценивалось по суммарному показателю загрязнения (Zc), предложенному Ю.Э. Саетом [15]и рассчитываемому по формуле: ,где Zc–суммарный показатель загрязнения ТМ; Ki–концентрация в почве конкретного элемента, мг/кг; Kф–фоновая концентрация конкретного элемента, мг/кг; nчисло суммируемых элементов.Критические значения, позволяющие охарактеризовать суммарное загрязнение Zcпо степени опасности, таковы: при c< 16 загрязнение считается допустимым; при 16 c 32 –умеренно опасным; при 32 < c 128 –высоко опасным; при c� 128 –чрезвычайно опасным [15].Сравнение средних значений содержания кислоторастворимых подвижных форм изученных металлов в почвах позволило расположить их в следующий убывающий ряд: Fe� Zn� Cu.Следует отметить, что в распределении их по градиенту загрязнениянаблюдалась определеннаянеравномерность, обусловленная влиянием природных геохимических условий районовисследования,источниками загрязнения, изменениями гидрологических условий года, интенсивностью снеготаяния и ливневых дождейи т.д. Результаты исследованийпоказали, что содержание кислоторастворимой подвижной формы меди в почвах вблизи всех исследованных рудников превышало значение фона для черноземов в 1,4 –11 раз. При этом зафиксировано превышение РГФ по Cuдля Туканского и Семеновского карьеров в 3,1 и 3,3 раза, соответственно; БакрТау –в 4,8 раза; Юлалы –в 5,6 раза. В то же время в почвах этих же рудников содержаниеметалла значительно превышалозначение кларка в 2,1 –3,9 раза. Максимальная концентрация этой формы меди наблюдалась в почвах окрестностей карьера Юлалы(рис. 2А).
Концентрация кислоторастворимой формы цинка в почвах превышала фон для черноземов и значение кларка почти для всех карьеров, за исключением Тубинска (5) и Миндяк (8) Наиболее загрязнены цинком почвы окрестностей рудников Юлалы (3) и Кульюрттау (4), в которых наблюдалось превышение РГФ в 2,2 раза (рис. 2Б).Количество кислоторастворимых форм железа в исследованных почвах варьирует в пределах 1100 2600 мг/кг. Достоверных различий по содержанию данной формы Feв почвах между рудниками не установлено, что и обуславливает равномерное распределение в ней металла, связанное с природными условиями Башкирского Зауралья. Из рис. 2В видно, что концентрация железа в почвах вблизи всех карьеров не только не превышала фонового значения, но и значения кларка (25000 мг/кг). По литературным источникам, Feв черноземах является малоподвижным, инертным и устойчивым металлом, что определяется геохимическими, гидрологическими и климатическими особенностями лесостепной и степной зон района исследования и свойствамисамих почв [3].Оценка степени загрязнения почв в зоне влияния недействующих и отработанных рудников Башкирского Зауральяпозволила отнести почвы к допустимой категории (Zc 16).Химический анализ надземной части растительного сырья показал, что среднее содержание элементов уменьшается в следующем порядке: Fe� Zn� Cu.В организме растений медь чаще всего связана с митохондриями и играет существенную роль в биохимических процессах. Участвуя в первичных фотохимических реакциях, данный металл способствует повышению интенсивности фотосинтеза. При избыточном поступлении меди в растения нарушается механизм избирательного поглощения ионов корневой системой, что может привести к остановке роста корней. При недостаткеэлемента нарушаются процессы метаболизма растений: свертываются и засыхают листья, проявляется хлороз [16].
