Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

ческим составом с pH равным 6,22-6,45. В составе воды содержание сульфатов составляло до 760 мг/дм3 (1,5 ПДК), марганца - до 0,15 мг/дм3 (1,5 ПДК), магния - до 66 мг/дм3 (1,3 ПДК), железа - до 3,8 мг/дм3 (12,7 ПДК). Содержание тяжелых металлов (V, Cu, Zn), а также фенола и нефтепродуктов не превышало предельно-допустимых значений. В воде сохраняется тенденция к увеличению минерализации воды, содержания сульфатов, уменьшению содержания в ней железа и марганца [5].

Существенный вклад в загрязнение окружающей среды вносят предприятия цветной металлургии, в том числе и алюминиевой промышленности. Так выбросы крупных предприятий могут составлять: ОАО «Ачинский глиноземный комбинат» (АГК) (Красноярский край) - 85,9 тыс. т; ОАО «Красноярский алюминиевый завод» (Красноярский край) - 77,8 тыс. т; ОАО «Братский алюминиевый завод» (Иркутская область) - 88,7 тыс. т. Но эти предприятия наносят относительно меньший вред экологии, чем при производстве других металлов. К примеру, выбросы загрязняющих веществ, при производстве никеля превышают аналогичные показатели алюминиевой отрасли в 31 раз, а удельные выбросы сернистого ангидрида -

всреднем в 387 раз. В выбросах предприятий содержатся диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NOx), которые легко вступают во взаимодействие с другими компонентами атмосферы, в частности, с атмосферной влагой, с образованием серной (H2SO4) и азотной (HNO3) кислоты.

Доля тяжелых металлов в общем количестве выбрасываемой технологической пыли составляет около 20 %. Здесь обнаружены такие тяжелые металлы как ванадий (V), свинец (Pb), алюминий (Al), железо (Fe). Особую специфику воздействия алюминиевых заводов на окружающую среду являются выбросы растворимого и нерастворимого фтора. При производстве одной тонны алюминия выбрасывается 20≈40 кг фтора, обладающего наиболее высокой токсичностью для фотосинтезирующих организмов. Алюминиевые заводы являются одними из источников выброса бенз(а)пирена, и в отдельные периоды превышения ПДК по бенз(а)пирену могут достигать в 1,2-9,8 раза. В районе размещения завода «БАЗ-СУАЛ» уровни загрязнения всех компонентов окружающей среды существенно выше и превышают нормативы в атмосферном воздухе по фторидам газообразным в 1,7-4,0 раза, бенз(а)пирену -

в2,2-4,5 раза, гидроксиду натрия - в 2,4-6,2 раза, взвешенным веществам - в 3,2-6,6 раза. Уровни загрязнения атмосферного воздуха фтористым водородом, бенз(а)пиреном, алюминием, взвешенными веществами, щелочью в районе размещения «БАЗ-СУАЛ» остаются высокими, и превышают ПДК в 1,5 - 5,5 раз [3].

Значительный вклад в загрязнение почв вносит и шламохранилище, где в больших объемах складируется промышленный отход - нефелиновый шлам. Максимальные значения pH приурочены к промплощадке АГК и шламовому хозяйству, где в отдельных пробах показатели рН могут 11,5 (сильнощелочные воды), за пределами города рН=6,8. От величины pH природных вод зависят миграционные способности большинства микроэлементов. В сильнощелочных водах с pH>8 легко мигрирует алюминий. Большая группа элементов, соединения которых трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых водах обладает высокой миграционной способностью, так как в этих условиях возникают карбонатные растворимые комплексы (Cu, Zn, Be, Y, Li, Na, F и другие ионы), анионогенные элементы Cr, Mo и V также лучше мигрируют в щелочных водах.

На прилегающей к шламохранилищу территории в почвах за период 1995-2005 г.г. отмечено значительное повышение концентраций ряда элементов: Sr, Ba (Кс=2-3,4), B, La, Mn, P, Cr (1,5-2), Ni, Cu, Co, Mo, Sc, Nb, Be, Pb, Zn, V, Li (до 1,5) [4]. Тяжелые металлы спо-

собны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы. Определенная часть загрязнителей с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может являться источником вторичного загрязнения. Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах. Не смотря на то, что за последние 10 лет количество и концентрация выбросов тяжелых металлов не увеличивается, именно их свойство накапливаться и является причиной постоянного продолжающегося

106

ухудшения качества почв.

Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями. По сравнению с минеральными коллоидами, органическое вещество является лучшим сорбентом тяжелых металлов. Фульвокислоты образуют с металлами хелатные соединения, растворимые в широком диапазоне pH (в кислой, щелочной среде, но не в нейтральной), мигрирующие вниз по профилю. Комплексы металлов с гуминовыми кислотами малоподвижны, нерастворимы в кислой среде, что способствует накоплению тяжелых металлов в органогенном горизонте.

В пределах г. Ачинск грунтовые воды четвертичных отложений по составу SO42-

−HCO3-−Mg2+−Ca2+ и Cl-−SO42-−HCO3-−Mg2+−Ca2+ c минерализацией 1,2-1,4 г/л, что выше ПДК. Из макрокомпонентов присутствует железо, содержание которого составляет 0,5-0,8 г/л. По коэффициенту концентрации относительно фоновых участков (западная часть КА-

ТЭКа) образуется ряд: Mn 42,1; Sr 23,2; Cr 18,6; Zn 10,6; Ti 8,1; B 7,4; V 5,6; Cu 5,4; Ba 5; Mo

1,6. ПДК превышают Mn, Ti, Ba, Cd и B [4]. Наиболее опасны в экологическом отношении поверхностные воды отстойников промышленных отходов АГК. Минерализация шламовых вод достигает 33,6 г/л, воды сильнощелочные, рН=12,5. Содержание HCO3- достигает 12,2 г/л. В водной среде отстойника и шламохранилища отмечаются высокие содержания макрокомпонентов: SO42- - до 6,7 ПДК; SiO2 - до 20 ПДК; Fe - до 124 ПДК. Из микрокомпонентов превышают допустимые значения: Ba (2-15 ПДК), F (24,6-66 ПДК), Cr (6-10,8 ПДК), Mo (5- 13 ПДК), Be (1-2 ПДК) [4]. На участке шириной 300-500 м, непосредственно примыкающему к шламохранилищу, минерализация грунтовых вод достигает 19 г/л (скв. 16, 19). Из макро-

компонентов повышенные концентрации имеют: Feобщ (50 мг/л); NH4+ (15 мг/л); NO3- (15 мг/л); SO42- (1109 мг/л в скв. 3 и 19), а из микрокомпонентов (КПДК): Al (320), Ba (11), V (36),

Mo (2,9), Ni (1,8), Pb (18,3), F (265), Cr (22), Ti (27), Mn (52) [4].

Фильтрация шламовых вод через ложе и дамбы нарушает структуру естественного потока подземных вод. В результате этого образуется область гидродинамического влияния шламохранилища, где техногенный поток доминирует над естественным подземным потоком. Суммарное взаимодействие природного и техногенного потоков выражено в возрастании минерализации и изменении состава вод от HCO3-−Ca2+−Na+ к CO3-−Na+. По содержаниям макро- и микрокомпонентов в подземных водах выделено две зоны. Первая зона шириной 300-500 м непосредственно примыкает к шламохранилищу и подвержена наибольшему техногенному воздействию. Минерализация грунтовых вод здесь достигает 19 г/л (скв. 16, 19). Из макрокомпонентов повышенные концентрации имеют: CO32- (10,3 г/л); K+ (2,2 г/л); Na+

(5,5 г/л); Feобщ (50 мг/л); NH4+ (15 мг/л); NO3- (15 мг/л); SO42- (1109 мг/л в скв. 3 и 19). Из микрокомпонентов (КПДК): Al (320), Ba (11), V (36), Mo (2,9), Ni (1,8), Pb (18,3), F (265), Cr

(22), Ti (27), Mn (52). Вне зоны интенсивного воздействия (3-3,5 км) подземные воды преимущественно HCO3-−Na+−Ca2+ с минерализацией до 0,5 г/л. В ЮЗ части пойменной террасы преобладают SO42-−HCO3-−Ca2+, Mg2+−Ca2+ или Na+−воды с концентрациями SO42- до 165 мл/л, Fe − до 1,05 мг/л (скв. 1, 2, 4). Из микрокомпонентов в повышенных концентрациях на-

ходятся (КПДК): Al (59), Ba (4), F (1,1), Ti (0,9) [4].

Таким образом, на загрязнение окружающей среды оказывают техногенное воздействие не только сами предприятия металлургической промышленности, но и накопители по складированию образующихся промышленных отходов в виде шлакоотвалов и шламохранилищ. В связи с этим в последнее время на предприятиях реализуют программы по модернизации производства, внедрению новых технологий, способствующих снижению негативного воздействия на окружающую среду. Шлаки и нефелиновый шлам используются для производства строительных материалов.

Литература 1. Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов: учеб пособие / С.Д.

Воронкевич. - М.: Изд-во «Научный мир», 2005. - 504 с.

107

2.Головин А.А., Морозова И.А., Гуляева Н.Г., Трефилова Н.Я. Оценка ущерба окружающей среде от загрязнения токсичными металлами / А.А. Головин, И.А. Морозова, Н.Г. Гуляева, Н.Я. Трефилова // под ред. Э.К. Буренкова. - М.: Изд-во «ИМГРЭ», 2000. - 117 с.

3.Гурвич В.Б. Системный подход к управлению экологически обусловленным риском для здоровья населения на примере предприятий алюминиевой промышленности / В.Б. Гурвич //Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора медицинских наук. - СПб., 2008. - 48 с.

4.Дворецкая Ю.Б. Геоэкологическая оценка влияния глиноземного производства на окружающую среду: на примере г. Ачинска / Ю.Б. Дворецкая //Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. - Томск, 2007. - 174 с.

5.Захаров А.В. и др. Экологическое состояние окружающей среды отвалов черной металлургии (по результатам мониторинга шлакового отвала НТМК) / А.В. Захаров, О.М. Гуман, А.Б. Макаров, И.А. Антонова, Т.И. Ли // Известия УГГУ. - Екатеринбург: Изд-во «ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет», 2014. - № 3 (35). - С. 5156.

6.Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России: учеб и справ. пособие /В.Ф. Протасов. - М.: Финансы и статистика, 1999. - 672 с.

ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

N.A. Larionova

INFLUENCE OF ACCUMULATORS OF INDUSTRIAL WASTE ON ENVIRONMENTAL

POLLUTION

Enterprises of the metallurgical industry are the main sources of environmental pollution. In the process of production, industrial waste is formed in large volumes - slags, slimes, blast furnace dust. The accumulators of industrial waste are also technogenic sources of environmental pollution. They occupy significant land areas, contribute to the pollution of atmosphere, soils, surface and groundwater in the surrounding areas. This creates an unfavorable environment for the health of the population

Key words: enterprises, industrial wastes, slag disposal, slag, slurry storage, nepheline sludge, pollution, heavy metals

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State University name M.V. Lomonosova»

УДК 574.589

А.Р. Асанова, В.С. Моисеева, А.Г. Лямин, Н.В Лямина

БИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЙ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ МИРОВОГО ОКЕАНА

Показано разнообразие биолюминесцентных организмов Мирового океана. Проведен анализ погружных устройств приборного парка для исследования биолюминесцентного потенциала in situ. Показана возможность использования параметров поля биолюминесценции при оперативной оценке функционирования водных экосистем

Ключевые слова: мониторинг, биолюминесценция, Мировой океан

Постоянно возрастающие потребности общества в создании новых материалов ведут к увеличению количества воздействующих на биоту химических соединений антропогенного происхождения [1-20]. Это снижает ценность многочисленных лабораторных экспериментов по влиянию токсикантов на модельные сообщества, поскольку они, во-первых, не могут «отследить» всю гамму токсичных соединений и, во-вторых, не учитывают возникающие при их воздействии синергические эффекты [21-24]. Морское прибрежье характеризуется высокой динамичностью, а также наличием вдольбереговой циркуляции. Во взаимосвязанную систему прибрежных течений вовлекаются имеющиеся в прибрежных акваториях мелководные выпуски хозяйственно бытовых сточных вод с органическими загрязнителями, а также поступающее из донных осадков вторичное загрязнение, что приводит к деградации любой со-

108

ставной части его акватории и может необратимо повлиять на экологическую ситуацию Мирового океана в целом [1-3, 24]. В этой связи актуально применение методов биофизического мониторинга морской среды, результаты которого носят универсальный (интегральный) характер и могут служить как показателем хорологической структуры исследуемого ценоза, так и его физиологического состояния [10; 20; 25-27]. При этом, из всего многообразия реакций «поствоздействия» популяций наибольший интерес, несомненно, представляют те, которые, во-первых, проявляются уже в течение первых десятков минут после воздействия поллютанта и, во-вторых, определяются инструментальными методами регистрации наблюдаемых эффектов [6; 12]. Поэтому, биофизические методы, а именно, анализ параметров поля биолюминесценции, может служить чувствительным индикатором степени резистентности планктонных организмов к воздействию поллютантов и экспрессным показателем регионального загрязнения морской среды [4-5; 24; 9; 11]. Наиболее широко используется для этих целей анализ поля биолюминесценции (ПБ). Параметры ПБ также принимаются во внимание при планировании военно-морских операций - будь то десантирование, действие сил специального назначения, действие сил противолодочной обороны, боевое дежурство субмарин, минные постановки и противоминная борьба, действия стратегических оборонительных сил [21]. Биолюминесценция - проявление жизнедеятельности организма в виде электромагнитного излучения в видимой области спектра, кинетические закономерности которого тесно связаны с кинетикой и механизмом порождающих его химических реакций и процессов метаболизма [17]. Биолюминесценция обнаружена у более 700 видов морских и наземных организмов всех уровней филогенеза, от бактерий до рыб. Около 80 % известных биолюминесцентных организмов обитают в Океане, среди них много глубоководных [22]. Биолюминесценция у морских организмов наблюдается среди: Proteobacteria (Gammaproteobacteria),

Radiozoa (Polycystina), Myzozoa (Dinophyceae), Ctenophora (Tentaculata и Nuda), Cnidaria (Anthozoa, Hydrozoa и Scyphozoa), Nemertea (Enopla), Annelida (Polychaeta), Mollusca (Bivalvia, Cephalopoda и Gastropoda), Chaetognatha (Sagittoidea), Arthropoda (Branchiopoda, Copepoda, Malacostraca, Ostracoda и Pycnogonida), Echinodermata (Asteroidea, Crinoidea, Holothuroidea и Ophiuroidea), Hemichordata (Enteropneusta) и Chordata (Actinopteri, Appendicularia, Ascidiacea, Elasmobranchii и Thaliacea). Биолюминесценция у морских орга-

низмов наблюдается среди представителей 617 родов [14,16, 19, 23].

На рис. 1. показано распределение по представителям 617 родов гидробионтов среди

Annelida, Arthropoda, Bacteria, Chaetognatha, Chordata, Cnidaria, Ctenophora, Dinophyceae, Echinodermata, Hemichordata, Mollusca, Nemertea, Radiozoa. Для классификации и системати-

ки биолюминесцентных организмов использована база данных проекта World Register of Marine Species (http://www.marinespecies.org). Использованы фотографии и рисунки авторов: Alexander Semenov, Angel Martin, Blair Patullo, Bernard Picton, Casey Dunn, Claudia Arango, Dante Fenolio, David Kearnes, David Shale, Derek Haslam, Des Beechey, Ernst Haeckel, Greg Rouse, Herrera Bachiller, Katie Ahlfeld, Roger Ressmeyer, Russ Hopcroft, Stefan Siebert, Steve Gschmeissner, Wernher Krutein. Основной вклад в формирование поля биолюминесценции Чѐрного моря вносит 51 вид Dinophyceae, родов: Alexandrium, Ceratium, Gonyaulax, Lingulodinium, Noctiluca, Polykrikos, Protoceratium, Protoperidinium, Pyrocystis, Scrippsiella, Tripos [7].

Биолюминесцентное излучение морских организмов приходится на спектральный диапазон от 410 до 710 нм. Большинство морских организмов эмитируют излучение с длиной волны между 450 и 490 нм, что соответствуя синему свету, обладающему оптимальной светопередачей в морской воде [16]. Исследования показали, что интенсивность поля биолюминесценции - суммарного светового эффекта, создаваемого в толще воды совокупностью морских биолюминесцентов [8, 12], может оцениваться как чувствительный индикатор для определения функционального состояния пелагического сообщества с учетом физических процессов, происходящих в морской среде, и загрязненности морских экосистем. ПБ существует повсеместно в любое время суток при существенных региональных и сезонных различиях. Для получения представлений о структуре биолюминесцентных гидробионтов требуется изуче-

109

ние суточной, сезонной и межгодовой динамики параметров ПБ, поиск корреляционных зависимостей и регрессионных соотношений между интенсивностью ПБ и факторами среды [8]. Регистрировать in situ биолюминесценцию фитопланктона и мелкого мезозоопланктона возможно с помощью батифотометров. Все прочие биолюминесцентные организмы, в силу конструктивных особенностей батифотометров, избегают попадания в светонепроницаемую измерительную камеру, вклад макропланктона и нектона в интенсивность ПБ остается недостаточно изученным. Регистрация оптического излучения в батифотометрах осуществляется с помощью светочувствительного датчика (фотодиоды или ФЭУ), который находится в измерительной светонепроницаемой камере обнаружения. Работу батифотометра контролирует поверхностный управляющий системный блок, отвечающий за получение и накопление данных. Как правило, батифотометры входят, в качестве датчиков, в состав морских гидробиофизических измерительных комплексов. Конструктивные элементы некоторых типов батифотометров изображены на рис. 2. При проектировании батифотометра надо учитывать, что измеряемый батифотометром биолюминесцентный потенциал (БПБ) зависит от объемного расхода жидкости, длительности обнаружения излучения биолюминесцентных организмов в пределах светонепроницаемой камеры обнаружения батифотометра, эффективности системы гидромеханического возбуждения, минимизации предварительного возбуждения, конструктивных особенностей светонепроницаемой камеры и чувствительности датчика излучения.

Рис.1. Родовое разнообразие морских биолюминесцентных организмов

При проектировании конструкции батифотометра нужно произвести гидростатический и гидродинамический расчет характеристик батифотометра; дать оценку БПБ, как функции объемного расхода; произвести биологическую калибровку батифотометра, используя конкретные виды и концентрацию биолюминесцентных организмов; определить значение критического объемного расхода, которое будет использоваться при эксплуатации батифотометра, с учетом требований к минимизации габаритных размеров батифотометра и условиям эксплуатации. Существующие проекты батифотометров существенно различаются

110