Как происходит загрязнение тяжелыми металлами почвы

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды становится все более серьезной проблемой и вызывает серьезную озабоченность из-за негативных последствий, которые оно вызывает во всем мире. Эти неорганические загрязнители выбрасываются в воду, почву и в атмосферу из-за быстро растущего сельского хозяйства и металлургической промышленности, неправильной утилизации отходов, удобрений и пестицидов. Некоторые металлы влияют на биологические функции и рост, в то время как другие металлы накапливаются в одном или нескольких органах, вызывая множество серьезных заболеваний, в том числе и рака.

С чем связано загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами?

Тяжелые металлы – хорошо известные загрязнители окружающей среды из-за их токсичности, стойкости в окружающей среде и биоаккумуляционной природы. Различают следующие их источники:

Естественные – включают выветривание металлосодержащих пород и извержения вулканов;
Антропогенные – включают горнодобывающую промышленность и различные виды промышленной и сельскохозяйственной деятельности.

Горнодобывающая и промышленная переработка применяются в отрасли добычи полезных ископаемых. Их последующее применение для экономического развития привели к увеличению мобилизации этих элементов в окружающей среде. Из-за этого нарушены биогеохимические циклы.

Загрязнение водных и наземных экосистем токсичными тяжелыми металлами представляет собой экологическую проблему, вызывающую обеспокоенность населения. Являясь стойкими загрязняющими веществами, тяжелые металлы накапливаются в окружающей среде. Как следствие, они загрязняют пищевые цепи.

Накопление потенциально токсичных тяжелых металлов создает потенциальную угрозу здоровью их потребителей, включая людей. Наиболее опасные для окружающей среды тяжелые металлы и металлоиды включают Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As.

Проводятся всесторонние химические и токсикологические исследования опасных тяжелых металлов и металлоидов. Результаты показывают, что необходимо предпринять шаги для минимизации воздействия этих элементов на здоровье человека и окружающую среду.

Источники загрязнения тяжелыми металлами

Тяжелые металлы естественным образом присутствуют в земной коре с момента образования Земли. Увеличение использования их человеком привело к неизбежному выбросу токсичных металлов как в земную, так и в водную среду.

В большинстве случаев загрязнение тяжелыми металлами возникло из-за антропогенной деятельности. Она является основной причиной загрязнения из-за следующего:

добычи металлов, плавки, литья;
других отраслей, в которых используются металлы;
выщелачивания металлов из различных источников, в том числе и из мусорных свалок;
экскрементов, домашнего скота и куриного помета;
стоков, автомобилей и дорожных работ.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами связано с использованием достижений научно-технической революции в аграрном секторе. Это происходит, например, из-за применения пестицидов, инсектицидов, удобрений и т.п.

Естественные причины могут также увеличивать загрязнение тяжелыми металлами. К ним относятся вулканическая активность, коррозия металлов, испарение металлов из почвы и воды, повторное взвешивание отложений, эрозия почвы, геологическое выветривание.

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду

Загрязнение тяжелыми металлами становится серьезной проблемой во всем мире. Оно набирает обороты из-за увеличения использования и обработки таких металлов во время различных видов деятельности для удовлетворения потребностей быстро растущего населения. Почва, вода и воздух – основные компоненты окружающей среды, на которые влияет загрязнение тяжелыми металлами.

Загрязнение тяжелыми металлами почв

К попаданию в почву и ее загрязнению приводят:

промышленные выбросы;
удаление отходов с высоким содержанием металлов;
этилированный бензин и краски;
внесение удобрений на землю, пестициды, навоз;
осадки сточных вод;
остатки от сжигания угля и разлив нефтехимических веществ.

Было отмечено, что почвы являются основными поглотителями тяжелых металлов, выбрасываемых в окружающую среду в результате вышеупомянутой антропогенной деятельности. Большинство не подвергаются микробной или химической деградации, поскольку они не разлагаются. Их общие концентрации сохраняются в течение длительного времени после попадания в окружающую среду.

Присутствие тяжелых металлов в почвах является серьезной проблемой из-за их наличия в пищевых цепочках, разрушающих всю экосистему. Поскольку органические загрязнители могут быть биоразлагаемыми, скорость их биоразложения снижается из-за присутствия тяжелых металлов в окружающей среде. Это удваивает загрязнение окружающей среды, увеличивает присутствующие органические загрязнители и тяжелые металлы.

Существуют различные способы, которыми тяжелые металлы представляют опасность для людей, животных, растений и экосистем в целом. К таким путям относятся:

прямое попадание в организм;
поглощение растениями;
пищевые цепи;
потребление загрязненной воды;
изменение pH почвы, пористости, цвета и ее естественного химического состава, что, в свою очередь, влияет на качество почвы.

Загрязнение тяжелыми металлами воды

Хотя существует множество источников загрязнения воды, индустриализация и урбанизация являются двумя виновниками повышенного уровня загрязнения воды тяжелыми металлами. Они переносятся стоками промышленных предприятий, муниципалитетов и городских территорий. Загрязнение водоемов тяжелыми металлами происходит из-за их накопления в почве и отложениях водоемов. Они очень токсичны и создают серьезные проблемы для здоровья людей и других экосистем.

Опасность загрязнение воды для человека определяется уровнем токсичности металла, который зависит от таких факторов:

организмы, которые подвергаются его воздействию;
его природа и биологическая роль;
период, в течение которого организмы подвергаются воздействию металла.

Пищевые цепи символизируют взаимоотношения между организмами экосистемы. Следовательно, загрязнение воды тяжелыми металлами влияет на все организмы в этой цепи. Люди, питающиеся на самом высоком уровне, более склонны к серьезным проблемам со здоровьем. Причина – концентрация тяжелых металлов в пищевой цепи увеличивается.

Загрязнение тяжелыми металлами атмосферы

Индустриализация и урбанизация, вызванные быстрым ростом населения мира, в последнее время сделали загрязнение воздуха серьезной экологической проблемой во всем мире. Загрязнение воздуха увеличивается с помощью пыли и твердых частиц (ТЧ), которые выбрасываются в результате естественных и антропогенных процессов.

Природные процессы, которые приводят к выбросу твердых частиц в воздух, включают:

пыльные бури;
эрозию почвы;
извержения вулканов;
выветривание горных пород.

Антропогенная деятельность в большей степени связана с промышленностью и транспортом. Именно они влияют на загрязнение атмосферы тяжелыми металлами. Последствия могут привести к серьезным проблемам со здоровьем:

раздражение кожи и глаз;
респираторные инфекции;
преждевременная смертность;
сердечно-сосудистые заболевания.

Данные загрязнители также вызывают ухудшение инфраструктуры, коррозию, образование кислотных дождей, эвтрофикацию и дымку. Тяжелые металлы, такие как металлы группы 1 (Cu, Cd, Pb), металлы группы 2 (Cr, Mn, Ni, V и Zn) и металлы группы 3 (Na, K, Ca, Ti, Al, Mg, Fe) происходят из промышленных зон, транспортных средств и естественных источников.

Чтобы защитить здоровье человека, растений, животных, почвы и всех компонентов окружающей среды, должное и тщательное внимание следует уделять технологиям восстановления тяжелых металлов. На текущий момент большинство физических и химических технологий их восстановления требуют обработки большого количества ила, разрушают окружающие экосистемы, и они очень дороги.

Источник

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