Загрязнение почв тяжелыми металлами водяницкий

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды становится все более серьезной проблемой и вызывает серьезную озабоченность из-за негативных последствий, которые оно вызывает во всем мире. Эти неорганические загрязнители выбрасываются в воду, почву и в атмосферу из-за быстро растущего сельского хозяйства и металлургической промышленности, неправильной утилизации отходов, удобрений и пестицидов. Некоторые металлы влияют на биологические функции и рост, в то время как другие металлы накапливаются в одном или нескольких органах, вызывая множество серьезных заболеваний, в том числе и рака.

С чем связано загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами?

Тяжелые металлы – хорошо известные загрязнители окружающей среды из-за их токсичности, стойкости в окружающей среде и биоаккумуляционной природы. Различают следующие их источники:

1. Естественные – включают выветривание металлосодержащих пород и извержения вулканов;
2. Антропогенные – включают горнодобывающую промышленность и различные виды промышленной и сельскохозяйственной деятельности.

Горнодобывающая и промышленная переработка применяются в отрасли добычи полезных ископаемых. Их последующее применение для экономического развития привели к увеличению мобилизации этих элементов в окружающей среде. Из-за этого нарушены биогеохимические циклы.

Загрязнение водных и наземных экосистем токсичными тяжелыми металлами представляет собой экологическую проблему, вызывающую обеспокоенность населения. Являясь стойкими загрязняющими веществами, тяжелые металлы накапливаются в окружающей среде. Как следствие, они загрязняют пищевые цепи.

Накопление потенциально токсичных тяжелых металлов создает потенциальную угрозу здоровью их потребителей, включая людей. Наиболее опасные для окружающей среды тяжелые металлы и металлоиды включают Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As.

Проводятся всесторонние химические и токсикологические исследования опасных тяжелых металлов и металлоидов. Результаты показывают, что необходимо предпринять шаги для минимизации воздействия этих элементов на здоровье человека и окружающую среду.

Источники загрязнения тяжелыми металлами

Тяжелые металлы естественным образом присутствуют в земной коре с момента образования Земли. Увеличение использования их человеком привело к неизбежному выбросу токсичных металлов как в земную, так и в водную среду.

В большинстве случаев загрязнение тяжелыми металлами возникло из-за антропогенной деятельности. Она является основной причиной загрязнения из-за следующего:

• добычи металлов, плавки, литья;
• других отраслей, в которых используются металлы;
• выщелачивания металлов из различных источников, в том числе и из мусорных свалок;
• экскрементов, домашнего скота и куриного помета;
• стоков, автомобилей и дорожных работ.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами связано с использованием достижений научно-технической революции в аграрном секторе. Это происходит, например, из-за применения пестицидов, инсектицидов, удобрений и т.п.

Естественные причины могут также увеличивать загрязнение тяжелыми металлами. К ним относятся вулканическая активность, коррозия металлов, испарение металлов из почвы и воды, повторное взвешивание отложений, эрозия почвы, геологическое выветривание.

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду

Загрязнение тяжелыми металлами становится серьезной проблемой во всем мире. Оно набирает обороты из-за увеличения использования и обработки таких металлов во время различных видов деятельности для удовлетворения потребностей быстро растущего населения. Почва, вода и воздух – основные компоненты окружающей среды, на которые влияет загрязнение тяжелыми металлами.

Загрязнение тяжелыми металлами почв

К попаданию в почву и ее загрязнению приводят:

• промышленные выбросы;
• удаление отходов с высоким содержанием металлов;
• этилированный бензин и краски;
• внесение удобрений на землю, пестициды, навоз;
• осадки сточных вод;
• остатки от сжигания угля и разлив нефтехимических веществ.

Было отмечено, что почвы являются основными поглотителями тяжелых металлов, выбрасываемых в окружающую среду в результате вышеупомянутой антропогенной деятельности. Большинство не подвергаются микробной или химической деградации, поскольку они не разлагаются. Их общие концентрации сохраняются в течение длительного времени после попадания в окружающую среду.

Присутствие тяжелых металлов в почвах является серьезной проблемой из-за их наличия в пищевых цепочках, разрушающих всю экосистему. Поскольку органические загрязнители могут быть биоразлагаемыми, скорость их биоразложения снижается из-за присутствия тяжелых металлов в окружающей среде. Это удваивает загрязнение окружающей среды, увеличивает присутствующие органические загрязнители и тяжелые металлы.

Существуют различные способы, которыми тяжелые металлы представляют опасность для людей, животных, растений и экосистем в целом. К таким путям относятся:

• прямое попадание в организм;
• поглощение растениями;
• пищевые цепи;
• потребление загрязненной воды;
• изменение pH почвы, пористости, цвета и ее естественного химического состава, что, в свою очередь, влияет на качество почвы.

