Мероприятия по рациональному использованию загрязнённых тяжёлыми металлами и радионуклидами почв
МЕРОПРИЯТИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЗАГРЯЗНЁННЫХ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И РАДИОНУКЛИДАМИ ПОЧВ
– канд. биолог. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», г. Москва, Россия
Имеется опасность загрязнения растений тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Рассмотрены мероприятия по детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами и радиоактивными элементами. Необходимо использовать в комплексе мероприятия по рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами.
It is danger plant contamination by heavy metal and radio-active element. Heavy metal and radio-active element contaminated soil detoxication measures are counted. It is necessary to use measure of contaminated heavy metal and radio-active element soils recultivation in complex.
В настоящее время загрязнение окружающей среды возрастает с каждым годом и поэтому решение многих экологических вопросов становится не только актуально, но и необходимо для сохранения жизни на Земле. Поступление тяжёлых металлов (ТМ) и радионуклидов в окружающую среду оказывает негативное воздействие на почвы и растения и представляет угрозу для здоровья человека. Вопросы, связанные с загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами, рассматривались в ранее опубликованной работе [1]. Но многие тяжелые металлы содержат в своем составе не только стабильные, но и радиоактивные изотопы, поэтому загрязнение окружающей среды радионуклидами и тяжелыми металлами может иметь сходные закономерности.
Из химических элементов приоритетными загрязнителями являются Cd, Pb, As, Zn, так как их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Многие ТМ обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям (например, к ферментам) и способны их инактивировать. Избыточное поступление ТМ в живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском хозяйстве это отражается на качестве продукции и в снижении её выхода. В овощных и кормовых культурах накопление ТМ нередко достигает опасного для людей и животных уровня без заметных внешних проявлений. Поступившие в организм человека ТМ выводятся очень медленно, и даже небольшие их поступления с пищей могут вызвать кумулятивный эффект.
Источниками радионуклидов в почве являются испытания ядерного оружия, исследовательские и промышленные ядерные реакторы, горнодобывающая промышленность (добыча урана и тория), предприятия по переработке и обогащению урана, исследовательские лаборатории, промышленные предприятия и медицинские учреждения, использующие радиоактивные изотопы, места захоронения радиоактивных отходов. Особое место в загрязнении почв радиоактивными изотопами занимают аварии на АЭС и предприятиях ядерного топливного цикла (например, Кыштымская авария в 1957 г. и катастрофа на Чернобыльской АЭС 1986 г.), в результате которых огромные территории подверглись радиоактивному заражению.
Почва играет важную барьерную роль на пути проникновения ТМ и радионуклидов в организмы растений, животных и человека. Однако эти загрязнители аккумулируются в почве, затрудняя получение экологически безопасной продукции.
Наибольшую опасность загрязнения представляют те тяжелые металлы, которые при нормальных условиях необходимы растениям как микроэлементы. К ним, в первую очередь, относятся Zn, Cu, Mn, Co и др. Вследствие загрязнения ТМ происходит замедление роста и снижение продуктивности многих сельскохозяйственных культур. Следует отметить, что для растений опасны не все тяжелые металлы, которые опасны для человека и животных, часто накопление ТМ происходит в растении без ущерба для его роста и развития. Например, Sr для растений малотоксичен и может накапливаться в них в больших количествах, но в то же время у человека и животных стронций вызывает искривление и ломкость костей [2, 3].
В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами приобретает всё большие размеры и получение экологически безопасной продукции на загрязненных территориях становится всё более актуальным. Для достижения этой цели и обезвреживания ТМ имеется много способов, которые можно объединить в следующие группы: механические, химические и агротехнические [4].
К механическим способам обезвреживания ТМ относятся:
1) удаление верхнего, наиболее загрязнённого слоя почвы [4, 5] и его захоронение. Японские исследователи рекомендуют проводить это мероприятие при загрязнении почвы кадмием более 20 мг/кг [5].
2) перемешивание верхнего загрязнённого слоя с незагрязнённым грунтом[5].
