Приоритетные вещества - загрязнители почвы

В США  на борту ресурсного спутника ЭРТС-1 были установлены датчики для  выяснения степени повреждения  веймутовой сосны сернистым газом  и почвы цинком. Источником загрязнения  был цинкоплавильный завод, действующий  с дневным выбросом цинка в  атмосферу 6,3-9 тонн. Зарегистрирована концентрация цинка, равная 80 тыс. мкг/г  в поверхностном слое почвы в  радиусе 800 м от завода. Растительность вокруг завода погибла в радиусе 468 гектаров. Сложность использования  дистанционного метода заключается  в интеграции материалов, в необходимости  при расшифровке полученных сведений серии контрольных тестов в районах  конкретного загрязнения.

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими  составами и содержанием органического  вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время сотрудниками институтов гигиены предприняты  попытки определить ПДК металлов в почве. В качестве тест-растений рекомендованы ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности  на 5-10%. Предложены ПДК для ртути  – 25 мг/кг, мышьяка – 12-15, кадмия – 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные  концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.): свинец – 10, ртуть  – 0,04, хром – 2, кадмий – 3, цинк и марганец – 300, медь – 150, кобальт – 5, молибден и никель – 3, ванадий – 2 [22, с. 36].

Защита  почв от загрязнения тяжелыми металлами  базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора  при одной технологии расходуют 45 кг ртути, а при другой – 14-18 кг. В перспективе считают возможным  снизить эту величину до 0,1 кг.

Новая стратегия охраны почв от загрязнения  тяжелыми металлами заключена также  в создании замкнутых технологических  систем, в организации безотходных  производств.

Отходы  химической и машиностроительной промышленности также представляют собой ценное вторичное сырье. Так отходы машиностроительных предприятий являются ценным сырьем для сельского хозяйства из-за фосфора.

В настоящее  время поставлена задача обязательной проверки всех возможностей утилизации каждого вида отходов, прежде их захоронения  или уничтожения.

При атмосферном  загрязнении почв тяжелыми металлами, когда они концентрируются в  больших количествах, но в самых  верхних сантиметрах почвы, возможно удаление этого слоя почвы и его  захоронение.

В последнее  время рекомендован ряд химических веществ, которые способны инактивировать тяжелые металлы в почве или  понизить их токсичность. В ФРГ предложено применение ионообменных смол, образующих хелатные соединения с тяжелыми металлами. Их применяют в кислотной и  солевой формах или в смеси  той и другой форм.

В Японии, Франции, ФРГ и Великобритании одна из японских фирм запатентовала способ фиксирования тяжелых металлов меркапто-8-триазином. При использовании этого препарата  кадмий, свинец, медь, ртуть и никель прочно фиксируются в почве в  виде нерастворимой и недоступной  для растений форм.

Известкование почв уменьшает кислотность удобрений  и растворимость свинца, кадмия, мышьяка и цинка. Поглощение их растениями резко уменьшается. Кобальт, никель, медь и марганец в нейтральной  или слабощелочной среде также  не оказывают токсического действия на растения.

Органические  удобрения, подобно органическому  веществу почв, адсорбируют и удерживают в поглощенном состоянии большинство  тяжелых металлов. Внесение органических удобрений в высоких дозах, использование  зеленых удобрений, птичьего помета, муки из рисовой соломы снижают содержание кадмия и фтора в растениях, а  также токсичность хрома и  других тяжелых металлов.

Оптимизация минерального питания растений путем  регулирования состава и доз  удобрений также снижает токсическое  действие отдельных элементов. В  Англии в почвах, зараженных свинцом, мышьяком и медью, задержка появления  всходов снималась при внесении минеральных азотных удобрений. Внесение повышенных доз фосфора  уменьшало токсичное действие свинца, меди, цинка и кадмия. При щелочной реакции среды на заливных рисовых  полях внесение фосфорных удобрений  вело к образованию нерастворимого и труднодоступного для растений фосфата кадмия.

Однако, известно, что уровень токсичности  тяжелых металлов неодинаков для  разных видов растений. Поэтому снятие токсичности тяжелых металлов оптимизацией минерального питания должно быть дифференцировано не только с учетом почвенных условий, но и вида и сорта растений.

Среди естественных растений и сельскохозяйственных культур выявлен ряд видов  и сортов, устойчивых к загрязнению  тяжелыми металлами. К ним относятся  хлопчатник, свекла и некоторые бобовые. Совокупность предохранительных мер  и мер по ликвидации загрязнения  почв тяжелыми металлами дает возможность  защитить почвы и растения от токсического их воздействия.

Одно  из основных условий охраны почв от загрязнения биоцидами – создание и применение менее токсичных  и менее стойких соединений и  внесение их в почву и уменьшение доз их внесения в почву. Существует несколько способов, позволяющих  уменьшить дозу биоцидов без снижения эффективности их возделывания [16, с. 268]:

·        сочетание применения пестицидов с  другими приемами. Интегрированный  метод борьбы с вредителями –  агротехнический, биологический, химический и т.д. При этом ставится задача не уничтожить целый вид целиком, а  надежно защитить культуру. Украинские ученые применяют микробиопрепарат в совокупности с небольшими дозами пестицидов, который ослабляет организм вредителя и делают его более  восприимчивым к заболеваниям;

·        применение перспективных форм пестицидов. Использование новых форм пестицидов позволяет существенно снизить  норму расхода действующего вещества и свести к минимуму нежелательные  последствия, в том числе и  загрязнение почв;

·        чередование применения токсикантов  с неодинаковым механизмом действия. Такой способ внесения химических средств  борьбы предотвращает появление  устойчивых форм вредителей. Для большинства  культур рекомендуют 2-3 препарата  с неодинаковым спектром действия.

При обработке  почвы пестицидами лишь небольшая  часть их достигает мест приложения токсического действия растений и животных. Остальная часть накапливается  на поверхности почв. Степень загрязнения  почв зависит от многих причин и  прежде всего от стойкости самого биоцида. Под стойкостью биоцида  понимают способность токсиканта противостоять  разлагающему действию физических, химических и биологических процессов. Главный  критерий детоксиканта – полный распад токсиканта на нетоксичные компоненты.

Биодиагностика  техногенного загрязнения почв. Высокая  чувствительность почвы к любым  негативным и позитивным воздействиям позволяет использовать биологические  показатели в качестве параметров биомониторинга [10, с. 37].

Биологическая активность — производная совокупности абиотических, биотических и антропогенных  факторов почвообразования. В почве  зоо- и микробоценозы объединяются в единую систему с продуктами их жизнедеятельности— внеклеточными  и внутриклеточными ферментами, а  также с абиотическими компонентами почвы.

Основные  положения предлагаемой методологии  следующие:

·                   одновременное изучение показателей  биологической активности почвы;

·                   выявление наиболее информативных  эколого-биологических показателей  и возможного интегрального показателя экологического состояния почвы;

·                   учет пространственной и временной  вариабельности биологических свойств  почвы;

·                   использование сравнительно-географического  и профильно-генетического подходов для оценки состояния почвы.

Исследование  состояния деградированных почв будет наиболее полным в том случае, если будут определены:

ü    прямые показатели загрязнения тяжелыми металлами и нефтепродуктами (валовое  содержание тяжелых металлов, содержание их подвижных форм, содержание нефтепродуктов, мощность загрязненного слоя);

ü    показатели устойчивости к загрязнению  тяжелыми металлами и нефтепродуктами (емкость катионного обмена, степень  насыщенности основаниями, содержание гумуса, реакция среды);

ü    Биологические показатели изменения  свойств почвы под воздействием металлов-загрязнителей и нефтепродуктов (активность почвенных ферментов, например инвертазы, каталазы, интенсивность  выделения углекислого газа, целлюлозоразлагающая способность, общая численность  почвенных микроорганизмов, структура  микробоценоза и др.).

Для практических целей определение всего комплекса  показателей весьма трудоемко и  требует дорогостоящего оборудования. Более целесообразно определять показатели, объективно отражающие уровень  и последствия загрязнения.

Общие закономерности изменения свойств  почвы по мере возрастания содержания загрязняющих веществ могут быть сформулированы только на основе экспериментальных  материалов. В результате многолетних  исследований установлены наиболее информативные показатели биологической  активности почвы для биодиагностики и биомониторинга. К ним относятся, прежде всего, биохимические показатели, поскольку они лучше коррелируют  с уровнем загрязнения и имеют  меньшее варьирование в пространстве и во времени по сравнению с  микробиологическими. Из изученных  рекомендуется использовать ферментативную активность—активность каталазы, которая является одним из показателей стабилизации почвенных условий. Ее изменение связано с загрязненностью и буферной способностью почвы (рис. 1). 
 

При слабом загрязнении происходит стимуляция окислительно-восстановительных процессов.

В проведенных  исследованиях активность каталазы была максимальной при коэффициенте Zc концентрация загрязняющих веществ, равном 2 – 8, при Zc = 32 и более она практически не проявлялась.

При коэффициенте Zc равном 2 – 8, уровень загрязнения является допустимым, при 8 – 32 – средним, при 32 – 64 – высоким, при Zc > 64 – очень высоким.

Из всех изученных ферментов каталаза наиболее чувствительна, поэтому ее активность может быть использована в качестве критерия оценки восстановления функций  почв.

Было  установлено, что наиболее информативным  показателем экологического состояния  техногенно загрязненных почв является интегральный показатель биологического состояния (ИПБС). При расчете ИПБС максимальное значение каждого показателя в выборке принимается за 100 % и  по отношению к нему в процентах  выражается значение этого же показателя в других пробах, то есть относительный  показатель 

Б1 = Б / Бmax ´ 100%, 

где Б  – значение показателя в пробе; Бmax – максимальное значение показателя.

Затем определяется среднее значение показателя 

Бср = (Б1 + Б2 + Б3 + … + Бn) / n, 

где n –  число показателей.

Интегральный  показатель биологической активности рассчитывается по формуле 

ИПБС = (Бср / Бср max) ´ 100%, 

При диагностике  за 100% принимается значение каждого  показателя в незагрязненной почве.

Интегральный  показатель биологического состояния  почвы для всех уровней загрязнения  находится в прямой зависимости  от содержания в ней тяжелых металлов (рис. 2). 
 

Влияние степени загрязнения на биологические  процессы в почве целесообразно  определять по отклонению активности внеклеточных биологических процессов  от контроля согласно экотоксикологическим нормативам: <10% - мало опасный, 25 – 50 –  опасный и > 50% - очень опасный  уровень влияния.

Различные типы почв при одинаковом характере  и степени загрязнения проявляют  различную устойчивость. Для серой  лесной почвы средний уровень  загрязнения уже очень опасен, в этом случае восстановление биоценотических  функций затруднено или практически  невозможно. В черноземе выщелоченном снижение ИПБС на 50% происходит только при высоком уровне загрязнения.