(А)
(Б)
(В)Рис. 2. Содержание кислоторастворимыхподвижныхформ меди (А), цинка (Б) и железа(В)в почвах окрестностей рудников05010015020025030012345678мг/кгточки отбораCuфон для черноземовРГФкларк010020030040050060012345678мг/кгточки отбораZnфон для черноземовРГФкларк0100020003000400012345678мг/кгточки отбораFeфон(А)
(Б)
(В)
Рис. 3. Содержание меди (А), цинка (Б) и железа(В)в надземной фитомассетравянистых растений
051015202512345678мг/кг сухого веществаточки отбораCuверхний предел ПДК нижний предел ПДК05010015020025030035012345678мг/кг сухого веществаточки отбораZnкритическая концентрациянижний предел ПДК020040060080010001200140012345678мг/кг сухого веществаточки отбораFeкритическая концентрациянижний предел нормыверхний предел нормыПо литературным данным, ПДК Cuдля растений определена на уровне 15 –20 мг/кгсухого вещества. Критической концентрацией элемента для растений считают 150 мг/кг [17]. Содержание меди в надземной части растительности окрестностей исследованных карьеров значительно варьировало в пределах от 5,4 до 15,5 мг/кг и не превышало границ допустимой нормы. Максимальная концентрация элемента зафиксирована в образцах растительности, отобранных близ рудника Тубинск (5) (рис. 3А).Физиологическая роль цинка в жизнедеятельности растений в значительной степени определяется его наличием в составе многих ферментов. Этот металл необходим для их нормального роста и развития. Он принимает активное участие в азотном обмене растений и повышает их устойчивость кнеблагоприятным условиям среды. В больших количествах цинк токсичен для растений , так как наблюдается угнетение окислительных процессов. Недостаток цинка приводит к задержке или прекращению роста большинства растений. Симптомом цинкового голодания у трав является возникновение хлоротичных пятен между жилками листьев, преждевременное созревание и резкое снижение их продуктивности [16]. ПДК для Znв растениях зафиксирована в интервале от150 до 300 мг/кг сухого вещества, при этом верхняя граница считается критической концентрацией [17]. Содержание цинка в образцах растительности находилось в интервале концентраций от 12,0 до 38,6 мг/кг и не превышало значения ПДК. Возможно, это обусловлено тем, что корневые системы растений содержат больше цинка, чем надземные органы, преимущественно концентрируясь в старых листьях [16]. Наибольшая концентрация элемента зафиксирована в пробах трав, скошенных близ рудника Тубинск (5) (рис.3Б).Широко распространенным элементом в природе, незаменимость которого для организмов установлена давно, является железо. Его недостаток тормозит два важнейших процесса энергообмена растения –фотосинтез и дыхание, и вызывает глубокий хлороз развивающихся листьев. Однаконаличие поврежденных листьев, некротических пятен указывает на аккумуляцию Feв растении [16].Для травянистых растений нормой считается содержание железа от 50 до 240 мг/кг сухоговещества их наземной фитомассы. ПДК Feдля трав не установлена, однако критической является концентрация 750 мг/кг [17]. Установлено, что в образцах, отобранных близ рудника Кульюрттау, концентрация металла превышала критическую в 1,5 раза (рис. 3В). Это позволяет выдвинуть предположение о том, что травянистая растительность испытывает токсическоедействие железа[16]. В растительных пробах карьеров Тубинск (5) и Миндяк (8) наблюдалось превышение верхней границы допустимой нормы в 2,8 и 1,4 раза, соответственно. Содержание железа в остальных образцах варьировало в пределах нормы от 86 до 221 мг/кг. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:1.Почвы в окрестностях рудников Семеновск, Юлалы, Тукан загрязнены медью и цинком, БакрТау –медью, Кульюрттау –цинком. Равномерное распределение железа в почвах исследованных источников загрязнения, повидимому, обусловлено с природными геохимическими условиями Башкирского Зауралья. По степени загрязнения изученные почвы относятся к допустимой категории.2.Травянистая растительность, произрастающая на почвах вблизи карьеров Кульюрттау, Тубинск, Миндяк, испытывает токсическое действие железа.
Ссылки на источники1.Майстренко В.Н. и др. Экологоаналитический мониторинг супертоксикантов / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. М.: Химия, 1996.
319 с.2.Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва–растение.Новосибирск: 1991.–151с.3.Суюндуков Я.Т., Янтурин С.И., Сингизова Г.Ш. накопление и миграция тяжелых металлов в основных компонентах антропогенных экосистем Башкирского Зауралья в зоне влияния объектов горнорудного комплекса. –Уфа: Гилем», 2013.
156 с.4.Фаткуллин Р.А. Природные ресурсы Республики Башкортостан и рациональное их использование. Учеб.пособие.Уфа. Китап, 1996. 176 с.5.Сопко П.Ф., Исмагилов М.И., Серавкин И.Б., Сопко Л.Н. Колчеданные месторождения Баймакского рудного района. –М.: Наука, 1973. –224 с.6.Идельбаев Г.З. Рудник Семеновск. –Баймак, 2013. –194 с.7.Сазонов В.Н., Огородников В.Н., Коротеев В.А., Поленов Ю.А. Месторождения золота Урала. Екатеринбург, 2001. 622 с.8.Башкортостан: Краткая энциклопедия. Уфа: Башкирская энциклопедия, 1996.672 с.9.Макарова В.Н. Геотуризм и золотая пыль» столетий // Индустриальное наследие Республики Башкортостан: становление, модернизация, современное состояние: материалы Межрегиональной научнопрактической конференции. 14 марта 2012 г. –Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. –С.135144.10.Знаменский С.Е., Косарев А.М. Деформационная структура колчеданного месторождения БакрУзяк // Материалы VIII Межрегиональной геологической конференции. –Уфа, 2010. С. 122 –124.11.Проект доработки Туканского карьера. Магнитогорск, 2006.21с.12.Семенова И.Н., Суюндуков Я.Т., Ильбулова Г.Р. биологическая активность почв как индикатор их экологического состояния в условиях техногенного загрязнения тяжелыми металлами. –Уфа: Гилем, 2012. –196 с.13.Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. –М.: Наука, 1990. –142с.14.Опекунова М.Г., АлексееваПопова Н.В., Арестова И.Ю. Тяжелые металлы в почвах и растениях Южного Урала: экологическое состояние фоновых территорий // Вестник СПбГУ. Сер.7.Вып.4. (№31). 2001.–С. 45 –53.15.Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др. М.: Недра, 1990. 335 с.16.Ягафарова Г.А., Бускунова Г.Г., Аминева А.А., Янтурин С.И. Экологическая оценка лекарственного сырья растений рода ACHILLEA L.в условиях геохимической провинции Южного Урала. –Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. –194 с.17.Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляции тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. –Самара: Самарский университет, 1998. –131 с.
Kuzina Gulnara,candidate of Biological Sciences, senior lecturer of the chair of ecology Sibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayYagafarova Gulsina,candidate of Biological Sciences, associate professor of chairof ecology Sibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayJanturin Safargali,doctor of Biological Sciences, professor, academician of the Russian Academy of natural sciences, head of chair of ecologySibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayThe study of content of heavy metals in soils and vegetation in the vicinity of inactive and waste quarries the Bashkir ZauralyeAbstract.In article the data about the content of soluble mobile forms of heavy metals (copper, zinc, iron) in soils and growing on them herbaceous vegetation in the vicinity of inactive and waste quarries for extraction of copper and iron ores of the Bashkir Zauralye. Assessment of the degree of pollution of the investigated soils has allowed to carry them to a valid category. Herbaceous vegetation that grow in soils near quarries KulYurtTau, Tubinsk, Mindyak, experiencing toxic effect of iron.Keywords:soil, vegetation, heavy metals, copper ore, gold, iron ore.
Ягафарова Гульсина Азатовна,кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет», г. Сибайiagafarovagul@mail.ru
Янтурин Сафаргали Искандарович,доктор биологических наук, профессор, академик Российской академии естествознания, заведующий кафедрой экологии Сибайского института (филиала) ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет», г. Сибайecologiasibgu@mail.ru
Исследование содержания тяжелых металлов в почвах и растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеров Башкирского Зауралья
Аннотация. В статье приведены данные о содержании кислоторастворимых подвижных форм тяжелых металлов (меди, цинка, железа) в почвах и произрастающей на них травянистой растительности в окрестностях недействующих и отработанных карьеровдобычи медноколчеданных и железных руд Башкирского Зауралья. Оценка степени загрязнения исследованных почв позволила отнести их к допустимой категории. Травянистая растительность, произрастающая на почвах вблизи карьеров Кульюрттау, Тубинск, Миндяк, испытывает токсическое действие железа.Ключевые слова:почва, травянистая растительность,тяжелые металлы,медноколчеданная руда, золото, железная руда.
Тяжелые металлы (ТМ) относятся к классу наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, называемые суперэкотоксикантами[1]. Постоянный приток металловв биосферу обусловлен хозяйственной деятельностью человека, что и приводитк увеличениюплощадей загрязненных земель. Поэтому возникает необходимость систематическогомониторинга содержания ТМ, особенно это касается районов, где среда и без того обогащенная их соединениями дополнительно подвергается техногенному загрязнению [2].Натерритории Республики Башкортостан (РБ) были расположены крупные центры горнодобывающейи металлургическойпромышленности, которые более полувека велидобычу и переработку медноколчеданных и железных руд.Загрязнению подвергались почвыв зоне добычи руды,обогатительными фабриками, отвалами и хвостохранилищами, а также населенные пункты, расположенные вблизи карьеров. Почвы, накапливая ТМ, могут служитьиндикатором экологической обстановки, а произрастающаяна ней растительность является основным поставщикомв организм животных и человека[3].Литературные источники указывают на то, что протяженность месторождений Восточной зоны составляет около 80 км, при этом расстояние между ними в ней равно 5 км. Можно предположить, что на этом участкедолжно быть 16 месторождений. В действительности же их в 2 раза меньше, причем у половины из них вскрыты лишь верхние слои медноколчеданных руд [4].В центральной части Баймакского рудного района,в 18 кмюгозападнее г.Баймака, расположеноместорождение БакрТау,площадь которого составляет 1,01км2.. Оно было открыто в 1915 году, а разведано лишь в 19611972 гг.Месторождение относится к золотобаритполиметаллическому типу, руды которого представлены сплошными и прожилкововкрапленными типами[5].В настоящее время карьер затоплен, так как считается отработанным.Месторождений, содержащих золото, в Башкирском Зауралье не так мало. Золото в ТаналыкоБаймакском районе впервые было разведано в 1835 году. К1860 г. на Южном Урале действовало174 прииска. Славу золотодобычи в республике делали не кварцевые золотоносные жилы и золотоносные россыпи, а сульфидные руды с повышенным содержанием золота. Наиболее важной являлась группа месторождений типа железных шляп», распространенных на ТаналыкБаймакском участке (Семеновское, Кульюрттау, Тубинское). Они приурочены к вулканогенным свитам восточного склона Южного Урала и образовались в результате окисления верхних горизонтов сульфидных залежей[4]. Так, кюговостоку от г. Баймак, примерно в 12 км, поднималась невысокая возвышенность Юша тауы», которая таила в себе несметное богатство. В 1909 1914 гг. были изучены залежи золотосодержащих руд на вершине горы. В дальнейшем же именем геолога Семенова и была названа местность, поселок шахтеров и сам рудник. В 1915 году Семеновск началдавать руду, в более позднее время на немвпервые был применен химический способ извлечения золотаи введен в эксплуатацию цианоиловый завод[6].
За короткий срок одновременно было открыто и Тубинское месторождение золотоносных руд. Этот рудник возник на невысоком холме, именуемый местными жителями Алайтыртубэ»[6]ине прекращал добычи золотав трудные для России времена (гражданская война, ВеликаяОтечественнаявойна). Месторождение КульЮртТаусовместно с отработанными золотополиметаллическими месторождениями Графское, Троицкое, Новотроицкое,образуетединое рудное поле. Рудник расположен в 6 км от г. Баймак, у которого большая часть его территории закрыта делювиальными отложениями. При этом широтные границы обусловлены выклиниванием зон рудоносных метасоматитов [7].Открытие рудникаЮлалы следует отнести к1912 году. Его месторождениеприуроченок отложениям второй толщи ирендыкской свиты, представленным псаммитогравийнолапилиевыми туфами смешанного, преимущественно кислого состава, прорванными субвулканическими телами риолитодацитового и дацитового состава[8].Следует отметить, что в3040х гг. добыча золота составила для Тубинского рудника –500 кг в год, Байкаринского, объдиняющего Семеновск, КульЮртТау, Юлалы, БакрТау –до 450 кг из окисленных руд месторождений[6]. Однако в 1968 году были прекращены горные и эксплуатационные работы на Тубинском карьере. Остальные месторождения Баймакского рудного района по итогам геологоразведочных работ имеют огромные запасы не только медноколчеданных руд, но и кварца (КульЮртТау)[7].