Тяжелые металлы - биохимически активные элементы, входящие в круговорот органических веществ и воздействующие преимущественно на живые организмы. К тяжелым металлам относятся такие элементы, как свинец, медь, цинк, кадмий, никель, кобальт и ряд других.

Миграция тяжёлых металлов в почвах зависит, прежде всего, от щёлочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, определяющих разнообразие почвенно-геохимических обстановок. Важную роль в миграции тяжелых металлов в профиле почв играют геохимические барьеры, в одних случаях усиливающие, в других ослабляющие (в силу способности к консервации) устойчивость почв к загрязнению тяжелыми металлами. На каждом из геохимических барьеров задерживается определённая группа химических элементов, обладающая сходными геохимическими свойствами.

Специфика основных почвообразовательных процессов и тип водного режима обусловливают характер распределения тяжелых металлов в почвах: накопление, консервацию или вынос. Выделены группы почв с накоплением тяжелых металлов в разных частях почвенного профиля: на поверхности, в верхней, в средней части, с двумя максимумами. Кроме того, выделены почвы в зоне , которым присуща концентрация тяжелых металлов за счёт внутрипрофильной криогенной консервации. Особую группу образуют почвы, где в условиях промывного и периодически промывного режимов происходит вынос тяжелых металлов из профиля. Внутрипрофильное распределение тяжелых металлов имеет большое значение для оценки загрязнения почв и прогноза интенсивности аккумуляции в них загрязнителей. Характеристика внутрипрофильного распределения тяжелых металлов дополнена группировкой почв по интенсивности их вовлечения в биологический круговорот. Всего выделено три градации: высокая, умеренная и слабая.

Своеобразна геохимическая обстановка миграции тяжелых металлов в почвах речных пойм, где при повышенной обводнённости значительно возрастает подвижность химических элементов и соединений. Специфика геохимических процессов здесь обусловлена, прежде всего, резко выраженной сезонностью смены окислительно-восстановительных условий. Это связано с особенностями гидрологического режима рек: продолжительностью весенних, наличием или отсутствием осенних паводков, характером меженного периода. Длительность затопления паводковыми водами пойменных террас определяет преобладание либо окислительных (кратковременное затопление поймы), либо окислительно-восстановительных (долгопоёмный режим) условий.

Наибольшим техногенным воздействиям площадного характера подвергаются пахотные почвы. Основной источник загрязнения, с которым в пахотные почвы поступает до 50 % общего количества тяжелых металлов, - фосфорные удобрения. Для определения степени потенциального загрязнения пахотных почв проведен сопряженный анализ свойств почв и свойств загрязнителя: учитывались содержание, состав гумуса и гранулометрический состав почв, а также щелочно-кислотные условия. Данные по концентрации тяжелых металлов в фосфоритах месторождений разного генезиса позволили рассчитать их среднее содержание с учетом приблизительных доз внесения удобрений в пахотные почвы разных районов. Оценка свойств почв соотнесена с величинами агрогенной нагрузки. Совокупная интегральная оценка легла в основу выделения степени потенциального загрязнения почв тяжелыми металлами.

Наиболее опасны по степени загрязнения тяжелыми металлами почвы многогумусовые, глинисто-суглинистые с щелочной реакцией среды: темно-серые лесные, и темно-каштановые - почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью. Повышенной опасностью загрязнения почв тяжелыми металлами характеризуются также Московская и Брянская области. обстановка с дерново-подзолистыми почвами не способствует здесь аккумуляции тяжелых металлов, однако в этих областях техногенная нагрузка велика и почвы не успевают «самоочищаться».

Эколого-токсикологическая оценка почв на содержание тяжелых металлов показала, что 1,7 % земель сельскохозяйственного назначения загрязнено веществами I класса опасности (высокоопасными) и 3,8 % - II класса опасности (умеренно опасными). Загрязнение почв с содержанием тяжелых металльов и мышьяка выше установленных норм выявлено в Республике Бурятия, Республике Дагестан, Республике , Республике Мордовия, Республике Тыва, в Красноярском и Приморском краях, в Ивановской, Иркутской, Кемеровской, Костромской, Мурманской, Новгородской, Оренбургской, Сахалинской, Читинской областях.

Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и . Оценка опасности загрязнения почв комплексом тяжелых металлов проводилась по суммарному показателю Zc.

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

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

Источники загрязнения окружающей среды

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

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

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

Опасность загрязнения тяжелыми металлами

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

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

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

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

S. Donahue - Загрязнение почв тяжелыми металлами Почво-грунты являются одним из важнейших компонентов сельскохозяйственной и городской среды, и в обоих случаях разумное управление является ключом к качеству почвы. Эта серия технических примечаний рассматривает техногенную деятельность человека, которая вызывает деградацию почв, а также методы управления, которые защищают городские почвы. Данная техническая записка посвящена загрязнению почвы тяжелыми металлами

Металлы в почве

Добыча, производство и использование синтетических веществ (например, пестициды, краски, промышленные отходы, бытовые и промышленные воды) может привести к загрязнению городских и сельскохозяйственных земель тяжелыми металлами. Тяжелые металлы также встречаются в природе, но редко в токсичных количествах. Потенциальное загрязнение почвы могут образоваться на старых свалках (особенно на тех, которые используются для промышленных отходов), в старых садах, на которых использовали пестициды, содержащие мышьяк в качестве активного ингредиента, на полях, которые в прошлом применялись под сточные воды или муниципальные осадки, в районах или вокруг горных отвалов и хвостохранилищ, промышленных районах, где химические вещества, возможно, были сброшены на землю в районах с подветренной стороны промышленных объектов.

