ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. химических веществ. Это продукты хозяйственной деятельности. Большая их часть накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы. Они отличаются высокой токсичностью (1 и 2 классы экологически опасных веществ). Тяжелые металлы играют важную роль в обменных процессах. Но в высоких концентрациях загрязняют почву, вредно воздействуют на экосистемы (Минеев, 1994; Барсукова, 1997).

Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность более 5г/см³. Для биологической классификации руководствуются атомной массой. Принято считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40.

К тяжелым металлам относится группа элементов, которые имеют большое биохимическое и физиологическое значение. Это микроэлементы – медь, цинк, молибден, кобальт, марганец. Существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение – «тяжелые» в смысле «токсичные». К ним относят ртуть, кадмий, свинец и некоторые другие элементы. Их считают наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлами, как мышьяк, селен, теллур (Соколов, 1999).

В таблице 1 представлены классы тяжелых металлов по опасности.

Таблица 1

Классы опасности тяжелых металлов

Почвы снижают токсичность металлов за счет своей буферности. Но скорость самоочищения снижается пропорционально ухудшению ее свойств и потери плодородия. Особенно актуальна эта проблема для орошаемых земель. Известно, что без проведения профилактических мероприятий плодородие при орошении снижается и загрязненность прогрессирует (Скуратов Н.С. и др., 2001, Добровольский Г.В. и др., 2002). В некоторых таких почвах отмечено увеличение хрома в 2 раза, свинца в 1,8 раза, меди, ванадия и никеля - в 1,4 раза, цинка - в 1,2 раза.

При максимальном загрязнении химическими веществами почва теряет способность к продуктивности, происходит потеря экологических функций и гибель экосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны (Морковкин, 1999).

Отсюда вытекает несколько экологических проблем, связанных с загрязнением почв тяжелыми металлами. Это деградация почвенного покрова, нарушение процессов синтеза органических веществ почвы, гумусообразования (Морковкин, 2000). Кроме того, тяжелые металлы могут поглотиться растениями и по пищевой цепи попасть в организмы животных и человека.

Трансформация соединений тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция (поглощение) катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование новой твердой фазы. В поглощении тяжелых металлов почвами действуют 2 механизма. Первый включает адсорбцию с образованием комплексных соединений с минеральными и органическими компонентами почв. Второй состоит в осаждении из почвенного раствора труднорастворимых соединений, т.е. в образовании вторичной твердой фазы (https://www.eco-net.ru/content/tjazhelye-metally-v-prirodnyh-sredah).

Доступность элементов для растений определяется их подвижными формами. Это формы металлов, извлекаемые водной вытяжкой (фильтрат водного раствора, полученный после взбалтывания дистиллированной воды с почвенным материалом) из почвенного раствора. Эти формы доступнее для организмов и экологически более опасны. Поэтому содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов – важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническую обстановку. Подвижность зависит от почвенно-экологических факторов (содержание органического вещества, кислотность, плотность почвы, окислительно-восстановительные условия и др.). Легкий гранулометрический состав почв, низкое содержание гумуса, кислая реакция среды способствует переходу тяжелых металлов в подвижное состояние (Лабий, Михальский, 1989).

Основная часть подвижных соединений тяжелых металлов (Sr, Mn, Zn, Ni и др.) приурочена к корнеобитаемому слоям почвы, в которых активно происходят биохимические процессы, и содержится много органических веществ (Ладонин и др., 1994).

Большинство высших растений повреждается избыточным содержанием тяжелых металлов. Но многие растения способны накапливать в надземных органах большие количества тяжелых металлов, многократно превышающие их концентрации в почве. Эти растения так и называются растения-аккумуляторы. Они в процессе эволюции сформировали конститутивные механизмы устойчивости к тяжелым металлам. Это позволяет им аккумулировать токсичные элементы в метаболически инертных органах или включать их в хелаты, тем самым переводить в физиологически безопасные формы. Подобные виды растений начинают активно использовать для разработки технологий биологической очистки загрязненных территорий.

Кроме растений-аккумуляторов существуют растения-индикаторы и растения-исключатели. У растений-индикаторов содержание металла в клетках соответствует его содержанию в почве. В побегах растений-исключателей поддерживается низкая концентрация металлов, несмотря на высокую концентрацию в окружающей среде. В этом случае барьерную функцию выполняет корень (https://new.marsu.ru/GeneralInformation/structur/HelpUnits/libr/resours/ecofisiologia%20stressa/pages/4.5.htm).

Основными источниками антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду являются металлургические заводы, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, сельское хозяйство.

Технологические процессы предприятий черной и цветной металлургии не обеспечены надежными средствами очистки газовых выбросов, что приводит к сильному загрязнению атмосферы вокруг этих предприятий. Загрязненная атмосфера в этом случае является главным источником накопления тяжелых металлов в почве и растениях (https://www.eco-net.ru/content/tjazhelye-metally-v-prirodnyh-sredah).

С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду поступает больше количество свинца. В цивилизованных странах запрещено использование бензина, содержащего тетраэтилсвинец.

