Природные загрязнения почвы тяжелыми металлами

Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды

Серьезные экологические проблемы в городах вызывает загрязнение тяжелыми металлами, а это свыше 40 элементов таблицы Менделеева. В малых дозах они зачастую даже необходимы организму. Однако при превышении допустимых уровней эти вещества вызывают отравление, болезни и мутации.

Тяжелые металлы — загрязнители природной среды

Главный источник тяжелых металлов – промышленность. Выбросы проникают в водоемы, атмосферу, почву, а из нее – в сельхозкультуры. Самые токсичные – свинец, ртуть, мышьяк, кадмий и хром.

Ртуть

Ртути присвоен I класс опасности. Ее естественное состояние в земной коре – безвредные сульфидные остатки, но вследствие атмосферных процессов возникло загрязнение мирового океана. В нем было обнаружено 50 млн. т ртути. Если 5 000 т/год – естественный вынос, то еще столько же – результат деятельности человека.

В мире создается свыше 10 000 т ртути в год. В океане ртуть под воздействием анаэробов превращается в метилртуть и диметилртуть, опасные для всего живого. Метилртуть с кровью поступает в мозг, разрушая его, проникает в плаценту. При проглатывании и вдыхании паров металлической ртути чернеют и крошатся зубы. Ртутные соли просачиваются сквозь кожу, разъедая ее и слизистые.

Свинец

Свинцу присвоен I классу опасности. Он выделяется при выплавке из руды. Каждый год в мире используется до 180 000 т свинца, а наибольшее загрязнение наблюдается на автомобильных выхлопных газах. При движении машины в атмосферу выбрасывается свинец содержащийся в бензине. Основная масса оседает на землю, но часть остается в воздухе.

Еще свинцовая пыль покрывает почву в промышленных зонах. Другие источники загрязнения – угольные электростанции и бытовые печи, глиняная посуда с глазурью, красящие пигменты.

Неорганические соединения свинца расстраивают метаболизм, металл может замещать кальций в костях. Органические еще более токсичны.

Кадмий и цинк

1 млн. кг кадмия ежегодно выбрасывается в атмосферу вследствие его выплавки. Это 45% общего загрязнения. Другие 55% – следствие сжигания или переработки кадмийсодержащих изделий. Заводы по выплавке цинка – крупнейшие источники загрязнения данным металлом. Оба элемента проникают в водоемы, попадают в рыбу, скапливаются в печени и почках.

Значительные загрязнения цинком обнаруживаются вблизи автомагистралей. Источником загрязнения кадмием также являются удобрения. Элемент внедряется в растения, используемые в пищу, и отравляет организм. При этом кадмий намного токсичнее цинка, ему присвоен I класс опасности. Вдыхание воздуха, в котором его больше 5 мг/м3, в течение 8 ч. чревато смертью.

Сурьма, мышьяк, кобальт

Каждый год в мире производится около 70 т сурьмы. Она входит в состав сплавов, применяется для изготовления спичек, а в чистом виде идет на полупроводники. Хроническое отравление нарушает функции ЖКТ.

У мышьяка II класс опасности, он летучий и легко попадает в воздух. Сильнейшие источники загрязнения – гербициды, фунгициды и инсектициды. Элементарный мышьяк – слабый яд, но нарушает развитие плода. Отравление вызывает болезни ЦНС, изменения печени, атрофию костного мозга.

Кобальт задействуют в сталелитейном деле, изготовлении полимеров. Это элемент I класса опасности.

Медь и марганец

Медь относится ко II классу опасности. По воде и воздуху металл переносится на огромные расстояния. Аномальным содержание меди в почвах и растениях остается на расстоянии больше 8 км от плавильного завода. Ее излишки откладываются в тканях мозга, коже, печени, поджелудочной. Она провоцирует болезнь Вильсона.

У марганца тоже II класс опасности. Источники загрязнения – производства легированной стали, сплавов, электробатарей. Превышение нормы марганца в воздухе разрушает ЦНС.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами

Самые долгие последствия вызывает загрязнение почв тяжелыми металлами вследствие добычи, плавки руд, промышленных выбросов, применения удобрений. Особенно опасны кадмий, медь, свинец, цинк, поскольку они стойкие, биоаккумулятивные и токсичные.

Последствия загрязнения почвы

Из-за загрязнения почв металлами ухудшается рост и метаболизм почвенных микробов. Это может затруднить поглощение растениями питательных веществ из почвы. Плюс тяжелые металлы токсичны для растений. Все это приводят к замедлению роста, низкой урожайности.

