Миграционная способность тяжелых металлов возрастает

Качество продуктов пчеловодства зависит от многих условий.

Помимо соблюдения технологических требований при их производстве, условий хранения и транспортировки, крайне важно правильно размещать пасеки с учетом состояния окружающей среды: загрязнения ее пестицидами, а также принимая во внимание санитарное состояние пасек; здоровье пчел, использование различных лечебных и профилактических средств (М.М.Акчурид, Р.А.Зарипов, С.Б.Бахтиярова, Р.Б.Зинуров, 2002).

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами оказывает выраженные мутагенное и канцерогенное действие, вызывая отравления (нередко с летальным исходом) и нарушения самых разных физиологических функций организма. Поэтому исследования миграции тяжелых металлов в биосфере, их перемещение по трофической цепочке: «почва — растение — пчелы — пчелопродукты — человек» очень важно.

Основным природным источником поступления тяжелых металлов в почву и растения являются почвообразующие породы. В последнее время в значительно большей степени на этот процесс влияет техногенная деятельность человека, происходят коренные изменения окружающей среды, идет загрязнение ее промышленными отходами (свинец, мышьяк, сера, фтор и т.д.).

При значительном содержании их в почве они накапливаются в растениях в избыточном количестве и, передаваясь по трофической цепи пчелам и далее, через продукты пчеловодства попадают к потребителю, вызывая хронические отравления и другие серьезные заболевания.

Расположение пасек недопустимо вблизи автомобильных дорог, промышленных объектов, где велика вероятность попадания токсичных элементов в продукты пчеловодства. Существенное влияние на уровень их загрязнения оказывает удаленность пасеки от источника загрязнения (Т.М.Русакова, В.М.

Мартынова, 1999; Л.В.Репникова, Ю.Н.Кирьянов, 1999).

Мы использовали пчел в качестве биоиндикатора состояния окружающей среды. Определяли количество цинка, меди, мышьяка, кадмия и свинца в пробах почвы, медоносных растениях, перге, меду и воске. Пробы отбирали на пасеке п. Оромашева (300 семей).

В результате проведенных исследований установлено, что количество цинка в почве составило 8,96 мг/кг.

Из почвы элемент мигрирует в медоносные растения, где его содержится значительно меньше, чем в почве — всего 5,06 мг/кг.

Из медоносных растений, поступая в организм пчел, его количество в теле насекомого возрастает до 9,58 мг/кг, а переходя в продукты пчел содержится в меду — 15,94 мг/кг, в воске — 44,35 мг/кг, в перге — 37,00 мг/кг.

Далее мы установили, что количество меди в почве — 5,74 мг/кг; в медоносных растениях — 6,12 мг/кг, то есть степень накопления меди гораздо выше, чем цинка. В организме пчел этот элемент накапливается в сравнительно меньших количествах — 6,37 мг/кг, так же как и в продуктах пчел: в меду — 6,8 мг/кг, воске — 5,76 мг/кг, перге — 5,75 мг/кг.

Значительно слабее идет миграция свинца и кадмия.

В почве свинца содержалось 0,54 мг/кг, в медоносных растениях — 0,57 мг/кг, в теле пчелы — 0,27 мг/кг, в меду — 0,34 мг/кг, в воске — 0,54 мг/кг, в перге — 0,29 мг/кг; количество кадмия соответственно — 0,02; 0,02; 0,01; 0,05; 0,01; 0,01 мг/кг; содержание мышьяка составило соответственно 0,12; 1,37; 0,26; 0,06; 1,18; 0,10 мг/кг.

Потенциальную угрозу занесения токсичных веществ в продукты пчеловодства несут в себе вредные выбросы в атмосферу промышленных предприятий и автомобильного транспорта. Химические отходы наносят огромный ущерб не только пчелам, но и человеку, употребляющему продукты пчел.

Загрязняющие вещества в продуктах пчеловодства главным образом накапливаются в воске и меду. Пчелы, собирая нектар и пыльцу с загрязненных растений, не только сами подвергаются смертельному риску, но и становятся опасным источником загрязнения производимых ими продуктов.

С.А.ПАШАЯН

ТГСХА, Тюмень

Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетавг 21, 2018Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетсен 12, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетиюль 8, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетиюнь 15, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетокт 30, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетокт 4, 2014Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетянв 26, 2016Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетиюнь 18, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетокт 29, 2015Миграционная способность тяжелых металлов возрастаетфев 9, 2015мая 22, 2015июнь 26, 2017янв 20, 2018окт 1, 2018окт 17, 2018

Факторы, определяющие миграцию тяжелых металлов в водных системах

Способность элементов к перемещениям в водной массе во многом определяется степенью их окисления.

