Тяжелые металлы в почвах Попова Елена ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Тяжелые металлы в почвах Попова Елена

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ Это 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, F, Be и другие элементы, атомная масса которых меньше 50 а. е. м. Ранее применявшееся определение «токсические элементы» следует считать устаревшим, так как они токсичны для живых организмов только при определенной концентрации и условиях окружающей среды.

Источники загрязнения Элемент Естественное загрязнение Техногенное загрязнение Cr В элементарном состоянии в природе не встречается. В ви де хромита входит в состав земной коры. Выбросы предприятий, где добывают, полу чают и перерабатывают хром. Co Известно более 100 кобальт содержащих минералов. Сжигание в процессе промышленного произ водства природных и топливных материалов. Mo Входит в состав многих минералов. Металлургический процесс переработки и обогащения руд, фосфорные удобрения, про изводство цемента, выбросы ТЭС. Ni Входит в состав 53 минера лов. Выбросы предприятий горнорудной промыш ленности, цветной металлургии, машино строительные, металлообрабатывающие, хи мические предприятия, транспорт, ТЭС.

Cu Общие мировые запасы ме ди в рудах оценивают 465 млн. т. Входит в состав ми нералов. Самородная образу ется в зоне окисления сульфидных месторождений. Предприятия цветной металлургии, транс порт, удобрения и пестициды, процессы сварки, гальванизации, сжигание углеводо родного топлива. Zn Относится к группе рассе янных элементов. Широко распространен во всех гео сферах. Входит в состав 64 минералов. Высокотемпературные технологические процессы, потери при транспортировке, сжигание каменного угля. Cd Относится к редким рассеянным элементам: содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Выбросы промыш ленных комплексов, загрязнение различной степени мощности, тепловые энергетиче ские установки, моторы, удобрения, табачный дым. Hg Рассеянный элемент, кон центрируется в сульфидных рудах. Небольшое количество встречается в самородном виде. Процесс пирометаллургического получения металла, сжигание любого орга нического топлива , металлургические производства, термические процессы с нерудными мате риалами При сжи гании мусора, сточные воды.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжёлых металлов включает следующие стадии: 1. Преобразование оксидов металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты). 2. Растворение гидроксидов и адсорбция соответствующих катионов твёрдой фазой почвы. 3. Образование фосфатов тяжёлых металлов и их соединений с органическими веществами Уравнение адсорбции Фрейндлиха: почвы. х/m = КС^1/m Комплексы металлов с гумусовым веществом и гидроксидами трехвалентного железа весьма устойчивы. Так же устойчивы хемосорбционные образования, имеющие межмолекулярные связи. Наиболее легко переходят в раствор металлы, находящиеся в катионообменной форме. Следовательно, чем большая часть металла адсорбирована органическим веществом, тем более прочно он закреплен в почве. Чем большая часть находится в катионообменной форме, тем легче мобилизуется металл. В органическом веществе металлы настолько прочно связаны, что недоступны растениям.

Большая часть тяжёлых металлов, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах. Тяжёлые металлы 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 тяжёлых металлов зависит от геохимической обстановки и уровня техногенного воздействия. Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию тяжёлых металлов почвой.

Факторы, влияющие на подвижность металлов в почве • Окислительно-восстановительная способность и p. H. Миграционная способность Сu, Ni, Со, Zn в восстановительной среде снижается на 1 2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижны. Наиболее неблагополучные условия в этой связи складываются в подзолистых и дерново подзолистых почвах, имеющих неблагоприятные физические и химические свойства из за повышенной кислотности и содержания в почвенном растворе (почвенно поглощающем комплексе) ионов алюминия (Аl 3+). Указанные условия способствуют переходу металлов в биологические ткани, повышенной миграции тяжелых элементов, ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий, часто вызывают снижение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

• Гранулометрический состав. В песчаных, хорошо промываемых • почвах тяжелые металлы мигрируют в грунтовые воды и быстро разносятся ими. Почвы же, богатые глинами и гумусом, обладают способностью накапливать тяжелые элементы. При этом глинистые компоненты адсорбируют их, а гуминовые кислоты образуют с этими элементами растворимые комплексные соединения, легко усваиваемые растениями. Способность тяжелых металлов взаимодействовать с гуминовыми кислотами, образуя гуматы или комплексные соединения, является характерной особенностью современной геохимической обстановки. Последние являются более прочными соединениями. По прочности хелатной связи в комплексных соединениях тяжелые металлы распределяются следующим образом: Zn>Cu>Mn>Mo. Ртуть, свинец, кадмий и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) перегнойно аккумулятивного (гумусового) горизонта различных типов почв суглинистого состава. Миграция их по профилю и вынос за пределы почвенного профиля незначительны. Однако в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Zn и Cu менее токсичны, но более подвижны, чем Pb и Cd.

Нормирование качества почвы Основные понятия, касающиеся химического загрязнения почв, определены ГОСТ 17. 4. 1. 03 84 «Охрана природы. Почвы. Термины и определения химического загрязнения» , Сан. Пи. Н 2. 1. 7. 1287 03, ГН 2. 1. 7. 2511 09 «Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве: гигиенические нормативы» , а также Федеральным законом Российской Федерации от 30 марта 1999 г. № 52 ФЗ «О санитарно эпидемиологическом благополучии населения» . В настоящее время в нормировании качества почвы применяется только один показатель, разработанный для почв, использующихся в сельском хозяйстве. Предельно допустимая концентрация в пахотном слое почвы (ПДКп) это концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и на здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы.

Оценка уровня химического загрязнения Оценка проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов. Такими показателями являются коэффициент концентрации химического элемента Кс и суммарный показатель загрязнения ZC. Коэффициент концентрации определяется как отношение реального содержания элемента в почве С к фоновому Сф: КС = С/Сф. Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения, отражающий эффект воздействия группы элементов: Zc = ∑KСi (n – 1) , где KCi коэффициент концентрации i го элемента в пробе; n число учитываемых элементов. Суммарный показатель загрязнения почвы может быть определен как для всех элементов в одной пробе, так и для участка территории по геохимической выборке. Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементов по показателю Zc проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв.

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (Zc) Категория загрязнения почв Показатель сум марного Изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения загряз нения почв, c Z Допустимая Менее 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функ циональных заболеваний Умеренно опасная Опасная 16 32 Увеличение общей заболеваемости 32 128 Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболе ваниями , нарушениями функционального со стояния сердечно сосудистой системы Чрезвычайно опасная Более 128 Увеличение заболеваемости детского нарушение репродуктивной функции женщин населения,

Последствия загрязнения Для человека: • Cd – накапливаясь в почках, блокирует в организме сульфгидрильные группы ферментов и нарушает в нем обмен железа и кальция, синтез ДНК. • Hg более 10% двухвалентной ртути абсорбируется из пищеварительного тракта и выводится через почки. Неорганическая ртуть, прошедшая кровь мозговой барьер, поражает мозг. Кроме того, неорганические соединения ртути могут вызывать поражение почек. • Pb блокирует сульфгидрильные группы белков, ингибирует некоторые ферменты, вызывает отравления, поражает нервную систему. Место аккумуляции свинца скелет, в котором содержится около 90% всего поступившего в организм элемента. Освобождение костной ткани от свинца процесс длительный, с периодом полувыведения 5 50 лет.

Для растений: • Hg, Pb, Cu, Be, Cd и Ag ингибируют главным образом щелочную фосфатазу, каталазу, оксидазу и рибонуклеазу. • Металлы, подобные Al, Ba и Fe, могут усиливать деградацию важнейших метаболитов, таких, как АТФ. • Отдельные тяжелые металлы взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства. Например, Au, Cd, Сu и Fe 2+ иногда вызывают разрыв клеточных мембран. • Некоторые тяжелые металлы конкурируют с необходимыми растению металлами и нарушают их важнейшие функции в организме. Так, Li конкурирует с Na; Cs замещает К; Ва и Sr замещают Са; Cd замещает Zn.

Для микроорганизмов: • Тяжелые металлы оказывают выраженное токсическое действие на микробный состав почв. В частности, наибольшее токсическое влияние на микроорганизмы оказывают Cd, затем следуют Zn и Pb. Наибольшими защитными свойствами в этом отношении обладает чернозем, меньшими торфяники, самыми слабыми дерново подзолистые почвы. Так, в контрольном эксперименте было показано, что при внесении в почву Cd в концентрации 100 мг/кг суммарное содержание микроорганизмов снизилось в неокультуренной дерново подзолистой почве в 5, 5 раза, в такой же окультуренной — в 1, 5 раза.

Способы борьбы с загрязнением Известкование. Эффективность известкования во многом зависит от качества извести, ее химического состава, нейтрализующей способности и способа внесения в почву. Так карбонат кальция, магния, а также их двойная соль соединения нерастворимые в воде, то для быстрого взаимодействия с H 2, Al, Fe и Mn в почве важно обеспечить большую суммарную поверхность частиц материала, используемого для химической мелиорации. Превращение извести в пыль с диаметром частиц не более 0, 25 мм существенно снижает время нейтрализации почвенной кислотности. Скорость взаимодействия карбонатов щелочноземельных элементов с почвой зависит от значения ее p. H, влажности почвы, тщательности перемешивания с ней, а также от химического состава мелиоранта. Активность взаимодействия известкового материала (извести, мела, мрамора, доломита) с кислотами, содержащимися в почвах, зависит не только от суммарной поверхности его частиц, но и от возраста и геологических условий формирования карбоната кальция, магния, степени их кристаллизации.

Внесение в почву органического вещества. Применение органических удобрений можно рассматривать не только как источник элементов питания растений, но и как прием физической мелиорации почв. Органическое вещество выступает как хороший адсорбент ионов, повышает буферность почвы, понижает концентрацию солей в почвенном растворе. Все это способствует снижению фитотоксичности тяжелых многовалентных металлов, препятствует поступлению некоторых из них в растения.

Химическое осаждение тяжелых металлов в виде труднорастворимых солей. Существенного снижения фитотоксичности большинства тяжелых металлов можно добиться, способствуя образованию в почве их трудно растворимых соединений: сульфидов, фосфатов, карбонатов, гидроксидов. Так, обогащение почв растворимыми соединениями ортофосфорной кислоты, с одной стороны, повышает содержание фосфора в почве, улучшая тем самым ее плодородие, с другой способствует образованию трудно растворимых соединений тяжелых металлов.

Фитомелиорация. Если же тяжелые металлы распределены во всей толще плодородного слоя почвы, то вопрос удаления металлов решается «отсасыванием» их из почвы с помощью растений. В иностранной научной литературе данный прием получил название фиторемедиации или фитомелиорации. Использование этого приема восстановления плодородия и его гигиенического благополучия требует очень продуманного подхода, который включает подбор растений, обеспечивающих удаление из загрязненной почвы вредного элемента, проведение сопутствующих мероприятий с целью повышения эффективности процесса очистки и безопасного для среды удаления загрязненной массы растений.

Другие способы. Поступление токсичных тяжелых металлов в сельскохозяйственные культуры можно уменьшить глинованием, землеванием, плантажной вспашкой, внесением в почву менее токсичных химических аналогов, а также за счет комплексного использования перечисленных выше приемов. При освоении целинных земель, длительное время загрязнявшихся тяжелыми металлами из атмосферы, на площадях, прилегающих к крупным промышленным предприятиям, не имевших ранее систем эффективной очистки выбросов в атмосферу, необходимо определить глубину проникновения загрязнений, и если она не велика, удалить загрязненный слой почвы с осваиваемых площадей.

Интересные факты • Подсчитано, что одна пальчиковая батарейка, беспечно выброшенная в мусорное ведро, может загрязнить тяжёлыми металлами около 20 квадратных метров земли. В батарейках содержится множество различных металлов — Hg, Ni, Cd, Pb, Li, Mn и Zn. • По данным биологов, из известных науке растений только 1% имеет способность поглощать металлы, и то в мизерных количествах. Примерно 350 видов флоры на земле могут накапливать Ni, Mg, Zn и Cu в высокой концентрации. Например, трава Ярутка, произрастающая в Китае и местами в Европе, может накапливать Ni, Ca и Zn. Этот процесс происходит в клетках за счет вакуолей. В вакуолях находятся мембраны, которые выполняют у растения защитные функции, похожие на клетки печени у человека, таким образом, пагубные металлы не наносят пагубного влияния самому растению.