Cайт Клименко Елены

Результаты исследования загрязнения почв территории промышленных предприятий  и селитебной зоны города Калуги тяжёлыми металлами

И. Н. Лыков, Г. А. Шеставкова, Е. А. Клименко.

Приведены результаты геохимического исследования особенностей и интенсивности распределения тяжелых металлов в почвенных образованиях г. Калуги, определено валовое содержание тяжелых металлов (свинец, цинк, медь, никель, кобальт, марганец, хром, мышьяк, ртуть, кадмий). Проведена обработка геохимической информации, в ходе которой были построены электронные карты суммарного загрязнения почв г. Калуги. Основными загрязнителями почв территории города Калуги являются хром, никель, частично свинец, в незначительной мере цинк, медь, кобальт и мышьяк. Загрязнение почв кадмием, марганцем и ртутью не зафиксировано. Установлено, что умеренно опасный и опасный уровень загрязнения почв тяжелыми металлами активизируют процессы акселерации, проявляющиеся в усилении роста, активизации адаптационных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем. На фоне опасного уровня загрязнения почв тяжелыми металлами наблюдается увеличение дисгармоничности физического развития, увеличение числа подростков с низким уровнем здоровья.

Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, суммарный показатель загрязнения, физическое развитие подростков, уровень здоровья, соматотип, антропометрия, соматометрия.

По мнению ряда авторов [Давыдов Б. И. и соавт., 2003; Еремейшвили, 1999; Иванов А. В.  и соавт., 2003; Лихтшангоф А. З., 1995; Максимова Т. М. и соавт., 1995; Сливина Л. П. и соавт., 1997] современные экологические и социально-экономические условия проживания являются основными причинами ухудшения здоровья населения. А состояние здоровья, как «трудно восполнимый ресурс превратилось в лимитирующий фактор социально-экономического развития» [Гичев Ю. П., 2002]. Особую опасность представляет широкомасштабное загрязнение окружающей среды [Вронский В. А., Саламаха И. Н., 2001; Лебедева Т. Б., Баранов А. Н., 2003]. В результате длительного накопления токсических веществ в атмосферном воздухе, водах и почвах, количество территорий страны, соответствующих требованиям относительно приемлемой экологической чистоты, постоянно сокращалось и достигло к настоящему времени критически малых величин [Гичев Ю. П., 2002]. Почва – одна из главных составляющих природной среды, от состояния которой зависят условия жизни и здоровье населения. В условиях городской антропоэкосистемы основным видом техногенного загрязнения почв является загрязнение тяжелыми металлами. Основными источниками тяжелых металлов в городах являются промышленные и энергетические предприятия, автотранспорт, жилищно-коммунальное хозяйство. Почва, которая находится на пересечении всех транспортных путей миграции ксенобиотиков, является наиболее чутким индикатором геохимической обстановки в регионе.

Наиболее чувствителен к неблагоприятным воздействиям окружающей среды организм детей и подростков. Влияние социально-экономических условий жизни и других факторов внешней среды наиболее выражено в так называемые сенситивные возрастные периоды (грудной и подростковый возраст), когда интенсивно протекают процессы роста и развития [Краснов В. М., Григорьева М. Н., Краснов М. В. и др.,2002]. И, хотя детский организм развивается по чёткой генетической программе, а темпы роста зависят от пола и возраста, имеются многочисленные данные о том, что на его развитие оказывают влияние изменения окружающей среды, бытовые условия и т.д. У подростков происходят глубокие возрастные нейрогуморальные перестройки, которые часто вызывают различные функциональные нарушения или расстройства. Это в значительной степени снижает устойчивость и адаптационные возможности растущего организма [Злобина Е. В., 1994; Карлин А. И., 1997; Колосова Т. С., 2002]. Ведущим критерием состояния здоровья растущего организма является физическое развитие, уровень которого тесно связан с экологическими и социально-экономическими условиями жизни [Матвеева Н. А. и соавт., 1999; Родионов В. А., 2001; Скоблина Н. А., 1998]. Воздействие окружающей среды на организм человека приводит к напряжению его функциональных систем. В последнее время всё чаще негативному воздействию подвергаются сердечно-сосудистая и дыхательная системы. На современном этапе развития общества необходимо не только констатировать факт увеличения или снижения числа экологозависимых заболеваний на той или иной территории, но и иметь возможность выявления предболезненных экологически обусловленных состояний. Таким образом, особую значимость принимает изучение уровня физического развития и состояния функциональных систем организма детей и подростков, проживающих в различных по загрязнённости районах и воспитывающихся в разных социально-экономических условиях.

В ходе выполнения данной работы было проведено геохимическое исследование особенностей и интенсивности распределения тяжелых металлов в почвенных образованиях г. Калуги. Проведено изучение морфофункциональных показателей подростков, показателей функционального состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем и уровня здоровья подростков, проживающих на территориях города с разным уровнем загрязнения почв.

Было проанализировано 1500 образцов почвы. Методика эколого-токсикологической оценки загрязнения почв тяжелыми металлами включала в себя отбор проб, пробоподготовку, исследование валового содержания тяжелых металлов (свинец, цинк, медь, никель, кобальт, марганец, хром, мышьяк, ртуть, кадмий). Исследование почвенных проб на валовое содержание тяжелых металлов выполнено в аккредитованной испытательной лаборатории по качеству пищевых продуктов, продовольственного сырья и экологии (ИЛКППЭ) методом атомно-абсорбционной спектрометрии по стандартным методикам.

Вся геохимическая информация была сведена нами в ряд графических материалов, из которых основной является карта суммарного загрязнения почв г. Калуги, а дополнительными -  моноэлементные карты загрязнения по свинцу, цинку, никелю. Для построения карты суммарного загрязнения мы использовали суммарный показатель загрязнения (СПЗ) или Z_c., который равен сумме коэффициентов концентраций химических элементов-загрязнителей K_ci и K_c. Эти коэффициенты показывают степень загрязнения почв территории предприятий и селитебной зоны по отношению к почвам не загрязненных территорий, имеющих фоновое содержание тех же элементов тяжелых металлов. При подсчете СПЗ мы руководствовались методическими указаниями  по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами Минздрава СССР № 42.66-87, а также МУ 2.1.7.730-99.

Суммарный показатель вычисляли по формуле:

Z_c (СПЗ)=Σ (K_ci+…+K_cn)-(n-1), где

K_ci, (K_cn) – коэффициенты концентрации компонентов загрязнения от i  до n

n –число определяемых элементов, участвующих в подсчете (значения элементов меньше единицы в подсчет не включались)

K_c=C_i (C_n)/C_ф, где

С_ф – значение фона (мк/кг)

С_i (C_n) – концентрация элементов в пробах (мк/кг) от i до n.

Оценку степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по суммарному показателю Z_c проводили по оценочной шкале.

Нами обследованы 1258 учащихся 7-11 классов общеобразовательных школ города Калуги. Был изучен уровень физического развития школьников, проведена оценка уровня физического развития и функционального состояния организма подростков в зависимости от комплекса социально-экономических, гигиенических и экологических факторов.

При изучении индивидуального физического развития подростков мы использовали методы измерения морфологических показателей (соматометрия) и функциональных показателей (физиометрия). При этом оценивали степень гармоничности физического развития (гармоничное, дисгармоничное, резко дисгармоничное), определяли соматотип (мезосоматический, макросоматический, микросоматический) и соотношение массы и длины тела (нормотрофия, дефицит массы тела, избыток массы тела), рассчитывали антропометрические индексы и коэффициенты. Всего по общепринятым методикам было определено и рассчитано более 30 показателей физического развития. Методика оценки физического развития приведена в предложенных методических указаниях. Были рассчитаны следующие индексы и коэффициенты: индекс Коула, индекс Вервека, весоростовой индекс, индекс функциональных изменений и другие. Уровень здоровья определяли, переводя количественные показатели функционирования наиболее важных жизнеобеспечивающих систем в баллы. Для объективного контроля за состоянием физиологических систем человеческого организма с учётом возрастных особенностей подростков был разработан паспорт уровня здоровья.

Полученные данные подвергали статистическому анализу. Вычисления значений средней арифметической (х), дисперсии, σ², среднего квадратического отклонения (σ), ошибки средней арифметической (mх), коэффициента корреляции (r), а также математические расчёты построения графиков осуществляли на персональных ЭВМ в интегрированной системе математических расчётов MathCAD и Microsoft Excel.    

Достоверность различий оценивали по t-критерию Стьюдента (Лакин, 1990). При оценке результатов статистически достоверным принимали уровень различий при р<0,05.

Проведенная нами работа позволила выделить участки на территории города Калуги с чрезвычайно опасным, опасным, умеренно опасным и допустимым загрязнением почвы тяжелыми металлами. Особенно выделены территории проживания подростков, у которых проводили оценку состояния здоровья.

Анализ содержания тяжелых металлов в  пробах почвы, отобранных на территориях города с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения почв, показал, что основными элементами – загрязнителями данных территорий являются свинец, хром, никель, мышьяк, цинк и медь. Все территории с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения почв комплексом тяжелых металлов приурочены к промышленным предприятиям, а основными источниками загрязнения являются цеха металлообработки и отстойники сточных вод.

Территория селитебной зоны г. Калуги к западу и востоку от предприятий относится к зоне опасного загрязнения, что, вероятно, связано с атмосферным переносом со стороны этих предприятий и частично с ливневыми стоками. Кроме того, участки опасного загрязнения почв тяжелыми металлами приурочены к территориям города с разветвлёнными сетями железных дорог, территориям с интенсивным движением автотранспорта, а также к территориям мелких предприятий и автогаражей. В пределах зоны опасного загрязнения на участках, прилегающих к промпредприятиям, суммарный показатель загрязнения основной части анализов проб имеет значения от 34 до 93 ед.   На остальной территории зоны опасного загрязнения суммарный показатель загрязнения  имеет значения от 33 до 49 ед. Исключение составляют три жилых района города, на территориях которых Z_c  имеет значения от 41 до 96 ед. Территория опасного загрязнения охватывает часть селитебной зоны г. Калуги, на которой проживают и учатся обследованные нами подростки.

Основными источниками опасного загрязнения основной части описываемой территории являются промышленные предприятия, а основными металлами-загрязнителями в зоне опасного загрязнения являются свинец, цинк, никель, хром, марганец, медь.

Для уточнения характера загрязнения почв территории этих предприятий и их влияния на прилегающие городские агломерации нами были построены моноэлементные карты загрязнения почв тяжелыми металлами. Оценку степени загрязнения почв проводили с учетом класса опасности элемента, его ПДК и максимального значения допустимого уровня содержания его (К_max) по одному из четырех показателей вредности (К₁-К₄) (МУ 2.1.7.730-99).

В ходе анализа полученных карт, установлено, что никель и свинец  являются одними из основных загрязнителей  почв территории предприятий и жилых массивов. Загрязнение почв никелем связано с производственной деятельностью предприятий, загрязнение почвенных образований свинцом имеет очаговый характер и фиксируется на территории предприятий и на территории  автокооперативов. Процесс загрязнения   длится несколько десятилетий.

Из других элементов загрязнителей  на исследуемой территории следует отметить  хром, концентрация которого в почвах ряда предприятий  достигает градаций очень сильного и сильного загрязнения. Кроме того, сильное загрязнение фиксируется на территориях автогаражей, сосредоточенных в основном в северной части исследуемой территории. Источниками загрязнения являются цеха металлообработки, термообработки, гальваники, отстойники с очистными сооружениями и гаражи.

В соответствии с вышеизложенным,  «львиная доля»  загрузки  в карте суммарного загрязнения  падает на никель и хром. К_о таких элементов, как марганец, кадмий и ртуть ниже единицы, т.е., исследуемая территория относится к градации слабого загрязнения. Что касается элементов медь, кобальт, мышьяк, загрязнение территории слабое, отдельными участками умеренно сильное.

Таким образом, основными загрязнителями почв территории города Калуги являются хром, никель, частично свинец, в незначительной мере цинк, медь, кобальт и мышьяк. Загрязнение почв кадмием, марганцем и ртутью не зафиксировано.

Все обследованные нами подростки были распределены в группы в зависимости от величины показателей суммарного загрязнения почв на территории проживания. Было выделено 3 группы школьников.

1 группа – школьники, проживающие, на территориях с допустимым уровнем загрязнения почв (Z_c менее 16).

2 группа – школьники, проживающие, на территориях с умеренно опасным уровнем загрязнения почв (Z_c 16-32).

3 группа – школьники, проживающие, на территориях с опасным уровнем загрязнения почв (Z_c 32-128).

Анализ результатов физического развития подростков, проживающих на территориях города с  различными значениями суммарного показателя загрязнения почв, показал, что максимальная длина и масса тела отмечена у девочек и мальчиков 1 и 2 группы.  Максимальные значения окружности грудной клетки также отмечены у мальчиков и девочек всех возрастных групп, проживающих на территориях с опасным и умеренным уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами.

Отмечена тенденция к снижению весоростового индекса у мальчиков (что свидетельствует об увеличении дефицита массы тела) и увеличению этого показателя у девочек (что свидетельствует о тенденции к увеличению массы тела) при увеличении содержания комплекса металлов в почве.

Стимулирующее влияние умеренно опасного уровня загрязнения почв комплексом металлов отмечено при исследовании показателей жизненной ёмкости легких подростков.  Как у девочек, так и у мальчиков 3 группы показатели жизненной ёмкости лёгких значительно ниже, чем у подростков 1 группы.

Увеличение содержания комплекса металлов в почвах города приводит к увеличению значений экскурсии  грудной клетки мальчиков и девочек 2 группы. У подростков 3 группы отмечается снижение средних значений экскурсии грудной клетки.

Таким образом, отмечается стимулирующее влияние умеренно опасного (16-32) и опасного загрязнения почв тяжелыми металлами на такие функциональные показатели, как жизненная ёмкость лёгких, экскурсия грудной клетки, время задержки дыхания на выдохе и жизненный показатель. Однако дальнейшее увеличение содержания тяжелых металлов в почвах города приводит к снижению функциональных возможностей дыхательной системы. А увеличение времени задержки дыхания подростков у 3 группы, как на вдохе, так и на выдохе, которые характеризуют устойчивость к гипоксии, является, вероятно, механизмом, компенсирующим снижение жизненной ёмкости.

Следует отметить, что выявленные закономерности изменения функциональных показателей подростков в зависимости от уровня загрязнения почв тяжелыми металлами в большинстве случаев различны для мальчиков и девочек. Так, например, умеренно опасный уровень загрязнения оказывает стимулирующее воздействие на жизненный показатель и показатель устойчивости к кислородной недостаточности у девочек, а опасный уровень загрязнения – у мальчиков.

По мере увеличения уровня загрязнения почв тяжелыми металлами, сокращается число подростков с гармоничным развитием:  девочек с 49,1% до 39,1%, мальчиков с 71,8% до 57,1%. При этом значительно увеличивается число подростков с резко дисгармоничным развитием:  девочек с 23,9% до 30,2%, мальчиков с 8,7% до 25,3%.

Увеличение уровня загрязненности почвы сопровождается увеличением числа подростков со средним, низким и очень низким показателем здоровья, что свидетельствует о неблагоприятном влиянии загрязнения почв территорий проживания на состояние здоровья. Аналогичные результаты получены и для девочек.

Таким образом, умеренно опасный и опасный уровень загрязнения почв тяжелыми металлами активизируют процессы акселерации, проявляющиеся в усилении роста, активизации адаптационных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем. На фоне опасного уровня загрязнения почв тяжелыми металлами наблюдается увеличение дисгармоничности физического развития, увеличение числа подростков с низким уровнем здоровья.

Представленные выше результаты свидетельствуют о наличии техногенного парадокса, который проявляется в стимулирующем влиянии загрязненной окружающей среды на антропометрические показатели подростков.