Загрязнение тяжелыми металлами воды

Хотя существует множество источников загрязнения воды, индустриализация и урбанизация являются двумя виновниками повышенного уровня загрязнения воды тяжелыми металлами. Они переносятся стоками промышленных предприятий, муниципалитетов и городских территорий. Загрязнение водоемов тяжелыми металлами происходит из-за их накопления в почве и отложениях водоемов. Они очень токсичны и создают серьезные проблемы для здоровья людей и других экосистем.

Опасность загрязнение воды для человека определяется уровнем токсичности металла, который зависит от таких факторов:

• организмы, которые подвергаются его воздействию;
• его природа и биологическая роль;
• период, в течение которого организмы подвергаются воздействию металла.

Пищевые цепи символизируют взаимоотношения между организмами экосистемы. Следовательно, загрязнение воды тяжелыми металлами влияет на все организмы в этой цепи. Люди, питающиеся на самом высоком уровне, более склонны к серьезным проблемам со здоровьем. Причина – концентрация тяжелых металлов в пищевой цепи увеличивается.

Загрязнение тяжелыми металлами атмосферы

Индустриализация и урбанизация, вызванные быстрым ростом населения мира, в последнее время сделали загрязнение воздуха серьезной экологической проблемой во всем мире. Загрязнение воздуха увеличивается с помощью пыли и твердых частиц (ТЧ), которые выбрасываются в результате естественных и антропогенных процессов.

Природные процессы, которые приводят к выбросу твердых частиц в воздух, включают:

• пыльные бури;
• эрозию почвы;
• извержения вулканов;
• выветривание горных пород.

Антропогенная деятельность в большей степени связана с промышленностью и транспортом. Именно они влияют на загрязнение атмосферы тяжелыми металлами. Последствия могут привести к серьезным проблемам со здоровьем:

• раздражение кожи и глаз;
• респираторные инфекции;
• преждевременная смертность;
• сердечно-сосудистые заболевания.

Данные загрязнители также вызывают ухудшение инфраструктуры, коррозию, образование кислотных дождей, эвтрофикацию и дымку. Тяжелые металлы, такие как металлы группы 1 (Cu, Cd, Pb), металлы группы 2 (Cr, Mn, Ni, V и Zn) и металлы группы 3 (Na, K, Ca, Ti, Al, Mg, Fe) происходят из промышленных зон, транспортных средств и естественных источников.

Чтобы защитить здоровье человека, растений, животных, почвы и всех компонентов окружающей среды, должное и тщательное внимание следует уделять технологиям восстановления тяжелых металлов. На текущий момент большинство физических и химических технологий их восстановления требуют обработки большого количества ила, разрушают окружающие экосистемы, и они очень дороги.

Источник

Загрязнение почв тяжелыми металлами водяницкий

В условиях техногенной насыщенности тяжелыми металлами почв остается актуальным вопрос разгрузки земель агроландшафта от нарастающего загрязнения, для дальнейшего экологически безопасного и рационального их использования. Успешное решение этого вопроса зависит от грамотного подхода к изучению источника загрязнения, а также рассмотрения закономерностей их распространения в ландшафтах участка.

Занимая второе место по степени опасности, тяжелые металлы уступают лишь пестицидам, оставляя далеко позади такие загрязнители, как широко распространенные двуокись серы и углерода. Имеется перспектива обогнать опасные твердые отходы и еще более опасные отходы атомных электростанций. Частое использование тяжелых элементов в промышленном производстве – причина широкого распространения загрязнения ими [1].

Чуть более чем 40 элементов с атомной массой 50 и выше атомных единиц: Cr, V, Cu, Mn, Co, Zn, Ni, Fe, Hg, Sn, Mo, Pb, Cd, Bi и др. – являлись основной целью исследования – экологического мониторинга и изучения загрязнения окружающей среды. Металлы с плотностью 5 г/см3 и более являются тяжелыми (классификация Н. Реймерса) [2]. К категорированию тяжелых металлов относят их токсичность в низких концентратах для живых организмов, способность к биологической аккумуляции и магнификации. По опасности нежелательной концентрации тяжелые металлы, металлоиды подразделяют на 3 класса: высоко опасные элементы – Cd, As, Se, Hg, F, Pb, Zn; умеренно опасные элементы – Co, B, Mo, Ni, Cr, Sb, Cu; мало опасные элементы – V, Ba, W, Mn, Sr [3].

Прогрессирующая урбанизация и, как следствие, огромное количество бытовых отходов и их утилизация – главная причина экологических проблем и загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день вокруг всех крупных городов имеются полигоны твердых бытовых отходов (ТБО), где хранятся и частично утилизируются ТБО. Анализ последних лет показал, что в Узбекистане образуется более 100 млн т промышленных отходов, на долю бытового мусора приходится около 35 млн т в год. Согласно открытым данным, на площадях в 12 тыс. га отстаивается 2 млн т промышленных, бытовых, а также строительных отходов [4].

Процесс хранения и утилизация (в основном сжигание) могут влиять на изменение структуры и свойств почвенного покрова, динамику плодородия и агроэкологическое состояние почв. Одним из негативных воздействий полигонов ТБО на почвенный покров может быть их загрязнение тяжелыми металлами, так как среди бытовых отходов также могут оказаться предметы, содержащие металлические части. В процессе хранения, утилизации они могут попасть в почвенный покров. Например, И.Н. Бузиновой установлено, что в Харьковской области на территории близ полигона ТБО содержание тяжелых металлов подвижных форм в почвах превышает ПДК в 5 раз, это создает критическую экологическую ситуацию, также установлены условия распространения тяжелых металлов в ландшафтах участка [5].

Так же как в зоне Балаковского полигона, для почв в местах захоронения отходов опасно загрязнение такими тяжелыми элементами, как Zn, Cu и Ni, где они образуют большие площадные аномалии. Пики высоких концентраций тяжелых элементов группируются у северо-восточных, а также юго-западных границ полигона. Также идет распространение в почвы частных садоводческих участков. Отдельные территории почв загрязнены опасными формами Zn и Cu. Причинами такого распространения загрязнения являлись, во-первых, пологий характер территории, позволяющий местным ветрам переносить аэрозольные выбросы тяжелых металлов с полигона; во-вторых, глинистый и суглинистый состав почв, активно сорбирующих Cu, Ni и Zn [6, 7].

Изучив состояние окружающей среды и природоохранные рекомендации в районе расположения полигонов ТБО Воронежской области Т.В. Ащихмина установила загрязнение почв и подземных вод с тяжелыми металлами и другими токсичными компонентами и разработала рекомендации по минимизации негативных последствий воздействия полигонов ТБО на окружающую среду [8]. Также изучением загрязнения почв и подземных вод вокруг полигонов ТБО занимались Ю.Н. Водяницкий, Д.В. Ладонин, А.Т. Савичев, Г.К. Лобачева, Н.В. Колодницковая и др. [9–10].

Мониторинг окружающей среды в Узбекистане закреплен Постановлением Кабинета Министров № 273 от 23.08.2016 г. Об утверждении программы мониторинга окружающей природной среды в Республике Узбекистан на 2016–2020 гг., где приведены главные механизмы и мероприятия реализации мониторинга окружающей среды. Сформирован перечень основных природных и техногенных источников загрязнения окружающей среды, разработаны современные методики выполнения измерений, проработана материально-техническая база экологически-аналитических лабораторий [11].

В последние годы изучением влияния промышленных предприятий и прилегающих зон на окружающую среду, а также формами тяжелых металлов в почвах и их влиянием на микроорганизмы почвенного покрова Ахангаранского района занимался Н.Э. Шукуров [12–13]. Изучая концентрации тяжелых металлов в почвах, Шукуров установил, что содержание тяжелых металлов всегда увеличивается с приближением к очагу загрязнения (Ангренская ТЭС, горнопромышленные предприятия АГМК) и уменьшается по мере удаления от него [12]. Валовые содержания тяжелых металлов в почвенных пробах распределяются по ряду Zn > Cu > Pb > Cr > Ni в Альмалыке и Zn > Pb > Cu > Ni > Cr в Ангрене. Также в верхних слоях почвенного покрова отмечаются более высокие содержания тяжелых металлов, чем в нижних слоях.

Формы нахождения техногенных элементов-токсикантов в почвах, отобранных вблизи предприятий АГМК и Ангренской ТЭС, представлены весьма сложными составами первичных и вторичных рудных минералов, различных шаровидных техногенных новообразований. В пробах Алмалыка встречаются шарики, состоящие из чистой меди и цинка, большинство из них – это смеси металлов и их окислов. В некоторых почвенных пробах, отобранных на территории цинкового завода, наблюдаются явные сфероидальные (шаровые) структуры. В периферийных слоях большинства этих шариков содержатся послойно ( %): Pb – до 61,03, Zn – до 73,49, Cu – до 55,72, S – до 26,73 и др. В их ядрах обнаружены дендриты, срастающие в большом количестве железо (до 58 %), а в других зернах наблюдается срастание железа с медью. Тяжелые фракции Ангренских почв состоят в основном из различных шариков, состоящих из окислов железа [12].

Загрязнение почв тяжелыми металлами негативно влияет на мир микроорганизмов почвенного покрова Ангрен-Алмалыкского промышленного района (Ахангаран). На основе изучения содержания тяжелых металлов и микроорганизмов установлено, что в сильно загрязненных тяжелыми металлами почвах количество микроорганизмов значительно ниже, чем в незагрязненных или мало загрязненных почвах. Различные показатели экосистемы микроорганизмов (общие количества нематод, базальное дыхание, микробная биомасса C, N, микробный коэффициент) увеличиваются по удалении от источников загрязнения почв тяжелыми металлами [13].

Попадание техногенных бытовых отходов в плодородные земли оказывает сильное влияние на активность бактерий, микроорганизмов, а также питательные вещества (калий, фосфор, азот), это показали результаты последних исследований [14]. Идет распространение подвижного калия, фосфора и гумуса в почвах прилегающих зон полигона ТБО г. Ташкента. В накопившейся с годами искуственной биомассе стремительно повышается количество гумуса и углерода. Подвижный калий и фосфор увеличились при переваривании отдельных бытовых отходов (преимущественно пищевых), а также накопленных биомасс. В зональном удалении от полигонов бытовых отходов установлена тенденция к увеличению содержания подвижного фосфора и калия [15].

Полигон твердых бытовых отходов г. Ташкента расположен в Ахангаранском районе Ташкентской области. Район исследования представляет собой предгорные возвышенности, равнины, адыры и долины рек. Для континентального климата района характерны сухое и жаркое лето, холодная зиму. Характерна среднегодовая температура в +15,0 °C, со средними температурами -3,0 °C в январе, и +26,0 °C в июле. Абсолютный минимум -28 °C, максимум +50 °C. 220–280 мм – среднее количество осадков, выпадающих в год, основная их часть приходится на осень и весну. Вегетационный период длится 180 дней. Лугово-сероземные и сероземные почвы – основной характерный покров адыров.

Земля вокруг полигона ТБО города Ташкента в Ахангаранском районе орошается и используется в сельском хозяйстве для выращивания овощей. Отбор образцов производился в координатах:

41 °05’32.5″N / 69 °28’48.8″E; 41 °05’31.9″N / 69 °28’48.0″E; 41 °05’26.7″N / 69 °28’45.8″E; 41 °05’20.7″N / 69 °28’45.4″E; 41 °05’19.0″N / 69 °28’31.8″E; 41 °05’32,5″N / 69 °28’48,8″E; 41 °05’32,5″N / 69 °28’48,8″E; 41 °08’15.0″N / 69 °26’35.0″E; 41 °10’13.6″N / 69 °24’49.0″E [14].

Материалы и методы исследования

Для изучения степени загрязнения почв тяжелыми металлами пробы отбирали из слоев почвы 0–15 см и на различных расстояниях: 0; 0,2; 0,4; 0,6; 1,2; 3; 6 и 10 км от полигона. Также для изучения распределения тяжелых металлов по вертикали были отобраны почвенные пробы по разрезам глубиной до 2 м. После высушивания при комнатной температуре отобранные пробы были истерты до аналитического размера 0,045 мм. Определение содержания тяжелых металлов осуществлялось методом оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС). Полученные данные были сопоставлены с предельными допустимыми концентрациями (ПДК) и кларковыми содержаниями элементов в земной коре для определения степени загрязнения почв тяжелыми металлами. Также были сопоставлены содержания тяжелых металлов в почвах, отобранных в прилагающих территориях полигона ТБО и на удалении (6–10 км).

Результаты исследования и их обсуждение

Зола ТБО (проба 0 м), отобранная на территории полигона ТБО, содержит повышенные содержания Zn (1610 г/т), Pb (26,7 г/т), Cu (306 г/т), Cr (91,0 г/т) Se (9,08 г/т), из тяжелых металлов и металлоидов и S (12600), которая обычно образует различные (сульфиды, сульфаты) соединения с металлами и металлоидами (табл. 1). Поведение мышьяка As (8,78 г/т) и ванадия V (45,3 г/т) несколько отличается из остальных загрязнителей по удалению от источника загрязнения. Содержание их почти не меняется по удалению от ТБО. Это можно объяснить фоновым содержанием. По сравнению с содержаниями ПДК установлено высокое содержание мышьяка, которое в 3,6–7,2 раза выше нормы. Также превышают ПДК медь, сера во всех проанализированных пробах. Содержание цинка превышает в 165 раз ПДК в золах ТБО. В почвенных пробах содержание цинка близко к ПДК (67,3–100) или незначительно превышает его рядом с полигоном ТБО (105 г/т). Результаты работ показали, что остальные элементы в почве не превышают значений ПДК (табл. 1).

Содержание элементов в почвенных пробах по данным ИСП-ОЭС, г/т

Источник