Растения, накопившие токсиканты, могут поступать в пищу. Это опасно для здоровья. Еще они из почвы проникают в питьевую воду, вызывая болезни.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Перед рекультивацией земель, загрязненных тяжелыми металлами, важно выявить источник загрязнения, реализовать меры по его ликвидации и уменьшению выбросов. Только так достигается эффективность работ.

Рекультивация земельных участков проводится несколькими способами:

1. Выращивание устойчивых к загрязнению растений (колосовые зерновые, капуста, картофель, хлопчатник, свекла).
2. Фиторекультивация растениями, накапливающими металлы.
3. Контроль подвижности токсикантов в почве.
4. Регулирование соотношения элементов в почве.
5. Организация рекультивационного слоя.

Загрязнение водоемов тяжелыми металлами

Загрязнения нефтепродуктами и токсичными металлами ухудшают качество среды обитания водных биоресурсов. Они негативно влияют на кормовую базу рыб, выживаемость молоди и размножение взрослых особей.

Источники загрязнения водоемов – стоки горнодобывающих, металлургических заводов, химическая и легкая промышленность. Соли хрома сбрасывают фабрики по дублению кожи, хром с никелем используют для гальванического покрытия изделий из металла. Соединения цинка, кобальта, меди, титана – это красители.

Наибольшую опасность представляет загрязнение вод ртутью. При взаимодействии с микробами со дна образуются водорастворимые органические соединения высокой токсичности.

Некоторые металлы содержатся в пестицидах и удобрениях. Уровень загрязнения ими растет вследствие кислотных дождей, то есть закисления.

Предельно допустимые концентрации в воде

При оценке состояния экосистем учитывается загрязненность водных объектов токсичными веществами. Особенно опасны тяжелые металлы. Поэтому установлены их предельно допустимые концентрации, которые при ежедневном влиянии не допускают развития у людей патологий.

Загрязнение атмосферы тяжелыми металлами

Техногенные выбросы металлов в виде аэрозолей поступают в атмосферу и переносятся на огромные расстояния, провоцируя глобальное загрязнение. С гидрохимическими стоками их часть попадает в бессточные водоемы, скапливается в воде и на дне. Это может вызвать вторичное загрязнение.

Металлы быстро распространяются в воде, выпадают в осадок в виде сульфатов и карбонатов и частично абсорбируются на органических осадках. При исчерпании абсорбционной способности осадков токсиканты проникают в воду, повышая ее кислотность, провоцируя зарастание водоемов и интенсивное выделение углекислого газа вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами

Пищевые цепочки – один из основных путей поступления токсикантов в организм. Они начинаются от сельхозугодий и заканчиваются человеком. Растения поглощают металлы из почвы, в продукты животноводства они поступают через антибиотики, гормоны для стимуляции роста животных. Как конечное звено пищевой цепи, человек может получать еду с концентрация токсикантов до 1000 раз выше, чем в почвах.

Загрязнение пищевых продуктов происходит при готовке еды, контакте сырья с посудой во время термообработки. При консервировании жестяные банки становятся источником загрязнения свинцом. Он попадает в состав продуктов питания из свинцового припоя в швах.

Воздействие тяжелых металлов на организм человека

В индустриально-развитых странах наблюдается рост профессиональных болезней вследствие вредных производственных факторов. Это шум, вибрация от движущихся механизмов, воздействие электромагнитного поля, химических веществ. Наиболее опасны тяжелые металлы. При превышении допустимого уровня они становятся токсичными, откладываются в почках и печени, приводят к мутациям.

Распространенные заболевания на фоне интоксикации металлами:

1. Никель провоцирует астму, врожденные пороки.
2. Кобальт – некроз почечных канальцев, болезни легких.
3. Хром и бериллий – дерматиты.
4. Мышьяк – белокровие.
5. Кадмий – почечную дисфункцию, разрушение костей.
6. Цинк – остеопороз, цинковую лихорадку.
7. Медь – аутоиммунные нарушения, желтуху, гипертонический криз.
8. Молибден – ломкость костей, прекращение роста у детей.
9. Марганец – атеросклероз.
10. Ртуть – нарушения ЦНС, уродства.
11. Селен – выпадение волос и ногтей, внезапную смерть.
12. Ванадий – астму, нервные расстройства, изменение состава крови.
13. Таллий – нарушения метаболизма.

Мышьяк, бериллий, кобальт, никель, хром и кадмий – еще и канцерогенны. Большие концентрации этих металлов в организме могут вызывать рак.

С чем связано и чем опасно загрязнение почвы тяжелыми металлами

Загрязнение почвы химическими веществами: последствия и охрана

Переработка лома цветных металлов

Антропогенное и естественное загрязнение почвы

Основные загрязнители воды: естественные и антропогенные

Сколько стоит килограмм меди и где чаще всего встречается?

Основные источники загрязнения воды

Классы, ПДК и нейтрализация вредных химических веществ

Последствия и пути решения проблемы загрязнения литосферы

Переработка и утилизация старых аккумуляторных батарей

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу: источники и нормирование

Состав и виды шламов, влияние на окружающую среду, способы утилизации

Источник

Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами

Дата публикации: 22.12.2017 2017-12-22

Статья просмотрена: 13012 раз

Библиографическое описание:

Сердюкова, А. Ф. Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами / А. Ф. Сердюкова, Д. А. Барабанщиков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 51 (185). — С. 131-135. — URL: https://moluch.ru/archive/185/47382/ (дата обращения: 11.12.2021).

Стремительная индустриализация и интенсивная сельскохозяйственная деятельность за последние несколько десятилетий привели к накоплению различных загрязняющих веществ в окружающей среде, в особенности — тяжёлых металлов. Негативные последствия загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами представляют реальную угрозу для биосферы.

Ключевые слова: тяжёлые металлы, металлоиды, почва, загрязнение, микроорганизмы, окружающая среда.

В последние десятилетия ведущим процессом, определяющим формирование эколого-геохимического состояния территории, стал техногенез. Интенсивное промышленное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения распределения некоторых химических элементов в поверхностном слое зоны аэрации. Прежде всего это касается тяжёлых металлов, накопление высоких концентраций которых в естественной среде связано с антропогенной деятельностью. Тяжёлые металлы, как особая группа элементов, выделяются в связи с токсическим действием на живые организмы при их высоких концентрациях, значительно превышающих фоновые величины. Выбросы и сбросы техногенных объектов, с высоким содержанием тяжёлых металлов, аккумулируются в почвах, которые в значительной степени подвержены влиянию, обусловленному промышленной деятельностью человека.

Почва — это сложная и динамичная система. Она состоит из нескольких слоёв, которые различаются по своему физическому, химическому, минералогическому и биологическому характеру, на которые влияет климат и активность живых организмов. Кроме того, способствуя сохранению всех форм жизни, образующихся на земной поверхности, почва играет важную роль в защите грунтовых вод, действующих как коллекторный фильтр органических и неорганических остатков, способствуя связыванию возможных токсичных соединений [10, с. 661–670].

В последние годы, с развитием мировой экономики, как тип, так и содержание тяжёлых металлов в почве, вызванные деятельностью человека, постепенно увеличивались, что приводило к ухудшению состояния окружающей среды [6, c. 62–67; 6].

В конце XX-го века люди стали осознавать значение почвы как экологического компонента и признали необходимость поддерживать или улучшать способность почвы к выполнению присущих ей различных функций. В то же время учёные доказали, что почва не является неисчерпаемым ресурсом и если её использовать ненадлежащим образом, она может утратить свои характеристики за очень короткий промежуток времени, иногда даже без возможности регенерации [9, с. 161].

В прошлом загрязнению почвы уделялось гораздо меньше значения, чем загрязнению, например, воды и воздуха. Однако в последние годы люди стали осознавать всю серьёзность ситуации, поэтому проблеме загрязнения почвы уделяется всё больше внимания и горячо обсуждается на саммитах по охране окружающей среды во всём мире.

Загрязнение тяжёлыми металлами является чрезмерным осаждением токсичных тяжелых металлов в почве в результате деятельности человека. Загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами связано с наличием различных источников техногенных эмиссий поллютантов: промышленные объекты горно-металлургического, химического, топливно-энергетического комплекса, машиностроительные предприятия, разветвленная транспортная система и т. д. Среди тяжёлых металлов в почве часто встречаются металлы высокой биологической токсичности, такие как ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), хром (Cr), мышьяк (As) и т. д. Также почву загрязняют такие металлы как цинк (Zn), медь (Cu), никель (Ni), олово (Sn), адид (V) и прочие.

В 2006–2015 гг. Росгидрометом проводились наблюдения за уровнем загрязнения почв токсикантами промышленного происхождения — тяжёлыми металлами, фтором, нефтью и нефтепродуктами, сульфатами, нитратами, бенз(а)пиреном. Основным источником загрязнения пахотных почв тяжёлыми металлами до (50 %) являются фосфорные удобрения. Наиболее опасны по степени загрязнения почв тяжёлыми металлами почвы многогумусовые, глинисто-суглинистые с щелочной реакцией среды: темно-серые лесные, черноземы и темно-каштановые — почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью [13, с. 118]. Геохимическая обстановка, присущая дерново-подзолистым почвам, не способствует аккумуляции тяжёлых металлов, однако в этих областях техногенная нагрузка настолько велика, что почвы не успевают «самоочищаться». Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и промышленными центрами.

Опасность поступления в окружающую среду тяжёлых металлов определяется тем, что в отличие от органических загрязнителей, они не разрушаются, а переходят из одной формы в другую, в частности, включаются в состав солей, оксидов, металлоорганических соединений.

Интересно, что тяжёлым металлам присуще антагонистическое и синергетическое поведение. Иными словами, наличие одного тяжёлого металла в почве может повлиять на наличие другого. Например, ингибирующее действие Mn на общее количество минерализованного C антагонизировалось Cd. Медь и цинк, а также никель и кадмий конкурируют за те же мембранные носители в растениях. Напротив, сообщалось, что медь увеличивает токсичность цинка в яровом ячмене. Это означает, что взаимосвязь между тяжёлыми металлами довольно сложна. Различные виды одного и того же металла могут также взаимодействовать друг с другом. Наличие арсенита сильно подавляет поглощение арсената рисовыми растениями, растущими на загрязнённой почве [8, с. 123].

Тяжёлые металлы оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека по трём путям воздействия: ингаляционное, оральное и через кожу. Многие тяжёлые металлы и металлоиды настолько токсичны, что могут вызывать нежелательные последствия и серьёзные проблемы даже при очень низких концентрациях [2, c. 32]. Тяжелые металлы вызывают процесс повреждения клетки в результате окисления, так называемый окислительный стресс [8]. Что касается их токсичности, наиболее опасными тяжёлыми металлами являются As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Sn и Zn [7]. Токсичные тяжёлые металлы могут вызывать различные проблемы со здоровьем в зависимости от вида металла и его концентрации. Например, потребление неорганического мышьяка в течение длительного периода может привести к хроническому отравлению мышьяком — арсеникозу, — в результате чего повреждаются желудочно-кишечный тракт, кожа, сердце, печень. Отравление мышьяком может вызвать развитие диабета, болезни костного мозга и крови, сердечно-сосудистые, онкологические заболевания. А вот органические соединения мышьяка менее вредны для здоровья и достаточно быстро выводятся из организма.

Функционирование урбоэкосистем производит дополнительное поступление в биогеохимических циклах целого ряда опасных токсикантов, среди которых особое место занимает кадмий — элемент первого класса токсичности, который способен оказывать тератогенные, мутагенные и канцерогенные действия на организм человека. Следует отметить, что благодаря своим буферным свойствам, даже антропогенно преобразованные почвы, среди которых ведущее место занимают урбаноземы, способны депонировать кадмий в течение длительного времени, частично исключая его избыток из кругооборота.

Интоксикация солями кадмия вызывает повреждение печени и почек, приводит к снижению плотности костной ткани, к нестерпимым болям в суставах и позвоночнике. Эти симптомы известны как болезнь итай-итай («ой как больно»). При ингаляционном воздействии кадмий чрезвычайно канцерогенен.

Отравление свинцом наносит неврологический ущерб, приводит к снижению уровня IQ, внимания, к нарушению координации рук, вызывает энцефалопатию, ухудшает состояние костей, гипертонию, болезнь почек.

Воздействие метилртути, наиболее вредной формы ртути, влияет на развитие мозга, что приводит к снижению уровня IQ. Ртуть приводит к повреждению центральной нервной и желудочной систем, влияет на координацию, зрение и чувство осязания, повреждает почки, сердце, печень. Интоксикация вызывает тревогу, беспокойство, депрессивное состояние, раздражительность, тремор [4].

Отравление медью вызывает повреждение головного мозга и почек; цирроз печени, хроническую анемию, желудочное и кишечное раздражение. Никель вызывает аллергический дерматит, при ингаляционном воздействии возникает угроза рака лёгких, носа, горла, желудка. Оказывает токсическое воздействие на иммунную, репродуктивную системы, кровь, имеет нейротоксическое и генотоксическое действие, повреждает печень, вызывает потерю волос. Избыток цинка приводит к головокружению и усталости.

Некоторые тяжёлые металлы, такие как As, Cd, Hg, Pb не оказывают существенное влияние на рост растений, поскольку им не присуща какая-либо известная физиологическая функция в жизненном цикле растений, но такие металлы как Cu, Fe, Mn, Mo, Ni и Zn являются важными элементами, необходимыми для нормального роста и метаболизма растений. Но избыток этих веществ может привести к существенному отравлению растения.

Поглощение тяжёлых металлов растениями и последующее накопление вдоль пищевой цепи представляет собой потенциальную угрозу для здоровья животных и человека. Поглощение корнями растений является одним из основных путей поступления тяжёлых металлов в пищевую цепь. Поглощение и накопление тяжёлых металлов в растительной ткани зависит от многих факторов: температуры, влажности, органического вещества, PH, питательных веществ и т. д. [5].

Загрязнение грунта сопряжено также с ухудшением качества воды, потому что тяжёлые металлы могут попадать в питьевую воду и становиться источником заболеваний для человека и животных.

Накопление тяжёлых металлов в растениях происходит также в зависимости от вида растений. Повышенный уровень свинца в почве может снизить её продуктивность, а очень низкая концентрация может ингибировать некоторые жизненно важные процессы, такие как фотосинтез, митоз и водопоглощение [3]. Тяжёлые металлы потенциально токсичны для растений, их концентрация приводит к хлорозу, слабому росту растений, снижению урожайности и может даже сопровождаться снижением поглощения питательных веществ, нарушением в метаболизме растений и снижением способности фиксировать молекулярный азот в бобовых растениях.

Повышение общего содержания тяжёлых металлов в почве сопряжено с увеличением относительного содержания более подвижных соединений металлов, что свидетельствует о снижении способности почвы защищать сопредельные среды от загрязнения.

Загрязнение металлами влияет на фауну и микрофауну почвы. При повреждении лесного покрова в лесной подстилке падает численность насекомых (клещей, бескрылых насекомых), при этом количество пауков и многоножек может оставаться стабильным. Страдают и почвенные беспозвоночные, часто наблюдается гибель дождевых червей. Дикие виды древесных растений на загрязнённых территориях формируют листовую пластинку меньшей площади, большей толщины, с меньшим содержанием хлорофиллов, кратно снижается в них активность клеточных ферментов.

Как уже было отмечено, в загрязнённых металлами почвах существенно меняются важнейшие микробиологические и химические свойства. Ухудшается состояние микробоценоза. Концентрации тяжёлых металлов оказывают влияние на биологическую активность почвенных микроорганизмов. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами оказывает давление на чувствительные микроорганизмы, изменяя разнообразие почвенной микрофлоры, которая представляет собой трофические группы микроорганизмов. Самую высокую чувствительность к загрязнению тяжёлыми металлами проявляют олиготрофные бактерии, что указывает на то, что ограничение бактериального сообщества более выражено в почвах, состояние которых неудовлетворительное по органическому веществу и содержанию питательных веществ.

Почвенные микроорганизмы, как свободноживущие, так и симбиотические почвенные микробы в ризосфере растений, растущих на загрязнённых тяжёлыми металлами почвах, могут увеличить производство биомассы растений и усилить процесс фиторемедиации. Однако тяжёлые металлы влияют на рост, морфологию и метаболизм почвенных микроорганизмов через функциональные нарушения, денатурацию белка или разрушение целостности клеточных мембран. Почвенные микроорганизмы необходимы для разложения органического вещества почвы; любое уменьшение микробного разнообразия или обилия может отрицательно повлиять на способность растений поглощать питательные вещества из почвы. Повышенные уровни тяжёлых металлов в почвах оказывают значительное влияние на численность популяции и общую активность почвенных микробных сообществ. Несколько исследований, в зависимости от используемых методов изоляции, показали, что загрязнение тяжелыми металлами привело к сдвигам в микробных популяциях.

Также была замечена корреляция между повышенными уровнями никеля и хрома в почве и амплитудой землетрясений. Землетрясения связаны с конкретными геологическими особенностями и границами плиток.

Высокий уровень техногенной нагрузки на геологическую среду обусловил комплексные изменения геохимических условий. Эти изменения привели к устойчивому ухудшению природной обстановки и получили трансграничный характер. Техногенез вызвал значительные изменения элементного состава компонентов биосферы. Наиболее ярко это проявляется в загрязнении почвы тяжёлыми металлами, которые являются наиболее опасными токсикантами с экоцидными свойствами.

Загрязнение тяжёлыми металлами может повлиять на всю окружающую среду, но серьёзная экологическая проблема и самые длительные последствия человеческой деятельности — загрязнение почв. Накопление тяжёлых металлов в почве происходит в результате добычи, плавки металлических руд, промышленных выбросов и применения пестицидов, гербицидов и удобрений. Металлы, такие как Cd, Cu, Pb, Zn и металлоиды (например, As), считаются загрязнителями окружающей среды ввиду их стойкости, биоаккумулятивности и способности оказывать серьёзное негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Источник