Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Ландшафтно-геохимический анализ загрязнения несимметричным диметилгидразином районов падений первых ступеней космических ракет (Центральный Казахстан)

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Ландшафтно-геохимический анализ загрязнения несимметричным диметилгидразином районов падений первых ступеней космических ракет (Центральный Казахстан)"



Ч . ^ £ 1'уС

/< МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И " ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М П. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

КОРОЛЕВА Татьяна Витальевна

ЛЛ11Д111АФТ1Ю-ГЕОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ - НЕСИММЕТРИЧНЫМ ДИМЕТИЛШДРАЗИНОМ РАЙОНОВ ПАДЕНИЙ ПЕРВЫХ СТУПЕНЕЙ КОСМИЧЕСКИХ РАКЕТ

(Центральный Казахстан)

11.00.01. - физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета им. М.6.Ломоносова

Научный руководитель -

доктор географичесих наук. профессор Н.С.Касимов

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Н.Ф.Глазовский

кандидат географических наук, доцент И. А.Авессаломова

Ведущая организация: Институт почвоведения и фотосинтеза

РАН (г. Пущино)

Защита состоится " 3 "Лсссу/^Я- 1995г. в часов

на заседании физико-географического диссертационного совета Д.053.05.29 при Московском государственном университете по адресу: 117234. Москва. Воробьевы горы. МГУ, географический факультет, ауд.1807, 18 этаж.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета кандидат географических наук

\Л он^ т. и. Кондратьен

Актуальность темы. С конца пятидесятых годов при запусках космических ракет территории площадью сотни тысяч квадратных километров испытывают постоянное загрязнение высокотоксичным ракетным топливом. Оно попадает на поверхность Земли с остатками ступеней ракет, запускаемых с космодрома Байконур, полигонов Плесецк, Капустин Яр и Северодвинск. Географическое положение страны и расположение стартовых площадок таково, что трассы пусков ракет-носителей проходят, главным образом, над сушей. Вследствие этого территории, используемые как места падений остаточных частей ракет-носителей с остатками неотработанного ракетного топлива, являются зонами отчуждения. Среди ракетных топлив главными токсикантами являются несимметричный диметилгидразин (НДМГ) и его производные. Этот вид техногенного воздействия на природную среду существует достаточно давно, но весьма слабо изучен и почти неизвестен научной общественности. Исследования по изучению влияния эксплуатации ракетно-космической техники на окружающую среду не приобрели еще целенаправленного и планомерного характера. Поведение НДМГ в окружающей среде, его биологическая и биохимическая устойчивость, реакционная способность в процессах самопроизвольной деградации изучены слабо.

Использованные материалы. Работа основывается на результатах ландшафтно-геохимических исследований, проведенных в 4 районах падений остаточных частей ступеней космических ракет, расположенных в Джезказганской области . Казахстана. Также использованы картографические материалы Казгипрозема, Лаборатории космоэкологических исследований географического факультета МГУ и литературные источники.

Цели и задачи исследований, основной цель» работы являлся ландшаФтно-геохимический анализ загрязнения НДМГ районов падений остаточных частей первой ступени ракет-носителей, запускаемых с космодрома Байконур. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Анализ пространственного положения и интенсивности техногенных геохимичесих аномалий НДМГ в районах падений остаточных частей космических ракет.

2. Из', .ение процессов миграции, трансформации и аккумуляции НДМГ в компонентах ландшафтов:

- определение уровней содержания и характера перераспределения НДМГ в почвах;

- выявление путей поступления НДМГ в.растения;

- изучение геохимической специализации отдельных видов и родов растений в накоплении НДМГ.

Нзу.чная новизна. 1. Впервые проведен комплексный ланд-шафтно-геохимический анализ загрязнения районов падений ступеней космических ракет.

2. Составлены карты условий миграции и устойчивости НДМГ в почвах районов падений Центрального Казахстана и карты интенсивности биологического поглощения НДМГ.

3.. Выявлены геохимические барьеры, на которых происходит концентрация НЛМГ в ландшафтах.

4. Определены растения-индикаторы присутствия НДМГ в ландшафтах.

5. Представлена схема миграции, и трансформации ракетного топлива в ландшафтах полупустынь и северных пустынь Центрального Казахстана.

Практическое значение работы. Из-за высокой токсичности НДМГ и возможности его миграции по пищевым цепям полученные материалы поставили вопрос о необходимости проведения детальных ландшафтно-геохимических исследований в районах падений остаточных частей ступеней ракет, расположенных в различных природных зонах. Результаты работы имеют значение для изучения поведения НДМГ в природных ландшафтах, они учтены при составлении экологических паспортов ряда районов падений остаточных частей ступеней ракет.

Апробация работы и публикации. Ландшафтно-геохимические исследования проводились в составе Ландшафтно-геохимической партии кафедры геохимии ландшафтов и географии почв совместно с Лабораторией космоэкологических исследований географического факультета МГУ, а также Институтом биофизики Минздрава РФ в рамках программы "Экое". Результаты диссертационной работы вошли в отчеты по НИР. были представлены на 3 Международной научно-практической конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса" (Москва, 1993), Международном Конгрессе "Женщины за охрану окружающей среды" (Москва. 1993), научной сессии " Вернадский-Экология-Ноосфера" (Москва, 1993), Национальном Форуме "Экология России" (Москва, 1994).

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения. 6 глав, заключения, выводов и списка литературы. Ее объем составляет 168 страниц, в том числе 16 таблиц, 59 рисунков и списка литературы из 71 наименования, включая 11 источников на английском языке.

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную поддержку и благожелательное содействие работе, за помощь и критические замечания во время ее написания научному руководителю - профессору, доктору географических наук Николаю Сергеевичу Касимову.

Автор благодарит за консультации и критические замечания коллектив кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ.

Большую помощь при работе над диссертацией оказали консультации и пожелания руководителя Ландшафтно-геохимической партии - старшего научного сотрудника О.В.Проскурякова и ведущего научного сотрудника Лаборатории космоэкологических исследований, кандидата технических наук А.П.Ворожейкина.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Введение

Районы падений остаточных частей ракет обычно представляют собой эллипсы площадью от нескольких сотен до тысяч квадратных километров и являются зонами повышенного экологического риска. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют собой аварии ракет-носителей в полете, особенно при работе первой ступени, когда на поверхность Земли попадает значительное количество неиспользованного топлива. Но и при нормальном течении полета после отработки ступеней ракет-носителей в баках остаются значительные гарантийные остатки высокотоксичного топлива, которые поступают в природные ландшафты как при аэрогенном рассеивании, так и во время разливов топлива на местах падений остаточных частей ступеней ракет.

На исследованных полигонах основным источником поступления ракетного топлива явились первые ступени ракет-носителей "Протон" и "Циклон". Количество фактических остатков топлива и окислителя при отделении остаточных частей (04) в среднем колеблется от 0.3 до 2.0 тонн НДМГ и от 2 до 4 тонн окислителя {N,0.1).

Глава к Свойства НДМГ и методы его определения в природных средах

1.1. Физико-химические свойства НДМГ и.продуктов его разложения. Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) является жидким высококипящим азотосодержащим ракетным топливом, производным .гидразина. НДМГ ((СНЛЬ ИаН2) представляет соб.ой гигроскопичную

и водорастворимую бесцветную жидкость с аммиачным запахом, с молекулярным весом 60.078. Основной элементный состав (вес в %) - С - 39.7; Н - 13.42; N - 46.61.•Температура кипения 63.3° С при 768 мм рт.ст.; температура плавления -58°С, плотность 0.79 при 20°С (Зрелов.1975).

НДМГ является слабым основанием и активным восстановителем, легко окисляется различными окислителями (0г, КМпОЛ.КЮ5, окисью ртути, перекисью водорода, азотной и азотистой кислотами, хлором, бромом, йодом, гипохлоритами, озоном и др.). В за-' висимости от условий окисляется с образованием диметиламина, тетраметилтетразена, формальдегида, нитроздиметиламина, мети-лендиметилгидразина и других продуктов окисления. Ионы меди и железа катализируют процессы окисления НДМГ. Он легко вступает в реакцию с соединениями, содержащими карбонильную группу, хорошо растворим в воде, водных растворах кислот, спиртах, углеводах. аминах, эфирах, легко поглощает влагу из воздуха. Он реагирует с кислотами - соляной, серной, азотной (разбавленной); при совместном присутствии НДМГ и паров кислот в воздухе образуются аэрозоли солей (Зрелов.1975; Иоффе,1979; Коровин. 1980; Сарнер,1969; Шпак,1966).

Свойства НДМГ. определяющие характер его поведения в природных ландшафтах; высокая испаряемость; окисляемостъ кислородом воздуха; ультрафиолетовое облучение; хорошая растворимость в окислительных нейтральных и щелочных водах; сорбционная способность; каталитическое действие химических элементов и их соединений, входящих в состав природных вод, "почв и грунтов.

При попадании в объекты внешней среды НДМГ обычно обнаруживается совместно с продуктами окисления.

1.2. Токсикологические свойства НДМГ и продуктов его разложения. НДМГ и продукты его окисления, как и другие" производные гидразина, относятся к группе канцерогенных и- мутагенных агентов, вызывают нежелательные эффекты и пост-эффекты в окружающей среде и- относятся к первому классу, опасности воздействия на' человека (Зрелов, 1975; Резников,.1973; Фео-досьев,1981; Strunk, 1957 и др.). Общий характер действия НДМГ: раздражение слизистых оболочек глаз, верхних дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта, поражение печени, длительные возбуждения' и , судороги. НДМГ обладает общетоксичными свойствами, одинаково опасен при любом пути поступлении в организм. ,

ПДК НДМГ . для' воздуха над открытыми участками местности составляет 0.01 мг/м,* для воды - 0.02 мг/л. временный предель-

по допустимый уровень (ПДУ) для почв -0.1 мг/кг.

1-3. Методы определения НДМГ в природных средах. Определение НДМГ в водах, почвах и растениях проводилось в лаборатории ИБФ фотоколориметрическим методом. В воде оно основано на отделении щелочной отгонкой и взаимодействии с паранитробен-зальдегидпм (ПНБА) с последующим извлечением окрашенного комплекса хлороформом. Нижний предел обнаружения НДМГ в воде -0.02 мг/л. Диапазон определения 0.02-10.0 мг/л.

Из почв НДМГ извлекают Ш раствором соляной кислоты, перегоняют из сильной щелочной среды с водяным паром, с помощью ПНБА переводят в окрашенный гидразон. который извлекают из водного раствора хлороформом. Чувствительность определения НДМГ в почве - 0.02 мг/кг. Диапазон определения составляет 0.02 - 40 мг/кг.

Определение НДМГ в растениях основано на извлечении НДМГ из растений 0.1 N раствором соляной кислоты, щелочной отгонке и фотоколориметрическом определении последнего по реакции с ПНБА. Нижний предел обнаружения НДМГ в растениях - 0.05 мг/кг.

Глава 2, Методика исследований

Теоретической основой оценки экологического состояния районов падений остаточных частей космических ракет, загрязненных остатками ракетного топлива, явился системный анализ миграции веществ в элементарных и каскадных ландшафтно-геохи-мических системах, основы которого в виде сопряженного анализа химического состава компонентов ландшафта и связей между ландшафтами заложены в трудах Б.Б.Полинова и его учеников.

Объекты исследований. Среди природных ландшафтно-геохими-ческих систем традиционно выделяются два основных типа: элементарные и сложные (каскадные) системы.

В полупустынных и северопустынных ландшафтах исследованных районов падений остаточных частей космических ракет. (РП) были выбраны наиболее представительные элементарные ландшафт-но-геохикические системы, отражающие основные зональные и азональные варианты.

Для выявления общей картины перераспределения ракетного топлива по площадям РП и за их пределами изучались каскадные ланяиафтно-.еохимические системы локального (топологического) уровня организации.

Базовые исследования в течение трех полевых сезонов проводились на Южном полигоне в двух районах падений с максимальной техногенной нагрузкой в течение 12 лет (140 падений оста-

точных частей ступеней ракет). В течение двух полевых сезонов проводились исследования на Северном полигоне (7 падений) и одного полевого сезона на Центральном полигоне (14 падений).

2.1. Полевые работы

Почвенно-геохишческие исследования. Их задачей являлось получение геохимических характеристик загрязненных почв (наличие, концентрация и перераспределение НДМГ в почвенном профиле).

Для получения общей картины распределения НДМГ в почвенном покрове полигонов отбирались поверхностные пробы с глубины 0-15 см (877 проб). Отбор проб проводился методом "конверта" на площади 1 квадратный метр. На местах падений и складирования остаточных частей ракет, а также за их пределами изучены 80 почвенных разрезов-с опробованием генетических горизонтов (300 проб) и полевым определением рН, Eh и др. Почвенные пробы отбирались в двойные полиэтиленовые пакеты во избежание доступа кислорода, упаковывались в бумажные пакеты и хранились в сухом темном месте.

Биогеохишческие исследования ставили своей задачей определение вероятности и активности перехода загрязнителя из почв и воздуха в растения, установление уровней концентрации НДМГ в различных видах растений и их органах.

Растения опробовались одновременно с почвами с учетом видовой и территориальной представительности и биогеохимической специализации (240 проб представителей 14 семейств). На ряде точек отдельно отбирались корни, стебли и листья одного экземпляра (18 проб), проводились смывы с поверхности растений (23 пробы). - В сопредельных с РП населенных пунктах с приусадебных участков отбирались овощи (23 пробы). Растения высушивались в сухом темном месте и хранились в полиэтиленовых пакетах.

Гидрохимические исследования. В основе исследований лежал бассейновый подход. В районах падений опробовались талые воды, ручьи, водотоки второго и первого порядка (114 проб). На территориях РП и за их пределами проводился отбор почвенно-грун-товых вод (31 проба).

Ландшафтно-геохимичесте исследования включали в себя изучение основных компонентов ландшафтов и условий миграции НДМГ между ними в элементарных ландшафтах и в пределах геохимических сопряжений, выявление техногенных геохимических аномалий НДМГ в природных ландшафтах.

2.2. Лабораторные исследования. Анализ НДМГ и продуктов

его окисления в почвах, растениях и водах проводился в лаборатории ИБФ (раздел 1.3.).

Общий химический анализ почв (рН, общее содержание гумуса по Тюрину, водная вытяжка по Гедройцу, содержание поглощенных оснований комплексонометрическим методом, содержание подвижных форм металлов атомно-абсорбционным методом из ацетатно-аммо-нийной вытяжки с рН=4.8) и вод проводился в лаборатории химического факультета КазГУ (г.Алма-Ата).

2.3. Компьютерная обработка данных проводилась с помощью системы анализа временных рядов "Мезозавр", разработанной в 1989 году в ШМИ АН СССР. Были получены статистические таблицы содержания НДМГ в различных природных средах (среднее, дисперсия и др.). составлена корреляционная матрица зависимости содержания НДМГ в почвах от различных физико-химических показателей почв, получены графики корреляционных полей (НДМГ. гумус. рН) и гистограммы содержания НДМГ в почвах и растениях.

Глава 3. Физико-геограФические и ландшаФтно-геохимические Факторы, контролирующие поведение НДМГ в ландшафтах Центрального Казахстана

3.1. Факторы, определяющие интенсивность выноса и рассеяния НДМГ. Геолого-геоморфологическое строение территорий полигонов. Районы исследований расположены в южных отрогах Улута-уских гор (Северный полигон), на границе юго-западного окончания возвышенного массива Казахского мелкосопочника и южной части Тургайской столовой страны (Центральный полигон) и в юго-западных отрогах Казахского мелкосопочника. граничащих с Туранской низменностью (Южный полигон).

На Северном и Южном полигонах развиты метаморФиэовашшс породы протерозоя, зффузивно-осадочные и массивно-кристаллические породы палеозоя, перекрытые на значительной площади рыхлыми отложениями мезозоя и кайнозоя. На Центральном полигоне близ дневной поверхности залегают морские и озерно-аллюви-альные осадки палеогена и частично неогена, представленные со-леносными глинами, каолинизированными алевритами и песками (Вопросы геологии____1971; Муравлев. 1975).

3.2. Факторы, определяющие интенсивность преобразования НДМГ. Кпш'с г.1ческие факкори. Климат территорий не способствует длительному сохранению НДМГ в природных ландшафтах. Высокие температуры, большое количество суммарной радиации обеспечивают быстрое окисление НДМГ; незначительное количество осадков и высокая испаряемость препятствуют радиальной и латеральной

миграции ракетного топлива. Сильные ветры значительно расширяют площади техногенных аномалий ЩЩГ во время падения остаточных частей ракет:

3.3. Факторы, контролирующие исходную емкость и возможную прочность закрепления НДМГ в природных ландшафтах. Общие черты почвенного покрова районов падений. Районы исследований расположены в зонах каштановых (подзона светлокаштановых почв) и бурых пустынно-степных почв с солонцово-солончаковыми комплексами. К сухим логам н долинам временных водотоков приурочены лугово-каштановые и лугово-бурые почвы.

Почвы исследованных территорий обладают неодинаковой способностью к сопротивлению техногенным нагрузкам. При этом отдельные их свойства могут способствовать или препятствовать накоплению компонентов ракетного топлива в почвах.

Геохимические характеристики, основных типов почв. Сред» ' физико-химических свойств компонентов ракетного топлива, опре- ' делающими их миграционные возможности в почвах являются: испаряемость, растворимость в воде и водных растворах кислот, скорость и характер распада на вторичные продукты окисления, способность к сорбции на органо-минеральных л минеральных частицах почв.

Зональные почвы (светло-каштановые и бурые пустынно-степные) характеризуются средним содержанием гумуса (1,8-2,3%), небольшой мощностью гумусового горизонта (10-15 см). Реакция pH изменяется по профилю от 6.8-7.2 до 8.0. Сумма поглощенных оснований в горизонте В составляет около 26 мг/экв.

Солонцы отличаются низким содержанием гумуса (1-1,5%) с максимумом в горизонте Bt на глубине 15-25 см. Реакция среды сильнощелочная (pH 8,5-9,5).

Дуговые солончаки содержат до 3. 5 % гумуса в верхнем горизонте. Реакция среды максимальна в верхнем корковом горизонте - 9. 1 и постепенно снижается до 8.0.

Глава 4. Содержание НДМГ в почвах и водах полигонов

4.1. НДМГ в почвах. Основными путями поступления компонентов ракетного топлива в природные ландшафты являются аэрогенное рассеивание и разливы при падении остаточных частей ракет на землю. В результате выпадения токсикантов из атмосферы Формируются обширные региональные поверхностные аномалии на территориях районов падения и за их пределами, в местах разливов топлива формируются локальные, но более контрастные техногенные аномалии.

У НйМГ в почвах локальных контрастных аномалий. Как основ-

ные источники поступления

50 НДМГ в ландшафты наиболее

д /V \ 1 \ детально обследовались

АО места падений и складирова-

л I- ния остаточных частей сту-

§50- пеней ракет. Концентрации

л НДМГ в почвах этих террито-

\ / х рий изменяются от 0.05 до

10 X V ^ 18.01 мг/кг (рис.1).

/ —-—______________ —- __ ___ мг/><_ Падения остаточных

/С, о'а О1-, о'ч о'5 06 ~0 7 о'б ""частей ракет различаются

Рис.1. Распределение НДМГ 6 псньах (() характером поступления ра~ и (>аетеииАх/2) Соогыгтстьенио -¡СО и 240

проб. 4 .четного топлива на повех-

ность земли и сезоном года. Были проведены исследования , на месте падения со взрывом топлива и возгоранием, а также на местах падений с проливом топлива в различное время года.

Общая схема загрязнения мест падений остаточных частей ступеней ракет выглядит следующим образом. Максимальные содержаний НДМГ приурочены к зоне разброса наиболее крупных обломков ракет радиусом 50 м. Эпицентр аномалии контролируется пятном разлива топлива, периферийная зона аномалии формируется» главным образом, за счет аэрогенного рассеивания НДМГ в момент взрыва компонентов ракетного топлива. Концентрации НДМГ в-зональных почвах при проливе топлива могут достигать 18 мг/кг (180 ПДУ). За пределами распространения основной массы обломков концентрации НДМГ в почве резко снижаются до 1.0-0.05 мг/кг. Минимальные концентрации НДМГ установлены в почвах мест падений, сопровождавшихся взрывом топлива и пожаром.

Опасность зимних и весенних падений заключается в возможности расширения почвенных аномалий НДМГ за счет его миграции;, с талыми поверхностными, и внутрипочвенными водами. Радиальная ' миграция ракетного топлива в почвах и его осаждение на различных геохимических барьерах способствуют длительности его сохранения в почвенной толще.

В целом на местах падений и складирования остаточных частей ступеней ракет в бурых пустынно-степных и бурых солонцеватых :;очвах осаждение ракетного топлива происходит на биогеохимическом барьере в гумусовом горизонте и сорбционном гео-_ химическом барьере в солонцовом горизонте, в солончаках и гид^.' роморфных солонцах НДМГ закрепляется на слабовыраженном . сорб-ционно-испарительном и восстановительном, геохимических барь-

- и -

ерах в нижней части почвенного профиля.

НДМГ в почвах слабоконтрастных аномалий. Осенью 1991г. на территории Южного полигона было проведено детальное геохимическое картографирование, отобрано 777 поверхностных проб почв с глубины 0-15 см. НДМГ обнаружен в 5.4% случаев от всей совокупности в концентрациях от 0. 05 до 0. 6 мг/кг. На Северном полигоне за пределами мест падений зафиксировано 20% случаев присутствия НДМГ в почвах. Содержание загрязнителя изменяется от 0. 05 мг/кг до 0.25 мг/кг.

Наличие НДМГ в почвах ландшафтно-геохимических профилей на расстоянии 2 и 5 км от мест падений в концентрациях от 0.05 мг/кг (бурые пустынно-степные, бурые солонцеватые почвы) до 0.6 мг/кг (луговой солончак) свидетельствует о расширении почвенных аномалий НДМГ за пределы мест падений и складирования остаточных частей ступеней ракет.

Таким образом, обширными слабоконтрастными региональными техногенными аномалиями НДМГ являются территории районов падений в целом.

НДМГ также был обнаружен в почвах населенных пунктов на расстоянии 22 км от района падений (концентрации достигают 0.96 мг/кг ) и 40 км (0.45 мг/кг).

Аэрогенный разнос НДМГ во время падения ступени ракеты и ветровая эрозия НДМГ, сорбированного на поверхности пылеватых частиц, а также поступление с почвенно-грунтовыми водами способствуют образования "размытых" слабоконтрастных аномалии НДМГ в компонентах ландшафтов как в районах падений, так и за их пределами.

Общая схема миграции и концентрации НДМГ в почвах районов падений Центрального Казахстана.

В окислительных почвах автономных и трансэлювиальных ландшафтов НДМГ. поступивший атмотехногенным путем или во время разлива топлива, может сорбироваться пылевытыми частицами поверхностных горизонтов почв и мигрировать в иллювиальные горизонты, закрепляясь на сорбционном геохимическом барьере. Концентрации НДМГ при отсутствии пролива топлива, как правило, не превышают 0.05 мг/кг, т.к. низкое содержание гумуса и окислительная среда зональных почв не способствуют длительному сохранению НДМГ.

В подчиненных • почвах с переменным окислительно-восстано- • ■• вительным режимом (полугидроморфные и гидроморфные солонцы, луговые и обыкновенные солончаки, лугово-болотные и аллювиаль-но-лугосые почвы) НДМГ, как правило, сохраняется в концентра-

ЦИЯХ ДО 0.6 мг/кг.

В луговых солончаковых почвах НДМГ фиксируется в верхних гумусовых горизонтах с сильнощелочной реакцией среды, способствующей увеличению сорбционной способности почв (сорб-ционный барьер). В щелочных солончаках и солонцах с переменным окислительно-восстановительным режимом НДМГ, как правило, закрепляется в нижней часта профиля на восстановительном и сорб-ционно-испарительном геохимическом барьере (в случае латерального привноса НДМГ в подчиненные позиции с почвенно-грунтовыми водами), кислом в щелочном "плече" при резком падении рН .

Высокое содержание гумуса в луговых и лугово-бурых почвах способствует закреплению НДМГ в поверхностных горизонтах этих почв.

Наиболее контрастные аномалии НДМГ в почвах формируются на местах падений и складирования остаточных частей ракет, за их пределами аномалии тяготеют к долинам рек и замкнутым кот-ловинообразным понижениям.

4.2. Содержание НДМГ в водах. НДМГ в поверхностных водах. Присутствие НДМГ установлено в 45S отобранных проб поверхностных вод Южного полигона, характеризующегося максимальной степенью техногенных нагрузок. Это воды саев, дренирующих места падений остаточных частей ступеней ракет. Уровни концентраций НДМГ достигают 0.125 мг/л. что пятикратно превышает ПДК. Присутствие ТМТ до 0.241 мг/л установлено как в небольших саях, так и в крупных реках.

В поверхностных водах Центрального и Северного полигонов обнаружены только продукты окисления НДМГ - формальдегид, НДМА и ДМА в концентрациях, не превышающих ПДК. что. вероятно, связано с незначительной техногенной нагрузкой на данные территории .

НДМГ в подземных водах. В образцах подземных вод обнаружены только продукты окисления НДМГ - тетраметилтетразен, ди-метилнитрозамин, формальдегид. Уровни содержания НДМА в подземных водах в непосредственной близости от мест падений в 3 раза превышают ПДК и достигают 0.033 мг/л. В трещинных водах мест падений содержится 0.014-0.028 мг/л ТМТ.

Глава 5. Биогеохимическая оценка загрязнения районов падения остаточных частей ступеней ракет

5.1. Общие черты растительного покрова. Южный и Центральный полигоны расположены в зоне северных пустынь, для которой

характерно господство пустынных растительных сообществ. На автономных плакорных ландшафтах с бурыми пустынно-степными почвами развиты полынно-дерновиннозлаковые сообщества. На засоленных почвах подчиненных ландшафтов доминирующую роль играют полыни в сочетании о солянками и другими солеустойчивыми многолетними полукустарничками.

На Северном полигоне, расположенном в зоне полупустынь, шире распространены степные группировки.

5.2. Биогеохимическая микроэлементная специализация растений. Возможность сорбции НДМГ на различных геохимических барьерах почв, аналогичной сорбции микроэлементов, позволяет рассматривать биогеохимическую специализацию растений в накоплении НДМГ с учетом их микроэлементной специализации.

В районах падений наиболее широко распространены представители семейства сложноцветных и маревых с анионофильной специализацией и злаки, относящиеся к переходной группе, и в равной степени поглощающие микроэлементы в катионкой и анионной формах (Айвазян,1974; Касимов.1988).

5.3. Систематическая специализация распределения НДМГ в растениях. Уровни содержания НДМГ в растениях полигонов изменяются от 0.05 до 224.0 мг/кг (на сухое вещество). Наиболее частыми являются концентрации от 0.2 до 0.3 мг/кг (рис.1), представляющие собой региональный уровень загрязнения районов падения. Встречаемость НДМГ в растениях Южного полигона составляет 43% от общего числа отобранных проб, Центрального полигона - 54%, Северного - 37. 5%.

Учитывая, что НДМГ хорошо растворим в щелочах, основное внимание уделялось исследованию видов растений из семейств сложноцветных и маревых, а также злаков с анионогенной биохимической специализацией.

Установлена существенная видовая дифференциация в накоп-ленпии растениями НДМГ: его встречаемость в злаках составила 35% от проб данного семейства, в сложноцветных - 42%, в маревых - 50%. Весной НДМГ обнаружен в 50% проб эфемероидов.

Таким образом, видовая дифференциация в накоплении растениями НДМГ согласуется с биогеохимической специализацией растений в накоплении микроэлементов. Подвижный в щелочной среде НДМГ активно поглощается растениями из семейств сложноцветных и маревых, имеющих анионогенную специализацию. Роды и виды из данных семейств занимают близкую экологическую нишу, произрастают на почвах разной степени солонцеватости и солон-чаковатости, характеризуются высоким осмотическим давлением и

отличаются энергичным поглощением многих микроэлементов и НДМГ. Наиболее устойчивы к загрязнению НДМГ растения из семейства злаковых, имеющие стабильный биогеохимический фон и произрастающие в. автономных ландшафтах с глубоким уровнем грунтовых вод.

5.4. Пути поступления НДМГ в растения. В отличие от почв, загрязненных преимущественно в местах падений, растительность полигонов загрязнена на более значительной площади. В 50% проб растений, отобранных на различном удалении от мест падений, концентрации НДМГ изменяются от 0.5 до 1.14 мг/кг .

Формирование обширных аномалий в растительном покрове полигонов обусловлено двумя путями его поступления в растения: почвенным и атмотехногенным. Это подтверждается распределением НДМГ в органах растений (рис.2) и смывах с поверхности растений.

При наличии НДМГ в корнях растений он во всех случаях обнаружен и в надземной части растений, что указывает на почвенный путь поступления НДМГ в растения. Отсутствие загрязнителя в корнях и его наличие в надземной части как непосредственно на местах падения, так и на различном удалении от мест падений свидетельствует об аэрогенном пути поступления НДМГ в растения. Наличие НДМГ в корнях и его отсутствие в надземной части не установлено. Таким образом, растения поглощают НДМГ всеми своими органами из различных фаз внешней среды (газообразной, твердой).

Для количественной характеристики интенсивности поглощения НДМГ был рассчитан коэффициент биологического поглощения (Ах). Следует учитывать, что при одновременном присутствии НДМГ в почвах и растениях в эпицентрах мест падений может происходить разлив топлива на поверхность растений, то есть Ах отражает не только почвенный путь поступления НДМГ в растения (рис.3). В большинстве случаев Ах больше 1. т.е. НДМГ можно отнести к группе веществ сильного биологического накопления. При одинаковых концентрациях в почве, минимальный Ах характерен для злаков.

5.5. НДМГ в растениях эпицентров загрязнения. НДМГ в растениях мест падений. Максимальные концентрации НДМГ установлены в растениях мест падений, где происходил разлив топлива (до 224 мг/кг). На месте падения со взрывом топлива и пожаром концентрации НДМГ составляют 0.18-0.58 мг/кг.

Уровни загрязнения растительности на местах падений остаточных частей ступеней ракет значительно превышают концентра-

мг/кг

7,5

1.0

0.Í -

Условные обозначения'.

| I НЗДЬкШИ&Я ЧАсть

X/J1 КОРИН

Alnplex слпй Artemisia p^us/'florÁ | Aír/p/eа AriemistA

pütísif/orá.

Места падений 700м от мес- 20 ки от мес

та пар,еиия падения

Рис.2. Содержание НДМГ Ь органах растений.

мг/^г

5200-4со 72

5320

10 5 V0

С 5

Вслоьные ОБоьначенИя: | 1 Astc-aceze ЩУ/Л CfienopodtAceae \//Л Оглмтел е

JZZ^zzz.

—Jzzzza

ГШ

р

та

Ш

Ф/А

Ь^РЫЬ

раълиь детом

раълиь зимои

рагпиь ьесн

места падении Pvic. 3 Кслсрерициент биологического поглощения (Ах) НДМГ

ции загрязнителя в почвах. Ситуация на месте падения ступени ракеты (взрыв, пожар, разлив) определяет интенсивность биогео-химическнх аномалий.

НШГ в растениях мест складирования остаточных частей ракет. Места складирования, являющиеся постоянно действующим источником загрязнения, способствуют созданию геохимических аномалий НДМГ на значительных территориях.

Присутствие НДМГ обнаружено в растениях мест складирований, расположенных как в автономных, так и в подчиненных ландшафтах. Концентрации НДМГ в полыни достигают 0.24 мг/кг, в би-юргуне - 0.40 мг/кг. На расстоянии 0.5-1 км от мест складирования в полыни содержится от 0.14 до 0. 26 мг/кг НДМГ.

Изменения интенсивности биогеохишческих аномалий в эпицентрах загрязнения. Для выяснения изменения интенсивности биогеохимических аномалий на всех местах падений исследования проводились в течение 2-3 полевых сезонов.

При поступлении в ландшафты небольших количеств топлива (места пожаров) уровни концентраций НДМГ в растениях в течение года после падения достаточно стабильны и находятся в пределах регионального фона районов падений (0.20-0.30 мг/кг). При проливе топлива в течение года происходит снижение уровней концентрации НДМГ как в эпицентрах падения, так и на перифериях. Вероятно, через 1-1.5 года произойдет снижение уровней НДМГ в растениях до регионального фона. Исследования, проведенные на Северном полигоне, показали, что НДМГ может сохраняться в растениях мест падений на уровне регионального фона более десяти лет, Важное индикационное значение имеет увеличение уровня содержания НДМГ в растениях в конце вегетационного периода.

5. 6. НДМГ в растениях за пределами эпицентров загрязнения. На полигонах производился отбор проб растений на расстоянии 2-5 км от мест падений остаточных частей ракет. В двух километрах от места падения, сопровождавшегося взрывом и пожаром, было отобрано 16 образцов растений, НДМГ обнаружен в трех из них в концентрациях 0.68 мг/кг и 0.28 мг/кг (кокпек), 0.36 мг/кг (черная полынь). НДМГ обнаружен в растениях автономных и трансэлювиальных ландшафтов, что говорит о локальном поступлении НДМГ на данную территорию во время падения ступени ракеты и возможном аэроге-'чом поступлении во время взрыва.

В радиусе 5 км от мест падений были отобраны пробы растений на пастбищах (18 проб). НДМГ обнаружен в 61% обрпзиз растений, произрастающих как в автономных, так и подчиненных

- 17 -

ландшафтах в концентрациях от 0.14 до 1.92 мг/кг.

5.7. НДМГ в растениях за пределами районов падений. Аэрогенный разнос НДМГ во время падения ступеней ракет способствует расширению биогеохимических аномалий за пределы районов падений. НДМГ осаждается на поверхности почв и растений, при этом в почвах уровни концентрации могут быть минимальны. В 5 км от Южного полигона НДМГ был обнаружен в 50% проб растений, в 20 км - 25%, в 40 км - 20%, уровни концентраций изменяются от 0.20 до 0.88 мг/кг.

Таким образом, радиус биогеохимических аномалий НДМГ может достигать 40 км от районов падений.

В 40 км от Южного полигона в п.Карсакпай было отобрано 23 пробы овощных культур (картофель, морковь, томаты), в 30% обнаружен НДМГ. Максимальные концентрации установлены в моркови - 0.65 мг/кг, в картофеле и томатах - 0.28 мг/кг. Почвы садово-огородных участков также загрязнены НДМГ.

Миграция НДМГ по пищевым цепям. Загрязнение растений пастбищ НДМГ, особенно в подчиненных ландшафтах, где сосредоточены основные сенокосные угодья, является причиной накопления загрязнителя в организмах домашних животных (овцы). По данным исследования ИБФ. процент обнаружения НДМГ в органах и крови овец на территориях районов падений выше по сравнению с контрольным районом за пределами полигонов в 4 раза.

5.8. Роль биогеохимических исследований в районах падений остаточных частей ступеней ракет. Растения испытывают воздействие НДМГ в большей степени, чем другие компоненты ландшафта ввиду того, что загрязнитель поступает в растения двумя путями: почвенным и атмотехногенным. Биохимические и физиологические особенности растений, заключающиеся в том, что'питание растений может осуществляться как веществами, находящимися в растворе, тат' и адсорбированными на поверхности коллоидных частиц почвы, также способствуют увеличению степени техногенного воздействия НДМГ на растения. Кроме того, растения способны производить вытяжки загрязнителя из значительного объема почвы . Все это позволяет утверждать о высокой чувствительности биогеохимического метода оценки загрязнения НДМГ.

Факторами, контролирующими интенсивность биогеохпмичесих аномалий, являются: количество неотработанного ракетного топлива: ситуация падения остаточных Чс-отей ступени ракеты (взрыв, пожар, разлив); удаленность от м^ тга падения; видовая биогеохимическая специализация растений; стадия вегетационного периода: время, прошедшее после падения ступени ракеты.

- 18 -

Изучение биогеохимических аномалий играет особенно важную роль в аридных ландшафтах, т.к. геохимические условия зональных ,:;;юв почв благоприятствуют быстрому окислению НДМГ и почвенные аномалии загрязнителя менее информативны.

Глава 6. Миграция л концентрация НДМГ в ландшафтах полу-рустьшь и северных пустынь Центрального Казахстана

В Настоящее время можно наметить схему путей миграции НДМГ в природных ландшафтах (рис.4).

Поведение остатков ракетного топлива на территориях районов падений остаточных частей космических ракет и за их пределами зависит от сочетания техногенных и природных факторов.

Техногенные факторы, контролирующие интенсивность аномалий НДМГ в природных ландшафтах:

- физико-химические свойства НДМГ и продуктов его распада;

- масса, способ и характер поступления остатков ракетного топлива на поверхность земли.

Природные факторы, контролирующие миграцию, трансформацию и аккумуляцию НДМГ в ландшафтах:

- климатические и метеорологические показатели;

- водно-физические свойства грунтов, углы наклона и степень расчлененности поверхности;

- структура почвенного покрова, сорбцпонная емкость почв и грунтов, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, количество органического вещества, наличие геохимических барьеров в почвах;

- структура растительного покрова, биогеохимическая спеЦ!! али з а Iя растений.

В соответствии с местными физико-географическими и ланд-шафтно-геохимическпми условиями происходит Формирование радиальной и латеральной геохимической структуры распределения НДМГ.

Схема воздействия ракетного топлива на природные ландшафты, животных и человека представлена на рис.5.

Выводы

1. В Централь..о'М Казахстане компоненты ландшафтов районов падения остаточных частей ракет загрязнены несимметричным ди-метилгидразином (НДМГ). В этих районах и за их пределами во время падения первых ступеней ракет формируются обширные ела-

Рис. А. Схема путей мигрецик НДМГ в ландшафтах при раэлиье топлкьа

а) Зима: перенос НДМГ со снегом и коцсерьация.

I I I - я?"

о/-мг со''

ь)лето: захват НДМГ Раст&ниями, испарений ь поьерхностных гориьоктах почь, слаеаз 1

. «в ого ' т±

Ы^пчаА СОРБЦИЯ. и

тоялньъ ,

ТЗ I Э |

-ТЭ , I I .сл I

Со"- /Уо ,Со':и/а\СЪ"-*а\

к) (период снеготаяния):перенос НЦМГ с такими водами, г) осень: испарение е> поверхностных ' ^ сор&ция.испарение и окисление е> поверхностных гориюнтах почь; гориьонтах почь поступление ндмГ --»-(период вегетации!: испарение, сорбция ь поьеркостньцч гориьон- ь аочьв с отм^ршиии растениями.

" - -.-з ---->гп«к ллк».гмиога профиля ьахбйт

'«С.5. Схема ьоэдеистьи^ ракетного тоапиъ^ ца, apupo гцные ландшафты, жиьотных л чепойе*д.

боконтрастные почвенные и биогеохимические техногенные аномалии НДМГ. В местах палений и складирования остаточных частей ракет в ландшафтах формируются локальные контрастные аномалии НДМГ. Наиболее контрастны биогеохимические аномалии.

2. Концентрации НДМГ в почвах зависят от форм его нахождения, устойчивости в определенных ландшафтно-геохимических условиях, климатических, геологических, водно-физических и других факторов:

- автономные ландшафты мелкоеопочника и пенепленов со светло-каштановыми, бурыми пустынно-степными, бурыми малоразвитыми почвами на элювии и элюво-делювии коренных пород с нейтральной и слабощелочной окислительной геохимической обстановкой представляют собой арену, благоприятную для окисления и миграции НДМГ с поверхностным и внутрипочвенным стоком; глуби на проникновения НДМГ за первые месяцы после падения остаточных частей ракет может достигаить 1 метра и более:

- на пенепленизированных равнинах, сложенных глинами и суглинками с бурыми сильносолонцеватыми почвами, солонцами и солончаками проникновение НДМГ в почвенную толщу затруднено, что создает условия для накопления НДМГ в верхних горизонтах почв и его миграции с поверхностным стоком в долины рек. лога, местные депрессии, которые являются его приемниками ;

- накапливается НДМГ в светлокаатановых. бурых пустынно-степных, лугово-каштановых и лугово-бурых почвах на биогеохимическом барьере горизонта А,; в бурых солонцеватых почвах и солонцах - на сорбционном геохимическом барьере иллювиальных горизонтов; в солончаках, гидроморфных солонцах, лугово-болот-ных почвах - на восстановительном барьере; в солончаках и гидроморфных солонцах - на сорбционно-испарительном геохимическом барьере.

3. Максимал' чая контрастность и информативность биогеохимических аномалий НДМГ обусловлены:

- наличием в почвах мелкосопочника условий для быстрого окисления НДМГ;

- сильным накоплением НДМГ растениями (коэффициент биологического поглощения больше 1) автономных и подчиненных ландшафтов. поступающего почвенным и атмотехногенным путями.

4. Биогеохимическая специализация в наколлении НДМГ растениями способствует получению достоверной информацию о степени загрязнения природных ландшафтов; видовая дифференциация в накоплении растениями НДМГ согласуется с биогеохимической специализацией поглощения растениями микроэлементов:

подвижный в щелочной среде НДМГ активно поглощается анионо-фильными растениями из семейств сложноцветных и маревых, наиболее устойчивы к загрязнению НДМГ злаковые, имеющие стабильный биогеохимический фон и произрастающие в автономных ландшафтах с глубоким уровнем грунтовых вод.

* * <

Загрязнение природных ландшафтов ракетным топливом в результате падения отработанных ступеней ракет-носителей распространено на тысячах квадратных километров. Обладая высокой сорбционной способностью. НДМГ может сохраняться в компонентах ландшафтов десятки лет. Возможность его миграции по пищевым цепям, в конечном итоге, приводит к формированию регионов экологического неблагополучия.

СПИСОК РАБОТ.ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ландшафтно-геохимический анализ районов падения первых ступеней космических ракет//Вестник Моск. ун-та, серия 5 .география. 1994. N 1. с. 40-49. (с Н. С. Касимовым, А.П. Ворожей-киным, Ю. В. Проскуряковым, В. Б. Гребенюк).

2. Поведение ракетного топлива в почвах, водах и растени-ях//Почвоведение. 1994. N9. с. 110-121. (с Н. С. Касимовым, В.Б. Гребенюк. Ю.В.Проскуряковым).

3. Эколого-геохимический мониторинг районов падений остаточных частей космической техники//Материалы 3 Международной научно-практической конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса". Москва. 1993. с.187-190. (с Н.С. Касимовым. А. П. Ворожейкиным, 0. В. Проскуряковым)

4. Некоторые новые экологические последствия, обусловленные развитием космонавтики//Материалы научной сессии "Вернадский - Экология - Ноосфера. 1993. " Москва. 1994. с. 131-137.

5. Экологические последствия запусков космических ра-кет//Тезисы Международного Конгресса "Женщины за охрану окружающей среды".Москва. 1993. ( с В.Б. Гребенюк ) (в печати).

6. Поведение НДМГ в природных ландшафтах районов падений остаточных частей космических ракет //Тезисы Национального Форума "Экология России -1994" . Москва. 1994. (с Н.С. Касимовым. Ю.В. Проскуряковым) (в печати).