Избыточные накопления тяжелых металлов в почвах является токсичным для человека и животных. Накопление тяжелых металлов, как правило, хроническое (воздействие в течение длительного периода времени), вместе с пищей. Острое (немедленное) отравления тяжелыми металлами происходит при проглатывании или кожном контакте. Хроническими проблемами, связанными с долгосрочным воздействием тяжелых металлов являются:

1. Свинец - психические расстройства.
2. Кадмий - влияет на почки, печень и желудочно-кишечный тракт.
3. Мышьяк - кожные заболевания, влияет на почки и центральную нервную систему.

Наиболее распространенными катионными элементами являются ртуть, кадмий, свинец, никель, медь, цинк, хром и марганец. Наиболее распространенными анионными элементами - мышьяк, молибден, селен, бор.

Традиционные способы восстановления загрязненных почв

Методы рекультивации почв и сельскохозяйственных культур может помочь предотвратить попадание загрязняющих веществ в растения, оставляя их в почве. Данные методы рекультивации не приведут к удалению тяжелых металлов загрязняющих веществ, но поможет для иммобилизации их в почву и уменьшить вероятность негативного последствия металлов. Обратите внимание, что вид металла (катион или анион) необходимо учитывать:

1. Увеличение рН почвы до 6,5 или выше. Катионные металлы более растворимы на более низких уровнях рН, поэтому повышение рН делает их менее доступными для растений и, следовательно, менее вероятно, будут включены в ткани растений и попадут в организм человека. Повышение рН имеет противоположный эффект на анионные элементы.
2. Слив во влажных почвах. Дренаж улучшает аэрацию почвы и позволит металлам окислятся, что делает их менее растворимыми и доступными. Обратное свойство будет наблюдаться для хрома, который является более доступным в окисленной форме. Активность органического вещества эффективно в снижении доступности хрома.
3. . Применение фосфатов. Применения фосфатов может привести к снижению доступности катионных металлов, но иметь противоположный эффект на анионных соединениях, таких как мышьяк. Применять фосфаты нужно разумно поскольку высокий уровень фосфора в почве может привести к загрязнению воды.
4. Тщательный подбор растений для использования на металлически загрязненных почвах Растения перемещают большое количество металлов в листьях, нежели их плоды или семена. Наибольший риск заражения пищевых продуктов в цепочке листовые овощи (салат или шпинат). Другой опасностью является поедание этих растений скотом.

Установки для экологической очистки

Исследования показали, что растения эффективны в очистке загрязненных почвы (Венцель и соавт., 1999). Фиторемедиация это общий термин использования растений для удаления тяжелых металлов или для содержания почвы в чистом состоянии, без загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, пестициды, растворители, сырая нефть, полициклические ароматические углеводороды. Например, степной травы могут стимулировать распад нефтепродуктов. Полевые цветы были недавно использованы для деградации углеводородов от разлива нефти в Кувейте. Гибридные виды тополей могут удалить химические соединения, такие как TNT, а также как высокое содержание нитратов и пестицидов (Brady и Weil, 1999).

Растения для обработки металлически загрязненных почв

Растения были использованы для стабилизации и удаления металлов из почвы и воды. Используется три механизма: фитоэкстракция, ризофильтрация и фитостабилизация.

Данная статья рассказывает о ризофильтрации и фитостабилизации, но основное внимание уделет фитоэкстракции.

Ризофильтрация - это адсорбция на корнях растений или поглощения корнями растений загрязнителей, которые находятся в окружающих корневую зону растворах (ризосфере).

Ризофильтрация используется для обеззараживания подземных вод. Растения, выращивают в теплицах. Загрязненная вода используется для акклиматизации растений в окружающей среде. Затем, эти растения высаживаются на месте загрязненных грунтовых вод, где корни фильтруют воды и загрязняющие вещества. Как только корни насыщаются загрязненными веществами, растения собирают. В Чернобыле, таким образом был использован подсолнечник, для удаления радиоактивных веществ в подземных водах (EPA, 1998)

Фитостабилизация - это использование многолетних растения для стабилизации или иммобилизации вредных веществ в почве и грунтовых водах. Металлы поглощаются и накапливаются в корнях, адсорбируются на корнях, или осаждаются в ризосфере. Также данные растения могут быть использованы для восстановления растительности, в местах, где не хватает естественной растительности, тем самым уменьшая риск водной и ветровой эрозии и выщелачивания. Фитостабилизация снижает подвижность загрязняющих веществ и предотвращает дальнейшее движение загрязненных веществ в грунтовые воды или воздух, и снижает попадание их в пищевые цепи.

