Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анализ химического состава листвы и листового опада в комплексе мероприятий по мониторингу атмосферы Нижнекамской промышленной зоны

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Анализ химического состава листвы и листового опада в комплексе мероприятий по мониторингу атмосферы Нижнекамской промышленной зоны"

На правах рукописи

БАРИЕВА РАЙХАН НАЗИФОВНА

АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛИСТВЫ И ЛИСТОВОГО ОПАДА В КОМПЛЕКСЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО МОНИТОРИНГУ АТМОСФЕРЫ НИЖНЕКАМСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЫ

03.02.08 - Экология (химия)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2014

2 ь МАП 2014

005549115

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет»

Научный доктор биологических наук, профессор,

руководитель: Калайда Марина Львовна

Официальные Лаптева Людмила Ивановна,

оппоненты: доктор химических наук, профессор, кафедра химии и

инженерной экологии в строительстве, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», профессор

Шагидуллин Рифгат Роальдович

доктор химических наук, директор государственного бюджетного учреждения «Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстана?

Ведущая организация:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Защита состоится « 25 » июня 2014 года в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (420015, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68, Зал заседаний Ученого совета - каб. 330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте www.kstu.ru.

Автореферат диссертации разослан ЛС&лЗ-_20/#г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.080.02

Степанова Светлана Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К районам с повышенной экологической опасностью относится г. Нижнекамск, являющийся крупным на территории России центром производства химической и нефтехимической продукции.

Промышленные выбросы в атмосферу в последний период по г. Нижнекамску занимают первое место по количеству в республике, превышая среднереспубликанский уровень выбросов приходящихся на 1 человека почти в 5 раз. Основными источниками загрязнения атмосферы г. Нижнекамска являются вентиляционные выбросы технологических процессов предприятий. В постоянном режиме происходит выброс в атмосферу как оксидов серы, азота, углерода, метана так и взвешенных веществ, в составе которых присутствуют тяжелые металлы.

В настоящее время состояние воздушной среды оценивается по характеристике потенциала загрязнения атмосферы, которая по г. Нижнекамск отмечается как умеренное загрязнение (ПЗА 2,4-2,7). Однако проводимые обычными методами мониторинга исследования не дают интегральной картины влияния загрязнения атмосферы на окружающую среду. Использование листвы и листового опада как накопителя загрязняющих веществ, включая тяжелые металлы, позволяет в структуре мониторинга иметь интегральный показатель состояния окружающей среды, как во времени, так и в пространстве.

Выбросы химических предприятий характеризуются сложным химическим составом и высокой реакционной способностью. Совершенствующие предприятиями системы очистки промышленных выбросов являются не достаточными. В связи, с чем проблема может решаться только комплексно, где важную роль играет озеленение промышленных зон. Однако существующие виды озеленения промышленных зон, не учитывают возможности насаждений к аккумуляции загрязняющих веществ, а ориентируются на устойчивость растений к техногенным нагрузкам. Данная задача требует подбора видов - лучших аккумуляторов загрязняющих веществ, способных выдерживать экологическую нагрузку предприятий химической отрасли, а также выводить из атмосферы конкретные загрязняющие вещества, если известна способность растений к их аккумуляции. Направленное формирование растительных сообществ позволит создавать локальные растительные системы доочистки.

Цель работы: исследование, анализ и применение возможностей зеленых насаждений для выведения загрязняющих веществ из окружающей среды в условиях химического загрязнения с использованием растений как мониторов состояния атмосферы.

Основные задачи исследования:

- провести анализ современного состояния вопроса по использованию зеленых насаждений в контроле и улучшении качества окружающей городской среды;

- исследовать уровни устойчивости березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического по характеристикам жизненного состояния к техногенному воздействию в разных условиях включая химическое загрязнение;

- экспериментально исследовать химический состав листвы и листового опада основных видов озеленителей в условиях разной степени антропогенного загрязнения, определить характерные загрязнители в листовой биомассе;

- определить пути попадания химических элементов в листовой опад на базе исследований химического анализа почв и химического состава листовой биомассы;

- выявить закономерности аккумуляции железа, цинка, хрома, марганца, меди и

стронция в листовой биомассе березы, липы и тополя на участках с различным уровнем антропогенного воздействия с учетом фактора сезонности; - разработать рекомендации по использованию растений-озеленителей в мониторинге атмосферы с задачей выведения загрязняющих веществ с учетом особенностей по их аккумуляции.

Научная новизна работы: Получены зависимости накопления загрязняющих веществ в листовой биомассе березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического от фактора сезонности, включающего климатические особенности территории. Показана роль атмосферы в загрязнении листовой биомассы такими элементами как Сс1, РЬ, V. По результатам мониторинга химического состава почвы расчетным путем определены коэффициенты обогащения листового опада березы повислой тяжелыми металлами.

Определены способности березы, липы, тополя к аккумуляции в листовой биомассе Ре, 2п, Сг, Мп, Си и Бг в различных условиях влияния абиотических факторов, включая промышленное химическое загрязнение для г. Нижнекамска. Рассчитаны значения среднегодовых накоплений загрязнителей в листовой биомассе березы повислой, липы сердцевидной и тополя бальзамического.

Практическая ценность работы. На основе полученных результатов химического состава биомассы листвы березы, липы и тополя расчетным путем определены классы опасности листового опада деревьев в условиях влияния химического загрязнения. Предложено включение исследований химического состава листовой биомассы в структуру мониторинга атмосферы, как объективного интегрального показателя состояния городской среды.

Разработаны для Нижнекамского промышленного узла модели парковых территорий, зон озеленения автомагистралей и санитарно-защитных преград, с учетом видовой способности деревьев к аккумуляции загрязняющих веществ.

Предложена утилизация листовой биомассы деревьев в зависимости от её класса опасности путем прямоточной газификации и использования технологии вермикультуры.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ХП-й, ХШ-й, Х1У-Й аспирантско - магистрских научных семинарах КГЭУ, посвященных Дню энергетика (Казань, декабрь, 2008, 2009,2010), Ш-й, 1У-Й, У-й, VI-й молодежных Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, апрель 2008, 2009, 2010), Научно-практической конференции «Студенчество в науке - инновационный потенциал будущего» (Нижнекамск, март 2010), Республиканской научно-практической конференции «Высокоэффективные технологии в химии, нефтехимии, и нефтепереработке» (Нижнекамск, март 2011), Городской научно - практической конференции, посвященной 45-летию г. Нижнекамска «Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно - коммунальном хозяйстве» (Нижнекамск, апрель, 2011). Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» КГЭУ (2009, 2010, 2011,2012 гг.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 статьях в научных журналов и сборников, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также 8 тезисах докладов на конференциях различного уровня.