В пахотные почвы попадают ртуть, мышьяк, свинец, бор, медь. Они поступают в составе ядохимикатов, стимуляторов роста растений (Мотузова, Безуглова, 2007).

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями являются Hg, Pb, Cd, Zn, Cu, Cr, Ni. Они поступают в организм человека и животных в основном с растительной пищей, воздухом и водой (Овчаренко, 1997).

Тяжелые металлы вызывают у человека токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на генетическую наследственность. Последствия поступления в организм повышенных количеств ртути включают болезнь Минамата, гибель нервной системы, лейкоцитов. Поступление свинца вызывает поражение центральной нервной системы, половых органов, канцерогенное и мутагенное действие. Молибден вызывает подагру, нарушение центральной нервной системы. С кадмием связаны рак предстательной железы, почечные расстройства (https://mitrich.zamos.ru/mainpage/oberon/6/).

Почвенный мониторинг – это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений почв под влиянием природных и антропогенных факторов (Драган, 2009). Он предназначен для наблюдений за состоянием почв, влиянием негативных процессов, способов их предотвращения и для определения степени эффективности природоохранных мероприятий. Но прежде всего он направлен на выявление антропогенных изменений почв, которые могут нанести вред здоровью человека.

Почвенные показатели, отражающие их экологическое состояние, называют индикаторами мониторинга. Среди таких показателей выделяю две группы: биохимические и педохимические. Биохимические показатели, характеризуют аккумуляцию в почвах загрязняющих веществ и их влияние на живые организмы. К этой группе относят общее (валовое) содержание загрязняющих веществ и содержание подвижных соединений загрязняющих веществ. Педохимические показатели − это свойства почв, изменение которых вызвано загрязняющими веществами. Они могут отрицательно влиять на живые организмы. К педохимическим показателям относятся показатели гумусного состояния почв, кислотно-основных свойств, катионно-обменных.

Одной из задач экологического мониторинга является оценка состояния окружающей среды. Критерием качества окружающей среды служит предельно допустимая концентрация (ПДК). ПДК − это максимальная концентрация химического вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природу в целом (Мотузова, Безуглова, 2007).

Нормирование тяжелых металлов в почвах подразделяется на транслокационное (переход элемента в растение), миграционное водное и воздушное (переход в воду и в воздух) и общесанитарное (влияние на самоочищающую способность почв) (Табл. 2).

Таблица 2

ПДК химических элементов в почвах (мг/кг)

В большинстве стран Запада благодаря использованию современных промышленных технологий проблема загрязнения почв тяжелыми металлами значительно ослаблена и преодолевается. В нашей стране переработка сырьевых масс и энергетических ресурсов вызывала и продолжает вызывать возникновение экологических проблем.

Основные направления природоохранной деятельности должны быть сосредоточены на резком сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. Для снижения загрязнения придорожных территорий продуктами сгорания автомобильного топлива целесообразны организация санитарно-защитных зон и высадка лесополос.

Перечислим различные способы химической мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами:

· известкование увеличивает поглотительную способность почв, изменяет состав поглощенных оснований в твердой фазе почвы.

· внесение органического вещества. Органическое вещество выступает как хороший адсорбент катионов и анионов, повышает буферность почв, понижает концентрацию солей в почвенном растворе. Это способствует снижению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов, препятствует их поступлению в растения;

· снижение фитотоксичности большинства тяжелых металлов в результате образования в почве трудно-растворимых солей. Так, обогащение почв растворимыми соединениями ортофосфорной кислоты, с одной стороны, повышает содержание фосфора в почве, улучшая тем самым ее плодородие, с другой стороны – способствует образованию нерастворимых соединений тяжелых металлов. Данный прием наиболее эффективен при сильном загрязнении почв, так как для образования нерастворимого осадка нужна определенная концентрация, обеспечивающая образование насыщенного раствора соли того металла, осаждения которого нам необходимо добиться (https://www.eco-net.ru/content/tjazhelye-metally-v-prirodnyh-sredah).

Современное экологическое состояние территории России можно определить как критическое, а в некоторых регионах оно приобрело характер экологического бедствия (Протасов, 2009).

Концентрация кадмия в почвенном покрове европейской части России составляет 0,14 мг/кг – в дерново-подзолистой почве, 0,24 мг/кг – в черноземе, 0,07 мг/кг – в основных типах почв Западной Сибири. Предельно допустимая концентрация (ПДК) кадмия в России составляет 0,5 мг/кг, в Германии ПДК кадмия - 3 мг/кг. Загрязнение почвенного покрова кадмием считается наиболее опасным экологическим явлением. Он может накапливаться в растениях выше нормы даже при слабом загрязнении почвы.

Цинк концентрируется в глинистых отложениях и сланцах в количествах от 80 до 120 мг/кг. В делювиальных и карбонатных суглинистых отложениях Урала, в суглинках Западной Сибири – от 60 до 80 мг/кг. Важными факторами, влияющими на подвижность цинка в почвах, являются содержание глинистых минералов и величина рН. При повышении рН элемент переходит в органические комплексы и связывается почвой. С органическим веществом цинк образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе. Концентрация его в почвенном покрове европейской территории равна 32-60 мг/кг, в почвах Западной Сибири – 60-81 мг/кг. Причинами повышенного содержания цинка в почвах могут быть как естественные геохимические аномалии, так и техногенное загрязнение. Основными антропогенными источниками его поступления являются предприятия цветной металлургии. ПДК цинка для России равна 55 мг/кг. Германскими учеными рекомендуется ПДК 100 мг/кг.

Основополагающим фактором, влияющим на величину содержания меди, является концентрация ее в почвообразующих породах. Из изверженных пород наибольшее ее количество накапливают основные породы - базальты (100-140 мг/кг) и андезиты (20-30 мг/кг). Наименьшее ее содержание отмечается в песчаниках, известняках и гранитах (5-15 мг/кг). Концентрация меди в глинах европейской части территории бывшего СССР достигает 25 мг/кг. Супесчаные и песчаные почвообразующие породы Горного Алтая накапливают в среднем 31 мг/кг меди, юга Западной Сибири – 19 мг/кг.

Медь является слабомиграционным элементом, хотя содержание подвижной формы бывает достаточно высоким. Количество подвижной меди зависит от многих факторов: химического и минералогического состава материнской породы, рН почвенного раствора, содержания органического вещества и др. Наибольшее количество меди в почве связано с оксидами железа, марганца, гидроксидами железа и алюминия. Среднее содержание меди в почвах центральных и южных областей бывшего СССР составляет 4,5-10,0 мг/кг, юга Западной Сибири – 30,6 мг/кг. ПДК меди в России – 55 мг/кг, в ФРГ – 100 мг/кг.

Наибольшее количество никеля накапливают ультраосновные (1400-2000 мг/кг) и основные (200-1000 мг/кг) породы. Осадочные и кислые породы содержат никель в меньших концентрациях. Это 5-90 и 5-15 мг/кг, соответственно. Большое значение в накоплении никеля играет гранулометрический состав почв. На примере почвообразующих пород Западной Сибири видно, что в более легких породах его содержание наименьшее, в тяжелых – наибольшее: в песках – 17 мг/кг, в тяжелых суглинках и глине – 49 мг/кг. Распределение никеля в почвенном профиле определяется содержанием органического вещества, аморфных оксидов и количеством глинистой фракции. Концентрация никеля в почвах европейской части России составляет 51-54 мг/кг, Западной Сибири – 37-41 мг/кг. Доля загрязненных никелем почв является самой значительной и уступает только почвам, загрязненным медью. ПДК никеля в России – 85 мг/кг. В Германии − 80-200 мг/кг.

Наибольшая концентрация хрома характерна для ультраосновных и основных почв (1600-3400 и 170-200 мг/кг соответственно) и наименьшая – для кислых (4-25 мг/кг). В европейской части бывшего СССР содержание хрома высоко в таких почвообразующих породах, как лессы, лессовидные карбонатные и покровные суглинки и составляет 75-95 мг/кг. Почвообразующие породы Западной Сибири содержат 58 мг/кг хрома. Его количество тесно связано с гранулометрическим составом пород: песчаные породы содержат 16 мг/кг хрома, а глинистые – около 60 мг/кг.

В России высокая концентрация хрома обусловлена обогащенностью почвообразующих пород. Курские черноземы содержат 83 мг/кг хрома, дерново-подзолистые почвы Московской области – 100 мг/кг. В почвах Урала, металла содержится до 10000 мг/кг, Западной Сибири – 86-115 мг/кг.

Загрязнение почв хромом отмечено за счет выбросов цементных заводов, предприятий черной и цветной металлургии, использования в сельском хозяйстве осадков промышленных сточных вод. Наивысшие концентрации хрома в техногенно-загрязненных почвах достигают 400 мг/кг, что особенно характерно для крупных городов. ПДК хрома в почвах в России еще не разработаны. В Германии для почв сельскохозяйственных угодий она составляет 200-500, приусадебных участков – 100 мг/кг.

Каждый год в Китае загрязнению тяжёлыми металлами подвергается 12 млн тонн сельхозпродуктов. Экономический ущерб от этого составляет 20 млрд юаней ($2,8 млрд). Причиной такого явления являются масштабные выбросы неочищенных промышленных вод и неправильная утилизация отходов горной промышленности.

Эту статистику Министерства земли и природных ресурсов приводит еженедельник «Китайская экономика». В статье говорится, что количество загрязнённых продуктов является годовым потреблением более 40 млн человек (https://www.epochtimes.com.ua).

В Алтайском крае отмечается загрязнение свинцом и кадмием в пригородной зоне Барнаула (Бурлакова, Морковкин, 1992). Повышенное содержание никеля отмечено в глинистых почвах Бие-Катунского междуречья, Салаира, Присалаирской равнины (Состояние окружающей среды, 1997), а также наблюдается высокое содержание ряда тяжелых металлов в промышленной зоне г. Барнаула (Пудовкина, 1999).

В целом территория Алтайского края характеризуется высоким содержанием тяжелых металлов в почвах. В почвах края содержится, в среднем, 30 мг/кг меди, 22 мг/кг свинца, 83 мг/кг цинка, 15 мг/кг кобальта (Состояние окружающей среды,1997).