Загрязнение почвы тяжелыми металлами. Источники загрязнения почвы тяжелыми металлами Загрязнение почв тяжелыми металлами атомные электростанции

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени адмирала Г.И. Невельского

Кафедра защиты окружающей среды

РЕФЕРАТ
по дисциплине «Физико-химические процессы»

Последствия загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами.

Проверила преподаватель:
Фирсова Л.Ю.
Выполнил студент гр. ___
Ходанова С.В.

Владивосток 2012
СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1 Тяжелые металлы в почвах

2 Радионуклиды в почвах. Радиоактивное загрязнение
Заключение
Список используемых источников

ВВЕДЕНИЕ

Почва - это не просто инертная среда, на поверхности которой осуществляется деятельность человека, а динамическая, развивающаяся система, включающая множество органических и неорганических компонентов, в которых имеется сеть полостей и пор, а в них, в свою очередь, содержатся газы и жидкости. Пространственное распределение этих компонентов определяет главные типы почв на земном шаре.
Кроме того, почвы содержат огромное число живых организмов, их называют биотой: от бактерий и грибов до червей и грызунов. Почва образуется на скальных родительских породах под совместным воздействием климата, растительности, почвенных организмов и времени. Поэтому изменение любого из этих факторов может привести к изменениям в почвах. Почвообразование - это длительный процесс: образование слоя почвы в 30 см занимает от 1000 до 10 000 лет. Следовательно, скорости почвообразования столь малы, что почву можно считать невозобновляемым ресурсом.
Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в накоплении органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.

1 Тяжелые металлы в почвах

Источники поступления тяжелых металлов в почву

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц массы (а. е. м.). Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др. Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, т.к. к ТМ часто относят элементы-неметаллы, например As, Se, а иногда даже F, Be и другие элементы, атомная масса которых меньше 50 а.е.м.
Среди ТМ много микроэлементов, биологически важных для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.
Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т.д.) Сельско-хозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и специфически, при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, известковании, использовании сточных вод. В последнее время, особое внимание ученые уделяют городским почвам. Последние испытывают значительный техногенный процесс, составной частью которого является загрязнение ТМ.
На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприятий цветной металлургии - основного источника загрязнения окружающей среды ТМ - основная масса металлов (70-90 %) находится в форме оксидов.
Попадая на поверхность почв, ТМ могут либо накапливаться, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории.
Большая часть ТМ, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах. ТМ сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы, в частности в виде элементно-органических соединений, аккумулируются в гидроксидах железа, входят в состав кристаллических решеток глинистых минералов, дают собственные минералы в результате изоморфного замещения, находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге и газообразном состоянии в почвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты.
Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и уровня техногенного воздействия. Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию ТМ почвой. Рост значений рН усиливает сорбированность катионообразующих металлов (медь, цинк, никель, ртуть, свинец и др.) и увеличивает подвижность анионообразующих (молибден, хром, ванадий и пр.). Усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов. В итоге по способности связывать большинство ТМ, почвы образуют следующий ряд: серозем > чернозем > дерново-подзолистая почва.

Загрязнения почв тяжелыми металлами

Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Во-первых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ вызывают у них серьезные заболевания. Росту заболеваемости населения и сокращению продолжительности жизни, а также к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции.
Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, структура, pH среды и др. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия.

Природные и техногенные аномалии

В природе встречаются территории с недостаточным или избыточным содержанием в почвах ТМ. Аномальное содержание ТМ в почвах обусловлено двумя группами причин: биогеохимическими особенностями экосистем и влиянием техногенных потоков вещества. В первом случае, районы, где концентрация химических элементов выше или ниже оптимального для живых организмов уровня, называются природными геохимическими аномалиями или биогеохимическими провинциями. Здесь аномальное содержание элементов обусловлено естественными причинами – особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, присутствием рудных аномалий. Во втором случае, территории называются техногенными геохимическими аномалиями. В зависимости от масштаба они делятся на глобальные, региональные и локальные.
Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.
Различные растения, животные и человек требуют для жизнедеятельности определенного состава почвы, воды. В местах геохимических аномалий происходит, усугубляясь, передача отклонений от нормы минерального состава по всей пищевой цепи. В результате нарушения минерального питания наблюдаются изменения видового состава фито-, зоо- и микробоценозов, заболевание дикорастущих форм растений, снижение количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции, рост заболеваемости населения и снижение продолжительности жизни.
Токсическое воздействие ТМ на биологические системы в первую очередь обусловлено тем, что они легко связываются с сульфгидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подавляя их синтез и, тем самым, нарушая обмен веществ в организме.
Живые организмы выработали разнообразные механизмы устойчивости к ТМ: от восстановления ионов ТМ в менее токсичные соединения до активации систем ионного транспорта, осуществляющих эффективное и специфическое удаление токсических ионов из клетки во внешнюю среду.
Наиболее существенное последствие воздействия ТМ на живые организмы, проявляющееся на биогеоценотическом и биосферном уровнях организации живого вещества, заключается в блокировании процессов окисления органического вещества. Это приводит к снижению скорости его минерализации и накоплению в экосистемах. В то же время увеличение концентрации органического вещества вызывает связывание им ТМ, что временно снимает нагрузку с экосистемы. Снижение скорости разложения органического вещества за счет снижения численности организмов, их биомассы и интенсивности жизнедеятельности считают пассивной реакцией экосистем на загрязнение ТМ. Активное противостояние организмов антропогенным нагрузкам проявляется лишь в ходе прижизненной аккумуляции металлов в телах и скелетах. Ответственными за этот процесс являются наиболее устойчивые виды.
Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи.

Нормирование содержания тяжелых металлов в почве и очищение почв

Очень сложен вопрос нормирования содержания ТМ в почве. В основе его решения должно лежать признание полифункциональности почвы. В процессе нормирования почва может рассматриваться с различных позиций: как естественное природное тело, как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства, как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы. Нормирование содержания ТМ в почве необходимо проводить на основе почвенно-экологических принципов, которые отрицают возможность нахождения единых значений для всех почв.
По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение может производиться путем промывок, путем извлечения ТМ из почвы с помощью растений, путем удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т.п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т.д. Однако любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда в живые организмы.

Радионуклиды в почвах. Радиоактивное загрязнение

В почвах присутствуют почти все известные в природе химические элементы, в том числе и радионуклиды.
Радионуклиды – химические элементы, способные к самопроизвольному распаду с образованием новых элементов, а также образованные изотопы любых химических элементов. Следствием ядерного распада является ионизирующая радиация в виде потока альфа-частиц (поток ядер гелия, протонов) и бета-частиц (поток электронов), нейтронов, гамма-излучение и рентгеновское излучение. Это явление получило название радиоактивность. Химические элементы, способные к самопроизвольному распаду называются радиоактивными. Наиболее употребляемый синоним ионизирующей радиации – радиоактивное излучение.
Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации и возбуждению ее атомов и молекул. Ионизирующие излучения имеют электромагнитную (гамма- и рентгеновское излучения) и корпускулярную (альфа-излучение, бета-излучение, нейтронное излучение) природу.
Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, обусловленное гамма-лучами (дискретными пучками или квантами, называемыми фотона-ми), если после альфа- или бета-распада ядро остается в возбужденном со-стоянии. Гамма-лучи в воздухе могут проходить значительные расстояния. Фотон гамма-лучей с высокой энергией может проходить сквозь тело человека. Интенсивное гамма-излучение может повредить не только кожу, но и внутренние органы. Защищают от этого излучения плотные и тяжелые материалы, железо, свинец. Гамма-излучение можно создавать искусственно в ускорителях зараженных частиц (микротрон), например, тормозное гамма-излучение быстрых электронов ускорителя при их попадании на мишень.
Рентгеновское излучение – аналогично гамма-излучению. Космическое рентгеновское излучение поглощается атмосферой. Рентгеновские лучи получают искусственно, они приходятся на нижнюю часть энергетического спектра электромагнитного излучения.
Радиоактивное излучение - естественный фактор в биосфере для всех живых организмов, да и сами живые организмы обладают определенной радиоактивностью. Среди биосферных объектов почвы обладают наиболее высокой естественной степенью радиоактивности. В этих условиях природа благоденствовала многие миллионы лет, разве что в исключительных случаях при геохимических аномалиях, связанных с месторождением радиоактивных пород, например, урановых руд.
Однако, в XX человечество столкнулось с радиоактивностью запредельно превышающей естественную, а следовательно и биологически анормальную. Первыми пострадавшими от избыточных доз радиации были великие ученые, открывшие радиоактивные элементы (радий, полоний) супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. А затем: Хиросима и Нагасаки, испытания атомного и ядерного оружия, многие катастрофы, в том числе Чернобыльская и т.д.
Наиболее значимыми объектами биосферы, определяющими биологические функции всего живого являются почвы.
Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов. Различают естественную и искусственную радиоактивность.
Естественная радиоактивность почв вызывается естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах. Естественные радионуклиды подразделяют на 3 группы.
Первая группа включает радиоактивные элементы - элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран (238
и т.д.................

Тяжелые металлы, попадающие в окружающую среду в результате производственной деятельности человека (промышленность, транспорт и т. д.), являются одними из самых опасных загрязнителей биосферы. Такие элементы, как ртуть, свинец, кадмий, медь, относят к «критической группе веществ - индикаторов стресса окружающей среды». Подсчитано, что ежегодно только металлургические предприятия выбрасывают на поверхность Земли более 150 тыс. т меди; 120 - цинка, около 90 - свинца, 12 - никеля и около 30 т ртути. Эти металлы имеют тенденцию закрепляться в отдельных звеньях биологического круговорота, аккумулироваться в биомассе микроорганизмов и растений и по трофическим цепям попадать в организм животных и человека, отрицательно воздействуя на их жизнедеятельность. С другой стороны, тяжелые металлы определенным образом влияют на экологическую обстановку, подавляя развитие и биологическую активность многих организмов.

Актуальность проблемы воздействия тяжелых металлов на почвенные микроорганизмы определяется тем, что именно в почве сосредоточена большая часть всех процессов минерализации органических остатков, обеспечивающих сопряжение биологического и геологического круговорота. Почва является экологическим узлом связей биосферы, в котором наиболее интенсивно протекает взаимодействие живой и неживой материи. На почве замыкаются процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой, обитающими на суше организмами, важное место среди которых занимают почвенные микроорганизмы.
Из данных многолетних наблюдений Росгидромета известно, что по суммарному индексу загрязнения почв тяжелыми металлами, рассчитанному для территорий в пределах пятикилометровой зоны, 2,2 % населенных пунктов России относятся к категории «чрезвычайно опасного загрязнения», 10,1 % - «опасного загрязнения», 6,7 % -«умеренно опасного загрязнения». Более 64 млн. граждан РФ проживают на территориях со сверхнормативным загрязнением атмосферного воздуха.
После экономического спада 90-х гг., в последние 10 лет в России вновь наблюдается рост уровня выбросов загрязняющих веществ от промышленности и транспорта. Темпы утилизации промышленных и бытовых отходов в разы отстают от темпов образования в шламохранилищах; на полигонах и свалках накоплено более 82 млрд. т отходов производства и потребления. Средний показатель использования и обезвреживания отходов в промышленности составляет около 43,3 %, твердые бытовые отходы практически в полном объеме подвергаются прямому захоронению.
Площадь нарушенных земель в России составляет в настоящее время более 1 млн. га. Из них на сельское хозяйство приходится 10 %, цветную металлургию - 10, угольную промышленность - 9, нефтедобывающую - 9, газовую - 7, торфяную - 5, черную металлургию - 4 %. При 51 тыс. га восстановленных земель столько же переходит ежегодно в категорию нарушенных.
Крайне неблагополучная ситуация складывается также и с накоплением вредных веществ в почвах городских и промышленных территорий, поскольку в настоящее время в целом по стране учтено более 100 тыс. опасных производств и объектов (из них порядка 3 тыс. химических), что предопределяет весьма высокие уровни рисков техногенного загрязнения и аварийных явлений с масштабными выбросами высокотоксичных материалов.
Пахотные почвы загрязняются такими элементами, как ртуть, мышьяк, свинец, бор, медь, олово, висмут, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, стимуляторов роста растений, структурообразователей. Нетрадиционные удобрения, изготовляемые из различных отходов, часто содержат большой набор загрязняющих веществ с высокими концентрациями.
Применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве направлено на увеличение содержания в почве элементов питания растений, повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Однако вместе с действующим веществом основных элементов питания в почву поступает с удобрениями много различных химических веществ, в т. ч. и тяжелых металлов. Последнее обусловлено наличием токсических примесей в исходном сырье, несовершенством технологий производства и применения удобрений. Так, содержание кадмия в минеральных удобрениях зависит от вида сырья, из которого производят удобрения: в апатитах Кольского полуострова насчитывают незначительное его количество (0,4-0,6 мг/кг), в алжирских фосфоритах - до 6, а в марокканских - более 30 мг/кг. Наличие свинца и мышьяка в кольских апатитах соответственно в 5-12 и 4-15 раз ниже, чем в фосфоритах Алжира и Марокко.
А.Ю. Айдиев с соавт. приводит следующие данные по содержанию тяжелых металлов в минеральных удобрениях (мг/кг): азотные - Pb - 2-27; Zn - 1-42; Cu - 1-15; Cd - 0,3-1,3; Ni - 0,9; фосфорные - соответственно 2-27; 23; 10-17; 2,6; 6,5; калийные - соответственно 196; 182; 186; 0,6; 19,3 и Hg - 0,7 мг/кг, т. е. удобрения могут быть источником загрязнения системы почва - растения. Например, с внесением минеральных удобрений под монокультуру озимой пшеницы на черноземе типичном в дозе N45P60K60 в почву ежегодно поступает Pb - 35133 мг/га, Zn - 29496, Cu - 29982, Cd - 1194, Ni - 5563 мг/га. За многолетний период их сумма может достичь существенных величин.
Распределение в ландшафте поступивших в атмосферу из техногенных источников металлов и металлоидов зависит от расстояния от источника загрязнения, от климатических условий (сила и направление ветров), от рельефа местности, от технологических факторов (состояние отходов, способ поступления отходов в окружающую среду, высота труб предприятий).
Загрязнение почв происходит при поступлении в окружающую среду техногенных соединений металлов и металлоидов в любом фазовом состоянии. В целом на планете преобладает аэрозольное загрязнение. При этом наиболее крупные частицы аэрозолей (>2 мкм) выпадают в непосредственной близости от источника загрязнения (в пределах нескольких километров), формируя зону с максимальной концентрацией поллютантов. Загрязнение прослеживается на расстоянии десятков километров. Размер и форма ареала загрязнения определяется влиянием вышеназванных факторов.
Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте. Связываются они алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Часть их удерживается этими компонентами прочно и не только не участвует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности для живых организмов. Отрицательные экологические последствия загрязнения почв связаны с подвижными соединениями металлов и металлоидов. Их образование в почве обусловлено концентрированием этих элементов на поверхности твердых фаз почв за счет реакций сорбции-десорбции, осаждения-растворения, ионного обмена, образования комплексных соединений. Все эти соединения находятся в равновесии с почвенным раствором и совместно представляют систему почвенных подвижных соединений различных химических элементов. Количество поглощенных элементов и прочность их удерживания почвами зависят от свойств элементов и от химических свойств почв. Влияние этих свойств на поведение металлов и металлоидов имеет и общие, и специфические черты. Концентрация поглощенных элементов определяется присутствием тонкодисперсных глинистых минералов и органических веществ. Увеличение кислотности сопровождается повышением растворимости соединений металлов, но ограничением растворимости соединений металлоидов. Влияние несиликатных соединений железа и алюминия на поглощение поллютантов зависит от кислотно-основных условий в почвах.
В условиях промывного режима потенциальная подвижность металлов и металлоидов реализуется, и они могут быть вынесены за пределы почвенного профиля, являясь источниками вторичного загрязнения подземных вод.
Соединения тяжелых металлов, входящие в состав тончайших частиц (микронных и субмикронных) аэрозолей, могут поступать в верхние слои атмосферы и переноситься на большие расстояния, измеряемые тысячами километров, т. е. участвовать в глобальном переносе веществ.
По данным метеорологического синтезирующего центра «Восток», загрязнение территории России свинцом и кадмием других стран более чем в 10 раз превышает загрязнения этих стран поллю-тантами от российских источников, что обусловлено доминированием западно-восточного переноса воздушных масс. Выпадение свинца на европейской территории России (ETP) ежегодно составляет: от источников Украины - около 1100 т, Польши и Белоруссии - 180-190, Германии - более 130 т. Выпадения кадмия на ETP от объектов Украины ежегодно превышают 40 т, Польши - почти 9, Белоруссии - 7, Германии - более 5 т.
Возрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (TM) представляет угрозу для естественных бикомплексов и агроценозов. Аккумулирующиеся в почве TM извлекаются из нее растениями и по трофическим цепям в возрастающих концентрациях поступают в организм животных. Растения аккумулируют TM не только из почвы, но и из воздуха. В зависимости от вида растений и экологической ситуации у них доминирует влияние загрязнения почвы или воздуха. Поэтому концентрация TM в растениях может превышать или находится ниже их содержания в почве. Особенно много свинца из воздуха (до 95 %) поглощают листовые овощи.
На придорожных территориях значительно загрязняет тяжелыми металлами почву автотранспорт, особенно свинцом. При концентрации его в почве 50 мг/кг примерно десятую часть этого количества накапливают травянистые растения. Также растения активно поглощают цинк, количество которого в них может в несколько раз превосходить его содержание в почве.
Тяжелые металлы существенным образом влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект и могут выступать как мутагенный фактор.
Большинство тяжелых металлов в повышенных концентрациях ингибируют активность ферментов в почвах: амилазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, каталазы. На основании этого предложены индексы, аналогичные широко известному показателю ЛД50, в которых действующей считается концентрация загрязнителя, на 50 или 25 % снижающая определенную физиологическую активность, например уменьшение выделения СО2 почвой - ЭкД50, ингибирование активности дегидрогеназы - ЕС50, подавление активности инвертазы на 25 %, снижение активности восстановления трехвалентного железа - ЕС50.
С.В. Левиным с соавт. в качестве индикаторных признаков различных уровней загрязнения почвы тяжелыми металлами в реальных условиях предложено следующее. Низкий уровень загрязнения следует устанавливать по превышению фоновых концентраций тяжелых металлов с помощью принятых методов химического анализа. О среднем уровне загрязнения наиболее четко свидетельствует отсутствие перераспределения членов инициированного микробного сообщества почвы при дополнительном внесении в нее дозы загрязнителя, равной удвоенной концентрации, соответствующей величине зоны гомеостаза незагрязненной почвы. В качестве дополнительных индикаторных признаков тут уместно использовать снижение активности азотфиксации в почве и вариабельности этого процесса, сокращение видового богатства и разнообразия комплекса почвенных микроорганизмов и увеличение в нем доли токсинообразующих форм, эпифитных и пигментированных микроорганизмов. Для индикации высокого уровня загрязнения наиболее целесообразно учитывать реакцию на загрязнение высших растений. Дополнительными признаками могут быть обнаружение в почве в высокой популяционной плотности резистентных к определенному загрязнителю форм микроорганизмов на фоне общего снижения микробиологической активности почв.
В целом по России средняя концентрация всех определяемых TM в почвах не превышает 0,5 ПДК (ОДК). Однако коэффициент вариации по отдельным элементам находится в пределах 69-93 %, а по кадмию превышает 100 %. Среднее содержание свинца в песчаных и супесчаных почвах составляет 6,75 мг/кг. Количество меди, цинка, кадмия находится в пределах 0,5-1,0 ОДК. Ежегодно каждый квадратный метр поверхности почвы поглощает около 6 кг химических веществ (свинца, кадмия, мышьяка, меди, цинка и др.). По степени опасности TM подразделяются на три класса, из которых первый относится к высокоопасным веществам. В него входят Pb, Zn, Cu, As, Se, F, Hg. Второй умеренно опасный класс представляют В, Co, Ni, Mo, Cu, Cr, а третий (малоопасный) - Ba, V, W, Mn, Sr. Сведения об опасных концентрациях TM дает анализ их подвижных форм (табл. 4.11).

Для рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами, используют разные способы, одним из которых является применение природных цеолитов или сорбентмелиорантов с его участием. Цеолиты обладают высокой селективностью по отношению ко многим тяжелым металлам. Выявлена эффективность этих минералов и цеолитсодержащих пород для связывания тяжелых металлов в почвах и снижения их поступления в растения. Как правило, почвы содержат цеолиты в незначительном количестве, однако в многих странах мира месторождения природных цеолитов широко распространены, и использование их для детоксикации почв может быть экономически не затратным и экологически эффективным, вследствие улучшения агрохимических свойств почв.
Использование 35 и 50 г/кг почвы гейландита Пегасского месторождения (фракция 0,3 мм) на загрязненных черноземах вблизи цинкоплавильного завода под овощные культуры уменьшало содержание подвижных форм цинка и свинца, но при этом ухудшалось азотное и частично фосфорно-калийное питание растений, что снижало их продуктивность.
По данным В.С. Белоусова, внесение в загрязненную тяжелыми металлами почву (10-100-кратное превышение фона) 10-20 т/га цеолитсодержащих пород Хадыженского месторождения (Краснодарский край), содержащих 27-35 % цеолитов (стальбит, гейландит), способствовало снижению накопления TM в растениях: меди и цинка до 5-14 раз, свинца и кадмия - до 2-4 раз. Им также выявлено, что отсутствие явной корреляционной взаимосвязи между адсорбционными свойствами ЦСП и эффектом инактивации металла, выражающееся, например, в относительно меньших показателях снижения содержания свинца в тест-культурах, несмотря на его очень высокое поглощение ЦСП в адсорбционных опытах, вполне ожидаемо и является следствием видовых различий растений в способности накапливать тяжелые металлы.
В вегетационных опытах на дерново-подзолистых почвах (Московская обл.), искусственно загрязненных свинцом в количестве 640 мг Pb/кг, что соответствует 10-кратному ПДК для кислых почв, применение цеолита Сокирницкого месторождения и модифицированного цеолита «клино-фос», содержащего в качестве активных компонентов ионы аммония, калия, магния и фосфора в дозах 0,5 % от массы почвы, оказало разное влияние на агрохимическую характеристику почв, рост и развитие растений. Модифицированный цеолит снижал кислотность почвы, значительно увеличивал содержание доступного растениям азота и фосфора, усиливал активность аммонификации и интенсивность микробиологических процессов, обеспечивал нормальную вегетацию растений салата, тогда как внесение ненасыщенного цеолита не было эффективным.
Ненасыщенный цеолит и модифицированный цеолит «клинофос» после 30 и 90 суток компостирования почвы также не проявили своих сорбционных свойств по отношению к свинцу. Возможно, 90 суток недостаточно для прохождения процесса сорбции свинца цеолитами, о чем свидетельствуют данные В.Г. Минеева с соавт. о проявлении сорбционного эффекта цеолитов только на второй год после их внесения.
При внесении в каштановые почвы семипалатинского Прииртышья измельченного до высокой степени дисперсности цеолита относительное содержание в ней активной минеральной фракции с высокими ионообменными свойствами возрастало, вследствие чего увеличивалась общая емкость поглощения пахотного слоя. Отмечена зависимость между внесенной дозой цеолитов и количеством адсорбированного свинца - максимальная доза приводила к наибольшему поглощению свинца. Влияние цеолитов на процесс адсорбции существенно зависело от его помола. Так, адсорбция ионов свинца при внесении цеолитов помола 2 мм в супесчаной почве возрастала в среднем на 3,0; 6,0 и 8,0 %; в среднесуглинистой -на 5,0; 8,0 и 11,0 %; в солонцеватой среднесуглинистой - на 2,0; 4,0 и 8,0 % соответственно. При использовании цеолитов помола 0,2 мм увеличение количества поглощенного свинца составляло: в супесчаной почве в среднем 17, 19 и 21 %, в среднесуглинистой - 21, 23 и 26 %, в солонцеватой и среднесуглинистой - 21, 23 и 25 % соответственно.
А.М. Абдуажитовой на каштановых почвах семипалатинского Прииртышья также получены положительные результаты влияния природных цеолитов на экологическую устойчивость почв и их поглотительную способность по отношению к свинцу, снижению его фитотоксичности.
По данным М.С. Панина и Т.И. Гулькиной, при изучении влияния различных агрохимикатов на сорбцию ионов меди почвами этого региона установлено, что внесение органических удобрений и цеолитов способствовало повышению сорбционной способности почв.
В карбонатной легкосуглинистой почве, загрязненной Pb - продуктом сгорания этилированного автомобильного топлива, 47 % этого элемента обнаружено во фракции песка. При попадании солей Pb(II) в незагрязненную глинистую почву и песчанистый тяжелый суглинок в этой фракции оказывается только 5-12 % Pb. Внесение цеолита (клиноптилолита) снижает содержание Pb в жидкой фазе почв, что должно приводить к уменьшению его доступности для растений. Однако цеолит не позволяет перевести металл из пылевой и глинистой фракции в песчаную, чтобы предотвратить его ветровой вынос в атмосферу с пылью.
Природные цеолиты используются в экологически безопасных технологиях мелиорации солонцовых почв, уменьшая содержание водорастворимого стронция в почве на 15-75 % при внесении их с фосфогипсом, а также снижают концентрации тяжелых металлов. При выращивании ячменя, кукурузы и внесении смеси фосфогипса и клиноптиолита негативные явления, вызванные фосфогипсом, устранялись, что положительно влияло на рост, развитие и урожайность культур.
В вегетационном опыте на загрязненных почвах с тест-растением ячменем изучали влияние цеолитов на фосфатную буферность на фоне внесения в почву 5, 10 и 20 мг Р/100 г почвы. На контроле отмечена высокая интенсивность поглощения P и низкая фосфатная буферность (РВС{р}) при малой дозе P-удобрения. NH-и Са-цеолиты снижали PBC {р}, а интенсивность Н2РО4 не изменялась до конца вегетации растений. Влияние мелиорантов усиливалось с повышением содержания P в почве, в результате чего величина потенциала PBC{р} возросла двукратно, что позитивно отражалось на плодородии почвы. Цеолитные мелиоранты гармонизируют удобрение растений минеральным Р, при этом активируются их природные барьеры в т. н. Zn-акклиматизации; в итоге аккумуляция токсикантов в тест-растениях снижалась.
Возделывание плодовых и ягодных культур предусматривает регулярные обработки защитными препаратами, содержащими тяжелые металлы. Учитывая, что эти культуры произрастают на одном месте в течение длительного времени (десятки лет) в почвах садов, как правило, накапливаются тяжелые металлы, отрицательно влияющие на качество ягодной продукции. Многолетними исследованиями установлено, что, например, в серой лесной почве под ягодниками валовое содержание TM превысило регионально-фоновую концентрацию в 2 раза для Pb и Ni, в 3 раза для Zn, в 6 раз для Cu.
Применение цеолитсодержащих пород Хотынецкого месторождения для снижения загрязнения ягод черной смородины, малины и крыжовника является экологически и экономически эффективным мероприятием.
В работе Л.И. Леонтьевой выявлена следующая особенность, которая, на наш взгляд, очень значима. Автором установлено, что максимальное снижение содержания подвижных форм P и Ni в серой лесной почве обеспечивается внесением цеолитсодержащей породы в дозе 8 и 16 т/га, а Zn и Cu - 24 т/га, т. е. наблюдается дифференцированное отношение элемента к количеству сорбента.
Создание удобрительных композиций и грунтов из отходов производства требует особого контроля, в частности нормирования содержания тяжелых металлов. Поэтому применение цеолитов здесь считается эффективным приемом. Например, при изучении особенностей роста и развития астры на почвогрунтах, созданных на основе гумусового слоя чернозема оподзоленного по схеме: контроль, почвогрунт+100 г/м шлака; почвогрунт+100 г/м2 шлака+100 г/м2 цеолита; почвогрунт+100 г/м2 цеолита; почвогрунт+ 200 г/м2 цеолита; почвогрунт+осадок сточных вод 100 г/м"+цеолит 200 г/м2; почвогрунт+осадок 100 г/м2, установлено, что лучшим для роста астр был почвогрунт с осадком сточных вод и цеолитом.
Оценивая последействие создания грунтов из цеолитов, осадка сточных вод и шлаковых отсевов, определяли их влияние на концентрацию свинца, кадмия, хрома, цинка и меди. Если в контроле количество подвижного свинца составило 13,7 % от валового содержания в почве, то при внесении шлака оно возросло до 15,1 %. Применение органических веществ осадка сточных вод снизило содержание подвижного свинца до 12,2 %. Наибольший эффект закрепления свинца в малоподвижные формы оказывал цеолит, снижая концентрацию подвижных форм Pb до 8,3 %. При совместном действии осадка сточных вод и цеолита при применении шлаков количество подвижного свинца уменьшалось на 4,2 %. На закрепление кадмия положительное действие оказывал как цеолит, так и осадок сточных вод. В снижении подвижности меди и цинка в почвогрунтах в большей степени проявил себя цеолит и его сочетание с органическими веществами осадка сточных вод. Органическое вещество осадка сточных вод способствовало повышению подвижности никеля и марганца.
Внесение осадков сточных вод Люберецкой станции аэрации в супесчаные дерново-подзолистые почвы привело к их загрязнению TM. Коэффициенты накопления TM в загрязненных OCB почвах по подвижным соединениям были выше в 3-10 раз, чем по валовому содержанию, по сравнению с почвами незагрязненными, что свидетельствовало о высокой активности внесенных с осадками TM и доступности их для растений. Максимальное снижение подвижности TM (на 20-25 % от исходного уровня) было отмечено при внесении торфонавозной смеси, что обусловлено образованием прочных комплексов TM с органическим веществом. Железная руда, наименее эффективная как мелиорант, вызывала уменьшение содержания подвижных соединений металлов на 5-10 %. Цеолит по действию в качестве мелиоранта занимал промежуточное положение. Использованные в опытах мелиоранты снижали подвижность Cd, Zn, Cu и Cr в среднем на 10-20 %. Таким образом, применение мелиорантов было эффективно при содержании TM в почвах, близком к ПДК или превышающем допустимые концентрации не более чем на 10-20 %. Внесение мелиорантов в загрязненные почвы снижало поступление их в растения на 15-20 %.
Аллювиальные дерновые почвы Западного Забайкалья по степени обеспеченности подвижными формами микроэлементов, определенных в аммонийно-ацетатной вытяжке, относятся к высокообеспеченным по марганцу, среднеобеспеченным - по цинку и меди, очень высокообеспеченным - по кобальту. Они не нуждаются в применении микроудобрений, поэтому внесение осадков сточных вод может привести к загрязнению почвы токсичными элементами и требует эколого-геохимической оценки.
Л.Л. Убугуновым с соавт. было изучено влияние осадка сточных вод (ОСВ), морденитсодержащих туфов Myxop-Tалинского месторождения (MT) и минеральных удобрений на содержание подвижных форм тяжелых металлов в аллювиальных дерновых почвах. Исследования проводились по следующей схеме: 1) контроль; 2) N60P60K60 - фон; 3) OCB - 15 т/га; 4) MT - 15 т/га; 5) фон+ОСВ - 15 т/га; 6) фон+МТ 15 т/га; 7) OCB 7,5 т/га+МТ 7,5 т/га; 8) OCB Ют/га+МТ 5 т/га; 9) фон+ОСВ 7,5 т/га; 10) фон+ОСВ 10 т/га+МТ 5 т/га. Минеральные удобрения вносили ежегодно, ОСВ, MT и их смеси - один раз в 3 года.
Для оценки интенсивности накопления TM в почве использованы геохимические показатели: коэффициент концентрации - Kc и суммарный показатель загрязнения - Zc, определяемые по формулам:

где С - концентрация элемента в опытном варианте, Сf - концентрация элемента на контроле;

Zc = ΣKc - (n-1),

где n - число элементов с Kc ≥ 1,0.
Полученные результаты выявили неоднозначное влияние минеральных удобрений, ОСВ, морденитсодержащих туфов и их смесей на содержание подвижных микроэлементов в слое почвы 0-20 см, хотя следует отметить, что во всех вариантах опыта их количество не превысило уровня ПДК (табл. 4.12).
Применение практически всех видов удобрений, за исключением MT и MT+NPK, привело к увеличению содержания марганца. При внесении в почву OCB совместно с минеральными удобрениями Kc достигал максимальной величины (1,24). Более существенно происходило накопление цинка в почве: Kc при внесении OCB достигал значений 1,85-2,27; минеральных удобрений и смесей ОСВ+МТ -1,13-1,27; с использованием же цеолитов он уменьшался до минимального значения - 1,00-1,07. Накопления меди и кадмия в почве не происходило, их содержание во всех вариантах опыта в целом было на уровне или чуть ниже контрольного. Отмечено лишь незначительное повышение содержания Cu (Kc - 1,05-1,11) в варианте с применением OCB как в чистом виде (вар. 3), так и на фоне NPK (вар. 5) и Cd (Kc - 1,13) при внесении в почву минеральных удобрений (вар. 2) и OCB на их фоне (вар. 5). Содержание кобальта несколько повышалось при использовании всех видов удобрений (максимально - вар. 2, Kc -1,30), за исключением вариантов с применением цеолитов. Максимальная концентрация никеля (Kc - 1,13-1,22) и свинца (Kc - 1,33) отмечена при внесении в почву OCB и OCB на фоне NPK (вар. 3, 5), использование же OCB совместно с цеолитами (вар. 7, 8) снижало данный показатель (Kc - 1,04 - 1,08).

По величине показателя суммарного загрязнения тяжелыми металлами слоя почвы 0-20 см (табл. 4.12) виды удобрений расположились в следующий ранжированный ряд (в скобках - значение Zc): OCB+NPK (3,52) → ОСВ (2,68) - NPK (1,84) → 10СВ+МТ+NPК (1,66-1,64) → OСВ+МТ, вар. 8 (1,52) → OСВ+МТ вар. 7 (1,40) → MT+NPK (1,12). Уровень суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами при внесении в почву удобрений был в целом незначительным, по сравнению с контролем (Zc<10), тем не менее тенденция накопления TM при использовании осадков сточных вод четко обозначилась, как и эффективное действие морденитсодержащих туфов в снижении содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве, а также в повышении качества клубней картофеля.
Л.В. Кирийчевой и И.В. Глазуновой были сформулированы следующие основные требования к компонентному составу создаваемых сорбентмелиорантов: высокая емкость поглощения композиции, одновременное присутствие органической и минеральной составляющих в композиции, физиологическая нейтральность (pH 6,0-7,5), способность композиции адсорбировать подвижные формы TM, переводя их в неподвижные формы, повышенная гидроаккумулирующая способность композиции, наличие в ней структурообразователя, свойство лиофильности и коагулянта, высокая удельная поверхность, доступность исходного сырья и низкая его стоимость, использование (утилизация) сырьевых отходов в составе сорбента, технологичность изготовления сорбента, безвредность и экологическая нейтральность.
Из 20 композиций сорбентов природного происхождения авторами выявлена наиболее эффективная, содержащая 65 % сапропеля, 25 % цеолита и 10 % глинозема. Этот сорбент-мелиорант был запатентован и получил название «Сорбекс» (патент РФ № 2049107 «Состав для мелиорации почв»).
Механизм действия сорбентмелиоранта при внесении его в почву весьма сложен и включает в себя процессы различной физико-химической природы: хемосорбцию (поглощение с образованием труднорастворимых соединений TM); механическую абсорбцию (объемное поглощение крупных молекул) и ионно-обменные процессы (замещение в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) ионов TM на нетоксичные ионы). Высокая поглотительная способность «Сорбекса» обусловлена регламентируемой величиной емкости катионного обмена, тонкодисперсностью строения (большая удельная поверхность, до 160 м2), а также стабилизирующим действием на показатель pH в зависимости от характера загрязнения и реакции среды с целью предотвращения десорбции наиболее опасных поллютантов.
При наличии почвенной влаги в сорбенте идет частичная диссоциация и гидролиз сульфата алюминия и гуминовых веществ, входящих в состав органического вещества сапропеля. Электролитическая диссоциация: A12(SО4)3⇔2A13++3SО4в2-; А13++Н2O = АlОН2+ = OН; (R* -СОО)2 Ca ⇔ R - COO-+R - СООСа+ (R - алифатический радикал гуминовых веществ); R - COO+H2O ⇔ R - СООН+ОН0. Полученные в результате гидролиза катионы являются сорбентами анионных форм поллютантов, например мышьяка (V), образуя нерастворимые соли или устойчивые органо-минеральные соединения: Al3+ - AsO4в3- = AlAsO4; 3R-CООCa++AsO4в3- = (R-CООCa)3 AsO4.
Более распространенные катионные формы, характерные для TM, образуют прочные хелатные комплексы с полифенольными группами гуминовых веществ или сорбируются анионами, образованными при диссоциации карбоксилов, фенольных гидроксилов - функциональных групп гуминовых веществ сапропеля в соответствии с представленными реакциями: 2R - COO + Pb2+ = (R - СОО)2 Pb; 2Аr - O+ Сu2+ =(Аr - O)2Сu (Ar ароматический радикал гуминовых веществ). Поскольку органическое вещество сапропеля нерастворимо в воде, то TM переходят в неподвижные формы в виде прочных органоминеральных комплексов. Сульфат-анионы осаждают катионы, в основном, бария или свинца: 2Pb2+ + 3SO4в2- = Pb3(SO4)2.
На анионном комплексе гуминовых веществ сапропеля сорбируются все двух- и трехвалентные катионы TM, а сульфат-нон иммобилизует ионы свинца и бария. При поливалентном загрязнении TM идет конкуренция между катионами и преимущественно сорбируются катионы с более высоким электродным потенциалом, согласно электрохимическому ряду напряжений металлов, поэтому сорбции катионов кадмия будет препятствовать наличие в растворе ионов никеля, меди, свинца и кобальта.
Механическая поглотительная способность «Сорбекса» обеспечивается тонкодисперсностью и значительной удельной поверхностью. Загрязняющие вещества, имеющие крупные молекулы, такие как пестициды, отходы нефтепродуктов и т. п., механически задерживаются в сорбционных ловушках.
Наилучший результат был достигнут при внесении сорбента в почву, что позволило снизить потребление TM растениями овса из почвы: Ni - в 7,5 раза; Cu - в 1,5; Zn - в 1,9; P - в 2,4; Fe - в 4,4; Mn -в 5 раз.
Для оценки влияния «Сорбекса» на поступление TM в растительную продукцию в зависимости от суммарного загрязнения почвы А.В. Ильинским были проведены вегетационные и полевые опыты. В вегетационном опыте изучали влияние «Сорбекса» на содержание в фитомассе овса при разных уровнях загрязнения оподзоленного чернозема Zn, Cu, Pb и Cd по схеме (табл. 4.13).

Почву загрязняли путем добавления химически чистых водорастворимых солей и тщательно перемешивали, затем подвергали экспозиции в течение 7 суток. Расчет доз внесения солей TM осуществлялся с учетом фоновых концентраций. В опыте использовали вегетационные сосуды площадью 364 см2 с массой почвы в каждом сосуде 7 кг.
Почва имела следующие агрохимические показатели рНKCl = 5,1, гумус - 5,7 % (по Тюрину), фосфор - 23,5 мг/100 г и калия 19,2 мг/100 г (по Кирсанову). Фоновое содержание подвижных (1М HNO3) форм Zn, Cu, Pb, Cd - 4,37; 3,34; 3,0; 0,15 мг/кг соответственно. Продолжительность эксперимента 2,5 месяца.
Для поддержания оптимальной влажности 0,8НВ периодически проводили поливы чистой водой.
Урожайность фитомассы овса (рис. 4.10) в вариантах без внесения «Сорбэкса» при чрезвычайно опасном загрязнении снижается более чем в 2 раза. Применение «Сорбекса» из расчета 3,3 кг/м способствовало повышению фитомассы, по сравнению с контролем, в 2 и более раз (рис 4.10), а также значительному снижению потребления Cu, Zn, Pb растениями. Вместе с тем произошло незначительное увеличение содержания Cd в фитомассе овса (табл. 4.14), что соответствует теоретическим предпосылкам о механизме сорбции.

Таким образом, внесение сорбент-мелиорантов в загрязненную почву позволяет не только снизить поступление тяжелых металлов в растения, улучшить агрохимические свойства деградированных черноземов, но и повысить продуктивность сельскохозяйственных культур.

Один из источников загрязнения окружающей среды – это тяжелые металлы (ТМ), более 40 элементов системы Менделеева. Они принимают участие во многих биологических процессах. Среди наиболее распространенных тяжелых металлов, являются такие элементы:

• никель;
• титан;
• цинк;
• свинец;
• ванадий;
• ртуть;
• кадмий;
• олово;
• хром;
• медь;
• марганец;
• молибден;
• кобальт.

Источники загрязнения окружающей среды

В широком смысле источники загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами можно поделить на природные и техногенные. В первом случае химические элементы попадают в биосферу из-за водной и ветровой эрозии, извержения вулканов, выветривания минералов. Во втором случае ТМ попадают в атмосферу, литосферу, гидросферу из-за активной антропогенной деятельности: при сжигании топлива для получения энергии, при работе металлургической и химической индустрии, в агропромышленности, при добыче ископаемых и т. п.

Во время работы промышленных объектов загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами происходит различными путями:

• в воздух в виде аэрозолей, распространяясь на обширные территории;
• вместе с промышленными стоками металлы поступают в водоемы, изменяя химический состав рек, морей, океанов, а также попадают в грунтовые воды;
• оседая в слое почвы, металлы изменяют ее состав, что приводит к ее истощению.

Опасность загрязнения тяжелыми металлами

Основная опасность ТМ заключается в том, что они загрязняют все слои биосферы. В результате в атмосферу попадают выбросы дыма и пыли, затем выпадают в виде . Потом люди и животные дышат грязным воздухом, в организм живых существ попадают эти элементы, вызывая всевозможные патологии и недуги.

Металлы загрязняют все акватории и источники воды. Это порождает проблему дефицита питьевой воды на планете. В некоторых регионах земли люди умирают не только от того, что пьют грязную воду, в последствие чего болеют, но и от обезвоживания.

Накапливаясь в земле, ТМ отравляют растения, произрастающие в ней. Попадая в почву, металлы всасываются в корневую систему, затем поступают в стебли и листья, корнеплоды и семена. Их избыток приводит к ухудшению роста флоры, токсикации, пожелтению, увяданию и гибели растений.

Таким образом, тяжелые металлы негативно влияют на экологию. Они попадают в биосферу различными путями, и, конечно же, в большей мере благодаря деятельности людей. Чтобы замедлить процесс загрязнения ТМ, необходимо контролировать все сферы промышленности, использовать очистительные фильтры и уменьшить количество отходов, в которых могут содержаться металлы.

Главные источники загрязнения окружающей среды - заводы и мусор. Ежедневно человеком вырабатываются тонны отходов. 4% из них идут на переработку. Количество и размеры свалок увеличиваются, что отрицательно сказывается на экологии.

Одна из основных проблем, вызванных такой ситуацией – загрязнение почвы тяжелыми металлами. Ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь - самые опасные металлы, которые оседают на поверхности земли. Предельно-допустимая концентрация этих веществ в плодородном слое - 16 ПДК. Превышение этого показателя ведет к загрязнению почвы. При преодолении отметки в 10 ПДК замечают изменение физических свойств земли.

Пути попадания тяжелых металлов в почву

Загрязнение почвы имеет несколько путей. Основные - промышленность, ТБО и окружающая среда.

Твердые бытовые отходы

Чтобы последствия загрязнения бытовыми отходами на землю сводились к минимуму, необходима правильная организация захоронения.

В деревне Воловичи Московской области в 1990-ом году был вырыт двухметровый котлован. Система захоронения выглядит так: два метра отходов отделяются друг от друга слоем земли в 30 сантиметров. В основании рва расположен глиняный замок. На данный момент котлован использован на 98%. Взятые около него образцы выявили, что показатели кислотности и ПДК тяжелых металлов не превышает оптимальную отметку в 16 ПДК, либо очень близки к ней.

Такие же исследования были проведены вблизи свалки мусора в городе Ульяновске. В образцах были обнаружены свинец, медь, кадмий. Содержание металла в этом образце - 29 ПДК, когда допустимая норма 16. Превышение ПДК кадмия при исследовании обнаружено не было. Но если выпадет кислотный осадок, кадмий окислится и его вредоносное содержание превысит допустимые показатели.

На пересечении Московского проспекта с Обводным каналом в Санкт-Петербурге раньше была свалка мусора. Сейчас эта часть города застраивается - там будет жилой комплекс. Район не был обезврежен или очищен. Проба земли в этих местах показала содержание свинца в 270 ПДК.

Окружающая среда

Тяжелые металлы в окружающей среде сконцентрированы также в воде и воздухе. Все, что сбрасывают в атмосферу заводы, рассеивается и оседает на поверхности земли и воды. Влага, если это не пруд или озеро, проходит естественную фильтрацию через почву. Получается, что плодородный слой оказался наименее защищенной средой. Химические элементы накапливаются и приводят к его истощению.

В 2015-ом году на Уфимском заводе цветных металлов была осуществлена проверка очистительных сооружений. Стало известно, что печь для плавления алюминия работала с недостаточной защитой. В атмосферу были выброшены опасные пары. Образцы вблизи завода показали, что ПДК свинца превысило норму в 20 раз, кадмия - в 16.

Промышленность

Промышленные предприятия, находящиеся в непосредственной близости от населенного пункта, оказывают самое сильное влияние на экологию города. Металлургические заводы загрязняют окружающую среду на 10 - 15 км вокруг.

На Среднем и Южном Урале сосредоточено крупнейшее металлургическое производство страны. При исследовании почв в Ревде, Асбесте, Реже показатели ПДК тяжелых металлов были превышены в 5 - 10 раз. 12% территории Челябинска относится к зоне экологического бедствия: содержание цинка и свинца выше нормы в 25 раз.

Город Сызрань Самарской области известен крупными предприятиями по переработке нефтепродуктов. Почва, взятая на пробу в радиусе 15 км от завода «Тяжмаш», показала превышение ПДК свинца в 2,5 раза.

Индикаторы загрязнения почвы

Самыми распространенными индикаторами загрязнения являются растения и микроорганизмы. У цветов наблюдается отмирание листьев - в почве накопился цинк. Они медленно растут - земля переполнена медью. Ненормальное развитие растения в целом говорит о превышенном показателе кобальта. Самым часто используемым биологическим индикатором загрязнения почвы тяжелыми металлами являются слива и фасоль.

Микроорганизмы в отравленном плодородном слое ведут себя по-разному в зависимости от местонахождения. На лесопарковых территориях микроорганизмы более активны. Это связано с тем, что почва там загрязнена меньше.

В зоне, приближенной к предприятиям и свалкам, наблюдается снижение численности микроорганизмов и почвенных животных. Тяжелые металлы влияют на их жизнедеятельность: микроорганизмы начинают медленно развиваться, плохо растут, наблюдаются изменения на генетическом уровне.

Биота либо погибает, либо выбирает другие места обитания.

Способы очистки почвы от тяжелых металлов

Существует три метода очистки почв от загрязнения тяжелыми металлами: физический, химический и биологический.

Физический и химический методы

Эти два метода, как правило, применяются совместно. Загрязненный слой снимается и проходит электрохимическое выщелачивание. Происходит переход металлов в подвижную форму. Затем обезвреженная земля помещается назад, слои перемешиваются. Полученный образец снова берется на анализ. Если содержание металлов не превышает ПДК, почва пригодна для сельского хозяйства.

Биологический метод

Суть метода в высадке семян растений семейства сложноцветных: мятлик, полынь, тысячелистник, клевер. Семена высеваются в соотношении 1:1:1 в количестве 1, 5 – 2 миллиона штук на гектар земли. Когда растения достигают периода бурного роста, надземную часть скашивают, высушивают и удаляют. Процесс повторяется несколько раз, после чего проводится анализ. Этот метод очистки от загрязнений считается безопасным, так как на почву не воздействует химия.

К тяжелым металлам (ТМ) относятся около 40 металлов с атомными массами свыше 50 и плотностью более 5 г/см 3 , хотя в число ТМ входит и легкий бериллий. Оба признака достаточно условны и перечни ТМ по ним не совпадают.

По токсичности и распространению в окружающей среде можно выделить приоритетную группу ТМ: Pb, Hg, Cd, As, Bi, Sn, V, Sb. Несколько меньшее значение имеют: Сг, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Mo.

Все ТМ в той или иной степени ядовиты, хотя некоторые из них (Fe, Cu, Co, Zn, Mn) входят в состав биомолекул и витаминов.

Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают из воздуха в почву в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы.

В общем, опасность загрязнения тяжелыми металлами из воздуха существует в равной степени для любых почв. Тяжелые металлы негативно влияют на почвенные процессы, плодородие почв и качество сельскохозяйственной продукции. Восстановление биологической продуктивности почв, загрязненных тяжелыми металлами – одна из наиболее сложных проблем охраны биоценозов.

Важной особенностью металлов является устойчивость загрязнения. Сам элемент разрушиться не может, переходя из одного соединения в другое или перемещаясь между жидкой и твердой фазами. Возможны окислительно-восстановительные переходы металлов с переменной валентностью.

Опасные для растений концентрации ТМ зависят от генетического типа почвы. Основными показателями, влияющими на накопление ТМ в почвах, являются кислотно-основные свойства и содержание гумуса .

Учесть все разнообразие почвенно-геохимических условий при установлении ПДК тяжелых металлов практически невозможно. В настоящее время для ряда тяжелых металлов установлены ОДК их содержания в почвах, которые используются в качестве ПДК (приложение 3).

При превышении допустимых значений содержания ТМ в почвах эти элементы накапливаются в растениях в количествах, превышающих их ПДК в кормах и продуктах питания.

В загрязненных почвах глубина проникновения ТМ обычно не превышает 20 см, однако при сильном загрязнении ТМ могут проникать на глубину до 1,5м. Среди всех тяжелых металлов цинк и ртуть обладают наибольшей миграционной способностью и распределяются равномерно в слое почвы на глубине 0…20 см, в то время как свинец накапливается только в поверхностном слое (0…2,5 см). Промежуточное положение между этими металлами занимает кадмий.

У свинца четко выражена тенденция к накоплению в почве, т.к. его ионы малоподвижны даже при низких значениях рН. Для различных видов почв скорость вымывания свинца колеблется от 4г до 30 г/га в год. В то же время количество вносимого свинца может составлять в различных районах 40…530 г/га в год. Попадающий при химическом загрязнении в почву свинец сравнительно легко образует гидроксид в нейтральной или щелочной среде. Если почва содержит растворимые фосфаты, тогда гидроксид свинца переходит в труднорастворимые фосфаты.

Значительные загрязнения почвы свинцом можно обнаружить вдоль крупных автомагистралей, вблизи предприятий цветной металлургии, вблизи установок по сжиганию отходов, где отсутствует очистка отходящих газов. Проводимая постепенная замена моторного топлива, содержащего тетраэтилсвинец, топливом без свинца дает положительные результаты: поступление свинца в почву резко снизилось и в будущем этот источник загрязнения в значительной степени будет ликвидирован.

Опасность попадания свинца с частицами почв в организм ребенка является одним из определяющих факторов при оценке опасности загрязнения почв населенных пунктов. Фоновые концентрации свинца в почвах разного типа колеблются в пределах 10…70 мг/кг. По мнению американских исследователей, содержание свинца в городских почвах не должно превышать 100 мг/кг – при этом обеспечивается защита организма ребенка от избыточного поступления свинца через руки и загрязненные игрушки. В реальных же условиях содержание свинца в почве значительно превышает этот уровень. В большинстве городов содержание свинца в почве варьируется в пределах 30…150 мг/кг при средней величине около 100 мг/кг. Наиболее высокое содержание свинца – от 100 до 1000 мг/кг – обнаруживается в почве городов, в которых расположены металлургические и аккумуляторные предприятия (Алчевск, Запорожье, Днепродзержинск, Днепропетровск, Донецк, Мариуполь, Кривой Рог).

Растения более устойчивы по отношению к свинцу, чем люди и животные, поэтому необходимо тщательно следить за содержанием свинца в продуктах питания растительного происхождения и в фураже.

У животных на пастбищах первые признаки отравления свинцом наблюдаются при суточной дозе около 50 мг/кг сухого сена (на сильно загрязненных свинцом почвах получаемое сено может содержать свинца 6,5 г/кг сухого сена!). Для людей при употреблении салата ПДК составляет 7,5 мг свинца на 1 кг листьев.

В отличие от свинца кадмий попадает в почву в значительно меньших количествах: около 3…35 г/га в год. Кадмий заносится в почву из воздуха (около 3 г/га в год) либо с фосфорсодержащими удобрениями (35…260 г/т). В некоторых случаях источником загрязнения могут быть предприятия, связанные с переработкой кадмия. В кислых почвах со значением рН<6 ионы кадмия весьма подвижны и накопления металла не наблюдается. При значениях рН>6 кадмий отлагается вместе с гидроксидами железа, марганца и алюминия, при этом происходит потеря протонов группами ОН. Такой процесс при понижении рН становится обратимым, и кадмий, а также другие ТМ, могут необратимо медленно диффундировать в кристаллическую решетку оксидов и глин.

Соединения кадмия с гуминовыми кислотами значительно менее устойчивы, чем аналогичные соединения свинца. Соответственно накопление кадмия в гумусе протекает в значительно меньшей степени, чем накопление свинца.

В качестве специфичного соединения кадмия в почве можно назвать сульфид кадмия, который образуется из сульфатов при благоприятных условиях восстановления. Карбонат кадмия образуется только при значениях рН >8, таким образом, предпосылки для его осуществления крайне незначительны.

В последнее время большое внимание стали уделять тому обстоятельству, что в биологическом иле, который вносится в почву для ее улучшения, обнаруживается повышенная концентрация кадмия. Около 90% кадмия, имеющегося в сточных водах, переходит в биологический ил: 30% при первоначальном осаждении и 60…70% при его дальнейшей обработке.

Удалить кадмий из ила практически невозможно. Однако, более тщательный контроль за содержанием кадмия в сточных водах позволяет снизить его содержание в иле до значений ниже 10 мг/кг сухого вещества. Поэтому практика использования ила очистных сооружений в качестве удобрения весьма различается в разных странах.

Основными параметрами, определяющими содержания кадмия в почвенных растворах или его сорбцию почвенными минералами и органическими компонентами, являются рН и вид почвы, а также присутствие других элементов, например кальция.

В почвенных растворах концентрация кадмия может составлять 0,1…1мкг/л. В верхних слоях почвы, глубиной до 25см, в зависимости от концентрации и типа почвы элемент может удерживаться в течение 25…50 лет, а в отдельных случаях даже 200…800 лет.

Растения усваивают из минеральных веществ почвы не только жизненно важные для них элементы, но и такие, физиологическое действие которых либо неизвестно, либо безразлично для растения. Содержание кадмия в растении полностью определяется его физическими и морфологическими свойствами – его генотипом.

Коэффициент переноса тяжелых металлов из почвы в растения приведены ниже:

Pb 0,01…0,1 Ni 0,1…1,0 Zn 1…10

Cr 0,01…0,1 Cu 0,1…1,0 Cd 1…10

Кадмий склонен к активному биоконцентрированию, что приводит в довольно короткое время к его накоплению в избыточных биодоступных концентрациях. Поэтому кадмий, по сравнению с другими ТМ, является наиболее сильным токсикантом почв (Cd > Ni > Cu > Zn).

Между отдельными видами растений наблюдаются значительные различия. Если шпинат (300 млрд -1), кочанный салат (42 млрд -1), петрушку (31 млрд -1), а также сельдерей, кресс-салат, свеклу и лук-резанец можно отнести к растениям, „обогащенным” кадмием, то в бобовых, томатах, косточковых и семечковых фруктах содержится относительно мало кадмия (10…20 млрд -1). Все концентрации указаны относительно массы свежего растения (или плода). Из зерновых культур зерно пшеницы сильнее загрязнено кадмием, чем зерно ржи (50 и 25 млрд -1), однако 80…90% поступившего из корней кадмия остается в корнях и соломе.

Поглощение кадмия растениями из почвы (перенос почва/растение) зависит не только от вида растения, но и от содержания кадмия в почве. При высокой концентрации кадмия в почве (более 40 мг/кг) на первом месте стоит его поглощение корнями; при меньшем содержании наибольшее поглощение происходит из воздуха через молодые побеги. Длительность роста также влияет на обогащение кадмием: чем короче вегетация, тем меньше перенос из почвы в растение. Это является причиной того, что накопление кадмия в растениях из удобрений оказывается меньшим, чем его разбавление за счет ускорения роста растения, вызванного действием этих же удобрений.

Если в растениях достигается высокая концентрация кадмия, то это может привести к нарушениям нормального роста растений. Урожай бобов и моркови, например, снижается на 50%, если содержание кадмия в субстрате составляет 250 млн -1 . У моркови листья увядают при концентрации кадмия 50 мг/кг субстрата. У бобов при этой концентрации на листьях выступают ржавые (резко очерченные) пятна. У овса на концах листьев можно наблюдать хлороз (пониженное содержание хлорофилла).

По сравнению с растениями многие виды грибов накапливают большое количество кадмия. К грибам с высоким содержанием кадмия относят некоторые разновидности шампиньонов, в частности овечий шампиньон, в то время как луговой и культурный шампиньоны содержат относительно мало кадмия. При исследовании различных частей грибов было установлено, что пластинки в них содержат больше кадмия, чем сама шляпка, а меньше всего кадмия в ножке гриба. Как показывают опыты по выращиванию шампиньонов, двух-трехкратное увеличение содержания кадмия в грибах обнаруживается в том случае, если его концентрация в субстрате увеличивается в 10 раз.

Дождевые черви обладают способностью быстрого накопления кадмия из почвы, вследствие чего они оказались пригодными для биоиндикации остатков кадмия в почве.

Подвижность ионов меди еще выше, чем подвижность ионов кадмия. Это создает более благоприятные условия для усвоения меди растениями. Благодаря своей высокой подвижности медь легче вымывается из почвы, чем свинец. Растворимость соединений меди в почве заметно увеличивается при значениях рН< 5. Хотя медь в следовых концентрациях считается необходимой для жизнедеятельности, у растений токсические эффекты проявляются при содержании 20 мг на кг сухого вещества.

Известно альгицидное действие меди. Медь оказывает токсическое действие и на микроорганизмы, при этом достаточна концентрация около 0,1мг/л. Подвижность ионов меди в гумусном слое ниже, чем в расположенном ниже минеральном слое.

К сравнительно подвижным элементам в почве относится цинк. Цинк принадлежит к числу распространенных в технике и быту металлов, поэтому ежегодное внесение его в почву достаточно велико: оно составляет 100…2700г на гектар. Особенно загрязнена почва вблизи предприятий, перерабатывающих цинксодержащие руды.

Растворимость цинка в почве начинает увеличиваться при значениях рН<6. При более высоких значениях рН и в присутствии фосфатов усвояемость цинка растениями значительно понижается. Для сохранения цинка в почве важнейшую роль играют процессы адсорбции и десорбции, определяемые значением рН, в глинах и различных оксидах. В лесных гумусовых почвах цинк не накапливается; например, он быстро вымывается благодаря постоянному естественному поддержанию кислой среды.

Для растений токсический эффект создается при содержании около 200мг цинка на кг сухого материала. Организм человека достаточно устойчив по отношению к цинку и опасность отравления при использовании сельскохозяйственных продуктов, содержащих цинк, невелика. Тем не менее, загрязнение почвы цинком представляет серьезную экологическую проблему, так как при этом страдают многие виды растений. При значениях рН>6 происходит накопление цинка в почве в больших количествах благодаря взаимодействию с глинами.

Различные соединения железа играют существенную роль в почвенных процессах в связи со способностью элемента менять степень окисления с образованием соединений различной растворимости, окисленности, подвижности. Железо в очень высокой степени вовлечено в антропогенную деятельность, оно отличается настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о современном «ожелезнении» биосферы. В техносферу в настоящее время вовлечено более 10 млрд т железа, 60% которого рассеяно в пространстве.

Аэрация восстановленных горизонтов почвы, различных отвалов, терриконов приводит к реакциям окисления; при этом присутствующие в таких материалах сульфиды железа преобразуются в сульфаты железа с одновременным образованием серной кислоты:

4FeS 2 + 6H 2 O + 15O 2 = 4FeSO 4 (OH) + 4H 2 SO 4

В таких средах значения рН могут снижаться до 2,5…3,0. Серная кислота разрушает карбонаты с образованием гипса, сульфатов магния и натрия. Периодическая смена окислительно-восстановительных условий среды приводит к декарбонизации почв, дальнейшему развитию устойчивой кислой среды с рН 4…2,5, причем соединения железа и марганца накапливаются в поверхностных горизонтах.

Гидроксиды и оксиды железа и марганца при образовании осадков легко захватывают и связывают никель, кобальт, медь, хром, ванадий, мышьяк.

Основные источники загрязнения почвы никелем – предприятия металлургии, машиностроения, химической промышленности, сжигание каменного угля и мазута на ТЭЦ и котельных. Антропогенное загрязнение никелем наблюдается на расстоянии до 80…100 км и более от источника выброса.

Подвижность никеля в почве зависит от концентрации органического вещества (гумусовых кислот), рН и потенциала среды. Миграция никеля носит сложный характер. С одной стороны, никель поступает из почвы в виде почвенного раствора в растения и поверхностные воды, с другой – его количество в почве пополняется вследствие разрушения почвенных минералов, отмирания растений и микроорганизмов, а также за счет его внесения в почву с атмосферными осадками и пылью, с минеральными удобрениями.

Основной источник загрязнения почвы хромом – сжигание топлива и отходы гальванических производств, а также отвалы шлаков при производстве феррохрома, хромовых сталей; некоторые фосфорные удобрения содержат хрома до 10 2 …10 4 мг/кг.

Поскольку Cr +3 в кислой среде инертен (выпадая почти полностью в осадок при рН 5,5), его соединения в почве весьма стабильны. Напротив, Cr +6 крайне нестабилен и легко мобилизуется в кислых и щелочных почвах. Снижение подвижности хрома в почвах может приводить к его дефициту в растениях. Хром входит в состав хлорофилла, придающего листьям растений зеленый цвет, и обеспечивает усвоение растениями из воздуха углекислоты.

Установлено, что известкование, а также применение органических веществ и соединений фосфора существенно снижает токсичность хроматов в загрязненных почвах. При загрязнении почв шестивалентным хромом подкисление, а затем применение восстанавливающих агентов (например, серы) используется для восстановления его до Cr +3 , после чего проводится известкование для осаждения соединений Cr +3 .

Высокая концентрация хрома в почве городов (9…85 мг/кг) связана с высоким содержанием его в дождевых и поверхностных водах.

Накопление или вымывание токсичных элементов, попавших в почву, в значительной степени зависит от содержания гумуса, который связывает и удерживает ряд токсичных металлов, но в первую очередь – медь, цинк, марганец, стронций, селен, кобальт, никель (в гумусе количество этих элементов в сотни-тысячи раз больше, чем в минеральной составляющей почв).

Природные процессы (солнечная радиация, климат, выветривание, миграция, разложение, вымывание) способствуют самоочищению почв, основной характеристикой которого является его продолжительность. Продолжительность самоочищения – это время, в течение которого происходит уменьшение на 96% массовой доли загрязняющего вещества от начального значения или до его фонового значения. Для самоочищения почв, а также их восстановления требуется много времени, которое зависит от характера загрязнения и природных условий. Процесс самоочищения почв длится от нескольких дней до нескольких лет, а процесс восстановления нарушенных земель – сотни лет.

Способность почв к самоочищению от тяжелых металлов невелика. Из довольно богатых органическим веществом лесных почв умеренного пояса с поверхностным стоком удаляется только примерно 5% поступающего из атмосферы свинца и около 30% цинка и меди. Остальная часть выпавших ТМ практически полностью задерживается в поверхностном слое почвы, поскольку миграция вниз по почвенному профилю происходит крайне медленно: со скоростью 0,1…0,4 см/год. Поэтому время полувыведения свинца в зависимости от типа почв может составить от 150 до 400 лет, а для цинка и кадмия – 100…200 лет.

Сельскохозяйственные почвы несколько быстрее очищаются от избыточных количеств некоторых ТМ в силу более интенсивной миграции за счет поверхностного и внутрипочвенного стока, а также из-за того, что заметная часть микроэлементов через корневую систему переходит в зеленую биомассу и уносится с урожаем.

Следует отметить, что загрязнение почв некоторыми токсичными веществами существенно тормозит процесс самоочищения почв от бактерий группы кишечной палочки. Так, при содержании 3,4-бензпирена 100 мкг/кг почвы численность этих бактерий в почве в 2,5 раза выше, чем в контроле, а при концентрации более 100 мкг/кг и до 100 мг/кг – их значительно больше.

Исследования почв в районе металлургических центров, проведенные Институтом почвоведения и агрохимии, свидетельствуют, что в радиусе 10км содержание свинца в 10 раз превышает фоновое значение. Наибольшее превышение отмечено в г.г.Днепропетровске, Запорожье и Мариуполе. Содержание кадмия в 10…100 раз выше фонового уровня отмечено вокруг Донецка, Запорожье, Харькова, Лисичанска; хрома – вокруг Донецка, Запорожье, Кривого Рога, Никополя; железа, никеля – вокруг Кривого Рога; марганца – в районе Никополя. В общем, по данным того же института, около 20% территории Украины загрязнено тяжелыми металлами.

Во время оценки степени загрязнения тяжелыми металлами используют данные о ПДК и их фоновом содержании в почвах основных природно-климатических зон Украины. В случае установления в почве повышенного содержания нескольких металлов загрязнение оценивают по металлу, содержание которого превышает норматив в наибольшей степени.