Почему происходит загрязнение почвы тяжелыми металлами?
Главные источники загрязнения окружающей среды — заводы и мусор. Ежедневно человеком вырабатываются тонны отходов. 4% из них идут на переработку. Количество и размеры свалок увеличиваются, что отрицательно сказывается на экологии.
Одна из основных проблем, вызванных такой ситуацией – загрязнение почвы тяжелыми металлами. Ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь — самые опасные металлы, которые оседают на поверхности земли. Предельно-допустимая концентрация этих веществ в плодородном слое — 16 ПДК. Превышение этого показателя ведет к загрязнению почвы. При преодолении отметки в 10 ПДК замечают изменение физических свойств земли.
Пути попадания тяжелых металлов в почву
Загрязнение почвы имеет несколько путей. Основные — промышленность, ТБО и окружающая среда.
Твердые бытовые отходы
Чтобы последствия загрязнения бытовыми отходами на землю сводились к минимуму, необходима правильная организация захоронения.
В деревне Воловичи Московской области в 1990-ом году был вырыт двухметровый котлован. Система захоронения выглядит так: два метра отходов отделяются друг от друга слоем земли в 30 сантиметров. В основании рва расположен глиняный замок. На данный момент котлован использован на 98%. Взятые около него образцы выявили, что показатели кислотности и ПДК тяжелых металлов не превышает оптимальную отметку в 16 ПДК, либо очень близки к ней.
Такие же исследования были проведены вблизи свалки мусора в городе Ульяновске. В образцах были обнаружены свинец, медь, кадмий. Содержание металла в этом образце — 29 ПДК, когда допустимая норма 16. Превышение ПДК кадмия при исследовании обнаружено не было. Но если выпадет кислотный осадок, кадмий окислится и его вредоносное содержание превысит допустимые показатели.
На пересечении Московского проспекта с Обводным каналом в Санкт-Петербурге раньше была свалка мусора. Сейчас эта часть города застраивается — там будет жилой комплекс. Район не был обезврежен или очищен. Проба земли в этих местах показала содержание свинца в 270 ПДК.
Окружающая среда
Тяжелые металлы в окружающей среде сконцентрированы также в воде и воздухе. Все, что сбрасывают в атмосферу заводы, рассеивается и оседает на поверхности земли и воды. Влага, если это не пруд или озеро, проходит естественную фильтрацию через почву. Получается, что плодородный слой оказался наименее защищенной средой. Химические элементы накапливаются и приводят к его истощению.
В 2015-ом году на Уфимском заводе цветных металлов была осуществлена проверка очистительных сооружений. Стало известно, что печь для плавления алюминия работала с недостаточной защитой. В атмосферу были выброшены опасные пары. Образцы вблизи завода показали, что ПДК свинца превысило норму в 20 раз, кадмия — в 16.
Промышленность
Промышленные предприятия, находящиеся в непосредственной близости от населенного пункта, оказывают самое сильное влияние на экологию города. Металлургические заводы загрязняют окружающую среду на 10 — 15 км вокруг.
На Среднем и Южном Урале сосредоточено крупнейшее металлургическое производство страны. При исследовании почв в Ревде, Асбесте, Реже показатели ПДК тяжелых металлов были превышены в 5 — 10 раз. 12% территории Челябинска относится к зоне экологического бедствия: содержание цинка и свинца выше нормы в 25 раз.
Город Сызрань Самарской области известен крупными предприятиями по переработке нефтепродуктов. Почва, взятая на пробу в радиусе 15 км от завода «Тяжмаш», показала превышение ПДК свинца в 2,5 раза.
Индикаторы загрязнения почвы
Самыми распространенными индикаторами загрязнения являются растения и микроорганизмы. У цветов наблюдается отмирание листьев — в почве накопился цинк. Они медленно растут — земля переполнена медью. Ненормальное развитие растения в целом говорит о превышенном показателе кобальта. Самым часто используемым биологическим индикатором загрязнения почвы тяжелыми металлами являются слива и фасоль.
Микроорганизмы в отравленном плодородном слое ведут себя по-разному в зависимости от местонахождения. На лесопарковых территориях микроорганизмы более активны. Это связано с тем, что почва там загрязнена меньше.
В зоне, приближенной к предприятиям и свалкам, наблюдается снижение численности микроорганизмов и почвенных животных. Тяжелые металлы влияют на их жизнедеятельность: микроорганизмы начинают медленно развиваться, плохо растут, наблюдаются изменения на генетическом уровне.
Биота либо погибает, либо выбирает другие места обитания.
Способы очистки почвы от тяжелых металлов
Существует три метода очистки почв от загрязнения тяжелыми металлами: физический, химический и биологический.
Физический и химический методы
Эти два метода, как правило, применяются совместно. Загрязненный слой снимается и проходит электрохимическое выщелачивание. Происходит переход металлов в подвижную форму. Затем обезвреженная земля помещается назад, слои перемешиваются. Полученный образец снова берется на анализ. Если содержание металлов не превышает ПДК, почва пригодна для сельского хозяйства.
Биологический метод
Суть метода в высадке семян растений семейства сложноцветных: мятлик, полынь, тысячелистник, клевер. Семена высеваются в соотношении 1:1:1 в количестве 1, 5 – 2 миллиона штук на гектар земли. Когда растения достигают периода бурного роста, надземную часть скашивают, высушивают и удаляют. Процесс повторяется несколько раз, после чего проводится анализ. Этот метод очистки от загрязнений считается безопасным, так как на почву не воздействует химия.
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