КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-77-00099
НазваниеЭффект масштаба в урбогеохимии: проявления пространственной неоднородности для контрастных городских территорий и разных групп поллютантов
РуководительКонстантинова Елизавета Юрьевна, Кандидат географических наук
Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет", Ростовская обл
| Срок выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-711 - Геоэкология и природопользование
Ключевые словагородские почвы, урбанизация, антропогенное воздействие, техногенез, геохимия почв, загрязнение почв, геохимический фон, поллютанты, приоритетные загрязняющие вещества, тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды, полиарены, многомерный статистический анализ, оценка риска, оценка загрязнения
Код ГРНТИ87.21.09
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность представленного исследования обусловлена необходимостью обеспечения экологической безопасности городов и снижения потенциальных рисков для здоровья и качества жизни населения вследствие загрязнения окружающей среды. Предлагаемый научный проект ориентирован решение проблемы сопоставимости результатов эколого-геохимических исследований почвенного покрова урбанизированных территорий, проводимых с различной детализацией и масштабом съёмки. Объектами настоящего исследования служат поверхностные горизонты естественных и антропогенно-преобразованных почв и техногенных поверхностных образований в пределах территорий двух городов - Новочеркасска и Тюмени, расположенных в схожих ландшафтно-геохимических условиях, но с разной историей урбанизации и специализацией промышленности. Для успешного достижения заявленной целей планируется решение следующих задач: i) проведения площадных эколого-геохимических исследований в масштабах всего населенного пункта, отдельных городских районов и кварталов с пробоотбором по регулярной сетки для двух репрезентативных урбанизированных территорий, ii) получения аналитических данных о содержании органических (ПАУ) и неорганических (ТМ) поллютантов в почвах заявленных городов и их частей; iii) анализа и сопоставления паттернов пространственного распределения поллютантов в почвах рассматриваемых урбанизированных территорий в зависимости от масштабов исследований, iv) выявления связей между закономерностями пространственного распределения двух типов поллютантов (ТМ и ПАУ) с помощью методов статистического и геостатистического анализа и оценки факторов городской среды влияющих на сочетанное загрязнение почв, v) сравнения полученных результатов разномасштабных исследований для выбранных городов, выявление признаков наличия универсальных или их отсутствия закономерностей. Научная новизна предлагаемого исследования заключается в полимасштабном подходе к проведению эколого-геохимического картирования урбанизированной территории и последующей интеграции работ, проведенных с различной степенью детализации для формирования наиболее полной картины факторов, влияющих на неоднородность пространственного распределения органических и неорганических поллютантов. Для выполнения перечисленных выше задач планируется использование комбинации методов урбогеохимии, почвоведения, аналитической химии, статистической и геостатистической обработки данных и их визуализации.
Ожидаемые результаты
Будут проведены полимасштабные полевые почвенно-геохимические исследования в границах двух городов близких по литолого-геоморфологическим условиям, отличающихся длительностью и направлением процессов урбанизации и специализации промышленности. Отбор проб будет проводиться по регулярной сети с учетом функционального назначения территорий на трех уровнях детальности: общегородском, в пределах функциональной зоны, в пределах планировочного квартала. Планируется получить представительную выборку не менее 50 образцов поверхностного почвенного горизонта в рамках всех заявленных уровней исследования в каждом из городов.
С применением рентгенофлуоресцентной спектрометрии будут получены данные о валовом содержании V, Fe, Cr, Co, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Pb, по методу высокоэффективной жидкостной хроматографии будет определены состав и содержание приоритетных ПАУ в образцах поверхностного горизонта почв и техногенных поверхностных образований, отобранных на территории Новочеркасска и Тюмени.
В почвах городов на различных уровнях генерализации будут установлены концентрирующиеся и рассеивающиеся элементы и соединения, геохимическая специализация почв относительно глобальных эталонов и аналогичных па масштабу урбанизированных территорий России и мира. На основе статистического и картографического анализа будут выделены парагенезисы ТМ и ПАУ и ключевые источники их поступления в городские почвы. На основе составленного картографического материала будут определены техногенные геохимические аномалии. Методами многомерной статистики будут выявлены связи между содержаниями загрязняющих веществ и значениями pH, содержанием органического углерода, макроэлементным и гранулометрическим составом почв. Установлена роль факторов урбанизации (возраста застройки, длительности урбанизации и функционального назначения территорий) на накопление элементов и соединений почвами. Будет создана математическая модель совместного влияния природных и антропогенных факторов на уровень моно- и полиэлементного и сочетанного загрязнения почв. Будет выполнена комплексная оценка состояния почв Новочеркасска. Определены приоритетные поллютанты. Рассчитаны значения индивидуальных и суммарных рисков общетоксических эффектов для разных возрастных групп и канцерогенных эффектов для всего населения в целом. Выделены зоны опасного загрязнения почв и повышенного экологического и эпидемиологического риска.
На основе комплекса статистических, картографических и геохимических методов будет обоснована необходимая детальность геоэкологического мониторинга почв урбанизированных территорий для получения релевантных данных о состоянии почв.
Будет установлен эффект процессов урбанизации на формирование специализации городских почв по содержанию загрязняющих веществ различных классов.
Теоретическая значимость исследования состоит в получении новых фундаментальных знаний о закономерностях накопления, пространственного распределения, источниках и ведущих факторах дифференциации потенциально токсичных элементов и соединений в почвах урбанизированных территорий и возможных экологических и эпидемиологических последствиях. Основными методическими результатами проекта будут являться выработка наиболее эффективного подхода к организации полевых урбогеохимических исследований, обоснование системы методов изучения сочетанного загрязнения городских почв разными классами веществ.
В практическом плане составленные картографические материалы позволят получить представление о наличии и расположении областей повышенного экологического и санитарно-эпидемиологического риска, что может стать основой для разработки решений в области градостроительной политики и обеспечении условий проживания городского населения. Полученные результаты могут стать основой для экологического мониторинга других компонентов окружающей среды Новочеркасска и Тюмени.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетный период проведены полевые почвенно-геохимические исследования. В административных границах г. Новочеркасска проведено опробование почв на общегородском уровне детализации по регулярной сети с шагом 1 км. Получена выборка из 107 образцов поверхностного почвенного горизонта. На территории Тюмени общегородская почвенно-геохимическая съемка выполнена до начала реализации проекта; использована выборка из 241 образцов, отобранных по регулярной сети с шагом 1 км в зоне активной городской застройки и 2 км в сельскохозяйственных и рекреационных зонах. В течении полевого сезона 2022 в г. Тюмени в рамках зонального отбора были выбраны 3 ключевых участка, характеризующих: 1) селитебную зону в историческом центре города с высокой транспортной нагрузкой, 2) селитебную зону с преимущественно современной многоэтажной застройкой в импактной зоне теплоэлектроцентрали (первой по мощности теплоэлектростанции в Тюменской области); 3) территорию с сочетанием зон различного назначения (промышленный кластер предприятий машиностроения и металлообработки в окружении селитебной застройки с примыкающим лесопарком регионального значения). На каждом из участков было отобрано 25 проб (всего 75). На каждом из участков отбора описаны ландшафтные характеристики и морфологические особенности поверхностного горизонта почв, проведена визуальная фиксации особенностей городской среды.
Обследованы естественные ненарушенные почвы вне влияния источников загрязнения на территории особо охраняемых природных территорий (ООПТ) в аналогичных ландшафтно-геохимических условиях для каждого из выбранных городов. В случае Новочеркасска в качестве фоновых рассматривались целинные черноземы обыкновенные охраняемой природной территории областного значения «Персиановская заповедная степь» (Октябрьский район Ростовской области), а в случае Тюмени – дерново-подзолистые почвы заказника регионального значения «Гузенеево» (Нижнетавдинский район Тюменской области).
Определены основные физико-химические свойства городских почв: рН и Eh потенциометрическим методом, содержание органического углерода титриметрическим методом по Тюрину, карбонаты по Шейблеру, гранулометрический состав лазерной дифракцией. Макро- и микроэлементный состав (Fe, Al, Si, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Pb) городских почв определен с применением рентгеновского спектрометр. Извлечение ПАУ из почв проведено в модификации, позволяющей удалить мешающие липидные макрокомпоненты почвы методом щелочного гидролиза. Полученные экстракты проанализированы методом высоко эффективной жидкостной хроматографии при помощи системы «1260 Infinity» (Agilent, США) на содержание приоритетных полициклических ароматических углеводородов: нафталина (NAP), флуорена (FLU), фенантрена (PHE), антрацена (ANT), флуорантена (FLT), пирена (PYR), бенз(а)антрацена (BaA), бенз(b)флуорантена (BbF), бенз(k)флуорантена (BkF), бенз(а)пирена (BaP), бенз(g,h,i)перилена (BghiP), дибенз(а,h)антрацена (DahA).
Предварительный анализ особенностей пространственного распределения поллютантов позволил сделать следующий ряд выводов:
По результатам проведенных исследований установлено, что средний уровень содержания ТМ в почвах двух городов аналогичен. Медианное содержание элементов в почвах Новочеркасска и Тюмени составило, соответственно: V – 94,22 и 95,3 мг/кг, Cr – 102,77 и 107,3 мг/кг, Co – 11,65 и 19,5 мг/кг, Ni –48,79 и 44,3 мг/кг, Cu– 34,06 и 38,5 мг/кг, Zn–102,64 и 70,4 мг/кг, As– 13,87 и 7,7 мг/кг, Sr – 161,24 и 166,5 мг/кг, Pb– 14,91 и 19,6 мг/кг. В случае Новочеркасска к приоритетным потенциально токсичным элементам, загрязняющим почвы, относятся Co и Pb, а в Тюмени – As и Pb. Суммарное содержание ПАУ в почвах Тюмени составляет от 33,4 до 2495,3 мкг/кг, тогда как в почвах Новочеркасска вариация намного более выражена и составляет от 409,1 до 134572 мкг/кг. Экстремально высокие уровни приурочены преимущественно к машиностроительным кластерам. Выявлено, что средний уровень V, Cr, Ni, Cu, Sr и Pb в городских почвах Новочеркасска и Тюмени практически не отличается. В то же время, медианные содержания Zn и As в 1,5 и 1,8 раз выше в почвах Новочеркасска, тогда как в почвах Тюмени накапливается Co и Pb. Данные различия, предположительно объясняются более интенсивным воздействием машиностроительных и металлургических предприятий и более мощной теплоэнергетикой в Новочеркасске, тогда Тюмень характеризуется более высокой автомобилизацией. В почвах Новочеркасска отмечено интенсивное накопление ПАУ, индивидуальные уровни и суммарное содержание которых выше на несколько порядков по сравнению с почвами Тюмени.
Предварительный анализ закономерностей пространственного распределения ТМ и ПАУ в почвах двух городов при наименьшем уровне детализации позволил установить, что менее выраженные и контрастные геохимические аномалии характерных для Тюмени, что по всей видимости, обусловлено более сложной и динамичной структурой города Тюмени в отличии от более узкоспециализированного и меньшего по площади Новочеркасска.
Публикации
1. Константинова Е.Ю., Минкина Т.М., Антоненко Е.М., Шерстнев А.К., Манджиева С.С., Сушкова С.Н., Раджпут В.Д., Константинов А.О. Assessing the Combined Pollution and Risks of Potentially Toxic Elements and PAHs in Urban Soils of the Oldest City of Western Siberia: A Case Study of Tyumen, Russia Water, - (год публикации - 2023)
2. Константинова Е.Ю., Невидомская Д.Г., Пуликова Е.П., Барахов А.В. Геохимическая трансформация почвенного покрова в зоне влияния предприятий угледобычи Мониторинг, охрана и восстановление почвенных экосистем в условиях антропогенной нагрузки: материалы Международной молодежной научной школы. Ростов-на-Дону, 27–30 сентября 2022 г., Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2022. С. 126–132. (год публикации - 2022)
3. - 17 молодых ученых ЮФУ стали победителями «молодежных» конкурсов 2022 года Президентской программы РНФ, а также конкурса продления проектов молодежных групп 2019 года. Пресс-центр ЮФУ, - (год публикации - )
4. - Изучая почву в городе, мы сможем оценить риск для человека Город N, - (год публикации - )