Миграция тяжелых металлов в биогеосистеме техногенных озер Салаирского ГОКа, Кемеровская область
В настоящей работе гидроотвалы и прилегающая к ним территория рассматривалась в качестве биокосной системы, в пределах которой исследовались как косное вещество, так и живые организмы и в особенности взаимодействие между ними. Согласно учению В. И. Вернадского о биокосной системе независимое изучение в пределах системы только косного вещества или только живых организмов является односторонним… Читать ещё >
Содержание
Актуальность проблемы. Одной из острых проблем на сегодняшний день является воздействие отходов горнорудных предприятий на окружающую среду с изменением ее параметров. В технологии переработки руд, которая используется в нашейне, не всегда учитывается экологический аспект, связанный с защитой окружающей среды от загрязнечия различного рода поллютантами такими, как тяжелые металлы, мышьяк* сурьма и др., находящимися в отходах горнорудной промышленности. Измельчение, химическая обработка и другие процессы, направленные на концентрирование и переработку руд, способствуют увеличению лабильности элементов по сравнению с естественной и попаданию их в донный осадок, почву и биомассу (Вау1ез, 1980, 1983). За годы деятельности горнорудной промышленности было накоплено огромное количество отходов подобного рода (хвостохранилищ), которые являются источником поллютантов.
Известно множество путей миграции поллютантов в окружающую среду из отходов горнорудньг: предприятий. Это дренажные потоки, аэрозоли, проникновение металлов и экотоксикантов в трофические цепи и др. (Голенецкий и др., 1981- Мур и Рамамурти, 1987- Томаков, 1994- Мироненко и др., 2000).
Человек является частью Биосферы, обменивается веществом и энергией с окружающей средой и в ряду трофических цепей является одним из консументов высшего порядка. Все это в конечном итоге приводит к проникновению элементов прямо или опосредованно из окружающей среды в организм человека. Загрязняя окружающую среду, человек сам себя подвергает опасности. Для предотвращения последствий промышленной деятельности человека необходимо выявить пути миграции поллютантов из отходов и их проникновения в человеческий организм, определить размер опасности этих процессов и в случае реальной угрозы найти пути и средства инактивации поллютантов.
Благодаря осуществленным на сегодняшний день исследованиям уже сейчас можно предсказать дальнейшее поведение химических элементов, ранее находившихся в составе отходов промышленной деятельности человечества. На сегодняшний день имеется большое количество работ, посвященных изучению эмиссии поллютантов в окружающую среду с промышленными выбросами в виде газов и жидких стоков и выявлению преимущественных мест аккумуляции этих элементов в компонентах окружающей среды. Существуют также работы, направленные на изучение миграции поллютантов из отходов, складируемых в природных котловинах или искусственных резервуарах на территории предприятий в виде твердого вещества.
Вместе с тем, до сих пор без внимания остаются два основополагающих момента: 1) изучение механизмов протекания процессов миграции и трансформации поллютантов в техногенных экосистемах- 2) количественная оценка вещества, вовлекаемого в эти процессы. Изучение этих аспектов позволит с одной стороны адекватно оценить величину опасности протекания того или иного процесса по отношению к человеку и окружающей его природе, а с другой стороны -управлять процессами миграции поллютантов.
Цель и задачи работы Цель работы заключается в выявлении путей миграции тяжелых металлов (Мп, Бе, Си, Хп, Сё, РЬ и др.) из гидроотвалов в окружающую среду, в том числе трофические цепи, на основе исследования механизмов протекания процессов поглощения и усвоения металлов водными растениями в системе «донный осадок гидроотвалов — вода — водные растения» и оценке количества металлов, вовлекаемых из вещества отвалов в биогеохимический круговорот, центральным звеном в котором являются растения, главным образом водные.
Исследование проводилось на примере гидроотвалов Салаирского горно-обогатительного комбината (СТОК), Кемеровская область, которые представляют собой отходы флотации и цианирования барит-полиметаллических руд. Большая часть исследований проведена на неиспользуемом с 1975 г. гидроотвале Дюкова лога, состоящего из отходов цианирования окисленных барит-полиметаллических руд с Аи-Ag-минерализацией.
Для достижения цели требовалось решение следующих задач:
— исследование субстрата гидроотвалов (твердое вещество и вода) как поставщика тяжелых металлов в живые организмы, заключающееся в изучении его физико-химических свойств, формы нахождения и химической формы металлов, содержащихся в нем-
— изучение поведения металлов в теле растений, произрастающих в гидроотвалах-
— исследование процессов взаимодействия между средой обитания и водными растениями-
— изучение проникновения элементов из хвостохранилшц в грунтовые воды, почвы вокруг гидроотвалов и компоненты трофических цепей-
— количественная и полуколичественная оценка масс поллютантов, вовлекаемых в процесс круговорота вещества в биогеосистеме гидроотвалов.
Научная новизна и практическая ценность работы. Исследование проводится на стыке таких наук, как геохимия, минералогия, гидрохимия, аналитическая химия, физиология растений и экология, поскольку гидроотвалы и прилегающая к ним территория рассматриваются в качестве биокосной системы, в пределах которой исследуется как косное вещество, так и живые организмы и в особенности взаимодействие между ними.
Выявлены основные пути миграции поллютантов и определены их количественные характеристики на основе изучения механизмов протекания процессов в системе «донный осадок гидроотвалов — вода -водные растения». Получены важные сведения о химических формах тяжелых металлов в донном осадке, поровой и приповерхностной воде и в теле водных растений, позволяющие существенно продвинуться в понимании механизмов протекания процессов в системе. Оказалось, что большая часть металлов в водной фазе находится в составе растворенных органических соединений, т. е. практически в недоступной для растений форме. И только небольшое количество металлов может находиться в ионной, легкодоступной, форме. Основная доля поллютантов в водных растениях входит в состав клеточной оболочки и мембран клеточных органелл. И только небольшая часть (< 3%) находится в клеточном соке и свободном межклеточном пространстве. Именно эта доля металлов в первую очередь выходит в среду обитания растений после отмирания клеток. Оставшаяся же часть металлов в составе клеточной оболочки и клеточных мембран растений представляет депо поллютантов, высвобождающихся с течением времени в процессе разложения органического вещества растительных остатков, занимающем годы.
Обнаружен принципиально новый, до сих пор не учитывавшийся в круговороте элементов, путь миграции тяжелых металлов, попадающих в атмосферу в составе транспирационных выделений растений. Получена полуколичественная оценка потока металлов в атмосферу с транспирационными выделениями.
Сделана первичная оценка количества тяжелых металлов, вовлекаемых из твердого вещества хвостохранилищ в биогеохимический круговорот (в приповерхностную воду, водные растения, гидробионты (водные насекомые, рыбы), наземные растения, в атмосферу с транспирационными выделениями).
По результатам проведенных исследований выявлены миграционные потоки элементов, представляющие опасность для здоровья людей и благосостояния природы, и даны практические рекомендации по их уменьшению до безопасного уровня.
Защищаемые положения:
1. Концентрация металлов в субстрате гидроотвалов в десятки раз выше геохимического фона рудного района. Пространственное распределение элементов в субстрате неоднородно. Количество мелкодисперсных частиц (< 0.01 мм) в твердом веществе, число минералов-катионообменников в них и содержание металлов (С<1, РЬ и Хп) в обменной, биологически доступной, форме в этих минералах значительно превышает фоновое. В водном растворе гидроотвалов большая часть металлов входит в состав растворенных органических соединений (малодоступные для растений).
2. Концентрация тяжелых металлов в водных растениях гидроотвалов в несколько раз выше фоновой. Металлы проникают в корни растений коллоидно-химическим путем (главным образом из мелкодисперсных частиц) и из водного раствора в виде катионов. В корнях Бе, Сс1, РЬ аккумулируются в клеточных оболочках, а Си и Хп — в протоплазме. С током пасоки по проводящим тканям тяжелые металлы попадают в органы и ткани надземной части, где все металлы в количестве более 97% концентрируются в клеточных оболочках и мембранах. Далее металлы попадают в атмосферу в составе транспирационных выделений растений.
3. Тяжелые металлы, содержащиеся в веществе гидроотвалов, предопределяют видовой состав растений и протекание физиологических процессов в них. Растения оказывают влияние на форму нахождения и химическую форму (формы миграции) металлов в субстрате.
4. Основные пути миграции тяжелых металлов изэксплуатируемого гидроотвала: поверхностный перенос вещества отходов на окружающие территории в виде пыли- возможное попадание в грунтовые воды- проникновение в компоненты трофических цепей (водные растения, гидробиснты, наземные растения, насекомые, крупный рогатый скот), в некоторых из которых концентрация элементов значительно превышает ПДК-
5. Количество металлов в компонентах биогеосистемы гидроотвала уменьшается в ряду: толща воды > водные растения > наземные растения > рыбы > водные жуки. Суммарное содержание металлов, попадающих из твердого вещества отвалов в приповерхностную воду, водные растения, гидробионты и наземные растения
3 2 составляет 10″ - 10″ % от их содержания в твердом веществе. Большая доля элементов из этого количества в процессе круговорота остается в гидроотвале и лишь небольшая часть мигрирует за его пределы в окружающую среду. Часть металлов транзитом через тело растений (водных и наземных) попадает в атмосферу в составе транспирационных выделений. Величина этого потока колеблется от нескольких десятых до десятков граммов за сезон.
Апробация полученных результатов. Материал диссертационной работы опубликован в виде статей в 3 зарубежных изданиях и 4 российских. Результаты работы представлены на 6 Международных и 6 Всероссийских конференциях. Автором материал был доложен на: Всероссийском научном молодежном симпозиуме «Безопасность биосферы-98» (г. Екатеринбург, 1998) — Международной конференции по геохимии «ОоЫзсЬгшск 2000» (Великобритания, Оксфорд, 2000) — VII Рабочей Группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2000) — Европейской конференции по исследованию аэрозолей-2001 (Германия, г. Лейпциг, 2001) — III Всероссийском Совещании «Геохимия Биосферы» (г. Новороссийск, 2001).
Публикации:
1. Bortnikova S.B., Airijants A.A., Androsova A.A., Hozhina E.I., Faslullin S.M. Heavy Metals in the Aquatic Vegetation of Mining Regions // Proceedings of International Symposium on Geology and Environment (GEOENV'97), Istanbul — Turkey. — 1997. — P. 355−363.
2. Bortnikova S.B., Lazareva E.V., Szerbin P., Hozhina E.I. Transformation of matel speciation under an action of the aquatic vegetation of flooded gold-ore cyanidation tailings // Proceedings of the 7th International Mineral Processing Symposium, Istanbul, Turkey. -1998.-P. 793−797.
3. Хожина Е. И. Оценка влияния водных макрофтов техногенных ландшафтов на проникновение мышьяка и сурьмы в окружающую среду и в трофические цепи // Материалы заочной интернет-конференции «Экологическая безопасность», Томск. — 1999. — С. 63−69 (http ://www. green.tsu.ru/conf/).
4. Хожина Е. И., Храмов, А. А. Особенности поглощения тяжелых металлов водными макрофитами техногенных озер // Экологические проблемы Северной пацифики (научное издание), Петропавловск-Камчатский. — 1999. — С. 116−121.
5. Hozhina E.I., Khramov A.A., Gerasimov P.A., Kumarkov А.А. Regularities of absorbtion and accumulation of heavy metals, arsenic and antimony by aquatic plants of ore mining and processing enterprises // Journal of Geochemical Exploration. — 2001. — Vol. 74. — No. 1−3. — P. 153−163.
6. Хожина Е. И., Палесский C.B., Сапрыкин А. И. Миграция тяжелых металлов в атмосферу в процессе транспирации // Оптика атмосферы и океана. — 2001. — т. 14. — № 6−7. — С. 605−608.
7. Khozhina E.I., Palesski S.V., Saprykin A.I. Migration of heavy metals to the atmosphere in the process of transpiration // Atmospheric Oceanic Optics. — 2001. — Vol. 14. — No. 6−7. — P. 553−556.
8. Хожина Е. И., Мазеина Л. П., Грекова Г. С. Экспериментальная модель перераспределения тяжелых металлов в системе «донный осадок — вода — гидрофиты» // Прикладная геохимия- выпуск № 2, Экологическая геохимия. — 2001. — С. 148−161.
Тезисы:
1) Bortnikova S.B., Hozhina E.I. Heavy metals in the water vegetation in the mining regions // International Simposium on Geology and Environment, Istanbul (Turkey) GEOENV'97. — 1997. — P. 228.
2) Hozhina E.I., Kolmogorov Y.P., Bessonov D.Y. The heavy metals in the macrophytes of the mining tailing impoundments // Mineralogical magazin, «Goldschmidt Conference 1998», Toulouse (France). — 1998. -Vol. 62A.-P. 659−660.
3) Мазеина Л. П., Хожина Е. И. Прогнозная оценка опасности хвостохранилищ гоно-обогатительных комбинатов и поиски путей ее уменьшения // Сборник тезисов докладов Всероссийского научного молодежного симпозиума «Безопасноть биосферы-98», Екатеринбург. — 1998.-С. 142.
4) Хожина Е. И., Мазеина Л. П. Оценка риска воздействия техногенных ландшафтов на окружающую среду и поиск путей его уменьшения // Сборник тезисов докладов Всероссийского научного молодежного симпозиума «Безопасноть биосферы-98», Екатеринбург. — 1998. — С. 140.
5) Sidenko N.V., Lazareva E.V., Hozhina E.I. The steps of copper migration from the slag of metallurgical Pb-Zn plant to environment // European Union of Geosciences (EUG 10), Strasbourg (France). — 1999. -P. 514.
6) Hozhina E.I., Bessonov D.Y. The influence of water macrophytes on penetration of toxic elements into the environment // European Union of Geosciences (EUG 10). — 1999. — P. 571.
7) Хожина Е. И. Оценка влияния водных макрофтов техногенных ландшафтов на проникновение мышьяка и сурьмы в окружающую среду и в трофические цепи // Всероссийская заочная интернет-конференция «Экологическая безопасность», Томск. — 1999. (http://www.green.tsu.ru).
8) Hozhina Е., Mazeina L. Experimental model of heavy metals distribution in the system «collection ponds of mining industry — aquatic macrophytes — environment» on the instance of Salair Ore Refining Plant, // Journal of Conference Abstracts, «Goldschmidt 2000». — 2000. -Vol. 5.-No. 2.-P. 533.
9) Хожина Е. И., Грекова Г. С. Экспериментальная оценка риска воздействия отходов Pb-Zn комбината на биогеоценозы незагрязненных водоемов /'/ Материалы конференции «Оценка риска загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами: интегрированные подходы, теоретические разработки и конкретные примеры», Московская облатсь, Планерное. — 2000. — С. 73.
10) Хожина Е. И., Герасимов П. А. О возможности миграции тяжелых металлов в составе аэрозолей растительного происхождения // Тезисы докладов VII Рабочей Группы «Аэрозоли Сибири». — 2000. -С. 96.
11) Hozhina E.I., Palesski S.V., Saprykin A.I. Heavy metals migration into the atmosphere during the transpiration // Journal of Aerosol Science, Abstracts of the European Aerosol Conference 2001. — 2001. — Vol. 32. -P. 879−880.
12) Хожина Е. И. Миграция и концентрация тяжелых металлов в системе «гидроотвалы — окружающая среда — компоненты трофических цепей» на территории Салаирского ГОКа // Сборник тезисов III Всероссийского Совещания «Геохимия Биосферы», Новороссийск. — 2001. — С. 246−251.
Структура и объем работы. Работа изложена на 186 страницах, состоит из 7 глав, введения и заключения и содержит 23 рисунка и 40 таблиц. Библиография включает 112 наименований.
В сборе и обработке материалов принимали участие студенты и аспиранты: Грекова Г. С., Кропачева М. Ю., Старикова Е. В., Черныш П. С., Мазеина Л. П., Барашкова А. Н, Бессонов Д. Ю., Храмов A.A. Автор выражает благодарность сотрудникам Аналитического Центра: Андросовой Н. В., Галковой О. Г. и Летову C.B. за помощь в выполнении анализов ААС, РЭМ и P3VLA- Палесскому C.B., Герасимову П: А., Григорьевой Т. Н. и Мирошниченко Л. В., выполнившим анализы MC ИСП, РСА и ИК. Автор благодарит Бортникову С. Б., как своего первого научного руководителя, предложившего тему исследования и давшего необходимые навыки в работе. Глубокую благодарность за постоянное внимание к работе, высококвалифицированные советы и критические замечания автор выражает своим научным руководителям, д.г.-м.н., Гавшину В. М. и, к.б.н., Коваль С. Ф., оказавшего неоценимую помощь в проведении ряда опытов и экспериментов с растениями. За внимание к работе и ценные советы автор благодарит Ковалева В. П., Ильина В. Б., Смолякова Б. С., Сапрыкина А. И., Купермана И. А., Сухорукова Ф. В., Сиденко Н.В.