Чем выше заряд иона металла, тем прочнее он удерживается в виде соединений в составе минералов породы или твердых отходов, тем менее выражена его растворимость в природных водах и тем ниже его водная миграция.

Например, растворимость соединений К+ больше, чем соединений Са2+, а соединений Са2+ больше, чем соединений Fe3+ или (К+ > Са2+ > Fe3+).

  • Водная миграция ионов металлов в степени окисления +п существенно зависит от их массы, чем больше масса иона Ме+”, тем прочнее он связан в соединении, входящем в минеральную породу, и тем хуже переходит в водную фазу, тем лучше выпадает в осадок из раствора природных вод.
  • Концентрация металла в природных водах зависит от его ионного радиуса: чем больше радиус Ме+», тем легче он переходит в водную фазу и тем сильнее его участие в процессах растворения.
  • Миграция ионов металлов в водной фазе определяется в значительной мере величиной ионного потенциала, под которым понимается величина отношения заряда иона к его радиусу.

Большое число ионов металлов с величиной заряда менее 3+: Li+, Rb+, Sr2+, Ва2+, Mn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Pb2+, Cu2+, Ag1, Au2+, — переходят в воду и хорошо переносятся водой.

Элементы, ионы которых имеют заряд 3+ и выше, слабо переходят в воду, т. е. их соединения обладают пониженной растворимостью в воде.

К ним можно отнести такие многозарядные ионы металлов: Fe3+, Ga3+, Al3+, U4+, Zr4+, Ti4+, Nb5+, Ta5+, Mn4+.

По интенсивности миграции в водной среде можно выделить три группы металлов и их соединений.

Первая группа представлена наиболее легко растворимыми и подвижными галоидными, гидрокарбонатными и сульфатными соединениями Mn2+, Fe2+, Со2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+.

Во вторую группу входят менее растворимые и менее подвижные соединения, такие как SrC03 SrS04, ВаС03 Третью группу составляют наименее растворимые и наименее подвижные соединения металлов в высшей степени окисления: Fe3+, Mn4+, Ti4+, Zr4+, Th4~.

Формы миграции тяжелых металлов исследованы еще недостаточно, но ясно, что комплексные ионы загрязнителей играют значительную роль. Целый ряд комплексных ионов, например, [Sn(OH)F] и др., хорошо мигрируют в воде и способствуют ее загрязнению. Многие комплексы хорошо растворимы в воде, например, [BeF(H20)]+, [A1F(H20)5]2+.

При переходе тяжелых металлов в воду известную роль играет образование хелатов с ионами этилендиаминтетраацетата и нитрилтриацетата, которые содержатся в очищающих препаратах и моющих средствах (см. п. 2.5.1.3).

Комплексы тяжелых металлов имеют различные размеры, валентность и геохимические свойства, что определяет их миграционную способность.

Состав вод и состав твердых загрязнителей при их контакте предопределяет характер процессов растворения (выщелачивания) соединений тяжелых металлов. Обмен между загрязненными водами и соединениями твердой фазы выражается уравнением:

Здесь тип — стехиометрические коэффициенты уравнения (2.25).

Основополагающее значение для распределения металлов между фазами играет фактор pH среды — водородный показатель, характеризующий кислотность среды.

Большинство металлов (Cu2+, Cr3+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+) осаждаются при значениях pH, лежащих обычно в пределах 6—7. Причем осаждение идет в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов, сульфидов, фосфатов.

При снижении pH, а также недостатке кислорода и в присутствии хелатообразователей происходит переход металла из грунта в водную фазу.

Распределение металлов в различных формах в водной среде можно представить в виде следующей схемы:

Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста рас

      Наряду 
с негативными эффектами отмечается положительное действие небольших 
доз свинца. Так, внесение в почву Pb из расчета 3 кг/га повышало урожай моркови, капусты, лука и огурцов. Причины положительного действия малых количеств свинца на растения недостаточно хорошо изучены.

Можно предполагать, что этот эффект не является прямым действием свинца. Стимулирующее влияние обусловлено нитрат — ионами, если в почву вносить нитрат свинца.

Это влияние может быть связано также с тем, что свинец вытесняет некоторое количество макро- и микроэлементов из почвенного поглощающего комплекса и, в конечном счете, увеличивает их поступление в растения.

Данное положение подтверждается следующими результатами: применение свинца стимулировало поступление в вегетативные органы яблони калия, хрома, бария, меди, никеля и бора и положительно сказывалось на величине урожая плодов (Минеев В.Г., 1982). 

      Среди ТМ кадмий — приоритетный загрязнитель и один из самых опасных экотоксикантов: он проявляет сильно выраженные токсичные свойства в очень низких концентрациях.

Читайте также:  Особенности выбора грунтовки по металлу: виды смесей под покраску, популярные марки, рекомендации

       
Высокая фитотоксичность кадмия 
объясняется его близостью по 
химическим свойствам к цинку. 
Поэтому кадмий может выступать 
в роли цинка во многих биохимических 
процессах, нарушая работу различных ферментов. Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и гибель растения (Алексеев Ю.В., 1967).

      По 
чувствительности к кадмию растения можно расположить в следующий восходящий ряд: томаты < овес < салат < морковь < редька < фасоль (Алексеев Ю.В., 1967).

      Антагонизм и синергизм микроэлементов. Различные соотношения и концентрации микроэлементов в питательной среде оказывают существенное физиологическое воздействие на растения и микроорганизмы.

При этом может происходить как синергизм (явление, когда в питательной смеси микроэлементов действие одного из них усиливает действие другого), так и антагонизм (явление взаимного угнетения, торможения или снижения эффективности совместного применения нескольких микроэлементов по сравнению с действием этих же элементов, взятых в отдельности).

Синергизм и антагонизм микроэлементов зависят от вида растений, почвенно-климатических условий, форм и запасов микроэлементов в почвах.

      Антагонистические взаимоотношения между Zn и Cu проявляются 
в торможении поглощения одного элемента другим, что может указывать на участие в поглощении обоих элементов 
одних и тех же носителей. Антогонизм Zn и Pb выражается во взаимно неблагоприятном воздействии на перенос обоих элементов из корней в надземные части (Кабата — Пендиас А., 1989).

      Явление синергизма в ряде случаев наблюдается 
между бором и марганцем, когда 
оба эти микроэлемента повышают скорость обмена веществ и урожай сельскохозяйственных культур. Молибден способствует поступлению фосфора, кальция и магния в растения (Пейве Я.В., 1961).

     Результаты изучения взаимодействия Zn — Cd  представляются дискуссионными, поскольку есть данные как об антагонизме, так и о синергизме между этими двумя элементами в процессах поглощения и переноса. Наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Cd к Zn в среде обитания растения.

     Федорова (2005) отмечает, что в присутствии 
цинка наблюдается ослабление поглощения кадмия корнями и листьями растений.

     Китагиси 
и Ямане объясняют наблюдавшийся 
синергизм в рисе с точки зрения конкуренции Zn и Cd  за позиции в соединениях, что ведет к повышенной растворимости кадмия и переносу его из корней в надземную часть растения.  Можно полагать, что наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Zn к Cd в среде обитания растения.

      Часто наблюдается взаимодействие Cu и Zn. Механизм поглощения этих металлов, вероятно, один и тот же, и каждый из них может вследствие взаимной конкуренции ингибировать поглощение другого корневой системой (Кабата-Пендиас А., 1989).

      Взаимодействие Cu — Cd при поступлении этих элементов в корневую систему, по сообщениям многих авторов, бывает как антагонистическим, так и синергетическим. Синергизм может быть вторичным эффектом повреждения мембран, вызванного несбалансированным соотношением этих элементов.

      По 
вопросу о взаимодействии Pb с 
другими микроэлементами данные имеются только для Zn и Cd. Стимулирующее действие Pb на поглощение Cd корнями растений может быть вторичным эффектом, связанным с нарушением переноса ионов через мембраны (Кабата-Пендиас А., 1989).

      Степень выраженности и направленности явлений 
синергизма и антагонизма с возрастом 
растений изменяется, поскольку изменяется потребность растений и обмен веществ в клетках. Эти явления еще не достаточно хорошо изучены (Пейве Я.В., 1961). 

2. Миграция тяжелых металлов. Виды миграции

      Геохимическая миграция — это неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению 
химических элементов в природных 
телах. Этот комплекс включает перевод 
химических элементов в структурное 
состояние, форму нахождения, обеспечивающих их подвижность в данных внешних условиях, транспортировку элементов в физических и химических градиентах природных тел (Сает Ю.Е., 1990).

