3 Материалы и методы

3.1 Характеристика источников выбросов АО «Алюминий Казахстана» и АО «Казахстанский электролизный завод»

Исследования проводили в зоне действия двух крупных предприятий АО «Алюминий Казахстана» и АО «Казахстанский электролизный завод», расположенных в юго-восточной части г. Павлодар, входящих в состав ENRC (Eurasian Natural Resources Corporation), а точнее в Подразделение Группы по производству глинозёма и алюминия. Это подразделение включает в себя два бокситовых рудника, известняковый рудник, ТЭЦ, глинозёмный завод и электролизный завод.

Павлодарский алюминиевый завод (далее – ПАЗ) и теплоэлектроцентраль (далее – ТЭЦ) – обособленные производственные объекты АО «Алюминий Казахстана» по Павлодарской области (рисунок 1) [117]. ПАЗ – металлургическое предприятие по производству глинозема, пущен в эксплуатацию в 1964 году. Получение глинозема основано на переработке низкокачественных бокситов месторождений Центрального Казахстана (Тургайского и Краснооктябрьского) гидрощелочным способом и методом спекания. Мощность предприятия – 1,4 млн тонн глинозема в год. ТЭЦ – энергетическое предприятие по производству электрической и тепловой энергии в виде горячей воды и пара для собственных нужд ПАЗ, а также нужд жилого сектора и некоторых промышленных предприятий г. Павлодар. ПАЗ и ТЭЦ располагаются в юго-восточной части Восточной промышленной зоны г. Павлодар на примыкающих друг к другу промплощадках. Объекты размещения отходов производства и потребления ПАЗ и ТЭЦ компактно расположены с восточной стороны промплощадок на расстоянии        870 и более м. Для размещения отходов производства и потребления, в составе ПАЗ и ТЭЦ предусмотрены следующие накопители: шламонакопители, предназначенные для размещения (складирования) отвального шлама глиноземного производства; золоотвал, предназначенный для размещения золошлаковых отходов, образующихся при сжигании каменного угля в котлах ТЭЦ; ведомственный полигон ТБО (с площадками отдельного складирования твердых промышленных отходов).

Особо охраняемых территорий, лесов и сельскохозяйственных угодий, непосредственно граничащих с промплощадками ПАЗ и ТЭЦ, нет. С юга к промплощадкам ПАЗ и ТЭЦ прилегают земли, занятые коллективными садово-огородными участками. Расстояние от промплощадок ПАЗ и ТЭЦ до жилой застройки г. Павлодар, составляет с севера – 1,8 км, запада – около 3 км, юго-запада – 2,9 км, а в южном и восточном направлении жилые зоны отсутствуют. В западном направлении в 1,7 км от промплощадки ПАЗ располагается жилой поселок Зеленстрой [117, с. 2].

Алюминиевый завод и ТЭЦ выбрасывают до 90 % от общего количества загрязняющих веществ в год, что приводит к наибольшим концентрациям на данной территории таких элементов как Cu, Zn, Cd, Pb, Cr, Mn, Co, Mo, Be в почвах [118]. Также наблюдается фторовое загрязнение [23, с. 634–635]. Известно, что некоторое количество фтора, многократно превышающее ПДК, попадает в атмосферу в результате сгорания каменного угля, [270 с. 35]. Основным топливом ТЭЦ, входящего в состав алюминиевого завода является каменный уголь Экибастузского месторождения [117, с. 2].

Для алюминиевого завода и ТЭЦ, как для группы производственных объектов, размер санитарно-защитной зоны (СЗЗ) установлен равным 3000 м. По санитарной классификации производственных объектов предприятие относится к I классу опасности [117, с. 3].

Основной деятельностью АО «Казахстанский электролизный завод» (далее – КЭЗ), открытого в 2007 году, является производство первичного алюминия (рисунок 2). На его базе образован металлургический кластер с полным циклом производства: добыча бокситов, получение глинозема, выработка «крылатого металла». Проектная мощность завода по производству алюминия составляет 255 тыс. тонн первичного алюминия в год с производством обожженных анодов 136,250 тыс. тонн в год. Предприятие размещается с юго-восточной стороны от жилой зоны г. Павлодар: на расстоянии 13,5 км от ее границы и на расстоянии 10 км от действующего завода по производству глинозема АО «Алюминий Казахстана». Расстояние до ближайших населенных пунктов: поселок Жетекши расположен с северо-западной стороны на расстоянии 12 км от границы предприятия; поселок Кенжеколь расположен с юго-западной стороны на расстоянии 10 км от границы предприятия; поселок Шакат расположен с северо-восточной стороны на расстоянии 13,5 км от границы предприятия [119].

Процесс производства первичного алюминия характеризуется значительным объемом отходящих газов, содержащим такие вредные вещества, как сернистый ангидрид, окиси углерода, мелкодисперсная пыль и ряд фторидных соединений, в основном HF, SiF_4, NaF, Na₃AlF₆ и др. [108, с. 16; 121].

Размер санитарно-защитной зоны для АО «Казахстанский электролизный завод» составляет 3000 м. Класс опасности объекта по санитарной классификации относится к I классу опасности [119, с. 2].

3.2 Участки отлова мелких млекопитающих

Полевые работы велись на 12 пробных участках в схожих биотопах в пределах трех зон техногенной нагрузки, расположенных в западном и восточном направлении, на разном удалении от источников загрязнения. Зоны выделяли на основании литературных данных [120, с. 7; 122] по степени трансформации экосистем: импактная зона до 0,5–3 км, буферная – 3–5 км, фоновая – 20–25 км. В импактной зоне выбрано пять пробных участков – И₁, И_2, И₃, И₄, И₅; в буферной три – Б₆, Б₇, Б₈; в фоновой четыре – Ф₉, Ф₁₀, Ф₁₁, Ф₁₂ (рисунок 3). Кроме того, в качестве контрольной зоны выделен участок, расположенный на расстоянии около 200 км от г. Павлодар в северо-восточном направлении. Участок размещался в окрестностях с. Троицкое в 15 км от г. Карасук Новосибирской области (Карасукский стационар Института систематики и экологии животных СО РАН, К_К).

На территории импактной зоны пробные участки располагались в разнотравно-полынной (И₁, И₂), разнотравно-ковыльно-полынной (И₃, И₄) и разнотравно-типчаковой (И₅) степях. Буферная зона представлена типчаково-полынной (Б₆), полынно-ковыльной (Б₇) и разнотравно-типчаковой степями (Б₈), а фоновая – типчаково-полынной (Ф_9, Ф₁₀) и полынной степями (Ф₁₁, Ф₁₂) (таблица 1). На данных биотопических участках характерна степная растительность. Эдификаторами степной растительности в обследованных биотопах служат: полынь австрийская Artemisia austriaca, полынь песчаная Artemisia arenaria, овсянница бороздчатая Festuca valesiaca subsp. sulcáta, рогач песчаный Ceratocarpus arenarius, рыжик Camelina, липучка колючеплодная Lappula spinocarpos, ковыль-волосатик Stipa capilláta, люцерна серповидная Medicago falcata, лапчатка песчаная Potentilla arenaria, скерда кровельная Crepis tectorum, астрагал яичкоплодный Astragalus testiculatus. Другие виды растений более редки по встречаемости.

Контрольная территория в окрестностях с. Троицкое (К_К) представлена следующими биотопами: берег озера Кротово заросший злаково-разнотравной растительностью, типчаково-злаково-разнотравная степь, небольшой участок ковыльно-типчаковой степи вдоль лесополосы и участок пахотного поля, заросший злаково-разнотравной растительностью (таблица 1) [123].

  

Таблица 1 – Биотопы пробных участков исследования и их расстояние от источников эмиссии

Биотоп	Зона	Пробный участок	Расстояние от источников эмиссии
Разнотравно-полынная степь с элементами древесной растительности	Импактная	И1	0,5-3 км в западном направлении от алюминиевого завода, ТЭЦ
		И2
Разнотравно-ковыльно-полынная степь		И3	0,5-3 км в западном направлении от электролизного завода
		И4
Разнотравно-типчаковая степь		И5	0,5-3 км в восточном направлении от электролизного завода
Типчаково-полынная степь с элементами древесной растительности	Буферная	Б6	3-5 км в северо-восточном направлении от алюминиевого завода, ТЭЦ
Полынно-ковыльная степь		Б7	3-5 км в западном направлении от электролизного завода и в 5 км в юго-восточном направлении от алюминиевого завода, ТЭЦ
Разнотравно-типчаковая степь		Б8	3-5 км в восточном направлении от электролизного завода
Типчаково-полынная степь	Фоновая	Ф9	20-25 км в западном направлении от алюминиевого завода, ТЭЦ и электролизного завода»
		Ф10
Полынная степь		Ф11	20-25 км в восточном направлении от  алюминиевого завода, ТЭЦ и электролизного завода
		Ф12
Берег оз. Кротово заросший злаково-разнотравной растительностью	Контрольная	КК	около 200 км в северо-восточном направлении от зоны техногенной нагрузки
Типчаково-злаково-разнотравная степь
Небольшой участок ковыльно-типчаковой степи вдоль лесополосы
Заросший злаково-разнотравной растительностью участок пахотного поля

 

3.3 Методы учета и отлова, материал

Организацию и проведение работ осуществляли в определенной последовательности. После выбора объектов загрязнения, определяли расположение зон техногенной нагрузки (импактная, буферная, фоновая) и контрольной территории, проводили их детальное обследование. На каждом ключевом участке выявляли набор характерных биотопов. В их пределах проводили безвозвратное изъятие зверьков.

Для отлова и учета мелких млекопитающих использован метод ловчих канавок, дающий наиболее массовый и репрезентативный материал [124–126], что особенно важно при дальнейшей статистической обработке [127]. Отловы проводились весь бесснежный период, с мая по сентябрь 2016–2017 гг. и с мая по июнь 2018 г., в течение 10–20 дней каждого месяца.

В дно ловчей канавки, длиной 50 м и глубиной 10–12 см вкапывали пять пластиковых конусов, высотой 45–50 см и диаметром 25 см, на расстоянии 10 м между ними и по 5 м за крайние конусы. В качестве конусов были использованы обычные 5-литровые пластиковые емкости со срезанным дном (Приложение А). Канавки проверяли ежедневно рано утром. В качестве числовых характеристик видов в сообществе применяли индекс доминирования (процент или доля вида в сообществе (и. д.)) и показатель численности (п. ч.), рассчитанный на 100 конусо-суток (к/с) [129].

Всего за время исследований в зоне техногенной нагрузки отработано 10292 к/с. Отловлено 240 особей мелких млекопитающих 16 видов, 10 родов, 4 семейств и 2 отрядов. Данные по контрольному участку взяты из предоставленных материалов Т. А. Дупал [24, с. 291; 123, с. 234–235; 130–132].

При оценке обилия мелких млекопитающих применяли балльные характеристики: многочисленные 10 и более; обычные 1,0-9,9; редкие 0,1-0,9; очень редкие – менее 0,1 зверька (на 100 к/с). Доминирование оценивали по следующей шкале: доминанты и содоминанты –  более 10%, второстепенные – 1–9 %, редкие – менее 1 % в отловах [128, 129, с. 24].

Определение видовой принадлежности отловленных животных проведено по справочникам-определителям [133–135]. Коллекционные сборы, особенно на начальных этапах работы, определены при содействии старшего научного сотрудника ИСиЭЖ СО РАН, к.б.н. Т. А. Дупал.

Систематический перечень видов, их русские и латинские названия даны по справочнику И. Я. Павлинова и А. А. Лисовского (2012) [136] с некоторыми поправками по Каталогу мировой фауны млекопитающих «Mammal Species of the World» [137].

 

3.4 Методы обработки отловленных животных

Добытых животных обрабатывали по стандартным методикам [138–140]. Животных и их внутренние органы взвешивали, измеряли экстерьерные и интерьерные показатели, определяли состояние генеративной системы.

Возраст зверьков устанавливали по комплексу признаков с учетом размеров и массы тела, состоянию половой системы, краниологическим признакам, степени стертости зубов и сношенности мехового покрова [141]. Возрастная структура популяции наряду с половым составом и интенсивностью размножения служат важнейшими показателями, характеризующими состояние популяции, и во многом определяют ее динамику. Однако принципы и методы определения возраста млекопитающих до сих пор разработаны недостаточно. Многие исследователи выделяют так называемые «возрастные» группы (juv, subad, ad, senex), пользуясь в качестве критериев весом, длиной тела и степенью половой зрелости. Все эти показатели весьма изменчивы и, помимо возраста, зависят от ряда других факторов. Вес и длину тела можно использовать для определения возраста лишь в короткий период интенсивного роста особей, а затем темпы их роста в большей степени определяют условия существования и физиологическое состояние. Возраст наступления половой зрелости также зависит от времени рождения, плотности популяции и внешних условий. У мелких грызунов он колеблется от 3–4 недель до 7–12 месяцев. Как правило, в возрасте нескольких недель созревают зверьки, родившиеся весной и в начале лета. Зверьки, родившиеся в конце лета и осенью, обычно созревают после зимовки. В годы интенсивного нарастания численности большая часть зверьков, родившихся весной и в первую половину лета, в этом же сезоне достигает половозрелости и дают потомство. В годы, предшествующие сокращению численности, в раннем возрасте созревает лишь небольшая часть молодняка, большинство молодых зверьков остаются неполовозрелыми. Таким образом, при анализе материала необходимо пользоваться как показателями возраста (абсолютного или относительного), так и показателями половозрелости и проводить их в сопоставлении [138, с. 219–220]. По этим показателям мы выделяли три возрастные группы: перезимовавшие (Senex), сеголетки половозрелые (Adultus) и сеголетки неполовозрелые (Subad).

По учетам 2016–2017 гг. на пробных и контрольном участках в качестве доминирующего вида в сообществах мелких млекопитающих выявлена узкочерепная полевка. Поэтому объектом исследования межпопуляционой морфометрической изменчивости выбран этот вид. Использовали следующие экстерьерные показатели: масса тела, длина тела, хвоста и ступни. Для каждого признака посчитаны средние значения и ошибка средней, достоверность различий [142]. Кроме Карасукской популяции стадной полевки для сравнения приводятся морфометрические данные с Бийского участка (К_Б), который расположен в подзоне южной лесостепи в окрестностях  г. Бийска (Алтайский край) (устное сообщение А.В. Макарова). Этот участок включал в себя два открытых биотопа: луга-перелески и луга-выпасы.

 

3.5 Методика определения фтора в почве и в костной ткани мелких грызунов

Для определения содержания водорастворимого фтора в почве, в июне 2016 г. методом конверта отобраны почвенные пробы массой не менее 500 г в пределах пробных участков в импактной, буферной и фоновой зонах алюминиевого и электролизного заводов. Дальнейшее определение содержания фтора в почвенных образцах проводилось в сертифицированном испытательном центре ТОО «Казахстанский проектно-исследовательский институт» (Приложение Б).

Определение содержания фтора в костной ткани животных проводилось в лаборатории биогеохимии почв Института почвоведения и агрохимии СО РАН под руководством д.б.н. Г.А. Конарбаевой. Проанализировано 76 объединенных проб костного материала 156 особей мелких грызунов доминирующих видов: степная мышовка, джунгарский хомячок, степная пеструшка и узкочерепная полевка. Пробы анализируемого материала объединяли отдельно по возрасту животных и участку отлова, т.е. по зонам техногенной нагрузки и контрольной территории. Половозрелых и неполовозрелых сеголетков объединили в одну группу, из-за малочисленности каждой из них.

Содержание фтора определяли с помощью ион-селективных электродов. Потенциометрическое определение является высокочувствительным, экспрессивным методом, который широко используется в химическом анализе. Высокая селективность фторидного электрода позволяет успешно использовать его при изучении природных объектов сложного химического состава – вод, почв, горных пород, биологических материалов [143, 144]. Для каждого из этих объектов в силу их специфичности разработаны методики предварительной подготовки проб. Целью этой подготовки является перевод элемента в форму простого иона F^- и устранение влияния мешающих ионов [145].

Отбор и подготовка проб. Кости бедра и голени грызунов очищали от мышечной ткани, обезжиривали 96 % спиртом и брали навеску (m₁), после чего сжигали в муфельной печи при постепенном повышении температуры до 600 ⁰С [146], в течении четырех часов, так как при меньшем количестве времени кости не озолялись (Приложение В). Полученную золу взвешивали (m₂) и высчитывали зольность (Z) по формуле (1):

Золу растирали в агатовой ступке на кальке, а затем смешивали с 1 г натрия углекислого (Na₂CO₃). Во избежание пригорания образца к стенкам тигля, половину Na₂CO₃ насыпали на дно тигля, затем добавляли вторую половину, перемешанную с растертой золой, и сплавляли в платиновом тигле при температуре 1000 ⁰С в течение 10 минут. По окончании срока, сплав растворяли небольшими порциями горячей бидистиллированной воды и переносили в мерную стеклянную колбу на 100 см³. Для устранения потерь, связанных с адсорбцией фтора стеклом, раствор хранили в полиэтиленовой посуде. Из отстоявшегося над осадком раствора, содержащего фтор в виде комплексных соединений, отбирали аликвоту 20 см³ в колбу емкостью 50 см³, из бюретки по каплям нейтрализовали раствором соляной кислоты с концентрацией 1:1 по индикатору конго-рот. Затем добавляли 1–2 капли раствора (NH₄OH, 10 % объемных) до перехода окраски в розовый цвет, для стабилизации pH (5,4), добавляли 25 см³ цитратного буферного раствора с pH 5,7, доводили водой до метки и перемешивали.

Подготовка к выполнению измерений

Изначально подготавливали прибор pH-метр-милливольтметр (OP-208) к работе в соответствии с рабочей инструкцией по эксплуатации прибора, затем готовили необходимые для анализа буферный и градуировочные растворы [147].

Буферный раствор (БРОИС – Буфер Регулировки Общей Ионной Силы). В мерную колбу вместимостью 500 см³ помещали 37,5±0,1 г хлористого аммония (NH₄Cl), 1,25±0,1 г уксуснокислого аммония (CH₃COONH₄) и 15,0±0,1 г. трилона Б. Соли растворяли в 400 см³ дистиллированной воды и доводили объем раствора водой до метки.

Градуировочные растворы. Из государственного стандартного образца готовили основной градуировочный раствор с массовой концентрацией фторидов 190 мг/дм³. Далее из основного раствора путем последовательных разбавлений в 10 раз готовили градуировочные растворы с массовыми концентрациями фторидов 19; 1,9 и 0,19 мг/дм³ [147, с. 5–6].

Установление градуировочной характеристики. Для установления градуировочной характеристики, в пластиковые стаканчики наливали по 20 см³ градуировочных растворов, и в каждый стаканчик добавляли еще по 2 см³ буферного раствора. Последовательно, начиная с раствора с наименьшей концентрацией фторидов, измеряли значение равновесного потенциала каждого раствора. Перемешивая раствор с помощью магнитной мешалки, добивались удаления пузырьков воздуха с торцевой поверхности электрода, и после выдержки, длительностью 1–2 минуты измеряли значение потенциала. Измерения производили последовательно в каждом растворе. По полученным результатам строили градуировочный график в координатах: значение потенциала, мВ – pF (отрицательный логарифм концентрации фторид-ионов, -lg[F], моль/дм³ (рисунок 4).

Выполнение измерений. 20 см³ анализируемой пробы помещали в пластиковый стаканчик, после чего добавляли 2 см³ буферного раствора. В полученный раствор опускали ионселективный электрод и электрод сравнения, постепенно перемешивая, добиваясь удаления пузырьков воздуха с торцевой поверхности электрода. Через 1–2 минуты измеряли равновесный потенциал в мВ при работе на pH-метре-милливольтметре (OP-208) (Приложение Г). Нормативные ссылки укзаны в Приложении Д. На градуировочном графике находилось содержание фтора [147, с. 6–7; 148].

Обработка результатов измерений.

При вычислении результатов измерений концентрации фторидов в анализируемой пробе учитывали разбавление по формуле (2):

После измерения концентрации в полученном растворе производили расчёт на содержание фторид ионов в золе (X_золы, мг/кг) по формуле (3):

3.6 Статистические методы обработки материалов

Для статистической обработки материала были использованы методы одномерной и частично многомерной статистики [127, с. 32–36; 142, с. 96–134; 149, 150].

Гетерогенность сообщества обычно оценивают информационными индексами разнообразия [151, 152]. Индексы разнообразия призваны отражать различия между местообитаниями разных сообществ, а также быть важным статистическим показателем различий между участками или выборками [153]. Они используются также для оценки последствий загрязнения или других изменений среды, или для выбора лучшего среди нескольких сходных местообитаний в природоохранных целях. В качестве показателей разнообразия сообществ нами использованы наиболее информативные индексы видового разнообразия и выровненности Симпсона (D и E) и Шеннона (H и J), рассчитанные по формулам (4), (5), (6), (7) [151, с. 118–121; 152, с. 143–146].

Применение указанных индексов позволило оценить уровень видового разнообразия сообществ. Величина индекса разнообразия Симпсона обычно зависит от числа видов в сообществе и их соотношения. Этот индекс сильней других реагирует на перестройку в структуре доминирования сообществ мелких млекопитающих. Индекс Шеннона также зависит от совокупности значений доли каждого вида в сообществе и их числа. Поэтому изменения значений индекса, особенно в сторону уменьшения, указывают на нарушение структуры доминирования, выпадения из него отдельных видов, т.е. на утрату его устойчивости [129, с. 26; 154, 155].

Все расчеты и построение графиков выполнены в программах STATISTICA 6.0, Past, Corel Draw и Excel.