Подвижность, биодоступность, экологические риски кадмия и свинца в почвах Соймоновской долины (г. Карабаш)

Деятельность предприятий горнодобывающей и перерабатывающей промышленности создает значительную техногенную нагрузку на природные экосистемы. В результате образуются мощные потоки загрязняющих веществ, среди которых находятся тяжелые металлы, такие как Cd и Pb; попадая в почву, они представляют потенциальную угрозу для здоровья человека. Одна из таких проблем образовалась в районе Соймоновской долины (г. Карабаш) Челябинской области. В ходе работ были исследованы почвы природного и техногенного происхождения на общее содержание и фракционный состав кадмия и свинца в зоне Карабашской геотехногенной системы. Экстракция форм кадмия и свинца из почвы проводилась по методу A. Tessier. В результате выявлено, что почвы в основном имеют поверхностное загрязнение в слое 0–30 см; степень загрязнения была в 200 раз выше для кадмия и в 100 раз для свинца по сравнению с общим содержанием данных элементов в земной коре. Распределение фракций металлов в профиле почв было неравномерным. Кадмий преимущественно присутствует в обменной и карбонатной фракциях, а также во фракции, связанной с органическим веществом. В свою очередь, свинец находится в неспецифически сорбированной форме, с оксидами Fe/Mn и в меньшей степени с органическим веществом. Кроме этого, свинец, в отличие от кадмия, содержится в основном в прочносвязанной остаточной фракции, что подтверждает его меньшую, в сравнении с кадмием, подвижность. Установлено, что общее содержание кадмия и свинца в нижних горизонтах имеет геогенное происхождение, при этом данные почвы характеризуются повышенным геохимическим фоном. Поверхностные горизонты обогащены кадмием и свинцом за счет техногенного привноса, о чем свидетельствуют рассчитанные коэффициенты обогащения и экологического риска. Полученные значения подвижности MF свидетельствуют об их подвижности и биодоступности. Результаты данной работы могут способствовать разработке мероприятий по улучшению экологической ситуации региона, а также внесению изменений и корректировке общего геохимического фона региона.

Шабанов М. В., Маричев М. С., Бурачевская М. В., Минкина Т. М., Бауэр Т. В. Подвижность, биодоступность, экологические риски кадмия и свинца в почвах Соймоновской долины (г. Карабаш) // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 4. – С. 104–120. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_4_0_104.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минпросвещения России (Соглашение № 073-00033-24-01) и Министерства науки и высшего образования РФ (проект № FENW-2023-0008).

Шабанов Михаил Викторович¹ — канд. с.-х. наук, доцент, доцент, e-mail: geohim.spb@gmail.com, Scopus Author ID: 35171489500, ORCID ID: 0000-0003-4725-3673,
Маричев Максим Сергеевич¹ — канд. биол. наук, зав. лабораторией, e-mail: m.s.marichev@yandex.ru, Scopus Author ID: 57216298057, ORCID ID: 0000-0003-0429-2234,
Бурачевская Марина Викторовна — канд. биол. наук, зав. лабораторией, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, e-mail: marina.0911@mail.ru, Scopus Author ID: 55656700000, ORCID ID: 0000-0002-0533-0418,
Минкина Татьяна Михайловна² — д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: minkina@sfedu.ru, Scopus Author ID: 15063165400, ORCID ID: 0000-0003-3022-0883,
Бауэр Татьяна Владимировна² — канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, e-mail: bauertatyana@mail.ru, Scopus Author ID: 55928833000, ORCID ID: 0000-0002-6751-8686,
¹ Санкт-Петербургский государственный аграрный университет,
² Южный федеральный университет.

Маричев М.С., e-mail: m.s.marichev@yandex.ru.

1. Шабанов М. В., Маричев М. С., Невидомская Д. Г., Минкина Т. М. Влияние кислых сульфатных вод на загрязнение почв террикона в Карабашском рудном районе // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 4. — С. 888—900. DOI: 10.21177/1998-45022023-15-4-888-900.

2. Куликова Е. Ю., Баловцев С. В., Скопинцева О. В. Геоэкологический мониторинг при ведении горных работ // Устойчивое развитие горных территорий. — 2024. — Т. 16. — № 2. — С. 580—588. DOI: 10.21177/1998-4502-2024-16-2-580-588.

3. Nickolson F. A., Smith S. R., Alloway B. J., Carlton-Smith C., Chambers B. J. An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales // Science of the Total Environment. 2003, vol. 311, pp. 205—219. DOI: 10.1016/S0048-9697(03)00139-6.

4. de Vries W., Groenenberg J. E., Lofts S., Tipping E., Posch M. Critical loads of heavy metals for soils / Heavy Metals in Soils: Trace Metals and Metaloids in Soils and their Bioavailablity. 2013, pp. 211—237. DOI: 10.1007/978-94-007-4470-7_8.

5. Шабанов М. В., Маричев М. С. Накопление мышьяка в ортштейнах spolic technosols в районе крупного медеплавильного комбината Среднего Урала // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2024. — Т. 335. — № 6. — С. 123—134. DOI: 10.18799/24131830/2024/6/4357.

6. Plumlee G. S., Smith K. S., Ficklin W. H. Geoenvironmental models of mineral deposits, and geology-based mineral-environmental assessments of public lands / Open-File Report. 1994, vol. 1994 (94-203) US Geological Survey. DOI: 10.3133/ofr94203.

7. Wuana R. A., Okieimen F. E. Heavy metals in contaminated soils: a review of sources, chemistry, risks and best available strategies for remediation // Ecology. 2011, vol. 2011, pp. 1—20. DOI: 10.5402/2011/402647.

8. Скопинцева О. В., Ганова С. Д., Бузин А. А., Федотова В. П. Мероприятия по борьбе с пылью при погрузке и транспортировании твердых полезных ископаемых // Горный журнал. — 2019. — № 12. — С. 76—79. DOI: 10.17580/gzh.2019.12.16.

9. Romero A., González I., Galán E. Soil pollution by mining activities in Andalusia (South Spain). The role of Mineralogy and Geochemistry in three case studies // Journal of Soils and Sediments. 2018, vol. 18, pp. 2231—2247. DOI: 10.1007/s11368-017-1898-7.

10. Соколов А. А., Мирошников А. С., Соколова Е. А. Алгоритмы управления устойчивостью системы «предприятие горно-металлургического комплекса — внешняя среда» // Горный журнал. — 2016. — № 12. — С. 83—86. DOI: 10.17580/gzh.2016.12.17.

11. Шабанов М. В., Маричев М. С., Манджиева С. С., Соколов А. А. Формирование хемоземов в условиях длительного воздействия аэропромышленных выбросов горно-металлургического комбината // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 3. — С. 727—740. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-3-727-740.

12. Крупская Л., Куликова Е., Филатова М., Леоненко А. Оценка воздействия техногенной системы на воздушный бассейн с применением методов математической статистики // Экология и промышленность России. — 2023. — Т. 27. — № 8. — С. 50—57. DOI: 10.18412/1816-03952023-8-50-57.

13. Зиновьева О. М., Колесникова Л. А., Меркулова А. М., Смирнова Н. А. Управление экологическими рисками на горнодобывающих предприятиях // Уголь. — 2022. — № 3. — С. 76—80. DOI: 10.18796/0041-5790-2022-3-76-80.

14. Tessier A., Campbell P. G. O., Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of the particulate trace metals // Analytical Chemistry. 1979, vol. 51, pp. 844—851.

15. Sutherland R. Bed sediment-associated trace metals in an urban stream, Oahu, Hawaii // Environmental Geology. 2000, vol. 39, pp. 611—627. DOI: 10.1007/s002540050473.

16. Fei X., Lou Z., Xiao R., Lv X., Christakos G. Contamination and health risk assessment of heavy metal pollution in soils developed from different soil parent materials // Expo Health. 2023, vol. 15, pp. 395—408. DOI: 10.1007/s12403-022-00498-w.

17. Cao Y., Wang R., Liu Y., Li Y., Jia L., Yang Q., Zeng X., Li X., Wang Q., Wang R., Riaz L. Improved calculations of heavy metal toxicity coefficients for evaluating potential ecological risk in sediments based on seven major chinese water systems // Toxics. 2023, vol. 11, no. 8, article 650. DOI: 10.3390/toxics11080650.

18. Salbu B., Kreling T., Oughton D. H. Characterization of radioactive particles in the environment // Analyst. 1998, vol. 123, pp. 843—849.

19. Lasota J., Błońska E., Łyszczarz S., Tibbett M. Forest humus type governs heavy metal accumulation in specific organic matter fractions // Water, Air, & Soil Pollution. 2020, vol. 231, pp. 1—13. DOI: 10.1007/s11270-020-4450-0.

20. Smolders E., Mertens J. Cadmium / Heavy metals in soils: Trace metals and metalloids in soils and their bioavailability. Springer, Dordrecht, Nederlands. 2013, pp. 283—311.

21. Rudnic R. L., Gao S. Composition of the continental crust / Treatise on Geochemistry. Elsevier, Amsterdam, 2003, 64 p. DOI: 10.1016/B0-08-043751-6/03016-4.

22. Wagner B., Tammen A., Jung D. Determining the lithogeochemical background concentrations of 39 elements in Bavarian rocks // Environmental Earth Sciences. 2022, vol. 81, no. 207, pp. 1—16. DOI: 10.1007/s12665-022-10334-8.

23. Kaludjerovic-Radoicic T., Raicevic S. Aqueous Pb sorption by synthetic and natural apatite: Kinetics, equilibrium and thermodynamic studies // Chemical Engineering Journal. 2010, vol. 160, pp. 503—510. DOI: 10.1016/j.cej.2010.03.061.

24. Dumat C., Chiquet A., Goody D., Aubry E., Morin G., Juillot F., Benedetti M. F. Metal ion geochemistry in smelter impacted soils and soil solutions // Bulletin de la Societe Geologique de France. 2001, vol. 172, pp. 539—548. DOI: 10.2113/172.5.539.

25. Paszko T. Effect of interactions between Cu2+, Ni2+ and Pb2+, Cr3+, Zn2+, Co2+ or Cd2+ cations on their sorption and mobility in grey-brown podzolic soils // Polish Journal of Soil Science. 2001, vol. 34, no. 2, pp. 49—58.

26. Basta N. T. Tabatai M. A. Effect of cropping systems on adsorption of metals by soils: III. Competitive Adsorption // Soil Science. 1992, vol. 153, pp. 331—337. DOI: 10.1097/00010694-19920400000010.

27. Veeresh H., Tripathy S., Chaudhuri D., Hart R. B., Powell A. M. Competitive adsorption behavior of selected heavy metals in three soil types of India amended with fly ash and sewage sludge // Environmental Geology. 2003, vol. 44, no. 3, pp. 363—370. DOI: 10.1007/s00254-003-0776-3.