REE, Uranium (U) and Thorium (Th) contents in Betula pendula leaf growing around Komsomolsk gold concentration plant tailing (Kemerovo region, Western Siberia, Russia)

The article deals with the research findings of peculiarities of REE, Uranium and Thorium distribution in the territory surrounding the tailing of former Komsomolsk gold concentration plant according to the data from Betula pendula leaf testing. In the leaf element composition the slight deficiency of MREE and substantial excess of HREE are presented. In the nearest impacted area around the tailing, La, Yb, U and Th content, and Th/U ratio are lower than in the distant buffer area. It is shown, that value of Th/U ratio and REE can be an indicator for geochemical transformations of technogenic landscapes in mining districts. The results of the research can be used for biomonitoring of the territory around the tailing

Geochemical features of poplar leaf elemental composition in urban areas

Relevance of the work is caused by the necessity of obtaining new data on natural and anthropogenic geochemical processes, occurring under conditions of widespread urbanization and industrial development, the development of biogeochemical indicators to measure the impact of environmental factors on human health and urban systems. The main aim of the study is quantitative estimation of factors of natural and man-made biogeochemical peculiarities of urban system with intensive transport and industrial infrastructure based on the data of elemental analysis of poplar leaf ash. The methods used in the study: selection of poplar leaf samples on a uniform grid of 2x2, 1x1, 0,5x0,5 km; ashing the samples at 450 °C with determination of ash content in accordance with GOST 26929-94; quantitative instrumental neutron activation analysis (determination of content of 28 chemical elements); empirical data processing and analysis by correlation, cluster and factor (method of principal components) analyzes, as well as with the use of indicator ratios: Th/U, La/Th, La/Lu, La/Yb, La/Sm, Ce/Nd, La+Ce/Sm+Eu, La+Ce/Yb+Lu. The results. The authors have determined the contents of some major (Na, Ca, Fe), trace, rare earth (REE) and radioactive (U, Th) elements in poplar leaf ash in some cities of Kazakhstan, southern Siberia and Far East of Russia. General character of element chemical distributions in samples follows the universal geochemical law. Biophil (Br, Zn) and specific for biological species (Au, Ag, Sr) elements are accumulated in poplar leaf ash. The authors determined the abnormal geochemical associations of elements for urban systems with different industrial specialization. It is shown that the high value of the ratio Th/U (>2) mainly reflect the impact of natural environmental factor, and low values of Th/U value

Geochemical and mineral indicators of deflation in urban areas using poplar leaves

Актуальность работы заключается в необходимости оценки влияния природных и техногенных факторов окружающей среды на качество атмосферного воздуха, почвенно-растительного покрова и на здоровье населения урбанизированных территорий. Процессом разрушения почвенного покрова под действием ветра является ветровая эрозия или дефляция. Этот процесс широко распространен на территории юга Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке, особенно в долинах крупных рек, а также в сельскохозяйственных степных районах. Способствуют дефляции сильные ветра в периоды отсутствия осадков, сухие песчаные отложения по берегам рек, ветроударные склоны, почвы легкого гранулометрического состава, пологий рельеф, создающий условия для беспрепятственного продвижения воздушных потоков. Дефляция может проявлять местный характер, в более активной форме виде пыльных бурь наносить большой вред хозяйству. Цель работы: оценить роль пылевого загрязнения атмосферного воздуха вследствие дефляции на урбанизированных территориях путем изучения элементного состава микроразмерных частиц с использованием листьев тополя в качестве биогеохимического планшета. Методы. Элементный состав золы образцов листьев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) изучался методом инструментального нейтронно-активационного анализа, ICP-MS и -AES; элементный состав микроразмерных частиц на поверхности листьев - на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с помощью энергодисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010; обработка полученных данных проводилась методами многомерного статистического анализа. Результаты. Представлены результаты исследования минеральной пыли из приземного атмосферного воздуха, аккумулирующейся на поверхности листьев тополя. Существенный вклад в распределение редкоземельных элементов на территории населенных пунктов, расположенных на берегах реки Обь (Колпашево, Каргасок, Стрежевой; озера Байкал (Усть-Баргузин и Северобайкальск), реки Амур (Благовещенск, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре), вносит пылевой фактор в результате дефляции по направлениям господствующих ветров. С помощью индикаторного Zr/Ce отношения определены урбанизированные территории, на которых наблюдается активная ветровая дефляция. Обнаружены минеральные частицы легких и тяжелых редкоземельных элементов, преимущественно фосфаты (моноцит и ксенотим), а также цирконы.Relevance of the work is caused by the need to assess the impact of natural and technogenic environmental factors affecting the quality of atmospheric air, soil and vegetation as well as the health of the population in urban areas. Deflation or wind erosion is soil destruction under the influence of wind. The territories in the south of Western and Eastern Siberia, the Far East, located in the valleys of large rivers, as well as in agricultural steppe regions, are especially affected by it. Winds during the periods without precipitation, dry sandy deposits along river banks, wind-impact slopes, soils of light particle size distribution, gently sloping terrain, creating conditions for unhindered movement of air flows, contribute to wind erosion. It can be local in nature, in a more active form of dust storms cause great harm to the economy. The aim of the research is to evaluate the role of atmospheric dust pollution in urban areas by studying the elemental composition of micro-sized particles using poplar leaves as a biogeochemical tablet. The methods. The elemental composition of ash samples of balsamic poplar leaves (Populus balsamifera L.) was studied by instrumental neutron activation analysis, ICP-MS and -AES; the elemental composition of micro-sized particles on the leaf surface - at a Hitachi S-3400N scanning electron microscope using a Bruker XFlash 4010 energy dispersive spectrometer; data processing was carried out using of the multivariate statistical methods. The results. The paper presents the results of the study of mineral dust from surface air, accumulated on the surface of poplar leaves. A significant contribution to the distribution of rare-earth elements on the territory of settlements located on the banks of the Ob River (Kolpashevo, Kargasok, Strezhevoy; Lake Baikal (Ust-Barguzin and Severobaykalsk), Amur River (Blagoveshchensk, Khabarovsk, Komsomolsk-on-Amur) makes a dust transfer as a result of deflation in the directions of the prevailing winds. Using the indicator Zr/Ce ratio, urbanized areas with active wind erosion were determined. Mineral particles of light and heavy rare earth elements, mainly phosphates (monazite and xenotime), as well as zircons, were found

Geochemical and mineral indicators of deflation in urban areas using poplar leaves

Актуальность работы заключается в необходимости оценки влияния природных и техногенных факторов окружающей среды на качество атмосферного воздуха, почвенно-растительного покрова и на здоровье населения урбанизированных территорий. Процессом разрушения почвенного покрова под действием ветра является ветровая эрозия или дефляция. Этот процесс широко распространен на территории юга Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке, особенно в долинах крупных рек, а также в сельскохозяйственных степных районах. Способствуют дефляции сильные ветра в периоды отсутствия осадков, сухие песчаные отложения по берегам рек, ветроударные склоны, почвы легкого гранулометрического состава, пологий рельеф, создающий условия для беспрепятственного продвижения воздушных потоков. Дефляция может проявлять местный характер, в более активной форме виде пыльных бурь наносить большой вред хозяйству. Цель работы: оценить роль пылевого загрязнения атмосферного воздуха вследствие дефляции на урбанизированных территориях путем изучения элементного состава микроразмерных частиц с использованием листьев тополя в качестве биогеохимического планшета. Методы. Элементный состав золы образцов листьев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) изучался методом инструментального нейтронно-активационного анализа, ICP-MS и -AES; элементный состав микроразмерных частиц на поверхности листьев - на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с помощью энергодисперсионного спектрометра Bruker XFlash 4010; обработка полученных данных проводилась методами многомерного статистического анализа. Результаты. Представлены результаты исследования минеральной пыли из приземного атмосферного воздуха, аккумулирующейся на поверхности листьев тополя. Существенный вклад в распределение редкоземельных элементов на территории населенных пунктов, расположенных на берегах реки Обь (Колпашево, Каргасок, Стрежевой; озера Байкал (Усть-Баргузин и Северобайкальск), реки Амур (Благовещенск, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре), вносит пылевой фактор в результате дефляции по направлениям господствующих ветров. С помощью индикаторного Zr/Ce отношения определены урбанизированные территории, на которых наблюдается активная ветровая дефляция. Обнаружены минеральные частицы легких и тяжелых редкоземельных элементов, преимущественно фосфаты (моноцит и ксенотим), а также цирконы.Relevance of the work is caused by the need to assess the impact of natural and technogenic environmental factors affecting the quality of atmospheric air, soil and vegetation as well as the health of the population in urban areas. Deflation or wind erosion is soil destruction under the influence of wind. The territories in the south of Western and Eastern Siberia, the Far East, located in the valleys of large rivers, as well as in agricultural steppe regions, are especially affected by it. Winds during the periods without precipitation, dry sandy deposits along river banks, wind-impact slopes, soils of light particle size distribution, gently sloping terrain, creating conditions for unhindered movement of air flows, contribute to wind erosion. It can be local in nature, in a more active form of dust storms cause great harm to the economy. The aim of the research is to evaluate the role of atmospheric dust pollution in urban areas by studying the elemental composition of micro-sized particles using poplar leaves as a biogeochemical tablet. The methods. The elemental composition of ash samples of balsamic poplar leaves (Populus balsamifera L.) was studied by instrumental neutron activation analysis, ICP-MS and -AES; the elemental composition of micro-sized particles on the leaf surface - at a Hitachi S-3400N scanning electron microscope using a Bruker XFlash 4010 energy dispersive spectrometer; data processing was carried out using of the multivariate statistical methods. The results. The paper presents the results of the study of mineral dust from surface air, accumulated on the surface of poplar leaves. A significant contribution to the distribution of rare-earth elements on the territory of settlements located on the banks of the Ob River (Kolpashevo, Kargasok, Strezhevoy; Lake Baikal (Ust-Barguzin and Severobaykalsk), Amur River (Blagoveshchensk, Khabarovsk, Komsomolsk-on-Amur) makes a dust transfer as a result of deflation in the directions of the prevailing winds. Using the indicator Zr/Ce ratio, urbanized areas with active wind erosion were determined. Mineral particles of light and heavy rare earth elements, mainly phosphates (monazite and xenotime), as well as zircons, were found

Indication by environmental components the pollutant transboundary transfer to Gorny Altai

Relevance of the work is caused by the necessity to study the environmental conditions in Altai exposed to long term migration of pollutants from adjacent territory of East Kazakhstan. Objects and methods of research. To explore the nature and extent of pollutants transfer in 2015 the authors have tested snow cover and leaves of black poplar (15 and 17 points respectively) in the territory of the Altai Republic and partially within Altai territory at four regional transects with a pitch of 40-60 km. Filtrate, solid residue of snow and ash of poplar leaves (Populus nigra L.) were studied by ICP-MS at the Institute of Mineralogy, Ural Branch, Russian Academy of Sciences (Miass) on content of 50 chemical elements. Results. The mapped data on chemical composition of filtrate, solid residue of snow and ash of leaves of black poplar found out on the territory of Gorny Altai a large halo of spatially conjugate low pH and elevated concentrations of sulfates, compounds of mineral nitrogen and geochemically different associations of rock-forming elements and elements of polymetallic ores, processed at the enterprises of the plant «Kaztsinc» (Ust-Kamenogorsk, Ridder). Zinc, copper, lead are the main elements of ore association; cadmium, tin, molybdenum, tungsten, antimony, arsenic, bismuth, selenium, tellurium and thallium are the secondary ones. Similar size, morphology and North-East orientation of the halos of their increased concentrations are typical for spatial distribution of all investigated substances and elements in melt water, dust and leaves of poplar. The length of the generalized mega halo of transboundary pollution within Altai exceeds 300 km with its average width of 100-120 km and area over 30 km2. Conclusions. The authors predetermined the similar type of range and level of elements content of the ore association in snow dust near the plant «Kaztsinc» (Ust-Kamenogorsk) and dust in snow cover dust in Gorny Altai, which makes the emissions of the plant the source of transboundary transfer of dust aerosols of heavy metals and toxic elements and their input to the region in the form of local dry and wet deposition

Geochemical characteristics of mercury distribution in poplar leaves and annual rings of urbanized territories on the example of Novosibirsk

Актуальность работы обусловлена необходимостью эколого-геохимической оценки техногенного воздействия на окружающую среду и здоровье населения в связи с развитием урбанизации и промышленности в городах, повлекшее за собой загрязнение поллютантами компонентов природной среды. Цель: оценка ртутной нагрузки на природные компоненты урбанизированной территории с промышленно развитой инфраструктурой по данным изучения листьев и керна тополя в г. Новосибирск. Объекты: листья и годовые кольца тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Выбранный вид тополя широко распространен в городах умеренного пояса. Он имеет ряд особенностей, в числе которых относительно большая площадь, восковое покрытие и наличие устьиц с двух сторон листовой пластины, позволяющие улавливать в значительном количестве пылевые частицы и аэрозоли, являясь индикатором состояния воздушного бассейна. Методы: отбор проб листьев тополя во временном периоде 2014-2018 гг. по равномерной площадной сети 4•4 со сгущением 1•1 км вблизи предполагаемого источника загрязнения; отбор проб древесного керна с отдельно стоящих деревьев на расстоянии от 0,5 до 1 км от предполагаемого источника; высушивание и измельчение; атомно-абсорбционный анализ Hg методом пиролиза; статистическая обработка данных; построение карт и графиков. Результаты. В ходе проведения полевых и лабораторных работ получены данные по геохимическим особенностям распределения Hg в листьях и годичных кольцах тополя бальзамического (P. balsamifera L.) на территории г. Новосибирск. В северовосточной части города выявлен биогеохимический ореол Hg изометричной формы размером 25 км{2} с содержанием более 100 нг/г. Высокая концентрация Hg (1300 нг/г) в листьях тополя зафиксирована в 2017 г. в Калининском районе, вблизи промышленной площадки Новосибирского завода химконцентратов (НЗХК). Исследования показали четкую тенденцию увеличения накопления Hg в листьях тополя в течение вегетационного периода. Максимальное среднее содержание выявлено в листовом опаде - 2006 нг/г (1153-2425 нг/г). Однако среднее содержание Hg в почве - 294 нг/г, что значительно ниже предельно-допустимых концентраций (2100 нг/г). Исследован характер распределения содержания Hg в листьях тополя по высоте кроны дерева, произрастающего в эпицентре биогеохимического ореола Hg. С наветренной стороны от источника эмиссии концентрация Hg в листьях в среднем в 1,5 раза выше, чем со стороны "ветровой тени". В ходе изучения форм нахождения Hg в листьях тополя установлено, что Hg содержится преимущественно в свободной и физически связанной формах, наиболее мобильных, склонных к повышенной миграции, трансформации и мителированию в условиях окружающей среды. По содержанию Hg в керне тополя установлены три периода эмиссии Hg вблизи источника: 1-й - с максимальной эмиссией в 1967-1985 гг., 2-ой - снижение содержания Hg в 1991-2000 гг., 3-й - сравнительно низкий уровень содержания Hg в 2000-2017 гг. В г. Новосибирске оконтурен крупный биогеохимический ореол Hg, установлен возможный источник её эмиссии. Методом дендробиогеохимии в эпицентре наиболее высокого содержания Hg установлена многолетняя динамика изменения содержания Hg в объектах исследования. Определен период с максимальным техногенным влиянием Hg на городскую среду. В селитебной и промышленной зонах на северо-востоке Новосибирска в пределах крупного биогеохимического ореола Hg рекомендуется постановка эколого-геохимического мониторинга со ртутнометрической съемкой атмосферного воздуха, исследованием почвенно-растительного покрова, контроль санитарно-гигиенических показателей состояния здоровья населения.Relevance of the study is determined by the necessity to provide ecological and geochemical assessment of technogenic impact on environment and population health related to urbanization and industrial development resulting in contamination of natural assets with various pollutants. The aim of the study is to assess mercury loads onto the natural components of an urbanized territory with a well-developed industrial infrastructure by studying leaves and cores of balsam poplar (P. balsamifera L.). Subjects of research are poplar leaves and annual rings. This species of poplar is very common in urban localities of temperate zone. It has a number of features allowing it to capture significant amounts of dust particles and aerosols, namely, relatively large area, wax covering and presence of both abaxial and adaxial stomata; the tree serves as an indicator of community air. Research methods were sampling of poplar leaves through the period of 2014-2018 and following a 4•4 uniform area grid with a further concentration of 1•1 km near assumed pollution sources; sampling of wood from separate trees at a distance of 0,5 to 1 km from the assumed pollution source; atomic absorption spectrometry of Hg by pyrolysis; statistical processing of data; plotting maps and graphs. Results. During the field and laboratory works, the authors have obtained the data on geochemical features of Hg distribution through the leaves and annual rings of balsam poplar (P. balsamifera L.) in the territory of the city of Novosibirsk. In the northwestern part of the city, a biogeochemical halo of Hg concentrations was identified; it is isometric in form, has an area of approximately 25 km{2} and is characterized by Hg content of over 100 ng/g. In 2017, a high Hg concentration (1300 ng/g) in poplar leaves was recorded in Kalininsky district, near the industrial site of the Novosibirsk Chemical Concentrates Plant. The studies have shown a clear trend for Hg accumulation in poplar leaves throughout the vegetation period. Maximum average content was found in leaf litter at 2006 ng/g (the range is 1153-2425 ng/g). However, the average Hg content in soil is 294 ng/g, which is significantly lower than the maximum allowable concentration of 2100 ng/g. Distribution of Hg content in poplar leaves depending on leaf position in the tree crown was studies for a tree in the epicenter of biogeochemical halo of Hg concentrations. Upwind the emission source, Hg concentration in the leaves is on average 1,5 times higher than in the wind shadow. During the studies of Hg forms in poplar leaves it was established that Hg is primarily found in free and physically-bound forms, which are the most mobile, prone to increased migration, transformation and methylation under the environmental conditions. Studies of wood cores in the vicinity of the pollution source allowed establishing three periods of Hg emission: the first period, with the maximum emission covers 1967-1985, the second period of 1991-2000 shows a decrease in Hg content; the third period of 2000-2007 is characterized with a relatively low level of Hg concentration. A large biogeocheimcal halo of Hg concentrations was mapped in the city of Novosibirsk, a possible emission source was found. Dendrobiogeochemical methods applied in the epicenter of the area with the highest mercury content allowed establishing long-term dynamics in Hg content in the subjects of the study. A period with the highest technogenic impact on the urban environment was established. In residential and industrial zones in the northeast of Novosibirsk, in the territory of a large biogeochemical Hg-related halo, the authors recommend to establish environmental and geochemical monitoring with mercury metering of air samples, studies of soil and plant cover, monitoring of sanitary and hygienic indicators of population's health

Bromine in the poplar leaves of urban areas: natural and anthropogenic sources of scattering

Актуальность исследования. Бром является толассофильным, органофильным и эссенциальным элементом. Сочетание природно-антропогенных источников рассеяния этого элемента обуславливает комплексность и многофакторность его поступления в окружающую среду, оказывает влияние на особенности накопления и распределения галогена в природных средах. Основное внимание в работе сосредоточено на урбанизированных территориях локального и регионального уровней исследования с источниками эмиссии Br. Пути миграции и биогеохимической аккумуляции брома остаются слабо изученными вопросами. Цель: определить количественные содержания Br в листьях древесных растений рода тополь (Populus L.), произрастающих на урбанизированных территориях юго-востока Евразии, и на основе принципов биогеохимического районирования выявить ореолы Br нагрузки, определить главные факторы их формирования. Объект и методы. Объектом исследования являлись листья тополя (Populus L.). Отбор проб проведен в августе 2015-2018 гг. на территории 50 городов по равномерной сети с шагом 1•1 и 2•2 км. Средний объем выборок в городах составил 30 проб. Всего отобрано 1686 проб листьев тополя. Озоление листьев проводилось методом сухой минерализации в муфельной печи при температуре 450 °С в течение 5 час. Принимались во внимание литературные данные о том, что потери Br в золе, полученной при 400 °С, составляют не более 20 % от расчетной величины. Определение содержания Br и других химических элементов в золе листьев тополя проводилось методом инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском учебном ядерном реакторе (ИРТ-Т) в Томском политехническом университете. Результаты анализов обработаны методами описательной статистики, кластерного и дискриминантного анализов. Результаты. Среднее содержание Br в золе листьев тополя урбанизированных территорий составило 56,5±2,1 мг/кг, при разбросе от 0,3 до 1730,1 мг/кг. Медиана - 30,6 мг/кг. Нижнее аномальное содержание Br составило 103,4 мг/кг. Выявлены две сопряженные аномальные бромные биогеохимические области: Кулундинская - природного генезиса, и Северо-Казахстанская - природно-техногенного генезиса. Области объединены в бромную биогеохимическую субпровинцию, впервые описываемую в данной работе.Relevance of the work. Bromine is a tolassophilic, organophilic and essential element. The combination of natural and anthropogenic sources of dispersion of this element determines the complexity and multifactorial nature of its entry into the environment, affects the characteristics of halogen accumulation and distribution in natural environments. The main attention in the work is focused on urbanized areas of the local and regional levels of the study with sources of Br emission. The migration routes and biogeochemical accumulation of bromine remain poorly studied issues. The main aim of the research is to determine the quantitative content of Br in the leaves of woody plants of the genus poplar (Populus L.), growing in urbanized areas of South-East Eurasia, and based on the principles of biogeochemical zoning to identify the halos of Br load, determine the main factors of their formation. Methods. Poplar leaves (Populus L.) served as the object of the study. Sampling was carried out in August 2015-2018 on the territory of more than 50 cities along a uniform network with a step of 1•1 and 2•2 km. The average sample size in cities was 30 samples. In total, about 1700 samples of poplar leaves were taken. Leaf ash was carried out by dry mineralization in a muffle furnace at 450 °C for 5 hours. The authors have taken into account the literature data that Br loss in the ash obtained at 400 °C was no more than 20 % of the calculated value. Content of Br and other chemical elements in the ash of poplar leaves was determined by the method of instrumental neutron activation analysis in the nuclear geochemical laboratory at the educational research nuclear reactor (IRT-T) at Tomsk Polytechnic University. The analysis results were processed using descriptive statistics, cluster and discriminant analyzes. Results. The average Br content in the ash of poplar leaves in urbanized areas was 56,5±2,1 mg/kg, with a range from 0,3 to 1730,1 mg/kg. The median is 30,6 mg/kg. The lower anomalous Br content was 103,4 mg/kg. Two conjugated anomalous bromine biogeochemical regions were revealed: Kulunda - natural genesis and North Kazakhstan - natural and technogenic genesis. Areas are depleted in area in bromine biogeochemical subprovince, first described in this work