      Термин 
«миграция химических элементов» был 
введен в геохимию  А.Е. Ферсманом 
в 1923 году. Под термином «геохимическая миграция» А.Е. Ферсман подразумевал комплекс процессов, определяющих перемещение химических элементов в земной коре и ведущих обычно к их расселению или концентрации.

     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.

      А.И. Перельман (1989) выделил четыре основных вида миграции химических элементов: механическую, физико-химическую, биогенную, техногенную, связанную с социальными процессами. 

      Механическая 
миграция (механогинез) обусловлена 
работой рек, течений ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и 
других факторов.

Характерное явление 
механогенеза — раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции.

При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются.

      Физико-химическая миграция — это перемещение, перераспределение 
химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она включает миграцию и сопровождающие ее химические реакции для таких форм нахождения химических элементов, как водные растворы, газовые смеси. К ней же отнесены диффузия, процессы радиоактивного распада, явление изоморфизма. (Перельман А.И., 1989).

      Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (растительных и животных). Между организмом и внешней средой существует неразрывное единство, которое определяется геохимической миграцией и биогенной миграцией вещества и энергии.

Специфика его проявляется в адаптации и приспособляемости живых организмов к условиям геохимической среды, их морфологической изменчивости.

Характер геохимической среды связан со степенью концентрации химических элементов организмами, массой живого вещества и его геохимической энергией, которая зависит от интенсивности биохимических процессов в организме, от механизмов абиотического и биотического круговорота вещества и энергии в биосфере (Лукашев К.И., 1984).

      Техногенная миграция химических элементов вызвана 
деятельностью людей. Ее роль непрерывно возрастает, и во многом она контролирует поведение химических элементов в биосфере (Алексеенко В.А., 2000).

      В экологической геохимии особое внимание уделяется формам нахождения мигрирующих 
элементов, так как часто от этого 
зависит доступ химических элементов 
организмам. Связывая перемещение химических элементов с формами их нахождения, В.А. Алексеенко (1977) выделяет три основных типа миграции.

      Первый 
тип миграции представляет собой 
изменения формы нахождения элементов 
без их значительного перемещения, например переход элемента из минеральной формы в водные растворы.

      Второй 
тип миграции представляет перемещение 
элемента без изменения формы 
его нахождения. Примерами такого типа миграции является перемещение 
аэрозолей в атмосфере, обломков минералов в поверхностных водах 
или элементов, находящихся в растворе, при движении поверхностных или подземных вод.

      Третий 
тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении элементов 
с изменением форм их нахождения, например перемещение элементов в подземных 
водах, растворяющих минералы на месторождениях, переход из минеральной формы нахождения в биогенную. Этот тип миграции является преобладающим в биосфере.

      Закономерности 
геохимической миграции элементов 
играют ведущую роль в формировании химического состава природных 
образований всех геосфер земного шара. При этом различают внутренние факторы миграции, определяемые физическими и химическими свойствами атомов химических элементов, и внешние факторы, включающие термодинамическую и химическую обстановку среды миграции. 

      К числу внутренних факторов миграции относятся термические свойства атомов, гравитационные свойства атомов и ионов, а также химические и радиоактивные свойства атомов.

      К внешним фактором миграции относятся 
температурный режим, давление, кислотно-основные условия среды, окислительно-восстановительные условия (Безуглова О.С., 2000).

      С повышением температуры увеличением 
миграционная способность элементов, находящихся в растворах и 
расплавах, повышается скорость химических реакций. Однако в отдельных случаях 
усиление миграции происходит только в определенном температурном интервале. К числу подобных явлений следует отнести в первую очередь биогенную миграцию (Алексеенко В.А., 2000).

      Атмосферное давление, как и температура, является фактором, косвенно влияющим на миграцию. Уменьшение давления приводит к выделению газов, растворенных в подземных и поверхностных водах. Это сказывается на направлении скорости реакции. (Королев М.Е., 1973).

      В условиях низких значениях pH значительно 
увеличивается растворимость и 
миграционная способность металлов.

Таким образом, аномально кислые воды помимо непосредственного отрицательного влияния на растительный и животный мир транспортируют в повышенном количестве многие металлы, неблагоприятно влияющие на развитие биосферы.

Так, например, такие катионы, как Co+3, Cr+3, Bi+3, Sn+2, Th+4, Zr+4, Sb+3, Sc+3, могут переноситься только в весьма кислых растворах и легко осаждаются при повышении их щелочности.

