Особенности фиторемедиации как метода очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами. Тяжелые металлы в системе «почва-растение»

Тяжелые металлы в системе «почва-растение», содержание тяжелых металлов в почвах Курской области, источники поступления

В настоящее время в Курской области имеется большое количество почв с повышенным содержанием тяжелых металлов, что постоянно регистрируют как ученые-исследователи (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, Проценко, 2013; Неведров и др., 2013а, Неведров и др., 2016; Неведров, Вытовтова, 2016), так и уполномоченные государственные экологические структуры (Струкова, 2013).

Приоритетными загрязнителями почв Курской области среди тяжелых металлов являются Pb, Zn, Си и Cd. Высокое содержание данных элементов наблюдается в естественных, урбанизированных и аграрных экосистемах. По результатам мониторинга обнаружено, что в некоторых районах области и города наблюдается тенденция увеличения содержания ТМ в почвенном покрове. Наибольшие концентрации поллютантов зафиксированы в почвах на территории г. Курска вблизи промышленных зон (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2016; Неведров и др., Вытовтова, 2016).

Родоначальник биогеохимии В.И. Вернадский первым говорил о единстве жизни и геохимической среды, о связи элементного состава живого вещества и земной коры. Эта идея легла в основу изучения химического состава почв (Вернадский, 1960, 1992). Важнейшим показателем химического состояния почв является их химический состав, он также является зеркалом свойств почв и их генезиса (Вернадский, 1940, 1992).

В почве начинаются все основные циклы миграции тяжелых металлов в биосфере (водные, атмосферные, биологические), так как именно здесь происходит их мобилизация и образование различных подвижных форм. Сложнейшая система преобразования ТМ в почве создается значительной реакционной поверхностью минерального компонента, наличием почвенных растворов и органики, обилием микроорганизмов, мезофауной и корневыми системами растений (Муха 1991; Соколов, Черников, 2008).

Выделяют две фазы тяжелых металлов в почвах - твердая фаза и почвенный раствор. Содержание органических веществ в почве, реакция среды, химический и вещественный состав почвенного раствора определяют форму существования металлов (Дьяконова, 1964). Загрязняющие почву поллютанты в большей степени депонируются в ее верхнем десятисантиметровом слое (Таблица 1.1).

Таблица 1.1

«Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг)» (ГН 2.1.7.020-94,1995; ГН 2.1.7.2041-06, 2006; Ghosh, Singh,

	Класс опасности			ОДК по труппам почв
			Извлекаемые ацетатноаммонийным буфером (рН=4,8)	Песчаные, супесчаные	Суглинистые, глинистые

Значительное количество тяжелых металлов находится в обменнопоглощенном состоянии, однако подкисление малобуферной почвы способствует их активному переходу в почвенный раствор. У таких металлов как кадмий, медь, никель и кобальт в кислой среде возрастает миграционная способность. Например, при снижении pH на 1,8-2 единицы происходит увеличение мобильности цинка в 3,8-5,4, кадмия - в 4-8, меди - в 2-3 раза (Кудряшов, 2003).

Взаимодействуя с органическими лигандами при попадании в почву, тяжелые металлы образуют комплексные соединения. Примерно 30 % свинца при его невысоких концентрациях в почве (20-25 мг/кг) закреплено органическим веществом почвы. Количество комплексных соединений свинца растет с увеличением его содержания до 400 мг/г, а затем постепенно уменьшается (Большаков, 1993; Кудряшов, 2003). Содержащиеся в почве осадки гидроксидов железа и марганца, глинистые минералы и органическое вещество почвы также способны сорбировать металлы (обменно или необменно). Металлы, присутствующие в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексных соединений и хелатированных форм, являются доступными для растений и способны к вымыванию.

Реакции среды в первую очередь оказывают влияние на поглощение тяжелых металлов почвой, процесс поглощения тяжелых металлов также зависит от того, какие анионы доминируют в почвенном растворе: кислая среда способствует большей сорбции меди, свинца и цинка, а щелочная приводит к интенсивному поглощению таких металлов, как кадмий и кобальт. Медь в большей степени образует связи с гидроксидами железа и органическими лигандами (Таблица 1.2).

Цинк и ртуть равномерно распределяются в слое почвы на глубине 0-20 см и в свою очередь имеют самую высокую миграционную способность. Свинец чаше всего аккумулируется в поверхностном слое (0-3 см), кадмий же оседает на глубине, располагающейся строго между ними.

Таблица 1.2

«Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от pH почвенного раствора» (Криушин, 2002)

Тяжелые металлы, депонированные в объектах окружающей среды, оказывают губительное действие на живые организмы, которое часто носит скрытый характер. Токсичность проявляется неожиданно на каких-то отдельных трофических уровнях, где аккумулирующий эффект выражен более отчетливо. Для различных групп живых организмов токсичность ТМ неодинакова. Она главным образом складывается из свойств и уровня концентраций самих элементов, а также из их способности к миграции в разных компонентах экосистемы и уровнем депонирования в органах и тканях (Соколов, Черников, 2008).

Б.А. Ягодин (2002) отмечает четыре уровня концентрации химического элемента, которые определяют комплексную оценку его воздействия на живые организмы:

• дефицит элемента, организм испытывает дискомфорт из-за его недостатка;
• оптимальное содержание, организм находится в стабильном состоянии;
• терпимые концентрации, начинает проявляться депрессия организма;
• губительные концентрации для данного организма (Ягодин, 2002).

Цинк в почве. Тяжелый металл цинк, при условии фонового содержания в

почве, является эссенциальным (жизненно необходимым для растений) элементом, но при повышенных концентрациях становится загрязнителем высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Цинк обладает постоянно растущей высокой технофильностью (Перельман, 1975). Это вызывает огромный интерес ученых-почвоведов, занимающихся вопросами охраны окружающей среды. В почвах металл образует большое количество фаз-носителей и имеет различные формы закрепления в минеральных и органических почвах, что исключает вероятность универсального подхода к очистке загрязненных цинком почв (Водяницкий, 2010).

Содержание валового цинка в черноземах варьируется от 24 до 90 мг/кг, в серых лесных почвах - от 28 до 65 (В.А. Ковда и др., 1959). Высокое содержание цинка в черноземах обосновано большим количеством гумуса в данном типе почв (С.А. Захаров, 1906, 1929; Г.К. Зыкина, 1978). Органическое вещество, содержащееся в большом количестве в черноземах, и кислая реакция среды прочно закрепляют цинк, при этом его уровень может достигать 90 мг/кг. В серой лесной почве такого эффекта не наблюдается, концентрация металла снижается до 23 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Курский чернозем является эталоном валового содержания цинка (52 мг/кг) (Шеуджен, Алешин, 1996). Растениям доступны только водорастворимые (хлористый, сернокислый и азотнокислый цинк) и обменные формы цинка, которые разнообразны и зависят от типа почв. Содержание подвижного цинка в почве составляет около 1% от валового запаса. По данным Н.П. Юмашева, И.А. Трунова (2006), наибольшее количество подвижного цинка встречается в черноземах типичном и выщелоченном, в серых лесных почвах его заметно меньше. В литературе отмечено, что в целинном черноземе содержание подвижного цинка выше, чем в распаханном (Юмашев, Трунов, 2006).

Особое влияние на подвижность цинка оказывает содержащийся в почве фосфор. Образуя труднорастворимые фосфаты цинка, фосфор сокращает количество подвижного металла в почве (Лазарев и др., 2013).

