Анализ загрязнения почвы тяжелыми металлами

Загрязнение почв и грунтов тяжелыми металлами

Тяжелые металлы относятся к распространенным загрязняющим веществам, наблюдение за содержанием которых обязательно в почвах и грунтах. В качестве критериев принадлежности к тяжелым металлам используются разные 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 (висмут) или даже к металлоидам (мышьяк). В одних работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды, на сегодняшний день к тяжелым относят более 40 металлов с атомной массой свыше 50 атомных единиц, а в других считают металлы с плотностью более 8 г/см3 (Pb, Cu, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg).

Тяжелые металлы являются не только токсикантами, но и природными микрокомпонентами почв, содержание которых обусловлено механическим и химическим составом почвообразующих пород и характером почвообразовательных процессов. Фоновое содержание химических соединений и элементов в почвах — содержание, соответствующее их естественным концентрациям в почвах различных почвенно-климатических зон, не испытывающих заметного антропогенного воздействия. Наша лаборатория проводит анализ cостава почв на загрязнение металлами и другими элементами.

Основным источником загрязнения почв тяжелыми металлами является сжигание ископаемого топлива. Ежегодно сгорает 5 млрд. тонн горючих ископаемых (за всю историю человечества, по оценкам специалистов, сожжено 130 млрд. т угля и 40 млрд. тонн нефти). В золе угля и нефти содержатся практически все металлы в суммарной концентрации до 500 г. на тонну топлива. В этом сущность аэрально-техногенного характера поступления тяжелых элементов в почву.

Заметную роль в загрязнении почв и грунтов играют и другие пути попадания тяжелых металлов в почву. Например, ежегодно от выхлопных газов автомобильных двигателей, работающих на этилированном бензине, выбрасывается на поверхность почв более 250 тыс. тонн свинца в год. Выбросы в атмосферу только от ремонтных предприятий железных дорог в виде пыли, оседающей на почву (в основном это оксиды металлов), составляет свыше 380 тыс. тонн в год. Тормозные колодки поездов, истираясь, также вносят в почвы вблизи железных дорог еще 200 тыс. тонн металлов в год. Таким образом, происходит неуклонное увеличение масштабов загрязнения почвы тяжелыми металлами. При этом наиболее опасно накопление в почве металлов с выраженным токсическим характером — ртути, свинца, кадмия.

Пагубное воздействие содержащихся в промышленных газовых выбросах тяжелых металлов может значительно усиливаться за счет влияния других вредных компонентов выбросов. Весьма опасными в этом отношении являются дымовые выбросы алюминиевых, керамических и некоторых других предприятий, содержащие значительные количества фторидов водорода и кремния, а также некоторых других соединений фтора.

Поступающие из атмосферы металлы в той или иной степени фиксируются почвой. Процесс фиксации включает адсорбцию, осаждение, коагуляцию, межпакетное поглощение глинистыми минералами. Поступающие в почвы соединения тяжелых металлов разрушаются почвенными органическими кислотами либо сорбируются компонентами ППК, либо — в зависимости от почвенных условий — осаждаются в виде нерастворимых солей. Но перед этим они проходят фазу раствора и в данном состоянии наиболее подвижны.

Основную роль в закреплении металлов в почве играют органическое вещество, глинистые минералы и гидрооксиды железа и марганца. Вначале металлы сорбируются в основном не специфически. Со временем происходит упрочение связи тяжелых металлов с почвенным поглощающим комплексом (ППК), что выражается в уменьшении содержания водорастворимых и непрочно связанных форм; в природных условиях этому способствует частая смена режимов увлажнения и высушивания почвы. В процессе сорбции тяжелых металлов почвой они иммобилизуются и переводятся в нетоксичные формы, некоторые входят в кристаллическую решетку алюмосиликатов. Например, техногенные свинец и медь трансформируются в почве в менее подвижные, a Zn и Cd — в более подвижные соединения.

При взаимодействии тяжелых металлов с глинистыми минералами возникают обменные и необменные формы. Техногенный цинк проявляет наибольшее, чем медь, свинец и кадмий, сродство к минеральным компонентам ППК. В связи с этим илистая фракция почв обогащена цинком и обеднена медью и свинцом по сравнению со всей почвенной массой.

В нижних почвенных горизонтах основная роль в закреплении тяжелых металлов принадлежит оксидам и гидроксидам Fe, Mn и А1. Наиболее прочно закрепляются и активно сорбируются медь, цинк, свинец. В почвах, богатых железом, многие тяжелые металлы становятся малоподвижными из-за процессов окклюзии.

Ртуть, свинец, кадмий и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) перегнойно-аккумулятивного (гумусового) горизонта различных типов почв суглинистого состава. Миграция их по профилю и вынос за пределы почвенного профиля незначительны. Однако в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Цинк и медь менее токсичны, но более подвижны, чем свинец и кадмий.

Поведение тяжелых металлов в почве зависит от ее окислительно-восстановительных условий и кислотности. Миграционная способность Сu, Ni, Со, Zn в восстановительной среде снижается на 1-2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижно. Наиболее неблагополучные условия в этой связи складываются в подзолистых и дерново-подзолистых почвах, имеющих неблагоприятные физические и химические свойства из-за повышенной кислотности и содержания в ППК ионов алюминия. Указанные условия способствуют переходу металлов в биологические ткани, повышенной миграции тяжелых элементов, ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий, часто вызывают снижение плодородия почв.

В летний период миграция тяжелых металлов в поверхностные воды связана с процессами эрозии и деятельностью почвенно-грунтовых вод. Даже в гумидных условиях почва является эффективным фильтром на пути атмотехногенного потока тяжелых металлов в природные воды. Минимальная интенсивность водной миграции тяжелых металлов отмечается в степных и лесостепных регионах. Если атмосферная влага, просачивающаяся за пределы почвенной толщи, не достигает грунтовых вод, техногенные вещества накапливаются ниже корнеобитаемого горизонта и исключаются из биокруговорота и дальнейшей водной миграции; происходит их естественное захоронение.

В процессе водной эрозии, например, при осадках ливневого характера, из почвы вымываются в основном илистая фракция и органика — наиболее обогащенные тяжелыми металлами почвенные компоненты, что является одной из причин более низкого содержания тяжелых металлов в почвах сельхозугодий по сравнению с нераспаханными почвами в условиях атмотехногенного загрязнения. В городских почвах накопление загрязняющих веществ происходит в большинстве случаев двадцатисантиметровом слое.

Глобальные, зональные и региональные оценки фона тяжелых металлов и металлоидов в почвах, мг/кг (Сает Ю.Е. и др., 1990)

Источник

С чем связано и чем опасно загрязнение почвы тяжелыми металлами

Почва является поверхностным слоем суши. При воздействии техногенных факторов состав грунта подвергается изменениям. Процесс, при котором в земле появляются нехарактерные микроэлементы, характеризующиеся токсичным воздействием, и влияющим на свойства грунта, называется загрязнением почвы тяжелыми металлами.

Тяжелые металлы, загрязняющие почву

Негативные последствия провоцируются переизбытком любых инородных примесей в грунтовых слоях. Самыми опасными, с учетом степени их токсичности, считаются ртуть, кадмий и свинец. Но другие вещества, не характерные для состава, также вызывают загрязнение и вредят земле.

С учетом способности к загрязнению выделяют 4 группы микроэлементов:

Потенциал загрязнения	Элементы-загрязнители
Очень высокий	Cd – Кадмий Hg – Ртуть Pb – Свинец Cr -Хром
Высокий	Bi – Висмут Mo – Молибден Fe – Железо Se – Селен Te – Теллур Ti – Титан Ba – Барий U – Уран
Средний	Be – Бериллий Ni – Никель Co – Кобальт As – Мышьяк Li – Литий B – Бор W – Вольфрам Al – Алюминий V – Ванадий
Низкий	Sr – Стронций Zr – Цирконий La – Лантан Nb – Ниобий

На основании классификации по степени загрязнения определяется уровень токсичности и способы очистки.

Ртуть

Вещество проникает в почву с пестицидами. Другой источник ртути – промышленные и бытовые отходы. Среди бытовых предметов, в составе которых есть этот элемент, люминесцентные лампы, термометры, другие измерительные приспособления.

Ежегодно в грунт проникает 5 тыс. тонн этого элемента. Учитывая токсичные свойства, загрязнение почвы ртутью относят к наиболее опасным техногенным процессам. Из земли вещество способно отравлять животных и людей. Попадая в организм, ртуть провоцирует сильную интоксикацию с одновременным поражением нервной системы. Часто отравление приводит к летальным исходам.

Свинец

Наибольшее количество свинца попадает в грунт в местах его добычи. На 1 тонну металла приходится 25 кг свинца, попадающего в землю в виде пыли.

Источником загрязнения выступают транспортные средства. Свинец содержится в выхлопных газах, которые выделяются двигателями внутреннего сгорания. Поэтому почва наиболее загрязнена свинцом возле крупных автомагистралей, шоссе. Радиус загрязнения достигает 200 метров вдоль трасс.

Из грунта свинец проникает в растения, которые позже используются в пищу домашними животными. Вместе с мясом и мясными продуктами токсичный элемент попадает в организм человека.

Главная опасность свинцовой соли заключается в ее канцерогенных свойств. При попадании в организм в избытке, микроэлемент откладывается в органах, в том числе почках и печени. Поражается нервная система, головной мозг. Избыток свинца повышает риск развития онкологических опухолей, врожденных аномалий.

Кадмий

К источникам кадмия, проникающего в землю, относятся промышленные отходы, образующиеся во время добычи и переработки цинковой, свинцово-цинковой и медно-цинковой руды. Кадмий содержится в составе выхлопных газов, фунгицидов, суперфосфатов.

Медь и цинк

Эти микроэлементы входят в состав веществ, провоцирующих загрязнение почв тяжелыми металлами. В малых количествах они не несут угрозы. Но в высоких концентрациях, особенно в сочетании с другими веществами, оказывают токсичное воздействие.

Загрязнение грунта цинком и медью отмечается в непосредственной близости от предприятий, на которых изготавливаются лакокрасочные материалы, электроприборы, кабели. Также высокие концентрации цинка и меди в земле отмечаются в местах непосредственной добычи этих элементов.

Молибден

Попадание в почву происходит при добыче и переработке медно-молибденовых руд.

Поступление молибдена в почву происходит двумя путями:

Попадание в почву на этапе переработке руды.
Вынос из отвалов рудника.

Молибден относится ко 2-ой категории опасности среди загрязняющих веществ. В минимальных количествах микроэлемент поступает вместе с пищей. Суточная норма составляет до 250 мкг. При попадании в организм свыше 15 мг наступает интоксикация. У пациентов возникают патологии костного мозга, селезенки, развивается подагра.

Сурьма

Источником загрязнения считаются производственные предприятия, на которых используется такое вещество. Сурьма применяется при изготовлении лакокрасочных материалов, электротехники, производстве сплавов, цветных металлов, удобрений.

Сурьма образует летучие соединения. Из-за этого вещество распространяется на большие расстояния от промышленного региона.

Мышьяк

Попадает в грунт при обработке гербицидами и инсектицидами, при помощи которых борются с вредителями. Мышьяк известен токсичными свойствами. Он способен накапливаться в почве. При этом вещество не адсорбируется и не поглощается растениями.

При попадании в организм мышьяк провоцирует поражение нервной системы. Нейротоксикоз приводит к осложнениям, в том числе отказу жизненно важных органов.

Марганец

Марганец входит в число незаменимых микроэлементов, но в концентрациях, превышающих норму, обладает негативным воздействием. Источником загрязнения выступают добывающие и перерабатывающие предприятия.

Из почв, загрязненных тяжелыми металлами, марганец попадает в растения. Оттуда вещество попадает в воздух и воду. По биологическим цепям элемент проникает в организм животных и человека.

При переизбытке марганца нервные клетки отмирают. Это приводит к ряду расстройств, способных привести к летальному исходу.

Оценка степени загрязнения тяжелыми металлами

При диагностике загрязнения почв применяются разные методы. Каждый из них имеет свою специфику и не одинаково эффективен в разных регионах. Поэтому концентрацию элементов определяют с учетом потенциальных источников загрязнения.

Выделяют такие способы оценки:

Биоиндикация.
Оценка состояния грунта, отражаемого биологическими индикаторами. К таким индикаторам относят состояние растений на изучаемой территории, активность грунтовых микроорганизмов, реакции мхов, лишайников на изменения в составе грунта.
Оценка загрязнения снежного покрова.
В промышленных регионах микроэлементы попадают в грунт через воздух посредством техногенной пыли. Она оседает и в дальнейшем проникает в почвенные слои. За счет оценки снежного покрова в зимний сезон определяется примерный объем металлов, попадающих в грунт в течение отдельного отрезка времени.
Определение магнитной восприимчивости почвы.
Представляет собой экспресс-метод, при котором определяется количество содержащихся в грунте оксидов железа. Эти вещества являются основным разносчиком загрязнения при выбросах в атмосферу.

В регионах, где почва наиболее загрязнена тяжелыми металлами, ведется учет численности микроорганизмов. Этот показатель отражает активность почвы и качество протекающих в ней процессов разложения и адсорбции веществ.

Методы очистки земель от тяжелых металлов

Для предотвращения негативных последствий, связанных с попаданием в грунт токсичных веществ, выделяют 2 направления мероприятий. Первое связано со снижением концентрации металлов, проникающих в землю при производстве, в совокупности с отбросами и другими источниками.

Второй путь решения проблемы предполагает восстановление почвы, которая уже подверглась пагубному влиянию. Для этого используются методы, направленные на снижение концентрации металлов и их нейтрализацию.

Известкование

Внесение извести в грунт положительно сказывается на химических, физических и биологических свойствах. В сочетании с известью микроэлементы образуют труднорастворимые соединения, которые постепенно рассасываются за счет химического поглощения.

Растения, выращенные в земле, обработанной известью, содержат минимальное количество металлов в составе. При попадании извести меняется кислотность почвы, в результате чего подвижность частиц тяжелых металлов снижается а растворимость увеличивается.

Глинование

Глинование положительно отражается на составе почвы, влияя на подвижность тяжелых металлов. При внесении глины, содержащей минеральные добавки, увеличивается катионообменная емкость грунта. Глинистые вещества сорбируют металлы сильнее органических добавок. Степень воздействия зависит от характеристик загрязняющих веществ.

Промывка почв

При значительной концентрации токсичных веществ применяется метод промывки при помощи реагентов. Способ имеет несколько недостатков, среди которых попадание металлов в грунтовые воды и одновременное выведение из грунта ценных для растений компонентов.

В качестве реагента применяют растворимые соли железа, характеризующиеся низкой токсичностью для растений. После промывания проводится известкование почвы, внесение минеральных и органических удобрений.

Природные и искусственные сорбенты

Метод предусматривает внесение цеолитов – природных сорбирующих веществ, повышающих объем впитываемых микроэлементов. Для биоремедиации могут использоваться метаболически активные грибы, черви или насекомые. Результаты данного метода зависят от общего состояния почвы, степени загрязнения, состава.

В качестве искусственных сорбентов применяют активированный уголь, ионообменные смолы, биологически активные отходы.

Минеральные удобрения

Компоненты минеральных удобрений влияют на подвижность металлов. Однако такой способ не всегда полезен, а при неправильном применении наносит вред. Побочным действием внесения удобрений является рост уровня кислотности, что негативно влияет на подвижность токсинов.

Для детоксикации вносят фторсодержащие удобрения. Метод целесообразен при сильных загрязнениях. При незначительной концентрации вредных веществ применение удобрения ухудшит общее состояние почвы.

Органические удобрения

Земля, подпитанная органикой, менее чувствительна к негативному воздействию. При помощи органических удобрений увеличивается плодородность, растет запас питательных компонентов, необходимых растениям для полноценного роста.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Метод рекультивации почв предусматривает ряд мероприятий, направленных на восстановление естественного состава. Перед началом процедур определяется вещество, вызывающие ухудшение состояния земли.

К методам рекультивации относятся:

Взращивание растений, устойчивых к источникам загрязнения.
Восстановление почвы методом фиторемедиации (высадка растений, накапливающих и удерживающих в себе вредные элементы).
Контроль подвижности тяжелых металлов в грунтовых слоях.
Соблюдение баланса микроэлементов в грунте.
Замена или разбавление загрязненного слоя земли.

При рекультивации применяются многочисленные методы очистки. В вспомогательных целях в грунт вносят вещества-сорбенты естественного и искусственного происхождения.

Методы защиты почвы от загрязнения тяжелыми металлами

Для снижения концентрации отравляющих элементов применяют физические, химические и биологические методы.

К ним относятся:

Увеличение кислотности почвы за счет органических и минеральных удобрений.
Очистка грунтовых вод.
Снижение выбросов металлической пыли в атмосферу.
Альтернативные источники энергии.
Уменьшение потерь во время производственных процессов.
Переработка и безопасная утилизация промышленных отходов.

Одновременно с очищением почвенных масс требуются меры, направленные на снижение вредных выбросов в атмосферу и загрязнение почвы. Поэтому защита грунта от тяжелых металлов – только одна из трудностей, связанных с техногенным воздействием на окружающую среду.

Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами

Избыток таких веществ провоцирует ряд негативных эффектов. К опасным последствиям загрязнения почв относятся патологии, возникающие при попадании металлов в организм. Большинство описанных элементов в избыточных концентрациях обладают нейротоксическими свойствами. Отравление может сопровождаться как острыми, так и хроническими заболеваниями, потенциально опасными для жизни осложнениями.

В число негативных для почвы последствий загрязнения входят:

Ухудшение роста растений.
Снижение общей плодородности грунта.
Гибель полезных растительных культур.
Ухудшение качества воды.
Уменьшение количества питательных веществ в земле.
Негативное влияние на фауну.
Воздействие на микробиологические характеристики.

Загрязнение тяжелыми металлами приводит к нарушению круговорота веществ в природе, что отражается на всех элементах биосферы.

Попадание тяжелых металлов в почву – побочный техногенный эффект человеческой деятельности. Несмотря множество методов защиты и очистки, в грунт поступают большие объемы отравляющих веществ.