Читайте также:  Углошлифовальная машинка: назначение инструмента, стоимость, правила выбора и использования

      Увеличение pH поверхностных водных растворов 
должно вызывать осаждение гидроокисей 
ряда металлов. Однако следует учитывать, что осаждение гидроокисей определяется зависящими от pH произведениями их растворимости, т.е. является функцией содержания конкретных элементов в поверхностном водном растворе (Беус А.А., 1976).

      Окислительно-восстановительные условия сильно влияют на миграцию элементов. Важнейшие окислители — O 2, Fe3+, Mn4+, восстановители — S2+, Fe2+, H2.

      Окислительная (кислородная) обстановка способствует накоплению катионогенных элементов 
переменной валентности (Fe, Mn, Co) и увеличению растворимости анионогенных (V, Mo, Se, U, Re). Восстановительная обстановка сопровождается интенсивной миграцией соединений Fe, Mn, Co, Ni, Cu (Перельман А.И., 1989).

      Таким образом, химические элементы в биосфере находятся в постоянном движении, которое и является их миграцией (Алексеенко В.А., 2000). 

Обзор литературы

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин «тяжелые металлы» применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см3, либо с атомным номером больше 20. Хотя, существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 ат. ед. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt. Фитотоксичность тяжелых металлов зависит от их химических свойств: валентности, ионного радиуса и способности к комплексообразованию. В большинстве случаев элементы по степени токсичности располагаются в последовательности: Cu> Ni > Cd>Zn> Pb> Hg>Fe> Mo> Mn. Однако этот ряд может несколько изменяться в связи с неодинаковым осаждением элементов почвой и переводом в недоступное для растений состояние, условиями выращивания, физиолого-генетическими особенностями самих растений. Трансформация и миграция тяжелых металлов происходит при непосредственном и косвенном влиянии реакции комплексообразования. При оценке загрязнения окружающей среды необходимо учитывать свойства почвы и, в первую очередь, гранулометрический состав, гумусированность и буферность. Под буферностью понимают способность почв поддерживать концентрацию металлов в почвенном растворе на постоянном уровне. В почвах тяжелые металлы присутствуют в двух фазах — твердой и в почвенном растворе. Форма существования металлов определяется реакцией среды, химическим и вещественным составом почвенного раствора и, в первую очередь, содержанием органических веществ. Элементы — комплексанты, загрязняющие почву, концентрируются, в основном, в ее верхнем 10 см слое. Однако при подкислении малобуферной почвы значительная доля металлов из обменно-поглощенного состояния переходит в почвенный раствор. Сильной миграционной способностью в кислой среде обладают кадмий, медь, никель, кобальт. Уменьшение рН на 1,8-2 единицы приводит к увеличению подвижности цинка в 3,8-5,4, кадмия — в 4-8, меди — в 2-3 раза. [10 ]. Таблица 1 Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг) [16 ]

Элемент Класс опасности ПДК ОДК по группам почв Фоновое содержание
Валовое содержание Извлекаемые ацетатно-аммонийным буфером (рН=4,8) Песчаные, супесчаные Суглинистые, глинистые
рНксl < 5,5 рНксl> 5,5
Pb 1 32 6 32 65 130 26
Zn 1 23 55 110 220 50
Cd 1 0,5 1 2 0,3
Cu 2 3 33 66 132 27
Ni 2 4 20 40 80 20
Со 2 5 7,2

Таким образом, при попадании в почву тяжелые металлы быстро взаимодействуют с органическими лигандами с образованием комплексных соединений. Так, что при низких концентрациях в почве (20-30 мг/кг) приблизительно 30% свинца находится в виде комплексов с органическими веществами.

Доля комплексных соединений свинца увеличивается с возрастанием его концентрации до 400 мг/г, а затем уменьшается [10]. Металлы также сорбируются (обменно или необменно) осадками гидроксидов железа и марганца, глинистыми минералами и органическим веществом почвы.

Металлы, доступные растениям и способные к вымыванию, находятся в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексов и хелатов.

Поглощение ТМ почвой в большей степени зависит от реакции среды и от того, какие анионы преобладают в почвенном растворе. В кислой среде больше сорбируются медь, свинец и цинк, а в щелочной — интенсивно поглощаются кадмий и кобальт. Медь преимущественно связывается с органическими лигандами и гидроксидами железа.

Таблица 2 Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от рН почвенного раствора [9 ]

рН почвы Степень подвижности элементов
Практически неподвижен Слабоподвижен Подвижен
Почвы кислые рН

Особенности ведения сельского хозяйства на загрязненных тяжелыми металлами почвах

 Многие тяжелые металлы, даже в очень малых количествах, способны вызывать онкологические, иммунологические и другие заболевания

Среди всех загрязнителей окружающей среды особое место занимают тяжелые металлы. Многие из них, даже в очень малых количествах, способны вызывать онкологические, иммунологические и другие заболевания. По экспертным оценкам, около 70% тяжелых металлов поступает в организм человека с продуктами питания.

Загрязнение территории тяжелыми металлами, в большинстве случаев, носит локальный характер. Наиболее сильно загрязнены земли вокруг крупных промышленных центров и мегаполисов.

Высокие концентрации тяжелых металлов отмечаются в придорожных полосах, а также на сельскохозяйственных территориях, где использовались различные виды органических отходов в качестве удобрений.

В таких местах содержание тяжелых металлов в почвах многократно превышает фоновое, а выращенная здесь растениеводческая продукция может накапливать их в концентрациях выше максимально допустимых уровней (МДУ). Цинк, свинец и кадмий относительно легкодоступны для растений, поэтому именно для этих элементов наиболее высоки риски накопления в опасных концентрациях.

В пригородных зонах крупных городов возникают антропогенные многоэлементные геохимические аномалии. Ширина их может достигать 10 км и более. На этих площадях содержание свинца, цинка, кадмия, никеля и меди в почвах часто превышает предельно допустимые концентрации (ПДК).

В таких местах трудно получить сельскохозяйственную продукцию, удовлетворяющую гигиеническим нормативам, в особенности, для производства детского питания. Вдоль дорожного полотна основным загрязнителем является свинец, его концентрация в почве превышает фоновые на расстоянии до 50, а порою и до 150 метров.

Долговременная эксплуатация дорог приводит к постепенному накоплению в почвах прилегающих участков свинца, кадмия, цинка и меди.

Полиэлементные антропогенные аномалии формируются также в поймах рек ниже крупных городов. Как правило, они имеют вытянутую форму. На этих участках содержание хрома, свинца и никеля в пойменной растительности может значительно превышать МДУ в кормах для животноводства.

Бесконтрольное использование осадков сточных вод и переработанных бытовых отходов в качестве удобрений приводит к появлению моно- и полиэлементных локальных аномалий на сельскохозяйственных территориях.

Увлечение осадками сточных вод, в качестве дешевого удобрения, может привести к устойчивому загрязнению почв тяжелыми металлами и их заметному накоплению в продукции растениеводства.

Накопление тяжелых металлов в растениях зависит не только от их концентрации, но и от физико-химической формы. Большинство данных элементов быстро адсорбируется на поверхности частиц глинистых минералов, вследствие чего их биологическая доступность снижается.

В ряду почв от легкого гранулометрического состава (песчаные) к более тяжелому (суглинистые) коэффициенты биологического накопления снижаются в 1,5–2,5 раза. Многие тяжелые металлы фиксируются в органическом веществе почвы. Наиболее прочно они удерживаются фульвокислотами.

Поэтому с увеличением содержания гумуса в почве, переход тяжелых металлов в растения уменьшается. Особенно сильно органическое вещество почвы влияет на биологическую доступность меди и свинца. Миграционная способность тяжелых металлов увеличивается с падением почвенной рН.

Проводя мероприятия, направленные на уменьшение кислотности почвы, можно одновременно снизить и переход тяжелых металлов в растения. Причем, чем выше уровень накопления тяжелых металлов в почве, тем сильнее сказывается рН почвы на их переход в растения.

Часто подвижность тяжелых металлов зависит от характера увлажнения почвы. Как правило, цинк и свинец сильнее накапливаются в растениях на временно избыточно увлажняемых и глееватых почвах.

Базовые положения, позволяющие получать продукцию растениеводства с допустимым содержанием тяжелых металлов состоят в:

  • ·         Тщательной оценке пространственного распределения сельскохозяйственных земель по уровням загрязнения тяжелыми металлами;
  • ·         Прогнозе перехода тяжелых металлов в звене «почва – растения», основанном на литературных данных и предыдущем опыте;
  • ·         Использовании приемов снижения поступления тяжелых металлов в растения (при необходимости);
  • ·         Контроле за содержанием тяжелых металлов в выращиваемой продукции и кормах сельскохозяйственных животных;
  • ·         Мониторинге содержания тяжелых металлов в основных компонентах агроэкосистем.
Читайте также:  Заземление и зануление: характеристика защитных систем, в чем разница между ними

Если содержание тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий достигло критических уровней, способных привести к превышению нормативов, то необходимо осуществление комплекса специальных мероприятий. Они должны носить как технологический, так и организационный характер. Прежде всего, целесообразна реализация следующих задач:

·         Подбор культур, менее всего накапливающих тяжелые металлы в данных почвенных условиях. Правильный подбор культур позволяет добиться двух- – трехкратного снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции.

При высоком содержании тяжелых металлов в почвах, рекомендуется высевать рапс на маслосемена, можно выращивать на этих землях озимые рожь и пшеницу, а также многолетние кормовые травы. К культурам, слабо накапливающим цинк, относятся гречиха, озимая рожь и яровая пшеница.

Даже при сильном накоплении меди в почве (до 300 мг/кг) можно, практически без ограничений, выращивать зернофураж и многолетние кормовые травы.

·         Известкование почв. Для этих целей можно использовать традиционные мелиоранты (известь, доломитовая мука), а можно вносить кальцийсодержащие отходы – карбонатный сапропель, дефекат сахарных заводов и т.п. С помощью известкования кислых почв можно снизить поступление тяжелых металлов в растения до 2 раз.

·         Увеличение содержания органического вещества в почве.

Данная задача выполняется с помощью органических удобрений, вермигумуса и некоторых отходов с высоким содержанием органических веществ, но без тяжелых металлов (нейтрализованный лигнин, компосты различного состава и т.п.).

Хорошие результаты достигаются при внесении органики по предварительно известкованным почвам. Повышенное содержание гумуса в почве позволяет приблизительно в полтора раза снизить поступление меди и цинка в продукцию растениеводства.

·         Обеспечение сбалансированного минерального питания растений, при котором достигается максимально высокая урожайность. «Эффект разбавления» позволяет существенно снизить накопление тяжелых металлов в растениях.

Таким образом, прогнозировать уровни содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции необходимо не только исходя из их содержания в почве, следует также учитывать агрохимические показатели, а также биологические особенности растений. Рациональный подбор культур и мелиоративных мероприятий позволяет добиться получения нормативно чистых урожаев даже на сильно загрязненных тяжелыми металлами почвах.

Александр Никитин, канд. с-х. наук

Распределение масс тяжелых металлов в биосфере

Металл Масса металла
в растительности Мировой суши, 106 т в океане (растворенные формы), 10″ т в осадочной оболочке, 10>2 т в гранитном слое земной коры, 1012 т
Fe 500,0 4658 60720 295 000
Мn 600,0 548 1752 5740
V 3,75 171 623
Сг 4,50 274 132 278
Zn 75 6850 129 418
Сu 20 1233 56 164
Рb 3,13 41,1 32 131
Ni 5 685 92 213
Со 1,3 41,1 22 60
Мо 1,2 3,3 11
Cd 0,09 151 0,4 1,3
Hg 0,03 206 0,6 0,26

Структура
глобального массообмена тяжелых металлов
полностью не выяснена, поэтому в таблице
3 показаны лишь главные, наиболее
изученные миграционные потоки,
охватывающие Мировую сушу.

Для сравнения
приведены данные о круговороте металлов,
обусловленном жизнедеятельностью
фотосинтезирующих организмов океана.

Для расчетов использованы средние
значения концентрации металлов в
фитопланктоне, определенные английским
биогеохимиком Г. Брайеном (1976).

Таблица
3

Главные миграционные потоки металлов

Металл Биологический круговорот на суше Масса металла, 1 06 т/год
Речной сток Перенос — с пылью с континентов на акваторию Перенос с акватории на сушу с атмосферными осадками Биологический круговорот фотосинтетиков океана
растворимых форм фиксированных на взвесях
Fe 34,0 27,4 963,0 65,0 0,132 47,3
Мn 35,0 0,41 20,5 4,0 0,176 0,99
Zn 5,2 0,82 5,86 0,90 0,240 4,40
Сu 1,3 0,28 1,51 0,11 0,141 0,77
Ni 0,34 0,12 1,58 0,18 0,057 0,33
Сг 0,31 0,041 2,46 0,19 0,16
V 0,26 0,040 2,30 0,25 0,33
Рb 0,21 0,041 2,87 0,040 0,44 0,011
Со 0,086 0,011 1,51 0,038 0,110
Мо 0,085 0,037 0,057 0,004 0,220
Cd 0,008 0,009 0,013 0,0006 0,055
Hg. 0,002 0,003 0,0008 0,017

Наибольшее
количество металлов мигрирует в системе
большого биологического круговорота,
происходящего благодаря фотосинтезу
растительности суши и деструкции
отмирающего органического вещества
беспозвоночными и микроорганизмами
педосферы. Значительные массы металлов
выносятся в составе речных взвесей, но
этот материал почти полностью уходит
в осадки при поступлении пресных вод в
систему Мирового океана.

Вовлечение
тяжелых металлов в биологический
круговорот на суше сопровождается
селективной дифференциацией их масс.
Пропорциональность между количеством
металлов в земной коре и относительной
интенсивностью их поглощения
растительностью при этом отсутствует.

Коэффициент биологического поглощения
К6растительности
суши для большинства металлов составляет
от 1 до 9, для цинка, молибдена и серебра
— больше 9, для железа, ванадия и хрома
— меньше 1. В результате селективного
поглощения металлов в биомассе
растительности заметно изменяются
соотношения металлов, существующие в
земной коре.

Особенно сильно уменьшается
соотношение железа с другими металлами.
Биологический круговорот и дифференциация
металлов, осуществляемые фотосинтетиками
океана, имеют свои особенности. Массы
металлов, проходящие в течение года
через биологические круговороты на
суше и в океане, соизмеримы, но их
соотношение неодинаково.

Растительность
Мировой суши захватывает больше марганца
и свинца, фотосинтезирующие организмы
океана — больше молибдена и кобальта.

С суши
в океан с речным стоком выносятся крупные
массы водорастворимых и фиксированных
во взвесях форм металлов.

Значения
коэффициента водной миграции КВметаллов
указывают, что наиболее активно
вовлекаются в водную миграцию растворимые
формы серебра, ртути, цинка В

>
10),
а также молибдена, кадмия и меди, КВкоторых
от 2 до 9.

Фиксированные во взвесях формы
железа, марганца, хрома, ванадия, свинца,
кобальта выносятся в количестве 97— 98%
общей массы выносимых с речным стоком
металлов. Кроме того, в океан выносятся
ветром значительные массы металлов,
фиксированных на пылевых частицах.

В свою
очередь, с акватории воздушными массами
переносятся водорастворимые формы
металлов. Этот процесс недостаточно
изучен, и данные по переносу масс
отдельных металлов отсутствуют. Тем не
менее очевидно, что миграционный поток
масс тяжелых металлов с океана на сушу
значительно меньше, чем в обратном
направлении.

По этой причине годовые
циклы металлов в системе суша — океан
сильно незамкнуты. Значительные массы
металлов накапливаются в воде морей и
океанов и уходят в осадки. Повторное
вовлечение металлов из осадочных толщ
в циклы массообмена происходит по мере
развития тектонических циклов.

При этом
мобилизация металлов из осадочных пород
часто более затруднена, чем из глубинных
кристаллических пород.

С
поверхности океана в атмосферу выделяются
газообразные органические соединения
металлов. Как отмечено в гл. 3, высшие
растения выделяют летучие органические
соединения (терпены, изопрены), содержащие
металлы.

Еще большие массы металлов
выделяются в воздух в составе газообразных
метаболитов бактерий. Особо важную роль
играют процессы биометилизации металлов.
Ветром в тропосферу захватываются
мелкие почвенные частицы, также содержащие
металлы.

Все перечисленные формы металлов
входят в состав аэрозолей и вымываются
атмосферными осадками.

В
системе массообмена в биосфере педосфера
играет роль глобального регулятора
движения масс тяжелых металлов.

В
процессе трансформации органического
вещества поступившие в почву металлы
входят в состав легкоподвижных комплексных
соединений и одновременно прочно
закрепляются в устойчивых компонентах
почвенного гумуса.

Наиболее прочно
закрепляется ртуть, которая образует
весьма устойчивые комплексы с
функциональными группами гумусовых
кислот. Прочно связывается свинец, менее
прочно медь, слабее — цинк и кадмий.

Тесная
сопряженность миграционных циклов
тяжелых металлов, а также регулирующая
роль педосферы обеспечивают высокую
устойчивость биосферы по отношению к
поступлению дополнительных масс металлов
природного или техногенного происхождения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector