Подвижная форма тяжелых металлов это

При повышении содержания тяжёлых металлов в почве и природных водах выше предельно допустимых возникает угроза загрязнения природной среды, приводящая к токсичным условиям для биоты.

В группу тяжёлых металлов включают: Pb, Zn, Cd, Hg, Mo, Mn, Ni, Sn, Tu, Co, Cn, V, Sb, As. Избыток этих элементов в почве приводит к снижению продуктивности роста и его качественных показателей. Фоновое содержание тяжёлых металлов невелико и редко превышает 0,005 %.

Предельно допустимое содержание тяжёлых металлов оценивается по трём показателям: транслокационному (переход элементов в растение), миграционному (воздушному, водному) и по общесанитарному гигиеническому влиянию тяжёлых металлов на самоочищающуюся способность почвы.

Загрязнение почв тяжёлыми металлами происходит, главным образом, в результате газопылевых выбросов металлургических предприятий. Наибольшие загрязнения наблюдаются вблизи предприятий, но и на расстоянии в 50 км от источника загрязнения может наблюдаться загрязнение среды тяжёлыми металлами.

Сильное загрязнение почв наблюдается вдоль автомобильных трасс, около аэропортов. Имеются и другие источники загрязнения, например, при внесении минеральных удобрений или применении пестицидов. Имеются сведения, что многие тяжёлые металлы выпадают на поверхность почвы в виде оксидов, растворимость которых зависит от рН почвенного раствора.

Наибольшая растворимость металлов наблюдается в кислых почвах, наименьшая — в нейтральных и слабощёлочных.

Поведение тяжёлых металлов в почве очень сложно, так как они обладают высокой способностью к разнообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям.

В виду малой концентрации тяжёлых металлов (ТМ) в почвенных растворах и большой ёмкости поглощения почвы для оценки их поведения можно использовать линейное уравнение изотермической сорбции Генри:

Подвижная форма тяжелых металлов это

(1)

Подвижная форма тяжелых металлов это

где — равновесное состояние, соответствующее С — количеству металла, сорбированного почвой; — объёмная влажность почвы; С — концентрация металла в почвенном растворе; — коэффициент изотермы сорбции.

Для описания поведения тяжёлых металлов в почве нужно достоверно знать коэффициент изотермы сорбции, так как по сути дела этот коэффициент объединяет все описанные ранее процессы, формирующие соотношения между подвижной и связанной фракциями иона конкретного металла.

Содержание этого иона в единице объёма почвы в равновесном состоянии: или

  • . (2)
  • Коэффициент подвижности иона, то есть отношения массы ионов в растворе к общему его содержанию в почве определяется из соотношения:
  • (3)
  • Зная это соотношение (по результатам лабораторных анализов почвы), можно приближенно оценить значение эффективного коэффициента изотермы сорбции:
  • (4)
  • Так, если подвижные формы металла в почве составляют R = 0,1, то = 0,11.

Большое влияние на трансформацию тяжёлых металлов оказывает почвенная влага. При растворении и последующем разложении соединений тяжёлые металлы могут переходить в подвижные формы.

Процессы поглощения тяжёлых металлов растениями для построения строгих моделей изучены ещё недостаточно. Подвижные фракции тяжёлых металлов, находящиеся в почвенном растворе, передвигаются за счёт разности потенциалов (диффузная составляющая потока) и за счёт потока влаги (конвективная составляющая).

Подвижные формы тяжёлых металлов почвенного раствора передвигаются за счёт разности концентраций (диффузная составляющая потока) и за счёт потока влаги (конвентативная составляющая).

Задача 1. Определить равновесное состояние металла, сорбированного почвой.

  1. 1. Определяем значение эффективного коэффициента изотермы сорбции из уравнения:
  2. 2. Определяем содержание иона меди в единице объёма почвы в равновесном состоянии по уравнению:
  3. , мг/дм3
  4. , мг/дм3
  5. 3. С помощью линейного уравнения изотермической сорбции Генри определяем равновесное состояние, соответствующее концентрации меди в почвенном растворе, сорбированной почвой:

Задача 2. Произвести расчёт содержания тяжёлых металлов в снежном покрове и поступления их в водные источники.

Большая часть осадков, в районах умеренного климата, выпадает в виде снега. Так в бассейне Нижнего Дона за период весеннего в водотоки попадает 80 % воды общего питания.

При таянии снега, осаждённые на нём тяжёлые металлы, переходят в почву с талыми водами, а затем в поверхностные воды.

Исходные данные о содержании тяжёлых металлов в снежном покрове и талых водах представлены в бланке заданий.

  • На основании исходных данных необходимо определить среднюю скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы:
  • дi = (Pt — Po) ·Дh/t, (5)
  • где дi — средняя скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы, м/с; Po и Pt — содержание металла в снеге в начальный и конечный периоды соответственно, мг/дм3; t — продолжительность эксполяции, мес; Дh — величина среднемесячных осадков, мм.

Принимая заданные значения среднемесячных осадков и продолжительность эксполяции (задаётся преподавателем), можно рассчитать для зимнего периода скорость осаждения тяжёлых металлов из атмосферы на водосбор Нижнего Дона. Данные расчётов сводятся в таблицу 1.

Таблица 1 — Скорость осаждения тяжёлых металлов, мг/ (м2/мес)

Металл Марганец Медь Цинк Свинец
1 период Скорость осаждения дi, м/с, 1,164 0,029 2,003 0,145
2 период Скорость осаждения дi, м/с 0,145 0,072 0,391 0

ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ — Фундаментальные исследования (научный журнал)

1
Антонова Ю.А., Сафонова М.А.

Охрана окружающей среды от загрязнения стала насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

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

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями считаются свинец, кадмий, цинк, главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям.

Загрязнение почвы подвижными формами тяжелых металлов является наиболее актуальной, так как в последние годы проблема загрязнения окружающей среды приняла угрожающий характер.

В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой отраслях науки.

Объектом данного исследования являются антропогенные почвы Железнодорожного района г.Ульяновска (на примере ул.Транспортной).

Главная цель проводимого исследования — определение степени загрязнения городских почв тяжелыми металлами.

Задачами исследования являются: определение величины рН в отобранных образцах почвы; определение концентрации подвижных форм меди, цинка, кадмия, свинца; проведения анализа полученных данных и предложение рекомендаций по снижению содержания тяжёлых металлов в городских почвах.

Пробы в 2005 году отбирались вдоль автодороги по ул.Транспортная, а в 2006 году на территории личных приусадебных участков (по той же улице), расположенных вблизи железнодорожных путей. Пробы отбирались на глубину 0-5 см и 5-10 см. Всего было отобрано 20 проб, массой по 500 г.

Исследуемые образцы проб 2005 и 2006 года относятся к нейтральной почве. Нейтральные почвы поглощают тяжелые металлы из растворов в большей степени, чем кислые.

Но есть опасность увеличения подвижности тяжёлых металлов и их проникновение в грунтовые воды и близлежащий водоём, при выпадении кислотных дождей (обследуемый участок находиться в пойме р.Свияги), что незамедлительно скажется на пищевых цепях.

В данных пробах наблюдается низкое содержание гумуса (2-4%). Соответственно нет способности почвы к образованию органо — металлических комплексов.

По лабораторным исследованиям почв на содержание Cu, Cd, Zn, Pb были сделаны выводы об их концентрациях в почвах обследуемой территории. В пробах 2005 года было выявлено превышение ПДК Cu в 1-1,2 раза,Cd в 6-9 раз, а содержание Zn и Pb ПДК не превысило.

В пробах 2006 года отобранных на приусадебных участках концентрация Cu не превысила ПДК, содержание Cd меньше, чем в пробах отобранных вдоль дороги, но всё же превышает ПДК в разных точках от 0,3 до 4,6 раз.

Содержание Zn увеличено только в 5 точке и составляет на глубине 0-5 см 23,3 мг/кг почвы (ПДК 23 мг/кг), а на глубине 5-10 см 24,8 мг/кг.

По результатам исследования сделаны следующие выводы: для почв характерна нейтральная реакция почвенного раствора; в пробах почвы низкое содержание гумуса; на территории Железнодорожного района г.

Ульяновска наблюдается различное по интенсивности загрязнение тяжелыми металлами почвы; установлено, что в некоторых пробах значительное превышение ПДК, особенно это наблюдается в исследованиях почвы на концентрацию кадмия; для улучшения эколого-географического состояния почвы на данном участке рекомендуется выращивать растения-аккумуляторы тяжелых металлов и управлять экологическими свойствами самой почвы посредством ее искусственного конструирования; необходимо проводить систематический мониторинг и выявлять наиболее загрязненные и опасные для здоровья населения участки.

Библиографическая ссылка

Антонова Ю.А., Сафонова М.А. ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 11. – С. 43-44;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=3676 (дата обращения: 22.06.2022). Подвижная форма тяжелых металлов это

Изучение содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах Челябинской области

Нефёдова Е.А. 11МАОУ «Гимназия № 26», г. Миасс
Игуменцева О.В. 11МАОУ «Гимназия № 26», г. Миасс

Текст работы размещён без изображений и формул. Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

В.В. Докучаев назвал почвы «зеркалом ландшафта», поскольку почвы являются самым главным выразителем особенностей природы данной территории. Почва определяет растительный покров и сама зависит от него. Взаимодействие этих двух компонентов в условиях данного рельефа и климата создаёт облик ландшафта.

Почва – колоссальное вечное природное богатство, неиссякаемый источник, обеспечивающий человека продуктами питания, животных – кормами, а промышленность сырьем. Веками и тысячелетиями создавалась она, но существует невидимая угроза, которая ставит под удар и почвы, и все то, что они могут дать.

  • Цель: изучить содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Челябинской области в летний период
  • Объект исследования: почвенные пробы.
  • Предмет исследования: анализ почвенных проб.
  • Задачи:
  • 1) Дать общую характеристику почв и ознакомиться с основными ее функциями.
  • 2) Изучить влияние тяжелых металлов на живые организмы.
  • 3) Ознакомится с методиками отбора проб и проведения эксперимента.
  • 4) Определить содержание подвижных форм свинца, цинка, меди и железа в почвах Челябинской области.
  • ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
  • 1.1 Почва и ее функции
Читайте также:  Съёмник подшипников: гидравлические и механические, их описание и характеристика

Почва – это особое природное образование, сформировавшееся в результате преобразования горных пород растениями и животными, т. е. в результате почвообразовательного процесса.

Важнейшим свойством почвы является плодородие.

Плодородие – способность, давать растениям питательные вещества: минеральные и органический компоненты, воздух и вода.

Наука, изучающая почву, называется почвоведением. Она изучает многообразие почвы на земном шаре, их происхождение, состав, свойства, в том числе плодородие, распространение и рациональное использование.

Современное почвоведение возникло в России в конце 19 века. Основателем его был В. В. Докучаев. Он впервые показал, что почва обладает особым свойством – плодородием и состоит из живой и неживой частей.

Это и отличает почву от горной породы.

Основоположником почвоведения считается Василий Васильевич Докучаев (1846-1903) [10].

Глобальные функции почвы многогранны и их несколько.

Первая и главная из них — это обеспечение существования жизни на Земле. Именно из почвы растения, а через них и животные, и человек получают элементы минерального питания и воду для создания своей биомассы.

В почве аккумулируются необходимые организмам биофильные элементы в доступных для них формах химических соединений.

В почве укореняются наземные растения, в ней обитает огромная масса почвообитающих животных, она плотно населена микроорганизмами.

Вторая важнейшая глобальная функция почвы — это обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов (циклов) веществ на земной поверхности.

Через почвенный покров суши – эту тончайшую её поверхностную оболочку – идут сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой, гидросферой и всеми живущими в почве организмами.

  1. Третья глобальная функция почвы — регулирование химического состава атмосферы и гидросферы.
  2. Четвертая глобальная функция почвы — регулирование биосферных процессов, в частности плотности жизни на Земле, путем динамичного воспроизводства почвенного плодородия.
  3. Пятая глобальная функция почвы — это аккумуляция активного органического вещества и связанной с ним химической энергии на земной поверхности [7].
  4. 1.2 Образование почвы
  5. Почва — это многофазное природное тело, вещество которого представлено следующими физическими фазами: твердая, жидкая, газовая и живое вещество населяющих почву организмов

Твёрдая часть – это минеральные и органические частицы. Они составляют 80-98% почвенной массы и состоят из песка, глины, илистых частиц, оставшихся от материнской породы в результате почвообразовательного процесса.

Жидкая часть почвы или почвенный раствор – вода с растворёнными в ней органическими и минеральными соединениями. Воды в почве содержится от долей процента до 40-60%. Жидкая часть участвует в снабжении растений водой и растворёнными элементами питания.

Газообразная часть, почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Почвенный воздух содержит больше углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный воздух, а также метан, летучие органические соединения и др.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли и др.), представителей беспозвоночных (простейших, червей, моллюсков, насекомых и их личинок). Они обитают в основном в верхнем слое почвы, около корней растений, где добывают себе пищу. Некоторые почвенные микроорганизмы могут жить только на корнях [10].

1.2.1 Содержание химических элементов в почве

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. Источником минеральных соединений почвы являются горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры — литосфера.

Органические вещества поступают в почву в результате деятельности живых организмов, ее населяющих. Взаимодействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо-минеральных соединений почв.

Минеральная часть составляет 80—90% и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10% и менее.

Формы химических элементов в почве:

Углерод, азот, фосфор. Эти элементы принадлежат к числу важнейших органогенов. Присутствие их в почве (первых двух практически целиком) обязано воздействию живого вещества и процессам почвообразования [10].

Железо. Этот элемент присутствует в почвах в составе как первичных, так и вторичных минералов, являясь компонентом магнетита, хлоритов, глинистых минералов, минералов группы оксидов железа [7].

Наряду с перечисленными макроэлементами в почве в очень небольших количествах присутствуют рассеянные элементы и микроэлементы, чрезвычайно, однако, важные для жизнедеятельности растений. Валовое содержание этих элементов в основном связано с содержанием в почве первичных минералов, отчасти глинистых минералов и органического вещества.

  • Наблюдается следующая приуроченность важнейших микроэлементов и рассеянных элементов к первичным минералам: Ni, Со, Zn — авгит, биотит, ильменит, магнетит, роговая обманка; Сu — авгит, апатит, биотит, гранаты, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы; V — авгит, биотит, ильменит, мусковит, роговая обманка, сфен; РЬ — авгит, апатит, биотит, калиевые полевые шпаты, мусковит [3].
  • 1.3 Химическое воздействие на почву
  • Химический состав почвы – это элементный состав минеральной части почвы, а также содержание в ней гумуса (верхний, плодородный слой земли), азота, углекислого газа и химически связанной воды.
  • Одним из видов антропогенного воздействия на почву является загрязнение почв. Основные загрязнители почв:
  • пестициды;
  • минеральные удобрения;
  • тяжелые металлы;
  • нефть и нефтепродукты.
  • Пестициды – химические препараты для борьбы с сорняками, вредителями и с болезнями растений.

Пестициды, попадая в почву при внесении, а также при обработке растений наземной и авиационной аппаратурой, уничтожают почвообитающих вредителей. Кроме того, они могут смываться с поверхности растений дождем.

Находясь в почве, пестициды могут отрицательно влиять на жизнедеятельность населяющих ее организмов, микробиологические процессы, а также на способность биосферы к самоочищению. В зависимости от условий почвенной среды, физико-химических свойств пестициды могут оставаться в неизмененном состоянии и сохранять свою токсичность в течение более или менее продолжительного времени [4].

Минеральные удобрения – неорганические соединения, содержащие необходимые для растений элементы питания в виде различных минеральных солей.

Минеральные удобрения провоцируют вымывание из почвы кальция, магния, цинка, меди, марганца и т.д., это влияет на процессы фотосинтеза, снижает устойчивость растений к заболеваниям. Применение минеральных удобрений ведёт к уплотнению почвы, снижению её пористости, к уменьшению доли зернистых агрегатов [7].

В ходе исследования ученые установили, что тяжелые металлы негативно влияют на свойства почв, потому что связываются с определенными группами белков и блокируют синтез ферментов почвенными микроорганизмами, растениями, животными. Особенно чувствителен к таким загрязнениям фермент уреаза — важный участник превращений азота в почве.

Тяжелые металлы также подавляют активность дегидрогеназ, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в ходе распада органических веществ.

Именно поэтому на исследуемых участках с особенно сильным загрязнением цинком и медью ученые обнаружили высокую концентрацию водорастворимых органических веществ, ведь процесс их разложения нарушен [3].

Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений.

Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.

Также, свинец не дает предшественникам фотосинтезирующих клеток правильно развиваться, из-за чего угнетается и рост растений.

Было обнаружено, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют некоторые вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг.

  1. У человека и животных свинец откладывается в костях, волосах, печени, приводит к нарушениям обменов веществ, к функциональным и органическим изменениям в центральной и вегетативной нервной системы
  2. В СанПин введено классификационное деление тяжелых металлов на 3 класса опасности (таблица 1) [2]
  3. Таблица 1. Классы опасности химических загрязняющих веществ
Классы опасности Химическое загрязняющее вещество
1 Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, 3,4-бенз(а)пирен
2 Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром
3 Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон

ГЛАВА ΙΙ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальное исследование проводилось на базе природоохранного научно-исследовательского учреждения Российской академии наук «Ильменский государственный заповедник им. В.И. Ленина Уральского отделения РАН».

2.1 Подготовка и отбор проб

Для отбора проб мне понадобилось следующее оборудование: линейка, ёмкости (стаканчики 0,3 литра), лопатка и чёрный маркер. Для начала, я откапывала 5-7 см от поверхности земли, потом лопаткой набирала в стаканчик и маркировала. До исследования проб в лаборатории, образцы земли хранились в морозилке.

Взаимоотношение между валовыми и подвижными формами тяжелых металлов

В ходе проведения статистической обработки полученных данных по содержанию металлов в городских почвах отмечены явные корреляции между различными формами ионов (Pb, Cd, Zn, Ni). Регрессионные модели криволинейных и прямолинейных зависимостей между ионами валовых и подвижных форм металлов представлены в (Таблица 3.4).

Таблица 3.4

Регрессионные модели зависимости между валовыми и подвижными формами тяжелых металлов в поверхностном горизонте почв г. Курска

тм Диапазон концентраций ТМ, мг/кг почвы Уравнение регрессии Коэффициент детерминации R“ Объем выборки
Валовые Подвижные
Zn 37,7-251,2 0,4-66,4 у=29,787с'МШ72х 0,95 158
Pb 26,5-255,0 0,5-80,9 у=18,115е»'и4У,х 0,92 146
Ni 13,5-69,4 0,1-8,0 у=7,0801 х +12,67 0,99 125
Ni 85,7-148 10,3-19,1 у=1,6839 х +83,547 0,95 51
Cd 0,5-1,8 0,04-0,83 у=0,5052е»'и» 0,96 71
Cd 2,3-5,3 1,1-2,9 у=0,0022x^+0,0739х+3,0714 0,89 64
Читайте также:  Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками: принцип работы, простые схемы

Регрессионное уравнение зависимости между валовыми и подвижными формами цинка представляет собой экспоненту (Рисунок 3.2)

Рис. 3.2. Графическая зависимость между концентрациями валовых и подвижных форм Zn2+

При увеличении подвижного свинца в почве так же, как и у цинка, отмечается экспоненциальный рост концентраций валовых форм этого металла (Рисунок 3.3). Показатели достоверности данной модели ниже, чем в случае с цинком, но в целом довольно высокие и приемлемы для моделей данного типа.

Рис. 3.3. Графическая зависимость между концентрациями валовых и подвижных форм РЬ2+

Для разработки моделей расчета валовых концентраций по содержанию подвижных форм никеля и кадмия имело смысл разбить получившийся тренд на несколько интервалов. Затем, локально, для каждого интервала выводилось регрессионное уравнение зависимости между формами металлов. Эта необходимость возникла ввиду нечеткой закономерности, отмеченной при описании всей выборки (Рисунок 3.4).

Рис. 3.4. Графическая зависимость между концентрациями валовых и подвижных форм Ni2+ при концентрации подвижного никеля в почве: A) (CNi2+) ? 8 мг/кг; В) (CNi2+) ? 10мг/кг

Рис. 3.5. Графическая зависимость между концентрациями валовых и подвижных форм Cd2+ при концентрации подвижного кадмия: A) (CCd2+) ? 1 мг/кг; В) (GCd2+) ? 1 мг/кг

Регрессионное уравнение зависимости между валовыми и подвижными формами ионов кадмия при концентрации подвижных форм ионов металла, не превышающей 1 мг/кг, имеет линейный вид, а при концентрации подвижных форм выше 1 мг/кг — квадратичный (Рисунок 3.5).

Отметим, что регрессионные модели у никеля при низких и высоких концентрациях, а также у кадмия при концентрации подвижной формы менее 1 мг/кг имеют самые высокие показатели достоверности.

В целом заметим, что все шесть вышеуказанных моделей имеют высокий уровень достоверности и значимости, применение этих моделей позволит подбирать меры по детоксикации загрязненных почв г. Курска.

Причем при определении уровня валового загрязнения почв ТМ при отборе проб в весенний период времени можно руководствоваться, только данными по содержанию подвижных форм и полученными регрессионными уравнениями.

Для установления подвижных форм применяется достаточно простая методика пробоподготов- ки — ацетатно-аммонийная почвенная вытяжка. В таком случае можно избежать весьма трудоемкого лабораторного измерения концентраций валовых форм металлов в почвах.

Важно отметить, что данные регрессионные модели применимы для городских почв, функционирующих на основе как серых лесных (Greyic Phaeozems), так и черноземов (Voronic Chernozems) и в целом могут быть адаптированы для других городов Центрального Черноземья.

Для меди отчетливые корреляционные связи между валовыми и подвижными формами металла не обнаружены, то есть при определении уровня загрязнения недостаточно руководствоваться только содержанием подвижной меди, а следует определять также и валовое содержание меди в загрязненной почве.

Соотношение валовых и подвижных форм ТМ в почвах г. Курска подчиняется приведенным в работе регрессионным моделям независимо от величин концентраций цинка и свинца, т.е. данные модели применимы как на загрязненных почвах, так и на почвах с фоновым содержанием металлов.

Для кадмия и никеля при выборе модели расчета валовых концентраций металлов необходимо учитывать концентрацию подвижных форм в почве, так как при росте концентраций подвижных форм изменяется градиент валовых форм или происходит смена линейного роста валовых форм на экспоненциальное приближение.

В тоже время нельзя считать эти модели универсальными, т.к. на соотношение форм металлов будет влиять большое количество факторов (гранулометрический состав почв, pH, Eh, количество и качество гумуса) и их сочетаний.

Однако при учете физико-химических свойств почв полученные модели можно адаптировать и для почв других городов Центрального Черноземья.

Результаты мониторинга свидетельствуют о положительной динамике накопления валовых и подвижных форм ТМ в поверхностном слое почв г. Курска. Однако по отношению к никелю и кадмию темпы депонирования их почвой либо довольно низкие, либо депонирование не происходит вообще.

При оценке степени многокомпонентного загрязнения почв помимо превышения над фоном стоит учитывать еще и коэффициент токсичности элементов.

Такой подход позволяет наиболее правильно классифицировать почвы по степени их загрязненности, так как во внимание принимается не только количественные параметры, но и качественные характеристики загрязняющего элемента.

Применение среднего геометрического значения коэффициентов концентрации загрязняющих веществ исключает влияние чрезмерно высоких коэффициентов концентрации одного из учитываемых тяжелых металлов и, таким образом, значительно занижает общий уровень загрязнения.

Поэтому целесообразность его использования довольно спорна. Результаты исследований свидетельствуют о том, что почвы САО г. Курска испытывают наибольшую техногенную нагрузку ввиду максимального сосредоточения действующих промышленных предприятий.

Противоречия в законодательстве и оценка категорий загрязнения почв тяжелыми металлами на стадии инженерно-экологических изысканий

Российскую нормативную базу сегодня отличает ряд противоречий в регулировании методических подходов к выполнению инженерно-экологических изысканий, что приводит к отсутствию единых критериев оценки состояния компонентов окружающей среды и неопределенности при принятии проектных решений. В частности, отсутствует единый методический подход к оценке загрязнения почв и грунтов, которая проводится в рамках инженерно-экологических изысканий.

В ходе проведения государственной экспертизы результатов инженерно-экологических изысканий эксперты нередко сталкиваются с ситуацией, когда некорректно определенная категория загрязнения почв и грунтов приводит к принятию необоснованных проектных решений в части рекультивации земель.

Проблема оценки загрязнения почв особенно актуальна при разработке проектной документации объектов капитального строительства на территории городов, промышленных предприятий, участков геохимических аномалий на нетронутых территориях, сельскохозяйственных угодьях. Степень загрязненности почв напрямую влияет на их последующее использование.

Так, например, загрязненный плодородный слой не подлежит снятию, почвы и грунты с чрезвычайно опасной категорией загрязнения подлежат утилизации или захоронению.

В ходе проведения государственной экспертизы результатов инженерно-экологических изысканий эксперты нередко сталкиваются с ситуацией, когда некорректно определенная категория загрязнения почв и грунтов приводит к принятию необоснованных проектных решений в части рекультивации земель.

Типичным примером такой ситуации является отнесение почв к допустимой категории загрязнения вместо умеренно опасной, в результате в проектной документации не предусматривается перекрытие данных грунтов слоем чистого грунта. Либо, наоборот, загрязненный слой ошибочно считается незагрязненным, а в объемах работ предусматривается его снятие и складирование в качестве плодородного.

Противоречия, выявленные в нормативной базе, затрагивают такие вопросы, как применение гигиенических нормативов при определении категории загрязнения почв тяжелыми металлами и определение суммарного показателя загрязнения почв (Zc).

Основными нормативными документами, регламентирующими методические подходы к выполнению инженерно-экологических изысканий, в том числе к определению загрязнения почвенного покрова, являются:

  • СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»,
  • СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы»,

Тяжелые металлы в почвах

В настоящий момент для обозначения практически одинаковой группы химических элементов широко применяются два различных термина: микроэлементы и тяжелые металлы.

Микроэлементы – понятие, зародившееся в геохимии и ныне активно используемое в сельскохозяйственных науках, медицине, токсикологии, санитарии.

Оно обозначает группу химических элементов, которые содержатся в природных объектах в очень малых количествах – менее 0,01%, как правило, 10-3–10-12 %.

Формально в основу выделения положена их распространенность в природе, которая для разных природных сред и объектов (литосфера, педосфера, донные осадки, гидросфера, растения, животные и др.) существенно различается.

Термин ''тяжелые металлы'' в большей степени отражают эффект загрязнения окружающей среды и токсичное воздействие элементов при их поступлении в биоту. Он заимствован из технической литературы, где применяется для обозначения химических элементов с плотностью более 5 г/см3.

Если исходить из этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов, входящих в Периодическую систему элементов Менделеева.

Однако при такой трактовке под данное определение не попадают Be – 1,85 г/см3, Al – 2,7, Sc – 3,0, Ti – 4,6, Rb – 1,5, Sr – 2,6, Y – 4,5, Cs – 1,9, Ba – 3,8 г/см3, которые при избыточных концентрациях также бывают опасными.

Необходимость включения в эту группу легких металлов-токсикантов была достигнута изменением критерия отбора, когда в данную группу стали относить элементы с атомной массой более 40. При таком подходе из токсикантов в нее не попали лишь Be и Al.

Поэтому вполне обоснованным является включение в современную трактовку термина “тяжелые металлы” большой группы токсичных химических элементов, в том числе и неметаллов.

Всего насчитывается свыше 40 тяжелых металлов. Приоритетными загрязнителями считаются  Pb, Cd, Zn, Hg, As и Cu, так как их техногенное накопление в окружающей среде идет очень высокими темпами. Эти элементы обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям.

Их избыточные количества в организме живых существ  нарушает все процессы метаболизма и приводят к серьезным заболевания человека и животных. В то же время, многие их элементов (Co, Cu, Zn, Se, Mn) довольно широко используются в народнохозяйственном производстве (особенно в сельском хозяйстве, медицине и др.

) под названием микроэлементы, о чем говорилось выше.

Хром (Cr). Содержание элемента в почвах зависит от его содержания в материнских породах.

Хром отличается широким разнообразием состояний окисления и способностью формировать комплексные анионные и катионные ионы (Cr(OH)2+, CrO42-, CrO3-). В природных соединениях он обладает валентностью +3 (хромовые соединения) и +6 (хроматы). Большая часть Cr3+ присутствует в хромате FeCr2O4 или других минералах шпинелевого ряда в которых он замещает железо и алюминий.

В почвах большая часть хрома присутствует в виде Cr3+ входит в состав минералов или образует различные Cr3+ и Fe3+ оксиды. Соединения хрома в почвах весьма стабильны, так как в кислой среде он инертен (при рН 5,5 он почти полностью выпадает в осадок). Поведение хрома зависит от рН и окислительно-восстановительного потенциала почв.

На поведение хрома в почвах большое влияние оказывают и органические комплексы. Важным моментом в поведении элемента, с которым  связана доступность хрома для растений, является легкость, с которой растворимый Cr6+ при нормальных почвенных условиях переходит в нерастворимый Cr3+. В результате окисляющей способности соединений марганца в почвах может наблюдаться окисление Cr3+.

Хром является важным элементом питания растений. Снижение его подвижности хрома в почвах может приводить к дефициту в растениях. Легко растворимый в почвах Cr6+ токсичен для растений и животных.

Известкование применение фосфора и органических веществ заметно снижает токсичность хрома в загрязненных почвах.

Читайте также:  Электрический триммер: какой лучше выбрать для стрижки газона на даче

Свинец (Pb). Содержание свинца в земной коре составляет 1,6×10-3 весовых процента. Естественное содержание свинца в почвах колеблется от 3 до 189 мг/кг. В естественных условиях его главная форма – галенит PbS. Свинец присутствует в виде Pb2+. При выветривании сульфиды свинца медленно окисляются.

По геохимическим свойствам свинец близок к группе двухвалентных щелочноземельных элементов, поэтому способен замещать К, Ва, Sr, Са как в минералах, так и при процессе сорбции. Из-за широкомасштабного загрязнения свинцом большинство почв, особенно верхние горизонты, обогащены этим элементом.

Среди тяжелых металлов он наименее подвижен. Свинец ассоциируется главным образом с глинистыми минералами, оксидами марганца, гидроксидами железа и алюминия, органическим веществом. При высоких рН свинец осаждается в почве в виде гидроксида, фосфата, карбоната. Эти же условия способствуют образованию Pb-органических комплексов.

Уровни содержаний, при котором элемент становится токсичным, колеблются в пределах 100-500 мг/кг. Свинцовые  загрязнения от предприятий цветной металлургии представлены минеральными формами, от выхлопных газов автотранспорта – галогенидных солей.

Содержащие Pb частицы выхлопных газов неустойчивы и легко превращаются в оксиды, карбонаты, сульфаты.

Загрязнение почв свинцом носит необратимый характер, поэтому накопление микроэлемента в верхнем горизонте почв будет идти даже в условиях его небольшого привноса.

Загрязнение почв свинцом в настоящее время не вызывает большого беспокойства из-за нерастворимости адсорбированных и осажденных ионов Pb в почвах. Однако содержание свинца в корнях растений коррелирует с его содержанием в почвах, что указывает на поглощение элемента растениями.

Накопление свинца в верхнем горизонте почв имеет также большое экологическое значение, так как он сильно воздействует на биологическую активность почв и почвенную биоту.

Его высокие концентрации могут тормозить микробиологические процессы особенно в почвах с низким значением катионообменной емкости.

Кадмий (Cd).  Кадмий является рассеянным элементом. Распространенность кадмия в земной коре составляет 5×10-5 весовых процента. Геохимия Cd тесно связана с геохимией цинка, он обнаруживает большую подвижность в кислых средах.

При выветривании кадмий легко переходит в раствор где присутствует в виде Cd2+. Он может образовывать комплексные ионы CdCl+, CdOH+, CdHCO3+, Cd(OH)3-, Cd(OH)42-, а также органические хелаты. Главное валентное состояние кадмия в природных средах +2.

  Наиболее важными факторами, контролирующие подвижность ионов кадмия, являются рН среды и окислительно-восстановительный потенциал.

  В сильноокислительных условиях Cd способен образовывать собственно минералы, а также накапливаться в фосфатах и биогенных осадках.

Главный фактор, определяющий содержание элемента в почвах – состав материнских пород. Среднее содержание кадмия в почвах – от 0,07 до 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни не превосходят 0,5 мг/кг, более высокие значения являются результатом антропогенной деятельности.

В связывании кадмия различными компонентами почвы ведущим процессом является конкурирующая адсорбция на глинах. В любой почве активность кадмия сильно зависит от рН.

Элемент наиболее подвижен в кислых почвах в интервале рН 4,5-5,5, в щелочных он относительно неподвижен.

При росте рН до щелочных значений появляется одновалентный гидроксокомплекс CdОН+, который не может легко заменить позиции в ионообменном комплексе.

Для кадмия наиболее характерна миграция вниз по профилю, чем накопление в верхних горизонтах почв, поэтому обогащение элементом верхних слоев свидетельствует о загрязнении почв. Загрязнение почв Cd опасно для биоты.

В условиях техногенной нагрузки максимальные уровни кадмия в почвах характерны для районов свинцово-цинковых рудников, вблизи предприятий цветной металлургии,  на сельскохозяйственных угодьях, где используются сточные воды и фосфатные удобрения.

Для уменьшения токсичности Cd в почвах используются методы, направленные на повышение рН и катионообменной емкости почв.

Ртуть (Hg). Ртуть и ее сульфид (киноварь) известны человеку с давних времен. Это единственный металл, который при обычной температуре находится в жидком виде. Алхимики считали ртуть носительницей металлических свойств и рассматривали ее как общую составную часть всех металлов.

Содержание ртути в земной коре составляет 1×10-6%. Известные в природе соединения ртути составляют около 20 самостоятельных минералов. Основной минерал – киноварь. В процессе миграции образуются также самородная ртуть, амальгамы ртути с золотом, серебром, ртутно-сурьмяные, галоидные и другие минералы ртути.

Важными геохимическими свойствами ртути являются: образование сильных связей с серой, образование органо-металлических соединений, сравнительно устойчивых в водной среде, летучесть элементарной ртути. Ртуть малоподвижна при выветривании, задерживается почвой главным образом в форме слабоподвижных органических комплексов.

Сорбция Hg2+ в почве  изменяется в зависимости от величины рН, будучи максимальной при рН 4-5. Средние концентрации ртути в поверхностном слое почвы не превышают 400 мкг/кг.

Фоновые уровни элемента можно оценить как 0,n мг/кг, однако точные количества  определить трудно из-за широкого загрязнения почв этим металлом.

Загрязнение почв ртутью связано с предприятиями, производящими тяжелые металлы, с химическим производством, с применением фунгицидов.

Загрязнение почв ртутью само по себе не является серьезной проблемой, тем не менее даже простые соли Hg или металлическая ртуть создают опасность для растений и почвенной биоты из-за отравляющих свойств паров ртути. Потребление элемента корнями растений может быть сведено до минимума путем внесения извести, серусодержащих соединений и твердых фосфатов.

Мышьяк (As). Мышьяк известен с древности. Еще Аристотель и Теофраст упоминают о естественных сернистых соединениях мышьяка, применявшихся в качестве лечебных средств и красок. Среднее содержание элемента в земной коре — 5×10-4 весовых процента. Характеризуется однородным распределением в главных типах горных пород.

Образует собственные минералы и входит в состав других. Элемент связан с месторождениями других минералах и выступает как индикатор при поисковых геохимических работах. Минералы мышьяка хорошо растворимы.

Однако интенсивность его миграции невелика вследствии активной сорбции глинистыми частицами, гидроксидами, органическим веществом.

Обычные состояния окисления As; -3, 0, +3, +5. Комплексные анионы AsО2-,  AsО43-, НAsО42-, As2О3- являются наиболее распространенными подвижными формами мышьяка. По особенностям поведения AsО43- близок к фосфатам. Наиболее распространенная форма мышьяка в условиях окружающей среды — As5+.

Мышьяк, адсорбированный почвой, с трудом поддается десорбции, а прочность связывания элемента почвой с годами увеличивается. Наиболее низкие уровни содержания мышьяка характерны для песчаных почв. Его максимальные концентрации связаны с аллювиальными почвами и почвами, обогащенными органическим веществом.

Токсичность мышьяка в почвах может быть снижена разными способами в зависимости от источника загрязнения и свойств почв. Увеличение окислительного состояния почв, применение веществ, способствующих осаждению и связыванию элемента (сульфата железа, карбоната кальция),  ограничивает биодоступность мышьяка. Внесение фосфатных удобрений также снижает поступление элемента в биоту.

Никель (Ni).  Содержание никеля в земной коре составляет 8×10-3 весовых процента. В распространении никеля в земной коре наблюдается сходство с кобальтом и железом. В континентальных отложениях он присутствует в виде сульфидов и арсенидов и часто замещает железо в железомагнезиальных соединениях. В соединениях никель главным образом двух- и трехвалентен.

При выветривании горных пород элемент легко высвобождается, а затем осаждается с оксидами железа и марганца. Он относительно стабилен в водных растворах и может мигрировать на большие расстояния.

В почвах никель тесно связан с оксидами марганца и железа, и в этой форме наиболее доступен для растений. В верхних горизонтах почв никель присутствует в органически связанных формах, часть из которых представлена легко растворимыми хелатами. Самые высокие содержания Ni наблюдаются в глинистых и суглинистых почвах, в почвах на основных и вулканических породах и в почвах, богатых органикой.

В настоящее время никель считается серьезным загрязнителем. Антропогенные источники никеля приводят к его существенному увеличению в почвах. В осадках сточных вод Ni присутствует в форме легкодоступных органических хелатов и может быть фитотоксичным. Снижению его доступности для растений способствуют внесение фосфатов или органического вещества.

Расчеты, проведенные в Беларуси, свидетельствуют о том, что в атмосферу республики только от стационарных источников сжигания топлива попадает 72% мышьяка, 57% ртути, около 99% никеля, 27% кадмия, 33% хрома, 27% меди, 15% свинца, 11% цинка. Цементное производство  привносит значительные количества кадмия, свинца, хрома. Передвижные источники в основном загрязняют атмосферу цинком  и медью.

Кроме атмосферных выпадений, значительное количество металлов привносится в почву при использовании удобрений, в том числе на основе осадков сточных вод и бытовых отходов.

В составе примесей в удобрениях находится кадмий, хром, медь свинец, уран, ванадий и цинк, с отходами интенсивного животноводства и птицеводства – медь и мышьяк, с компостом и навозом — кадмий, медь, никель, цинк и мышьяк, с пестицидами – кадмий, мышьяк, ртуть, свинец, марганец и цинк.

Сложность состава почв, большой набор химических соединений обусловливают возможность одновременного протекания различных химических реакций и способность твердых фаз почв поддерживать сравнительно постоянным состав почвенного раствора, откуда растения непосредственно черпают химические элементы.

Эту способность поддерживать постоянным состав почвенного раствора называют буферностью почв. В природной обстановке буферность почв выражается в том, что при потреблении какого-либо элемента из почвенного раствора происходит частичное растворение твердых фаз и концентрация раствора восстанавливается.

Если в почвенный раствор извне попадают излишние количества каких-либо соединений, то твердые фазы почв связывают такие вещества, вновь поддерживая постоянство состава почвенного раствора. Итак, действует общее правило: буферность почв обусловлена большим набором одновременно протекающих химических реакций между почвенным раствором и твердыми частями почвы.

Химическое разнообразие делает почву устойчивой в изменяющихся условиях природной среды или при антропогенной деятельности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector