Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами
Дата публикации: 22.12.2017 2017-12-22
Статья просмотрена: 12989 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
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