3) нанесение на загрязненную почву слоя чистой плодородной земли мощностью до 10 см или грунта [4, 5]. Приём может быть эффективен в зоне промывного водного режима. В почвах с непромывным водным режимом положительный эффект наблюдался лишь первые 4…5 лет, а затем часто следует вторичное загрязнение почв в результате вторичного засоления солями загрязняющих элементов. Положение исправляли созданием двухслойного покрова: насыпали слой карбонатного суглинка мощностью 10…15 см для создания экрана и защиты вышележащего насыпного гумусированного слоя [4].
Химические способы инактивации ТМ основаны на переводе этих элементов в малоподвижные соединения. Чаще всего в качестве мелиоранта используется известь.
Известкование кислых почв дает положительный эффект для инактивации ТМ [2, 6, 7, 8], так как вследствие возрастания рН ТМ выпадают из почвенного раствора в осадок в виде гидроксидов, карбонатов, фосфатов, уменьшается подвижность Hg, Cd, Zn, Cu, Ni и т. д. Кроме того, Ca2+ является антагонистом многих ТМ и поэтому он снижает их поступление в растения. Однако металлы, присутствующие в почве в форме высокомолекулярных органических хелатов, могут оставаться достаточно растворимыми даже после сильного известкования [8]. Также имеются данные об увеличении накопления Cr в растениях гороха при известковании [2]. При загрязнении почв выбросами металлургических предприятий применение даже очень высоких доз извести (130 т/га) снизило содержание Cd, Zn и Cu в кормовых травах по сравнению с контролем, но оно осталось выше ПДК [8]. Проведение известкования рекомендуется, если содержание кадмия в почве меньше 20 мг/кг [5].
Дозы извести, обычно рекомендуемые при химической мелиорации кислых почв, для загрязненных тяжелыми металлами земель малоэффективны. На загрязнённых почвах необходимо вносить более высокие дозы извести, чем на обычных. В зависимости от гранулометрического состава и кислотности почв дозы внесения извести для дерново-подзолистых и серых лесных почв изменяются в широких диапазонах (от 3 до 20 т/га ) [9].
В качестве мелиорантов также используются растворимые соли ортофосфорной кислоты, сера, силикаты и гидросиликаты, меркапто-8-триазин, ионообменные смолы и цеолиты [2, 4, 8]. Фосфаты многих ТМ малорастворимы и на этом основано применение фосфорных удобрений для инактивации ТМ. Добавление серы в почву вело к связыванию ртути. Эффективно внесение в почву ионообменных смол в виде гранулята или порошка, содержащих карбоксильную и гидроксильную группы в H+, Ca2+, Mg2+, K+ формах [4].
Применение фосфорных удобрений в большинстве случаев приводит к снижению подвижности ТМ и их доступности для растений вследствие образования труднорастворимых соединений. Эффективность применения фосфорных удобрений зависит от содержания ТМ в почве и реакции среды. Для нейтрализации ТМ фосфорные удобрения вносятся в больших количествах, чем необходимо для обеспечения планируемой урожайности. Так, фосфоритную муку целесообразно применять на почвах с рН
Источник
Вопрос 26. Загрязнение почв пестицидами, радионуклидами, тяжелыми металлами.
Загрязнение почв пестицидами
Пестициды — ядохимикаты по борьбе с сорняками (гербициды), с грибковыми болезнями растений (фунгициды) и вредителями (зооциды, инсектициды и др.) — широко применяются в сельском хозяйстве и сохраняют более 30% урожая.
Наибольшее применение находят пестициды — органические вещества: хлорированные углеводороды (гексахлоран и др.), диены (альдрин, севин и др.), сложные эфиры фосфорных кислот (ФОС), карбаматы (карбин, тиллам и др.), замещенные мочевины (фенурон, монурон и др.). При обработке посевов пестицидами основная часть их накапливается на поверхности почв и растений.
Они адсорбируются органическим веществом почв и минеральными коллоидами. Сорбция токсикантов обратима. Избытки пестицидов могут мигрировать с нисходящим гравитационным потоком и попадать в грунтовые воды. Накапливаясь в почве, они могут передаваться по цепям питания и вызывать заболевания животных и людей.
