Приоритетные вещества - загрязнители почвы

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 [12, с. 13] (рис. 1). 

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.

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают  токсическое действие на растения, животных и человека.

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

При внесении ртути на песчаную, глинистую и  торфяную почвы из расчета 200 и 100 кг/га урожай на песчаной почве полностью  погиб не зависимо от уровня известкования. На торфяной почве урожай понизился. На глинистой почве произошло  снижение урожая только при низкой дозе извести.

Свинец  также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в  тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для  животных.

Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы  почвенного профиля в небольших  количествах.

Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них. В зерне  пшеницы и ячменя количество его  в 5-8 раз превышает фоновое содержание, в ботве, картофеле – более  чем в 20 раз, в клубнях – более  чем в 26 раз.

Кадмий, подобно ванадию и цинку, аккумулируется гумусовой толще почв. Характер его  распределения в почвенном профиле  и ландшафте, видимо, имеет много  общего с другими металлами, в  частности с характером распределения  свинца.

Однако, кадмий закрепляется в почвенном  профиле менее прочно, чем свинец. Максимальная адсорбция кадмия свойственна  нейтральным и щелочным почвам с  высоким содержанием гумуса и  высокой емкостью поглощения. Содержание его в подзолистых почвах может  составлять от сотых долей до 1 мг/кг, в черноземах – до 15-30, а в красноземах  – до 60 мг/кг.

Многие  почвенные беспозвоночные концентрируют  кадмий в своих организмах. Кадмий усваивается дождевыми червями, мокрицами и улитками в 10-15 раз  активнее, чем свинец и цинк. Кадмий токсичен для сельскохозяйственных растений, и даже, если высокие концентрации кадмия не оказывают заметного влияния  на урожай сельскохозяйственных культур, токсичность его сказывается  на изменении качества продукции, так  как в растениях происходит повышения  содержания кадмия.

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

Фтор  и его соединения находят широкое  применение в атомной, нефтяной, химической и др. видах промышленности. Он попадает в почву с выбросами металлургических предприятий, в частности, алюминиевых  заводов, а также как примесь  при внесении суперфосфата и некоторых  других инсектицидов [16, с. 264].

Загрязняя почву, фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение  питательных веществ в почве. Наибольшая адсорбция фтора происходит в почвах с хорошо развитым почвенным  поглощающим комплексом. Растворимые  фтористые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и  могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы фтористыми соединениями разрушает почвенную структуру  и снижает водопроницаемость  почв.

Цинк  и медь менее токсичны, чем названные  тяжелые металлы, но избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе  действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых  металлов при их совместном воздействии  на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает  в несколько раз более сильное  ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности.

Поскольку тяжелые металлы и в продуктах  сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов.

Вблизи  предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более однообразными  по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов.

В лесных фитоценозах первыми реагируют  на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное  воздействие вызывает в нем сухостойкие  явления. 

2.3 Методы  контроля загрязнений почвы 

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами  производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях  и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Эффективно также  использовать для этих целей ряд  косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения  и поведения видов – индикаторов  среди растений, беспозвоночных и  микроорганизмов [22, с. 32].

Для выявления  пространственных закономерностей  проявления загрязнения почв используют сравнительно-географический метод, методы картирования структурных компонентов  биогеоценозов, в том числе и  почв. Такие карты не только регистрируют уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и соответствующие  изменения в напочвенном покрове, но позволяют прогнозировать изменение  состояния природной среды.

Рекомендовано отбирать образцы почв и растительности по радиусу от источника загрязнения  с учетом господствующих ветров по маршруту протяженностью 25-30 км.

Расстояние  от источника загрязнения для  выявления ореола загрязнения может  колебаться в значительных пределах и в зависимости от интенсивности  загрязнения и силы господствующих ветров может изменяться от сотен  метров до десятков километров.