Оценка влияния выбросов загрязняющих веществ от стационарных и диффузных источников на абиотические и биотические компоненты урбоэкосистем Зубкова Аделина Дамировна

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Неблагоприятная экологическая ситуация в крупных промышленных центрах России, сложившаяся под воздействием техногенных нагрузок, обуславливает антропогенную модификацию окружающей среды и приводит к изменениям свойств отдельных биотических компонентов и качества жизни населения. В результате регулярного антропогенного и техногенного воздействия происходит неизбежное ухудшение экологического состояния урбоэкосистем в целом, состояния воздушной среды и почвенно-растительного покрова в частности. Высокая концентрация промышленных предприятий и интенсивный автотранспортный поток на городских улицах являются основными причинами повышенного загрязнения природных объектов ионами металлов, полициклическими ароматическими углеводородами, нефтепродуктами и т.п. (Попова, 2014; Hitchcock, 2014; Syed, 2017).

В большом городе формируется своеобразная система жизнедеятельности с новыми биогеохимическими процессами обмена энергии и веществ, во многом определяющими качество городской среды. Это характерно для многих крупных промышленных центров и городов России (Бородина, 2012; Чикидова, 2014; Ибраева, 2017), в том числе и для г. Казани, экологическая обстановка в котором формируется под влиянием выбросов загрязняющих веществ предприятий теплоэнергетики, химической промышленности, автотранспорта. В этой связи возникает острая необходимость объективной оценки степени влияния техногенеза на биотические и абиотические компоненты урбоэкоситемы г. Казани. При этом весьма важным является комплексный, интегральный биогеохимический подход к исследованию влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней, с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу.

Цель работы – оценить воздействие диффузных (автотранспорт) и стационарных источников загрязнения (предприятия химической промышленности и теплоэнергетики) на состояние атмосферного воздуха, почвы, хвойных растений и разработать алгоритм расчета фонового уровня загрязнения атмосферного воздуха для корректировки сводного расчета

Задачи исследования

1. Дать анализ состояния загрязнения атмосферного воздуха (АВ) г. Казани по данным регулярных наблюдений на стационарных постах Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Республики Татарстан (УГМС РТ).

2. Оценить интенсивность нагрузки на автомагистрали города по данным автоматизированной системы управления дорожным движением (АСУДД) города.

3. С использованием данных АСУДД рассчитать приземные концентрации загрязняющих веществ в районах воздействия диффузных и стационарных источников загрязнения.

4. Проанализировать влияние диффузных и стационарных источников на загрязнение почвы ионами металлов, нефтепродуктами (НП) и полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ).

5. Оценить воздействие выбросов диффузных и стационарных источников на интенсивность фотосинтетической активности хвои ели колючей Picea pungens, по показателям замедленной флуоресценции хлорофилла хвои и на ее способность к биоаккумуляции ионов металлов.

6. Провести статистический анализ экспериментальных и расчетных данных с использованием регрессионного анализа для расчета фонового уровня загрязнения

атмосферного воздуха, с целью корректировки сводного расчета и последующего использования при нормировании выбросов от стационарных источников загрязнения.

Объектом исследования являлся атмосферный воздух г. Казани, почва и хвоя ели колючей Picea pungens, в районах воздействия выбросов стационарных и диффузных источников загрязнения.

Методология и методы исследования

В работе использовались данные мониторинга атмосферного воздуха на стационарных постах наблюдения УГМС РТ за 2012-2014гг., данные АСУДД, программы для расчета рассеивания «Экограф» унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эколог», данные собственных исследований по определению металлов в почве и хвое методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ICPE 9000, определению ПАУ в почве методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе Flexar (Perkin Elmer, США), определению замедленной флуоресценции хвои на флуориметре «Фотон 10», а также применением статистических методов для выявления значимости различий между данными сравнения и статистических зависимостей.

Положения, выносимые на защиту

7. Значимыми индикаторами пролонгированного антропогенного воздействия стационарных и диффузных источников загрязнения атмосферного воздуха являются: показатели загрязнения почвы ионами металлов Al³⁺, Fe_(общ.), Zn²⁺, Co²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺ (кислоторастворимые формы), Ni²⁺ (подвижная форма) и растений (хвои ели колючей Picea pungens) ионами Pb²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ и Zn²⁺; показатели фотосинтетической активности хлорофилла хвои, которые отражают загрязнение атмосферного воздуха в течение длительного времени, включая период преобладающего вклада выбросов промышленных предприятий в загрязнение атмосферного воздуха г. Казани.

