БИОМОНИТОРИНГ ВОЗДУШНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ ПРИИРТЫШЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН - Студенческий научный форум

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

БИОМОНИТОРИНГ ВОЗДУШНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ ПРИИРТЫШЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Нуркасимова М.У. 1, Омарова Н.М. 2, Фронтасьева М.В. 3, Моржухина С.В. 1, Попова Е.С. 4, Моржухин А.М. 4, Чепурченко О.Е. 5
1Университет “Дубна”, Кафедра химии, новых технологий и материалов
2Евразийский национальный университет, Кафедра химии
3Объединенный институт ядерных исследований, сектор нейтронного активационного анализа и радиационных исследований Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка
4Государственный университет "Дубна", Кафедра химии
5Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория нейтронной физики
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Защита окружающей среды от вредного антропогенного воздействия предполагает два главных направления деятельности: контроль и управление. Мониторинг должен обеспечить выполнение первой из них: организацию постоянного наблюдения за состоянием окружающей среды.

К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а. е. м. Иногда тяжелыми металлами называют элементы, которые имеют плотность более 7-8 тыс. кг/м3 (кроме благородных и редких). Так как многие тяжелые металлы имеют свойство накапливаться, негативные последствия от их воздействия на окружающую среду могут проявляться медленно. Повышенные концентрации тяжелых металлов в почвах, грунтовых водах приводит к замедлению роста деревьев, сельскохозяйственных культур, а накопление их в организме человека может пагубно отразиться на здоровье следующих поколений. Отсюда вытекает необходимость мониторинга атмосферных выпадений элементов-загрязнителей. [1- 5]

29 января 2014 года в Париже на 27-й сессии Целевой группы по растительности состоялась передача функций координационного центра Международной программы мониторинга и оценки воздействия загрязнителей воздуха на растительность от Великобритании к России – в Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ). Было отмечено, что Конвенция ООН по трансграничному дальнему переносу воздушных загрязнений особенно заинтересована в расширении Программы ООН на Кавказ (Армения, Азербайджан, Грузия), Казахстан и страны Центральной Азии в будущем.

Восточно-Казахстанская и Павлодарская области характеризуются кризисной экологической ситуацией. Интенсивное промышленное развитие, а также последствия ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне привело ко многим нежелательным результатам — загрязнению атмосферного воздуха, воды и почв, нарушению водного режима. Всё это представляет серьезную проблему, требующую срочного и активного вмешательства как на научно-исследовательском, так и на административном уровне.

Метод мхов-биомониторов для решения конкретных экологических задач в стране впервые был использован для определения атмосферных выпадений элементов на территории Прииртышья Республики Казахстан, отличающегося достаточно высокой степенью загрязнения атмосферы.

Восточно-Казахстанская и Павлодарская области в силу сложившегося социально-экономического развития являются одними из наиболее неблагополучных регионов республики по состоянию окружающей среды, а город Усть-Каменогорск одним из загрязненных городов Казахстана, представляющим собой уникальную урбанизированную систему, перенасыщенную предприятиями самой различной технологической ориентации. Наличие большого числа предприятий и высокий уровень радиации определяют актуальность этих исследований.

С конца 1970-х годов в Западной Европе для изучения атмосферных выпадений тяжёлых металлов используется единая методика, предложенная скандинавскими учёными – метод мхов-биомониторов с использованием видов мха, широко распространённых в странах с умеренным климатом. Мхи, ввиду особенностей их строения, эффективно концентрируют следовые элементы из воздуха и осадков. Они служат аналогами аэрозольных фильтров и являются живыми системами, элементный состав которых хорошо отражает состояние атмосферы. С точки зрения их распространённости, доступности и лёгкости пробоотбора они представляют собой универсальные объекты для исследования [1-3]. Многоэлементный нейтронный активационный анализ (НАА) был выбран в качестве основного аналитического инструмента, как нельзя лучше подходящего для решения этой задачи.

НАА — анализ, в котором идентификацию и количественное определение содержания элементов в облученном образце проводят избирательно, применяя вариацию условий облучения — (энергию бомбардирующих частиц, время облучения), и учитывая ядерно-физические свойства элементов и образующихся радионуклидов (особенности схем распада определяемых радионуклидов, период полураспада).

Применение НАА целесообразно в тех случаях, когда необходимо повысить чувствительность аналитических методов при определении микроконцентрации некоторых элементов ( 0,001%), сократить время и упростить существующие методы анализа при автоматизации процесса анализа вещества с получением непрерывной или периодической информации и в некоторых других случаях.[6]

Применение НАА для исследования мхов-биомониторов позволяет определить до 45 элементов: Ag, Al, As, Au, Ba, Br, Ca, Ce, Cl, Co, Cr, Cs, Dy, Eu, Fe, Hf, Hg, I, In, K, La, Lu, Mg, Mn, Mo, Na, Nd, Ni, Rb, Sb, Sc, Se, Sn, Sm, Sr, Ta, Tb, Th, Ti, V, U, W, Yb, Zn, Zr. Важными стадиями в анализе являются пробоотбор и пробоподготовка.

Пробоотбор производился осенью 2015 года на территории Восточно-Казахстанской области и Павлодарской области (по 5 образцов из Семипалатинска, Ускамана и Павлодара). Летом 2016 года также были собраны еще 15 проб в регионе Семипалатинска. Пробоотбор был проведен в рамках Программы ООН по воздуху Европы (UNECE ICP Vegetation в соответствии с Инструкцией ).

Образцы отбирались в перчатках, и размещались в полиэтиленовых мешках, для предотвращения загрязнения. Для дальнейших исследований отобраны пробы следующих видов лишайников и мхов, приведенных на рис. 1, рис. 2, рис. 3.

Рис. 1. Hylocomium splendens Рис. 2. Pleurozium schreberi

Рис. 3. Pleurochaete squarrosa

При пробоподготовке мох очищался от опавшей листвы, хвои и древесного мусора и почвы. Для анализа оставлялась только зеленая часть мха. Далее образцы высушивались при комнатной температуре, а затем доводились до постоянного веса при 40°С в течение 48 часов. Собранный материал хранился в полиэтиленовых пакетах. Затем образцы взвешивались по 0,3 г. и спрессовывались в специальных формах под прессом. Подготовленные образцы взвешивались на аналитических весах и вес заносился в базу данных. Подготовленную пробу помещают в контейнеры для облучения. В качестве материалов для них используют полиэтилен, алюминий и графит. Любой из этих материалов имеет низкое сечение поглощения тепловых нейтронов и устойчив к радиации. На рис. 4 и 5 показаны карты точек пробоотбора.

Рис. 4. Карта точек пробоотбора (2014-2015) Рис. 5. Карта точек пробоотбора (2015-2016)

Для расчета концентрации элементов применялись как абсолютный метод (по ядерным константам), так и метод сравнения с эталоном. В качестве монитора плотности потока нейтронов использовался 1 мкг золота. Монитор, эталоны DK-1 (Nordic moss) и Lichen-336 (МАГАТЭ, Вена) облучались вместе с образцами. Для определения короткоживущих изотопов Al, Ca, Cu, Dy, I, Mg, Mn, Ti, V исследуемые образцы облучались во втором канале (К2) реактора 3 минуты, а затем на детекторах измерялись в течение 5 и 15 минут спектры наведенной гамма-активности. Для определения долгоживущих изотопов облучение образцов производилось в 1 канале (К1) около 4-х суток. После извлечения из активной зоны образцы перепаковывались. Измерение проходило в два этапа: через 4-5 суток после облучения образцы измерялись в течение 30 мин. (для определения Sm) и в течение 1 часа (для определения As, Au, Br, Cd, K, La, Lu, Na, Mo, U, W). Через 20 дней снова производилось трехчасовое измерение с целью определения изотопов Ag, Ba, Ce, Co, Cr, Cs, Eu, Fe, Gd, Hf, In, Nd, Rb, Sb, Sc, Se, Sr, Ta, Tb, Th, Yb, Zr, Zn. Идентификация содержащихся во мхе элементов осуществлялась по гамма-линиям с энергиями.

Для выявления различных типов источников загрязнения, которые оказывают воздействие на исследуемую территорию, необходимо определение как можно большего числа химических составляющих. Необходимо отметить, что концентрация каждого элемента рассчитывалась по активности соответствующего изотопа и среднему соотношению изотопов в природной смеси.[2]

В ходе работы:

  • Был произведен пробоотбор на исследуемой территории и последующая пробоподготовка в лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) имени И.М. Франка ОИЯИ.

  • Работы по облучению исследуемых образцов проводились в секторе активационного анализа и радиационных исследований научно-экспериментального отдела физики ядра ЛНФ ОИЯИ, г. Дубна. Анализ проводился на базе импульсного быстрого реактора ИБР-2.

  • На сегодняшний день получены экспериментальные данные с помощью НАА для 30 образцов мхов, собранных осенью 2015 года, а также летом 2016 года. Исходя из малого количества исследованных территорий, можно говорить о необходимости увеличения площади пробоотбора и дальнейшего продолжения работ на всей территории Республики Казахстан с целью детального изучения состояния атмосферы.

Список литературы:
  1. Frontasyeva M.V. E. Steinnes (1995) Epithermal Neutron Activation Analysis of Mosses Used to Monitor Heavy Metal Deposition Around an Iron Smelter Complex, Analyst, May 1995, Vol. 120, p. 1437-1440.

  2. Handbook of Nuclear Activation Data, IAEA, Vienna, 1987. pp 330.

  3. Rühling A. Atmospheric Heavy Metal Deposition in Europe - estimations based on moss analysis. Nordic Council of Ministers, Copenhagen, Nord, 1994:9.

  4. Wolterbeek B.. Biomonitoring of trace element air pollution: principles, possibilities and perspectives. Environmental Pollution, 2002, Vol. 120, p.11-21.

  5. Ветошкин А.Г., Таранцева К.Р. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы). Учебное пособие—Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2004 - 249 стр.

  6. Frontasyeva M.V., Pavlov S.S. Analytical Investigations at the IBR-2 reactor in Dubna. Preprint of JINR, E14-2000-177, Dubna, 2000 (submitted to the Proc. VIII Int. Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (Dubna, May 17-20, 2000)

Полученные результаты:

Табл. 1. Сравнение элементного анализа мхов методом НАА, собранных осенью 2015 года

Элемент

Ускаман

Павлодар

Семипалатинск

Ср.арифм.

Ср.медиан.

С(мин.)

С(макс.)

Ср.арифм.

Ср.медиан.

С(мин.)

С(макс.)

Ср.арифм.

Ср.медиан.

С(мин.)

С(макс.)

Na

3437,1

3100

2700

3690

2429,2

2400

816

3710

4758

5600

1970

6920

Mg

6248

5900

5760

7170

7106

7550

4910

8220

7250

7790

5470

8480

Al

18260

17800

16500

22000

14356

13900

5380

22300

20420

20800

15300

26500

Cl

140,04

167

36,8

255

312,2

292

45

508

50,26

48,3

42,7

60,9

K

7922

8080

7430

8370

14100

15800

10800

16900

9970

10200

7390

11800

Ca

9328

8790

7790

11700

15290

15100

9550

22800

9666

9820

8020

10700

Sc

4,208

4,09

4,010

4,52

2,924

2,88

1,37

4,1

4,36

4,73

2,56

5,42

Ti

1054,4

970

920

1250

862,6

767

300

1400

1119,8

1170

806

1460

V

25,7

24,7

22,5

30,4

19,258

18,9

7,79

29,5

25,38

24,8

21,2

30,7

Cr

21,06

20,6

19,1

23,5

19,1

20,7

12,6

23,1

20,46

21,1

12,2

26,1

Mn

351,8

219

200

907

376,4

422

228

482

250,4

252

196

313

Fe

7280

7390

5250

9290

6452

6480

3030

8680

7322

7390

5090

9820

Ni

9,968

10,5

8,88

10,8

9,36

8,88

6,87

12,6

9,682

10,8

6,34

12,1

Co

5,610

5,91

4,84

6,4

4,218

4,5

3,07

4,62

6,048

6,74

3,29

7,9

Zn

1,222

1,19

1,05

1,46

404,64

453

87,2

811

1,1226

1,18

0,933

1,27

Zn-65

1,224

1,13

0,998

1,46

337,9

375

75,7

668

1,1628

1,25

0,86

1,45

As

0,130

0,126

0,1

0,17

3,37

3,54

2,51

3,81

0,12658

0,125

0,0909

0,163

Se

0,269

0,293

0,2

0,31

0,3824

0,391

0,275

0,511

0,2502

0,251

0,119

0,351

Br

3,388

4

3

4

5,124

4,64

4,08

7,52

3,286

3,54

2,28

4

Rb

28,32

28,6

26,3

30,1

22,72

23,5

12,1

29,9

33,5

38

19,1

42,3

Sr

53,46

54,7

48,1

57,5

167,22

187

88,1

238

59,98

63,9

39,1

80,1

Zr

69,36

73,3

34,9

94,5

36,6

13,5

10,7

78,4

67,38

54,3

35,3

117

 

1,286

1,38

0,73

1,8

4,68

5,02

1,52

7,32

1,075

0,892

0,583

2,14

Mo

0,08

0,08

0,074

0,09

0,8224

0,748

0,369

1,4

0,07438

0,068

0,0639

0,0954

Ag

0,002

0,0

0,002

0,003

0,2738

0,263

0,15

0,436

0,001696

0,00166

0,0014

0,00208

Cd

0,019

0,019

0,015

0,027

0,005

0,005

0,005

0,005

0,014226

0,013

0,00973

0,0234

 

0,15

0,150

0,134

0,167

1,0604

1,15

0,604

1,77

0,1514

0,15

0,11

0,184

I

2,318

2,37

1,55

3,06

2,846

2,71

1,99

3,64

2,076

2,05

1,83

2,45

Ba

201,4

196

195

222

174,4

174

154

193

236,6

258

149

305

Cs

1,52

1,6

1,34

1,64

1,0922

1,09

0,543

1,5

1,5006

1,59

0,983

1,8

La

8,692

8,8

5,59

12,7

8,754

6,94

2,38

15,4

9,988

10,9

5,98

14,9

Ce

20,02

20,6

12,3

29,5

19,536

15

4,68

34,8

22,5

24,4

13,5

35,2

Nd

8,428

7,37

5,48

12,5

9,698

8,52

3,51

15,5

9,456

11,1

4,63

13,6

Sm

2,59

2,47

1,88

3,28

1,8544

1,37

0,502

3,34

2,722

2,74

1,45

3,95

Eu

0,31

0,3

0,285

0,35

0,2832

0,254

0,202

0,439

0,4074

0,427

0,194

0,591

Tb

0,2632

0,262

0,197

0,377

0,23742

0,178

0,0741

0,411

0,2812

0,311

0,163

0,406

Tm

0,15058

0,147

0,0549

0,257

0,10514

0,0794

0,033

0,179

0,16412

0,144

0,0756

0,297

Yb

0,9264

0,97

0,673

1,3

0,7324

0,659

0,262

1,38

0,9346

0,874

0,529

1,46

Hf

2,474

2,58

1,37

3,41

1,8382

1,7

0,601

3,03

2,27

1,88

1,35

3,99

Ta

0,2204

0,24

0,143

0,281

0,21022

0,212

0,0941

0,319

0,2352

0,29

0,135

0,305

W

0,00504

0,00249

0,00214

0,0159

0,6102

0,593

0,416

0,847

0,008342

0,00286

0,00208

0,0264

Au

0,004404

0,00338

0,00179

0,00772

0,009564

0,00833

0,00681

0,0137

0,0055

0,00589

0,0012

0,0076

Hg

0,07308

0,0923

0,0271

0,0978

0,0436

0,0376

0,0206

0,097

0,06686

0,0791

0,0264

0,0996

Th

3,252

3,59

1,44

5,8

3,2456

2,2

0,768

6,03

3,132

2,63

1,53

6,01

U

0,7882

0,773

0,38

1,34

0,7024

0,602

0,201

1,17

0,7282

0,65

0,419

1,19

Табл. 2. Результаты анализа мхов, собранных летом 2016 года

Элементы

Ср.арифм.

Ср.медиан.

Смин.

Смакс.

Элементы

Ср.арифм.

Ср.медиан.

Смин.

Смакс.

Na

2344,6923

1540

312

6890

Cd

0,3581538

0,228

0,12

0,786

Mg

3554,2308

2830

918

8370

In

0,2629

0,317

0,0528

0,493

Al

10181,538

7400

2240

26000

 

0,3450769

0,23

0,128

0,788

Si

34935,385

25400

5290

116000

I

1,1883077

1,01

0,305

2,56

Cl

115,30769

102

50,2

238

Ba

108,89231

81,4

22,5

258

K

6090

5420

1450

10900

Cs

0,8178462

0,595

0,391

1,5

Ca

5415,3846

5510

1100

8670

La

4,3709231

2,42

0,922

11,7

Sc

2,409

1,3

0,75

6,64

Ce

9,0492308

5,18

1,93

23,7

Ti

511,92308

358

111

1260

Nd

3,963

2,15

0,969

10

V

13,305385

8,37

3,74

34,4

Sm

0,8286923

0,469

0,169

2,11

Cr

16,447692

9,62

5,79

49,4

Eu

0,2724077

0,193

0,0809

0,693

Mn

155,76923

117

30,8

349

Gd

0,4804615

0,283

0,106

1,22

Fe

4098,4615

2530

1190

9580

Tb

0,1388308

0,0823

0,0373

0,353

Ni

6,6330769

4,1

1,68

19

Dy

0,7125385

0,451

0,221

1,9

Co

3,5094615

1,84

0,873

11,5

Tm

0,0792692

0,0557

0,0276

0,192

Zn

54,638462

57,4

26,2

84,3

Yb

0,5121538

0,312

0,131

1,37

Se

0,3067692

0,344

0,152

0,409

Lu

0,0732631

0,0553

0,00782

0,246

As

2,2277692

1,67

0,823

4,89

Hf

0,6178462

0,308

0,102

1,53

Br

2,93

2,83

1,39

4,46

Ta

0,1129308

0,0725

0,0265

0,315

Rb

16,22

11,2

6,64

34,4

W

0,3113154

0,204

0,0831

0,689

Sr

62,807692

47,5

14,8

150

Au

0,0050962

0,00415

0,0026

0,00969

Zr

22,223846

10,1

4,56

55,7

Hg

0,4201538

0,402

0,295

0,576

Mo

0,3524385

0,223

0,0857

0,858

Th

0,975

0,554

0,253

2,44

U

0,2986538

0,175

0,0568

0,756

         

Табл. 3. Сравнительный анализ мхов РК с другими странами

Казахстан 2016

Казахстан 2014 [31]

Грузия 2014

Норвегия

(в качестве фоновой территории)

№ образца

n=30

n=23

n=16

n=100

Элемент

Среднее

Область

Смин-Смах

Среднее

Область

Смин-Смах

Среднее

Область

Смин-Смах

Среднее

Область

Смин-Смах

24Na

2929

312-6920

2000

424-17100

721

268-1990

nd

nd

27Mg

5329

918-8480

6060

1710-24800

4410

2720-11600

1730

940-2370

28Al

14197

2240-26500

9510

33,8-35100

5195

2450-20800

200

67-820

38Cl

143

36,8-508

180

95,5-1270

225

140-465

nd

nd

42K

8540

1450-16900

10800

3820-23200

5875

3080-9040

nd

nd

49Ca

8636

1100-22800

12500

2340-24000

11800

7140-15300

2820

1680-5490

51Ti

779

111-1460

603

99-3920

547

216-2070

23.5

12.4-66.4

52V

18,7

3,74-34,4

13

1,7-56,7

11.8

6.2-54.0

0.92

0.39-5.1

56Mn

247

30,8-907

178

70,5-1260

158

70-592

256

22-750

76As

1,68

0,0909-4,89

1,92

0,80-8,1

0.88

0.33-2.87

0.093

0.020-0.505

82Br

3,46

1,39-7,52

4,67

2,3-31,3

4.545

2.3-9.8

4.5

1.4-20.3

99Mo

0,34

0,0639-1,4

0,69

0,21-2,03

0.35

0.24-0.77

0.135

0.065-0.70

115Cd

0,17

0,005-0,786

0,75

0,02-2,74

0.25

0.12-0.56

0.058

0.025-0.171

140La

6,9

0,922-15,4

6,4

1,35-37,3

59.28

18.8-138

17.1

5.6-50.5

153Sm

1,66

0,169-3,95

1,05

0,198-7,09

2.13

0.92-6.28

0.189

045-2.56

187W

0,25

0,00208-0,847

0,44

0,12-1,42

0.43

0.03-0.94

0.33

0.05-1.34

198Au

0,00584

0,0012-0,0137

0,00145

0,00023-0,00441

0.13

0.06-0.27

0.127

0.009-1.23

Просмотров работы: 506