Проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами и возможные пути их решения

Площадь воздействия отдельных промышленных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км2 [7, c. 35].

• Зоны загрязнения почв и их размер тесно связаны с векторами господствующих ветров. Рельеф, растительность, городские постройки могут изменять направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Аналогично зонам загрязнения почв можно выделить и зоны загрязнения растительного покрова.
• 2. Миграция тяжелых металлов в почвенном профиле
• Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте, где они связываются алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Состав и количество удерживаемых в почве элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения. Часть тяжелых металлов удерживается этими компонентами прочно и не только не участвует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности для живых организмов. Отрицательные экологические последствия загрязнения почв связаны с подвижными соединениями металлов [2, c. 6].
• В пределах почвенного профиля техногенный поток веществ встречает ряд почвенно-геохимических барьеров. К ним относятся карбонатные, гипсовые, иллювиальные горизонты (иллювиально-железисто-гумусовые).

  Часть высокотоксичных элементов может переходить в труднодоступные для растений соединения, другие элементы, мобильные в данной почвенно-геохимической обстановке, могут мигрировать в почвенной толще, представляя потенциальную опасность для биоты. Подвижность элементов в значительной степени зависит от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий в почвах. В нейтральных почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, которые могут выщелачиваться при сезонном промачивании почв.

• Накопление подвижных, особо опасных для организмов соединений элементов зависит от водного и воздушного режимов почв: наименьшая аккумуляция их наблюдается в водопроницаемых почвах промывного режима, увеличивается она в почвах с непромывным режимом и максимальна в почвах с выпотным режимом. При испарительной концентрации и щелочной реакции в почве могут накапливаться Se, As, V в легкодоступной форме, а в условиях восстановительной среды — Hg в виде метилированных соединений.
• Однако следует иметь в виду, что в условиях промывного режима потенциальная подвижность металлов реализуется, и они могут быть вынесены за пределы почвенного профиля, являясь источниками вторичного загрязнения подземных вод.
• В кислых почвах с преобладанием окислительных условий (почвы подзолистого ряда, хорошо дренированные) такие тяжелые металлы, как Cd и Hg, образуют легкоподвижные формы. Напротив, Pb, As, Se образуют малоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллювиальных горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной биоты. Если в составе загрязняющих веществ присутствует S, в восстановительных условиях создается вторичная сероводородная среда и многие металлы образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды.
• В заболоченных почвах Mo, V, As, Se присутствуют в малоподвижных формах. Значительная часть элементов в кислых заболоченных почвах присутствует в относительно подвижных и опасных для живого вещества формах; таковы соединения Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd и Hg. В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией образуются труднорастворимые соединения Pb, особенно при известковании. В нейтральных почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, а Cd и Hg могут задерживаться в гумусовом и иллювиальных горизонтах. По мере возрастания щелочности опасность загрязнения почв перечисленными элементами увеличивается [2, c. 7].
• 3. Направления борьбы с загрязнением почв тяжелыми металлами
• 3.1 Проведение почвенного мониторинга состояния почвы
• Среди контролируемых показателей состояния почв различают две группы: педохимические и биохимические. К педохимическим показателям относят те свойства почв, изменение которых может быть вызвано загрязняющими веществами и которые могут отрицательно влиять на живые организмы. К педохимическим относятся показатели важнейших химических свойств почв: гумусного состояния, кислотно-основных и катионнообменных свойств, в отдельных случаях окислительно-восстановительных свойств почв.
• К биохимическим относят показатели, характеризующие аккумуляцию в почвах загрязняющих веществ и их непосредственного негативного влияния на живые организмы. К группе биохимических показателей относятся: 1) общее содержание загрязняющих веществ, 2) содержание соединений загрязняющих веществ, обладающих реальной и потенциальной подвижностью [8, c. 112].
• Показатели общего (валового) содержания контролируемых элементов как природного, так и техногенного происхождения характеризуют их запас в почвах (табл. 3).

  Определение общего содержания химических элементов в почвах трудоемко и требует полного разложения алюмосиликатов, удерживающих значительную часть соединений, особенно в незагрязненных почвах (сплавление пробы, разложение кислотами с участием плавиковой кислоты).

• При оценке состояния загрязненных почв общее содержание химических элементов является показателем менее информативным. Существует достаточно много данных о природном уровне общего содержания тяжелых металлов (Hg, Pb, Cd, As, Zn, Cu и др.) в почвах мира, в верхних горизонтах разных типов почв России. Кроме того, установлены особенности регионального фонового содержания многих элементов, а также выявлены закономерности изменения их количества в зависимости от гранулометрического состава, гумусированности почв, реакции среды, содержания элементов в почвообразующих породах и других факторов.
• Таблица 3. Фоновое содержание валовых форм соединений тяжелых металлов в почвах (мг/кг) [8, c. 114]

• Почвы		Элемент, мг/кг
  	Zn	Cd	Pb	Hg	Cu	Co	Ni	As
  Дерново-подзолистые песчаные и супесчаные	28	0,05	6	0,05	8	3	6	1,5
  Дерново-подзолистые суглинистые и глинистые	45	0,12	15	0,10	15	10	30	2,2
  Серые лесные	60	0,20	16	0,15	18	12	35	2,6
  Черноземы	68	0,24	20	0,20	25	15	45	5,6
  Каштановые	54	0,16	16	0,15	20	12	35	5,2

  • С расширением экологического контроля состояния почв широко стали применять методы определения содержания кислоторастворимых (1 н. HCI, 1 н. HNO3) соединений ТМ. Нередко им присваивают название «условноваловое содержание ТМ». Применение в качестве реагентов разбавленных растворов минеральных кислот не обеспечивает полного разложения пробы, но позволяет перевести в раствор основную часть соединений химических элементов техногенного происхождения.
  • К подвижным формам ТМ относят элементы и соединения почвенного раствора и твердой фазы почвы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с химическими элементами почвенного раствора. Для определения подвижных ТМ в почвах в качестве экстрагента применяют слабо солевые растворы, с ионной силой, близкой к ионной силе природных почвенных растворов: (0,01-0,05 М СаCI2, Ca(NO3)2, KNO3).

    Содержание потенциально подвижных соединений контролируемых элементов в почвах определяют в вытяжке 1 н. NH4CH3COO при разных значениях рН. Используют этот экстрагент и с добавлением комплексообразователей (0,02-1,0 М ЭДТА) [8, c. 117].

  • Для анализа чаще всего отбирают верхние слои почвы (0-10 см), иногда анализируется распределение загрязняющих веществ в почвенном профиле. Верхние горизонты играют роль геохимического барьера на пути потока веществ, поступающих из атмосферы. В условиях промывного водного режима загрязняющие вещества могут проникать вглубь и накапливаться в иллювиальных горизонтах, которые также служат геохимическими барьерами.
  • тяжелый метал рекультивация земля
  • 3.2 Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами
  • Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.
  • Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультивационных работ.
  • Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.
  • Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:
  • 1) Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений. На загрязненных землях сельскохозяйственного назначения проводится реорганизация и переориентация сельскохозяйственного производства за счет введения новой структуры растениеводства, обеспечивающей получение качественной продукции. В зонах с чрезвычайной экологической ситуацией, имеющих многоэлементный набор загрязнителей, целесообразно переходить с производства овощей на зерно-кормовые севообороты и развитие животноводства с особым режимом содержания животных, например, со стойловым и кормлением разбавленными кормами или с выгоном на загрязненные и чистые луга [8, c. 144].
  • Переход на другие сельскохозяйственные культуры определяется различной их отзывчивостью на уровень содержания металлов в почве, причем эта отзывчивость у растений проявляется как в зависимости от вида, сорта, так и по распределению металлов в вегетативных и регенеративных органах. Различное накопление тяжелых металлов в растениях вызвано существованием биологических барьеров в системе: почва — корень — стебель (листья) — регенеративный орган. Обычно наибольшее накопление тяжелых металлов наблюдается в вегетативных органах, наименьшее — в регенеративных, например, при содержании в почве 800мг/кг свинца в соломе ржи обнаружено 9 мг/кг, а в зерне — 0,9мг/кг. Отзывчивость растений на отдельные металлы можно проследить на примере кадмия, наиболее чувствительными к избытку кадмия являются соя, салат, шпинат, а устойчивыми — рис, томат, капуста.
  • С учетом конкретных условий на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, можно выращивать следующие устойчивые культуры: зерновые колосовые, злаковые травы, картофель, капусту, томаты, хлопчатник, сахарную свеклу.
  • 2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах. Установлено, что дерево за вегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себе количество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенных пунктах с загрязненными районами листовой опад целесообразно собирать и утилизировать. Для очистки почв от цинка, свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома — горчицу, от никеля — гречиху и т.д. (табл. 5), при загрязнение радиоактивными изотопами можно использовать вику, горох, люцерну, махорку.
  • 3) Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве. Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от содержания их подвижных форм в почве. Существование подвижных форм определяется свойствами и плодородием почв, биогеохимическими процессами, интенсивностью и объемами поступления тяжелых металлов в почву, выносом растениями. Поведение тяжелых металлов в почве и способы управления их содержанием вытекают из теории геохимических барьеров, а рекультивация загрязненных почв сводится к созданию дополнительных барьеров, управлению существующими барьерами или к ослаблению некоторых из них.
  • Почвы, тяжелые по механическому составу и имеющие высокое плодородие, содержат меньше подвижных форм тяжелых металлов, чем почвы легкие и малопродуктивные. Многие из металлов, относящиеся к первому классу опасности, в нейтральной почвенной среде образуют трудно растворимые соединения, а в кислой — легко растворимые. Кадмий наиболее подвижен в кислой среде и слабо подвижен в нейтральной и щелочной среде. К подвижным в кислой среде относятся химическим соединениям, содержащие катионы Zn,Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Coи др. К подвижным в нейтральной и щелочной среде — Mo, Cr, As, V, Se [8, c. 146].
  • В равных условиях наименьшей растворимостью обладают фосфаты и сульфиды тяжелых металлов, из карбонатных соединений меньшую растворимость имеют соединения ртути, свинца и кадмия. Гидроксиды тяжелых металлов образуют трудно растворимые формы в слабокислых и нейтральных средах, исключением являются гидроксид Fe (рН = 2,5) и Al (рН = 4,1).

  • На подвижность оказывают влияние органические вещества с малой молекулярной массой, фульвокислоты и гуминовые кислоты, так количество подвижной меди изменяется от 4,5 мг/кг до 2,0 мг/кг при изменении содержания гумуса в почве от 0,6 до 6,5%. Адсорбция свинца почвой при изменении содержания в ней гумуса от 2,5% до 7,0% возрастает с 5 мкг/кг до 20 мкг/кг.
  • Внесение в почву жидкого навоза и слабо разложившихся органических веществ повышает подвижность тяжелых металлов за счет образования низкомолекулярных водорастворимых комплексов. Поступление тяжелых металлов в растения по степени их подвижности: кадмий — свинец — цинк — медь.
  • Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и минеральных удобрений, землевание (внесение глины или песка).

  • При рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, значительное внимание уделяется поддержанию и образованию в почве труднорастворимых соединений. Для этого в дополнение к приведенным способам используют искусственные и природные адсорбенты. К природным относятся торф, мох, черноземные почвы, сапропель, бентонитовые и бентонитоподобные глины, глауконитовые пески, клиноптилолиты, опоки, трепелы, диатомиты. Искусственные адсорбенты создаются в результате активации или смешения природных адсорбентов, например, активированный уголь, алюмосиликатные и железо-алюмосиликатные адсорбенты, углеалюмогели, адсорбент «СОРБЭКС», ионообменные смолы, полистирол.
  • Избирательная способность адсорбентов может быть ориентирована на определенные металлы, например, при использование адсорбента «МЕРКАПТО-8-ТРИАЗИН» кадмий, свинец, ртуть и никель переходят в недоступные для растений соединения (опыт Японии, Франции, Германии и других стран), применение клиноптололита значительно снижает поступление свинца, хрома, кадмия, меди, цинка в растения и т.д..
  • 4) Регулирование соотношений химических элементов в почве. В основе этого способа лежит антагонизм и синергизм химических элементов, т.е. когда один элемент препятствует или способствует поступлению другого в растение, например, цинк препятствует поступлению ртути, а избыток фосфора приводит к снижению токсичности цинка, кадмия, свинца и меди, присутствие кальция может создать для одних металлов антагонистические, а для других синергические условия, в плодородной почве цинк и кадмий противостоят закреплению меди и свинца, а в малоплодородной почве процесс может развиваться в обратном направлении.
  • 5) Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы может проводиться по многослойной схеме, а также путем нанесения одного слоя почвы на предварительно экранированную или неэкранированную загрязненную поверхность. Разбавление загрязненного слоя проводится землеванием чистой почвы с последующим смешением, разбавление может также проводится с помощью глубокой вспашки, когда верхний загрязненный слой перемешивается с чистым нижним слоем. Применяют снятие загрязненного слоя и его переработку, или снятие загрязненной почвы с последующей очисткой и возвращением обратно, но обычно такие операции проводят на небольших участках, они являются дорогостоящим способом рекультивации [8, c. 149].
  • Для рекультивации больших территорий, включающих селитебные и рекреационные зоны населенных пунктов, сельскохозяйственные угодий, испытывающие длительное загрязнение, можно применить следующую комплексную схему:
  • — существенное сокращение выбросов предприятиями (технологический барьер);
  • — строгое дозирование химических средств защиты растений, оптимальное регулирование питательного и кислотного режимов почвы (технологический барьер);
  • — управление водными миграционными потоками за счет организации поверхностного стока, создания ливневой канализации, дренажных с последующей очисткой стоков (механический барьер).

  • — усиление сорбционного барьера почвенного слоя, необходимого для существенного уменьшения количества подвижных соединений тяжелых металлов, которые поступают в растения и загрязняют продукцию, в тоже время общее количество металлов в почве может не только не уменьшается, но даже расти за счет уменьшения подвижности.
  • — дополнительно к этому — минимизация инфильтрационной составляющей водного режима почвенного слоя в условиях полива зеленых насаждений, газонов, огородных, сельскохозяйственных и других культур, т.е. выполнение мероприятий, направленных, с одной стороны, на некоторое ослабление гидрофизического барьера, но с другой — необходимых для закрепления эффекта от усиления сорбционного барьера.
  • Уменьшение количества подвижных соединений при внесении сорбента фактически ослабляет перераспределение общего содержания металлов по почвенному профилю под действием нисходящих токов влаги и приводит к избыточной аккумуляции металлов в самом верхнем слое. Ослабление гидрофизического барьера путем регулируемой инфильтрации способствует перераспределению металлов, так как происходит разбавление почвенного раствора и одновременное уменьшение трудно растворимых соединений за счет десорбции.
  • Такое мероприятие можно считать возможным, поскольку при значительном загрязнении почв и грунтовых вод токсичными веществами необходимо создавать инженерно-экологическую постоянно действующую систему управления потоками вещества в компонентах: почва — грунтовые воды. Подобная система обеспечивает рекультивацию загрязненных почв и грунтовых вод, а также служит барьером для поступления техногенных продуктов в реки и другие места разгрузки подземных стоков. Для количественного обоснования этих мероприятий используются математические модели передвижения влаги, а также тяжелых металлов с учетом их сорбции и отбора корнями растений.
  • Заключение
  • Актуальность проблемы воздействия тяжелых металлов на почвенные микроорганизмы определяется тем, что именно в почве сосредоточена большая часть всех процессов минерализации органических остатков, обеспечивающих сопряжение биологического и геологического круговорота. Почва является экологическим узлом связей биосферы, в котором наиболее интенсивно протекает взаимодействие живой и неживой материи. На почве замыкаются процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой, обитающими на суше организмами, важное место среди которых занимают почвенные микроорганизмы.
  • Возрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (TM) представляет угрозу для естественных бикомплексов и агроценозов. Аккумулирующиеся в почве TM извлекаются из нее растениями и по трофическим цепям в возрастающих концентрациях поступают в организм животных. Растения аккумулируют TM не только из почвы, но и из воздуха. В зависимости от вида растений и экологической ситуации у них доминирует влияние загрязнения почвы или воздуха. Поэтому концентрация TM в растениях может превышать или находится ниже их содержания в почве. Особенно много свинца из воздуха (до 95 %) поглощают листовые овощи.
  • На придорожных территориях значительно загрязняет тяжелыми металлами почву автотранспорт, особенно свинцом. При концентрации его в почве 50 мг/кг примерно десятую часть этого количества накапливают травянистые растения. Также растения активно поглощают цинк, количество которого в них может в несколько раз превосходить его содержание в почве.
  • Тяжелые металлы существенным образом влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почвах, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект и могут выступать как мутагенный фактор.
  • Список литературы

  [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/zagryaznenie-pochv-tyajelyimi-metallami/

  • 1. Вредные химические вещества: неорганические соединения элементов I-IV групп / под ред. В.А. Филова. — Л. : Химия, 2008. — 611 с.
  • 2. Джувеликян Х. А., Щеглов Д. И., Горубнова Н. С. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв. Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2009. — 21 с.
  • 3. ГН 2.1.7.020-94. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах. Дополнение № 1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91. — М. : Госкомсаниздат, 1995.
  • 4. ГОСТ 17.4.2.03-86 (СТ СЭВ 5299-85).

    Охрана природы. Почвы. Паспорт почв. — М. : Госкомсаниздат, 1987.

  • 5. ГОСТ 17.4.3.01-83 (СТ СЭВ 3847-82).

    Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. — М. : Госкомсаниздат, 1984.

  • 6. ГОСТ 17.4.3.06-86 (СТ СЭВ 5301-85).

    Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ. — М. : Госкомсаниздат, 1987.

  • 7. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. — М. : ЦИНАО, 1992. — 60 с.
  • 8. Мотузова Г.В. Экологический мониторинг почв / Г.В. Мотузова, О.С. Безуглова. — М. : Академический Проект ; Гаудеамус, 2007. — 237 с.
  • 9. Перельман А.И. Геохимия ландшафта / А.И. Перельман, Н.С. Касимов. — М. : Астрея-2000, 1999. — 768 с.
  • 10. Реймерс Н.Ф. Природопользование : слов.-справ. / Н.Ф. Реймерс. — М. : Мысль, 1990. — 638 с.
  • Размещено на Allbest.ru

  …