Золотосульфидные месторождения в зонах рассланцевания и смятия вулканогенноосадочных пород имеются и в Учалинском районе РБ. С 1924г. Миндякским рудником были добыто около2,4 т. россыпногозолота.Однако открытые работы в Миндяке завершились в1961г., а к 1975 г. рудник становится плановоубыточным. В начале 80х гг. почти все разведанные тела Благодатного, Ремезовского и ЮжноРемезовского месторождений Миндякского рудного поля были практически отработаны[9]. КолчеданноеместорождениеБакрУзякрасположеноназападномкрылеМагнитогорской синформы в северной части одноименной брахиантиклинальной складки. Онолокализовано ввисячем крыле субмеридионального ВосточноБакрузякского разлома, представляющего собойзападнуюветвьрегиональногоКизильскогоразрывногонарушения[10].Карьер БакрУзяк–это медный рудник, что в переводе с башкирского означает медный лог». Рудник расположенк юговостокуот д.Альмухаметово Абзелиловского района. Он был открыт в 1928 г., а исследования продолжались вплоть до 70х годов ХХвека. Ценные комплексные колчеданные руды этого месторождения содержат, кроме меди, цинк, серебро, золото и другие элементы. Однако с 2003 г. добыча руды на руднике была приостановлена[8].Белорецкий район отличается от других районов республики тем, что на его территории расположено более100 месторождений железных руд. Промышленные залежи бурых железняков, в основном, сосредоточены в Восточном крыле ЗападноТуканской горстантиклинали, среди которыхвыделяется наиболее крупное Туканское месторождение. Оно находится в центральной части ЗигазиноКомаровского железорудного района, непосредственно к северовостоку от поселка Тукан и в 117 км к западу от г. Белорецк[4].История Туканского месторождения железных руд началась в 1888 г.,однако введено в разработку лишь с 1925 г.Всвязи с остановкой доменного производства на ОАО Белорецкий металлургический комбинат»прекратился и спрос на руду, что и повлекло прекращение добычи в 2002 г. [11].Целью данной работы явилось изучение пространственной изменчивостирядаТМ(Cu, Zn, Fe)в образцах почв и растительного сырья, отобранных в зоне влияния недействующих или отработанных карьеров Башкирского Зауралья, окруженныхотвалами вскрышных (горных) пород, и граничащихс населенными пунктами. Материалом для работы послужили результаты полевых и лабораторных исследований, проведенных на территории Баймакского, Абзелиловского, Белорецкогои УчалинскогорайоновРБ.Полевые исследованияносили характер экспедиционных работ, которые проводились в сухое время летом в течение в 2010 –2012 гг. Объектами исследования послужили почвы окрестностей карьеров, а также произрастающая на них травяная растительность. Для исследования были выбраны следующие рудники: 1 –БакрТау; 2. –Семеновск; 3 –Юлалы; 4 –Кульюрттау; 5 –Тубинск (Баймакский район); 6 –БакрУзяк (Абзелиловский район); 7 –Тукан (Белорецкий район); 8 –Миндяк (Белорецкий район) (рис. 1). Следует отметить, что преобладающими почвами лесостепи Учалинского района РБ являются черноземы выщелоченные, для которых характерна слабокислая среда и сравнительно высокое содержание гумуса. Почвенный покров Белорецкого района РБ представлен горным черноземом, аБаймакского и Абзелиловскогорайонов черноземами южными [12].Почвенные образцы отбирались с помощью саперной лопатки методом прикопок в соответствии с принятыми в геохимии и почвоведении методиками [13]. На каждой пробной площадке в трех равноудаленных друг от друга точках из верхнего гумусового слоя (от 0 до 15 см) отбирали образцы почвы. Далее тщательно перемешав их, методом конверта брали усредненную пробу, которая и подвергалась дальнейшим операциям.Отбор растительных образцов проводилипараллельно с почвенными на тех же пробных площадкахв сухую погоду. Травянистые растения срезались на уровне почвы в разных достаточно удаленных друг от друга точках пробной площадки. Почвы и взятые для анализа растения доводились до воздушносухого состояния. Образцы почв растирали в ступке и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. В таком виде почвы были готовы к элементному анализу. Сухой растительный материал измельчали вручную и взвешивали необходимое количество для анализа, определяемое по выходу золы (не менее 100 мг зольных веществ)[13].
Рис. 1. Карта –схема расположения точек отбора проб почв и растительности
CодержаниеCu, Zn, Feв почвенных и растительных образцах определялиметодоматомной абсорбции в центральной химической лаборатории Сибайского филиала Учалинского горно –обогатительного комбината. Выбор металлов для исследования обусловлен, прежде всего, природными геохимическими особенностями данного региона.Известно, что знание валового содержания металлов в почве не дает объективной оценки о степени доступности элементов для растений, поэтому определяли наиболее доступные кислоторастворимые формы, являющиеся для них ближайшим резервом. Для определения их содержания почву обрабатывали 1М HNO3. Минерализацию растительных проб проводили методом сухого озоления.В связи отсутствием литературных данных о ПДК и фоновом содержании кислоторастворимых форм ТМ в почвах региона для сравнения использовались значения фона, установленные для валовых форм [14](табл.)ТаблицаРегиональный геохимический фон (РГФ) степных почвБашкирского ЗауральяПараметрCuZnFeРГФ492233800Кларк
по Р. Бруксу, 1986708025000Фон для черноземов2568
Загрязнение почв оценивалось по суммарному показателю загрязнения (Zc), предложенному Ю.Э. Саетом [15]и рассчитываемому по формуле: ,где Zc–суммарный показатель загрязнения ТМ; Ki–концентрация в почве конкретного элемента, мг/кг; Kф–фоновая концентрация конкретного элемента, мг/кг; nчисло суммируемых элементов.Критические значения, позволяющие охарактеризовать суммарное загрязнение Zcпо степени опасности, таковы: при c< 16 загрязнение считается допустимым; при 16 c 32 –умеренно опасным; при 32 < c 128 –высоко опасным; при c� 128 –чрезвычайно опасным [15].Сравнение средних значений содержания кислоторастворимых подвижных форм изученных металлов в почвах позволило расположить их в следующий убывающий ряд: Fe� Zn� Cu.Следует отметить, что в распределении их по градиенту загрязнениянаблюдалась определеннаянеравномерность, обусловленная влиянием природных геохимических условий районовисследования,источниками загрязнения, изменениями гидрологических условий года, интенсивностью снеготаяния и ливневых дождейи т.д. Результаты исследованийпоказали, что содержание кислоторастворимой подвижной формы меди в почвах вблизи всех исследованных рудников превышало значение фона для черноземов в 1,4 –11 раз. При этом зафиксировано превышение РГФ по Cuдля Туканского и Семеновского карьеров в 3,1 и 3,3 раза, соответственно; БакрТау –в 4,8 раза; Юлалы –в 5,6 раза. В то же время в почвах этих же рудников содержаниеметалла значительно превышалозначение кларка в 2,1 –3,9 раза. Максимальная концентрация этой формы меди наблюдалась в почвах окрестностей карьера Юлалы(рис. 2А).
Концентрация кислоторастворимой формы цинка в почвах превышала фон для черноземов и значение кларка почти для всех карьеров, за исключением Тубинска (5) и Миндяк (8) Наиболее загрязнены цинком почвы окрестностей рудников Юлалы (3) и Кульюрттау (4), в которых наблюдалось превышение РГФ в 2,2 раза (рис. 2Б).Количество кислоторастворимых форм железа в исследованных почвах варьирует в пределах 1100 2600 мг/кг. Достоверных различий по содержанию данной формы Feв почвах между рудниками не установлено, что и обуславливает равномерное распределение в ней металла, связанное с природными условиями Башкирского Зауралья. Из рис. 2В видно, что концентрация железа в почвах вблизи всех карьеров не только не превышала фонового значения, но и значения кларка (25000 мг/кг). По литературным источникам, Feв черноземах является малоподвижным, инертным и устойчивым металлом, что определяется геохимическими, гидрологическими и климатическими особенностями лесостепной и степной зон района исследования и свойствамисамих почв [3].Оценка степени загрязнения почв в зоне влияния недействующих и отработанных рудников Башкирского Зауральяпозволила отнести почвы к допустимой категории (Zc 16).Химический анализ надземной части растительного сырья показал, что среднее содержание элементов уменьшается в следующем порядке: Fe� Zn� Cu.В организме растений медь чаще всего связана с митохондриями и играет существенную роль в биохимических процессах. Участвуя в первичных фотохимических реакциях, данный металл способствует повышению интенсивности фотосинтеза. При избыточном поступлении меди в растения нарушается механизм избирательного поглощения ионов корневой системой, что может привести к остановке роста корней. При недостаткеэлемента нарушаются процессы метаболизма растений: свертываются и засыхают листья, проявляется хлороз [16].
