Техногенное загрязнение почвы тяжелыми металлами

Загрязнение почв тяжелыми металлами

Химическое загрязнение почв — опасный вид деградации экосистемы. Оно затрагивает все природные среды и проявляется на локальном, региональном, глобальном уровнях; загрязняющие вещества непосредственно влияют на жизнеспособность всех биологических видов; их избыток вызывает у живых организмов опасные заболевания, последствия могут закрепляться на генетическом уровне. Экологическая опасность загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) в том, что, будучи извлеченными из недр Земли, где они находились в термодинамически устойчивом состоянии, ТМ включаются в производственные процессы. Часть их входит в состав полезного продукта, а большая доля в форме отходов (они сопровождают все виды человеческой деятельности) поступает на земную поверхность, оказывается в почве в составе соединений, в том числе подвижных. Это ведет к росту миграции ТМ, к накоплению их в сопряженных природных средах в избытке, опасном для живых организмов.

Разработаны методы оценки обогащения отходов производства ТМ. Установлены классы опасности химических веществ (ГОСТ 17.4.1.02–83). Разработаны нормативы содержания ТМ в природных средах, в том числе в почвах [211]. Регулярно проводится экологический мониторинг. Пунктами сети наблюдений за загрязнением почв являются сельскохозяйственные угодья, лесные массивы зон отдыха и прибрежных зон, городские земли. Отбор проб почв для оценки их загрязнения промышленными токсикантами проводится в 66 городах ежегодно и в 101 городе раз в 5 лет. Сеть комплексного мониторинга загрязнения природной среды и состояния растительности насчитывает 30 постов. Фоновый мониторинг проводится в заповедниках. В соответствии с программой мониторинга в пробах почв определяют до 24 ингредиентов промышленного происхождения с использованием унифицированных методов, дают оценку их содержания. Обобщенные результаты используются для принятия природоохранных мер, они публикуются в ежегодно издаваемом Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации».

В настоящее время установлено, что общее техногенное выпадение ТМ на земную поверхность на порядки превышает их поступление из природных источников [203]. Поступившие локально ТМ широко распространяются в окружающей среде относительно быстро перемещающимися потоками, связывающими сушу, атмосферу, реки, океан [71]. ТМ, поступившие в почвы с отходами, распределяются между почвенными компонентами, которые их удерживают с разной прочностью. Общее содержание ТМ при загрязнении почв может повышаться на порядки, при этом доля наименее прочно удерживаемых соединений, как правило, увеличивается сильнее. Разработаны отечественные нормативы показателей загрязнения почв (ПДК, ОДК), доступны зарубежные нормативы (Германия, Голландия, и др.).

Регулярные наблюдения свидетельствуют о том, что наибольшая степень техногенного загрязнения почв ТМ наблюдается в урбанизированных зонах, где высока концентрация населения и производств, которые служат основными источниками загрязнения. Приведенная карта отражает географию распространения загрязненных ТМ техногенно нарушенных почв РФ. По материалам карты острых экологических ситуаций Б.И. Кочурова [127] территория страны поделена на три зоны: острых экологических ситуаций, выпадения кислотных дождей и относительного экологического благополучия. На этой основе по данным Государственных докладов «О состоянии и об охране окружающей среды РФ» (2000—2007 гг.), «О санитарно-эпидемиологической обстановке в РФ» (2004 г.)», Государственной программы «Экологическая безопасность России (1993—1996 гг.) (по состоянию на 18.10.2006)», обзоров Росгидромета «Состояние и загрязнение окружающей среды в РФ» (2006—2008 гг.), публикаций в научных периодических изданиях отмечены города, в почвах внутренних зон и окрестностей которых среднее содержание ТМ в разы превышает ПДК (ОДК или фоновое). Максимальные уровни содержания ТМ в почвах, как правило, в 3—4 раза выше средних.

Металлургические заводы и крупные ТЭЦ влияют на окружающую среду в радиусе до 5—10 км, заводы машиностроения — 1,5—2 км, приборостроения — до 0,5—1 км, автотранспорт — до 0,1—0,2 км. Техногенные ареалы вокруг источников загрязнения нередко имеют зональное строение. Для эпицентра типична полиэлементная ассоциация металлов, к периферии из ее состава выпадают отдельные элементы, наиболее обширные ареалы чаще всего образуют Zn и Рb [276].

Наибольшая плотность расположения пунктов с промышленным комплексным загрязнением почв металлами наблюдается на Среднем и Южном Урале, являющемся крупнейшей горнорудной и металлургической базой страны. Предприятия по добыче и переработке железных и полиметаллических руд загрязняют атмосферу и почвы. Содержание металлов в почвах некоторых городов превышает ПДК в 5—10 и более раз (Кировград, Реж, Асбест, Ревда). В городской черте Челябинска расположено около 600 промышленных предприятий. Около 12% его территории (в центре города) могут быть отнесены к зоне экологического бедствия: содержание в почве Zn, Pb в 25 раз превышает ПДК. Сильно загрязнены почвы Магнитогорска, где действует крупнейший в Европе металлургический комбинат и около 40 предприятий, в их числе металлургический, машиностроительный заводы, в окрестностях города размещены карьеры по добыче железных руд и флюсов, цементный завод. Это причина аномально высокого содержания в почвах ТМ (Cu, Pb, Zn, As, Mn), превышены ПДК этих ТМ и в почвах жилой зоны.

Ниже плотность загрязнения окружающей среды на севере европейской части РФ. На Кольском п-ове отмечается влияние на почвы крупных горно-металлургических предприятий, выбросы которых обогащены преимущественно Ni, Cu. В почвах Мончегорска их содержание в 450—250 раз превышает уровень ПДК. Загрязнение ТМ почв городов Санкт-Петербурга, Череповца вызвано поступлением отходов, прежде всего, от металлургических заводов.

Сильно варьирует загрязнение почв ТМ в Центральном округе. В Москве наиболее активными источниками загрязнения атмосферы и почв ТМ является транспорт, заводы нефтеперерабатывающий, автомобильный. Для загрязненных почв Москвы и области характерны ассоциации наиболее опасных ТМ (Zn, Cd, Pb). Почвы Московской области загрязнены отходами предприятий энергетики, утилизируемыми отходами производства и потребления. Годовой объем образующихся отходов близок к 60 млн т, в том числе 20 млн т промышленных (ежегодный прирост отходов 4—6%). Загрязнение почв Воронежа ТМ обусловлено отходами предприятий химической и металлургической отраслей.

В Приволжском округе пояс загрязненных почв создан под влиянием отходов предприятий разных отраслей. Полиметаллическое загрязнение в Нижнем Новгороде, Кирове, Ижевске сформировано отходами крупнейших предприятий страны, среди которых металлургический, автомобильный, машиностроительный, нефтеперерабатывающий, фармацевтический заводы.

На юге России также имеет место мощное загрязнение почв ТМ. В Астрахани ведущее место занимает топливно-энергетический комплекс, который разрабатывает Аксарайское газоконденсатное месторождение. Почвы загрязнены углеводородами, серой, ТМ, среди которых значителен вклад Zn, Pb. Они же преобладают в загрязненных почвах Владикавказа, где развиты преимущественно машиностроительная, металлообрабатывающая, химическая, нефтехимическая отрасли. Иные доминанты ТМ (Cd, Cr) в почвах Новочеркасска, где мощным источником загрязнения является Новочеркасская ГРЭС, крупнейшая на юге России.

Из городов северных регионов Сибирского края необходимо отметить Норильск, где многие годы работает Норильский горно-металлургический комбинат, а также другие заводы (металлообрабатывающий, химический и пр.). Город входит в десятку самых загрязненных городов мира: на одного жителя города ежегодно приходится 12—13 т выбросов. Загрязнены города южных регионов Сибири: Новосибирск, Омск, Томск, являющиеся крупными промышленными центрами с предприятиями разных отраслей (заводы инструментальный, металлопроката, металлообработки, машиностроения, нефтепереработки, химические, деревообрабатывающие, приборостроительные и др.). Высокий уровень техногенной нагрузки в городе Белово Кемеровской области, где 80 лет работает цинковый завод.

Промышленные центры Прибайкалья сформировали зоны загрязненных почв в городах Братске (заводы алюминиевый, ферросплавов), Свирске (металлургический), Иркутске (строительные, машиностроительные заводы), Черемхово (заводы тяжелого машиностроения, механический, химический, а также добыча угля открытым способом). Загрязнение почв ТМ здесь нередко сопровождается загрязнением мышьяком.

Широко известны промышленные центры Приморского края Дальнегорск и Рудная Пристань. В черте Дальнегорска действует огромный карьер горно–химического комбината, в Рудной Пристани — цех горно-металлургического комбината (созданного более 100 лет тому назад для получения свинца). Содержание Pb в почвах поселка Рудная Пристань достигает 17—42 ПДК. Этот поселок включают в список самых загрязненных в мире. Опасная экологическая обстановка обусловлена не только мощностью заводов и недостаточной очисткой аэрозольных выбросов, но и расположением жилого сектора в межгорной долине, где задерживаются загрязненные металлами воздушные потоки. Менее загрязнены ТМ почвы Владивостока, Уссурийска, Хабаровска, Магадана. Аккумуляцию ТМ обеспечивают, преимущественно, отходы предприятий горнодобывающей и машиностроительной отраслей. Отмечено резкое преобладание Pb (до 100 ПДК) в почвах Южно-Сахалинска.

Регулярный мониторинг показал масштабы загрязнения ТМ почв вокруг промышленных предприятий. В РФ выявлено 730 тыс. га земель с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения почв. Самыми мощными источниками загрязнения почвенного покрова являются горнодобывающие предприятия, крупные комбинаты цветной металлургии. В прилегающих к ним землях аккумулируются ТМ, относящиеся к I классу опасности. С 1997 по 2007 гг. к опасной категории загрязнения почв ТМ отнесено 8% обследованных населенных пунктов в 1—5-километровой зонах вокруг источников загрязнения, 14% — к умеренно опасной категории. Почвы 78% населенных пунктов (в среднем) относятся к допустимой категории загрязнения ТМ, хотя отдельные участки почв могут иметь более высокую категорию загрязнения ТМ, чем в целом по городу. Влияние близости мегаполисов испытывают почвы сельскохозяйственных и лесных угодий. Опыт обследования пахотных почв европейской части РФ показывает, что уровень содержания ТМ в загрязненных пахотных почвах соответствует 1,5—2 ПДК, и доля таких почв составляет 2—3%.

Г.В. Мотузова, Е.А. Карпова, Н.Ю. Барсова

Загрязнение почв тяжелыми металлами, масштаб 1:30 000 000

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.