Фитоэкстракция

Фитоэкстракция - это процесс выращивания растений в металлически загрязненной почвы. Корни перемещают металлы в надземные части растений, после чего эти растения собирают и сжигают или компостируют для переработки металлов. Несколько циклов роста сельскохозяйственных культур могут быть необходимы для уменьшения уровня загрязнения в допустимых пределах. Если растения сжигают, золу нужно утилизировать на свалках отходов.

Растения выращивающиеся для фитоэкстракции называют гипераккумуляторами. Они поглощают необычно большое количество металла по сравнению с другими растениями. Гипераккумуляторы могут содержать около 1000 миллиграмм на килограмм кобальта, меди, хрома, свинца, никеля, и даже 10 000 миллиграммов на килограмм (1%) марганца и цинка в сухом веществе (Baker и Брукс, 1989).

Фитоэкстракция проще для таких металлов, как никель, цинк, медь, потому что эти металлов предпочитают большинство из 400 растений гипераккумуляторов. Некоторые растения из рода Thlaspi (pennycress), как известно, содержат около 3% цинка в тканях. Эти растения можно использовать в качестве руды в связи с высокой концентрацией металла (Брэди и Вейля, 1999).

Из всех металлов, свинец является наиболее распространенным загрязнителем почвы (EPA, 1993). К сожалению, растения не накапливают свинец в природных условиях. Такие хелаторы, как ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) должны быть добавлены к почве. ЭДТА позволяет растениям извлекать свинец. Наиболее распространенным растением, используемым для извлечения свинца является индийская горчица (Brassisa juncea). Phytotech (частная исследовательская компания) сообщила, что они очистили плантации в Нью-Джерси, под промышленными стандартами с 1 по 2, при помощи индийской горчицы (Wantanabe, 1997).

Растения могут удалять цинк, кадмий, свинец, селен и никель из почвы на проектах, которые являются средне и долгосрочно перспективными.

Традиционная очистка на территориях может стоить от $ 10.00 и $ 100.00 за кубический метр (м3), в то время как удаление загрязненных материалов может стоить от $ 30.00 до $ 300 / м 3. Для сравнения, фитоэкстракция может стоить $ 0,05 / м3 (Watanabe, 1997).

Перспективы на будущее

Фиторемедиация была изучена в процессе исследования малых и полномасштабных приложений. Фиторемедиация может переместиться в сферу коммерциализации (Watanabe, 1997). Прогнозируется, что фиторемедиации рынка достигнет $ 214 до $ 370 млн. к 2005 году(Environmental Science & Technology, 1998). Учитывая нынешнюю эффективность фиторемедиации лучше всего подходит для очистки более широких областей, в которой загрязнители присутствуют в низких и средних концентрациях. Перед полной коммерциализацией фиторемедиации, необходимы дальнейшие исследования, чтобы удостоверится, что ткани растений, используемых для фиторемедиации не имеют неблагоприятного воздействия на окружающую среду, дикой природы или на человека (EPA, 1998). Исследования также необходимы, чтобы найти более эффективные биоаккумуляторы, которые производят больше биомассы. Существует необходимость для коммерческого извлечения металлов из растительной биомассы, так они могут быть переработаны. Фиторемедиация медленнее, чем традиционные методы удаления тяжелых металлов из почвы, но гораздо дешевле. Предупреждение загрязнения почвы намного дешевле, нежели исправление катастрофических последствий.

Список использованной литературы

1.Baker, A.J.M., and R.R. Brooks. 1989. Terrestrial plants which hyperaccumulate metallic elements - a review of their distribution, ecology, and phytochemistry. Biorecovery 1:81:126.
2. Brady, N.C., and R.R. Weil. 1999. The nature and properties of soils. 12th ed. Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ.
3. Environmental Science & Technology. 1998. Phytoremediation; forecasting. Environmental Science & Technology. Vol. 32, issue 17, p.399A.
4. McGrath, S.P. 1998. Phytoextraction for soil remediation. p. 261-287. In R. Brooks (ed.) Plants that hyperaccumulate heavy metals their role in phytoremediation, microbiology, archaeology, mineral exploration and phytomining. CAB International, New York, NY.
5. Phytotech. 2000. Phytoremediation technology.

Тяжелые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твердые отходы. Загрязнение ТМ связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки ТМ попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и отравляя ее. ТМ относятся к особым загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах .

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

Из почвы ТМ усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу.

Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы.

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов .

Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, глиноземные, медно-цинковые, свинцово-плавильные, никелевые, титаномагниевые, ртутные и др.), а также по переработке цветных металлов (радиотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальванические и пр.).

В пыли металлургических производств, заводов по переработке руд концентрация Pb, Zn, Bi, Sn может быть повышена по сравнению с литосферой на несколько порядков (до 10-12), концентрация Cd, V, Sb - в десятки тысяч раз, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag - в сотни раз. Отходы предприятий цветной металлургии, заводов лакокрасочной промышленности и железобетонных конструкций обогащены ртутью. В пыли машиностроительных заводов повышена концентрация W, Cd, Pb (табл. 1).

Таблица 1. Основные техногенные источники тяжелых металлов

Под влиянием обогащенных металлами выбросов формируются ареалы загрязнения ландшафта преимущественно на региональном и локальном уровнях. Влияние предприятий энергетики на загрязнение окружающей среды обусловлено не концентрацией металлов в отходах, а их огромным количеством. Масса отходов, например, в промышленных центрах, превышает их суммарное количество, поступающее от всех других источников загрязнения. С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду выбрасывается значительное количество Pb, которое превышает его поступление с отходами металлургических предприятий.

Пахотные почвы загрязняются такими элементами как Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, стимуляторов роста растений, структурообразователей. Нетрадиционные удобрения, изготовляемые из различных отходов, часто содержат большой набор загрязняющих веществ с высокими концентрациями. Из традиционных минеральных удобрений фосфорные удобрения содержат примеси Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd .

Распределение в ландшафте металлов, поступивших в атмосферу из техногенных источников, определяется расстоянием от источника загрязнения, климатическими условиями (сила и направление ветров), рельефом местности, технологическими факторами (состояние отходов, способ поступления отходов в окружающую среду, высота труб предприятий).

Рассеивание ТМ зависит от высоты источника выбросов в атмосферу. Согласно расчетам М.Е. Берлянда, при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии 10-40 высот трубы. Вокруг таких источников загрязнения выделяются 6 зон (табл. 2). Площадь воздействия отдельных промышленных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км2 .

Таблица 2. Зоны загрязнения почв вокруг точечных источников загрязнения

		Расстояние от источника загрязнения в км	Превышение содержания ТМ по отношению к фоновому
	Охранная зона предприятия

Зоны загрязнения почв и их размер тесно связаны с векторами господствующих ветров. Рельеф, растительность, городские постройки могут изменять направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Аналогично зонам загрязнения почв можно выделить и зоны загрязнения растительного покрова.

За почти 30-летний период исследований состояния экосистем, загрязненных тяжелыми металлами, получено множество свидетельств интенсивности локального загрязнения металлами почв.

Зона сильного загрязнения сформировалась в пределах 3-5 км от Череповецкого комбината черной металлургии (Вологодская обл.). В окрестностях Среднеуральского металлургического комбината загрязнение аэрозольными выпадениями охватило территорию площадью более 100 тыс. га, причем 2-2,5 тыс. га полностью лишены растительного покрова. В ландшафтах, подверженных воздействию выбросов Чемкентского свинцового комбината, наибольший эффект наблюдается в промзоне, где концентрация свинца в почве на 2-3 порядка выше фоновой.

Отмечается загрязнение не только Pb, но и Mn, поступление которого носит вторичный характер и может быть вызвано переносом из деградированной почвы. Деградация почв наблюдается в загрязненных почвах окрестностей завода «Электроцинк» в предгорьях Северного Кавказа. Сильное загрязнение проявляется в 3-5-километровой зоне от завода. Аэрозольные выбросы свинцовоцинкового комбината Усть-Каменогорска (Северный Казахстан) обогащены металлами: до недавнего времени ежегодные выбросы РЬ составляли 730 т свинца, Zn 370 т цинка, 73 000 т серной кислоты и серного ангидрида. Выбросы аэрозолей и сточных вод привели к созданию зоны сильного загрязнения с превышением основных групп поллютантов, на порядки превышающие фоновые уровни содержания металлов. Загрязнение почв металлами часто сопровождается закислением почв.

Когда почвы подвержены аэрозольному загрязнению, важнейшим фактором, влияющим на состояние почв, является удаленность от источника загрязнения. Например, максимальное загрязнение растений и почв свинцом, поступающим с выхлопными газами автомобилей, прослеживается чаще всего в 100-200-метровой зоне от магистрали.

Влияние аэрозольных выбросов промышленных предприятий, обогащенных металлами, проявляется чаще всего в радиусе 15-20 км, реже - в 30 км от источника загрязнения.

Имеют значение такие технологические факторы, как высота выброса аэрозолей из труб заводов. Зона максимального загрязнения почв образуется в пределах расстояния, равного 10-40-кратной высоте промышленного выброса высокого и горячего и 5-20-кратной высоте низкого холодного выброса.

Существенное влияние оказывают метеорологические условия. В соответствии с направлением преобладающих ветров формируется ареал преобладающей части загрязненных почв. Чем больше скорость ветра, тем меньше загрязняются почвы ближних окрестностей предприятия, тем интенсивнее перенос загрязняющих веществ. Наибольшие концентрации загрязняющих веществ в атмосфере ожидаются для низких холодных выбросов при скорости ветра 1-2 м/с, для высоких горячих выбросов - при скорости ветра 4-7 м/с. Влияют температурные инверсии: в инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, что ухудшает рассеивание аэрозолей выбросов и ведет к загрязнению в импактной зоне. Сказывается влажность воздуха: при высокой влажности уменьшается рассеяние загрязняющих веществ, так как при конденсации они могут из газообразной формы переходить в менее миграционно-способную жидкую фазу аэрозолей, далее они удаляются из атмосферы в процессе осаждения. Следует учитывать, что время пребывания во взвешенном состоянии загрязняющих частиц аэрозоля и соответственно дальность и скорость их переноса зависят и от физико-химических свойств аэрозолей: частицы более крупные оседают быстрее, чем тонкодисперсные.

В зоне воздействия выбросов промышленных предприятий, прежде всего предприятий цветной металлургии, являющихся самым мощным поставщиком тяжелых металлов, меняется состояние ландшафта в целом. Например, ближайшие окрестности свинцовоцинкового завода в Приморье превратились в техногенную пустыню. Они полностью лишены растительности, почвенный покров уничтожен, поверхность склонов сильно эродирована. На расстоянии более 250 м сохранился изреженный лес из дуба монгольского без примеси других пород, травянистый покров полностью отсутствует. В верхних горизонтах распространенных здесь бурых лесных почв содержание металлов превысило фоновые уровни и кларк в десятки и сотни раз.

Судя по содержанию металлов в составе вытяжки 1н. HNO 3 из этих загрязненных почв, основная часть металлов в них находится в подвижном, непрочно связанном состоянии. Это общая закономерность для загрязненных почв. В данном случае это привело к повышению миграционной способности металлов и увеличению на порядки концентрации металлов в лизиметрических водах. Выбросы данного предприятия цветной металлургии наряду с обогащением металлами имели повышенное содержание оксидов серы, что способствовало подкислению осадков и подкислению почв, pH их снизился на единицу.

В почвах, загрязненных фторидами, напротив, уровень pH почв повышался, что способствовало увеличению подвижности органического вещества: окисляемость водных вытяжек из почв, загрязненных фторидами, повысилась в несколько раз.

Поступившие в почву металлы распределяются между твердыми и жидкой фазами почвы. Органические и минеральные компоненты твердых фаз почвы удерживают металлы за счет разных механизмов с различной прочностью. Эти обстоятельства имеют важное экологическое значение. От того, как много будет поглощено почвами металлов и как прочно они будут удержаны, зависит способность загрязненных почв влиять на состав и свойства вод, растений, воздуха, способность тяжелых металлов к миграции. От этих же факторов зависит буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам, способность их выполнять в ландшафте барьерные функции.

Количественные показатели поглотительной способности почв в отношении различных химических веществ определяют чаще всего в модельных экспериментах, приводя изучаемые почвы во взаимодействие с различными дозами контролируемых веществ. Возможны разные варианты постановки этих экспериментов в полевых или лабораторных условиях.

Лабораторные опыты проводят в статических или динамических условиях, приводя исследуемую почву во взаимодействие с растворами, содержащими переменные концентрации металлов. По результатам опыта строят изотермы сорбции металлов стандартным методом, анализируя закономерности поглощения с использованием уравнений Ленгмюра или Фрейндиха.

Накопленный опыт исследования поглощения ионов различных металлов почвами с различными свойствами свидетельствует о наличии ряда общих закономерностей. Количество поглощенных почвой металлов и прочность их удерживания являются функцией концентрации металлов в растворах, взаимодействующих с почвой, а также свойств почвы и свойств металла, влияют также и условия постановки эксперимента. При малых нагрузках почва способна поглотить загрязняющие вещества полностью вследствие процессов ионного обмена, специфической сорбции. Эта способность проявляется тем сильнее, чем большей дисперсностью характеризуется почва, чем выше в ней содержание органических веществ. Не меньшее значение имеет реакция почв: повышение pH способствует увеличению поглощения почвами тяжелых металлов.

Повышение нагрузки ведет к снижению поглощения. Внесенный металл поглощается почвой не полностью, но между концентрацией металла в растворе, взаимодействующим с почвой, и количеством поглощенного металла имеет место прямолинейная зависимость. Последующее повышение нагрузки ведет к дальнейшему уменьшению количества поглощенного почвой металла вследствие ограниченного количества позиций в обменно-сорбционном комплексе, способных к обменному и безобменному поглощению ионов металлов. Ранее наблюдавшаяся прямолинейная зависимость между концентрацией металлов в растворе и их количеством, поглощенным твердыми фазами, нарушается. На следующем этапе возможности твердых фаз почвы поглощать новые дозы ионов металлов почти полностью исчерпываются, увеличение концентрации металла во взаимодействующем с почвой растворе практически перестает влиять на поглощение металла. Способность почв поглощать ионы тяжелых металлов в широком интервале их концентраций во взаимодействующем с почвой растворе свидетельствует о полифункциональности столь гетерогенного природного тела, каким является почва, о разнообразии механизмов, обеспечивающих ее способность удерживая металлы, защищать от загрязнения сопредельные с почвой среды. Но очевидно, что эта способность почвы не беспредельна.

Экспериментальные данные позволяют определить показатели максимальной поглотительной способности почв в отношении металлов. Как правило, количество поглощенных ионов металлов значительно меньше емкости катионного обмена почв. Например, максимальная сорбция Cd, Zn, Pb дерново-подзолистыми почвами Белоруссии колеблется в пределах 16-43% от ЕКО в зависимости от уровня pH, содержания гумуса и вида металла (Головатый, 2002). Поглотительная способность у суглинистых почв выше, чем у супесчаных, а у высоко гумусированных выше, чем у малогумусных. Влияет и вид металла. Максимальное количество элементов, поглощенных почвой специфически, падает в ряду Pb, Cu, Zn, Cd.

Экспериментально можно определить не только количество поглощенных почвами металлов, но и прочность их удерживания почвенными компонентами. Прочность фиксации тяжелых металлов почвами устанавливается на основе их способности экстрагироваться из загрязненных почв различными реагентами. Начиная с середины 1960-х гг. предложено множество схем экстракционного фракционирования соединений металлов из почв, донных отложений. Объединяет их общая идеология. Все схемы фракционирования предполагают прежде всего разделить соединения металлов, удерживаемые почвой, на непрочно и прочно связанные с почвенной матрицей. Они предполагают также среди прочно связанных соединений тяжелых металлов выделить их соединения, предположительно связанные с главными носителями тяжелых металлов: силикатными минералами, оксидами и гидроксидами Fe и Mn, органическими веществами. Среди непрочно связанных соединений металлов предполагается выделение групп соединений металлов, удерживаемых почвенными компонентами за счет различных механизмов (обменные, специфически сорбированные, связанные в комплексы) (Кузнецов, Шимко, 1990; Минкина и др. 2008).

Различаются применяемые схемы фракционирования соединений металлов в загрязненных почвах рекомендуемыми экстрагентами. Все экстрагенты предложены на основании их возможности переводить в раствор предполагаемую группу соединений металлов, однако они не могут обеспечить строгую селективность извлечения названных групп соединений тяжелых металлов. Тем не менее накопившиеся данные о фракционном составе соединений металлов в загрязненных почвах позволяют выявить ряд общих закономерностей.

Для разных ситуаций установлено, что при загрязнении почв в них меняется соотношение прочно и непрочно связанных соединений металлов. Одним из примеров являются показатели состояния Cu, Pb, Zn в загрязненном черноземе обыкновенном Нижнего Дона.

Способность и к прочному, и непрочному удерживанию тяжелых металлов проявили все почвенные компоненты. Ионы тяжелых металлов прочно фиксируются глинистыми минералами, оксидами и гидроксидами Fe и Mn, органическими веществами (Минкина и др., 2008). Важно то, что при увеличении общего содержания металлов в загрязненных почвах в 3-4 раза, соотношение соединений металлов в них изменилось в сторону увеличения доли непрочно связанных форм. В свою очередь и в их составе произошло аналогичное изменение соотношения составляющих их соединений: уменьшилась доля менее подвижных из них (специфически сорбированных) за счет увеличения доли обменных форм металлов и образующих комплексы с органическими веществами.

Наряду с повышением общего содержания тяжелых металлов в загрязненных почвах происходит увеличение относительного содержания более подвижных соединений металлов. Это свидетельствует об ослаблении буферности почв по отношению к металлам, их способности защищать сопредельные среды от загрязнения.

В загрязненных металлами почвах существенно меняются важнейшие микробиологические и химические свойства. Ухудшается состояние микробоценоза. На загрязненных почвах происходит отбор более выносливых видов, а менее устойчивые виды микроорганизмов выбывают. При этом могут появиться новые виды микроорганизмов, обычно отсутствующие на незагрязненных почвах. Следствием этих процессов является снижение биохимической активности почв. Установлено, что в загрязненных металлами почвах снижается нитрифицирующая активность, в результате чего активно развивается грибной мицелий и уменьшается количество сапрофитных бактерий. В загрязненных почвах падает минерализация органического азота. Выявлено влияние загрязнения металлами на ферментативную активность почв: снижение в них уреазной и дегидрогеназной, фосфатазной, аммонифицирующей активности.

Загрязнение металлами влияет на фауну и микрофауну почвы. При повреждении лесного покрова в лесной подстилке падает численность насекомых (клещей, бескрылых насекомых), при этом количество пауков и многоножек может оставаться стабильным. Страдают и почвенные беспозвоночные, часто наблюдается гибель дождевых червей.

Ухудшаются физические свойства почв. Почвы теряют свойственную им структуру, в них уменьшается общая порозность, снижается водопроницаемость.

Изменяются химические свойства почв под влиянием загрязнения. Эти изменения оцениваются с помощью двух групп показателей: биохимических и педохимических (Глазовская, 1976). Называют эти показатели также прямыми и косвенными, специфическими и неспецифическими.

Биоиохимические показатели отражают действие загрязняющих веществ на живые организмы, их прямое специфическое действие. Оно обусловлено влиянием химических веществ на биохимические процессы в растениях, микроорганизмах, позвоночных и беспозвоночных обитателях почвы. Результатом загрязнения является снижение биомассы, урожая растений и его качества, возможно, гибель. Происходит подавление почвенных микроорганизмов, снижение их численности, разнообразия, биологической активности. Биохимическими показателями состояния загрязненных почв служат показатели общего содержания в них загрязняющих веществ (в данном случае тяжелых металлов), показатели содержания подвижных соединений металлов, с которыми непосредственно связано токсическое действие металлов на живые организмы.

Педохимическое (косвенное, неспецифическое) действие загрязняющих веществ (в данном случае металлов) обусловлено их влиянием на почвенно-химические условия, которые, в свою очередь, влияют на условия обитания в почвах живых организмов и на их состояние. Важнейшее значение имеют кислотно-основные, окислительно-восстановительные условия, гумусное состояние почв, ионообменные свойства почв. Например, газообразные выбросы, содержащие оксиды серы и азота, поступая в почву в форме азотной и серной кислот, вызывают снижение pH почв на 1-2 единицы. В меньшей степени способствуют понижению pH почв гидролитически кислые удобрения. Подкисление почв, в свою очередь, ведет к повышению подвижности различных химических элементов в почвах, например, марганца, алюминия. Подкисление почвенного раствора способствует изменению соотношения различных форм химических элементов в пользу увеличения доли более токсичных соединений (например, свободных форм алюминия). Отмечено снижение подвижности фосфора в почве при избыточном количестве в ней цинка. Снижение подвижности соединений азота является результатом нарушения при загрязнении почв их биохимической активности.

Изменение кислотно-основных условий и ферментативной активности сопровождается ухудшением гумусного состояния загрязненных почв, в них отмечено уменьшение содержания гумуса, изменение его фракционного состава. Результатом является изменение ионообменных свойств почв. Например, отмечено, что в черноземах, загрязненных выбросами медного комбината, снизилось содержание обменных форм кальция и магния, изменилась степень насыщенности почв основаниями.

Очевидна условность подобного разделения эффектов влияния загрязняющих веществ на почвы. Хлориды, сульфаты, нитраты оказывают не только педохимическое действие на почвы. Они могут отрицательно влиять на живые организмы и непосредственно, нарушая ход биохимических процессов в них. Например, сульфаты, поступившие в почву в количестве 300 кг/га и больше, могут накапливаться в растениях в количествах, превышающих их допустимый уровень. Загрязнение почв фторидами натрия ведет к поражению растений как под влиянием их токсического воздействия, так и под влиянием вызванной ими сильнощелочной реакции.

Рассмотрим на примере ртути взаимосвязь природных и техногенных соединений металла в различных звеньях биогеоценоза, их совместное влияние на живые организмы, в том числе на здоровье человека.

Ртуть является одним из наиболее опасных металлов, загрязняющих природные среды. Мировой уровень ежегодной добычи ртути составляет около 10 тыс. т. Выделяют три основные группы отраслей промышленности с высокой эмиссией ртути и ее соединений в окружающую среду:

1. Предприятия цветной металлургии, производящие металлическую ртуть из ртутных руд и концентратов, а также путем вторичной переработки различных ртутьсодержащих продуктов;

2. Предприятия химической и электротехнической промышленности, где ртуть используется в качестве одного из элементов производственного цикла (например, при амальгамировании, с которым связано производство ртути, цветных металлов);

3. Предприятия, добывающие и перерабатывающие руды различных металлов (помимо ртутных), в том числе путем термической обработки рудного сырья; предприятия, производящие цемент, флюс для металлургии; производства, сопровождающиеся сжиганием углеводородного топлива (нефть, газ, уголь). В целом это те производства, где ртуть является попутным компонентом, иногда даже в заметных количествах.

Вносят вклад в загрязнение ртутью также предприятия черной металлургии и химико-фармацевтической промышленности, производство тепловой и электрической энергии, производство хлора и каустической соды, приборостроение, извлечение драгоценных металлов из руд (например, предприятия золотодобывающей промышленности) и пр. В сельскохозяйственном производстве применение средств защиты растений от вредителей и болезней ведет к распространению ртутьсодержащих соединений.

В процессе добычи, переработки и использования теряется около половины производимой ртути. Поступают ртутьсодержащие соединения в окружающую среду с газовыми выбросами, сточными водами, твердыми жидкими, пастообразными отходами. Наиболее значительные потери происходят при пирометаллургическом способе ее получения. Ртуть теряется с огарками, отходящими газами, пылью и вентиляционными выбросами. Содержание ртути в углеводородных газах может достигать 1-3 мг/м 3 , в нефти 2-10 -3 %. В атмосфере велика доля летучих форм свободной ртути и метилртути, Hg 0 и (CH 3) 2 Hg.

Обладая продолжительным временем существования (от нескольких месяцев до трех лет), эти соединения могут переноситься на большие расстояния. Только незначительная часть элементарной ртути сорбируется на мелкодисперсных пылеватых частицах и в процессе сухого осаждения достигает земной поверхности. Около 10-20 % ртути переходит в состав водорастворимых соединений и выпадает с осадками, далее поглощается почвенными компонентами, донными отложениями.

С земной поверхности часть ртути вследствие испарения частично вновь поступает в атмосферу, пополняя запас ее летучих соединений.

Особенности круговорота ртути и ее соединений в природе обусловлены такими свойствами ртути, как ее летучесть, устойчивость во внешней среде, растворимость в атмосферных осадках, способность к сорбции почвами и взвесью поверхностных вод, способность к биотическим и абиотическим превращениям (Кузубова и др., 2000). Техногенные поступления ртути нарушают природный цикл металла и создают угрозу для экосистемы.

Среди соединений ртути наибольшей токсичностью отличаются органические производные ртути, прежде всего метилртуть, диметилртуть. Внимание к ртути в окружающей среде проявилось в 1950-е гг. Тогда общую тревогу вызвали массовые отравления людей, проживающих на берегах залива Минамата (Япония), основным занятием которых была ловля рыбы, которая была основным продуктом их питания. Когда стало известно, что причиной отравления явилось загрязнение вод залива промышленными сточными водами с повышенным содержанием ртути, загрязнение экосистемы ртутью привлекло внимание исследователей многих стран.

В природных водах содержание ртути невелико, средняя концентрация в водах зоны гипергенеза составляет 0,1 ∙ 10 -4 мг/л, океана - 3 ∙ 10 -5 мг/л. Ртуть в водах присутствует в одновалентном и двухвалентном состоянии, в восстановительных условиях находится в форме незаряженных частиц. Отличает ее способность к комплексообразованию с различными лигандами. В водах среди соединений ртути доминируют гидроксо-, хлоридные, лимоннокислые, фульватные и другие комплексы. Метильные производные ртути являются наиболее токсичными.

Образование метилртути происходит главным образом в толщах вод и осадков пресных и морских вод. Поставщиком метильных групп для ее образования являются присутствующие в природных водах различные органические вещества и продукты их деструкции. Образование метилртути обеспечивают взаимосвязанные биохимические и фотохимические процессы. Ход процесса зависит от температуры, окислительно-восстановительных и кислотно-основных условий, от состава микроорганизмов и их биологической активности. Интервал оптимальных условий для образования метилртути довольно широк: pH 6-8, температура 20-70 °С. Способствует активизации процесса повышение интенсивности солнечного излучения. Процесс метилирования ртути является обратимым, он сопряжен с процессами деметилирования.

Образование наиболее токсичных соединений ртути отмечается в водах новых искусственных водохранилищ. В них оказываются затопленными массы органического материала, поставляющего в большом количестве водорастворимые органические вещества, которые включаются в процессы микробного метилирования. Одним из продуктов этих процессов являются метилированные формы ртути. Конечным результатом является накопление метилртути в рыбе. Эти закономерности четко проявились в молодых водохранилищах США, Финляндии, Канады. Установлено, что максимальное накопление ртути в рыбе водохранилищ происходит через 5-10 лет после затопления, а возврат к естественным уровням их содержания может наступить не ранее 15-20 лет после затопления.

Метилпроизводные ртути активно усваиваются живыми организмами. Для ртути характерен очень высокий коэффициент накопления. Кумулятивные свойства ртути проявляются в увеличении ее содержания в ряду: фитопланктон-макрофитопланктон-планктоноядные рыбы-хищные рыбы-млекопитающие. Это отличает ртуть от многих других металлов. Период полувыведения ртути из организма оценивается месяцами, годами.

Сочетание высокой эффективности усвоения метилированных соединений ртути живыми организмами и низкой скорости их выведения из организмов ведет к тому, что именно в этой форме ртуть поступает по пищевым цепочкам и максимально накапливается в организме животных.

Наибольшая токсичность метилртути по сравнению с другими ее соединениями обусловлена рядом ее свойств: хорошей растворимостью в липидах, способствующей свободному проникновению в клетку, где она легко взаимодействует с белками. Биологическим следствием этих процессов являются мутагенные, эмбриотоксические, генотоксические и другие опасные изменения в организмах. Общепризнано, что для человека рыба и рыбные продукты являются преобладающими источниками метилртути. Токсическое ее действие на организм человека проявляется в основном в поражении нервной системы, зон коры головного мозга, ответственных за сенсорные, зрительные и слуховые функции.

В России в 1980-е годы были впервые проведены широкие комплексные исследования состояния ртути в биогеоценозе. Это был район бассейна реки Катунь, где планировалось строительство Катунской ГЭС. Тревогу вызывало распространение в регионе горных пород, обогащенных ртутью, в пределах месторождения действовали ртутные рудники. Предупреждением звучали и результаты исследований, выполненных к тому времени в разных странах, свидетельствующие об образовании метилированных производных ртути в водах водохранилищ даже при отсутствии распространения рудных тел в регионе.

Следствием влияния природных и техногенных потоков ртути в районе предполагаемого строительства Катунской ГЭС явились повышенные концентрации ртути в почвах. Отмечена локализация ртутного загрязнения и в донных отложениях верхней части реки Катунь. Было составлено несколько прогнозов экологической обстановки в районе предполагаемого строительства ГЭС и создания водохранилища, но в связи с начавшейся перестройкой в стране работы в этом направлении были приостановлены.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .