Тяжелые металлы в почвах и растениях. Тяжелые металлы – наиболее опасные элементы, способные загрязнять почву

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических эле­ментов периодической системы Д. И. Менделеева, масса атомов ко­торых составляет свыше 50 атомных единиц массы (а.е.м.). Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др.

Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, так как к ТМ часто от­носят элементы-неметаллы, например As, Se, а иногда даже F, Be и другие элементы, атомная масса которых меньше 50 а.е.м.

Среди ТМ много микроэлементов, биологически важных для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимы­ми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже ток­сичное действие на живые организмы.

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработ­ка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотран­спорта, сельского хозяйства и т. д.) Сельскохозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и спе­цифически, при применении пестицидов, минеральных и органи­ческих удобрений, известковании, использовании сточных вод. В последнее время особое внимание ученые уделяют городским поч­вам. Последние испытывают значительный техногенный пресс, со­ставной частью которого является загрязнение ТМ.

В табл. 3.14 и 3.15 представлены распределение ТМ в различ­ных объектах биосферы и источники поступления ТМ в окружаю­щую среду.

Таблица 3.14

Таблица 3.15

Источники загрязнения окружающей среды ТМ

Окончание табл. 3.4

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов как растворимые, так и прак­тически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и пред­приятий цветной металлургии - основного источника загрязнения окружающей среды ТМ - основная масса металлов (70-90 %) нахо­дится в форме оксидов.

Попадая на поверхность почв, ТМ могут либо накапливать­ся, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории.

Большая часть ТМ, поступивших на поверхность почвы, закре­пляется в верхних гумусовых горизонтах. ТМ сорбируются на по­верхности почвенных частиц, связываются с органическим вещест­вом почвы, в частности в виде элементно-органических соединений, аккумулируются в гидроксидах железа, входят в состав кристалли­ческих решеток глинистых минералов, дают собственные минера­лы в результате изоморфного замещения, находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге и газообразном состоянии в почвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты.

Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и уровня техногенного воздействия. Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию ТМ почвой. Рост значений рН усиливает сорбирован- ность катионообразующих металлов (медь, цинк, никель, ртуть, свинец и др.) и увеличивает подвижность анионообразующих (мо­либден, хром, ванадий и пр.). Усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов. В итоге, по спо­собности связывать большинство ТМ, почвы образуют следующий ряд: серозем > чернозем > дерново-подзолистая почва.

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве значительно больше, чем в других частях биосферы, и загряз­нение почвы, особенно ТМ, практически вечно. Металлы, накапли­ваясь в почве, медленно удаляются при выщелачивании, потреб­лении растениями, эрозии и дефляции (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Период полуудаления (или удаления половины от начальной концентрации) ТМ сильно варьирует для различных элементов, но составляет достаточно продолжительные периоды времени: для Zn - от 70 до 510 лет; для Cd - от 13 до 110 лет; для Cu - от 310 до 1500 лет и для Pb - 2 - от 740 до 5900 лет (Садовская, 1994).

Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Во-первых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ вызывают у них серь­езные заболевания - росту заболеваемости населения и сокраще­нию продолжительности жизни, а также к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животновод­ческой продукции.

Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая чис­ленность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообра­зие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т. д. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состоя­ние, структура, pH среды и др. Результатом этого является частич­ная, а в ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия.

В природе встречаются территории с недостаточным или избы­точным содержанием в почвах ТМ. Аномальное содержание ТМ в почвах обусловлено двумя группами причин: биогеохимически­ми особенностями экосистем и влиянием техногенных потоков ве­щества. В первом случае, районы, где концентрация химических элементов выше или ниже оптимального для живых организмов уровня, называются природными геохимическими аномалиями, или биогеохимическими провинциями. Здесь аномальное содержа­ние элементов обусловлено естественными причинами - особенно­стями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, присутствием рудных аномалий. Во втором случае, территории называются техногенными геохимическими аномалиями. В за­висимости от масштаба они делятся на глобальные, региональные и локальные.

Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос хими­ческих элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

Различные растения, животные и человек требуют для жиз­недеятельности определенного состава почвы, воды. В местах гео­химических аномалий происходит, усугубляясь, передача отклоне­ний от нормы минерального состава по всей пищевой цепи.

В результате нарушения минерального питания наблюдаются изменения видового состава фито-, зоо- и микробоценозов, заболе­вание дикорастущих форм растений, снижение количества и каче­ства урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции, рост заболеваемости населения и снижение продолжи­тельности жизни (табл. 3.15). Механизм токсического действия ТМ представлен в табл. 3.16.

Таблица 3.15

Физиологические нарушения в растениях при избытке и недостатке содержания в них ТМ (по Ковалевскому, андриановой, 1970; Кабата-пендиас,

пендиас, 1989)

Таблица 3.16

Механизм действия токсичности ТМ (по Торшину с соавт., 1990)

Токсическое воздействие ТМ на биологические системы в пер­вую очередь обусловлено тем, что они легко связываются с сульф- гидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подав­ляя их синтез и, тем самым нарушая обмен веществ в организме.

Живые организмы выработали разнообразные механизмы ус­тойчивости к ТМ: от восстановления ионов ТМ в менее токсичные соединения до активации систем ионного транспорта, осуществ­ляющих эффективное и специфическое удаление токсических ио­нов из клетки во внешнюю среду.

Наиболее существенное последствие воздействия ТМ на живые организмы, проявляющееся на биогеоценотическом и биосферном уровнях организации живого вещества, заключается в блокирова­нии процессов окисления органического вещества. Это приводит к снижению скорости его минерализации и накоплению в экосисте­мах. В то же время увеличение концентрации органического веще­ства вызывает связывание им ТМ, что временно снимает нагрузку с экосистемы. Снижение скорости разложения органического ве­щества за счет снижения численности организмов, их биомассы и интенсивности жизнедеятельности считают пассивной реакцией экосистем на загрязнение ТМ. Активное противостояние организ­мов антропогенным нагрузкам проявляется лишь в ходе прижиз­ненной аккумуляции металлов в телах и скелетах. Ответственными за этот процесс являются наиболее устойчивые виды.

Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к по­вышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать вы­сокие концентрации металлов могут представлять большую опас­ность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи. В зависимости от геохи­мических условий производства пища человека как растительного, так и животного происхождения может удовлетворять потребности человека в минеральных элементах, быть дефицитной или содер­жать превышающее их количество, становясь более токсичной, вы­зывая заболевания и даже смерть (табл. 3.17).

Таблица 3.17

Действие ТМ на организм человека (Ковальский, 1974; Краткая медицинская энциклопедия, 1989; Торшин с соавт., 1990; Воздействие на организм.., 1997; Справочник по токсикологии.., 1999)

Разные ТМ представляют опасность для здоровья человека в раз­личной степени. Наиболее опасными являются Hg, Cd, Pb (табл. 3.18).

Таблица 3.18

Классы загрязняющих веществ по степени их опасности (гоСТ 17.4.1.02-83)

Очень сложен вопрос нормирования содержания ТМ в почве. В основе его решения должно лежать признание полифункционально­сти почвы. В процессе нормирования почва может рассматриваться с различных позиций: как естественное природное тело; как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов; как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства; как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы. Нормирование содержания ТМ в почве необхо­димо проводить на основе почвенно-экологических принципов, ко­торые отрицают возможность нахождения единых значений для всех почв.

По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение может производиться путем промывок, путем извле­чения ТМ из почвы с помощью растений, путем удаления верх­него загрязненного слоя почвы и т. п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минераль­ных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т. д. Однако любой способ закре­пления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда в живые организмы.

Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 хи­мических элементов, масса атомов которых составляет свыше 50 а. е.м. Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др. Среди ТМ много микроэлементов, являющихся необходимыми и незаменимы­ми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важней­ших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и перера­ботка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние авто­транспорта, сельского хозяйства и т. д.).

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде.

Экологические последствия загрязнения почв ТМ зависят от па­раметров загрязнения, геохимической обстановки и устойчивости почв. К параметрам загрязнения относятся природа металла, т. е. его химические и токсические свойства, содержание металла в поч­ве, форма химического соединения, срок от момента загрязнения и т. д. Устойчивость почв к загрязнению зависит от гранулометри­ческого состава, содержания органического вещества, кислотно-ще­лочных и окислительно-восстановительных условий, активности микробиологических и биохимических процессов и т. д.

Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникнове­ние загрязняющих веществ в пищевые цепи.

При нормировании содержания ТМ в почве должна учиты­ваться полифункциональность почвы. Почва может рассматри­ваться как естественное природное тело, как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного про­изводства, как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы, как часть наземного биогеоценоза и биосферы в целом.

CОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Почвенный покров и его использование

2. Эрозия почв (водная и ветреная) и методы борьбы с нею

3. Промышленное загрязнение почвы

3.1 Кислотные дожди

3.2 Тяжелые металлы

3.3 Свинцовая интоксикация

4. Гигиена почвы. Обезвреживание отходов

4.1 Роль почвы в обмене веществ

4.2 Экологическая взаимосвязь между почвой и водой и жид­кими отходами (сточными водами)

4.3 Пределы нагрузки почвы твердыми отходами (бытовой и уличный мусор, пром. отходы, сухой ил после осаждения сточных вод, радиоакт. вещества)

4.4 Роль почвы в распространении различных заболеваний

4.5 Вредное действие основных типов загрязнителей (твер­дых и жидких отходов), приводящих к деградации почвы

4.5.1 Обезвреживание жидких отходов в почве

4.5.2.1 Обезвреживание в почве твердых отходов

4.5.2.2 Сбор и вывоз мусора

4.5.3 Окончательное удаление и обезвреживание

4.6 Удаление радиоактивных отходов

Заключение

Список использованных источников

Введение.

Определенная часть почв, как в России, так и во всем мире с каждым годом выходит из сельскохозяйственного обращения в силу разных причин, подробно рассмотренных в УИР. Тысячи и более гектаров земли страдают от эрозии, кислотных дождей, неправильной обработки и токсичных отходов. Чтобы избежать этого, нужно ознакомиться с наиболее продуктивными и недорогими мелиоративными мероприятиями (Определение мелиорации см. в основной части работы), повышающими плодородие почвенного покрова, а прежде всего с самим негативным воздействием на почву, и как его избежать.

Эти исследования дают представление о вредном воздействии на почву и проводились по ряду книг, статей и научных журналов, посвященных проблемам почвы и защите окружающей среды.

Сама проблема загрязнения и деградации почв была актуальна всегда. Сейчас к сказанному можно еще добавить, что в наше время антропогенное влияние сильно сказывается на природе и только растет, а почва является для нас одним из главных источником пищи и одежды, не говоря уже о том, что мы по ней ходим и всегда будем находиться в тесном контакте с ней.

1. Почвенный покров и его использование.

Почвенный покров является важнейшим природным образова­нием. Его значение для жизни общества определяется тем, что почва является основным источником продовольствия, обеспечи­вающим 97-98% продовольственных ресурсов населения планеты. Вместе с тем, почвенный покров является местом деятельности че­ловека, на котором размещается промышленное и сельскохозяй­ственное производство.

Выделяя особую роль продовольствия в жизни общества, еще В. И. Ленин указывал: “Настоящие основы хозяйства - это про­довольственный фонд”.

Важнейшее свойство почвенного покрова - его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечиваю­щих урожай сельскохозяйственных культур. Естественное плодо­родие почвы регулируется запасом питательных веществ в почве и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Велика роль поч­венного покрова в продуктивности наземных экологических систем, так как почва питает сухопутные растения водой и многими сое­динениями и является важнейшим компонентом фотосинтетической деятельности растений. Плодородие почвы зависит и от аккумули­рованной в ней величины солнечной энергии. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито- или зоомассы. Продуктивность наземных экологических систем зависит от теплового и водного баланса зем­ной поверхности, которым определяется многообразие форм обмена материей и веществом в пределах географической оболочки пла­неты.

Анализируя значение земли для общественного производства, К. Маркс выделял два понятия: земля-материя и земля-капи­тал. Под первым из них следует понимать землю, возникшую в про­цессе ее эволюционного развития помимо воли и сознания людей и являющуюся местом поселения человека и источником его пиши . С того момента, когда земля в процессе развития человеческого общества становится средством производства, она выступает в но­вом качестве-капитала, без которого немыслим процесс труда, “...потому что она дает рабочему... место, на котором он стоит..., а его процессу-сферу действия...”. Именно по этой причине зем­ля является универсальным фактором любой человеческой дея­тельности.

Роль и место земли неодинаковы в различных сферах мате­риального производства, прежде всего в промышленности и сель­ском хозяйстве. В обрабатывающей промышленности, в строитель­стве, на транспорте земля является местом, где совершаются про­цессы труда независимо от естественного плодородия почвы. В ином качестве выступает земля в сельском хозяйстве. Под воз­действием человеческого труда естественное плодородие из потен­циального превращается в экономическое. Специфика использова­ния земельных ресурсов в сельском хозяйстве приводит к тому, что они выступают в двух различных качествах, как предмет труда и как средство производства. К. Маркс отмечал: “Одним только новым вложением капиталов в участки земли... люди увеличивали землю-капитал без всякого увеличения материи земли, т. е. про­странства земли”.

Земля в сельском хозяйстве выступает в качестве производи­тельной силы благодаря своему естественному плодородию, кото­рое не остается постоянным. При рациональном использовании земли такое плодородие может быть повышено за счет улучшения ее водного, воздушного и теплового режима посредством проведе­ния мелиоративных мероприятии и увеличения содержания в почве питательных веществ. Напротив, при нерациональном использова­нии земельных ресурсов их плодородие падает, вследствие чего происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур. В некоторых местах возделывание культур становится вовсе невоз­можным, особенно на засоленных и эродированных почвах.

При низком уровне развития производительных сил общества расширение производства продуктов питания происходит за счет вовлечения в сельское хозяйство новых земель, что соответствует экстенсивному развитию сельского хозяйства. Этому способствуют два условия: наличие свободных земель и возможность ведения хозяйства на доступном среднем уровне затрат капитала на еди­ницу площади. Такое использование земельных ресурсов и веде­ние сельского хозяйства типичны для многих развивающихся стран современного мира.

В эпоху НТР произошло резкое разграничение системы ведения земледелия в промышленно развитых и развивающихся странах. Для первых характерна интенсификация земледелия с использо­ванием достижений НТР, при которой сельское хозяйство разви­вается не за счет увеличения площади обрабатываемой земли, а благодаря увеличению размеров капитала, вкладываемого в зем­лю. Известная ограниченность земельных ресурсов для большин­ства промышленно развитых капиталистических стран, увеличение спроса на продукты земледелия во всем мире в связи с высокими темпами роста населения, более высокая культура земледелия способствовали переводу сельского хозяйства этих стран еще в 50-е годы на путь интенсивного развития. Ускорение процесса интенсификации сельского хозяйства в промышленно развитых капита­листических странах связано не только с достижениями НТР, но главным образом с выгодностью вложения капитала в сельское хозяйство, что сконцентрировало сельскохозяйственное производ­ство в руках крупных землевладельцев и разорило мелких фер­меров.

Иными путями развивалось сельское хозяйство в развиваю­щихся странах. Среди острых естественно-ресурсных проблем этих стран можно выделить следующие: низкую культуру земледелия, вызвавшую деградацию почв (повышенную эрозию, засоление, снижение плодородия) и естественной растительности (например, тропических лесов), истощение водных ресурсов, опустынивание земель, особенно отчетливо проявившееся на африканском конти­ненте. Все эти факторы, связанные с социально-экономическими проблемами развивающихся стран, привели к хронической нехватке в этих странах продовольствия. Так, на начало 80-х годов по обес­печенности на одного человека зерном (222 кг) и мясом (14 кг) развивающиеся страны уступали промышленно развитым капита­листическим странам соответственно в несколько раз. Решение продовольственной проблемы в развивающихся странах немыслимо без крупных социально-экономических преобразований.

В нашей стране основу земельных отношений составляет об­щегосударственная (общенародная) собственность на землю, воз­никшая в результате национализации всей земли. Аграрные отношения стро­ятся на основе планов, по которым должно развиваться сельское хозяйство в будущем, при финансово-кредитной помощи государ­ства и поставок необходимого количества машин и удобрений. Оплата работников сельского хозяйства по количеству и качеству труда стимулирует постоянное повышение их жизненного уровня.

Использование земельного фонда как единого целого осущест­вляется на основах долговременных государственных планов. При­мером таких планов явилось освоение целинных и залежных зе­мель на востоке страны (середина 50-х годов), благодаря которому стало возможным за короткий срок ввести в состав пахотных зе­мель более 41 млн. га новых площадей. Еще пример - комплекс мероприятий, связанных с выполнением Продовольственной про­граммы, предусматривающей ускорение развития сельскохозяйст­венного производства на основе повышения культуры земледелия, широкого проведения мелиоративных мероприятий, а также осу­ществления широкой программы социально-экономического пере­устройства сельскохозяйственных районов.

Земельные ресурсы мира в целом позволяют обеспечить продук­тами питания большее количество людей, чем имеется в настоя­щее время и чем оно будет в ближайшем будущем. Вместе с тем, в связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, количество пашни на душу населения сокращается.

Особенности фиторемедиации как метода очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами. Тяжелые металлы в системе «почва-растение»

Тяжелые металлы в системе «почва-растение», содержание тяжелых металлов в почвах Курской области, источники поступления

В настоящее время в Курской области имеется большое количество почв с повышенным содержанием тяжелых металлов, что постоянно регистрируют как ученые-исследователи (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, Проценко, 2013; Неведров и др., 2013а, Неведров и др., 2016; Неведров, Вытовтова, 2016), так и уполномоченные государственные экологические структуры (Струкова, 2013).

Приоритетными загрязнителями почв Курской области среди тяжелых металлов являются Pb, Zn, Си и Cd. Высокое содержание данных элементов наблюдается в естественных, урбанизированных и аграрных экосистемах. По результатам мониторинга обнаружено, что в некоторых районах области и города наблюдается тенденция увеличения содержания ТМ в почвенном покрове. Наибольшие концентрации поллютантов зафиксированы в почвах на территории г. Курска вблизи промышленных зон (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2016; Неведров и др., Вытовтова, 2016).

Родоначальник биогеохимии В.И. Вернадский первым говорил о единстве жизни и геохимической среды, о связи элементного состава живого вещества и земной коры. Эта идея легла в основу изучения химического состава почв (Вернадский, 1960, 1992). Важнейшим показателем химического состояния почв является их химический состав, он также является зеркалом свойств почв и их генезиса (Вернадский, 1940, 1992).

В почве начинаются все основные циклы миграции тяжелых металлов в биосфере (водные, атмосферные, биологические), так как именно здесь происходит их мобилизация и образование различных подвижных форм. Сложнейшая система преобразования ТМ в почве создается значительной реакционной поверхностью минерального компонента, наличием почвенных растворов и органики, обилием микроорганизмов, мезофауной и корневыми системами растений (Муха 1991; Соколов, Черников, 2008).

Выделяют две фазы тяжелых металлов в почвах - твердая фаза и почвенный раствор. Содержание органических веществ в почве, реакция среды, химический и вещественный состав почвенного раствора определяют форму существования металлов (Дьяконова, 1964). Загрязняющие почву поллютанты в большей степени депонируются в ее верхнем десятисантиметровом слое (Таблица 1.1).

Таблица 1.1

«Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг)» (ГН 2.1.7.020-94,1995; ГН 2.1.7.2041-06, 2006; Ghosh, Singh,

Значительное количество тяжелых металлов находится в обменнопоглощенном состоянии, однако подкисление малобуферной почвы способствует их активному переходу в почвенный раствор. У таких металлов как кадмий, медь, никель и кобальт в кислой среде возрастает миграционная способность. Например, при снижении pH на 1,8-2 единицы происходит увеличение мобильности цинка в 3,8-5,4, кадмия - в 4-8, меди - в 2-3 раза (Кудряшов, 2003).

Взаимодействуя с органическими лигандами при попадании в почву, тяжелые металлы образуют комплексные соединения. Примерно 30 % свинца при его невысоких концентрациях в почве (20-25 мг/кг) закреплено органическим веществом почвы. Количество комплексных соединений свинца растет с увеличением его содержания до 400 мг/г, а затем постепенно уменьшается (Большаков, 1993; Кудряшов, 2003). Содержащиеся в почве осадки гидроксидов железа и марганца, глинистые минералы и органическое вещество почвы также способны сорбировать металлы (обменно или необменно). Металлы, присутствующие в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексных соединений и хелатированных форм, являются доступными для растений и способны к вымыванию.

Реакции среды в первую очередь оказывают влияние на поглощение тяжелых металлов почвой, процесс поглощения тяжелых металлов также зависит от того, какие анионы доминируют в почвенном растворе: кислая среда способствует большей сорбции меди, свинца и цинка, а щелочная приводит к интенсивному поглощению таких металлов, как кадмий и кобальт. Медь в большей степени образует связи с гидроксидами железа и органическими лигандами (Таблица 1.2).

Цинк и ртуть равномерно распределяются в слое почвы на глубине 0-20 см и в свою очередь имеют самую высокую миграционную способность. Свинец чаше всего аккумулируется в поверхностном слое (0-3 см), кадмий же оседает на глубине, располагающейся строго между ними.

Таблица 1.2

«Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от pH почвенного раствора» (Криушин, 2002)

Тяжелые металлы, депонированные в объектах окружающей среды, оказывают губительное действие на живые организмы, которое часто носит скрытый характер. Токсичность проявляется неожиданно на каких-то отдельных трофических уровнях, где аккумулирующий эффект выражен более отчетливо. Для различных групп живых организмов токсичность ТМ неодинакова. Она главным образом складывается из свойств и уровня концентраций самих элементов, а также из их способности к миграции в разных компонентах экосистемы и уровнем депонирования в органах и тканях (Соколов, Черников, 2008).

Б.А. Ягодин (2002) отмечает четыре уровня концентрации химического элемента, которые определяют комплексную оценку его воздействия на живые организмы:

• дефицит элемента, организм испытывает дискомфорт из-за его недостатка;
• оптимальное содержание, организм находится в стабильном состоянии;
• терпимые концентрации, начинает проявляться депрессия организма;
• губительные концентрации для данного организма (Ягодин, 2002).

Цинк в почве. Тяжелый металл цинк, при условии фонового содержания в

почве, является эссенциальным (жизненно необходимым для растений) элементом, но при повышенных концентрациях становится загрязнителем высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Цинк обладает постоянно растущей высокой технофильностью (Перельман, 1975). Это вызывает огромный интерес ученых-почвоведов, занимающихся вопросами охраны окружающей среды. В почвах металл образует большое количество фаз-носителей и имеет различные формы закрепления в минеральных и органических почвах, что исключает вероятность универсального подхода к очистке загрязненных цинком почв (Водяницкий, 2010).

Содержание валового цинка в черноземах варьируется от 24 до 90 мг/кг, в серых лесных почвах - от 28 до 65 (В.А. Ковда и др., 1959). Высокое содержание цинка в черноземах обосновано большим количеством гумуса в данном типе почв (С.А. Захаров, 1906, 1929; Г.К. Зыкина, 1978). Органическое вещество, содержащееся в большом количестве в черноземах, и кислая реакция среды прочно закрепляют цинк, при этом его уровень может достигать 90 мг/кг. В серой лесной почве такого эффекта не наблюдается, концентрация металла снижается до 23 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Курский чернозем является эталоном валового содержания цинка (52 мг/кг) (Шеуджен, Алешин, 1996). Растениям доступны только водорастворимые (хлористый, сернокислый и азотнокислый цинк) и обменные формы цинка, которые разнообразны и зависят от типа почв. Содержание подвижного цинка в почве составляет около 1% от валового запаса. По данным Н.П. Юмашева, И.А. Трунова (2006), наибольшее количество подвижного цинка встречается в черноземах типичном и выщелоченном, в серых лесных почвах его заметно меньше. В литературе отмечено, что в целинном черноземе содержание подвижного цинка выше, чем в распаханном (Юмашев, Трунов, 2006).

Особое влияние на подвижность цинка оказывает содержащийся в почве фосфор. Образуя труднорастворимые фосфаты цинка, фосфор сокращает количество подвижного металла в почве (Лазарев и др., 2013).

Цинк находится в почве в ионной форме. Адсорбция цинка в кислой почвенной среде происходит по катионообменному механизму. В щелочной среде образование химических связей металла происходит в результате хемосорбции. Ион Zn 2+ является самым подвижным. Так как величина pH и содержание глинистых минералов оказывают непосредственное влияние на подвижность цинка в почве, то при pH

Цинк в земной коре относится к халькофиллам (Перельман, 1975). Естественное поступление цинка в почву связано с разрушением горных пород и последующим выщелачиванием его и осаждением в виде карбонатов, силикатов и фосфатов (Водяницкий, 2010). Антропогенное загрязнение большого количества почв происходило в результате работы устаревшей пирометаллургической технологии на плавильных заводах, которые выбрасывали огромные массы обогащенных цинком пыли и дыма (Зырин, Садовникова, 1975; Плеханова, 2008). Металлургические заводы как в России, так и за рубежом зачастую являются виновниками загрязнения почв цинком (Водяницкий, 2010). В окрестностях свинцово-цинкоплавильного завода в Канаде содержание в почвах цинка достигало 1390 мг/кг при фоновых значениях 50-75 мг/кг (Ладонин, 2002).

Наивысшие концентрации цинка среди почв Курской области зафиксированы в серых лесных почвах г. Курска, в отдельных районах города - клумбы и земельные участки вблизи «Кожзавода» - его содержание достигает 27 000 мг/кг. Очень часто встречаются участки с уровнем загрязнения, равным 2-5 ОДК (валовое содержание), - садовые участки «Весна - 1», «Весна - 2», «Химик», «Лавсан», пустыри вблизи завода «Курскрезинотехника», пустыри «Магистрального проезда» (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2013а).

По данным В.А. Жидеевой (2000), некоторые черноземные агроценозы области также подвержены цинковым загрязнениям. Почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат цинк в количествах, превышающих фоновую концентрацию. Цинковая токсикация этих почв возникла в результате использования медно-цинковых инсектицидов и фунгицидов.

Основными источниками поступления антропогенного цинка в почву являются газопылевые выбросы промышленного производства, осадки сточных вод и цинковые удобрения (Robson, 1993).

Как биофильный компонент живых клеток цинк необходим всем живым организмам, так как он участвует в биохимических процессах, однако при высоком и избыточном содержании в организмах он становится высокотоксичным (Водяницкий, 2010). Отмечено, что в зональных почвах Курской области цинк является весьма опасным поллютантом: легко аккумулируясь растениями, он поступает по пищевой цепи в организм человека (Жидеева, 2000).

Цинк в растениях. Попадая в организм растений из почвы и воды, цинк участвует в дыхании и обмене веществ (белковом и нуклеиновом). К тому же цинк выполняет такую важную функцию как регуляция роста, он оказывает влияние на образование аминокислоты триптофана, являющейся предшественником ауксина - гормона роста. Являясь компонентом ряда ферментных систем, тяжелый металл цинк крайне важен в процессах образования дыхательных ферментов - цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (при децефите цинка наблюдается резкое снижение ее активности). Ферменты алкогольдегидразы и глицилглициндипептидазы содержат цинк в своем составе, также цинксодержащим ферментом является карбоангидраза. Под влиянием цинка в клетках растений происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков. Соединения цинка играют немаловажную роль и в процессах плодоношения. Нормальное содержание цинка в растениях способствует благоприятному формированию морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустой- чивости растений. Цинк обладает свойством усиления роста корневой системы у ряда видов растений (Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Якушкина, 2004).

Высокое содержание цинка в почве находит своё отражение в морфофизиологическом состоянии растений и является фактором, ингибирующим рост растений в длину, снижающим продуктивность культур и в некоторых случаях подавляющим прорастание семян. Е.В. Чурсина (2012) замечает, что «при повышенном содержании цинка в почве (250 и 500 мг на 1 кг почвы) наблюдается достоверное снижение продуктивности пшеницы. Отмечено уменьшение ассимиляционной поверхности и фотосинтетического потенциала растений, а также озерненности колоса, обусловленных сортовой реакцией растений на загрязнение почв цинком» (Чурсина, 2012).

Медь в почве. Тяжелый металл медь так же, как и цинк, - эссенциальный элемент. Медь согласно Российскому санитарно-гигиеническому ГОСТу 17.4.102-83 относится к умеренно-опасным тяжелым металлам. Содержание меди в эталонном Курском черноземе составляет 26 мг/кг, а в серых лесных почвах - от 5 до 39 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Для растений доступны подвижные формы меди, их количество в основном не превышает 10 % от общего содержания металла в почве (Каталымов, 1965).

В почве медь представлена солями и гидратами окиси меди в поглощенном органическими и минеральными коллоидами состоянии. Содержание подвижной меди в почве зависит в основном от количества органического вещества и от суммы поглощенных оснований, а также от гранулометрического состава почвы (Захаров, 1906; Зыкина, 1978), причем всегда отмечается линейная зависимость между содержанием подвижной меди в почве и гранулометрическим составом. В почвах с тяжелым гранулометрическим составом меди больше, чем в легких почвах. Возрастание степени оподзоленности почвы не только сокращает количество меди в ней, но и к тому же обладает иммобилизующим эффектом.

Исследователи также отмечают, что на кислых и песчаных почвах с малой емкостью поглощения наблюдается процесс вымывания меди, что приводит к истощению запасов эссенциального элемента в почве. Количество площадей кислых почв Центрального Черноземья неуклонно растет, в связи с этим содержание подвижных форм меди в них будет уменьшаться (Лазарев и др., 2013).

В результате техногенного рассеяния поступление меди в почву происходит разнообразными путями. По данным Д.С. Орлова, Л.К. Садовниковой (2002), основными источником эмиссии техногенной меди в атмосферу являются выбросы промышленного комплекса, происходящие в результате процессов, сопровождающихся высокотемпературными реакциями: в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, при сжигании минерального топлива. Часто выбросы переносятся атмосферными потоками на большие расстояния (5-10 км). Основная часть этих выбросов выпадает в почву на расстоянии 1-3 км от эпицентра и депонируется в почвах окрестностей первоисточника загрязнения.

По данным «Доклада о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году», ежегодные выбросы специфических загрязняющих веществ составляют 150 тонн, из них меди - 2 3 % (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

Стоит отметить, что в среднем около 65 % всей меди в окружающей среде от общего содержания в верхнем слое почвы, воде и атмосфере приходится на техногенную составляющую (Козаченко, 1999).

Еще одним источником загрязнения медью может служить орошение почв водами с высоким содержанием этого металла. В «Докладе о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году» опубликованы сведения, доказывающие, что качество поверхностных вод Курской области (бассейна Днепра) значительно ухудшается и содержание меди в них составляет от 1,5 до 3,0 ПДК. Данное явление вызвано влиянием промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

А.И. Левит (2001) считает, что «загрязнение земель медью происходит не только за счет выбросов предприятий промышленности, но и за счет веществ, потребляемых самим сельским хозяйством, например, пестицидов. Такое загрязнение называется агрогенным» (Левит, 2001). Применение пестицидов в современном сельскохозяйственном производстве служит не только средством сохранения и приумножения урожаев, но и, к сожалению, несет существенную угрозу для окружающей природы. Остатки пестицидов загрязняют почву и снижают ее биологическую активность. Обладая канцерогенными свойствами, они накапливаются в вегетативных органах растений, что впоследствии приводит к их морфофизиологическим изменениям (Левит, 2001).

Основная часть загрязненных медью почв Курской области приходится на почвы города и прилегающих к нему промышленных зон, также отмечены превышения ОДК меди и по области. Так, почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат токсичные концентрации металла. Загрязнение этих участков земель медью произошло по той же причине, что и загрязнение их цинком, т.е. в результате использования медноцинковых инсектицидов и фунгицидов при обработке плодов. В результате применения этих средств ежегодно накапливалось в почвах до 8-10 кг/га техногенной меди с достаточно равномерным распределением вблизи очага использования (Жидеева, 2000).

Медь в растениях. Как и цинк, медь является эссенциальным элементом для растительных организмов. Сосредоточенная в хлоропластах листьев часть ионов меди участвует в регуляции процессов фотосинтеза. Этот микроэлемент тесно связан и с синтезом сложных органических соединений: антоциан, желе- зопорфирины, хлорофилл. Являясь стабилизатором хлорофилла, медь предохраняет его от разрушения. Медь образует окислительный фермент полифено- локсидазу, входя в качестве структурного компонента в состав белкового соединения (медьпротеида, содержащего 0,3 % меди). Медь в растениях также оказывает влияние на активность пероксидазы и других железосодержащих ферментов, является неотъемлемым компонентом синтеза белков, углеводов и жиров. Установлено, что водоудерживающая способность растительных тканей регулируется медью, а точнее синтезируемыми в растениях медьзависимыми белками (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Недостаточность меди вызывает у растений заболевания, связанные в первую очередь с уменьшением гидрофильности коллоидов тканей. Среди них часто встречаются такие болезни, как: экзантема, или суховершинность плодовых деревьев, хлороз листьев, отмирание верхушек побегов, ухудшение цветения и завязывания плодов. Очевиден факт значимости медных удобрений: их применение на почвах, испытывающих дефицит биогенного элемента меди, способствует повышению у растений морозо- и засухоустойчивости, а также, вероятно, стойкости к бактериальным заболеваниям (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Школьник, Макарова, 1957; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Свинец и кадмий в почвах. Свинец и кадмий относятся к высокоопасным поллютантам [Российский санитарно-гигиенический ГОСТ 17.4.102-83, 1983]. В почвах Центрально-черноземного биосферного заповедника им. В.В. Алехина среднее содержание свинца составляет 9 мг/кг, кадмия - 0,1 мг/кг (Жидеева, 2000).

У свинца и кадмия, как и у других тяжелых металлов, существует два пути поступления в окружающую среду - природный и техногенный. Лесные пожары, сукцессия озерных и болотных экосистем, процессы выветривания горных пород, извержение вулканов, морские брызги, - все эти природные явления служат естественными источниками свинца и кадмия. Техногенная эмиссия в атмосферу свинца и кадмия составлена из газопылевых выбросов химических нефтеперерабатывающих и металлургических предприятий, автотранспорта и ТЭЦ, сбросов в гидросферу плохо очищенных сточных вод, организованных и несанкционированных свалок. Если сравнивать свинец и кадмий, то первый обладает меньшей токсичностью, так как свинец менее подвижен в различных объектах окружающей среды. Однако длительное воздействие свинца на организм человека вызывает хронические интоксикации с различными клиническими проявлениями: нарушением деятельности центральной и периферической нервной системы, заболеваниями желудочно-кишечного тракта, поражением костного мозга, изменением в составе крови (Линдиман, 2009).

Процесс аккумуляции свинца в почве изучен давно (Захаров, 1906, 1929; Зыкина, 1978). Почва является стоком атмосферного свинца, как правило, металл оседает в почве в виде оксидов, здесь он переходит в почвенный раствор, а затем постепенно превращается в гидроксиды, карбонаты или катионную форму. В почве может произойти образование прочных связей со свинцом, что способствует предотвращению загрязнения грунтовых и питьевых вод и растительной продукции. В таком случае неизбежным является возникновение другой проблемы: при депонировании и прочном закреплении свинца в почве постепенно растет степень её зараженности, высоким становится риск разрушения органического вещества почвы, которое повлечет выброс свинца в почвенный раствор. Такую почву придется выводить из сельскохозяйственного обращения ввиду ее непригодности. Емкость метрового слоя одного гектара почвы, задерживающего свинец, может достигать 500-600 тонн. В природе подобного загрязнения почв свинцом не встречается (Орлов, 1992; Мосина 2012).

Песчаные, малогумусовые почвы, напротив, крайне устойчивы к загрязнению свинцом. Слабо закрепленный свинец легко поступает в растения или мигрирует с фильтровыми водами вниз по профилю (Орлов, 1992; Орлов и др., 2003, 2005).

В источниках отмечается, что в поверхностном слое почвы глубиной до 5 см кумулятивная способность свинца значительно выше, чем у ряда металлов (медь, молибден, железо, никель и хром). Это очень опасное явление, так как свинец - самый ядовитый из перечисленных металлов. Почва в районах расположения заводов по производству аккумуляторов и свинцово-цинковых заводов содержит свинец в количествах, в 20-30 раз превышающих среднее содержание. Соответственно «местная» растительность также будет иметь внушительный «свинцовый багаж» (Жидеева, 2000).

Одним из самых токсичных химических элементов для живых существ является кадмий. Этот тяжелый металл относится к контоминантам высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.102-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Поступающий в организм кадмий приводит к его интоксикации, при этом природа соединений кадмия маловажна. Исследователи считают, что кадмий, попадая в живой организм, вступает в биологическую конкуренцию с цинком, в результате чего возникают нарушения протекающих физиологических процессов, к тому же известно протекторное действие цинка при кадмиевой интоксикации.

По данным А.В. Прусаченко (2011), содержание свинца в серых лесных почвах г. Курска колеблется от 23 мг/кг до 94 мг/кг, а кадмия - от 0,12 до 0,98 мг/кг. Часто встречаются участки с содержанием свинца, превышающим предельно допустимое значение. Основным источником загрязнения свинцом является действующий на территории г. Курска завод «Аккумулятор». Как сообщает В.А. Жидеева (2000), за 62 года существования завода «Аккумулятор» эмиссия свинца в атмосферу составила более 4500 тонн, кадмия - более 300 тонн.

Свинец и кадмий в растениях. Присутствие свинца в большинстве растительных и животных продуктов и кормах является следствием глобального загрязнения окружающей среды свинцом. Растениеводческая продукция в целом содержит больше свинца, чем продукция животноводческого сектора. Чрезмерные концентрации свинца пагубно влияют на почвенную биоту (микробиоценоз), сокращая число основных ее представителей, что приводит к снижению плодородия почв (Ревелль, 1994). Порогом токсичности свинца в почве для травянистых растений является концентрация свыше 0,3 г/кг, для древесных растений - 1,5 г/кг. При содержании свинца в почве 0,05 - 0,3 г/кг снижается качество пищевой растительной продукции, она становится непригодной.

Металл в неравных количествах способен накапливаться в разных органах различных групп растений. К примеру, у салата и сельдерея свинец преимущественно поступает в листья, а у моркови и одуванчика в большей части аккумулируется корневыми системами (А.Ф. Титов и др., 2007). Бобовые растения являются низкими концентраторами свинца (Козаренко, 1987; Петрунина, 1974; Kuboi et al., 1986).

Растения, черпая ресурсы почвы, воды и атмосферных выпадений, вместе с жизненно-необходимыми химическими элементами поглощают свинец. Высокое содержание свинца в воздухе - одна из причин летнего листопада. Древесные растения являются своего рода свинцовыми фильтрами. Накапливая атмосферный свинец в своих органах, они обезвреживают такое количество активного свинца, сколько выделяется при сжигании 130 литров бензина. Орешник и ель являются активными аккумуляторами свинца, а кумулятивный эффект клена, наоборот, крайне низок. В листьях деревьев, находящихся со стороны автомагистралей, содержится на 30-60 % больше металлов. Неплохими фильтрами свинца служат хвойные растения (ель и сосна), они способны накапливать металл и не обменивать его с окружающей средой (Сенновская, 2006).

Интенсивно депонируют свинец и представители низших растений - мхи и лишайники, также отмечены высокие концентрации тяжелого металла в грибах. Активно накапливают свинец употребляемые в пищу сельскохозяйственные растения капуста, редька, картофель (Титов и др., 2007).

Тем не менее живые организмы все же нуждаются в малых количествах свинца. Ежегодно 70-80 тыс. т свинца вовлекается растительностью суши в биологический круговорот. Массовая доля свинца в зольном остатке растений не значительна и составляет 0,001 - 0,002 %.

Крайне интенсивными темпами происходит техногенное рассеивание свинца, воды рек выносят в год 17 000 - 18 000 тонн свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.

Для растений кадмий - это высокотоксичный элемент, являющийся одним из наиболее опасных среди тяжелых металлов (Алексеев, 1987; Казнина, 2010; Prasad, 1995; Heiss et al., 2003). Хозяйственная деятельность человека приводит к повышению его содержания в почвенном покрове. Данное явление также сопровождается значительным возрастанием количества токсичных ионов в растениях, что существенно сказывается на многих процессах их жизнедеятельности (Титов и др., 2007). Изучение влияния кадмия на растения часто привлекает исследователей, данной проблематике посвящено большое количество научных трудов (Мельничук, 1990; Серегин, 2001; Титов и др., 2007; Sanita" di Toppi, Gabrielli, 1999; Vassilev, 2002). В вышеперечисленных работах сообщается, что при определении степени ингибирования металлом отдельных физиологических показателей таксономическая принадлежность растений играет важную роль, как и концентрация металла в корнеобитаемой зоне и продолжительность его воздействия на растение. Некоторые авторы отмечают зависимость отклика растений на действие кадмия от их биологического возраста, но объективных экспериментальных данных, подтверждающих это явление, очень мало (Казнина и др., 2010).

Негативное влияние кадмия на жизненные функции растительного организма также отмечено на клеточном уровне (Линдиман, 2009). Исследования ученых свидетельствуют о том, что кадмий приводит к ряду структурных изменений в клетках растений. Например, взаимодействуя с ферментами, выполняющими катализирующие функции, тяжелый металл ингибирует фотосинтезирующую функцию.

тяжелый металл растение почва

Содержание ТМ в почвах зависит, как установлено многими исследователями, от состава исходных горных пород, значительное разнообразие которых связано со сложной геологической историей развития территорий (Ковда, 1973). Химический состав почвообразующих пород, представленный продуктами выветривания горных пород, предопределен химическим составом исходных горных пород и зависит от условий гипергенного преобразования.

В последние десятилетия в процессы миграции ТМ в природной среде интенсивно включилась антропогенная деятельность человечества. Количества химических элементов, поступающие в окружающую среду в результате техногенеза, в ряде случаев значительно превосходят уровень их естественного поступления. Например, глобальное выделение Pb из природных источников в год составляет 12 тыс.т. и антропогенная эмиссия 332 тыс.т. (Nriagu, 1989). Включаясь в природные циклы миграции, антропогенные потоки приводят к быстрому распространению загрязняющих веществ в природных компонентах городского ландшафта, где неизбежно их взаимодействие с человеком. Объемы поллютантов, содержащих ТМ, ежегодно возрастают и наносят ущерб природной среде, подрывают существующее экологическое равновесие и негативно сказываются на здоровье людей.

Основными источниками антропогенного поступления ТМ в окружающую среду являются тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей, сжигание нефти и раз­личных отходов, производство стекла, удобрений, цемента и пр. Наиболее мощные ореолы ТМ возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии в результате атмосферных выбросов (Ковальский, 1974; Добровольский, 1983; Израэль, 1984; Геохимия…, 1986; Сает, 1987; Панин, 2000; Kabala, Singh, 2001). Действие загрязняющих веществ распространяется на десятки километров от источника поступления элементов в атмосферу. Так, металлы в количестве от 10 до 30 % от общего выброса в атмосферу распространяются на расстояние 10 км и более от промышленного предприятия. При этом наблюдается комбинированное загрязнение растений, слагающееся из непосредственного оседания аэрозолей и пыли на поверхность листьев и корневого усвоения ТМ, накопившихся в почве в течение продолжительного времени поступления загрязнений из атмосферы (Ильин, Сысо, 2001).

По приведенным ниже данным можно судить о размерах антропогенной деятельности человечества: вклад техногенного свинца составляет 94-97% (остальное - природные источники), кадмия - 84-89%, меди - 56-87%, никеля - 66-75%, ртути - 58% и т.д. При этом 26-44% мирового антропогенного потока этих элементов приходится на Европу, а на долю европейской территории бывшего СССР - 28-42% от всех выбросов в Европе (Вронский, 1996). Уровень техногенного выпадения ТМ из атмосферы в разных регионах мира неодинаков и зависит от наличия разрабатываемых месторождений, степени развитости горно-обогатительной и промышленной индустрии, транспорта, урбанизированности территорий и др.

Изучение долевого участия различных производств в глобальный поток эмиссии ТМ показывает: 73% меди и 55% кадмия связаны с выбросами предприятий по производству меди и никеля; 54% эмиссии ртути приходится на сжигание угля; 46% никеля -- на сжигание нефтепродуктов; 86% свинца поступает в атмосферу от автотранспорта (Вронский, 1996). Некоторое количество ТМ в окружающую среду поставляет и сельское хозяйство, где применяются пестициды и минеральные удобрения, в частности в суперфосфатах содержатся значительные количества хрома, кадмия, кобальта, меди, никеля, ванадия, цинка и др.

Заметное действие на окружающую среду оказывают элементы, выбрасываемые в атмосферу через трубы предприятий химической, тяжелой и атомной промышленности. Долевое участие в атмосферном загрязнении тепловых и иных электростанций составляет 27 %, предприятий черной металлургии - 24,3 %, предприятий по добыче и изготовлению строительных материалов - 8,1 % (Алексеев, 1987; Ильин, 1991). ТМ (за исключением ртути) в основном заносятся в атмосферу в составе аэрозолей. Набор металлов и их содержание в аэрозолях определяются специализацией промышленных и энергетических мероприятий. При сжигании угля, нефти, сланцев вместе с дымом в атмосферу поступают элементы, содержащиеся в этих видах топлива. Так, каменный уголь содержит церий, хром, свинец, ртуть, серебро, олово, титан, а также уран, радий и другие металлы.

Наиболее существенное загрязнение среды вызывают мощные тепловые станции (Майстренко и др., 1996). Ежегодно только при сжигании угля в атмосферу выбрасывается ртути в 8700 раз больше, чем может быть включено в естественный биогеохимический цикл, урана - в 60, кадмия - в 40, иттрия и циркония - в 10, олова - в 3-4 раза. 90 % кадмия, ртути, олова, титана и цинка, загрязняющих атмосферу, попадает в нее при сжигании каменного угля. Это в значительной степени затрагивает и Республику Бурятия, где предприятия энергетики, использующие каменный уголь являются крупнейшими загрязнителями атмосферы. Среди них (по вкладу в общие выбросы) выделяются Гусиноозерская ГРЭС (30%) и ТЭЦ-1 г. Улан-Удэ (10%).

Заметное загрязнение атмосферного воздуха и почвы происходит за счет транспорта. Большинство ТМ, содержащихся в пылегазовых выбросах промышленных предприятий, как правило, более растворимы, чем природные соединения (Большаков и др., 1993). Среди наиболее активных источников поступления ТМ выделяются крупные индустриально развитые города. Металлы сравнительно быстро накапливаются в почвах городов и крайне медленно из них выводятся: период полуудаления цинка -- до 500 лет, кадмия -- до 1100 лет, меди -- до 1500 лет, свинца -- до нескольких тысяч лет (Майстренко и др., 1996). Во многих городах мира высокие темпы загрязнения ТМ привели к нарушению основных агроэкологических функций почв (Орлов и др., 1991; Касимов и др., 1995). Выращивание сельскохозяйственных растений, используемых в пищу вблизи этих территорий потенциально опасно, поскольку культурами накапливаются избыточные количества ТМ, способные приводить к различным заболеваниям человека и животных.

По мнению ряда авторов (Ильин, Степанова, 1979; Зырин, 1985; Горбатов, Зырин, 1987 и др.), степень загрязнения почв ТМ правильнее оценивать по содержанию их наиболее биодоступных мобильных форм. Однако предельно допустимые концентрации (ПДК) подвижных форм большинства ТМ в настоящее время не разработаны. Поэтому критерием для сравнения могут служить литературные данные по уровню их содержания, приводящего к неблагоприятным экологическим последствиям.

Ниже приводим краткое описание свойств металлов, касающихся особенностей их поведения в почвах.

Свинец (Pb). Атомная масса 207,2. Приоритетный элемент-токсикант. Все растворимые соединения свинца ядовиты. В естественных условиях он существует в основном в форме PbS. Кларк Pb в земной коре 16,0 мг/кг (Виноградов, 1957). По сравнению с другими ТМ он наименее подвижен, причем степень подвижности элемента сильно снижается при известковании почв. Подвижный Pb присутствует в виде комплексов с органическим веществом (60 - 80 % подвижного Pb). При высоких значениях рН свинец закрепляется в почве химически в виде гидроксида, фосфата, карбоната и Pb-органических комплексов (Цинк и кадмий…, 1992; Тяжелые …, 1997).

Естественное содержание свинца в почвах наследуется от материнских пород и тесно связано с их минералогическим и химическим составом (Беус и др., 1976; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Средняя концентрация этого элемента в почвах мира достигает по разным оценка от 10 (Сает и др., 1990) до 35 мг/кг (Bowen, 1979). ПДК свинца для почв в России соответствует 30 мг/кг (Инструктивное…,1990), в Германии - 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Высокая концентрация свинца в почвах может быть связана как с природными геохимическими аномалиями, так и с антропогенным воздействием. При техногенном загрязнении наибольшая концентрация элемента, как правило, обнаруживается в верхнем слое почвы. В некоторых промышленных районах она достигает 1000 мг/кг (Добровольский, 1983), а в поверхностном слое почв вокруг предприятий цветной металлургии в Западной Европе - 545 мг/кг (Рэуце, Кырстя, 1986).

Содержание свинца в почвах на территории России существенно варьирует в зависимости от типа почвы, близости промышленных предприятий и естественных геохимических аномалий. В почвах селитебных зон, особенно связанных с использованием и производством свинецсодержащих продуктов, содержание данного элемента часто в десятки и более раз превышает ПДК (табл. 1.4). По предварительным оценкам до 28% территории страны имеет содержание Рb в почве, в среднем, ниже фоновой, а 11% - могут быть отнесены к зоне риска. В то же время, в Российской Федерации проблема загрязнения почв свинцом - преимущественно проблема селитебных территорий (Снакин и др., 1998).

Кадмий (Cd). Атомная масса 112,4. Кадмий по химическим свойствам близок к цинку, но отличается от него большей подвижностью в кислых средах и лучшей доступностью для растений. В почвенном растворе металл присутствует в виде Cd2+ и образовывает комплексные ионы и органические хелаты. Главный фактор, определяющий содержание элемента в почвах при отсутствии антропогенного влияния, - материнские породы (Виноградов, 1962; Минеев и др., 1981; Добровольский, 1983; Ильин, 1991; Цинк и кадмий…, 1992; Кадмий: экологические …, 1994). Кларк кадмия в литосфере 0,13 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В почвообразующих породах содержание металла в среднем составляет: в глинах и глинистых сланцах - 0,15 мг/кг, лессах и лессовидных суглинках - 0,08, песках и супесях - 0,03 мг/кг (Цинк и кадмий…, 1992). В четвертичных отложениях Западной Сибири концентрация кадмия изменяется в пределах 0,01-0,08 мг/кг.

Подвижность кадмия в почве зависит от среды и окислительно-восстановительного потенциала (Тяжелые …, 1997).

Среднее содержание кадмия в почвах мира равно 0,5 мг/кг (Сает и др., 1990). Концентрация его в почвенном покрове европейской части России составляет 0,14 мг/кг - в дерново-подзолистой почве, 0,24 мг/кг - в черноземе (Цинк и кадмий…, 1992), 0,07 мг/кг - в основных типах почв Западной Сибири (Ильин, 1991). Ориентировочно-допустимое содержание (ОДК) кадмия для песчаных и супесчаных почв в России составляет 0,5 мг/кг, в Германии ПДК кадмия - 3 мг/кг (Kloke, 1980).

Загрязнение почвенного покрова кадмием считается одним из наиболее опасных экологических явлений, так как он накапливается в растениях выше нормы даже при слабом загрязнении почвы (Кадмий …, 1994; Овчаренко, 1998). Наибольшие концентрации кадмия в верхнем слое почв отмечаются в горнорудных районах - до 469 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), вокруг цинкоплавилен они достигают 1700 мг/кг (Рэуце, Кырстя, 1986).

Цинк (Zn). Атомная масса 65,4. Его кларк в земной коре 83 мг/кг. Цинк концентрируется в глинистых отложениях и сланцах в количествах от 80 до 120 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), в делювиальных, лессовидных и карбонатных суглинистых отложениях Урала, в суглинках Западной Сибири - от 60 до 80 мг/кг.

Важными факторами, влияющими на подвижность Zn в почвах, являются содержание глинистых минералов и величина рН. При повышении рН элемент переходит в органические комплексы и связывается почвой. Ионы цинка также теряют подвижность, попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита. С органическим веществом Zn образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе.

Причинами повышенного содержания цинка в почвах могут быть как естественные геохимические аномалии, так и техногенное загрязнение. Основными антропогенными источниками его поступления в первую очередь являются предприятия цветной металлургии. Загрязнение почв этим металлом привело в некоторых областях к крайне высокой его аккумуляции в верхнем слое почв - до 66400 мг/кг. В огородных почвах накапливается до 250 и более мг/кг цинка (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). ОДК цинка для песчаных и супесчаных почв равна 55 мг/кг, германскими учеными рекомендуется ПДК, равная 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Медь (Cu). Атомная масса 63,5. Кларк в земной коре 47 мг/кг (Виноградов, 1962). В химическом отношении медь - малоактивный металл. Основополагающим фактором, влияющим на величину содержания Cu, является концентрация ее в почвообразующих породах (Горюнова и др., 2001). Из изверженных пород наибольшее количество элемента накапливают основные породы - базальты (100-140 мг/кг) и андезиты (20-30 мг/кг). Покровные и лессовидные суглинки (20-40 мг/кг) менее богаты медью. Наименьшее же ее содержание отмечается в песчаниках, известняках и гранитах (5-15 мг/кг) (Ковальский, Андриянова, 1970; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Концентрация метала в глинах европейской части территории бывшего СССР достигает 25 мг/кг (Мальгин, 1978; Ковда, 1989), в лессовидных суглинках - 18 мг/кг (Ковда, 1989). Супесчаные и песчаные почвообразующие породы Горного Алтая накапливают в среднем 31 мг/кг меди (Мальгин, 1978), юга Западной Сибири - 19 мг/кг (Ильин, 1973).

В почвах медь является слабомиграционным элементом, хотя содержание подвижной формы бывает достаточно высоким. Количество подвижной меди зависит от многих факторов: химического и минералогического состава материнской породы, рН почвенного раствора, содержания органического вещества и др. (Виноградов, 1957; Пейве, 1961; Ковальский, Андриянова, 1970; Алексеев, 1987 и др.). Наибольшее количество меди в почве связано с оксидами железа, марганца, гидроксидами железа и алюминия и, особенно, с монтмориллонитом вермикулитом. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. При рН 7-8 растворимость меди наименьшая.

Среднее содержание меди в почвах мира 30 мг/кг (Bowen, 1979). Вблизи индустриальных источников загрязнения в некоторых случаях может наблюдаться загрязнение почвы медью до 3500 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Среднее содержание металла в почвах центральных и южных областей бывшего СССР составляет 4,5-10,0 мг/кг, юга Западной Сибири - 30,6 мг/кг (Ильин, 1973), Сибири и Дальнего Востока - 27,8 мг/кг (Макеев, 1973). ПДК меди в России - 55 мг/кг (Инструктивное …, 1990), ОДК для песчаных и супесчаных почв - 33 мг/кг (Контроль…, 1998), в ФРГ - 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Никель (Ni). Атомная масса 58,7. В континентальных отложениях он присутствует, главным образом, в виде сульфидов и арсенитов, ассоциируется также с карбонатами, фосфатами и силикатами. Кларк элемента в земной коре равен 58 мг/кг (Виноградов, 1957). Наибольшее количество металла накапливают ультраосновные (1400-2000 мг/кг) и основные (200-1000 мг/кг) породы, а осадочные и кислые содержат его в гораздо меньших концентрациях - 5-90 и 5-15 мг/кг, соответственно (Рэуце, Кырстя, 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Большое значение в накоплении никеля почвообразующими породами играет их гранулометрический состав. На примере почвообразующих пород Западной Сибири видно, что в более легких породах его содержание наименьшее, в тяжелых - наибольшее: в песках - 17, супесях и легких суглинки -22, средние суглинки - 36, тяжелые суглинки и глины - 46 (Ильин, 2002).

Содержание никеля в почвах в значительной степени зависит от обеспеченности этим элементом почвообразующих пород (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Наибольшие концентрации никеля, как правило, наблюдаются в глинистых и суглинистых почвах, в почвах, сформированных на основных и вулканических породах и богатых органическим веществом. Распределение Ni в почвенном профиле определяется содержанием органического вещества, аморфных оксидов и количеством глинистой фракции.

Уровень концентрации никеля в верхнем слое почв зависит также от степени их техногенного загрязнения. В районах с развитой металлообрабатывающей промышленностью в почвах встречается очень высокое накопление никеля: в Канаде его валовое содержание достигает 206-26000 мг/кг, а в Великобритании содержание подвижных форм доходит до 506-600 мг/кг. В почвах Великобритании, Голландии, ФРГ, обработанных осадками сточных вод никель накапливается до 84-101 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В России (по данным обследования 40-60 % почв сельскохозяйственных угодий) этим элементом загрязнены 2,8 % почвенного покрова. Доля загрязненных Ni почв в ряду других ТМ (Pb, Cd, Zn, Cr, Co, As и др.), является фактически самой значительной и уступает только землям загрязненным медью (3,8%) (Аристархов, Харитонова, 2002). По данным мониторинга земель Государственной станции агрохимической службы «Бурятская» за 1993-1997 гг. на территории Республики Бурятия зарегистрировано превышение ПДК никеля на 1,4 % земель от обследованной территории сельхозугодий, среди которых выделяются почвы Закаменского (загрязнены 20% земель - 46 тыс.га) и Хоринского районов (загрязнены 11% земель - 8 тыс.га).

Хром (Cr). Атомная масса 52. В природных соединениях хром обладает валентностью +3 и +6. Большая часть Cr3+ присутствует в хромите FeCr2O4 или других минералах шпинелевого ряда, где он замещает Fe и Al, к которым очень близок по своим геохимическим свойствам и ионному радиусу.

Кларк хрома в земной коре - 83 мг/кг. Наибольшие его концентрации среди магматических горных пород характерны для ультраосновных и основных (1600-3400 и 170-200 мг/кг соответственно), меньшие - для средних пород (15-50 мг/кг) и наименьшие - для кислых (4-25 мг/кг). Среди осадочных пород максимальное содержание элемента обнаружено в глинистых осадках и сланцах (60-120 мг/кг), минимальное - в песчаниках и известняках (5-40 мг/кг) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Содержание металла в почвообразующих породах разных регионов весьма разнообразно. В европейской части бывшего СССР его содержание в таких наиболее распространенных почвообразующих породах, как лессы, лессовидные карбонатные и покровные суглинки, составляет в среднем 75-95 мг/кг (Якушевская, 1973). Почвообразующие породы Западной Сибири содержат в среднем 58 мг/кг Cr, причем его количество тесно связано с гранулометрическим составом пород: песчаные и супесчаные породы - 16 мг/кг, а среднесуглинистые и глинистые - около 60 мг/кг (Ильин, Сысо, 2001).

В почвах большая часть хрома присутствует в виде Cr3+. В кислой среде ион Cr3+ инертен, при рН 5,5 почти полностью выпадает в осадок. Ион Cr6+ крайне не стабилен и легко мобилизуется как в кислых, так и щелочных почвах. Адсорбция хрома глинами зависит от рН среды: при увеличении рН адсорбция Cr6+ уменьшается, а Cr3+ увеличивается. Органическое вещество почвы стимулирует восстановление Cr6+ до Cr3+.

Природное содержание хрома в почвах зависит главным образом от его концентрации в почвообразующих породах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Краснокутская и др., 1990), а распределение по почвенному профилю - от особенностей почвообразования, в частности от гранулометрического состава генетических горизонтов. Среднее содержание хрома в почвах - 70 мг/кг (Bowen, 1979). Наибольшее содержание элемента отмечается в почвах, сформированных на богатых этим металлом основных и вулканических породах. Среднее содержание Cr в почвах США составляет 54 мг/кг, Китая - 150 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), Украины - 400 мг/кг (Беспамятнов, Кротов, 1985). В России его высокие концентрации в почвах в естественных условиях обусловлены обогащенностью почвообразующих пород. Курские черноземы содержат 83 мг/кг хрома, дерново-подзолистые почвы Московской области - 100 мг/кг. В почвах Урала, сформированных на серпентинитах, металла содержится до 10000 мг/кг, Западной Сибири - 86 - 115 мг/кг (Якушевская, 1973; Краснокутская и др., 1990; Ильин, Сысо, 2001).

Вклад антропогенных источников в поступление хрома весьма значителен. Металлический хром в основном используется для хромирования в качестве компонента легированных сталей. Загрязнение почв Cr отмечено за счет выбросов цементных заводов, отвалов железохромовых шлаков, нефтеперегонных заводов, предприятий черной и цветной металлургии, использования в сельском хозяйстве осадков промышленных сточных вод, особенно кожевенных предприятий, и минеральных удобрений. Наивысшие концентрации хрома в техногенно-загрязненных почвах достигают 400 и более мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), что особенно характерно крупным городам (табл. 1.4). В Бурятии по данным мониторинга земель, проведенным Государственной станцией агрохимической службы «Бурятская» за 1993-1997 гг., хромом загрязнены 22 тыс. га. Превышения ПДК в 1,6-1,8 раз отмечены в Джидинском (6,2 тыс. га), Закаменском (17,0 тыс. га) и Тункинском (14,0 тыс. га) районах.

PAGE_BREAK--тяжелые металлы , характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg .

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам . По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg . В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn .

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

3. Токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм .

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Биогеохимические свойства тяжелых металлов

В - высокая, У - умеренная, Н - низкая

Ванадий.

Ванадий находится преимущественно в рассеянном состоянии и обнаруживается в железных рудах, нефти, асфальтах, битумах, горючих сланцах, углях и др. Одним из главных источников загрязнения природных вод ванадием являются нефть и продукты ее переработки.

В природных водах встречается в очень малой концентрации: в воде рек 0.2 - 4.5 мкг/дм3, в морской воде - в среднем 2 мкг/дм3

В воде образует устойчивые анионные комплексы (V4O12)4- и (V10O26)6-. В миграции ванадия существенна роль растворенных комплексных соединений его с органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами.

Повышенные концентрации ванадия вредны для здоровья человека. ПДКв ванадия составляет 0.1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0.001 мг/дм3.

Естественными источниками поступления висмута в природные воды являются процессы выщелачивания висмутсодержащих минералов. Источником поступления в природные воды могут быть также сточные воды фармацевтических и парфюмерных производств, некоторых предприятий стекольной промышленности.

В незагрязненных поверхностных водах содержится в субмикрограммовых концентрациях. Наиболее высокая концентрация обнаружена в подземных водах и составляет 20 мкг/дм3, в морских водах - 0.02 мкг/дм3.ПДКв составляет 0.1 мг/дм3

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Eh и в некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную форму выделяют частицы с размером более 0.45 мк. Она представляет собой преимущественно железосодержащие минералы, гидрат оксида железа и соединения железа, сорбированные на взвесях. Истинно растворенную и коллоидную форму обычно рассматривают совместно. Растворенное железо представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрирует главным образом Fe(II), а Fe(III) в отсутствие комплексообразующих веществ не может в значительных количествах находиться в растворенном состоянии.

Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.

В результате химического и биохимического (при участии железобактерий) окисления Fe(II) переходит в Fe(III), который, гидролизуясь, выпадает в осадок в виде Fe(OH)3. Как для Fе(II), так и для Fe(III) характерна склонность к образованию гидроксокомплексов типа +, 4+, +, 3+, - и других, сосуществующих в растворе в разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние системы железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe(III) в поверхностных водах являются комплексные соединения его с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом гумусовыми веществами. При рН = 8.0 основной формой является Fe(OH)3.Коллоидная форма железа наименее изучена, она представляет собой гидрат оксида железа Fe(OH)3 и комплексы с органическими веществами.

Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли миллиграмма, вблизи болот - единицы миллиграммов. Повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот - гуматами. Наибольшие концентрации железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН.

Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры в водоеме.

Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды. Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окислением Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3.

В природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными водами свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами. Понижение концентрации растворенных соединений кадмия происходит за счет процессов сорбции, выпадения в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными организмами.

Растворенные формы кадмия в природных водах представляют собой главным образом минеральные и органо-минеральные комплексы. Основной взвешенной формой кадмия являются его сорбированные соединения. Значительная часть кадмия может мигрировать в составе клеток гидробионтов.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах кадмий содержится в субмикрограммовых концентрациях, в загрязненных и сточных водах концентрация кадмия может достигать десятков микрограммов в 1 дм3.

Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедеятельности животных и человека. В повышенных концентрациях токсичен, особенно в сочетании с другими токсичными веществами.

ПДКв составляет 0.001 мг/дм3, ПДКвр - 0.0005 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности - токсикологический).

В природные воды соединения кобальта попадают в результате процессов выщелачивания их из медноколчедановых и других руд, из почв при разложении организмов и растений, а также со сточными водами металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов. Некоторые количества кобальта поступают из почв в результате разложения растительных и животных организмов.

Соединения кобальта в природных водах находятся в растворенном и взвешенном состоянии, количественное соотношение между которыми определяется химическим составом воды, температурой и значениями рН. Растворенные формы представлены в основном комплексными соединениями, в т.ч. с органическими веществами природных вод. Соединения двухвалентного кобальта наиболее характерны для поверхностных вод. В присутствии окислителей возможно существование в заметных концентрациях трехвалентного кобальта.

Кобальт относится к числу биологически активных элементов и всегда содержится в организме животных и в растениях. С недостаточным содержанием его в почвах связано недостаточное содержание кобальта в растениях, что способствует развитию малокровия у животных (таежно-лесная нечерноземная зона). Входя в состав витамина В12, кобальт весьма активно влияет на поступление азотистых веществ, увеличение содержания хлорофилла и аскорбиновой кислоты, активизирует биосинтез и повышает содержание белкового азота в растениях. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах его содержание колеблется от десятых до тысячных долей миллиграмма в 1 дм3, среднее содержание в морской воде 0.5 мкг/дм3. ПДКв составляет 0.1 мг/дм3, ПДКвр 0.01 мг/дм3.

Марганец

В поверхностные воды марганец поступает в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительные количества марганца поступают в процессе разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых, диатомовых водорослей и высших водных растений. Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и с шахтными водами.

Понижение концентрации ионов марганца в природных водах происходит в результате окисления Mn(II) до MnO2 и других высоковалентных оксидов, выпадающих в осадок. Основные параметры, определяющие реакцию окисления, - концентрация растворенного кислорода, величина рН и температура. Концентрация растворенных соединений марганца понижается вследствие утилизации их водорослями.

Главная форма миграции соединений марганца в поверхностных водах - взвеси, состав которых определяется в свою очередь составом пород, дренируемых водами, а также коллоидные гидроксиды тяжелых металлов и сорбированные соединения марганца. Существенное значение в миграции марганца в растворенной и коллоидной формах имеют органические вещества и процессы комплексообразования марганца с неорганическими и органическими лигандами. Mn(II) образует растворимые комплексы с бикарбонатами и сульфатами. Комплексы марганца с ионом хлора встречаются редко. Комплексные соединения Mn(II) с органическими веществами обычно менее прочны, чем с другими переходными металлами. К ним относятся соединения с аминами, органическими кислотами, аминокислотами и гумусовыми веществами. Mn(III) в повышенных концентрациях может находиться в растворенном состоянии только в присутствии сильных комплексообразователей, Mn(YII) в природных водах не встречается.

В речных водах содержание марганца колеблется обычно от 1 до 160 мкг/дм3, среднее содержание в морских водах составляет 2 мкг/дм3, в подземных - n.102 - n.103 мкг/дм3.

Концентрация марганца в поверхностных водах подвержена сезонным колебаниям.

Факторами, определяющими изменения концентраций марганца, являются соотношение между поверхностным и подземным стоком, интенсивность потребления его при фотосинтезе, разложение фитопланктона, микроорганизмов и высшей водной растительности, а также процессы осаждения его на дно водных объектов.

Роль марганца в жизни высших растений и водорослей водоемов весьма велика. Марганец способствует утилизации CO2 растениями, чем повышает интенсивность фотосинтеза, участвует в процессах восстановления нитратов и ассимиляции азота растениями. Марганец способствует переходу активного Fe(II) в Fe(III), что предохраняет клетку от отравления, ускоряет рост организмов и т.д. Важная экологическая и физиологическая роль марганца вызывает необходимость изучения и распределения марганца в природных водах.

Для водоемов санитарно-бытового использования установлена ПДКв (по иону марганца), равная 0.1 мг/дм3.

Ниже представлены карты распределения средних концентраций металлов: марганца, меди, никеля и свинца, построенные по данным наблюдений за 1989 - 1993 гг. в 123 городах. Использование более поздних данных предполагается нецелесообразным, поскольку в связи с сокращением производства значительно снизились концентрации взвешенных веществ и соответственно, металлов.

Влияние на здоровье. Многие металлы являются составляющей пыли и оказывают существенное влияние на здоровье.

Марганец поступает в атмосферу от выбросов предприятий черной металлургии (60% всех выбросов марганца), машиностроения и металлообработки (23%), цветной металлургии (9%), многочисленных мелких источников, например, от сварочных работ.

Высокие концентрации марганца приводят к появлению нейротоксических эффектов, прогрессирующего поражения центральной нервной системы, пневмонии.
Самые высокие концентрации марганца (0,57 - 0,66 мкг/м3) наблюдаются в крупных центрах металлургии: в Липецке и Череповце, а также в Магадане. Больше всего городов с высокими концентрациями Mn (0,23 - 0,69 мкг/м3) сосредоточено на Кольском полуострове: Заполярный, Кандалакша, Мончегорск, Оленегорск (см. карту).

За 1991 - 1994 гг. выбросы марганца от промышленных источников снизились на 62%, средние концентрации – на 48%.

Медь - один из важнейших микроэлементов. Физиологическая активность меди связана главным образом с включением ее в состав активных центров окислительно-восстановительных ферментов. Недостаточное содержание меди в почвах отрицательно влияет на синтез белков, жиров и витаминов и способствует бесплодию растительных организмов. Медь участвует в процессе фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. Вместе с тем, избыточные концентрации меди оказывают неблагоприятное воздействие на растительные и животные организмы.

В природных водах наиболее часто встречаются соединения Cu(II). Из соединений Cu(I) наиболее распространены трудно растворимые в воде Cu2O, Cu2S, CuCl. При наличии в водной среде лигандов наряду с равновесием диссоциации гидроксида необходимо учитывать образование различных комплексных форм, находящихся в равновесии с акваионами металла.

Основным источником поступления меди в природные воды являются сточные воды предприятий химической, металлургической промышленности, шахтные воды, альдегидные реагенты, используемые для уничтожения водорослей. Медь может появляться в результате коррозии медных трубопроводов и других сооружений, используемых в системах водоснабжения. В подземных водах содержание меди обусловлено взаимодействием воды с горными породами, содержащими ее (халькопирит, халькозин, ковеллин, борнит, малахит, азурит, хризаколла, бротантин).

Предельно допустимая концентрация меди в воде водоемов санитарно-бытового водопользования составляет 0.1 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности - общесанитарный), в воде рыбохозяйственных водоемов - 0.001 мг/дм3.

Город

Норильск

Мончегорск

Красноуральск

Кольчугино

Заполярный

Выбросы М (тыс.т/год) оксида меди и среднегодовые концентрации q (мкг/м3) меди.

Медь поступает в воздух с выбросами металлургических производств. В выбросах твердых веществ она содержится в основном в виде соединений, преимущественно оксида меди.

На долю предприятий цветной металлургии приходится 98,7 % всех антропогенных выбросов этого металла, из них 71% осуществляется предприятиями концерна “Норильский никель”, расположенными в Заполярном и Никеле, Мончегорске и Норильске, а еще примерно 25% выбросов меди осуществляются в Ревде, Красноуральске, Кольчугино и в других.

Высокие концентрации меди приводят к интоксикации, анемии и заболеванию гепатитом.

Как видно из карты, самые высокие концентрации меди отмечены в городах Липецк и Рудная Пристань. Повышены также концентрации меди в городах Кольского полуострова, в Заполярном, Мончегорске, Никеле, Оленегорске, а также в Норильске.

Выбросы меди от промышленных источников снизились на 34%, средние концентрации – на 42%.

Молибден

Соединения молибдена попадают в поверхностные воды в результате выщелачивания их из экзогенных минералов, содержащих молибден. Молибден попадает в водоемы также со сточными водами обогатительных фабрик, предприятий цветной металлургии. Понижение концентраций соединений молибдена происходит в результате выпадения в осадок труднорастворимых соединений, процессов адсорбции минеральными взвесями и потребления растительными водными организмами.

Молибден в поверхностных водах находится в основном в форме МоО42- . Весьма вероятно существование его в виде органоминеральных комплексов. Возможность некоторого накопления в коллоидном состоянии вытекает из того факта, что продукты окисления молибденита представляют рыхлые тонкодисперсные вещества.

В речных водах молибден обнаружен в концентрациях от 2.1 до 10.6 мкг/дм3. В морской воде содержится в среднем 10 мкг/дм3 молибдена.

В малых количествах молибден необходим для нормального развития растительных и животных организмов. Молибден входит в состав фермента ксантиноксидазы. При дефиците молибдена фермент образуется в недостаточном количестве, что вызывает отрицательные реакции организма. В повышенных концентрациях молибден вреден. При избытке молибдена нарушается обмен веществ.

Предельно допустимая концентрация молибдена в водоемах санитарно-бытового использования составляет 0.25 мг/дм3.

В природные воды мышьяк поступает из минеральных источников, районов мышьяковистого оруднения (мышьяковый колчедан, реальгар, аурипигмент), а также из зон окисления пород полиметаллического, медно-кобальтового и вольфрамового типов. Некоторое количество мышьяка поступает из почв, а также в результате разложения растительных и животных организмов. Потребление мышьяка водными организмами является одной из причин понижения концентрации его в воде, наиболее отчетливо проявляющегося в период интенсивного развития планктона.

Значительные количества мышьяка поступают в водные объекты со сточными водами обогатительных фабрик, отходами производства красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а также с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды.

В природных водах соединения мышьяка находятся в растворенном и взвешенном состоянии, соотношение между которыми определяется химическим составом воды и значениями рН. В растворенной форме мышьяк встречается в трех- и пятивалентной форме, главным образом в виде анионов.

В речных незагрязненных водах мышьяк находится обычно в микрограммовых концентрациях. В минеральных водах его концентрация может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм3, в морских водах в среднем содержится 3 мкг/дм3, в подземных - встречается в концентрациях n.105 мкг/дм3. Соединения мышьяка в повышенных концентрациях являются токсичными для организма животных и человека: они тормозят окислительные процессы, угнетают снабжение кислородом органов и тканей.

ПДКв мышьяка составляет 0.05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический) и ПДКвр - 0.05 мг/дм3.

Присутствие никеля в природных водах обусловлено составом пород, через которые проходит вода: он обнаруживается в местах месторождений сульфидных медно-никелевых руд и железо-никелевых руд. В воду попадает из почв и из растительных и животных организмов при их распаде. Повышенное по сравнению с другими типами водорослей содержание никеля обнаружено в сине-зеленых водорослях. Соединения никеля в водные объекты поступают также со сточными водами цехов никелирования, заводов синтетического каучука, никелевых обогатительных фабрик. Огромные выбросы никеля сопровождают сжигание ископаемого топлива.

Концентрация его может понижаться в результате выпадения в осадок таких соединений, как цианиды, сульфиды, карбонаты или гидроксиды (при повышении значений рН), за счет потребления его водными организмами и процессов адсорбции.

В поверхностных водах соединения никеля находятся в растворенном, взвешенном и коллоидном состоянии, количественное соотношение между которыми зависит от состава воды, температуры и значений рН. Сорбентами соединений никеля могут быть гидроксид железа, органические вещества, высокодисперсный карбонат кальция, глины. Растворенные формы представляют собой главным образом комплексные ионы, наиболее часто с аминокислотами, гуминовыми и фульвокислотами, а также в виде прочного цианидного комплекса. Наиболее распространены в природных водах соединения никеля, в которых он находится в степени окисления +2. Соединения Ni3+ образуются обычно в щелочной среде.

Соединения никеля играют важную роль в кроветворных процессах, являясь катализаторами. Повышенное его содержание оказывает специфическое действие на сердечно-сосудистую систему. Никель принадлежит к числу канцерогенных элементов. Он способен вызывать респираторные заболевания. Считается, что свободные ионы никеля (Ni2+) примерно в 2 раза более токсичны, чем его комплексные соединения.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах концентрация никеля колеблется обычно от 0.8 до 10 мкг/дм3; в загрязненных она составляет несколько десятков микрограммов в 1 дм3. Средняя концентрация никеля в морской воде 2 мкг/дм3, в подземных водах - n.103 мкг/дм3. В подземных водах, омывающих никельсодержащие горные породы, концентрация никеля иногда возрастает до 20 мг/дм3.

Никель поступает в атмосферу от предприятий цветной металлургии, на долю которых приходится 97% всех выбросов никеля, из них 89% на долю предприятий концерна “Норильский никель”, расположенных в Заполярном и Никеле, Мончегорске и Норильске.

Повышенное содержание никеля в окружающей среде приводит к появлению эндемических заболеваний, бронхиального рака. Соединения никеля относят к 1 группе канцерогенов.
На карте видно несколько точек с высокими средними концентрациями никеля в местах расположения концерна Норильский никель: Апатиты, Кандалакша, Мончегорск, Оленегорск.

Выбросы никеля от промышленных предприятий снизились на 28%, средние концентрации – на 35%.

Выбросы М (тыс.т/год) и среднегодовые концентрации q (мкг/м3) никеля.

В природные воды поступает в результате процессов выщелачивания оловосодержащих минералов (касситерит, станнин), а также со сточными водами различных производств (крашение тканей, синтез органических красок, производство сплавов с добавкой олова и др.).

Токсическое действие олова невелико.

В незагрязненных поверхностных водах олово содержится в субмикрограммовых концентрациях. В подземных водах его концентрация достигает единиц микрограммов в 1 дм3.ПДКв составляет 2 мг/дм3.

В поверхностные воды соединения ртути могут поступать в результате выщелачивания пород в районе ртутных месторождений (киноварь, метациннабарит, ливингстонит), в процессе разложения водных организмов, накапливающих ртуть. Значительные количества поступают в водные объекты со сточными водами предприятий, производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты, некоторые взрывчатые вещества. Тепловые электростанции, работающие на угле, выбрасывают в атмосферу значительные количества соединений ртути, которые в результате мокрых и сухих выпадений попадают в водные объекты.

Понижение концентрации растворенных соединений ртути происходит в результате извлечения их многими морскими и пресноводными организмами, обладающими способностью накапливать ее в концентрациях, во много раз превышающих содержание ее в воде, а также процессов адсорбции взвешенными веществами и донными отложениями.

В поверхностных водах соединения ртути находятся в растворенном и взвешенном состоянии. Соотношение между ними зависит от химического состава воды и значений рН. Взвешенная ртуть представляет собой сорбированые соединения ртути. Растворенными формами являются недиссоциированные молекулы, комплексные органические и минеральные соединения. В воде водных объектов ртуть может находиться в виде метилртутных соединений.

Соединения ртути высоко токсичны, они поражают нервную систему человека, вызывают изменения со стороны слизистой оболочки, нарушение двигательной функции и секреции желудочно-кишечного тракта, изменения в крови и др. Бактериальные процессы метилирования направлены на образование метилртутных соединений, которые во много раз токсичнее минеральных солей ртути. Метилртутные соединения накапливаются в рыбе и могут попадать в организм человека.

ПДКв ртути составляет 0.0005 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр 0.0001 мг/дм3.

Естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д. Существенными факторами понижения концентрации свинца в воде является адсорбция его взвешенными веществами и осаждение с ними в донные отложения. В числе других металлов свинец извлекается и накапливается гидробионтами.

Свинец находится в природных водах в растворенном и взвешенном (сорбированном) состоянии. В растворенной форме встречается в виде минеральных и органоминеральных комплексов, а также простых ионов, в нерастворимой - главным образом в виде сульфидов, сульфатов и карбонатов.

В речных водах концентрация свинца колеблется от десятых долей до единиц микрограммов в 1 дм3. Даже в воде водных объектов, прилегающих к районам полиметаллических руд, концентрация его редко достигает десятков миллиграммов в 1 дм3. Лишь в хлоридных термальных водах концентрация свинца иногда достигает нескольких миллиграммов в 1 дм3.

Лимитирующий показатель вредности свинца - санитарно-токсилогический. ПДКв свинца составляет 0.03 мг/дм3, ПДКвр - 0.1 мг/дм3.

Свинец содержится в выбросах предприятиями металлургии, металлообработки, электротехники, нефтехимии и автотранспорта.

Влияние свинца на здоровье происходит при вдыхании воздуха, содержащего свинец, и поступлении свинца с пищей, водой, на пылевых частицах. Свинец накапливается в теле, в костях и поверхностных тканях. Свинец влияет на почки, печень, нервную систему и органы кровообразования. Пожилые и дети особенно чувствительны даже к низким дозам свинца.

Выбросы М (тыс.т/год) и среднегодовые концентрации q (мкг/м3) свинца.

За семь лет выбросы свинца от промышленных источников снизились на 60% вследствие сокращения производства и закрытия многих предприятий. Резкое снижение промышленных выбросов не сопровождается снижением выбросов автотранспорта. Средние концентрации свинца снизились только на 41%. Различие в степени снижения выбросов и концентраций свинца можно объяснить неполным учетом выбросов от автомобилей в предыдущие годы; в настоящее время увеличилось количество автомобилей и интенсивность их движения.

Тетраэтилсвинец

Поступает в природные воды в связи с использованием в качестве антидетонатора в моторном топливе водных транспортных средств, а также с поверхностным стоком с городских территорий.

Данное вещество характеризуется высокой токсичностью, обладает кумулятивными свойствами.

Источниками поступления серебра в поверхностные воды служат подземные воды и сточные воды рудников, обогатительных фабрик, фотопредприятий. Повышенное содержание серебра бывает связано с применением бактерицидных и альгицидных препаратов.

В сточных водах серебро может присутствовать в растворенном и взвешенном виде, большей частью в форме галоидных солей.

В незагрязненных поверхностных водах серебро находится в субмикрограммовых концентрациях. В подземных водах концентрация серебра колеблется от единиц до десятков микрограммов в 1 дм3, в морской воде - в среднем 0.3 мкг/дм3.

Ионы серебра способны уничтожать бактерии и уже в незначительной концентрации стерилизуют воду (нижний предел бактерицидного действия ионов серебра 2.10-11 моль/дм3). Роль серебра в организме животных и человека изучена недостаточно.

ПДКв серебра составляет 0.05 мг/дм3.

Сурьма поступает в поверхностные воды за счет выщелачивания минералов сурьмы (стибнит, сенармонтит, валентинит, сервантит, стибиоканит) и со сточными водами резиновых, стекольных, красильных, спичечных предприятий.

В природных водах соединения сурьмы находятся в растворенном и взвешенном состоянии. В окислительно-восстановительных условиях, характерных для поверхностных вод, возможно существование как трехвалентной, так и пятивалентной сурьмы.

В незагрязненных поверхностных водах сурьма находится в субмикрограммовых концентрациях, в морской воде ее концентрация достигает 0.5 мкг/дм3, в подземных водах - 10 мкг/дм3. ПДКв сурьмы составляет 0.05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0.01 мг/дм3.

В поверхностные воды соединения трех- и шестивалентного хрома попадают в результате выщелачивания из пород (хромит, крокоит, уваровит и др.). Некоторые количества поступают в процессе разложения организмов и растений, из почв. Значительные количества могут поступать в водоемы со сточными водами гальванических цехов, красильных цехов текстильных предприятий, кожевенных заводов и предприятий химической промышленности. Понижение концентрации ионов хрома может наблюдаться в результате потребления их водными организмами и процессов адсорбции.

В поверхностных водах соединения хрома находятся в растворенном и взвешенном состояниях, соотношение между которыми зависит от состава вод, температуры, рН раствора. Взвешенные соединения хрома представляют собой в основном сорбированные соединения хрома. Сорбентами могут быть глины, гидроксид железа, высокодисперсный оседающий карбонат кальция, остатки растительных и животных организмов. В растворенной форме хром может находитьсяв виде хроматов и бихроматов. При аэробных условиях Cr(VI) переходит в Cr(III), соли которого в нейтральной и щелочной средах гидролизуются с выделением гидроксида.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах содержание хрома колеблется от нескольких десятых долей микрограмма в литре до нескольких микрограммов в литре, в загрязненных водоемах оно достигает нескольких десятков и сотен микрограммов в литре. Средняя концентрация в морских водах - 0.05 мкг/дм3, в подземных водах - обычно в пределах n.10 - n.102 мкг/дм3.

Соединения Cr(VI) и Cr(III) в повышенных количествах обладают канцерогенными свойствами. Соединения Cr(VI) являются более опасными.

Попадает в природные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит, цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др.

В воде существует главным образом в ионной форме или в форме его минеральных и органических комплексов. Иногда встречается в нерастворимых формах: в виде гидроксида, карбоната, сульфида и др.

В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120 мкг/дм3, в морских - от 1.5 до 10 мкг/дм3. Содержание в рудных и особенно в шахтных водах с низкими значениями рН может быть значительным.

Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид.

ПДКв Zn2+ составляет 1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДКвр Zn2+ - 0.01 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности - токсикологический).

Тяжёлые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы. Загрязнение тяжёлыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжёлые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя её.

Тяжёлые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия «тяжёлые металлы». В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

Почва являются 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. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.
продолжение
--PAGE_BREAK--3.3. Свинцовая интоксикация
В настоящее время свинец занимает первое место среди причин промышленных отравлений. Это вызвано широким применением его в различных отраслях промышленности. Воздействию свинца подвергаются рабочие, добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и, прежде всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.
С сожалением надо отметить, что в России отсутствует государственная политика по правовому, нормативному и экономическому регулированию влияния свинца на состояние окружающей среды и здоровье населения, по снижению выбросов (сбросов, отходов) свинца и его соединений в окружающую среду, полному прекращению производства свинецсодержащих бензинов.

Вследствие чрезвычайно неудовлетворительной просветительной работы по разъяснению населению степени опасности воздействия тяжелых металлов на организм человека, в России не снижается, а постепенно увеличивается численность контингентов, имеющих профессиональный контакт со свинцом. Случаи свинцовой хронической интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности России. Ведущими являются электротехническая промышленность (производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия и цветная металлургия, в них интоксикация обусловлена превышением в 20 и более раз предельно допустимой концентрации (ПДК) свинца в воздухе рабочей зоны.

Значительным источником свинца являются автомобильные выхлопные газы, так как половина России все еще использует этилированный бензин. Однако металлургические заводы, в частности медеплавильные, остаются главным источником загрязнений окружающей среды. И здесь есть свои лидеры. На территории Свердловской области находятся 3 самых крупных источника выбросов свинца в стране: в городах Красноуральск, Кировоград и Ревда.

Дымовые трубы Красноуральского медеплавильного завода, построенного еще в годы сталинской индустриализации и использующего оборудование 1932 года, ежегодно извергают на 34-тысячный город 150 -170 тонн свинца, покрывая все свинцовой пылью.

Концентрация свинца в почве Красноуральска варьируется от 42,9 до 790,8 мг/кг при предельно допустимой концентрации ПДК=130 мк/кг. Пробы воды в водопроводе соседнего пос. Октябрьский, питаемого подземным водоисточником, фиксировали превышение ПДК до двух раз.

Загрязнение окружающей среды свинцом оказывает влияние на состояние здоровья людей. Воздействие свинца нарушает женскую и мужскую репродуктивную систему. Для женщин беременных и детородного возраста повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность, так как под действием свинца нарушается менструальная функция, чаще бывают преждевременные роды, выкидыши и смерть плода вследствие проникновения свинца через плацентарный барьер. У новорожденных детей высока смертность.

Отравление свинцом чрезвычайно опасно для маленьких детей - он действует на развитие мозга и нервной системы. Проведенное тестирование 165 красноуральских детей от 4 лет выявило существенную задержку психического развития у 75,7%, а у 6,8% обследованных детей обнаружена умственная отсталость, включая олигофрению.

Дети дошкольного возраста наиболее восприимчивы к вредному воздействию свинца, поскольку их нервная система находится в стадии формирования. Даже при низких дозах свинцовое отравление вызывает снижение интеллектуального развития, внимания и умения сосредоточиться, отставание в чтении, ведет к развитию агрессивности, гиперактивности и другим проблемам в поведении ребенка. Эти отклонения в развитии могут носить длительный характер и быть необратимыми. Низкий вес при рождении, отставание в росте и потеря слуха также являются результатом свинцового отравления. Высокие дозы интоксикации ведут к умственной отсталости, вызывают кому, конвульсии и смерть.

Белая книга, опубликованная российскими специалистами, сообщает, что свинцовое загрязнение покрывает всю страну и является одним из многочисленных экологических бедствий в бывшем Советском Союзе, которые стали известны в последние годы. Большая часть территории России испытывает нагрузку от выпадения свинца, превышающую критическую для нормального функционирования экосистемы. В десятках городов отмечается превышение концентраций свинца в воздухе и почве выше величин, соответствующих ПДК.

Наибольший уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий ПДК, отмечался в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш, Владимир, Владивосток.

Максимальные нагрузки выпадения свинца, ведущие к деградации наземных экосистем, наблюдаются в Московской, Владимирской, Нижегородской, Рязанской, Тульской, Ростовскойи Ленинградской областях.

Стационарные источники ответственны за сброс более 50 тонн свинца в виде различных соединений в водные объекты. При этом 7 аккумуляторных заводов сбрасывают ежегодно 35 тонн свинца через канализационную систему. Анализ распределения сбросов свинца в водные объекты на территории России показывает, что по этому виду нагрузки лидируют Ленинградская, Ярославская, Пермская, Самарская, Пензенская и Орловская области.

В стране необходимы срочные меры по снижению свинцового загрязнения, однако пока экономический кризис России затмевает экологические проблемы. В затянувшейся промышленной депрессии Россия испытывает недостаток средств для ликвидации прежних загрязнений, но если экономика начнет восстанавливаться, а заводы вернутся к работе, загрязнение может только усилиться.
10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР

(Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного города)

4. Гигиена почвы. Обезвреживание отходов.
Почва в городах и прочих населенных пунктах и их окрест­ностях уже давно отличается от природной, биологически цен­ной почвы, играющей важную роль в поддержании экологиче­ского равновесия. Почва в городах подвержена тем же вредным воздействиям, что и городской воздух и гидросфера, поэтому по­всеместно происходит значительная ее деградация. Гигиене поч­вы не уделяется достаточного внимания, хотя ее значение как одного из основных компонентов биосферы (воздух, вода, поч­ва) и биологического фактора окружающей среды еще более весомое, чем воды, поскольку количество последней (в первую очередь качество подземных вод) определяется состоянием поч­вы, и отделить эти факторы друг от друга невозможно. Почва обладает способностью биологического самоочищения: в почве происходит расщепление попавших в нее отходов н их минера­лизация; в конечном итоге почва компенсирует за их счет утра­ченные минеральные вещества.

Если в результате перегрузки почвы будет утерян любой из компонентов ее минерализирующей способности, это неизбеж­но приведет к нарушению механизма самоочищения и к полной деградации почвы. И, напротив, создание оптимальных условий для самоочищения почвы способствует сохранению экологиче­ского равновесия и условий для существования всех живых ор­ганизмов, в том числе и человека.

Поэтому проблема обезвреживания отходов, оказывающих вредное биологическое действие, не сводится только к вопросу их вывоза; она является более сложной гигиенической пробле­мой, так как почва является связующим звеном между водой, воздухом и человеком.
4.1.
Роль почвы в обмене веществ

Биологическая взаимосвязь между почвой и человеком осу­ществляется главным образом путем обмена веществ. Почва является как бы поставщиком минеральных веществ, необхо­димых для цикла обмена веществ, для роста растений, потреб­ляемых человеком и травоядными животными, съедаемыми в свою очередь человеком и плотоядными животными. Таким об­разом, почва обеспечивает пищей многих представителей расти­тельного и животного мира.

Следовательно, ухудшение качества почвы, понижение ее биологической ценности, способности к самоочищению вызы­вает биологическую цепную реакцию, которая в случае продол­жительного вредного воздействия может привести к самым различным расстройствам здоровья у населения. Более того, в слу­чае замедления процессов минерализации образующиеся при распаде веществ нитраты, азот, фосфор, калий и т. д. могут по­падать в используемые для питьевых нужд подземные воды и явиться причиной серьезных заболеваний (например, нитраты могут вызвать метгемоглобинемию, в первую очередь у детой грудного возраста).

Потребление воды из бедной йодом почвы может стать при­чиной эндемического зоба и т. д.
4.2.
Экологическая взаимосвязь между почвой и водой и жид­кими отходами (сточными водами)

Человек добывает из почвы воду, необходимую для поддер­жания процессов обмена веществ и самой жизни. Качество воды зависит от состояния почвы; оно всегда отражает биологическое состояние данной почвы.

Это в особенности относится к подземным водам, био­логическая ценность которых существенно определяется свой­ствами грунтов и почвы, способностью к самоочищению послед­ней, ее фильтрационной способностью, составом ее макрофлоры, микрофауны и т. д.

Прямое влияние почвы на поверхностные воды уже ме­нее значительно, оно связано главным образом с выпадением осадков. Например, после обильных дождей из почвы смываются в открытые водоемы (реки, озера) различные загрязняющие ве­щества, в том числе искусственные удобрения (азотные, фос­фатные), пестициды, гербициды, в районах карстовых, трещино­ватых отложений загрязняющие вещества могут проникнуть че­рез щели в глубоко расположенные подземные воды.

Несоответствующая очистка сточных вод также может стать причиной вредного биологического действия на почву и в конеч­ном итоге привести к ее деградации. Поэтому охрана почвы в населенных пунктах представляет одно из основных требований охраны окружающей среды в целом.
4.3.
Пределы нагрузки почвы твердыми отходами (бытовой и уличный мусор, промышленные отходы, сухой ил, остающийся после осаждения сточных вод, радиоактивные вещества и т. д.)

Проблема осложняется тем, что в результате образования все большего количества твердых отходов в городах почва в их окрестностях подвергается все более значительным нагрузкам. Свойства и состав почвы ухудшаются все более бы­стрыми темпами.

Из произведенных в США64,3 млн. т бумаги49,1 млн. т попадает в отходы (из этого количества26 млн. т «поставляет» домашнее хозяйство, а23,1 млн. т- торговая сеть).

В связи с изложенным удаление и окончательное обезврежи­вание твердых отходов представляет весьма существенную, более трудно осуществимую гигиеническую проблему в ус­ловиях усиливающейся урбанизации.

Окончательное обезвреживание твердых отходов в загрязнен­ной почве представляется возможным. Однако ввиду постоянно ухудшающейся способности к самоочищению городской почвы окончательное обезвреживание отходов, закапываемых в землю, невозможно.

Человек мог бы с успехом воспользоваться для обезврежи­вания твердых отходов биохимическими процессами, происходя­щими в почве, ее обезвреживающей и обеззараживающей способ­ностью, однако городская почва в результате многовекового проживания в городах человека и его деятельности уже давно стала непригодной для этой цели.

Механизмы самоочищения, минерализации, происходящие в почве, роль участвующих в них бактерий и энзимов, а также промежуточные и конечные продукты распада веществ хорошо известны. В настоящее время исследования направлены на вы­явление факторов, обеспечивающих биологическое равновесие природной почвы, а также на выяснение вопроса, какое количе­ство твердых отходов (и какой их состав) может привести к нарушению биологического равновесия почвы.
Количество бытовых отходов (мусора) из расчета на одного жителя некоторых крупных городов мира

Необходимо отметить, что гигиеническое состояние почвы в городах в результате ее перегрузки быстро ухудшается, хотя способность почвы к самоочищению является основным гигиени­ческим требованием для сохранения биологического равновесия. Почва в городах уже не в состоянии справиться без помощи че­ловека со своей задачей. Единственный выход из создавшегося положения- полное обезвреживание и уничтожение отходов в соответствии с гигиеническими требованиями.

Поэтому деятельность по строительству коммунальных соору­жений должна быть направлена на сохранение природной спо­собности почвы к самоочищению, а если эта ее способность ста­ла уже неудовлетворительной, то надо восстановить ее искус­ственным путем.

Наиболее неблагоприятным является токсическое действие промышленных отходов- как жидких, так и твердых. В почву попадает все большее количество таких отходов, с которыми она не в состоянии справиться. Так, например, установлено за­грязнение почвы мышьяком в окрестностях заводов по производ­ству суперфосфатов (в радиусе3 км). Как известно, некото­рые пестициды, такие, как хлорорганические соединения, попав­шие в почву, длительно не подвергаются распаду.

Подобным же образом обстоит дело и с некоторыми синте­тическими упаковочными материалами (поливинилхлорид, по­лиэтилен и т. д.).

Некоторые токсические соединения рано пли поздно попа­дают в подземные воды, в результате чего нарушается не только биологическое равновесие почвы, но ухудшается и качествоподземных вод до такой степени, что их уже нельзя использо­вать в качестве питьевых.
Процентное соотношение количества основных синтетических материалов, содержащихся в бытовых отходах (мусор)

*
Вместе с отходами прочих пластмасс, затвердевающих под дейст­вием тепла.
Проблема отходов возросла в наши дни еще и потому, что часть отходов, главным образом фекалии человека и животных используют для удобрения сельскохозяйственных угодий [в фе­калиях содержится значительное количество азота-0.4- 0,5%, фосфора (Р20з)-0,2-0,6%, калия (К?0)-0,5-1,5%, углерода-5-15%]. Эта проблема города распространилась и на городские окрестности.
4.4.
Роль почвы в распространении различных заболеваний

Почве принадлежит определенная роль в распространении инфекционных заболеваний. Об этом сообщали еще в прош­лом веке Petterkoffer(1882) и Fodor(1875),осветившие глав­ным образом роль почвы в распространении кишечных заболе­ваний: холеры, брюшного тифа, дизентерии и т. д. Они обрати­ли внимание также на то обстоятельство, что некоторые бакте­рии и вирусы сохраняют в почве месяцами жизнеспособность и вирулентность. В последующем ряд авторов подтвердили их наблюдения, в особенности в отношении городской почвы. Так, например, возбудитель холеры сохраняет жизнеспособность и патогенность в подземных водах от20 до200 дней, возбудитель брюшного тифа в фекалиях- от30 до100 дней, возбудитель паратифа- от30 до60 дней. (С точки зрения распространения инфекционных болезней городская почва представляет значи­тельно большую опасность, чем почва на полях, удобренная на­возом.)

Для определения степени загрязнения почвы ряд авторов пользуются определением бактериального числа (кишечной па­лочки), как и при определении качества воды. Другие авторы считают целесообразным определять, кроме того, число термо­фильных бактерий, принимающих участие в процессе минера­лизации.

Распространению инфекционных болезней посредст­вом почвы в значительной степени способствует полив земель сточными водами. При этом ухудшаются и минерализационные свойства почвы. Поэтому полив сточными водами должен осу­ществляться под постоянным строгим санитарным надзором и только вне городской территории.

4.5.
Вредное действие основных типов загрязнителей (твер­дых и жидких отходов), приводящихк деградации почвы

4.5.1.
Обезвреживание жидких отходов в почве

В ряде населенных пунктов, не имеющих канализации, некоторые отходы, в том числе и навоз, обезвреживают в почве.

Как известно, это наиболее простой способ обезвреживания. Однако он допустим лишь в том случае, если мы имеем дело с биологически полноценной почвой, сохранившей способность к самоочищению, что нехарактерно для городских почв. Если поч­ва уже не обладает этими качествами, то для того, чтобы защи­тить ее от дальнейшей деградации, возникает необходимость в сложных технических сооружениях для обезвреживания жид­ких отходов.

В ряде мест отходы обезвреживают в компостных ямах. В техническом отношении это решение представляет со­бой сложную задачу. Кроме того, жидкие способны проникнуть в почве на довольно большие расстояния. Задача осложняется еще и тем, что в городских сточных водах содержится все большее количе­ство токсических промышленных отходов, ухудшающих минерализационные свойства почвы еще в большей степени, чем че­ловеческие и животные фекалии. Поэтому в компостные ямы допустимо спускать лишь сточные воды, подвергшиеся предва­рительно отстою. В противном случае нарушается фильтрационная способность почвы, затем почва утрачивает и остальные защитные свойства, постепенно происходит закупорка пор и т. д.

Применение человеческих фекалий для полива сель­скохозяйственных полей представляет второй способ обезврежи­вания жидких отходов. Этот способ представляет собой двойную гигиеническую опасность: во-первых, он может привести к перегрузке почвы;во-вторых, эти отходы могут стать серьезным источником рас­пространения инфекции. Поэтому фекалии необходимо предва­рительно обеззараживать и подвергать соответствующей обра­ботке и лишь после этого использовать в качестве удобрения. Здесь сталкиваются две противоположные точки зрения. Сог­ласно гигиеническим требованиям, фекалии подлежат почти полному уничтожению, а с точки зрения народного хозяйства они представляют ценное удобрение. Свежие фекалии нельзя использовать для полива огородов и полей без предварительного их обеззараживания. Если все же приходится пользоваться све­жими фекалиями, то они требуют такой степени обезврежива­ния, что как удобрение они уже не представляют почти никакой ценности.

Фекалии могут быть использованы в качество удобрения только на специально выделенных участках- при постоянном санитарно-гигиеническом контроле, в особенности за состояни­ем подземных вод, количеством, мух и т. д.

Требования к удалению и почвенному обезврежива­нию фекалий животных в принципе не отличаются от требова­ний, предъявляемых к обезвреживанию человеческих фекалий.

До недавнего времени навоз представлял в сельском хозяй­стве существенный источник ценных питательных веществ, необходимых для повышения плодородия почвы. Однако в пос­ледние годы навоз утратил свое значение отчасти из-за механи­зации сельского хозяйства, отчасти из-за все более широкого применения искусственных удобрений.

При отсутствии соответствующей обработки и обезвреживания навоз также представляет опасность, как и необезвреженные фекалии человека. Поэтому навозу перед тем, как его вывезти на поля, дают созреть, чтобы за это время в нем (при температуре60-70°С) могли произойти необходимые биотермические процессы. После этого навоз считается «зрелым» и освободившимся от большинства содержащихся в нем возбуди­телей болезней (бактерии, яйца глистов и т. д.).

Необходимо помнить, что хранилища навоза могут представ­лять идеальные места для размножения мух, способствующих распространению различных кишечных инфекций. Следует от­метить, что мухи для размножения охотнее всего выбирают сви­ной навоз, затем конский, овечий и в последнюю очередь коро­вий. Перед вывозом навоза на поля его обязательно надо обработать инсектицидными средствами.
продолжение
--PAGE_BREAK--