Атмотехногенное загрязнение снежного покрова

Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из атмосферы на земную поверхность значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом. Этот метод экспрессной оценки состояния среды успешно применяется во многих городах тундровой, таежной, лесостепной и отчасти степной зон.

Вокруг промышленных центров техногенные ореолы запыленности снежного покрова, выявленные со спутников, в 2-3 раза выше фонового уровня. Особенно велики площади загрязнения в Московском, Донецко-Криворожском, Кузбасском, Уральском территориально-производственных комплексах. Техногенные ореолы пыли в снежном покрове в десятки раз превышают площадь городской застройки (см. рис. 3) и в 2-3 раза контрастнее ореолов в атмосферном воздухе.

Рис.3. Типичные телевизионные изображения с искусственных спутников "Метеор- -Природа" ореолов вокруг крупных промышленных центров в весенний период около срока устойчивого перехода средней суточной температуры в городе через 0С.

Опробование снега проводится обычно перед началом таяния на всю его мощность специальными полихлорвиниловыми пробоотборниками. Сплошной снежный покров позволяет проводить массовое площадное опробование территории города и его окрестностей по регулярной, полурегулярной сети или векторным способом. Достоверные верные пространственные структуры загрязнения получают при взятии одной пробы на 1 км² на открытых площадках, удаленных на 150-200 м от воздействия автотранспорта или других локальных источников.

Пробы снега растапливают при комнатной температуре и воду фильтруют под давлением или пропускают через газ. При мониторинге снежного покрова обычно исследуются две фазы - растворенная, прошедшая через ядерные фильтры диаметром не менее 0,45 мкм и минеральная (пыль), оставшаяся на фильтрах. Такой фазовый анализ позволяет получить информацию о пространственном распределении наиболее подвижных водорастворимых форм химиче­ских элементов и форм (сорбированных, карбонатных, гидроксидных и др.), связанных с минеральными и органо-минеральными носите­лями. Техногенные ореолы этих форм нахождения имеют разные площадь, контрастность и элементный состав. Наибольшее индика­ционное значение имеют количество и химический состав пыли, на долю которой приходится обычно 70-80% от общего баланса эле­ментов в пробах снега.

После аналитического определения компонентов (соединений азота, фтора, тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов и др.) рассчитываются коэффициенты техногенной концентрации или аномальности элементов и соединений К_с по сравнению с фоном, а также показатели общей пылевой нагрузки (Геохимия..., 1990):

Р_обвщ..= С  Р_п (г/см²  т/км² или мг/ км²сут), где

С - концентрация химических элементов в снежной пыли, мг/кг;

Р_п - пылевая нагрузка, кг/км²сут. Тогда коэффициент относительной техногенной нагрузки

К_р = Р_общ. / р_ф , при Р_ф = С_ф  Р_пф, где

р_ф - фоновая нагрузка элемента; С_ф - фоновое содержание иссле­дуемого элемента; Р_пф - пылевая фоновая нагрузка, для Нечерноземной зоны, например, равная 10 кг/км²  сут.

Для полиэлементных техногенных аномалий часто используются суммарные показатели загрязнения Z_с или нагрузкиZ_р, характеризующие степень загрязнения целой ассоциации элементов относи­тельно фона:

где

К_с - коэффициенты техногенной концентрации больше 1 (или 1,5),

п - число элементов с К_с> 1 (или 1,5). В практике геохимических исследований считается, что аномальные зоны с Z_с>100-120 характеризуют высокий и опасный уровень загрязнения (Геохимия..., 1990).

Техногенная геохимическая трансформация городской среды зависит от видов преобладающих производств и конкретной ландшафтной ситуации. Выделяются пять основных групп поллютантов: 1) макрокомпоненты снеговых вод - пыль, сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, хлор, фтор, минеральные формы азота и фосфора и др.; 2) тяжелые металлы и другие микроэлементы, органи­ческие соединения; 3) фенолы, формальдегид и др.; 4) полицикличе­ские ароматические углеводороды; 5) радионуклиды. Другие токсич­ные вещества - полихлорбифенилы, пестициды, диоксины, очевидно, также загрязняют городскую среду, но их распределение в снежном покрове городов практически не изучено.

Трансформация общего химического состава снега. Выбросы пыли, оксидов серы, азота, углерода приводят к техногенной трансформа­ции химического состава снеговых вод. Во многих городах выбросы оказывают противоположное влияние на химический состав снега. При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду (цементная, строительная промышленность, теплоэнергетика, черная металлургия, производство аммиака) наблюдается подщелачивание снеговых вод до 8,5-9,5 и увеличение содержания кальция, магния, гидрокарбонат-ионов за счет растворения техногенных карбонатов, содержащихся в пыли. Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия, коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к. подкислению снеговых вод. Иногда наблюдается зональность щелочно-кислых условий: во внутренней зоне загрязнения воды имеют щелочную реакцию, во внешней зоне – более кислую. В среднем нагрузка сульфатов (2-3 т/ км² в год), нитратов (0,5-1,0), аммония (около 1 т/км² в год) на города почти на порядок выше, чем на малонаселенные районы.

При подщелачивании и подкислении происходит увеличение минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO₄^2-/Cl^- в снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. К>10 обычно характеризует достаточно сильную трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.

Тяжелые металлы в снежном покрове. Пространственная связь и качественный состав микроэлементов позволяют четко индицировать техногенные источники загрязнения. Растворимые и минеральные формы металлов имеют разное индикационное значение. Так, в г. Тольятти производство азотных удобрений сопровождается контрастными техногенными аномалиями растворенного никеля при низких его концентрациях в минеральной составляющей снега. Особенно контрастны ореолы тяжелых металлов вокруг заводов черной и цветной металлургии, где Z_с в эпицентрах ореолов достигают сотен единиц. Поставка пыли заводами черной металлургии ведет к образованию техногенных аномалий минеральных форм металлов. Выбросы алюминиевых заводов (г. Братск) наряду с пылью содержат растворимые фториды алюминия и других металлов. Поэтому аномалия водорастворимых алюминия, цинка, хрома в 1,5-2 и более раз контрастнее аномалий их валовых форм.

Полициклические ароматические углеводороды. К ПАУ относятся сотни соединений, среди которых наиболее токсичны 3,4-бенз(а)пирен (БП) и 1,12-бензперилен (БПЛ), особенно часто определяемые в объектах окружающей среды.

В настоящее время 3,4-бенз(а)пирен в 70-80% случаев занимает первое место среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в городах бьющего СССР. Техногенные аномалии ПАУ часто имеют более компактную конфигурацию и высокую контрастность по сравнению с тяжелыми металлами, формируясь в снежном покрове вокруг металлургических комбинатов и ТЭЦ в радиусе до 3-8 км. Наиболее интенсивное загрязнение ПАУ установлено в городах с черной в цветной, главным образом алюминиевой, промышленностью (города Красноярск, Липецк, Братск, Магнитогорск, Чере­повец), где на промплощадках выпадает от 4 до 250 г/км²сут, что в тысячи раз больше фоновых значений. Предельно допустимые концентрации ПАУ, в частности для 3,4-бенз(а)пирена, установлены только для водоемов - 5 нг/л. Фоновые концентраций БП в снеговой воде Среднего Поволжья составляют 5-10 нг/л. В г. Тольятти они выше в 2-10 раз. Так как ПАУ концентрируются в пылевой состав­ляющей снега, то контрастность их техногенных аномалий в аэрозо­лях снега значительно выше. Так, в Поволжье при фоне БП в аэрозо­лях снега отмечено 20-40 нг/г. Например, в г. Тольятти его содержа­ние достигает 2-3 тыс. нг/г, т.е. больше в 100-300 раз.

Многие ПАУ канцерогенны, поэтому изучение их распростране­ния в окружающей среде имеет не только индикационное, но и медико-гигиеническое значение.

Геохимия почвенного покрова

Почвенный покров города - это сложная и неоднородная природно-антропогенная биогеохимическая система. На фоне искусствен­ных техногенных образований - асфальтированных улиц, площадей, автострад - встречаются антропогенно измененные и естественные почвы (дворы, парки, бульвары, пустыри). Продукты техногенеза выпадают на земную поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав и вновь включаются в природные и техногенные циклы миграции. По характеру геохимического изменения естественных и слабо измененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить о степени их техногенной трансформации.

Существенное значение для формирования геохимического "фона" городских почв имеют длительность и характер промышлен­ного развития города в историческое время. Исследования А.К. Евдокимовой культурных слоев Новгорода, Пскова и Самар­канда показали, что антропогенное геохимическое воздействие в доиндустриальный период уже привело к заметному загрязнению почв этих городов тяжелыми металлами (в среднем в 6-8 раз выше фона почвообразующих пород). Поэтому в настоящее время почвен­ный покров древних городов даже с ограниченной современной промышленной нагрузкой может быть существенно загрязнен.

Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсив­ность загрязнения в течение последних 20-50 лет. Минимальное время формирования достаточно контрастных педогеохимических аномалий зависит от типа воздействия и составляет в среднем 5-10 лет, хотя для отдельных элементов (мышьяк, цинк) это может быть 1-2 года. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях, так как они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия. Поэтому педогеохимическая индикация и картографирование являются одним из основных методов оценки экологического состояния городов. По загрязнению почвенного покрова такие оценки проведены во многих регионах.

Техногенная трансформация свойств почв и условий миграции хи­мических элементов. По эффекту воздействия на городские почвы техногенные вещества могут быть объединены в две группы (Глазовская, 1988). Педогеохимически активные вещества преобладают по массе в выбросах, изменяют щелочно-кислотные и окисли­тельно-восстановительные условия в почвах. Это в основном не­токсичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками -

железо, кальций, магний, щелочи и минеральные кислоты. При достижении определенного предела подкисление или подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Педогеохимически активны и некоторые газы, например сероводород и метан, изме­няющие окислительно-восстановительную обстановку миграции.

Биохимически активные вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно типичные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты с низкими кларками (ртуть, кадмий, свинец, сурьма, селен и др.), образующие более контрастные относительно фона ореолы и представляющие опасность для биоты и человека.

В городах поступление пыли на поверхность на порядок и более выше, чем в естественных фоновых ландшафтах. В городской пыли преобладают макроэлементы - железо, кальций и магний. С этим связаны два геохимических следствия атмотехногенной поставки пыли на территорию города - ожелеэнение почв, практически не влияющее на щелочно-кислотные и окислительно-восстановитель­ные условия миграции элементов, и карбонатизация почв, ведущая к увеличению их щелочности, насыщению поглощающего комплекса основаниями, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты. При значительном и длительном поступлении карбонат­ной пыли в кислые и нейтральные почвы происходит изменение класса водной миграции ландшафта. В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые (Н⁺, Н⁺ - Fе²⁺), нейтральные и нейтральные глеевые (Н⁺- Са²⁺, Н⁺ - Са²⁺, Fе²⁺) классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые (Са²⁺, Са²⁺ - Fе²⁺) классы водной миграции. Такой щелочной тип техногенной трансформации почв детально изучен В.Г. Волковой и Н.Д. Давыдовой (1987) в районе Назаровской ГРЭС в Канско-Ачинском районе и О.В. Моисеенковым (1989) в г. Тольятти, находящимся под влиянием выбросов цементно­го завода, где увеличение рН верхних горизонтов серых лесных и дерновых лесных почв (фон 5,5) достигает 2,5-3 единиц. Формируют­ся особые природно-техногенные почвы, сочетающие в своих мор­фологических и физико-химических свойствах реликтовые признаки естественных лесных почв (элювиально-иллювиальная дифферен­циация профиля, кислая реакция средних и нижних горизонтов) и техногенные эпигенетические признаки (нейтральная, слабощелоч­ная и даже щелочная реакции дерновых и гумусовых горизонтов, насыщенность поглощающего комплекса и др.). Щелочная техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности, уменьшению возмож­ности выноса и миграционной способности многих поллютантов и прежде всего тяжелых металлов. В степной и пустынной зонах процессы карбонатизации почв менее заметны. Загрязнение город­ских почв макро- и микроэлементами сопровождается трансформа­цией почвенно-геохимической структуры территории. В первую очередь резко возрастает радиальная геохимическая дифференциа­ция почвенного профиля за счет накопления поллютантов в верхних горизонтах. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах техногенная аккумуляция затушевывает фоновую элювиально-иллювиальную дифференциацию профиля. Наоборот, в черноземах равномерное распределение металлов сменяется поверхностно-аккумулятивным (Белякова, Гусейнов, Понарина, 1990). Атмотехногенное загрязнение автономных, почв, усиление ливневого поверх­ностного стока, подтопление загрязненными грунтовыми водами определяют аккумуляцию токсичных веществ в почвах подчиненных ландшафтов. В связи с этим, преобладающие в фоновых условиях сопряженные виды почвенно-геохимических катен в городах сменя­ются резко дифференцированными аккумулятивными видами. Неравномерность загрязнения почвенного покрова городов ведет к появлению случайных соотношений химических элементов между почвами автономных и подчиненных ландшафтов.

Детальные исследования влияния городского "рельефа" показали, что жилые и промышленные здания служат механическими барьера­ми для воздушной миграции техиогенных веществ, и рядом с ними в почвах образуются более контрастные аномалии поллютантов.

Тяжелые металлы в почвах. Сосредоточение промышленности, теплоэнергетики, автотранспорта и муниципальных отходов в городах ведет к образованию в городских почвах техногенных аномалий тяжелых металлов и других микроэлементов (рис.4).

Рис. 4. Распределение свинца в почвах г. Тольятти (по данным опробования поверхностного горизонта почв, 800 проб).

Аномальные зоны металлов в почвах - это участки наиболее интенсивного импактного воздействия на городскую среду, они служат индикатором техногенного загрязнения и представляют опасность для животных и человека, особенно детей.

Эколого-генетическое и гигиеническое нормирование. Для оценки контрастности и экологической опасности техногенных ореолов тяжелых металлов в почвах используется несколько подходов. Педогеохимическая индикация загрязнения почв так же, как воздуха и снега, основывается в первую очередь на сопоставлении загрязненных городских почв с их фоновыми аналогами. Это достигается расчетом К_с, показывающего, во сколько раз содержание элементов в городских почвах выше его содержания в фоновых почвах. Коэффициент К_с отражает интенсивность загрязнения, но не указывает непосредственно на его опасность.

Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв используются ПДК элементов, полученные экспериментально. По мнению М.А. Глазовской (1988) предельно допустимый уровень состояния почв - это тот уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и качество создаваемого вновь живого вещества, т.е. биологическая продукция.

Сильная дифференциация природного фона тяжелых металлов затрудняет разработку жестких критериев предельных уровней содержания элементов для почв различных природных зон и областей. В работах почвоведов Н.Г. Зырина и А.И. Обухова (1988) и других показано, что основными факторами, влияющими на ПДК тяжелых металлов в почвах, являются их щелочно-кислотные свойства (статус) и содержание гумуса, определяющие устойчивость почв к загрязнению этими элементами.

Для кадмия и свинца зависимость между рН почв и ПДК почти линейная, т.е. в кислых и щелочных почвах их ПДК могут отличаться почти на порядок. Поэтому ПДК необходимо устанавливать хотя бы для крупных почвенно-геохимических регионов со сходными щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, обладающими близким уровнем устойчивости к загрязняющим веществам. Такая шкала нормирования для лесных почв приведена в табл. 6.

Средние уровни содержания элементов соответствуют наиболее часто встречающимся околокларковым значениям или немного ниже их. Поэтому при отсутствии детальных исследований фоновой ландшафтно-геохимической структуры территории в качестве фонового показателя можно использовать кларки элементов в литосфере.

Таким образом, содержание химических элементов в городских почвах нормируется обычно через значения почвенно-геохимического фона, кларки литосферы и предельно допустимые концентрации почв одной геохимической ассоциации.

В полиэлементных очагах загрязнения токсичность отдельных элементов может суммироваться и оказывать синэгретическое воздействие на живые организмы. Одним из простых способов оценки контрастности техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения почв относительно фонового уровня по той же формуле, что для воздуха и снега. По этому показателю можно сравнивать степень загрязнения почвенного покрова различных городов.

Особенно контрастные аномалии образуют подвижные формы металлов, извлекаемые различными растворителями. Эти формы доступнее и экологически более опасны для живых организмов. Однако из-за значительного варьирования содержания и разнообразия методов экстракции металлов из различных по свойствам и составу почв, надежные предельно допустимые концентрации подвижных форм тяжелых металлов практически не разработаны.

Загрязнение почв тяжелыми металлами. Почвенно-геохимический анализ состояния городской Среды начинается со сплошного сетевого геохимического опробования поверхностных горизонтов (0-5 см) почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на км². Реальная картина загрязнения почв промышленного города получается при почвенно-геохимической оценке по сети 500х500 м, т.е. 9 проб на 1 км², что позволяет дифференцировать территорию города на районы с различными уровнями загрязнения.

Почвенный покров большинства городов аномален по тяжелым металлам. Геохимическое опробование почв г. Тольятти (около 1000 проб) показало, что от 30 до 80% территории города занято техногенными аномалиями тяжелых металлов, правда небольшой контрастности. Вокруг промышленных предприятий и других техногенных источников формируются зоны более сильного загрязнения. Поэтому на следующем этапе работ проводят оценку аномальных полей с идентификацией источников загрязнения. Затем обычно исследуются механизмы миграции и концентрации поллютантов в городских ландшафтах, анализ степени их техногенной геохимической трансформации, что завершается почвенно-геохимическим зонированием территории города с учетом природных факторов, влияющих на загрязнение почв, уровней концентрации и ассоциации загрязнителей.

Основным методом интерпретации и анализа полученных данных является почвенно-геохимическое картографирование города. На основе ГИС составляются как моноэлементные карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показаны зоны загрязнения отдельными элементами, так и карты суммарного загрязнения почв города несколькими элементами по значениям показателя Z_c.

Наиболее высокие уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Z_c больше 120, до 500-1000) установлены для городов с цветной и черной металлургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Белово, Магнитогорск и др.), где в эпицентрах аномалий содержания металлов в десятки раз выше ПДК. Сильное загрязнение характерно также для центров тяжелого машиностроения, приборостроения и нефтехимии, где средние уровни составляют десятки, а максимальные значения - первые сотни условных единиц. Для предприятий химической промышленности характерно сильное загрязнение специфическими газами (сероводород, ацетон, фтор, аммиак и др.) и более низкие уровни загрязнения тяжелыми металлами. Обычно их аномальные поля примыкают непосредственно к промышленным зонам.

Наряду с выбросами предприятий в промышленных городах имеются участки, где складируются открытым способом бытовые и промышленные отходы (шлако- и золоотвалы, хвостохранилища, свалки). По степени концентрации (сотни и тысячи кларков) и комплексу тяжелых металлов они не уступают выбросам, являясь источниками повторной эмиссии в окружающую среду. В результате воздушной и водной миграции вокруг отвалов и свалок формируются техногенные ореолы, площадь которых в несколько раз больше территории, отведенной под отходы.

Особенно контрастны техногенные ореолы подвижных форм металлов. K_c этих форм в ореолах в 5-10 раз выше, чем у валовых форм. Контрастность техногенных аномалий увеличивается в ряду: валовые формы - непрочносорбированные формы (экстрагируемые однонормальной соляной кислотой) - органо-минеральные (ЭДТА-растворимые) формы - карбонатные и обменные (ацетатно-растворимые) формы. Установлено, что лучшее индикационное значение имеют оценки состояния почвенного покрова по непрочносорбированным формам.

Распределение подвижных форм элементов во многом определяется ландшафтно-геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах побережий рек, озер и водохранилищ, куда загрязняющие вещества поступают с поверхностным внутрипочвенным и грунтовым стоком.

Особые виды городов формируются в рудных районах с горнодобывающей и металлургической специализациями. В этих условиях на высокие природно-аномальные концентрации рудных элементов накладывается техногенное загрязнение этими же элементами от обогатительных фабрик и заводов цветной металлургии. Для них характерна низкая контрастность аномалий рудных элементов в почвах (всего лишь в 3-8 раз выше природно-аномального «фона») при очень высоких содержаниях. Для таких городов при оценке суммарного загрязнения металлами вместо коэффициента аномальности K_c указывающие на степень отклонения местных рудогенно-техногенных аномалий от нормального (околокларкового) экологического уровня содержания тяжелых металлов в почвах и породах.

ПАУ в почвах. Хорошим геохимическим индикатором загрязнения почв являются уровни концентрации и состав ПАУ. Исследования в Среднем и Нижнем Поволжье, Приангарье показали, что фоновые значения суммы ПАУ в различных типах почв колеблются от 5 до 20 нг/г. В городах развитие автотранспорта и промышленности приводит к повсеместному загрязнению почв ПАУ. В промышленных городах концентрации ПАУ в почвах вокруг техногенных источников в десятки и сотни раз превышает геохимический фон этих соединений. Аномалии приурочены к самым верхним дерновым и гумусовым горизонтам, ниже по профилю содержания ПАУ резко падают. Наиболее контрастны техногенные аномалии 5-7 кольчатых голоядерных ПАУ (3,4 - бензпирена, 1,12-бензпирена, тетрафена, трифенилена), что позволяет четко индицировать источники загрязнения. Концентрации наиболее часто определяемого 3,4-бензпирена в аномалиях достигают нескольких сот нанограмм на грамм, что в десятки и даже сотни раз выше фоновых значений. Состав ассоциации ПАУ в загрязненных почвах можно использовать Для оценки их экологического состояния. Так исследования динамики воздействия Астраханского газоконденсатного комбината на распределение ПАУ в почвах (1990) показали, что за два года его работы в верхних горизонтах пустынных почв в несколько десятков раз возросло содержание техногенных голоядерных структур ПАУ (пирена, фенантрена, в некоторых случаях 3,4-бенз(а)пирена и др.). Уменьшение соотношения природных и техногенных ПАУ например сложных алкилированных фенантренов к незамещенному фенантрену, служит чувствительным геохимическим индикатором самых первых стадий техногенного воздействия. Поэтому в почвах городов техногенные аномалии ПАУ сопоставимы по контрастности или даже более контрастны, чем аномалии тяжелых металлов, для формирования которых требуется большое время.

Биогеохимия городской среды

Растительный покров городов находится под мощным техногенным прессом поллютантов, поступающих в растения из воздуха и загрязненных почв. Растения - один из наиболее чутких индикаторов изменения состояния городской среды. Поэтому биологические методы, основанные на ответных реакциях организмов на техногенное воздействие, широко используют при оценке загрязнения окружающей среды.

Городские растения испытывают негативное воздействие значительного числа поллютантов: оксидов серы, азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора, фотохимического загрязнения, углеводородов и др. Наибольшую опасность для растений представляют выбросы в атмосферу диоксида серы, содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также фтористого водорода, образующегося при производстве алюминия и фосфатов. Высокие концентрации SO₂ и HF в атмосферном воздухе ведут к некрозам и хлорозам листьев, преждевременному сбрасыванию игл и листьев, замедлению роста и снижению продуктивности. Эти негативные последствия возникают и при воздействии высоких доз микроэлементов.

В атмосферных потоках основная доля микроэлементов содержится в аэрозолях, которые выводятся из атмосферы вместе с осадками. Растительный покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Металлосодержащие аэрозоли абсорбируются поверхностью листьев (свинец), механическим путем или в растворенном виде проникают в устьица (цинк, кадмий). Часть металлов поступает в растения из загрязненных почв. Таким образом, аккумуляция металлов растениями зависит от: а) особенностей поверхности растения (опушенность листьев, наличие воскового слоя, характера шероховатости, смачиваемости и клейкости); б) количества атмосферных осадков, их рН, скорости ветра и влажности воздуха, определяющих вынос элементов из растений; в) физических и химических свойств загрязняющих частиц и соединений металлов (размеры частиц, их форма, растворимость и др.). Считается, что мхами металлы поглощаются в процессе ионного обмена с образованием хелатов, а лишайниками в результате пассивной диффузии аэрозольных частиц в клеточные структуры.

Кислые осадки образуются при выпадении оксидов серы из атмосферного воздуха. Они способствуют подкислению коры деревьев (до 2,5-3,0), растворению аэрозолей, содержащихся на поверхности органов и более активному поглощению катионов металлов (свинца, цинка, кадмия). Подщелачивание осадков в зонах воздействия ТЭЦ, цементных заводов способствуют повышению рН коры и листьев. При значении рН больше 8 оно имеет токсичный эффект и может привести к растворению содержащихся в аэрозолях анионогенных элементов (молибдена, хрома, ванадия).

Биогеохимическая индикация и оценка состояния городской среды основаны на способности растений аккумулировать загрязняющие вещества вблизи техногенных источников. Она включает определение уровней содержания тяжелых металлов и других поллютантов в растениях города, выбор индикаторных видов и органов растений для опробования, выявление биогеохимических ореолов загрязнения вокруг промышленных и коммунальных источников.

Биогеохимическая индикация состояния городской среды в отличие от изучения снежного покрова дает информацию о загрязнении территории преимущественно в теплое время - период вегетации растений и достаточно активной водной миграции поллютантов, поступающих в растения из загрязненных почв. Зимой растения выступают только как депонирующие поверхности.

На региональном фоне растительный покров города в целом обычно выглядит как средне- и слабоконтрастная аномалии. Промышленные города имеют различную биогеохимическую специализацию, зависящую от состава приоритетных загрязнителей.

Н фоне этой относительно низкой биогеохимической аномальности на территории города, особенно вокруг развеваемых золо- и шлакоотвалов, свалок и других мест открытого складирования отходов, практически не фиксируемых по снежному покрову и почвам, образуются контрастные аномальные зоны, прилегающие к техногенным источникам. Контрастность этих сравнительно локальных аномалий составляет десятки и даже сотни единиц фонов (табл. 7).

Таблица 7.

Биогеохимическая специализация некоторых городов

Город	Промышленная специализация	Биообъекты	Формула (по средним Kc	Приоритетные загрязнители (Kc макс)
Братск	производство алюминия, лесохимия	кора сосны	Zn20 Pb10 V8 Cd5 Cr4	Zn60 Pb12
Тольятти	автомобилестроение, производство азотных и фосфорных удобрений, теплоэнергетика	клен, кора сосны	Cr15 Zn10 Cd9 Cu7 Ni15 Pb4	Cr, Ni300-400 Pb, Cu10-15
Иновроцлав (Польша)	производство стекла, соды, асфальта	злаки	Zn5Pb4Cu4Cd3 Ni3Cr3	Zn10Pb8Cd5
Улан-Батор (Монголия)	теплоэнергетик, пищевая и легкая промышленность	злаки	Cd3Zn2Ni2Pb1,2	Zn70Pb50-60 Cr30Cd5-10
Моа (Куба)	производство никеля	листья манго плоды манго	Ni25Cr17Cd8Mn4 Zn2Fe2Co2 Fe18Mn16Cd8Zn6 Pb3Ni12Cr1	Ni20-30Cr15-25 Cd10-12

Запыленность атмосферы города в десятки раз выше, чем в фоновых ландшафтах. Атмотехногенная поставка пыли на поверхность растений подавляет, но не полностью нивелирует видовую биогеохимическую специализацию растений. Среди определяющих ее ведущих факторов в этих условиях на первый план выходят не особенности поглощения элементов из питающей среды (почв), а величина и свойства депонирующей поверхности. В связи с этим индикационное значение лиственных растений выше, чем травянистых растений. На рис. 5 показаны средние (K_c) и аномальные (K_a) концентрации элементов в полыни горькой и клене американском в г. Тольятти. Состав техногенной ассоциации элементов в этих видах типичен для растительности города в целом, но контрастность аномалий основных загрязнителей - хрома и никеля - у клена американского выше, чем у полыни горькой примерно в 50 раз. В фоновых ландшафтах содержания хрома и никеля в древесных и травянистых растениях различаются всего лишь в 1,5-2 раза.

Рис. 5. Коэффициенты техногенной концентрации металлов в растениях г. Тольятти: а) полынь горькая; б) клен американский, 1- аномальное значение, 2- городской субфон (Батоян, Касимов и др.Б 1990).

Как показали исследования в городах Тольятти, Братске и Улан-Баторе, одним из эффективных индикаторов загрязнения воздушного бассейна города является кора деревьев, особенно сосны, не имеющая физиологических пределов поглощения для загрязняющих веществ и способная к аккумуляции поллютантов. Кору деревьев можно рекомендовать в качестве универсального биоиндикатора загрязнения в городах. Биогеохимические ореолы в коре сосны гораздо протяженнее и на порядок контрастнее, чем в снеге и почвах. Важное индикационное и медико-экологическое значение имеет изучение сельскохозяйственной продукции, выращиваемой в городах.

Техногенные потоки в водах и донных отложениях

Промышленная и муниципальная деятельность ведут к значительной техногенной трансформации водного баланса на их территории. Наряду с изменениями гидрогеологических условий (подтопление, осушение, просадка и пр.) одной из основных форм техногенной деформации городской среды является загрязнение поверхностных и подземных вод промышленными и коммунальными стоками. Поэтому гидрогеохимические исследования представляют собой необходимый блок комплексного анализа городской среды.

На территории города можно выделить следующие основные направления в оценке загрязнения водных потоков, характеризующие водооборот города как сложную миграционную систему. Первое - определение состава канализационных промышленных и муниципальных стоков как интегральных индикаторов отходов, поступающих в жидком виде в окружающую городскую среду и имеющих различную степень полноты очистки. Нередко даже так называемые условно чистые стоки содержат высокие концентрации загрязнителей в десятки и сотни раз превышающие предельно допустимые, и являются, в свою очередь, дополнительным источником загрязнения, особенно если они сбрасываются в открытые водоемы (озера, реки, водохранилища).

Второе направление - изучение стоков с территории города, поступающих в канализационную сеть, коллекторные каналы, в отстойники и т.д. Химический состав таких стоков отражает общую картину состояния городской территории. При неблагополучном состоянии канализации они также могут служить вторичным источником загрязнения, главным образом подземных вод.

Гидрогеохимические особенности вод поверхностного стока в городах существенно отличаются от фоновых условий. Меняются химический состав вод, степень их минерализации, содержание и соотношение макрокомпонентов. Исследования в Москве, Подольске, Курске и Тольятти показали, что слабоминерализованные (200-400 мл/г) гидрокарбонатные фоновые воды в городах становятся солоноватыми (1 г/л и выше), гидрокарбонатно-сульфатными, а в период снеготаяния, когда растворяются противогололедные смеси, - хлоридными натриевыми. В среднем в городских поверхностных стоках содержание хлора, сульфат-, нитрит- и фосфатионов, натрия и калия в десятки и сотни раз больше, чем в фоновых условиях. При этом на твердой заасфальтированной поверхности резко увеличивается ионный сток, который здесь на порядок выше, чем в естественных и сельскохозяйственных ландшафтах.

Особенно характерно для этих вод присутствие синтетических загрязняющих веществ - фенолов, нефтепродуктов, поверхностноактивных веществ (ПАВ), полихлорбифенилов (ПХБ), - в ряде случаев усиливающих миграцию тяжелых металлов за счет образования с ними растворимых комплексных соединений. Поэтому в отличие от фоновых вод в загрязненных поверхностных водах города происходит увеличение растворимых, главным образом органических форм кадмия и никеля, образующих с ПАВ достаточно устойчивые хелатные соединения. Этот вопрос подробно освещен в монографии Дж. Мура и С. Рамамурти «Тяжелые металлы в природных водах» (Мир, 1987). Наоборот, для ртути, меди, цинка и свинца увеличивается доля техногенной взвеси, в которой они находятся преимущественно в геохимически подвижных сорбционно-карбонатных, органических и гидрооксидных формах, что позволяет им включиться в техногенную миграцию.

В связи с этим важное значение приобретает третье направление гидрогеохимических оценок городской среды - изучение состояния конечных звеньев водооборота сточных и поверхностных ливневых вод (речных и подземных вод), качество которых в результате техногенеза все больше ухудшается, а также донных отложений (техногенных илов), служащих интегральным индикатором техногенной нагрузки на водосборы в пределах города. Так, в Тольятти условно-чистые стоки и воды после очистных сооружений сбрасываются в Куйбышевское и Саратовское водохранилища. Содержание нефтепродуктов, ПАУ и тяжелых металлов в местах сбросов, несмотря на сильное разбавление, в десятки раз выше ПДК, что создает экологическую опасность для водной биоты и питьевого водоснабжения.