Определение тяжелых металлов в фитомассе и метод ее утилизации

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ФИТОМАССЕ И МЕТОД ЕЕ УТИЛИЗАЦИИ

Сведения экологического характера содержатся в трудах ученых со времен Аристотеля. Но только с середины 20 века антропогенное влияние на экологию начинают отслеживать на систематической основе.

Негативное воздействие человека на природу — это проблема мирового масштаба. В ходе развития цивилизации человечество приходит к осознанию глобальных экологических проблем. В 1972 году принята программа ООН по окружающей среде ЮНЕП, способствующая координации охраны окружающей среды на общесистемном уровне. Международным сообществом создано более двухсот международных организаций, курирующих вопросы экологии и охраны окружающей среды. Приняты важные документы по этой проблеме [1−3]. Однако приходится признать, что пока серьезных успехов на пути к прекращению деградации биосферы не достигнуто. В настоящее время практически все экосистемы нашей планеты претерпевают в той или иной мере деградацию под влиянием антропогенного фактора [4]. Поэтому исследования, посвященные мониторингу экологической обстановки, становятся все более актуальными.

В 1793 году черноморскими казаками основан город Екатеринодар (ныне Краснодар). Выгодное географическое положение, богатые природные ресурсы, экономическая активность населения обусловили динамичное развитие города и рост численности его населения (таблица 1).

тяжелый металл утилизация биомасса Таблица 1.

Динамика численности населения города Краснодара, тыс. человек.

По официальным данным, число жителей Краснодара более восьмисот тысяч, фактически — намного больше за счет гастарбайтеров из соседних станиц, Адыгеи, ближнего и дальнего зарубежья.

Ныне Краснодар — это мегаполис с почти миллионным населением, столица Кубани, административный центр Краснодарского края. В городе действуют промышленные предприятия, крупные ТЭЦ, котельные, автотранспорт Некогда чистый воздух предгорий Кавказа теперь дополняют оксиды углерода, азота, серы, метан, тяжелые металлы и другие токсичные примеси.

В течение 6 лет мы проводили работу по исследованию состава атмосферного воздуха города Краснодара. В настоящей работе подводятся итоги мониторинга определения тяжелых металлов в воздухе.

Объект исследования — атмосферный воздух города Краснодара.

Методы исследования — подготовку проб к инструментальному анализу проводили на СВЧ-минерализаторе «Минотавр-1». Дальнейшие количественные измерения осуществляли на оптическом эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой «Optima-2100-DV» (железо, хром, медь, ртуть, свинец, кадмий) и методом атомно-абсорбционной хроматографии на приборе «Капель-104Т» с компьютерной обработкой результатов по программе Мультихром.

Содержание тяжелых металлов определяли по их накоплению в фитомассе деревьев, растущих на улицах Краснодара с различной интенсивностью автомобильного движения. Деревья являются своеобразными, но весьма точными и чувствительными индикаторами состояния окружающей среды. Как показали наши исследования, динамика накопления металлов в листьях деревьев достоверно отражает степень загрязнения воздуха [5−8].

Проблемой XXI века является увеличение техногенной нагрузки на экосистемы. В особенности это касается крупных городов, в которых естественные механизмы очистки давно не справляются со своей задачей. Промышленные предприятия, бытовые отходы и, в особенности, автомобильный транспорт, является основными источниками загрязнения.

Специфика подвижных источников загрязнения (автомобилей) проявляется в низком расположении, пространственной распределенности и непосредственной близости к жилым районам. В результате доля транспортных средств в загрязнении воздуха в городах достигает 70−90%.

В 2009 году в Краснодаре зарегистрировано более 260 тысяч единиц автотранспорта; кроме того, город посещают около 150 тысяч иногородних машин. В нынешнем, 2014 году число автомобилей в Краснодаре превысило 370 тысяч. В ряду токсикантов достаточно опасны тяжелые металлы. Они представляют большую опасность как для природных экосистем, так и для здоровья человека. Возникающие неблагоприятные экологические последствия приводят к усугублению демографической ситуации из-за увеличения заболеваний и смертности населения. Это связано с тем, что металлы достаточно быстро накапливаются в почве и древесине, но очень долго из них удаляются.

Наибольшую опасность для здоровья населения представляют соединения свинца, кадмия и ртути, относящиеся к 1 классу опасности.

Между тем растения являются начальным элементом в цепи биосферных изменений, происходящих под влиянием загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Именно экологические последствия загрязнения фитоценозов могут привести к сдвигу экологического равновесия в ландшафтных системах. На урбанизированных территориях, испытывающих высокую техногенную нагрузку, важную роль в защите окружающей природной среды играют зеленые насаждения, которые необходимо преобразовывать и сохранять с учетом их функциональной роли. Количество зеленых насаждений на одного жителя города Краснодара в настоящее время меньше нормы, установленной СНиП 2.07.80, почти в 2 раза.

Наличие разнообразных путей поступления тяжелых металлов в растение предполагает существование двух ведущих факторов формирования элементного химического состава растений: генетического и экологического.

Долевое участие каждого фактора меняется в зависимости от изменений условий среды. У древесных растений в течение фитогенеза и онтогенеза вырабатываются механизмы, способные контролировать поступление и удаление некоторых элементов посредством физиологических реакций. Поступление тяжелых металлов в листья осуществляется через кутикулу, что тесно взаимосвязано с кутикулярной транспирацией, и зависит от содержания воды в тканях листовой пластины. Тяжелые металлы в растениях играют активную роль в метаболических процессах, но они могут также сохраняться в виде неактивных соединений в клетках и на клеточных мембранах.

Нами изучена динамика накопления тяжелых металлов и угарного газа в атмосфере Краснодара на улицах с различной интенсивностью автомобильного движения.

Методом отбора проб стали посты с заранее определенной интенсивностью движения автотранспорта, которая рассчитывалась исходя из количества полос движения и мониторинга количества машин в течение суток. Предварительный сравнительный анализ позволил сформировать 4 поста, где производились одноименные заборы фитоматериала.

• 1 пост — двухполосное умеренное движение;
• 2 пост — двухполосное среднеинтенсивное движение;
• 3 пост — четырехполосное интенсивное движение;
• 4 пост — шестиполосное высокоинтенсивное движение.

Контроль — лесной массив в 30 км от Краснодара.

Отбор листьев проводился методом средней пробы. С каждого дерева отбиралось не менее 500 граммов смешанной пробы листьев. Содержание металлов в листьях изучалось на 68 деревьях вышеуказанных пород, в разные дни недели. В 2014 году проанализировано 136 проб фитомассы.

В проведенных исследованиях определялось содержание тяжелых металлов (кадмия, свинца, цинка, меди, никеля, кобальта, хрома, ртути, железа) в золе листьев, т. е. количество токсикантов, поглощенных тканями. Результаты проведенных исследований обработаны методами математической статистики: были вычислены медианы значений концентрации по местам отбора проб, средние значения, доверительный интервал т стандартные отклонения.

Результаты и обсуждение

Результаты определения металлов в фитомассе приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Содержание тяжелых металлов в фитомассе, мг/кг.

* следы или ниже предела обнаружения Накопление элементов в растениях обусловлено составом атмосферного воздуха, воды и почвы. При этом биохимическое строение региона города (почва, вода) практически неизменны в пределах городской черты.

Различия в количественном соотношении металлов в листьях обусловлены, главным образом, разным содержанием вредных примесей в воздухе в зависимости от места отбора пробы. Фоновым значением можно признать содержание металлов в контрольной пробе, исключающей влияние антропогенных факторов.

Полученные данные свидетельствуют о значительном превышении по сравнению с контролем содержания таких металлов, как свинец, железо, кадмий, медь во всех образцах; хром и цинк — на трех постах из четырех.

Обращает на себя внимание повышение содержания кадмия по сравнению с данными предыдущих лет. Очевидно, это связано с попаданием кадмия в атмосферу от трущихся кадмированных деталей автомобилей [9].

Незначительные количества ртути обнаружены на трех постах; ранее ртуть в фитомассе не была обнаружена.

Сопоставляя полученные результаты с интенсивностью движения автотранспорта, прослеживаются следующие тенденции: отмечается однонаправленное нарастание содержания железа, свинца и цинка по мере увеличения интенсивности движения. По остальным металлам отличия носят не однонаправленный характер. Наименьшее содержание металлов отмечается на улице с умеренным движением (пост 1), однако даже в этом случае железо, свинец и кадмий достоверно превышают контроль. Все показатели увеличиваются на улицах с интенсивным и высокоинтенсивным движением (пост 3,4). В динамике металлоаккумулирующие свойства фитомассы исследовались в конце периода вегетации.

В 2014 году по инициативе администрации города была произведена замена деревьев на некоторых центральных улицах: выкорчевали вполне здоровые липы, березы и клены и высадили саженцы канадского клены (очевидно, за его красивую красно-зеленую листву).

Нами проведено сравнительное исследование поглотительной способности фитомассы различных пород деревьев по отношению к тяжелым металлам (таблица 3).

Таблица 3.

Содержание металлов-токсикантов в фитомассе, мг/кг.

Сравнение аккумулирующей способности фитомассы отечественных деревьев с аналогичными показателями канадского клена выявило более низкую эффективность последнего по отношению к тяжелым металлам-токсикантам свинцу и железу (на 14,3% и 17,4% соответственно). Считая очистительную функцию зеленых насаждений превалирующей по отношению к их декоративной функции, можно сделать вывод о неэффективности произведенной замены отечественных насаждений на импортные.

Ранее нами проводились аналогичные исследования, итоговые результаты которых приведены в нижней строке таблицы 3. Некоторая положительная динамика наблюдается по содержанию железа (снижение на 2,5%), однако содержание свинца возросло на 3,2%. Характерно, что содержание цинка осталось практически неизменным.

Таблица 4.

Сравнение содержания свинца и статистических данных.

* данные не найдены В таблице 4 приведены итоги шестилетнего мониторинга накопления ТМ в атмосфере Краснодара на примере одного из них в сравнении со статистическими данными (см. табл. 1). Содержание свинца за этот период увеличилось на 10,1%, численность населения — на 13,1%, число транспортных средств — на 39,2%. Как видно из сопоставления данных таблицы 4, накопление вредных примесей в атмосфере города хорошо коррелирует с числом его жителей и количеством автотранспорта, что подтверждает факт антропогенного влияния на ухудшение экологической обстановки. Практически линейная динамика содержания свинца позволяет экстраполировать полученные данные до 2020 года. Результаты получены неутешительные: при сохранении существующей динамики содержание свинца в фитомассе (и, соответственно, в воздухе) увеличится до 11 мг/кг или на 23,6%.

Роль зеленых насаждений в сохранении экологического благополучия мегаполисов неоценима. Деревья не только обогащают воздух городов кислородом, но и активно аккумулируют вредные вещества из него.

Практикуемое ранее сжигание опадающих листьев гигиенически неоправданно, ибо при сжигании одной тонны растительных остатков в воздух возвращается более 9 кг токсичных веществ, ранее поглощенных растениями: тяжелые металлы, монооксид углерода, оксиды азота и серы. При горении листьев образуются также бенз-а-пирен и диоксины — сильнейшие канцерогены и токсиканты. Поэтому введение не столь давно в ряде регионов Законов о запрете сжигания растительных остатков (Краснодарский край — 2003 г.) можно приветствовать как меру сохранения экологического равновесия [10].

Одним из способов утилизации опавших листьев является способ биологической деструкции листьев в анаэробных условиях. Данный способ утилизации является экологически и экономически выгодным, поскольку биогаз, образующийся в процессе метанового брожения, можно использовать в качестве альтернативного источника энергии, а сброженную биомассу — как биологически ценное удобрение для почвы.

Нами проведены исследования по моделированию этого процесса. Биогаз образуется при разложении органических компонентов листьев в результате анаэробного микробиологического процесса — метанового брожения. Основным компонентом биогаза является СН4, а также примеси углекислого газа, сероводорода и других газов [11].

Процесс проводили в герметичной емкости объемом пять литров, в которую загружали биомассу — опавшие листья, подвергнутые предварительной обработке (измельчение и заливка горячей водой). Для сбраживания применяли анаэробный активный ил, полученный из метатенков станции аэрации.

Образующийся биогаз с помощью шланга подавали в газгольдер, его объем фиксировали по объему вытесненной воды с помощью мерного цилиндра. Состав биогаза определяли методом газовой хроматографии, взвешенные вещества — гравиметрическим способом. Содержание аммонийного азота определяли по методу Кьельдаля.

Особенно важным при осуществлении процесса сбраживания является создание оптимальных технологических условий в реакторе — температуры, анаэробных условий, достаточной концентрации питательных веществ, допустимого значения рН, отсутствия или низкой концентрации токсичных веществ.

Процесс проводили при комнатной температуре в течение семи суток в периодическом режиме. Контролировали следующие основные показатели: объем биогаза, содержание метана и аммонийного азота, взвешенные вещества и кислотность среды.

В процессе эксплуатации биореакторов необходимо постоянно осуществлять контроль за показателем рН, оптимальное значение которого находится в пределах 6,0 — 6,5. Снижение показателя рН свидетельствует о «закисания» среды, что является нарушением процесса метановой ферментации.

Полученные данные приведены в таблице 5. Приведены средние результаты из четырех последовательных опытов.

Таблицы 5

Зависимость состава биогаза от времени процесса.

Результаты опытов свидетельствуют о принципиальной возможности получения биогаза с содержанием метана более 70% объемных при минимальных затратах. В периодическом режиме оптимальным сроком брожения является 6 — 7 суток, после чего выход биогаза резко снижается. В результате брожения из органической массы образуется шлам, который является чрезвычайно ценным удобрением, содержит в себе большое количество биологически активных веществ, в том числе витаминов группы В, макрои микроэлементов [12].

Заключение

Проведенный нами мониторинг экологической обстановки в мегаполисе подтвердил тенденцию превращения среды обитания в среду выживания.

Прогресс остановить нельзя, поэтому количество автомобилей на улицах наших городов в обозримом будущем будет увеличиваться. Для сохранения чистоты воздуха и здоровья горожан необходимо совершенствовать конструкцию автомобилей, качество топлива, схему движения транспорта, а главное — использовать для защиты окружающей среды силы самой природы, то есть зеленые насаждения.

Острота проблемы требует поиска новых эффективных решений, обладающих инвестиционной привлекательностью, создания перехватывающих парковок на въезде в краевой центр, проработки маршрутов общественного транспорта для перевозки населения в центральную часть города [13]. Увеличивается число маршрутов экологически чистого электротранспорта, рассматривается вопрос о строительстве метро.

Учитывая остроту проблемы экологии мегаполиса, наши исследования в этом направлении будут продолжены и в будущем.

Выводы

• 1. Проведен анализ экологической обстановки в городе Краснодаре по содержанию тяжелых металлов в его атмосфере.
• 2. Установлено, что динамика накопления тяжелых металлов в атмосфере города хорошо коррелирует с численностью населения, интенсивностью движения автомобильного транспорта и имеет устойчивую тенденцию к увеличению содержания этих токсичных веществ.
• 3. Предложен способ утилизации биомассы опавших листьев методом их биологической деструкции в анаэробных условиях, при котором образуется биогаз с содержанием метана до 70% и шлам — ценное органическое удобрение.

• 1. Киотский протокол к рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата.: ООН, 1998.
• 2. Декларация Рио-де-Жанейро по окружающей среде и развитию.: ООН, 1992.
• 3. Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию. М.: Экосинформ, 1996, 12 с.
• 4. Global Environment Outlook.3. Past, present and future perspective. Earthscan Publication Ltd, London, 2002.
• 5. Ткаченко А. В., Аслонянц А. М., Дробышева О. М. Экология мегаполиса. VII Международная НПК «Научное творчество XXI века, Красноярск, 2013, с. 370−373.
• 6. Ткаченко А. В., Клонина Н. В. Охрана окружающей среды: Воздух, которым мы дышим. VII Всероссийский конкурс «Национальное достояние России», М.; 2012, с. 1072−1073.
• 7. Ткаченко А. В., Обухова Н. А., Захарова М. В. Тяжелые металлы в экосистеме г. Краснодара. 39 НПК ЮФО, Краснодар, 2012, с. 183−184.
• 8. Ткаченко А. В., Клонина Н. В. Мониторинг урбоэкологии г. Краснодара. IX НПК Юга России «Медицинская наука и здравоохранение», Краснодар, 2011, с. 138−141.
• 9. Радько В. Д. Экологические проблемы г. Владивостока // Информ. сборник «Экология городов», № 5, М., 1995, с. 64−66.
• 10. Закон Краснодарского края от 23.09.2003 № 608 КЗ.
• 11. Эфендиев А. М., Кожевников А. А., Седов В. С. Принципы создания типоразмеров БГУ и возможности оптимизации их параметров.//энергосбережения в Саратовской области 2005, № 3, с. 9−25.
• 12. Заборский А. В., Соуфера Б. С. Биомасса как источник энергии. М.: Мир, 1985. 368 с.
• 13. Пармухин И. П., Надирян С. Л., Папазьян М. В. О развитии парковочного комплекса г. Краснодара. Научные труды КубГТУ, № 2, 2014.