Влияние почв на загрязнение токсическими веществами

 

 С выхлопными газами  на поверхность почв попадает  более 250 тыс. тонн свинца в  год; это главный загрязнитель  почв свинцом.

 

 Тяжелые металлы попадают  в почву вместе с удобрениями,  в состав которых они входят  как примесь, а также и с  биоцидами.

 

 Л. Г. Бондарев (1976) подсчитал  возможные поступления тяжелых  металлов на поверхность почвенного  покрова в результате производственной  деятельности человека при полном  исчерпании рудных запасов, в  сжигании имеющихся запасов угля  и торфа и сравнение их с  возможными запасами металлами,  аккумулированных в гумосфере к настоящему времени. Полученная картина позволяет составить представление о тех изменениях, которые человек в состоянии вызвать в течение 500-1000 лет, на которые хватит разведанных полезных ископаемых.

 

 Возможное поступление  металлов в биосферу при исчерпании  достоверных запасов руд, угля, торфа, млн. тонн

 

 

 Отношение этих величин  позволяет прогнозировать масштаб  влияния деятельности человека  на окружающую среду, прежде  всего на почвенный покров.

 

 Техногенное поступление  металлов в почву, закрепление  их в гумусовых горизонтах  в почвенном профиле в целом  не может быть равномерным.  Неравномерность его и контрастность прежде всего связана с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то 37,3% всех металлов будет рассеяно всего лишь в 2% обитаемой суши.

 

 Распределение тяжелых  металлов по поверхности почвы  определяется многими факторами.  Оно зависит от особенностей  источников загрязнения, метеорологических  особенностей региона, геохимических  факторов и ландшафтной обстановке  в целом.

 

 Источник загрязнения  в целом определяет качество  и количество выбрасываемого  продукта. При этом степень его  рассеивания зависит от высоты  выброса. Зона максимального загрязнения  распространяется на расстояние, равное 10-40-кратной высоте трубы  при высоком и горячем выбросе, 5-20-кратной высоте трубы при  низком промышленном выбросе.  Длительность нахождения частиц выброса в атмосфере зависит от их массы и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

 

 Неравномерность техногенного  распространения металлов усугубляется  неоднородностью геохимической  обстановке а природных ландшафтах. В связи с этим, для прогнозирования  возможного загрязнения продуктами  техногенеза и предотвращения нежелательных последствий деятельности человека необходимо понимание законов геохимии, законов миграции химических элементов в различных природных ландшафтах или геохимической обстановке.

 

 Химические элементы  и их соединения попадая в  почву претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А. И. Перельманом (1961) как участках зоны гипергенеза, на которых изменение условий миграции приводит к накоплению химических элементов. В основу классификации барьеров положены виды миграции элементов. На этом основании А. И. Перельман выделяет четыре типа и несколько классов геохимических барьеров:

1. барьеры - для всех  элементов, которые биогеохимические  перераспределяются и сортируются  живыми организмами (кислород, углерод,  водород, кальций, калий, азот, кремний, марганец и т.д.);

 

2. физико-химические барьеры:

 

1) окислительные - железные  или железно-марганцевые (железо, марганец), марганцевые (марганец), серный (сера);

 

2) восстановительные - сульфидный (железо, цинк, никель, медь, кобальт,  свинец, мышьяк и др.), глеевый (ванадий, медь, серебро, селен);

 

3) сульфатный (барий, кальций,  стронций);

 

4) щелочной (железо, кальций,  магний, медь, стронций, никель и  др.);

 

5) кислый (оксид кремния);

 

6) испарительный (кальций,  натрий, магний, сера, фтор и т.д.);

 

7) адсорбционный (кальций,  калий, магний, фосфор, сера, свинец  и др.);

 

8) термодинамический (кальций,  сера).

 

3. механические барьеры  (железо, титан, хром, никель и  др.);

 

4. техногенные барьеры.

 

 Геохимические барьеры  существуют не изолированно, а  в сочетании друг с другом, образуя сложные комплексы. Они  регулируют элементный состав  потоков веществ, от них в  большей мере зависит функционирование  экосистем.

 

 Продукты техногенеза в зависимости от их природы и той ландшафтной обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, и не вызывать существенных изменений в природе, либо сохраняться и накапливаться, губительно влияя на все живое.

 

 И тот и другой  процесс определяются рядом факторов, анализ которых позволяет судить  об уровне биохимической устойчивости  ландшафта и прогнозировать характер  их изменений в природе под  влиянием техногенеза. В автономных ландшафтах развиваются процессы самоочищения от техногенного загрязнения, так как продукты техногенеза рассеиваются поверхностными и внутрипочвенными водами. В аккумулятивных ландшафтах накапливаются и консервируются продукты техногенеза.

 

 

 Содержание тяжелых  металлов в компонентах биосферы

 

 

* У автострад в зависимости  от интенсивности движения и  расстояния до автострады

 

 

 Всевозрастающее внимание  к охране окружающей среды  вызвал особый интерес к вопросам  воздействия на почву тяжелых  металлов.

 

 С исторической точки  зрения интерес к этой проблеме  появился с исследованием плодородия  почв, поскольку такие элементы, как железо, марганец, медь, цинк, молибден  и, возможно, кобальт, очень важны  для жизни растений и, следовательно,  для животных и человека.

 

 Они известны и под  названием микроэлементов, потому, что необходимы растениям в  малых количествах. К группе  микроэлементов относятся также  металлы, содержание которых в  почве довольно высокое, например, железо, которое входит в состав  большинства почв и занимает  четвертое место в составе  земной коры (5%) после кислорода  (46,6%), кремния (27,7%) и алюминия (8,1%).

 

 Все микроэлементы  могут оказывать отрицательное  влияние на растения, если концентрация  их доступных форм превышает  определенные пределы. Некоторые  тяжелые металлы, например, ртуть,  свинец и кадмий, которые, по  всей видимости, не очень важны  для растений и животных, опасны  для здоровья человека даже  при низких концентрациях.

 

 Выхлопные газы транспортных  средств, вывоз в поле или  станции очистки сточных вод,  орошение сточными водами, отходы, остатки и выбросы при эксплуатации  шахт и промышленных площадок, внесение фосфорных и органических  удобрений, применение пестицидов  и т.д. привели к увеличению  концентраций тяжелых металлов  в почве.

 

 До тех пор, пока  тяжелые металлы прочно связаны  с составными частями почвы  и труднодоступны, их отрицательное  влияние на почву и окружающую  среду будет незначительным. Однако, если почвенные условия позволяют перейти тяжелым металлам в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения почв, возникает вероятность проникновения их в растения, а также в организм человека и животных, потребляющие эти растения. Кроме того, тяжелые металлы могут быть загрязнителями растений и водоемов в результате использования сточных ила вод. Опасность загрязнения почв и растений зависит: от вида растений; форм химических соединений в почве; присутствия элементов противодействующих влиянию тяжелых металлов и веществ, образующих с ними комплексные соединения; от процессов адсорбции и десорбции; количества доступных форм этих металлов в почве и почвенно-климатических условий. Следовательно, отрицательное влияние тяжелых металлов зависит, по существу, от их подвижности, т.е. растворимости.

 

 Тяжелые металлы в  основном характеризуются переменной  валентностью, низкой растворимостью  их гидроокисей, высокой способностью  образовывать комплексные соединения  и, естественно, катионной способностью.

 

 К факторам, способствующим  удержанию тяжелых металлов почвой  относятся: обменная адсорбция  поверхности глин и гумуса, формирование  комплексных соединений с гумусом,  адсорбция поверхностна и окклюзирование (растворяющие или поглощающие способности газов расплавленными или твердыми металлами) гидратированными окислами алюминия, железа, марганца и т.д., а также формирование нерастворимых соединений, особенно при восстановлении.

 

 Тяжелые металлы в  почвенном растворе встречаются  как в ионной так и в связанной формах, которые находятся в определенном равновесии (рис. 1).