Накопление остатков пестицидов в почве зависит и от природы токсиканта. Наиболее стойкие — хлорорганические соединения и группа диенов. Они сохраняются в почве в течение нескольких лет. К тому же чем выше доза, тем длительнее сохраняется токсикант. Фосфорорганические соединения и производные карбамидной кислоты теряют свою токсичность менее чем за 3 месяца и при распаде не образуют токсичных метаболитов, что делает эти соединения предпочтительными.
При внесении пестицидов авиаметодами они распыляются и могут переноситься воздушными массами на большие расстояния. Многие биоциды и их метаболиты обнаруживаются там, где их никогда не применяли (например, в Антарктиде). Вместе с поверхностными водами пестициды могут попадать в водоемы и отравлять воду. Систематическое применение в больших количествах стойких и обладающих кумулятивными свойствами пестицидов приводит к тому, что основным источником загрязнения водоемов становится сток талых, дождевых и грунтовых вод. Процессы естественной детоксикации идут активнее там, где наиболее интенсивны процессы минерализации органического вещества.
Радионуклиды. Радионуклиды, поступившие в почву, не изменяют физико-химического состава почвы и с течением времени распределяются в 30-ти сантиметровом слое. В почве радионуклиды включаются в различные процессы, среди которых наибольшее значение имеют сорбция и миграция. Радионуклиды вступают в физико-химические реакции взаимодействия с почвенным поглощающим комплексом (ППК), усваиваются почвенными микроорганизмами, образуют нерастворимые и растворимые в почвенном растворе соли и коллоидные соединения, что сопровождается трансформацией форм их соединений, изменением миграционной подвижности и биологической доступности для корневых систем растений. Поглощение радионуклидов ППК определяется процессами распределения между двумя основными фазами почвы — твердой и жидкой и осуществляется за счет следующих основных взаимообратимых процессов. 1. Сорбция « десорбция. Сорбция — это поглощение радионуклидов твердыми частицами почвы из почвенного раствора. Десорбция — это выделение или переход радионуклидов из частиц в почвенный раствор. Поглощение радионуклидов поверхностным слоем частиц называется адсорбцией. 2. Осаждение « растворение. Осаждение — это образование труднорастворимых и нерастворимых соединений радионуклидов. Растворение — это переход радионуклидов в почвенный раствор из соединений. 3. Коагуляция « пептизация. Коагуляция — это образование крупных коллоидных соединений в дисперсных системах. Пептизация — это распад крупных и сложных соединений на мелкие и простые. На подвижность радионуклидов в почве оказывают влияние ряд таких факторов как физико-химическая характеристика радионуклидов, время и формы нахождения в почве, свойства почвы, погодно-климатические условия, тип растительного покрова. Среди физико-химических характеристик наибольшее влияние на поведение радионуклидов в почве оказывают свойства радиоактивных выпадений и равномерность распределения их в почве, степень дисперсности и растворимость выпадений, атомная масса и величина заряда иона радионуклида, способность радионуклида образовывать комплексные и нерастворимые соединения, а также способность радионуклидов к изоморфному замещению элементов в почвенных минералах. Радионуклиды, поступившие в почву в водорастворимой форме и в составе тонкодисперсных радиоактивных частиц, активно и быстро включаются в почвенные процессы. При этом одновалентные ионы радиоцезия вступают в ионно-обменные реакции с ионами глинистых частиц почвенно-поглощающего комплекса, где прочно фиксируются, изоморфно замещая калий в кристаллических решетках. Ионы двухвалентного стронция-90 практически не участвуют в таких ионно-обменных реакциях, поэтому стронций-90 не поглощается ППК и находится в почве в подвижном состоянии.
Радионуклиды 3Н, 14С, 129I мигрируют в виде летучих соединений на большие расстояния. Они переносятся из почвы, воды и растений в атмосферу. Их миграция зависит от дыхания и фотосинтеза растений, от разложения органических остатков и от окислительно-восстановительных реакций.
Тяжелые металлы. Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные 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 (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:
1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;
2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;
3. Токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.
Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм. Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное. Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Источник