Мурманская область – один из наиболее индустриально развитых регионов России. Предприятия металлургической промышленности, Кольская АЭС, атомный флот, горнодобывающие объекты, строительные организации, транспортные терминалы – все они являются поставщиками техногенного загрязнения в окружающую среду тяжелых металлов, соединений фтора и алюминия, оксидов серы и азота, радиационного воздействия. Под влиянием техногенного давления угнетаются водные и лесные экосистемы, разрушаются, теряют способность к самовосстановлению. Вклад различных производств в загрязнение окружающей среды региона неодинаков. Максимальное количество специфических веществ выбрасывается предприятиями цветной металлургии [4].
Открытое акционерное общество «Кольская горно-металлургическая компания» (ОАО «Кольская ГМК») – дочернее предприятие ОАО ГМК «Норильский Никель», является ведущим производственным комплексом Мурманской области, созданным на базе старейших предприятий – комбинатов «Североникель» и «Печенганикель», и представляет собой единое горно-металлургическое производство по добыче сульфидных медно-никелевых руд и производству цветных металлов.
Комбинат «Североникель» был введен в эксплуатацию в 1938 году для переработки жильных руд месторождения Ниттис-Кумужье. Эти руды содержали 3,7 % никеля, 1,8 % меди и 1,15 % серы. В 1946–1947 годах в переработку были вовлечены руды Печенгского района с содержанием никеля – 1,18 %, меди – 1,03 % и серы – около 6,5 %. В 1969 г. комбинат приступил к переработке норильских руд с очень высоким содержанием серы (до 30 %) и более богатых, чем местное сырье, тяжелыми металлами и уровень промышленных выбросов резко вырос [5]. Благодаря тому, что при строительстве комбината была учтена местная роза ветров, на территорию города Мончегорска, рядом с которым он расположен, воздействует лишь малая доля газа, выделяющегося при работе металлургических агрегатов. Остальной газ загрязняет и губит лесные экосистемы, как в окрестностях самого комбината, так и на значительном от него удалении. Гибель лесов Кольского Севера может повлечь за собой множество негативных последствий для всего живого, включая региональные изменения климата [2, 3].
Цель исследований
Целью работы было изучение воздействия комбината «Североникель» на компоненты природной среды с позиций экологической безопасности человека, поскольку здоровье населения прямо или косвенно связано с состоянием окружающей природной среды.
Материалы и методы исследования
Объектами исследований послужили снежный покров, который является хорошим естественным накопителем аэрозольных частиц природного и антропогенного происхождения и ассимиляционные органы сосны обыкновенной. Данные природные объекты служат чувствительными индикаторами загрязнения окружающей среды.
Исследования проводили на стационарных пробных площадках стандартного размера 25×25 м, расположенных на высоте 190–220 м над уровнем моря, с учетом направления господствующих здесь ветров. Эти площадки были приурочены к различным зонам действия комбината «Североникель» (табл. 1).
Все площадки находились в сходных климатических условиях. Доминирующим типом лесных сообществ здесь были сосняки кустарничково-лишайниковые, 60–80 летнего возраста, V и Vа класса бонитета, произрастающие на Al-Fe-гумусовых почвах [8, 9].
Отбор образцов природных объектов на стационарных пробных площадках проводили в 2006–2013 г.г. в соответствии с общими требованиями к отбору проб [10]. Сбор проб снега – в период максимального снегонакопления (в конце марта – начале апреля). Образцы хвои сосны обыкновенной – в начале (июнь), середине (июль) и конце (август-сентябрь) вегетационного периода из верхней третьей части кроны деревьев (ветви второго-третьего порядков) отбирали при помощи специального секатора. На каждой пробной площадке объем выборки составлял не менее 10–12 деревьев, что считается достаточным для получения достоверных результатов исследований.
Таблица 1
Местоположение и краткая характеристика стационарных пробных площадок
|
№№ пробных площадок |
Координаты |
Район расположения площадки |
Почвенный покров |
Тип состояния леса* |
|
1 |
67°50′ 32°47′ |
г. Мончегорск |
Хорошо дренированные, слабоподзолистые, влажные, на валунных супесях. Завалуненность более 50 % |
ТП |
|
2 |
67°49′ 32°46′ |
Подзолистые песчаные, сухие на валунных супесях и выходах кристаллических пород. Завалуненность более 50 % |
ТР |
|
|
3 |
67°38′ 32°42′ |
р. Чуна |
Хорошо дренированные, подзолистые, каменисто-песчаные, свежие на валунных супесях. Завалуненность 26-50 % |
ИД |
|
4 |
67°32′ 32°19′ |
р. Пиренга |
Торфянисто-перегнойная слабоподзолистая, оглеенная |
НД |
|
5 |
67°22′ 32°26′ |
г. Полярные Зори |
Торфяная мокрая |
|
|
6 |
67°21′ 32°25′ |
г. Кандалакша |
Примечание: *ТП – техногенная пустошь с единичными живыми деревьями; ТР – стадия техногенного редколесья; ИД – стадия интенсивной дефолиации; НД – стадия начальной дефолиации [5].
Концентрации тяжелых металлов в хвое (мг/кг абсолютно сухого веса – АСВ) и в талой воде (мг/л) определяли при помощи атомно-абсорбционной спектрофотометрии (AAS-30, Perkin Elmer 5000 HGA 400). В хвое сосны также определяли оводненность и содержание пигментов. Оводненность находили термовесовым способом, высушивая растительный материал до абсолютно сухого веса при 105 °С. Количественное определение содержания пигментов проводили спектрофотометрически [2, 3].
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно [7], металлосодержащие пыли составляют основную массу загрязняющих выбросов комбината «Североникель». Преобладающими тяжелыми металлами в пылевых выбросах являются Ni и Cu. Соотношение пылей различных источников (металлургических переделов) не определено и меняется в зависимости от сырья. При этом тяжелые металлы сохраняют вредные свойства постоянно и независимо от формы состояния. Частицы крупнее двух микрон постепенно осаждаются из атмосферы на подстилающую поверхность (почву, воду, растения). Частицы менее двух микрон – аэрозоли – ведут себя подобно газу и могут распространяться на тысячи километров.
О степени аэротехногенного загрязнения территории Мурманской области никелем и медью, свидетельствуют результаты проведенного нами анализа распределения частиц – поллютантов в снежном покрове относительно величины их аэродинамического размера (табл. 2).
Таблица 2
Распределение никеля и меди по степени дисперсности частиц в снежном покрове в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, мг/л
|
Пробные площадки |
Концентрации |
|||||
|
Грубодисперсных частиц (< 1–2,5 мкм) |
Растворимых частиц (> 2,5 мкм) |
Сумма грубодисперсных и растворимых частиц |
||||
|
Ni |
Cu |
Ni |
Cu |
Ni |
Cu |
|
|
1 |
0,979 |
0,981 |
0,468 |
0,432 |
1,447 |
1,413 |
|
2 |
0,201 |
0,112 |
0,110 |
0,060 |
0,311 |
0,172 |
|
3 |
0,008 |
0,005 |
0,008 |
0,005 |
0,016 |
0,010 |
|
4 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,004 |
0,004 |
|
5 |
0,002 |
0,002 |
0,001 |
0,001 |
0,003 |
0,003 |
|
6 |
0,001 |
0,001 |
0,002 |
0,002 |
0,003 |
0,003 |
Установлено, что в техногенных пустошах и в техногенных редколесьях (площадки 1–2) частицы Ni и Cu поступают из атмосферы в основном, в грубодисперсной форме. В дефолиирующих лесах (стадия интенсивной дефолиации – площадки 3–5) количество грубодисперсных и растворимых частиц Ni и Cu в снежном покрове одинаково (50 %). На значительном удалении от комбината (стадия начальной дефолиации – площадка 6) увеличивается доля поступления из атмосферы растворимых форм Ni и Cu (до 60–67 % от суммы), содержащихся в парогазовой фазе, или в составе мельчайших аэрозольных частиц, чьи аэродинамические характеристики не отличаются от газовых. Возрастание растворимых форм соединений тяжелых металлов на значительных расстояниях от комбината, по-видимому, связано с увеличением доли кислот органического происхождения, присутствующих в атмосфере, и способствующих растворению грубодисперсной формы частиц.
Содержание тяжелых металлов в хвое сосны варьирует в зависимости от местоположения пробных площадок. Максимальные концентрации Ni, Cu и Co в хвое установлены в непосредственной близости от комбината «Североникель». С возрастающим расстоянием от комбината количество этих металлов в хвое уменьшается (табл. 3).
Таблица 3
Содержание тяжелых металлов в хвое сосны обыкновенной в исследуемом градиенте техногенного загрязнения, мг/кг сухой массы
|
Пробныеплощадки |
Ni |
Cu |
Co |
Fe |
Pb |
Zn |
Mn |
|
1 |
141 |
62 |
4.6 |
86 |
3.8 |
15 |
111 |
|
2 |
139 |
58 |
4.6 |
79 |
3.6 |
16 |
164 |
|
3 |
27 |
14 |
0.8 |
75 |
1.1 |
45 |
717 |
|
4 |
5 |
5 |
0.2 |
62 |
0.3 |
43 |
820 |
|
5 |
4 |
5 |
0.2 |
62 |
0.3 |
31 |
870 |
|
6 |
3 |
4 |
0.2 |
58 |
0.2 |
28 |
966 |
Полученные нами величины содержания Ni и Cu в хвое от 1,5 до 3 раз, а Co от 1,5 до 2,5 раз ниже величин среднего содержания этих элементов в двухлетней хвое сосны обыкновенной, обнаруженных ранее И.В. Лянгузовой и О.Г. Чертовым по данным на 1988 г. [6] а также Н.В. Лукиной и В.В. Никоновым [5] (по многолетним данным с 1990 по 1996–1998 г.г.), проводившим исследования накопления тяжелых металлов в ассимиляционных органах хвойных растений, произрастающих в зоне действия медно-никелевого комбината. Такое уменьшение накопления хвоей Ni, Cu и Co, может быть связано с сокращением загрязнения атмосферы этими металлами в течение последних лет вследствие реконструкции ряда технологических процессов в металлургическом и в рафинировочном цехах комбината «Североникель». За счет выполнения комбинатом ряда организационных и технических природоохранных мероприятий с 1990 по 1999 годы было достигнуто значительное снижение удельных и валовых выбросов загрязняющих веществ. Внедряются новые проекты, реализация которых намечена на 2000–2015 годы. Во главу угла положены перспективные технологии, такие, как технологии обжига медного концентрата в печах кипящего слоя, а также технологии хлорного выщелачивания металлов. Ведется освоение технологии автогенной плавки медного концентрата, внедряется автоматизированная система управления газовыми потоками [1].
У сосны обыкновенной, произрастающей в условиях интенсивного полиметаллического загрязнения, наблюдается ряд адаптивных физиолого-биохимических реакций (табл. 4).
Таблица 4
Физиолого-биохимические характеристики хвои сосны обыкновенной в исследуемом градиенте техногенного загрязнения
|
Пробные площадки |
Содержание воды, % |
Содержание суммы хлорофиллов, мг/г сырой массы |
Содержание суммы каротиноидов, мг/г сырой массы |
Соотношеие хлорофилла a к хлорофиллу b |
Соотношение каротиноидов к хлорофиллам |
|
1 |
50,9 |
0,38 |
0,107 |
3,6 |
0,28 |
|
2 |
49,3 |
0,45 |
0,116 |
3,1 |
0,26 |
|
3 |
49,5 |
0,42 |
0,111 |
3,4 |
0,26 |
|
4 |
49,9 |
0,34 |
0,096 |
3,6 |
0,28 |
|
5 |
47,7 |
0,39 |
0,106 |
3,6 |
0,27 |
|
6 |
48,3 |
0,44 |
0,114 |
3,5 |
0,25 |
Изменение содержания воды в хвое в целом пропорционально накоплению в ней тяжелых металлов, и, по-видимому, связано с повышением водоудерживающей способности коллоидов протоплазмы в условиях возрастающего техногенного стресса. Это приводит к активации обменных процессов в растительных клетках, и способствует детоксикации физиологически избыточного количества тяжелых металлов, поглощенных хвоей [2].
Пространственное распределение хлорофиллов и каротиноидов в хвое сосны характеризуется большой вариабельностью в зависимости от места отбора проб. Пониженное содержание зеленых и желтых пигментов обнаружено в хвое, произрастающей в условиях техногенной пустоши комбината «Североникель» (площадка 1), и может являться результатом как ингибирования их синтеза высокими концентрациями тяжелых металлов, так и окислительной деградации по свободнорадикальному механизму [2, 3]. Уменьшение содержания хлорофиллов в хвое вблизи комбината возможно обусловлено и резким снижением содержания в ней Mn, который, как известно, стимулирует синтез зеленых пигментов. Повышенные отношения хлорофилла a к хлорофиллу b в хвое сосны может говорить о преимущественном подавлении синтеза хлорофилла b, по сравнению с хлорофиллом a. Увеличение отношения каротиноидов к хлорофиллам в хвое может свидетельствовать об активизации защитной функции желтых пигментов, ингибирующих процессы перекисного окисления липидов в листовых тканях, возникающих под действием тяжелых металлов.
Заключение
В хвое сосны обыкновенной, произрастающей в техногенных пустошах и редколесьях комбината «Североникель», происходит максимальное накопление ряда тяжелых металлов. С возрастающим расстоянием от комбината количество этих металлов в хвое падает. Различные уровни накопления данных металлов хвоей сосны в пределах исследуемой территории Кольского полуострова обусловлены разными уровнями загрязнения ими подстилающей поверхности. Сокращение вредных выбросов в атмосферу от комбината «Североникель» приводит к снижению содержание тяжелых металлов в хвое сосны.
У сосны выявлены неспецифические адаптивные реакции на действие поллютантов. В техногенных пустошах установлено повышенное содержание воды в хвое, что объясняется приспособительной реакцией растения на действие интенсивного полиметаллического загрязнения. Пространственное распределение хлорофиллов и каротиноидов в хвое сосны характеризуется большой вариабельностью. Пониженное содержание пигментов наблюдается в техногенной пустоши вследствие влияния тяжелых металлов.
Изменение технического совершенствования производства на промышленных площадках ГМК вносит существенные коррективы в состояние экосистем не только района г. Мончегорска, но и Кольского полуострова в целом. Происходит частичное восстановление растительности, возвращаются животные, птицы в некогда разрушенный, до черноты сожженный сернистыми выбросами, ландшафт. В данной ситуации важной задачей является поддержание процессов самовосстановления экосистем путем достижения нормативных параметров состояния абиотической составляющей экосистем и, конечно, успешная реализация намеченных планов технического перевооружения медно-никелевого производства в целом.