Лекция 4 Под техногенным загрязнением

Лекция 4.

• Под техногенным загрязнением почв понимается избыточное содержание химических веществ и организмов в количествах, снижающих технологическую, питательную и санитарно-гигиеническую ценность выращиваемых культур, ухудшающих качество других сопредельных компонентов и ведущих к деградации почвы.

• Геохимическая аномалия — участок территории, в пределах которого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов достоверно отличаются от геохимического фона. • Геохимический фон — средняя величина природной вариации содержаний химических элементов. Устанавливается на территории, где с большой надежностью можно предположить отсутствие природных или антропогенных источников поступления химических элементов.

• Геохимический поток рассеяния — термин применяется при описании аномалий в природных средах, транспортирующих загрязняющие вещества (в водах и воздухе). Их главными особенностями являются динамичность, неустойчивость состава и концентраций химических элементов во времени. • Геохимический ореол рассеяния — термин, используемый для описания аномалий в природных средах, накапливающих загрязняющие вещества при их выпадении из потоков рассеяния.

По масштабу различают: • Глобальное загрязнение почвы - загрязнение почвы, возникающее вследствие дальнего переноса загрязняющего вещества в атмосфере на расстояния, превышающие 1000 км от любых источников загрязнения. • По данным агрохимической службы России (1997), почти 0, 4 млн. га в нашей стране загрязнены медью, свинцом, кадмием и др. • Еще больше земель загрязнены радионуклидами и радиоактивными изотопами в результате Чернобыльской катастрофы.

По масштабу различают: • Региональное загрязнение почвы - загрязнение почвы, возникающее вследствие переноса в атмосферу загрязняющего вещества на расстояния более 40 км от техногенных и более 10 км от сельскохозяйственных источников загрязнения. • Локальное загрязнение почвы - загрязнение почвы вблизи одного или совокупности нескольких источников загрязнения.

Схема основных форм техногенного загрязнения почв (Летувнинкас , 2002) ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ Механическое Замусоривание Тяжелыми металлами Физическое Радиоактивное Пестицидами Кислотное Химическое Биогенное Нефтью и нефтепродуктами Биологическое Микробное Канцерогенными УВ Щелочное

Ø Ø Общая схема источник загрязнения. перевод загрязнителя в подвижное состояние; миграционный поток; осаждение и накопление.

Схема формирования аэрогенного геохимического ореола в почвах (Летувнинкас, 2002) А – источник загрязнения; Б – миграционный поток рассеяния; С – депонирующая среда; а-б – миграционный поток: а – периферическая часть; б – центральная часть; 1 -5: техногенный ореол: 1 - зона максимального загрязнения; 2 – 3 – средние зоны; 4 – периферическая фронтальная зона; 5 – центральная часть.

Схема функционирования геохимических барьеров в почвах

Группы источников загрязнения Стоки, утечки Фильтрация в водоносные гор-ты Выбросы в атмосферу Миграция с водными потоками Смыв в водные системы Миграция в воздухе, выпадения на пов-ть (Сает и др. , 1990) Твердые отходы Захоронение, неконтролируемое размещение Утилизация ПОСЛЕДСТВИЯ Загрязнение подземных вод, ограничение водопользования Загрязне ние и ухудшение качества рекреационных в. рес. , ограниче ние вопоп-я Загразнение почв и с/х продукции при поливе, ограниче ние землепользова ния Загрязнение почв, увеличение их санитарной опасности, ухудшение состояния лесопарко вых зон Загрязнение воздуха, образование зон опасного воздействия на население и ограничения по строительству Загрязнение почв, водоемов вокруг мест захоронения, подземных вод, ограничение водопользования Загразнение почв и с/х продукции при поливе, ограниче ние землепользова ния

Основные загрязнители почвы: 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы производства; 4) газо-дымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты.

Загрязнение почв Выбросы предприятий Замусоривание Свалки Загрязнение нефтью

(Сает и др. , 1990)

• Общее количество всех видов отходов накопленных в России составляет более 50 млрд т. • В нашей стране ежегодно образуется свыше млрд т промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичных. • Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами, хвостохранилищами и др. , которые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к самоочищению, как известно, ограничена.

• С промышленными отходами по объему сопоставимы коммунально-бытовые отходы. • Количество ежегодно образующихся ТБО в городах около 150 -300 кг на человека, что дает в целом 130 млн м 3. Из них перерабатываются около 3, 5 %.

Коэффициенты концентраций химических элементов в продуктах сжигания ТБО городов (Сает и др. , 1990) Элемент Продукты сжигания ТБО Bi 300 -1300 Ag 86 -300 Sn 80 -720 Pb Cd Sb Cu Zn Cr Hg 97 -116 38 -923 60 -180 32 -85 22 -68 7 -20 5 -10 Летучая зола 10 000 430 -1430 880 -1200 281 -625 380 -770 200 -400 15 -64 120 -360 10 -200 н. д.

(Сает и др. , 1990)

Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газодымовые выбросы промышленных предприятий. Почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества. Пример. Вблизи ртутного комбината содержание ртути в почве из-за газо-дымовых выбросов может повышаться до концентраций, в сотни раз превышающих допустимые.

Тяжелые металлы • Загрязнение ТМ - избыточное накопление в почве группы экотоксичных элементов, в которую обычно включают Pb, Zn, Hg, Cu, Cd, Cr, Ni, Co, Sb, Sn, Bi, Mo, V, Mn, Ti, W. Нередко к ним присоединяют «не тяжелые» металлы и некоторые металлоиды – Be, Tl, Sr, Ga, Ge, As, Se, B.

Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др. Причины загрязнения — аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы и т. д. Пример. В отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые значения в 150— 250 раз. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га, загрязненных нефтью с толщиной слоя не менее 5 см (Государственный доклад. . . , 1995).

• К приоритетным загрязнителям в первую очередь относят тяжелые металлы. • Миграция тяжелых металлов в почвах может происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов.

• Среди наиболее токсичных элементов, прежде всего, следует назвать ртуть, которая представляет наибольшую опасность в форме сильнотоксичного соединения – метилртути. • Ртуть попадает в атмосферу при сжигании каменного угля и при испарении вод из загрязненных водоемов. • С воздушными массами она может переноситься и откладываться на почвах в отдельных районах. • Исследования показали, что ртуть хорошо сорбируется в верхних сантиметрах перегнойно-аккумулятивного горизонта разных типов почв суглинистого механического состава. • Миграция ее по профилю и вымывание за пределы почвенного профиля в таких почвах незначительна. Однако в почвах легкого механического состава, кислых и обедненных гумусом процессы миграции ртути усиливаются. В таких почвах проявляется также процесс испарения органических соединений ртути, которые обладают свойствами летучести.

• Свинец также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для животных. • Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы почвенного профиля в небольших количествах. • Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. • Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них. В зерне пшеницы и ячменя количество его в 5 -8 раз превышает фоновое содержание, в ботве картофеля – более чем в 20 раз, в клубнях – более чем в 26 раз.

• Кадмий, подобно ванадию и цинку, аккумулируется в гумусовой толще почв. Характер его распределения в почвенном профиле и ландшафте имеет много общего с другими металлами, в частности с характером распределения свинца. • Однако, кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец. • Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения. Содержание его в подзолистых почвах может составлять от сотых долей до 1 мг/кг, в черноземах – до 15 -30, а в красноземах – до 60 мг/кг.

• Мышьяк попадает в почву с продуктами сгорания угля, с отходами металлургической промышленности, с предприятий по производству удобрений. • Наиболее прочно мышьяк удерживается в почах, содержащих активные формы Fe, Al, Ca. • Токсичность мышьяка в почвах всем известна. Загрязнение почв мышьяком вызывает, например, гибель дождевых червей. • Фоновое содержание мышьяка в почвах составляет сотые доли миллиграмма на кг почвы.

• Цинк и медь менее токсичны, чем названные тяжелые металлы, но избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений. • Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве.

• Фтор и его соединения находят широкое применение в атомной, нефтяной, химической и др. видах промышленности. • Он попадает в почву с выбросами металлургических предприятий, в частности, алюминиевых заводов, а также как примесь при внесении суперфосфата и некоторых других инсектицидов. • Загрязняя почву, фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение питательных веществ в почве. Кроме того, может снижаться водопроницаемость почв. • Наибольшая адсорбция фтора происходит в почвах с хорошо развитым почвенным поглощающим комплексом. Растворимые фтористые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и могут попадать в грунтовые воды.

Сопряжение геохимических аномалий в смежных природных средах Геохимические аномалии в снеговом покрове 1 2 3 Геохимические аномалии в почвах Речные литохимические потоки Биогеохимические аномалии Характер связей: 1 – основные прямые; 2 – второстепенные прямые; 3 – обратные.

• Согласно ГОСТ 17. 4. 1. 02 -83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения» вредные химические вещества, попадающие в почву распределены по трем классам опасности. Отнесение химических веществ, попадающих в почву из выбросов, сбросов, отходов к классам опасности Класс опасности I Химическое вещество II As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn, F, бенз(а)пирен B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr III Ba, V, W, Mn, Sr, ацетофенон

Классификация почв по содержанию и степени загрязнения ТМ, мг/кг (Биогеохимия…, 2000) Уровни содержания и загрязнения Pb Cd Zn Cu Ni Hg Содержание (валовое) Очень низкое <5 < 0, 05 < 15 <5 < 10 < 0, 05 Низкое 5 -10 0, 05 -0, 1 15 -30 5 -15 10 -20 0, 05 -0, 1 Среднее 10 -35 0, 1 -0, 25 30 -70 15 -50 20 -50 0, 1 -0, 25 Повышенное 35 -70 0, 25 -0, 5 70 -100 50 -80 50 -70 0, 25 -0, 5 Высокое 70 -100 0, 5 -1, 0 100 -150 80 -100 70 -100 0, 5 -1, 0 Загрязнение Слабое 100 -150 1 -2 150 -200 100 -150 1 -2 Среднее 150 -500 2 -5 200 -500 150 -250 150 -300 2 -5 Высокое 500 -1000 5 -10 500 -1000 250 -500 300 -600 5 -10 Очень высокое > 1000 > 500 > 600 > 10

Классификация почв по содержанию и степени загрязнения подвижных форм ТМ, мг/кг (Биогеохимия…, 2000) Уровни содержания и загрязнения Pb Cd Zn Cu Co Ni Содержание (п. ф. , ацетатно-аммонийная вытяжка) Очень низкое < 0, 2 < 0, 02 <1 < 0, 2 < 0, 1 < 0, 2 Низкое 0, 2 -0, 5 0, 02 -0, 05 1 -2 0, 2 -0, 5 0, 1 -0, 2 -0, 5 Среднее 0, 5 -1, 5 0, 05 -0, 10 3 -5 0, 5 -1, 5 0, 2 -0, 5 -1, 5 Высокое 1, 5 -5, 0 0, 10 -0, 50 5 -20 1, 5 -5, 0 0, 5 -3, 0 1, 5 -5, 0 Загрязнение Слабое 5 -10 0, 5 -1, 0 20 -50 5 -10 3 -5 5 -10 Среднее 10 -50 1, 0 -3, 0 50 -100 10 -50 5 -25 10 -50 Высокое 50 -100 3 -5 100 -200 50 -100 25 -50 50 -100 Очень высокое > 100 >5 > 200 > 100 > 50 > 100