8. Полученные в работе статистические зависимости позволяют скорректировать фоновый уровень загрязнения атмосферного воздуха в сводном расчете, для нормирования выбросов от стационарных источников загрязнения в районах с интенсивной транспортной нагрузкой и в условиях отсутствия регулярных мониторинговых наблюдений.

Научная новизна работы

С использованием данных АСУДД, данных регулярного мониторинга атмосферного воздуха, оценен вклад диффузных источников в загрязнение атмосферного воздуха г. Казани. Показано несоответствие времени отбора проб воздуха на пунктах наблюдения за загрязнением (ПНЗ) и временем пиковой транспортной нагрузки, что приводит к заниженной оценке уровня загрязнения атмосферного воздуха.

Оценено содержание ПАУ в почвах в районах г. Казани, находящихся под воздействием диффузных (автотранспорт) и стационарных (предприятия химической промышленности и теплоэнергетики) источников загрязнения атмосферного воздуха. Показано мозаичное загрязнение почвы ПАУ, наибольший вклад в суммарное содержание ПАУ вносят высокомолекулярные соединения (флуорантен, флуорен, хризен, бенз(b)флуорантен, бенз(а)пирен и бенз(g,h,i)перилен), что свидетельствует о преимущественно пирогенном источнике их поступления.

Показано, что основной вклад в загрязнение почвы ионами металлов Al³⁺, Fe_(общ.), Zn²⁺, Co²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺ в районе ул. Татарстан г. Казани, внесло предшествующее воздействие стационарных источников загрязнения, а биоиндикатором накопленного загрязнения почвы выступает ель колючая Picea pungens, с показателями повышенной аккумуляция ионов Al³⁺, Fe_(общ.), Mn⁴⁺, Zn²⁺, а также Cu²⁺ и низкими значениями

замедленной флуоресценции хлорофилла хвои в сравнении с другими исследованными зонами.

Теоретическая значимость работы состоит в развитии новых подходов к мониторингу атмосферного воздуха урбоэкосистем, включающих созданную и апробированную в работе методологию сравнительной оценки вклада стационарных и диффузных источников в загрязнение атмосферного воздуха, почвы и растений в зонах их воздействия комплексом современных экологических, расчетных методов, баз данных и программных средств.

Практическая значимость работы

1. Разработанный и обоснованный метод пробоподготовки, для более полного извлечения
ионов металлов разной природы из хвои деревьев, с целью последующего их определения
методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе
ICPE 9000, может быть рекомендован для практики лабораторных исследований.

2. Предложенный подход к синхронизации максимумов транспортной нагрузки и
времени забора атмосферного воздуха на ПНЗ позволит повысить достоверность оценки
уровня загрязнения атмосферного воздуха.

3. Полученные с использованием данных АСУДД зависимости между расчетным и фактическим (по данным УГМС) уровнями загрязнения атмосферного воздуха, могут быть предложены для оценки его состояния в отсутствии стационарных постов регулярного мониторинга атмосферного воздуха.

4. Расчетные значения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, уточненные с помощью полученных в работе регрессионных зависимостей, могут быть рекомендованы для корректировки фоновых значений при расчете предельно допустимых выбросов для стационарных источников загрязнения урботерриторий.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 03.02.08 Экология (химия) согласно пунктам: прикладная экология – исследование влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу; исследования физико-химических аспектов оценки и регулирования антропогенного воздействия на живую природу.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность результатов
исследования подтверждается большим объемом используемого в работе

экспериментального материала, применением современных приборов и методов исследования, статистической обработкой результатов.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы представлены и обсуждены на I всероссийской научно-практической конференции «Наука в движении: от отражения к созданию реальности» (г. Альметьевск, 2016), II международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Казань, 2016), II всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Наука в движении: от отражения к созданию реальности» (г. Альметьевск, 2017), III международной конференции «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: экологические вызовы XXI века» (г. Казань, 2017), XVII международной научной конференции «Химия и инженерная экология» (г. Казань, 2017), международной мультидисциплинарной конференции по промышленному инжинирингу и современным технологиям «Far East Con-2018» (г. Владивосток, 2018).

Личный вклад автора состоит в участии в постановке цели и задач исследования, критическом обзоре современных научных данных по теме исследования, отборе и анализе

проб почвы и хвои растений, проведении лабораторно-полевых исследований, анализе и систематизации трехлетней базы данных мониторинга загрязнения атмосферного воздуха г. Казани, а также в интерпретации и анализе полученных результатов, формулировании основных выводов диссертационной работы, написании статей (вклад 75 %).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 9 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, а также в 7 тезисах докладов на конференциях различного уровня и журналах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы. Диссертация изложена на 146 страницах, содержит 43 рисунка, 18 таблиц. Библиографический список включает 176 источников, в том числе 32 иностранных.