(А)
(Б)
(В)Рис. 2. Содержание кислоторастворимыхподвижныхформ меди (А), цинка (Б) и железа(В)в почвах окрестностей рудников05010015020025030012345678мг/кгточки отбораCuфон для черноземовРГФкларк010020030040050060012345678мг/кгточки отбораZnфон для черноземовРГФкларк0100020003000400012345678мг/кгточки отбораFeфон(А)
(Б)
(В)
Рис. 3. Содержание меди (А), цинка (Б) и железа(В)в надземной фитомассетравянистых растений
051015202512345678мг/кг сухого веществаточки отбораCuверхний предел ПДК нижний предел ПДК05010015020025030035012345678мг/кг сухого веществаточки отбораZnкритическая концентрациянижний предел ПДК020040060080010001200140012345678мг/кг сухого веществаточки отбораFeкритическая концентрациянижний предел нормыверхний предел нормыПо литературным данным, ПДК Cuдля растений определена на уровне 15 –20 мг/кгсухого вещества. Критической концентрацией элемента для растений считают 150 мг/кг [17]. Содержание меди в надземной части растительности окрестностей исследованных карьеров значительно варьировало в пределах от 5,4 до 15,5 мг/кг и не превышало границ допустимой нормы. Максимальная концентрация элемента зафиксирована в образцах растительности, отобранных близ рудника Тубинск (5) (рис. 3А).Физиологическая роль цинка в жизнедеятельности растений в значительной степени определяется его наличием в составе многих ферментов. Этот металл необходим для их нормального роста и развития. Он принимает активное участие в азотном обмене растений и повышает их устойчивость кнеблагоприятным условиям среды. В больших количествах цинк токсичен для растений , так как наблюдается угнетение окислительных процессов. Недостаток цинка приводит к задержке или прекращению роста большинства растений. Симптомом цинкового голодания у трав является возникновение хлоротичных пятен между жилками листьев, преждевременное созревание и резкое снижение их продуктивности [16]. ПДК для Znв растениях зафиксирована в интервале от150 до 300 мг/кг сухого вещества, при этом верхняя граница считается критической концентрацией [17]. Содержание цинка в образцах растительности находилось в интервале концентраций от 12,0 до 38,6 мг/кг и не превышало значения ПДК. Возможно, это обусловлено тем, что корневые системы растений содержат больше цинка, чем надземные органы, преимущественно концентрируясь в старых листьях [16]. Наибольшая концентрация элемента зафиксирована в пробах трав, скошенных близ рудника Тубинск (5) (рис.3Б).Широко распространенным элементом в природе, незаменимость которого для организмов установлена давно, является железо. Его недостаток тормозит два важнейших процесса энергообмена растения –фотосинтез и дыхание, и вызывает глубокий хлороз развивающихся листьев. Однаконаличие поврежденных листьев, некротических пятен указывает на аккумуляцию Feв растении [16].Для травянистых растений нормой считается содержание железа от 50 до 240 мг/кг сухоговещества их наземной фитомассы. ПДК Feдля трав не установлена, однако критической является концентрация 750 мг/кг [17]. Установлено, что в образцах, отобранных близ рудника Кульюрттау, концентрация металла превышала критическую в 1,5 раза (рис. 3В). Это позволяет выдвинуть предположение о том, что травянистая растительность испытывает токсическоедействие железа[16]. В растительных пробах карьеров Тубинск (5) и Миндяк (8) наблюдалось превышение верхней границы допустимой нормы в 2,8 и 1,4 раза, соответственно. Содержание железа в остальных образцах варьировало в пределах нормы от 86 до 221 мг/кг. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:1.Почвы в окрестностях рудников Семеновск, Юлалы, Тукан загрязнены медью и цинком, БакрТау –медью, Кульюрттау –цинком. Равномерное распределение железа в почвах исследованных источников загрязнения, повидимому, обусловлено с природными геохимическими условиями Башкирского Зауралья. По степени загрязнения изученные почвы относятся к допустимой категории.2.Травянистая растительность, произрастающая на почвах вблизи карьеров Кульюрттау, Тубинск, Миндяк, испытывает токсическое действие железа.
Ссылки на источники1.Майстренко В.Н. и др. Экологоаналитический мониторинг супертоксикантов / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. М.: Химия, 1996.
319 с.2.Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва–растение.Новосибирск: 1991.–151с.3.Суюндуков Я.Т., Янтурин С.И., Сингизова Г.Ш. накопление и миграция тяжелых металлов в основных компонентах антропогенных экосистем Башкирского Зауралья в зоне влияния объектов горнорудного комплекса. –Уфа: Гилем», 2013.
156 с.4.Фаткуллин Р.А. Природные ресурсы Республики Башкортостан и рациональное их использование. Учеб.пособие.Уфа. Китап, 1996. 176 с.5.Сопко П.Ф., Исмагилов М.И., Серавкин И.Б., Сопко Л.Н. Колчеданные месторождения Баймакского рудного района. –М.: Наука, 1973. –224 с.6.Идельбаев Г.З. Рудник Семеновск. –Баймак, 2013. –194 с.7.Сазонов В.Н., Огородников В.Н., Коротеев В.А., Поленов Ю.А. Месторождения золота Урала. Екатеринбург, 2001. 622 с.8.Башкортостан: Краткая энциклопедия. Уфа: Башкирская энциклопедия, 1996.672 с.9.Макарова В.Н. Геотуризм и золотая пыль» столетий // Индустриальное наследие Республики Башкортостан: становление, модернизация, современное состояние: материалы Межрегиональной научнопрактической конференции. 14 марта 2012 г. –Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. –С.135144.10.Знаменский С.Е., Косарев А.М. Деформационная структура колчеданного месторождения БакрУзяк // Материалы VIII Межрегиональной геологической конференции. –Уфа, 2010. С. 122 –124.11.Проект доработки Туканского карьера. Магнитогорск, 2006.21с.12.Семенова И.Н., Суюндуков Я.Т., Ильбулова Г.Р. биологическая активность почв как индикатор их экологического состояния в условиях техногенного загрязнения тяжелыми металлами. –Уфа: Гилем, 2012. –196 с.13.Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. –М.: Наука, 1990. –142с.14.Опекунова М.Г., АлексееваПопова Н.В., Арестова И.Ю. Тяжелые металлы в почвах и растениях Южного Урала: экологическое состояние фоновых территорий // Вестник СПбГУ. Сер.7.Вып.4. (№31). 2001.–С. 45 –53.15.Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др. М.: Недра, 1990. 335 с.16.Ягафарова Г.А., Бускунова Г.Г., Аминева А.А., Янтурин С.И. Экологическая оценка лекарственного сырья растений рода ACHILLEA L.в условиях геохимической провинции Южного Урала. –Уфа: РИЦ БашГУ, 2012. –194 с.17.Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляции тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. –Самара: Самарский университет, 1998. –131 с.
Kuzina Gulnara,candidate of Biological Sciences, senior lecturer of the chair of ecology Sibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayYagafarova Gulsina,candidate of Biological Sciences, associate professor of chairof ecology Sibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayJanturin Safargali,doctor of Biological Sciences, professor, academician of the Russian Academy of natural sciences, head of chair of ecologySibay Institute (branch) The Bashkir state University», SibayThe study of content of heavy metals in soils and vegetation in the vicinity of inactive and waste quarries the Bashkir ZauralyeAbstract.In article the data about the content of soluble mobile forms of heavy metals (copper, zinc, iron) in soils and growing on them herbaceous vegetation in the vicinity of inactive and waste quarries for extraction of copper and iron ores of the Bashkir Zauralye. Assessment of the degree of pollution of the investigated soils has allowed to carry them to a valid category. Herbaceous vegetation that grow in soils near quarries KulYurtTau, Tubinsk, Mindyak, experiencing toxic effect of iron.Keywords:soil, vegetation, heavy metals, copper ore, gold, iron ore.