 

 

 На рисунке Лр - растворимые лиганды, какими являются органические кислоты с малым молекулярным весом, а Лн - нерастворимые. Реакция металлов (М) с гумусовыми веществами включает частично и ионный обмен.

 

 Конечно, в почве  могут присутствовать и другие  формы металлов, которые не участвуют  непосредственно в этом равновесии, например, металлы из кристаллической  решетки первичных и вторичных  минералов, а также металлы  из живых организмов и их  отмерших остатков.

 

 Наблюдение за изменением  тяжелых металлов в почве невозможно  без знания факторов, определяющих  их подвижность. Процессы передвижения  удержания, обуславливающие поведение  тяжелых металлов в почве, мало  чем отличаются от процессов,  определяющих поведение других  катионов. Хотя тяжелые металлы  иногда обнаруживаются в почвах  в низких концентрациях, они  формируют устойчивые комплексы  с органическими соединениями  и вступают в специфические  реакции адсорбции легче, чем  щелочные и щелочноземельные  металлы.

 

 Миграция тяжелых металлов  в почвах может происходить  с жидкостью и суспензией при  помощи корней растений или  почвенных микроорганизмов. Миграции  растворимых соединений происходит  вместе с почвенным раствором  (диффузия) или путем перемещения  самой жидкости. Вымывание глин  и органического вещества приводит  к миграции всех связанных  с ними металлов. Миграция летучих  веществ в газообразной форме,  например, диметила ртути, носит случайный характер, и этот способ перемещения не имеет особого значения. Миграция в твердой фазе и проникновение в кристаллическую решетку являются больше механизмом связывания, чем перемещения.

 

 Тяжелые металлы могут  быть внесены или адсорбированы  микроорганизмами, которые в свою  очередь, способны участвовать  в миграции соответствующих металлов.

 

 Дождевые черви и  другие организмы могут содействовать  миграции тяжелых металлов механическим  или биологическим путями, перемешивая  почву или включая металлы  в свои ткани.

 

 Из всех видов миграции  самая важная - миграция в жидкой  фазе, потому что большинство  металлов попадает в почву  в растворимом виде или в  виде водной суспензии и фактически  все взаимодействия между тяжелыми  металлами и жидкими составными  частями почвы происходит на  границе жидкой и твердой фаз.

 

 Тяжелые металлы в почве  через трофическую цепь поступают  в растения, а затем потребляются  животными и человеком. В круговороте  тяжелых металлов участвуют различные  биологические барьеры, вследствие  чего происходит выборочное бионакопление, защищающее живые организмы от избытка этих элементов. Все же деятельность биологических барьеров ограничена, и чаще всего тяжелые металлы концентрируются в почве. Устойчивость почв к загрязнению ими различна в зависимости от буферности.

Почвы с высокой адсорбционной  способностью соответственно и высоким  содержанием глин, а также органического  вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это  характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических  соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены  растениями, значительно меньше, чем  в песчаных кислых почвах. Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. Тяжелые металлы, удерживаемые органической и коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв.

 

 Песчаные почвы, которые  характеризуются низкой поглотительной  способностью, как и кислые почвы  очень слабо удерживают тяжелые  металлы, за исключением молибдена  и селена. Поэтому они легко  адсорбируются растениями, причем  некоторые из них даже в  очень малых концентрациях обладают  токсичным воздействием.

 

 Содержание в почве  свинца обычно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Свинец отрицательно влияет  на биологическую деятельность  в почве, ингибирует активность  ферментов уменьшением интенсивности  выделения двуокиси углерода  и численности микроорганизмов.

 

 Содержание цинка в  почве колеблется от 10 до 800 мг/кг, хотя чаще всего оно составляет 30-50 мг/кг. Накопление избыточного  количества цинка отрицательно  влияет на большинство почвенных  процессов: вызывает изменение  физических и физико-химических  свойств почвы, снижает биологическую  деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность  микроорганизмов, вследствие чего  нарушаются процессы образования  органического вещества в почвах. Избыток цинка в почвенном  покрове затрудняет ферментацию  разложения целлюлозы, дыхания,  действия уреазы.