Цинк находится в почве в ионной форме. Адсорбция цинка в кислой почвенной среде происходит по катионообменному механизму. В щелочной среде образование химических связей металла происходит в результате хемосорбции. Ион Zn 2+ является самым подвижным. Так как величина pH и содержание глинистых минералов оказывают непосредственное влияние на подвижность цинка в почве, то при pH

Цинк в земной коре относится к халькофиллам (Перельман, 1975). Естественное поступление цинка в почву связано с разрушением горных пород и последующим выщелачиванием его и осаждением в виде карбонатов, силикатов и фосфатов (Водяницкий, 2010). Антропогенное загрязнение большого количества почв происходило в результате работы устаревшей пирометаллургической технологии на плавильных заводах, которые выбрасывали огромные массы обогащенных цинком пыли и дыма (Зырин, Садовникова, 1975; Плеханова, 2008). Металлургические заводы как в России, так и за рубежом зачастую являются виновниками загрязнения почв цинком (Водяницкий, 2010). В окрестностях свинцово-цинкоплавильного завода в Канаде содержание в почвах цинка достигало 1390 мг/кг при фоновых значениях 50-75 мг/кг (Ладонин, 2002).

Наивысшие концентрации цинка среди почв Курской области зафиксированы в серых лесных почвах г. Курска, в отдельных районах города - клумбы и земельные участки вблизи «Кожзавода» - его содержание достигает 27 000 мг/кг. Очень часто встречаются участки с уровнем загрязнения, равным 2-5 ОДК (валовое содержание), - садовые участки «Весна - 1», «Весна - 2», «Химик», «Лавсан», пустыри вблизи завода «Курскрезинотехника», пустыри «Магистрального проезда» (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2013а).

По данным В.А. Жидеевой (2000), некоторые черноземные агроценозы области также подвержены цинковым загрязнениям. Почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат цинк в количествах, превышающих фоновую концентрацию. Цинковая токсикация этих почв возникла в результате использования медно-цинковых инсектицидов и фунгицидов.

Основными источниками поступления антропогенного цинка в почву являются газопылевые выбросы промышленного производства, осадки сточных вод и цинковые удобрения (Robson, 1993).

Как биофильный компонент живых клеток цинк необходим всем живым организмам, так как он участвует в биохимических процессах, однако при высоком и избыточном содержании в организмах он становится высокотоксичным (Водяницкий, 2010). Отмечено, что в зональных почвах Курской области цинк является весьма опасным поллютантом: легко аккумулируясь растениями, он поступает по пищевой цепи в организм человека (Жидеева, 2000).

Цинк в растениях. Попадая в организм растений из почвы и воды, цинк участвует в дыхании и обмене веществ (белковом и нуклеиновом). К тому же цинк выполняет такую важную функцию как регуляция роста, он оказывает влияние на образование аминокислоты триптофана, являющейся предшественником ауксина - гормона роста. Являясь компонентом ряда ферментных систем, тяжелый металл цинк крайне важен в процессах образования дыхательных ферментов - цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (при децефите цинка наблюдается резкое снижение ее активности). Ферменты алкогольдегидразы и глицилглициндипептидазы содержат цинк в своем составе, также цинксодержащим ферментом является карбоангидраза. Под влиянием цинка в клетках растений происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков. Соединения цинка играют немаловажную роль и в процессах плодоношения. Нормальное содержание цинка в растениях способствует благоприятному формированию морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустой- чивости растений. Цинк обладает свойством усиления роста корневой системы у ряда видов растений (Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Якушкина, 2004).

Высокое содержание цинка в почве находит своё отражение в морфофизиологическом состоянии растений и является фактором, ингибирующим рост растений в длину, снижающим продуктивность культур и в некоторых случаях подавляющим прорастание семян. Е.В. Чурсина (2012) замечает, что «при повышенном содержании цинка в почве (250 и 500 мг на 1 кг почвы) наблюдается достоверное снижение продуктивности пшеницы. Отмечено уменьшение ассимиляционной поверхности и фотосинтетического потенциала растений, а также озерненности колоса, обусловленных сортовой реакцией растений на загрязнение почв цинком» (Чурсина, 2012).

Медь в почве. Тяжелый металл медь так же, как и цинк, - эссенциальный элемент. Медь согласно Российскому санитарно-гигиеническому ГОСТу 17.4.102-83 относится к умеренно-опасным тяжелым металлам. Содержание меди в эталонном Курском черноземе составляет 26 мг/кг, а в серых лесных почвах - от 5 до 39 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Для растений доступны подвижные формы меди, их количество в основном не превышает 10 % от общего содержания металла в почве (Каталымов, 1965).

В почве медь представлена солями и гидратами окиси меди в поглощенном органическими и минеральными коллоидами состоянии. Содержание подвижной меди в почве зависит в основном от количества органического вещества и от суммы поглощенных оснований, а также от гранулометрического состава почвы (Захаров, 1906; Зыкина, 1978), причем всегда отмечается линейная зависимость между содержанием подвижной меди в почве и гранулометрическим составом. В почвах с тяжелым гранулометрическим составом меди больше, чем в легких почвах. Возрастание степени оподзоленности почвы не только сокращает количество меди в ней, но и к тому же обладает иммобилизующим эффектом.

Исследователи также отмечают, что на кислых и песчаных почвах с малой емкостью поглощения наблюдается процесс вымывания меди, что приводит к истощению запасов эссенциального элемента в почве. Количество площадей кислых почв Центрального Черноземья неуклонно растет, в связи с этим содержание подвижных форм меди в них будет уменьшаться (Лазарев и др., 2013).

В результате техногенного рассеяния поступление меди в почву происходит разнообразными путями. По данным Д.С. Орлова, Л.К. Садовниковой (2002), основными источником эмиссии техногенной меди в атмосферу являются выбросы промышленного комплекса, происходящие в результате процессов, сопровождающихся высокотемпературными реакциями: в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, при сжигании минерального топлива. Часто выбросы переносятся атмосферными потоками на большие расстояния (5-10 км). Основная часть этих выбросов выпадает в почву на расстоянии 1-3 км от эпицентра и депонируется в почвах окрестностей первоисточника загрязнения.

По данным «Доклада о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году», ежегодные выбросы специфических загрязняющих веществ составляют 150 тонн, из них меди - 2 3 % (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

Стоит отметить, что в среднем около 65 % всей меди в окружающей среде от общего содержания в верхнем слое почвы, воде и атмосфере приходится на техногенную составляющую (Козаченко, 1999).

Еще одним источником загрязнения медью может служить орошение почв водами с высоким содержанием этого металла. В «Докладе о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году» опубликованы сведения, доказывающие, что качество поверхностных вод Курской области (бассейна Днепра) значительно ухудшается и содержание меди в них составляет от 1,5 до 3,0 ПДК. Данное явление вызвано влиянием промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

А.И. Левит (2001) считает, что «загрязнение земель медью происходит не только за счет выбросов предприятий промышленности, но и за счет веществ, потребляемых самим сельским хозяйством, например, пестицидов. Такое загрязнение называется агрогенным» (Левит, 2001). Применение пестицидов в современном сельскохозяйственном производстве служит не только средством сохранения и приумножения урожаев, но и, к сожалению, несет существенную угрозу для окружающей природы. Остатки пестицидов загрязняют почву и снижают ее биологическую активность. Обладая канцерогенными свойствами, они накапливаются в вегетативных органах растений, что впоследствии приводит к их морфофизиологическим изменениям (Левит, 2001).

Основная часть загрязненных медью почв Курской области приходится на почвы города и прилегающих к нему промышленных зон, также отмечены превышения ОДК меди и по области. Так, почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат токсичные концентрации металла. Загрязнение этих участков земель медью произошло по той же причине, что и загрязнение их цинком, т.е. в результате использования медноцинковых инсектицидов и фунгицидов при обработке плодов. В результате применения этих средств ежегодно накапливалось в почвах до 8-10 кг/га техногенной меди с достаточно равномерным распределением вблизи очага использования (Жидеева, 2000).

Медь в растениях. Как и цинк, медь является эссенциальным элементом для растительных организмов. Сосредоточенная в хлоропластах листьев часть ионов меди участвует в регуляции процессов фотосинтеза. Этот микроэлемент тесно связан и с синтезом сложных органических соединений: антоциан, желе- зопорфирины, хлорофилл. Являясь стабилизатором хлорофилла, медь предохраняет его от разрушения. Медь образует окислительный фермент полифено- локсидазу, входя в качестве структурного компонента в состав белкового соединения (медьпротеида, содержащего 0,3 % меди). Медь в растениях также оказывает влияние на активность пероксидазы и других железосодержащих ферментов, является неотъемлемым компонентом синтеза белков, углеводов и жиров. Установлено, что водоудерживающая способность растительных тканей регулируется медью, а точнее синтезируемыми в растениях медьзависимыми белками (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Недостаточность меди вызывает у растений заболевания, связанные в первую очередь с уменьшением гидрофильности коллоидов тканей. Среди них часто встречаются такие болезни, как: экзантема, или суховершинность плодовых деревьев, хлороз листьев, отмирание верхушек побегов, ухудшение цветения и завязывания плодов. Очевиден факт значимости медных удобрений: их применение на почвах, испытывающих дефицит биогенного элемента меди, способствует повышению у растений морозо- и засухоустойчивости, а также, вероятно, стойкости к бактериальным заболеваниям (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Школьник, Макарова, 1957; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Свинец и кадмий в почвах. Свинец и кадмий относятся к высокоопасным поллютантам [Российский санитарно-гигиенический ГОСТ 17.4.102-83, 1983]. В почвах Центрально-черноземного биосферного заповедника им. В.В. Алехина среднее содержание свинца составляет 9 мг/кг, кадмия - 0,1 мг/кг (Жидеева, 2000).

У свинца и кадмия, как и у других тяжелых металлов, существует два пути поступления в окружающую среду - природный и техногенный. Лесные пожары, сукцессия озерных и болотных экосистем, процессы выветривания горных пород, извержение вулканов, морские брызги, - все эти природные явления служат естественными источниками свинца и кадмия. Техногенная эмиссия в атмосферу свинца и кадмия составлена из газопылевых выбросов химических нефтеперерабатывающих и металлургических предприятий, автотранспорта и ТЭЦ, сбросов в гидросферу плохо очищенных сточных вод, организованных и несанкционированных свалок. Если сравнивать свинец и кадмий, то первый обладает меньшей токсичностью, так как свинец менее подвижен в различных объектах окружающей среды. Однако длительное воздействие свинца на организм человека вызывает хронические интоксикации с различными клиническими проявлениями: нарушением деятельности центральной и периферической нервной системы, заболеваниями желудочно-кишечного тракта, поражением костного мозга, изменением в составе крови (Линдиман, 2009).

Процесс аккумуляции свинца в почве изучен давно (Захаров, 1906, 1929; Зыкина, 1978). Почва является стоком атмосферного свинца, как правило, металл оседает в почве в виде оксидов, здесь он переходит в почвенный раствор, а затем постепенно превращается в гидроксиды, карбонаты или катионную форму. В почве может произойти образование прочных связей со свинцом, что способствует предотвращению загрязнения грунтовых и питьевых вод и растительной продукции. В таком случае неизбежным является возникновение другой проблемы: при депонировании и прочном закреплении свинца в почве постепенно растет степень её зараженности, высоким становится риск разрушения органического вещества почвы, которое повлечет выброс свинца в почвенный раствор. Такую почву придется выводить из сельскохозяйственного обращения ввиду ее непригодности. Емкость метрового слоя одного гектара почвы, задерживающего свинец, может достигать 500-600 тонн. В природе подобного загрязнения почв свинцом не встречается (Орлов, 1992; Мосина 2012).

Песчаные, малогумусовые почвы, напротив, крайне устойчивы к загрязнению свинцом. Слабо закрепленный свинец легко поступает в растения или мигрирует с фильтровыми водами вниз по профилю (Орлов, 1992; Орлов и др., 2003, 2005).

В источниках отмечается, что в поверхностном слое почвы глубиной до 5 см кумулятивная способность свинца значительно выше, чем у ряда металлов (медь, молибден, железо, никель и хром). Это очень опасное явление, так как свинец - самый ядовитый из перечисленных металлов. Почва в районах расположения заводов по производству аккумуляторов и свинцово-цинковых заводов содержит свинец в количествах, в 20-30 раз превышающих среднее содержание. Соответственно «местная» растительность также будет иметь внушительный «свинцовый багаж» (Жидеева, 2000).

Одним из самых токсичных химических элементов для живых существ является кадмий. Этот тяжелый металл относится к контоминантам высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.102-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Поступающий в организм кадмий приводит к его интоксикации, при этом природа соединений кадмия маловажна. Исследователи считают, что кадмий, попадая в живой организм, вступает в биологическую конкуренцию с цинком, в результате чего возникают нарушения протекающих физиологических процессов, к тому же известно протекторное действие цинка при кадмиевой интоксикации.

По данным А.В. Прусаченко (2011), содержание свинца в серых лесных почвах г. Курска колеблется от 23 мг/кг до 94 мг/кг, а кадмия - от 0,12 до 0,98 мг/кг. Часто встречаются участки с содержанием свинца, превышающим предельно допустимое значение. Основным источником загрязнения свинцом является действующий на территории г. Курска завод «Аккумулятор». Как сообщает В.А. Жидеева (2000), за 62 года существования завода «Аккумулятор» эмиссия свинца в атмосферу составила более 4500 тонн, кадмия - более 300 тонн.

Свинец и кадмий в растениях. Присутствие свинца в большинстве растительных и животных продуктов и кормах является следствием глобального загрязнения окружающей среды свинцом. Растениеводческая продукция в целом содержит больше свинца, чем продукция животноводческого сектора. Чрезмерные концентрации свинца пагубно влияют на почвенную биоту (микробиоценоз), сокращая число основных ее представителей, что приводит к снижению плодородия почв (Ревелль, 1994). Порогом токсичности свинца в почве для травянистых растений является концентрация свыше 0,3 г/кг, для древесных растений - 1,5 г/кг. При содержании свинца в почве 0,05 - 0,3 г/кг снижается качество пищевой растительной продукции, она становится непригодной.

Металл в неравных количествах способен накапливаться в разных органах различных групп растений. К примеру, у салата и сельдерея свинец преимущественно поступает в листья, а у моркови и одуванчика в большей части аккумулируется корневыми системами (А.Ф. Титов и др., 2007). Бобовые растения являются низкими концентраторами свинца (Козаренко, 1987; Петрунина, 1974; Kuboi et al., 1986).

Растения, черпая ресурсы почвы, воды и атмосферных выпадений, вместе с жизненно-необходимыми химическими элементами поглощают свинец. Высокое содержание свинца в воздухе - одна из причин летнего листопада. Древесные растения являются своего рода свинцовыми фильтрами. Накапливая атмосферный свинец в своих органах, они обезвреживают такое количество активного свинца, сколько выделяется при сжигании 130 литров бензина. Орешник и ель являются активными аккумуляторами свинца, а кумулятивный эффект клена, наоборот, крайне низок. В листьях деревьев, находящихся со стороны автомагистралей, содержится на 30-60 % больше металлов. Неплохими фильтрами свинца служат хвойные растения (ель и сосна), они способны накапливать металл и не обменивать его с окружающей средой (Сенновская, 2006).

Интенсивно депонируют свинец и представители низших растений - мхи и лишайники, также отмечены высокие концентрации тяжелого металла в грибах. Активно накапливают свинец употребляемые в пищу сельскохозяйственные растения капуста, редька, картофель (Титов и др., 2007).

Тем не менее живые организмы все же нуждаются в малых количествах свинца. Ежегодно 70-80 тыс. т свинца вовлекается растительностью суши в биологический круговорот. Массовая доля свинца в зольном остатке растений не значительна и составляет 0,001 - 0,002 %.

Крайне интенсивными темпами происходит техногенное рассеивание свинца, воды рек выносят в год 17 000 - 18 000 тонн свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.

Для растений кадмий - это высокотоксичный элемент, являющийся одним из наиболее опасных среди тяжелых металлов (Алексеев, 1987; Казнина, 2010; Prasad, 1995; Heiss et al., 2003). Хозяйственная деятельность человека приводит к повышению его содержания в почвенном покрове. Данное явление также сопровождается значительным возрастанием количества токсичных ионов в растениях, что существенно сказывается на многих процессах их жизнедеятельности (Титов и др., 2007). Изучение влияния кадмия на растения часто привлекает исследователей, данной проблематике посвящено большое количество научных трудов (Мельничук, 1990; Серегин, 2001; Титов и др., 2007; Sanita" di Toppi, Gabrielli, 1999; Vassilev, 2002). В вышеперечисленных работах сообщается, что при определении степени ингибирования металлом отдельных физиологических показателей таксономическая принадлежность растений играет важную роль, как и концентрация металла в корнеобитаемой зоне и продолжительность его воздействия на растение. Некоторые авторы отмечают зависимость отклика растений на действие кадмия от их биологического возраста, но объективных экспериментальных данных, подтверждающих это явление, очень мало (Казнина и др., 2010).

Негативное влияние кадмия на жизненные функции растительного организма также отмечено на клеточном уровне (Линдиман, 2009). Исследования ученых свидетельствуют о том, что кадмий приводит к ряду структурных изменений в клетках растений. Например, взаимодействуя с ферментами, выполняющими катализирующие функции, тяжелый металл ингибирует фотосинтезирующую функцию.

Тяжелые металлы в почве

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин "тяжелые металлы" применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см 3 , либо с атомным номером больше 20. Хотя, существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 ат. ед. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.

Фитотоксичность тяжелых металлов зависит от их химических свойств: валентности, ионного радиуса и способности к комплексообразованию. В большинстве случаев элементы по степени токсичности располагаются в последовательности: Cu> Ni > Cd>Zn> Pb> Hg>Fe> Mo> Mn. Однако этот ряд может несколько изменяться в связи с неодинаковым осаждением элементов почвой и переводом в недоступное для растений состояние, условиями выращивания, физиолого-генетическими особенностями самих растений. Трансформация и миграция тяжелых металлов происходит при непосредственном и косвенном влиянии реакции комплексообразования. При оценке загрязнения окружающей среды необходимо учитывать свойства почвы и, в первую очередь, гранулометрический состав, гумусированность и буферность. Под буферностью понимают способность почв поддерживать концентрацию металлов в почвенном растворе на постоянном уровне.

В почвах тяжелые металлы присутствуют в двух фазах – твердой и в почвенном растворе. Форма существования металлов определяется реакцией среды, химическим и вещественным составом почвенного раствора и, в первую очередь, содержанием органических веществ. Элементы - комплексанты, загрязняющие почву, концентрируются, в основном, в ее верхнем 10 см слое. Однако при подкислении малобуферной почвы значительная доля металлов из обменно-поглощенного состояния переходит в почвенный раствор. Сильной миграционной способностью в кислой среде обладают кадмий, медь, никель, кобальт. Уменьшение рН на 1,8-2 единицы приводит к увеличению подвижности цинка в 3,8-5,4, кадмия - в 4-8, меди - в 2-3 раза..

Таблица 1 Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг)

Элемент	Класс опасности	ПДК		ОДК по группам почв			Фоновое содержание
		Валовое содержание	Извлекаемые ацетатно-аммонийным буфером (рН=4,8)	Песчаные, супесчаные	Суглинистые, глинистые
					рН кс l < 5,5	рН кс l > 5,5
Pb	1	32	6	32	65	130	26
Zn	1	-	23	55	110	220	50
Cd	1	-	-	0,5	1	2	0,3
Cu	2	-	3	33	66	132	27
Ni	2	-	4	20	40	80	20
Со	2	-	5	-	-	-	7,2

Таким образом, при попадании в почву тяжелые металлы быстро взаимодействуют с органическими лигандами с образованием комплексных соединений. Так, что при низких концентрациях в почве (20-30 мг/кг) приблизительно 30% свинца находится в виде комплексов с органическими веществами. Доля комплексных соединений свинца увеличивается с возрастанием его концентрации до 400 мг/г, а затем уменьшается. Металлы также сорбируются (обменно или необменно) осадками гидроксидов железа и марганца, глинистыми минералами и органическим веществом почвы. Металлы, доступные растениям и способные к вымыванию, находятся в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексов и хелатов.

Поглощение ТМ почвой в большей степени зависит от реакции среды и от того, какие анионы преобладают в почвенном растворе. В кислой среде больше сорбируются медь, свинец и цинк, а в щелочной – интенсивно поглощаются кадмий и кобальт. Медь преимущественно связывается с органическими лигандами и гидроксидами железа.

Таблица 2 Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от рН почвенного раствора

Почвенно-климатические факторы часто определяют направление и скорость миграции и трансформации ТМ в почве. Так, условия почвенного и водного режимов лесостепной зоны способствуют интенсивной вертикальной миграции ТМ по профилю почвы, в том числе возможен перенос металлов с потоком воды по трещинам, ходам корней и т.д..

Никель(Ni) – элемент VIII группы периодической системы с атомной массой 58,71. Никель наряду с Mn, Fe, Co и Cu относится к так называемым переходным металлам, соединения которых обладают высокой биологической активностью. Вследствие особенностей строения электронных орбиталей вышеуказанные металлы, в том числе и никель, обладают хорошо выраженной способностью к комплексообразованию. Никель способен формировать стабильные комплексы, например, с цистеином и цитратом, а также со многими органическими и неорганическими лигандами. Геохимический состав материнских пород во многом определяет содержание никеля в почвах. Наибольшее количество никеля содержат почвы, образовавшиеся из основных и ультраосновных пород. По данным некоторых авторов, границы избыточного и токсичного уровней никеля для большинства видов изменяются от 10 до 100 мг/кг. Основная масса никеля закреплена в почве неподвижно, а очень слабая миграция в коллоидном состоянии и в составе механических взвесей не влияет на распределение их по вертикальному профилю и вполне равномерна.

Свинец (Pb). Химизм свинца в почве определяется тонким равновесием противоположно направленных процессов: сорбция-десорбция, растворение-переход в твердое состояние. Попавший в почву с выбросами свинец включается в цикл физических, химических и физико-химических превращений. Сначала доминируют процессы механического перемещения (частицы свинца перемещаются по поверхности и в толще почвы по трещинам) и конвективной диффузии. Затем по мере растворения твердофазных соединений свинца вступают в действие более сложные физико-химические процессы (в частности, процессы ионной диффузии), сопровождающиеся трансформацией поступивших с пылью соединений свинца.

Установлено, что свинец мигрирует как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, причем второй процесс превалирует над первым. За 3 года наблюдений на разнотравном лугу нанесенная локально на поверхность почвы свинцовая пыль переместилась в горизонтальном направлении на 25-35 см, глубина же ее проникновения в толщину почвы составила 10-15 см. Важную роль в миграции свинца играют биологические факторы: корни растений поглощают ионы металлов; во время вегетации происходит их перемещение в толще почвы; при отмирании и разложении растений свинец выделяется в окружающую почвенную массу.

Известно, что почва обладает способностью связывать (сорбировать) поступивший в нее техногенный свинец. Сорбция, как полагают, включает несколько процессов: полный обмен с катионами поглощающего комплекса почв (неспецифическая адсорбция) и ряд реакций комплексообразования свинца с донорами почвенных компонентов (специфическая адсорбция). В почве свинец ассоциируется главным образом с органическим веществом, а также с глинистыми минералами, оксидами марганца, гидроокислами железа и алюминия. Связывая свинец, гумус препятствует его миграции в сопредельные среды и ограничивает поступление в растения. Из глинистых минералов склонностью к сорбции свинца характеризуются иллиты. Повышение рН почвы при известковании ведет к еще большему связыванию свинца почвой за счет образования труднорастворимых соединений (гидроокислов, карбонатов и др.).

Свинец, присутствующий в почве в подвижных формах, со временем фиксируется почвенными компонентами и становится недоступным для растений. По данным отечественных исследователей, наиболее прочно фиксируется свинец черноземных и торфяно-иловых почв.

Кадмий (Cd) Особенность кадмия, отличающая его от других ТМ, заключается в том, что в почвенном растворе он присутствует в основном в виде катионов (Cd 2+), хотя в почве с нейтральной реакцией среды он может образовывать труднорастворимые комплексы с сульфатами, фосфатами или гидроокислами.

По имеющимся данным, концентрация кадмия в почвенных растворах фоновых почв колеблется от 0,2 до 6 мкг/л. В очагах загрязнения почв она возрастает до 300-400 мкг/л..

Известно, что кадмий в почвах очень подвижен, т.е. способен переходить в больших количествах из твердой фазы в жидкую и обратно (что затрудняет прогнозирование его поступления в растение). Механизмы, регулирующие концентрацию кадмия в почвенном растворе, определяются процессами сорбции (под сорбцией понимают собственно адсорбцию, преципитацию и комплексообразование). Кадмий поглощается почвой в меньших количествах, чем другие ТМ. Для характеристики подвижности тяжелых металлов в почве используют отношение концентраций металлов в твердой фазе к таковой в равновесном растворе. Высокие значения этого отношения свидетельствуют о том, что ТМ удерживаются в твердой фазе благодаря реакции сорбции, низкие – благодаря тому, что металлы находятся в растворе, откуда они могут мигрировать в другие среды или вступать в различные реакции (геохимические или биологические). Известно, что ведущим процессом в связывании кадмия является адсорбция глинами. Исследования последних лет показали также большую роль в этом процессе гидроксильных групп, окислов железа и органического вещества. При невысоком уровне загрязнения и нейтральной реакции среды кадмий адсорбируется в основном окислами железа. А в кислой среде (рН=5) в качестве мощного адсорбента начинает выступать органическое вещество. При более низком показателе рН (рН=4) функции адсорбции переходят почти исключительно к органическому веществу. Минеральные компоненты в этих процессах перестают играть какую-либо роль.

Известно, что кадмий не только сорбируется поверхностью почв, но и фиксируется за счет осаждения, коагуляции, межпакетного поглощения глинистыми минералами. Внутрь почвенных частиц он диффундирует по микропорам и другими путями.

Кадмий по-разному закрепляется в почвах разного типа. Пока мало что известно о конкурентных взаимоотношениях кадмия с другими металлами в процессах сорбции в почвенно-поглощающем комплексе. По исследованиям специалистов Технического университета Копенгагена (Дания), в присутствии никеля, кобальта и цинка поглощение кадмия почвой подавлялось. Другие исследования показали, что процессы сорбции кадмия почвой затухают в присутствии ионов хлора. Насыщение почвы ионами Са 2+ приводило к увеличению сорбируемости кадмия. Многие связи кадмия с компонентами почвы оказываются непрочными, в определенных условиях (например, кислая реакция среды) он высвобождается и снова переходит в раствор.

Выявлена роль микроорганизмов в процессе растворения кадмия и перехода его в подвижное состояние. В результате их жизнедеятельности либо образуются водорастворимые металлокомплексы, либо создаются физико-химические условия, благоприятствующие переходу кадмия из твердой фазы в жидкую.

Процессы, происходящие с кадмием в почве (сорбция-десорбция, переход в раствор и пр.) взаимосвязаны и взаимозависимы, от их направленности, интенсивности и глубины зависит поступление этого металла в растения. Известно, что величина сорбции кадмия почвой зависит от величины рН: чем выше рН почвы, тем больше она сорбирует кадмия. Так, по имеющимся данным, в интервале рН от 4 до 7,7 при увеличении рН на единицу сорбционная емкость почв по отношению к кадмию возрастала примерно втрое.

Цинк (Zn). Недостаток цинка может проявляться как на кислых сильнооподзоленных легких почвах, так и на карбонатных, бедных цинком, и на высокогумусированных почвах. Усиливают проявление цинковой недостаточности применение высоких доз фосфорных удобрений и сильное припахивание подпочвы к пахотному горизонту.

Наиболее высокое валовое содержание цинка в тундровых (53-76 мг/кг) и черноземных (24-90 мг/кг) почвах, наиболее низкое - в дерново-подзолистых почвах (20-67 мг/кг). Недостаток цинка чаще всего проявляется на нейтральных и слабощелочных карбонатных почвах. В кислых почвах цинк более подвижен и доступен растениям.

Цинк в почве присутствует в ионной форме, где адсорбируется по катионообменному механизму в кислой или в результате хемосорбции в щелочной среде. Наиболее подвижен ион Zn 2+ . На подвижность цинка в почве в основном влияют величина рН и содержание глинистых минералов. При рН<6 подвижность Zn 2+ возрастает, что приводит к его выщелачиванию. Попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита, ионы цинка теряют свою подвижность. Кроме того, цинк образует устойчивые формы с органическим веществом почвы, поэтому он накапливается в основном в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе.

Тяжелые металлы в растениях

По мнению А. П. Виноградова (1952), все химические элементы в той или иной степени участвуют в жизнедеятельности растений, и если многие из них считаются физиологически значимыми, то только потому, что для этого пока нет доказательств. Поступая в растение в небольшом количестве и становясь в них составной частью или активаторами ферментов, микроэлемента выполняют сервисные функции в процессах метаболизма. Когда же в среду поступают непривычно высокие концентрации элементов, они становятся токсичными для растений. Проникновение тяжелых металлов в ткани растений в избыточном количестве приводит к нарушению нормальной работы их органов, и это нарушение тем сильнее, чем больше избыток токсикантов. Продуктивность при этом падает. Токсическое действие ТМ проявляется с ранних стадий развития растений, но в различной степени на различных почвах и для разных культур.

Поглощение химических элементов растениями – активный процесс. Пассивная диффузия составляет всего 2-3% от всей массы усвоенных минеральных компонентов. При содержании металлов в почве на уровне фона происходит активное поглощение ионов, и если учитывать малую подвижность данных элементов в почвах, то их поглощению должна предшествовать мобилизация прочносвязанных металлов. При содержании ТМ в корнеобитаемом слое в количествах, значительно превышающих предельные концентрации, при которых металл может быть закреплен за счет внутренних ресурсов почвы, в корни поступают такие количества металлов, которые мембраны удержать уже не могут. В результате этого поступление ионов или соединений элементов перестает регулироваться клеточными механизмами. На кислых почвах идет более интенсивное накопление ТМ, чем на почвах с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды. Мерой реального участия ионов ТМ в химических реакциях является их активность. Токсическое действие высоких концентраций ТМ на растения может проявляться в нарушении поступления и распределения других химических элементов. Характер взаимодействия ТМ с другими элементами изменяется в зависимости от их концентраций. Миграция и поступление в растение осуществляется в виде комплексных соединений.

В начальный период загрязнения среды тяжелыми металлами, благодаря буферным свойствам почвы, приводящим к инактивации токсикантов, растения практически не будут испытывать неблагоприятного воздействия. Однако защитные функции почвы небезграничны. При повышении уровня загрязнения тяжелыми металлами их инактивация становится неполной и поток ионов атакует корни. Часть ионов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корневую систему растений. Это, например, хелатирование с помощью корневых выделений или адсорбирование на внешней поверхности корней с образованием комплексных соединений. Кроме того, как показали вегетационные опыты с заведомо токсичными дозами цинка, никеля, кадмия, кобальта, меди, свинца, корни располагаются в слоях не загрязненные ТМ почвы и в этих вариантах отсутствуют симптомы фототоксичности.

Несмотря на защитные функции корневой системы, ТМ в условиях загрязнения поступают в корень. В этом случае в действие вступают механизмы защиты, благодаря которым происходит специфическое распределение ТМ по органам растений, позволяющее как можно полнее обезопасить их рост и развитие. При этом содержание, например, ТМ в тканях корня и семян в условиях сильно загрязненной среды может различаться в 500-600 раз, что свидетельствует о больших защитных возможностях этого подземного органа растений.

Избыток химических элементов вызывает токсикозы у растений. По мере возрастания концентрации ТМ вначале задерживается рост растений, затем наступает хлороз листьев, который сменяется некрозами, и, наконец, повреждается корневая система. Токсическое действие ТМ может проявляться непосредственно и косвенно. Прямое воздействие избытка ТМ в растительных клетках обусловлено реакциями комплексообразования, в результате которых происходит блокировка ферментов или осаждение белков. Дезактивация ферментативных систем происходит в результате замены металла фермента на металл-загрязнитель. При критическом содержании токсиканта каталитическая способность фермента значительно снижается или полностью блокируется.

Растения - гипераккумуляторы тяжелых металлов

А. П. Виноградов (1952) выделил растения, которые способны концентрировать элементы. Он указал на два типа растений - концентраторов: 1) растения, концентрирующие элементы в массовом масштабе; 2) растения с селективным (видовым) концентрированием. Растения первого типа обогащаются химическими элементами, если последние содержатся в почве в повышенном количестве. Концентрирование в данном случае вызвано экологическим фактором. Растениям второго типа свойственно постоянно высокое количество того или иного химического элемента независимо от его содержания в среде. Оно обусловлено генетически закрепленной потребностью.

Рассматривая механизм поглощения тяжелых металлов из почвы в растения, можно говорить о барьерном (не концентрирующем) и безбарьерном (концентрирующем) типах накопления элементов. Барьерное накопление характерно для большинства высших растений и не характерно для мохообразных и лишайниковых. Так, в работе М. А. Тойкка и Л. Н. Потехиной (1980) в качестве растения-концентратора кобальта назван сфагнум (2,66 мг/кг); меди (10,0 мг/кг)- береза, костяника, ландыш; марганца (1100 мг/кг) - черника. Lepp и соавт. (1987) выявили высокие концентрации кадмия в спорофорах гриба Amanita muscaria, растущего в березовых лесах. В спорофорах гриба содержание кадмия составляло 29,9 мг/кг сухой массы, а в почве, на которой они выросли, - 0,4 мг/кг. Существует мнение, что растения, которые являются концентраторами кобальта, отличаются также высокой толерантностью к никелю и способны его накапливать в больших количествах. К ним, в частности, относятся растения семейств Boraginaceae, Brassicaceae, Myrtaceae, Fabaceae, Caryophyllaceae. Концентраторы и сверхконцентраторы никеля обнаружены также среди лекарственных растений. К сверхконцентраторам относятся дынное дерево, красавка беладонна, мачок желтый, пустырник сердечный, страстоцвет мясокрасный и термопсис ланцетовидный. Тип накопления химических элементов, находящихся в больших концентрациях в питающей среде, зависит от фаз вегетации растений. Безбарьерное накопление характерно для фазы проростков, когда у растений нет дифференциации надземных частей на различные органы и в заключительные фазы вегетации - после созревания, а так же в период зимнего покоя, когда безбарьерное накопление может сопровождаться выделением избыточных количеств химических элементов в твердой фазе (Ковалевский, 1991).

Гипераккумулирующие растения обнаружены в семействах Brassicaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae и Scrophulariaceae (Baker 1995). Наиболее известным и изученным среди них является Brassica juncea (Индийская горчица) - растение, развивающее большую биомассу и способное к аккумуляции Pb, Cr (VI), Cd, Cu, Ni, Zn, 90Sr, B и Se (Nanda Kumar et al. 1995; Salt et al. 1995; Raskin et al. 1994). Из различных видов протестированных растений B. juncea имела наиболее выраженную способность транспортировать свинец в надземную часть, аккумулируя при этом более 1,8% данного элемента в надземных органах (в пересчете на сухую массу). За исключением подсолнечника (Helianthus annuus) и табака (Nicotiana tabacum), другие виды растений, не относящиеся к семейству Brassicaceae, имели коэффициент биологического поглощения менее 1.

Согласно классификации растений по ответной реакции на присутствие в среде произрастания тяжелых металлов, используемой многими зарубежными авторами, растения имеют три основные стратегии для роста на загрязненных металлами почвах:

Исключатели металлов. Такие растения сохраняют постоянную низкую концентрацию металла несмотря на широкое варьирование его концентраций в почве, удерживая главным образом металл в корнях. Растения-исключатели способны изменять проницаемость мембран и металл-связывающую способность клеточных стенок или выделять большое количество хелатирующих веществ.

Металл-индикаторы. К ним относятся виды растений, которые активно аккумулируют металл в надземных частях и в целом отражают уровень содержания металла в почве. Они толерантны к существующему уровню концентрации металла благодаря образованию внеклеточных металл-связывающих соединений (хелаторов), или меняют характер компартментации металла путем его запасания в нечувствительных к металлу участках. Аккумулирующие металлы виды растений. Относящиеся к этой группе растения могут накапливать металл в надземной биомассе в концентрациях, намного превышающих таковые в почве. Baker и Brooks дали определение гипераккумуляторам металлов как растениям, содержащим свыше 0,1%, т.е. более чем 1000 мг/г меди, кадмия, хрома, свинца, никеля, кобальта или 1% (более 10 000 мг/г) цинка и марганца в сухой массе. Для редких металлов эта величина составляет более 0,01% в пересчете на сухую массу. Исследователи идентифицируют гипераккумулирующие виды путем сбора растений в областях, где почвы содержат металлы в концентрациях, превышающих фоновые, как в случае с загрязненными районами или в местах выхода рудных тел. Феномен гипераккумуляции ставит перед исследователями много вопросов. Например, какое значение имеет для растений накопление металла в высокотоксичных концентрациях. Окончательного ответа на этот вопрос еще не получено, однако существует несколько основных гипотез. Предполагают, что такие растения обладают усиленной системой поглощения ионов (гипотеза "неумышленного" поглощения) для осуществления определенных физиологических функций, которые еще не исследованы. Считают также, что гипераккумуляция – это один из видов толерантности растений к высокому содержанию металлов в среде произрастания.



Главные источники тяжелых металлов — отходы промышленных предприятий, различные типы электростанций, заводы из добывающей и перерабатывающей отрасли, а также выхлопы автомобильной и некоторой иной техники. Чаще всего тяжелые металлы попадают в окружающую среду в виде аэрозолей или таких химических соединений как сульфаты, сульфиды, карбонаты, оксиды и др.

Какие из тяжелых металлов чаще всего загрязняют почву? Наиболее распространенным металлами из группы тяжелых в промышленных отходах являются ртуть, свинец и кадмий. Также нередко встречается среди вредных выбросов мышьяк, цинк, железо, медь и марганец.

Тяжелые металлы могут попадать в окружающую среду в нерастворимых и растворимых формах.

Пути засорения почвы тяжелыми металлами

Первый способ загрязнения тяжелыми металлами почвы — попадание в воду и дальнейшее распространение этой воды в грунте.

Другой вариант — попадание тяжелых металлов в атмосферу и выпадение в осадок посредством сухого осаждения или мокрого осаждения.

Взаимодействие почвы с тяжелыми металлами

Почва является адсорбентом различных типов химических элементов, в том числе и тяжелых металлов. На протяжении длительного периода они находятся в грунте, проходя постепенную дезактивацию. Для некоторых тяжелых металлов эти сроки могут составлять несколько сотен или даже тысяч лет.

Ионы тяжелых и других металлов могут вступать в реакцию с компонентами почвы, утилизируясь путем выщелачивания, с помощью эрозии, дефляции и благодаря растениям.

Какие существуют методы определения тяжелых металлов в почве?

Прежде всего, надо понимать, что состав почвы неоднородный, поэтому даже на одном и том же земельном участке почвенные показатели могут сильно различаться в различных его частях. Поэтому нужно брать несколько проб и либо исследовать каждую в отдельности, либо смешивать их в единую массу и брать образец для исследования оттуда.

Количество методов определения металлов в почве достаточно велико, например некоторые из них:

• метод определения подвижных форм.
• метод определения обменных форм.
• метод выявления растворимых в кислотах (техногенных) форм.
• метод валового содержания.

С помощью данных методик производится процесс вытяжки металлов из почвы. Впоследствии нужно определить процент содержания тех или иных металлов в самой вытяжке, для чего применяются три основных технологии:

2) Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.

3) Электрохимические методы.

Прибор для соответствующей технологии выбирается в зависимости от того, какой элемент исследуется и какая его концентрация предполагается в почвенной вытяжке.

Спектрометрические методы исследования тяжелых металлов в почве

1) Атомно-абсорбционная спектрометрия.

Проба грунта растворяется в специальном растворителе, после чего реагент связывается с определенным металлом, выпадает в осадок, высушивается и прокаливается, чтобы вес стал постоянным. Затем производится взвешивание с использованием аналитических весов.

К недостаткам этого метода относится значительное количество времени, требуемое на анализ, и высокий уровень квалификации исследователя.

2) Атомно-абсорбционная спектрометрия с плазменной атомизацией.

Это более распространенный метод, позволяющий определить сразу несколько различных металлов за один прием. Также отличается точностью. Суть метода заключается в следующем: пробу нужно перевести в газообразное атомное состояние, затем анализируется степень поглощения атомами газов излучения — ультрафиолетового или видимого.

Электрохимические методы исследования тяжелых металлов в почве

Подготовительный этап заключается в растворении образца почвы в водном растворе. В дальнейшем применяются такие технологии определения в нем тяжелых металлов:

• потенциометрия.
• вольтамперометрия.
• кондуктометрия.
• кулонометрия.

1

Охрана окружающей среды от загрязнения стала насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями считаются свинец, кадмий, цинк, главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям.

Загрязнение почвы подвижными формами тяжелых металлов является наиболее актуальной, так как в последние годы проблема загрязнения окружающей среды приняла угрожающий характер. В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой отраслях науки.

Объектом данного исследования являются антропогенные почвы Железнодорожного района г.Ульяновска (на примере ул.Транспортной).

Главная цель проводимого исследования - определение степени загрязнения городских почв тяжелыми металлами.

Задачами исследования являются: определение величины рН в отобранных образцах почвы; определение концентрации подвижных форм меди, цинка, кадмия, свинца; проведения анализа полученных данных и предложение рекомендаций по снижению содержания тяжёлых металлов в городских почвах.

Пробы в 2005 году отбирались вдоль автодороги по ул.Транспортная, а в 2006 году на территории личных приусадебных участков (по той же улице), расположенных вблизи железнодорожных путей. Пробы отбирались на глубину 0-5 см и 5-10 см. Всего было отобрано 20 проб, массой по 500 г.

Исследуемые образцы проб 2005 и 2006 года относятся к нейтральной почве. Нейтральные почвы поглощают тяжелые металлы из растворов в большей степени, чем кислые. Но есть опасность увеличения подвижности тяжёлых металлов и их проникновение в грунтовые воды и близлежащий водоём, при выпадении кислотных дождей (обследуемый участок находиться в пойме р.Свияги), что незамедлительно скажется на пищевых цепях. В данных пробах наблюдается низкое содержание гумуса (2-4%). Соответственно нет способности почвы к образованию органо - металлических комплексов.

По лабораторным исследованиям почв на содержание Cu, Cd, Zn, Pb были сделаны выводы об их концентрациях в почвах обследуемой территории. В пробах 2005 года было выявлено превышение ПДК Cu в 1-1,2 раза,Cd в 6-9 раз, а содержание Zn и Pb ПДК не превысило. В пробах 2006 года отобранных на приусадебных участках концентрация Cu не превысила ПДК, содержание Cd меньше, чем в пробах отобранных вдоль дороги, но всё же превышает ПДК в разных точках от 0,3 до 4,6 раз. Содержание Zn увеличено только в 5 точке и составляет на глубине 0-5 см 23,3 мг/кг почвы (ПДК 23 мг/кг), а на глубине 5-10 см 24,8 мг/кг.

По результатам исследования сделаны следующие выводы: для почв характерна нейтральная реакция почвенного раствора; в пробах почвы низкое содержание гумуса; на территории Железнодорожного района г.Ульяновска наблюдается различное по интенсивности загрязнение тяжелыми металлами почвы; установлено, что в некоторых пробах значительное превышение ПДК, особенно это наблюдается в исследованиях почвы на концентрацию кадмия; для улучшения эколого-географического состояния почвы на данном участке рекомендуется выращивать растения-аккумуляторы тяжелых металлов и управлять экологическими свойствами самой почвы посредством ее искусственного конструирования; необходимо проводить систематический мониторинг и выявлять наиболее загрязненные и опасные для здоровья населения участки.

Библиографическая ссылка

Антонова Ю.А., Сафонова М.А. ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 11. – С. 43-44;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3676 (дата обращения: 31.03.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

CОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Почвенный покров и его использование

2. Эрозия почв (водная и ветреная) и методы борьбы с нею

3. Промышленное загрязнение почвы

3.1 Кислотные дожди

3.2 Тяжелые металлы

3.3 Свинцовая интоксикация

4. Гигиена почвы. Обезвреживание отходов

4.1 Роль почвы в обмене веществ

4.2 Экологическая взаимосвязь между почвой и водой и жид­кими отходами (сточными водами)

4.3 Пределы нагрузки почвы твердыми отходами (бытовой и уличный мусор, пром. отходы, сухой ил после осаждения сточных вод, радиоакт. вещества)

4.4 Роль почвы в распространении различных заболеваний

4.5 Вредное действие основных типов загрязнителей (твер­дых и жидких отходов), приводящих к деградации почвы

4.5.1 Обезвреживание жидких отходов в почве

4.5.2.1 Обезвреживание в почве твердых отходов

4.5.2.2 Сбор и вывоз мусора

4.5.3 Окончательное удаление и обезвреживание

4.6 Удаление радиоактивных отходов

Заключение

Список использованных источников

Введение.

Определенная часть почв, как в России, так и во всем мире с каждым годом выходит из сельскохозяйственного обращения в силу разных причин, подробно рассмотренных в УИР. Тысячи и более гектаров земли страдают от эрозии, кислотных дождей, неправильной обработки и токсичных отходов. Чтобы избежать этого, нужно ознакомиться с наиболее продуктивными и недорогими мелиоративными мероприятиями (Определение мелиорации см. в основной части работы), повышающими плодородие почвенного покрова, а прежде всего с самим негативным воздействием на почву, и как его избежать.

Эти исследования дают представление о вредном воздействии на почву и проводились по ряду книг, статей и научных журналов, посвященных проблемам почвы и защите окружающей среды.

Сама проблема загрязнения и деградации почв была актуальна всегда. Сейчас к сказанному можно еще добавить, что в наше время антропогенное влияние сильно сказывается на природе и только растет, а почва является для нас одним из главных источником пищи и одежды, не говоря уже о том, что мы по ней ходим и всегда будем находиться в тесном контакте с ней.

1. Почвенный покров и его использование.

Почвенный покров является важнейшим природным образова­нием. Его значение для жизни общества определяется тем, что почва является основным источником продовольствия, обеспечи­вающим 97-98% продовольственных ресурсов населения планеты. Вместе с тем, почвенный покров является местом деятельности че­ловека, на котором размещается промышленное и сельскохозяй­ственное производство.

Выделяя особую роль продовольствия в жизни общества, еще В. И. Ленин указывал: “Настоящие основы хозяйства - это про­довольственный фонд”.

Важнейшее свойство почвенного покрова - его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечиваю­щих урожай сельскохозяйственных культур. Естественное плодо­родие почвы регулируется запасом питательных веществ в почве и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Велика роль поч­венного покрова в продуктивности наземных экологических систем, так как почва питает сухопутные растения водой и многими сое­динениями и является важнейшим компонентом фотосинтетической деятельности растений. Плодородие почвы зависит и от аккумули­рованной в ней величины солнечной энергии. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито- или зоомассы. Продуктивность наземных экологических систем зависит от теплового и водного баланса зем­ной поверхности, которым определяется многообразие форм обмена материей и веществом в пределах географической оболочки пла­неты.

Анализируя значение земли для общественного производства, К. Маркс выделял два понятия: земля-материя и земля-капи­тал. Под первым из них следует понимать землю, возникшую в про­цессе ее эволюционного развития помимо воли и сознания людей и являющуюся местом поселения человека и источником его пиши . С того момента, когда земля в процессе развития человеческого общества становится средством производства, она выступает в но­вом качестве-капитала, без которого немыслим процесс труда, “...потому что она дает рабочему... место, на котором он стоит..., а его процессу-сферу действия...”. Именно по этой причине зем­ля является универсальным фактором любой человеческой дея­тельности.

Роль и место земли неодинаковы в различных сферах мате­риального производства, прежде всего в промышленности и сель­ском хозяйстве. В обрабатывающей промышленности, в строитель­стве, на транспорте земля является местом, где совершаются про­цессы труда независимо от естественного плодородия почвы. В ином качестве выступает земля в сельском хозяйстве. Под воз­действием человеческого труда естественное плодородие из потен­циального превращается в экономическое. Специфика использова­ния земельных ресурсов в сельском хозяйстве приводит к тому, что они выступают в двух различных качествах, как предмет труда и как средство производства. К. Маркс отмечал: “Одним только новым вложением капиталов в участки земли... люди увеличивали землю-капитал без всякого увеличения материи земли, т. е. про­странства земли”.

Земля в сельском хозяйстве выступает в качестве производи­тельной силы благодаря своему естественному плодородию, кото­рое не остается постоянным. При рациональном использовании земли такое плодородие может быть повышено за счет улучшения ее водного, воздушного и теплового режима посредством проведе­ния мелиоративных мероприятии и увеличения содержания в почве питательных веществ. Напротив, при нерациональном использова­нии земельных ресурсов их плодородие падает, вследствие чего происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур. В некоторых местах возделывание культур становится вовсе невоз­можным, особенно на засоленных и эродированных почвах.

При низком уровне развития производительных сил общества расширение производства продуктов питания происходит за счет вовлечения в сельское хозяйство новых земель, что соответствует экстенсивному развитию сельского хозяйства. Этому способствуют два условия: наличие свободных земель и возможность ведения хозяйства на доступном среднем уровне затрат капитала на еди­ницу площади. Такое использование земельных ресурсов и веде­ние сельского хозяйства типичны для многих развивающихся стран современного мира.

В эпоху НТР произошло резкое разграничение системы ведения земледелия в промышленно развитых и развивающихся странах. Для первых характерна интенсификация земледелия с использо­ванием достижений НТР, при которой сельское хозяйство разви­вается не за счет увеличения площади обрабатываемой земли, а благодаря увеличению размеров капитала, вкладываемого в зем­лю. Известная ограниченность земельных ресурсов для большин­ства промышленно развитых капиталистических стран, увеличение спроса на продукты земледелия во всем мире в связи с высокими темпами роста населения, более высокая культура земледелия способствовали переводу сельского хозяйства этих стран еще в 50-е годы на путь интенсивного развития. Ускорение процесса интенсификации сельского хозяйства в промышленно развитых капита­листических странах связано не только с достижениями НТР, но главным образом с выгодностью вложения капитала в сельское хозяйство, что сконцентрировало сельскохозяйственное производ­ство в руках крупных землевладельцев и разорило мелких фер­меров.

Иными путями развивалось сельское хозяйство в развиваю­щихся странах. Среди острых естественно-ресурсных проблем этих стран можно выделить следующие: низкую культуру земледелия, вызвавшую деградацию почв (повышенную эрозию, засоление, снижение плодородия) и естественной растительности (например, тропических лесов), истощение водных ресурсов, опустынивание земель, особенно отчетливо проявившееся на африканском конти­ненте. Все эти факторы, связанные с социально-экономическими проблемами развивающихся стран, привели к хронической нехватке в этих странах продовольствия. Так, на начало 80-х годов по обес­печенности на одного человека зерном (222 кг) и мясом (14 кг) развивающиеся страны уступали промышленно развитым капита­листическим странам соответственно в несколько раз. Решение продовольственной проблемы в развивающихся странах немыслимо без крупных социально-экономических преобразований.

В нашей стране основу земельных отношений составляет об­щегосударственная (общенародная) собственность на землю, воз­никшая в результате национализации всей земли. Аграрные отношения стро­ятся на основе планов, по которым должно развиваться сельское хозяйство в будущем, при финансово-кредитной помощи государ­ства и поставок необходимого количества машин и удобрений. Оплата работников сельского хозяйства по количеству и качеству труда стимулирует постоянное повышение их жизненного уровня.

Использование земельного фонда как единого целого осущест­вляется на основах долговременных государственных планов. При­мером таких планов явилось освоение целинных и залежных зе­мель на востоке страны (середина 50-х годов), благодаря которому стало возможным за короткий срок ввести в состав пахотных зе­мель более 41 млн. га новых площадей. Еще пример - комплекс мероприятий, связанных с выполнением Продовольственной про­граммы, предусматривающей ускорение развития сельскохозяйст­венного производства на основе повышения культуры земледелия, широкого проведения мелиоративных мероприятий, а также осу­ществления широкой программы социально-экономического пере­устройства сельскохозяйственных районов.

Земельные ресурсы мира в целом позволяют обеспечить продук­тами питания большее количество людей, чем имеется в настоя­щее время и чем оно будет в ближайшем будущем. Вместе с тем, в связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, количество пашни на душу населения сокращается.