Личный вклад автора в работе состоит в непосредственном участии на всех

этапах работы и обсуждения полученных результатов, подборе методик, написании статей и тезисов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов 3 приложений. Содержит 150 страниц, 78 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 204 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана характеристика состояния атмосферы в г. Нижнекамске. Показаны влияния абиотических физических и химических факторов, включая технологические, на загрязнение атмосферы и на растительные компоненты биосферы. Сформулированы цель работы и задачи исследования. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана общая характеристика растительных насаждений как важного компонента урбанизированной экосистемы, рассмотрена на основе изучения литературных источников способность растений к накоплению загрязняющих веществ, использование растений в мониторинге состояния среды, варианты и механизмы фиторемедиации органических и неорганических веществ, изучены современные способы утилизации листового опада растений.

Во второй главе описаны материалы и методы исследования.

Экспериментальные исследования проводились в течение вегетационных периодов 2008-2011 гг. Было отобрано 93 пробы листового материала с трех видов деревьев - березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического по 3 маршрутам с учетом различного влияния химического и нефтехимического загрязнения и 3 пробы из почвы.

Изучено жизненное состояние, состояние деградации видов - озеленителей, дана визуальная оценка изученных видов деревьев, где использованы бальные оценки для исследования уровней устойчивости березы, липы и тополя к техногенному воздействию в условиях химического загрязнения.

Исследование содержания загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов проводилось методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии с помощью прибора СУР-02 «Реном ВФ».

Статистическая обработка результатов, выполненная стандартными методами, проводилась с помощью программ Microsoft Excel и Statgraphics Plus. На основе экспериментальных данных рассчитывался класс опасности листового опада деревьев-озеленителей.

В третьей главе описана характеристика и дана оценка жизненного состояния зеленых насаждений в г. Нижнекамск. Приведены результаты исследования химического состава листвы березы, липы и тополя в условиях различного влияния химического загрязнения с учетом фактора сезонности. Показаны результаты исследования химического анализа почвы.

В г. Нижнекамск общее количество деревьев составляет 27076 экз., из которых наиболее распространенными видами озеленителями являются береза повислая (9822), липа сердцевидная (4254), тополь секции бальзамический (3009 экз.)

В парковой зоне по показателям жизненности категорией «нормальная жизненность» (1балл) характеризуются 99%, по визуальной оценке категорией «здоровое» (1 балл) 100%, по оценке деградации категорией «удовлетворительное» 100% рассмотренных деревьев.

В зоне автомагистрали по показателям жизненности категорией «нормальная

жизненность» (1 балл) характеризуются 90%, по визуальной оценке категорией «здоровое» (1 балл) 92%, по оценке деградации категорией «удовлетворительное» 100% рассмотренных деревьев.

В зоне комплекса химпредприятий по показателям жизненности категорией «нормальная жизненность» (1 балл) характеризуются 85%, по визуальной оценке категорией «здоровое» (1 балл) 76%, по оценке деградации категорией «удовлетворительное» 98% рассмотренных деревьев.

Отмечено снижение уровней устойчивости деревьев генеративного возраста до 2% по оценке деградации, до 24% по визуальной оценке здоровья и до 15% по оценке состояния жизненности в зоне воздействия химических предприятий г. Нижнекамска по сравнению с парковой территорией.

В результате исследования химического состава листвы березы, липы и тополя выявлено 19 элементов: К, Са, Ре, Ъл, в, Эг, 81, ЯЬ, Тк Сг, Мп,Си, 7.г, У, №, С4 РЬ, Р, V. Такие тяжелые элементы как, Ре, У.п, И, Мп, Си, Бг, Сг, Ъх, N1, ЯЬ, У обнаружены в листве всех видов деревьев как в зоне парка (контрольной) и автомагистрали, так и в зоне химического загрязнения во все сезоны.

Выявлен противоположный характер содержания калия и кальция в зависимости от сезона в исследованных видах деревьев. Максимальные концентрации калия приходятся на весенний (1266), а кальция на осенний период (5700 мг/кг сухой массы). Это связано с потребностью в калии в период сильного роста весной, а кальции в период созревания осенью. На рисунке 1 приведены концентрации остальных элементов в листве березы в парковой зоне и в зоне химпредприятий.

700 600 500 400' 300' 200 100 0

б

Л 1

"П Сг □ осень

Ре Ъа Б вг Мп в! Сг НЬ Вг Т| Си □ весна и лето □ осень

Рисунок 1 - Концентрации элементов в березе повислой (2010 г): а - парковая зона; б - зона

химпредприятий

К осеннему периоду в парковой зоне отмечается увеличение концентрации Ре в листве березы в 6,4 раза, вг в 13,1, Ъп в 7,7, в в 1,5, 81 в 1,9, ЯЬ в 6, № в 2,9, Сг в 2, Мп в 1,2 раза. Концентрация меди сохраняется на одном уровне в течение периода вегетации (рисунок 1).

Выявлена разная способность к накоплению загрязняющих веществ в листве: если в весной в листве березы концентрация железа составляла 24 мг/кг, то к концу вегетационного периода - в парковой зоне она составила около 300, а в зоне химпредприятий - 610 мг/кг сухой массы (рисунок 1). Аналогичные закономерности отмечены и по другим элементам, а также у липы и тополя. К концу вегетационного периода в листве изученных видов наблюдается увеличение концентраций тяжелых металлов в условиях разной степени техногенной нагрузки.

Исследование химического состава почвы в весенний период показало, что ее элементный состав является одинаковым на всех изученных участках.

Выявлены 16 элементов: К, Са, Ре, 2п, в, Вг, Бг, 81, ЯЬ, "Л, Сг, Мп, Си, 7л, У, N1.

Для Нижнекамской промышленной зоны характерны серые лесные почвы с умеренным содержанием гумуса. По данным Красной книги почв Республики Татарстан (2012 г) для серой мало гумусированной почвы, на аллювиально-делювиальных отложениях, характерны в поверхностном слое концентрации тяжелых металлов (мг/кг) Ре - 16602,5, Ъъ - 39,1, Сг- 3,6, Мп - 768,8, Си - 13,1, № - 25,9.

Максимальные концентрации в почве на изученных участках отмечены у калия и кальция. Концентрация калия в почве на разных изученных участках оказалась близкой к одному уровню (129 - 132 мг/кг сухой массы). Концентрация кальция значительно варьировала от 99 в парковой зоне до 376 мг/кг сухой массы в зоне химпредприятий. Концентрации остальных тяжелых металлов в почвах на различных

участках приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Концентрации (мг/кг сухой массы) тяжелых металлов в почве в условиях разной степени антропогенной нагрузки (по весенним материалам 2010 г)

В почве максимальные

□ парковая зона □ зона автомагистрали □ зона химпредприятий

концентрации железа отмечены в зонах: парка - 197, автомагистрали - 178 и химпредприятий - 192 мг/кг сухой массы. При этом его концентрации значительно меньше, чем в составе эталонных почв в республике. В почвах комплекса химпредприятий отмечены большие концентрации хрома (в 4,7 раза выше, чем в эталонной почве).

По результатам исследования почвы и листового опада березы повислой был рассчитан коэффициент обогащения, который свидетельствует о способности к накоплению в листве следующих элементов в убывающем порядке: Са >Zn > К >Sr > Мп > S > Rb > Сг > Fe > Pb > Си. Остальные элементы в листве не накапливались и содержались в листве в меньших концентрациях, чем в почве.

Как показало проведенное исследование, элементный состав почв изученных участков по большинству элементов близок (рисунок 2), а по таким элементам как Ti, Мп отмечается превышение концентрации в промышленно загрязняемой зоне в 1,24 - 1,22 раз по сравнению с территорией парка. Следует отметить, что элементы Ti, Zr, Ni, Y отмечаются в химическом составе листвы, но не обладают способностью к накоплению в ней. Это свидетельствует о необходимости сокращения выбросов этих элементов в окружающую среду и отсутствии возможности их выведения за счет растений озеленителей. Выведение из атмосферы таких элементов как Са, Zn, К, Sr, Мп, S, Rb, Сг, Fe, Pb, Си возможно с помощью растений озеленителей (в порядке убывания эффективности).

В зоне комплекса химпредприятий к осени отмечается увеличение концентрации Fe в листве березы в 25,4 раза, Zn в 8,8, Sr в 14,4, Мп в 7,2, Сг в 5, Rb в 6,7, Ti в 2,9 и Си в 1,4 раза. Значительно возрастают концентрации и в парковой зоне, например, концентрация Fe в листве березы возрастает в 12,4 раз, а Мп - в 7,18 раз. Сравнивая концентрации тяжелых металлов в листве и в почве в осенний период, можно отметить, что они в зоне химпредприятий существенно выше. Например, концентрация Мп в листве в парковой зоне выше, чем в почве в 2,22, а в зоне химпредприятий — в 5,91 раза. Поскольку разница концентраций элементов в почве

7

отмечается значительно меньшая (до 1,24), то можно сделать вывод о попадании тяжелых металлов в листву из атмосферы (например, Мп — до 62,5% вклад из атмосферы).

В четвертой главе проведено исследование среднесезонных концентраций наиболее опасных для человека элементов, которые накапливаются в листовом опаде: ¥е, Ъъ, Сг, Мп, Си и Бг. Си, Ъъ и Сг, относятся к II классу опасности тяжелых металлов, характеризующиеся, как умеренно опасные, а Мп и 8г к III классу опасности, характеризующиеся как малоопасные (СанПиН 42-128-4433-87).

Концентрации Ре в березе повислой изменялись от 50,5 до 630 в зависимости от зоны: в парковой - от 50,5 до 275, автомагистрали - от 57 до 315, химпредприятий - от 66 до 630 мг/кг сухой массы. Максимальные концентрации Ре в листве березы на всех участках отмечались осенью (рисунок 3).

весна 3 парковая зона В зона автомагистрали ■ зона химпредприятий Полиномиальная (парковая зона) - Экспоненциальная (зона автомагистрали) • Экспоненциальная (зона химпредприятий)

Марганец

весна лето осень

В парковая зона

В зона автомагистрали Время отбора В зона химпредприятий ~ Логарифмическая (парковая зона) - Полиномиальная (зона автомагистрали) -Экспоненциальная (зона химпоезприяпнТ)_

£10 -

Цинк

■9I I

_ весва лето

а парковая зона а зона автомагистрали ■ зона химпредприятий Линейная (парковая зона)

• Экспоненциальная (зона автомагистрали)

• Степенная (зона химпредприятий)_

Л1едь-—

Время отбора

_ весва лето осень

Я парковая зона Время отбора

■ зона автомагистрали

■ зона химпредприятий

- Экспоненциальная (парковая зона) -Экспоненциальная (зона автомагистрали) • Степенная (зона хпмпредприян1й)_

Стронций

_ весна лето

Шпарковая зона Время отбора

121 зона автомагистрали Нзона химпредприятий

- 'Полиномиальная (парковая зона)

■ Полиномиальная (зона автомагистрали)

- Полиномиальная (зона химпредприятий)_

_ весва лето с

■ парковая зона Время

■ зона автомагистрали

■ зона химпредприятий Экспоненциальная (парковая зона)

- Экспоненциальная (зона автомагистрали) • Экспоненциальная (зона химпредприятий)

Рисунок 3 - Среднесезонные концентрации тяжелых металлов в листве березы повислой

В районе химпредприятий среднесезонные концентрации железа в листве в 2,29 раза превышают аналогичные концентрации в зоне парка. Если концентрации Мп, 2п и Си к концу вегетационного периода накапаливаются в листве березы постепенно в течение всего сезона, то концентрации Ре и Эг к осеннему периоду на

всех изученных участках резко возрастают. А концентрации Сг в листве березы резко возрастают к осеннему периоду в зоне химпредприятий (рисунок 3).

Аналогичным образом были исследованы и описаны среднесезонные концентраций Ре, 7п. Си, Сг, Мп и 8г в листве липы и тополя. По результатам среднесезонных накоплений элементов в листовой биомассе деревьев найдены среднегодовые концентрации тяжелых металлов в листве в зоне парка, автомагистрали и химпредприятий. На рисунке 4 приведены среднегодовые концентрации тяжелых металлов в листве березы в зоне парка и химпредприятий.

Рисунок 4 - Среднегодовые концентрации тяжелых металлов в листве березы повислой в зоне парка (а) и химпредприятий (б)

Установлена высокая среднегодовая способность к накоплению Ре в листве березы повислой в зоне парка, автомагистрали и химпредприятий, соответственно 126,2±2,2, 156,5±3,4 и 251,0±3,3, гп - 35,2±1,2, 50,8±0,9 и 60,8± 0,8, Мп - 23,0±1,1, 44,3±0,6 и 54,5±0,9, Сг - 6,3±0,8, 6,4±0,7 и 21,2±0,8 мг/кг сухой массы. В липе сердцевидной вг - 32,8±0,9, 34,2±0,7 и 37,5±0,9 и Си - 7,1±0,9, 8,6±0,8 и 11,0±0,7 мг/кг сухой массы.

В пятой главе определен класс опасности листового опада, как одного из видов отходов современного общества, березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического в условиях разной степени химического загрязнения для определения условий его утилизации. Расчет класса опасности отхода проводился в соответствии с СП 2.1.7.1386-03 по методике «Определение класса опасности токсичных отходов производства и потребления». Так как химический состав листового опада выявил наличие в нем 19 компонентов, то для всех них была проведена оценка опасности. Приведены токсикологические, санитарно-гигиенические и физико-химические показатели компонентов отхода.

Составлены нормативные характеристики и расчетные параметры Мп, Си, 7.п, Сг, РЬ, N1. Сё, V, в, Ре, 8г. Шэ, Ъх и У в березе, липе и тополе в условиях разной степени химического загрязнения. Для каждого компонента рассчитывались такие показатели как, усреднённый параметр опасности (XI), коэффициент (\У0 и показатель степени опасности (К|), результаты которых приведены в таблице 1.

По показателям степени опасности листового опада деревьев - озеленителей определены категории опасности (таблица 2). По приведенным данным видно (таблица 2, рисунок 5), что наибольшее значение показателя опасности листового опада характерно для березы повислой (К = 105,67) из зоны химпредприятий, которая относится к III классу опасности. Листовой опад березы из парковой зоны и зоны автомагистрали, а также листовой опад липы и тополя со всех изученных зон относится к IV классу опасности (К<100) (таблица 2).

Таблица 1 - Результаты расчета показателя степени опасности К, в листовом опаде березы повислой в условиях разной степени антропогенной нагрузки

№ Химические элементы Усреднённый параметр опасности, XI Lg Wi Коэффициент степени опасности, Показатель степени опасности, К,

Парковая зона Зона автомагистрали Зона химпредприятий

1 Марганец 3,08 2,496 313 0,12 0,38 0,41

2 Медь 2,71 2,052 112 0,063 0,106 0,133

3 Цинк 2,86 2,230 170 0,59 1,00 0,88

4 Хром 2,62 1,940 87 18,78 23 60

5 Свинец 2,27 1,500 33 0,2 0,3 0,7

6 Никель 2,62 1,900 88 4 5 6

7 Кадмий 2,00 1,200 15 - 0,1 0,2

8 Ванадий 2,90 2,280 190 - 0,07 0,09

9 Сера 2,80 2,160 144 0,41 0,55 0,97

10 Железо 2,25 1,500 31 9,8 10,7 20,57

11 Стронций 3,00 2,400 251 0,42 0,48 0,52

12 Рубидий 1,60 0,720 5,25 5,71 7,62 7,62

13 Цирконий 2,33 0,260 1,84 5,95 4,35 5,4

14 Иттрий 2,25 1,500 31 - 0,66 0,16

15 Кремний 4 3,6 3981 0,015 0,015 0,015

16 Кальций 4 3,6 3981 0,01 0,01 0,02

17 Титан 4 3,6 3981 0,25 0,25 0,40

18 Калий 4 3,6 3981 1,43 1,51 1,56

19 Фосфор 4 3,6 3981 - 0,02 0,02

Сумма: 47,75 55,74 105,67

Таблица 2 - Показатели степени и категории опасности листового опада деревьев - озеленителей

Озеленители Показатель степени опасности (К) Категория опасности

Парковая Зона автома- Зона химпред- Парковая Зона автома- Зона химпред-

зона гистрали приятии зона гистрали приятий

Береза 47,75 55,74 105,67 IV IV III

Липа 28,314 47,74 81,45 IV IV IV

Тополь 39,80 42,35 93,20 IV IV IV

Максимальные значения показателей опасности листового опада у всех изученных видов деревьев отмечены в зоне воздействия химпредприятий (таблица 2, рисунок 5). Наибольший процентный вклад в показатель опасности во всех изученных видах внес хром в условиях зоны химпредприятий (56,78 % - в березе, 55,25 % - в липе, 42,71 % - в тополе).

По результатам исследования фактической способности аккумулирования загрязняющих веществ в листовой биомассе, расчета класса опасности листового опада деревьев и изучения элементов экологического каркаса современных

промышленных городов с учетом розы ветров в г. Нижнекамск (рисунок 5), предложено включение в мониторинг атмосферы контроля химического состава листовой биомассы, как объективного интегрального показателя.

Разработаны модели парковых зон, зон озеленения автомагистралей и

Ш^дММИМНЩпдвВМ озеленения санитарно-защитных зон

промышленных предприятий с помощью березы, липы и тополя для (Р 1Ы_ Ща^1 улучшения экологической ситуации

города. Для конструирования •'-АйижмИЕе—■ШдДИВя парковых зон предложены модели «ЯШйк! '¿Р -ТМИИИВ лесных массивов, куртин и зон

■йданп?! Й] в^^^И^^^аыВ^ДНМиИШи отдыха.

Рисунок 5 - Показатели степени опасности листового опада деревьев

Озеленение городских автодорог рекомендуется осуществлять «изолирующими» зелеными насаждениями, состоящими из березы, липы и тополя, с общей шириной полосы озеленения от 10 до 30 м. Предложены модели лесозащитных полос около автодорог с односторонним и многосторонним движением без разделительной полосы и с разделительной полосой. На рисунке 6 приведены фрагменты моделей куртин для парковой зоны и лесополос около автодорог с

двусторонним движением и многорядной посадкой на разделительной полосе (б): 1 - жилой дом; 2 - автодорога; 3 - береза; 4 - липа; 5 - тополь; 6 - кустарник высокий; 7 - кустарник средний; цифрами обозначены расстояния в метрах

Для озеленения зон промышленных предприятий предлагаются, изолирующие (ЛПИ) и фильтрующие типы (ЛПФ) посадок деревьев (рисунок 7). Лесополосу изолирующего типа (ЛПИ - 1) предлагается посадить в виде плотных массивов из березы с учетом её высокой способности аккумулирования тяжелых металлов в западной части территории санитарно-защитной зоны комплекса химпредприятий, как показано на рисунке 8. Такое размещение лесополосы поможет защитить город во время неблагоприятных для него направлений ветра.

Лесополосы изолирующего типа ЛПИ - 2 (рисунок 7) предлагается конструировать вдоль города с северо-востока на юго-запад, со стороны въезда в город и в свободные пространства разрыва города от зоны промышленности рядом с

уже существующими лесополосами из тополя, продолжая в северо-восточных и юго западных направлениях (рисунок 8).

П''|'Г' I ' I ' П

° ® ® © О О |

о © © © о|

© © © о]

: 2 £ §: • о о ® ~ _ о:

-о о ^ О • о ^

. • о ® о I

о. г О» О _ @ в о:

"•■©—<б) ©о! ®

а б

© @® ® О -2

® © © © ® ® • -3 О .4

® © © @® в ® • . 5 О - 6

Рисунок 7 - Модели ЛПИ - 1(а), ЛПИ - 2 (б) и ЛПФ (в): 1- Береза повислая; 2 - Липа сердцевидная; 3 -Тополь бальзамический; 4- кустарник высокий; 5, 6 - кустарник средний; цифрами обозначены расстояния в метрах

Лесополосу фильтрующего типа (ЛПФ), состоящую только из березы, предлагается конструировать также с учетом розы ветров в северной части вдоль зоны промышленных предприятий. Сквозистый тип кроны березы обеспечит хорошую фильтрацию, и не будет препятствовать движению южных и юго-западных воздушных направлений (рисунок 8). На рисунке 8 приведены существующие схемы озеленения и расположение лесозащитных полос типа ЛПИ - лесозащитная полоса изолирующего типа, ЛПИ - 1, ЛПИ - 2; ЛПФ - лесозащитная полоса фильтрующего типа с учетом розы ветров г. Нижнекамска.

Рисунок 8 - Существующая схема (а) и модели защитных лесополос (ЛП) в г. Нижнекамск (б): 1 - ЛП паркового типа; 2 - ЛПИ около автодорог; 3 - ЛП соединяющиеся с существующими лесными массивами; 4 - ЛПИ-1 около химредприятий; 5 - ЛПИ-2; 6-ЛПФ

Многие существующие деревья в зоне химпредприятий расположены в виде очень густых лесных массивов, которые препятствуют движению ветра. Расстояние между некоторыми деревьями доходит до 0,5 м, что приводит к ухудшению жизненного состояния деревьев. В результате насаждения теряют не только внешний вид, но и функциональные способности для которых были посажены. Для улучшения фильтрации местности и жизненного состояния деревьев такие массивы деревьев предлагается прореживать и следить за состоянием.

Поскольку перспективой развития промышленных территорий являются увеличение зоны лесозащитных полос, то закономерным будет и увеличение листового опада деревьев. Общее содержание загрязняющих веществ в годовом листовом опаде деревьев составило 39,4 т. Из них на березу приходится 24,5 т, на липу 9,1 т и на тополя 5,8 т. При характеристике листового опада как отхода возникает задача его утилизации.

Листовой опад березы повислой из зоны химпредприятий составляющий III класс опасности, предлагается утилизировать методом прямоточной газификации. Установка по переработке древесных отходов в генераторный газ, разработанная Тимербаевым Н. Ф. (2011), реализована и внедрена в ОАО «Нижнекамскшина» в

| '^тС'Ъ • . " ......' /■■■а* 2-1,/ .. .... ,

/ 7 / " / ■м-6

а б

с + o2 -> со2,

2С0 + 02 <-» 2С02, 2Н2+ 02 <-» 2Н20, СН4 + 202 <-► С02 н

г. Нижнекамск. Основные стадии газификации: прогрев, сушка, пиролиз, сгорание и восстановление. Основными реакциями в зоне горения и восстановления являются (Семенов, 2008):

(1) С + С02 <-> 2СО, (5)

(2) С + 2Н2 <-» СН4, (6)

(3) СО + Н20 С02 + Н2, (7) 2Н20, (4) СО + ЗН2 <-> СН4 + Н20. (8)

Итоговый компонентный состав генераторного газа включает в себя: С02, СО, СН4, Н2, N2, Н20. Приведен выход генераторного газа из листового опада березы. Если при номинальном значении расхода топлива (отхода) 130 кг/ч выход генераторного газа составляет 175 м3/ч, из годовой величины листового опада III кл. опасности г. Нижнекамска (203,1 т) выход составит 273269 м3.

Остальной листовой опад деревьев, являющийся отходом IV класса опасности и одновременно объектом потребления дождевых червей, предлагается использовать для производства биогумуса. Гуминовые вещества, которые составляют биогумус, собой

представляют сооои сложный комплекс соединений, состоящие из ядра, периферической части, минерального компонента и абсорбирующихся комплексов (Rice J. А., 1991) (рисунок 9).

Рисунок 9 - Усредненные структурные формулы гуминовых веществ

Ядро

>-

Периферическая часть

J Y)

уО „

AljOj F52O3 СаО. SKb, PiOs

Минеральные компоненты

н о

-ОСНз

н о

IX

HR ' ' О-СвНцОй -O-CjHäQ,

—О-О-Р-О !

—С-ОСг-О-Р—О"

1 о Комплексы, сорбция

Металлы входят в состав минерального компонента в составе оксидов и

абсорбционных комплексов (рисунок 9) гхюн __.-соск

и с гуминовыми веществами образуют + м, = к ^ ^м + пН

-он

комплексные соединения:

Эти и другие данные свидетельствуют о связывании и закреплении гуминовых веществ тяжелых металлов по всем возможным валентностям (Игонин, 1992; Орлов, 2001; Раскатов, 2002).

Комплекс прсдпрцяшй химической промышленное!»

Выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду

Очищенный воздух

Биологическая доочпсткас использованием зеленых насаждении

Определение категории опасности

Листовой опад

III класс: IV класс: Использование для

умеренно опасные малоопасные - производства

биогумуса

Рисунок 10 - Схема улучшения экологической

ситуации с помощью биологической доочистки

зелеными насаждениями

Приведены бионормативы для переработки листового опада деревьев в биогумус. Определены

параметры буртов, вермигряд, компостирования и

культивирования. Рассчитан выход биомассы и биогумуса.

Из 609,2 т листового опада - отхода IV класса опасности образуется 304,6 т компоста, 182,8 т биогумуса и 840 кг биомассы червей.

Предложенная на рисунке 10 схема биологической доочистки окружающей среды зелеными насаждениями позволяет улучшить экологическую ситуацию на урбанизированной территории.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Определены уровни устойчивости березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического к техногенному воздействию в разных условиях включая химическое загрязнение. В парковой зоне «нормальной» жизненностью характеризуются 99%, «здоровой» визуальной оценкой и «удовлетворительной» оценкой по деградации - 100% рассмотренных деревьев. В зоне автомагистрали «нормальная» жизненность соответствует 85%, «здоровая» визуальная оценка 76% и «удовлетворительная» оценка по деградации 98% рассмотренным деревьям. В зоне химпредприятий отмечается снижение уровней устойчивости деревьев генеративного возраста до 2% по оценке деградации, до 24% по визуальной оценке и до 15% по оценке жизненности.

2. Показана роль атмосферы в загрязнении листовой биомассы такими элементами как Cd, Pb, V, которые отсутствуют в химическом составе соответствующей почвы.

В химическом составе серой лесной почвы выявлено 16 элементов (К, Са, Fe, Zn, S, Br, Sr, Si, Rb, Ti, Cr, Mn, Cu, Zr, Y, Ni), концентрации тяжелых металлов в целом соответствуют региональным, максимальные концентрации отмечены у железа (178- 197 мг/кг). Отмечается возрастание концентрации (до 4,7 раз) хрома.

3. Исследование химического состава листвы и листового опада березы, липы и тополя в условиях разной степени техногенного загрязнения выявило 19 элементов: К, Са, Fe, Zn, S, Sr, Si, Rb, Ti, Cr, Mn,Cu, Zr, Y, Ni, Cd, Pb, P, V. Максимальные концентрации отмечены в зоне химпредприятий в листве березы у железа - до 610; в листве липы - у стронция (180) и хрома (45); в листве тополя - у цинка (221 мг/кг).

4. Сравнение концентраций элементов в почве контрольного участка с зоной химпредприятий и соответствующей концентрацией загрязняющих веществ в листовой биомассе выявило важную роль атмосферы в попадании в листовую биомассу тяжелых металлов (например, Мп — до 62,5% вклад из атмосферы). Превышение в почве Сг в зоне химпредприятий по сравнению с контрольным участком составило 1,06, а в соответствующей листовой биомассе березы - 3,19 раза.

Коэффициент обогащения листового опада березы варьировал от 62,63 (у Са) до 1,0 (у Си) в зоне химпредприятий. Он выявил способность к накоплению в листве следующих элементов в убывающем порядке: Ca>Zn>K>Sr>Mn>S>Rb>Cr>Fe>Pb>Cu. Коэффициент обогащения листового опада березы хромом на контрольном участке составил 1,17, в зоне автомагистрали - 1,44, в зоне химпредприятий - 3,53.

Элементы Ti, Zr, Ni, Y не обладают способностью к накоплению в листве березы, липы и тополя и не должны включаться в мониторинг атмосферы с помощью изученных видов озеленителей.

5. Выявлена зависимость аккумулирования основных тяжелых металлов (Fe, Zn, Cr, Mn, Cu, Sr) от уровня техногенного воздействия, включая химическое загрязнение. Установлена более высокая способность к накоплению в листве тяжелых

металлов у березы - Ре, Хп, Мп, Сг; у липы - 8г, Си; у тополя накопление тяжелых металлов оказалось минимальным.

«Нормальной» жизненности, «здоровой» визуальной оценке и «удовлетворительной» оценке по деградации соответствует среднегодовой уровень накопления тяжелых металлов в листовой биомассе у березы: Ре- до 126,2, Ъл - до 35,2, Мп - 23,0, Сг - 6,3 мг/кг. В условиях воздействия химпредприятий при снижении визуальной оценки (до 24%) и оценки жизненности (до 15%) отмечаются следующие концентрации тяжелых металлов в листовой биомассе березы: Ре - до 251, Ъъ- до 60,8, Мп - до 54,5, Сг - до 21,2 мг/кг.

6. Определен класс опасности листового опада из мест с разной степенью техногенной нагрузки: у березы из зоны воздействия химпредприятий - III класс (К=105,67), а на остальных участках - IV класс опасности. Наибольший процентный вклад в показатель опасности внес хром (в листовом опаде березы - 56,78%, липы -55,25%, тополя - 42,71%).

7. По результатам исследования фактической способности аккумулирования загрязняющих веществ в листовой биомассе предложено включение в мониторинг атмосферы контроля химического состава листовой биомассы древесных растений. Разработаны для Нижнекамского промышленного узла модели парковых территорий, зон озеленения автомагистралей и санитарно-защитных преград, с учетом видовой способности деревьев к аккумуляции загрязняющих веществ для создания локальных растительных систем очистки с утилизацией листового опада в зависимости от его класса опасности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Калайда, М. Л. Исследование содержания тяжелых металлов в растениях -озеленителях в г. Нижнекамске / М. Л. Калайда, Р. Н. Бариева // Энергетика Татарстана. - № 3 (19) - 2010. С. 89-94.

2. Калайда М. Л. Исследование листового опада берёзы повислой на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки / М. Л. Калайда, Р. Н. Бариева // Бутлеровские сообщения. - № 5. - Т. 19. - 2010. - С. 18-26.

3. Калайда, М. Л. Особенности накопления тяжелых металлов в листве разных видов-озеленителей / М. Л. Калайда, Р. Н. Бариева // Бутлеровские сообщения. -№Ю.-Т. 22.-2011.-С. 59-64.

4. Бариева, Р. Н. Общая характеристика зеленых насаждений в г. Нижнекамске // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Тинчуринские чтения: материалы докладов Ш-й Международной молодежной научной конференции; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т., 2008, - С. 208.

5. Бариева, Р. Н. Исследование листового опада березы повислой на содержание меди и цинка в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Тинчуринские чтения: материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения»; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т., 2009, - С. 88.

6. Бариева, Р. Н. Исследование химического состава листового опада березы повислой в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / День энергетика: материалы докладов XIII аспирантско-магистерского научного семинара. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2009, - С. 289.

7. Бариева, Р. Н. Исследование листового опада березы повислой на содержание никеля и хрома в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Природоохранные биотехнологии в XXI веке: сб. докладов под редакцией доктора биологических наук, профессора Н. В. Морозова. -Казань: ТГГПУ, 2010, - С. 189.

8. Бариева, Р. Н. Общая характеристика зеленых насаждений в г. Нижнекамске // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Тинчуринские чтения: материалы докладов V-й Международной молодежной научной конференции; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2010, - С. 209.

9. Бариева, Р. Н. Исследование количественного накопления тяжелых металлов в разных видах растений в г. Нижнекамске в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Тинчуринские чтения: материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011, - С. 89.

10. Бариева, Р. Н. Исследование содержания тяжелых металлов в растениях в г. Нижнекамске в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / Ботанические сады в современном мире: теоретические и прикладные исследования: материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 80-летию со дня рождения академика Л. Н. Андреева (г. Москва, 5-7 июля 2011 г.). - Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2011, - С. 232.

11. Бариева, Р. Н. Исследование содержания тяжелых металлов в разных видах растений в г. Нижнекамске в условиях разной степени антропогенной нагрузки // Р. Н. Бариева, М. Л. Калайда / День энергетика: материалы докладов XIV аспирантско - магистерского научного семинара; под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю. Я. Петрушенко. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011, - С. 146.

12. Бариева, Р. Н. Роль зеленых насаждении в выведении загрязняющих веществ // Р. Н. Бариева / Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно - коммунальном хозяйстве: материалы докладов Городской научно - практической конференции, посвященные 45 - летию г. Нижнекамска. - Нижнекамск: НХТИ, 2011, - С. 143.

13. Бариева, Р. Н. Выведение загрязняющих веществ из окружающей среды // Р. Н. Бариева / Механизмы обеспечения экологической безопасности: российский и зарубежный опыт: материалы докладов Международной научно-практической конференции. - Казань: ИЭУП, 2012, - С. 212.

14. Бариева, Р. Н. Исследование содержания тяжелых металлов в растениях в г. Нижнекамске в сезонном аспекте // Р. Н. Бариева / Экологизация, как условие инновационного развития России: материалы докладов всероссийской научно -практической конференции. - Казань: ИЭУП, 2013, - С.167.

Формат 60x84/16. Гарнитура Тайме. Бумага офсетная №1.

Печать RISO. Уч.-изд.л.1,2. Тираж 120 экз.

ЦЕНТР ПЕЧАТИ "Линк". Казань, ул. Карла Маркса, 51

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата химических наук, Бариева, Райхан Назифовна, Казань

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201458995

Бариева Райхан Назифовна

АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛИСТВЫ И ЛИСТОВОГО ОПАДА В КОМПЛЕКСЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО МОНИТОРИНГУ АТМОСФЕРЫ НИЖНЕКАМСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЫ

03.02.08 - Экология (химия)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель д-р биол. наук М.Л.Калайда

Казань-2014 г

Список условных сокращений

ПЗА - потенциал загрязнения атмосферы

СИАК - специализированная инспекция аналитического контроля

ТМ - тяжелые металлы

03 - органические загрязнения

031 - трансформированные органические загрязнения М - минеральная часть

КЗПМ - Камский завод полимерных материалов

РМЗ - ремонтно - механический завод

СКИ - синтетический изопрен каучук

СК - синтетический каучук

РФА - рентгенофлуоресцентный анализ

ЛП - лесозащитная полоса

ЛПИ - лесозащитная полоса изолирующего типа

ЛМИ - лесозащитный массив изолирующего типа

ЛМФ - лесозащитный массив фильтрующего типа

ФК - фульвокислоты

ГК - гуминовые кислоты

ГФК - гуминофульвокислоты

ПДКп - предельно допустимая концентрация вещества в почве ОДК - ориентировочно допустимая концентрация

ПДКв - предельно допустимая концентрация вещества в воде водных объектов

хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования

ОДУ - ориентировочно допустимый уровень

ОБУВ - ориентировочный безопасный уровень воздействия

ПДКр.з. - предельно допустимая концентрация вещества в воздухе рабочей

зоны

ПДКСС - предельно допустимая концентрация вещества среднесуточная в атмосферном воздухе населенных мест

ПДК м р - предельно допустимая концентрация вещества максимально разовая в воздухе населенных мест

£ - растворимость компонента отхода (вещества) в воде при 20°С

Снас - насыщающая концентрация в воздухе при 20 °С и нормальном давлении

ЬБ50 - средняя смертельная доза компонента в миллиграммах действующего

вещества на 1 кг живого веса, вызывающая гибель 50% подопытных животных

при однократном пероральном введении в унифицированных условиях

ЬС50 - средняя смертельная концентрация вещества, вызывающая гибель 50%

подопытных животных при ингаляционном поступлении в унифицированных

условиях.

Содержание

Введение 6

1 Оценка роли зеленых насаждений в улучшении качества городской

среды 13

1.1 Растительные насаждения как важный компонент экосистем 13

1.2 Способность растений к накоплению загрязняющих веществ 16

1.3 Способы организации лесозащитных зон 31

1.4 Современные способы утилизации листового опада растений 39

2 Материалы и методы исследования 47

2.1 Материалы исследования 47

2.2 Методы исследования 49

3 Характеристика зеленых насаждений в г. Нижнекамск 53

3.1 Общая характеристика и оценка жизненного состояния зеленых насаждений в г. Нижнекамск 53

3.2 Исследование химического состава листвы березы, липы и тополя 59

3.3 Исследование химического состава почвы 73

4 Качественный и количественный анализ доминирующих элементов в химическом составе листвы зеленых насаждений в сезонном аспекте 79

4.1 Исследование доминирующих элементов в листве березы повислой в сезонном аспекте 79

4.2 Исследование доминирующих элементов в листве липы сердцевидной в сезонном аспекте 83

4.3 Исследование доминирующих элементов в листве тополя бальзамического в сезонном аспекте 87

5 Расчет данных листового опада как отхода городских территорий для организации лесозащитных мероприятий и утилизации листового

опада 93

5.1 Оценка класса опасности листового опада березы, липы и тополя в условиях разной степени загрязнения городской территории 94

5.2 Организация лесозащитных зон в г. Нижнекамске как мероприятие

по улучшению состояния урбаэкосистемы 105

5.3 Перспективы утилизации листового опада - отхода деревьев III

класса опасности 117

5.4 Перспективы утилизации листового опада - отхода деревьев IV

класса опасности 123

Основные результаты и выводы 129

Список использованных источников 132

Приложения 151

Введение

Актуальность проблемы. В последнее время проблема загрязнения воздушной среды является одной из актуальных, так как атмосферный воздух является начальным звеном в цепочке загрязнений природных сред и объектов [1;2;3;4; 5; 6; 7; 8].

Правовыми основами законодательства об охране атмосферного воздуха является Федеральный закон «Об охране атмосферного воздуха» и принимаемые в соответствии с ним другие нормативные правовые акты РФ и ее субъектов, регулирующие нормы допустимого загрязнения атмосферы, определяющие ПДК и ПДВ загрязняющих веществ, а также решающие другие вопросы охраны атмосферного воздуха [10].

Охрана атмосферного воздуха является основным и актуальным направлением для муниципалитетов в ресурсосбережении и здравоохранении. По данным Всемирной организации здравоохранения от 40 до 50% заболеваний человека в наше время могут быть связаны с изменением окружающей среды и в первую очередь - с загрязнением атмосферы [10].

К районам с повышенной экологической опасностью их загрязнения относится и г. Нижнекамск, построенный в середине 60-х годов, как инфраструктура для эксплуатации промышленных предприятий, являющийся самым крупным на территории России центром химической и нефтеперерабатывающей продукции. Негативное влияние на состояние окружающей среды города также оказывают предприятия энергетики, стройиндустрии и автотранспорт.

Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу пыль, сернистые и другие вредные газы, выделяющиеся при различных технологических производственных процессах. По данным ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в РТ» основными веществами, загрязняющие атмосферный воздух и контролируемыми на территории РТ, являются углеводороды, оксиды

серы, азота, углерода, метана и взвешенных веществ, в составе которых присутствуют тяжелые металлы [11].

По данным Государственного доклада о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды в Республике Татарстан в 2010 - 2012 годах в г. Нижнекамск уровень загрязнения окружающей среды характеризуется как «очень высокий», а экологическая ситуация как «тяжелая». Это относится как к загрязнению атмосферы, так к водной среде и почвенному покрову.

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в последний период по данным Минприроды Республики Татарстан по Нижнекамску составляют около 76 тысяч т в год из которых промышленные выбросы - 60 тыс.т в год и занимают первое место по количеству в республике (г. Альметьевск - 33 тыс. т, г. Казань - 29 тыс. т). Количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от промышленных предприятий, приходящееся на 1 человека в г. Нижнекамске, превышает среднереспубликанский уровень почти в 5 раз [21].

По данным Управления Роспотребнадзора по РТ в 2012 г. доля проб атмосферного воздуха превышающих гигиенические нормативы в Нижнекамске в зоне города составила 2,9 %, в зоне влияния промышленных предприятий 3,7 %. В г. Нижнекамске среднегодовые концентрации загрязняющих веществ превышали ПДК по бенз(а)пирену в 1,7 раза, по формальдегиду в 4,7 раза, по взвешенным веществам в 1,1 раза. Роза ветров, их повторяемость и средние скорости свидетельствуют о преобладании юго-западных ветров со средней скоростью ветра 5-6 м/с, что учитывалось при строительстве города и расположении промышленной зоны и является благоприятным для г. Нижнекамск с высокой промышленной нагрузкой [20]. Однако отмечаются дни с неблагоприятными метеоусловиями для рассеивания вредных примесей в атмосферном воздухе (в 2011 г. - 125 дней) [21].

Особое место в загрязнении атмосферного воздуха города занимает предприятия химического производства. Основными источниками загрязнения являются вентиляционные выбросы технологических процессов предприятий:

дымовые трубы печей пиролиза бензина, пароперегревателей; наружные установки пиролиза, фракционирования; наружные установки цеха, где возможны потери из-за возникших не плотностей в местах соединений. В постоянном режиме происходит выброс в атмосферу оксидов серы, азота, углерода, метана, взвешенных веществ общим объемом от 141,8 до 325,4м /сек. Значительное действие оказывают тяжелые металлы, входящие в состав аэрозолей и взвешенных веществ, набор и содержание которых определяется специализацией промышленных и энергетических предприятий [22].

Это оказывает влияние на здоровье населения, особенно на детей. По данным Государственного доклада о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2012 году среди основных видов заболеваний в г. Нижнекамск, связанных с загрязнением воздуха такие, как бронхиты, астма, поражение верхних дыхательных путей, эмфизема легких.

В настоящее время оценка состояния воздушной среды проводится по интегральной оценке потенциала загрязнения атмосферы, которая по г.Нижнекамск характеризуется как умеренное загрязнение (ПЗА 2,4-2,7). Однако проводимые обычными методами мониторинга исследования не дают интегральной картины влияния загрязнения атмосферы на окружающую среду. Использование листвы и листового опада как накопителя загрязняющих веществ, включая тяжелые металлы, позволяет в структуре мониторинга иметь интегральный показатель состояния окружающей среды, как во времени, так и в пространстве.

Предприятия совершенствуют системы очистки промышленных выбросов, однако, с одной стороны, этих мероприятий не достаточно, с другой стороны, не всегда ясно, какие именно загрязняющие вещества должны быть удалены в первую очередь. В связи с этим, проблема загрязнения воздушной среды в крупных промышленных центрах может решаться только комплексно. В комплексе мероприятий по улучшению состояния атмосферы важную роль играет озеленение промышленных территорий. Направленное формирование

растительных сообществ позволяет снизить техногенное воздействие на окружающую среду города, формировать локальные растительные системы очистки.

Поскольку выбросы химических центров характеризуются сложным химическим составом и высокой реакционной способностью, выбор видов-озеленителей является актуальным. Данная задача требует подбора видов -лучших аккумуляторов загрязняющих веществ, способных выдерживать экологическую нагрузку предприятий химической отрасли, которые совместно с нефтехимическими производствами в г. Нижнекамске обуславливают около 80% промышленного производства. Подбор видов позволяет также выводить из атмосферы конкретные загрязняющие вещества, если известна способность растений к их аккумуляции.

Цель работы: исследование, анализ и применение возможностей зеленых насаждений для выведения загрязняющих веществ из окружающей среды в условиях химического загрязнения с использованием растений как мониторов состояния атмосферы.

Основные задачи исследования:

- провести анализ современного состояния вопроса по использованию зеленых насаждений в контроле и улучшении качества окружающей городской среды;

- исследовать уровни устойчивости березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического по характеристикам жизненного состояния к техногенному воздействию в разных условиях включая химическое загрязнение;

- экспериментально исследовать химический состав листвы и листового опада основных видов озеленителей в условиях разной степени антропогенного загрязнения, определить характерные загрязнители в листовой биомассе;

- определить пути попадания химических элементов в листовой опад на базе исследований химического анализа почв, атмосферы и химического состава листовой биомассы;

- выявить закономерности аккумуляции железа, цинка, хрома, марганца, меди и стронция в листовой биомассе березы, липы и тополя на участках с различным уровнем антропогенного воздействия с учетом фактора сезонности;

- разработать рекомендации по использованию растений-озеленителей в мониторинге атмосферы с задачей выведения загрязняющих веществ с учетом особенностей по их аккумуляции.

Научная новизна работы: Получены зависимости накопления загрязняющих веществ в листовой биомассе березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического от фактора сезонности, включающего климатические особенности территории. Показана роль атмосферы в загрязнении листовой биомассы такими элементами как Сс1, РЬ, V. По результатам мониторинга химического состава почвы расчетным путем определены коэффициенты обогащения листового опада березы повислой тяжелыми металлами.

Определены способности березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического к аккумуляции в листовой биомассе железа, цинка, хрома, марганца, меди и стронция в различных условиях влияния абиотических факторов, включая промышленное химическое загрязнение для г.Нижнекамска.

Рассчитаны значения среднегодовых накоплений загрязнителей в листовой биомассе березы повислой, липы сердцевидной и тополя бальзамического.

Практическая ценность работы. На основе полученных результатов химического состава биомассы листвы березы, липы и тополя расчетным путем определены классы опасности листового опада деревьев в условиях влияния химического загрязнения. Предложено включение исследований химического состава листовой биомассы в структуру мониторинга атмосферы, как объективного интегрального показателя состояния городской среды.

Получены данные для биологической доочистки и улучшения окружающей среды путем организации лесозащитных зон с помощью березы

повислой, липы сердцевидной и тополя бальзамического в районе г. Нижнекамска.

Предложена утилизация листовой биомассы деревьев в зависимости от её класса опасности путем прямоточной газификации и использования технологии вермикультуры.

Положения, выносимые на защиту:

1. Оценка возможности использования березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического для улучшения городской среды.

2. Определение уровня устойчивости березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического к техногенному воздействию в условиях химического и нефтехимического загрязнения по оценке жизненного состояния (по показателю жизненности, визуальной оценке, состоянию деградации) насаждений в г. Нижнекамск.

3. Оценка способности березы повислой, липы сердцевидной, тополя бальзамического к аккумуляции загрязняющих веществ в условиях химического загрязнения.

4. Определение путей попадания химических элементов в листовой опад на базе исследований химического анализа почв, атмосферы и химического состава листовой биомассы.

5. Оценка закономерности аккумуляции железа, цинка, хрома, марганца, меди и стронция в листовой биомассе березы, липы и тополя на участках с различным уровнем антропогенного воздействия с учетом фактора сезонности

6. Определение класса опасности листового опада березы повислой, липы сердцевидной, тополя (секция бальзамический) в условиях разной степени химического загрязнения для определения условий его утилизации.

7. Рекомендации по использованию растений-озеленителей в мониторинге атмосферы с задачей выведения загрязняющих веществ с учетом особенностей по их аккумуляции.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена сходимостью теоретических решений и данных полученных путем химического анализа, их с согласием с известным опытом разработки методов биологической доочистки.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ХН-й, ХШ-й, Х1У-Й аспирантско - магистрских научных семинарах КГЭУ, посвященных Дню энергетика (Казань, декабрь, 2008, 2009,2010 ), Ш-й, 1У-й, У-й, У1-Й молодежных Международных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, апрель 2008, 2009, 2010), Научно-практической конференции «Студенчество в науке - инновационный потенциал будущего» (Нижнекамск, март 2010), Республиканской научно-практической конференции «Высокоэффективные технологии в химии, нефтехимии, и нефтепереработке» (Нижнекамск, март 2011), Городской научно - практической конференции, посвященной 45-летию г. Нижнекамска «Энергоэффективная и энергосберегающая политика в промышленности и жилищно - коммунальном хозяйстве» (Нижнекамск, апрель, 2011). Основные результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Водные биоресурсы и аквакультура» ФГБОУ ВПО КГЭУ (2009, 2010, 2011, 2012 гг.).

Публикации. По диссертационной работе опубликованы 14 работ, из которых 6 - в статьях научных журналов и сборников, из них 3 - в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а 8 - в тезисах докладов на различных конференциях.

Личный вклад автора в работе состоит в непосредственном участии на всех этапах работы и обсуждения полученных результатов, подборе методик, написании статей и тезисов.

1 Оценка роли зеленых насаждений в улучшении качества

городской среды

1.1 Растительные насаждения как важный компонент эко