Загрязнение сельскохозяйственных почв тяжелыми металлами

Особенности ведения сельского хозяйства на загрязненных тяжелыми металлами почвах

Многие тяжелые металлы, даже в очень малых количествах, способны вызывать онкологические, иммунологические и другие заболевания

Среди всех загрязнителей окружающей среды особое место занимают тяжелые металлы. Многие из них, даже в очень малых количествах, способны вызывать онкологические, иммунологические и другие заболевания. По экспертным оценкам, около 70% тяжелых металлов поступает в организм человека с продуктами питания.

Загрязнение территории тяжелыми металлами, в большинстве случаев, носит локальный характер. Наиболее сильно загрязнены земли вокруг крупных промышленных центров и мегаполисов. Высокие концентрации тяжелых металлов отмечаются в придорожных полосах, а также на сельскохозяйственных территориях, где использовались различные виды органических отходов в качестве удобрений. В таких местах содержание тяжелых металлов в почвах многократно превышает фоновое, а выращенная здесь растениеводческая продукция может накапливать их в концентрациях выше максимально допустимых уровней (МДУ). Цинк, свинец и кадмий относительно легкодоступны для растений, поэтому именно для этих элементов наиболее высоки риски накопления в опасных концентрациях.

В пригородных зонах крупных городов возникают антропогенные многоэлементные геохимические аномалии. Ширина их может достигать 10 км и более. На этих площадях содержание свинца, цинка, кадмия, никеля и меди в почвах часто превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). В таких местах трудно получить сельскохозяйственную продукцию, удовлетворяющую гигиеническим нормативам, в особенности, для производства детского питания. Вдоль дорожного полотна основным загрязнителем является свинец, его концентрация в почве превышает фоновые на расстоянии до 50, а порою и до 150 метров. Долговременная эксплуатация дорог приводит к постепенному накоплению в почвах прилегающих участков свинца, кадмия, цинка и меди.

Полиэлементные антропогенные аномалии формируются также в поймах рек ниже крупных городов. Как правило, они имеют вытянутую форму. На этих участках содержание хрома, свинца и никеля в пойменной растительности может значительно превышать МДУ в кормах для животноводства. Бесконтрольное использование осадков сточных вод и переработанных бытовых отходов в качестве удобрений приводит к появлению моно- и полиэлементных локальных аномалий на сельскохозяйственных территориях. Увлечение осадками сточных вод, в качестве дешевого удобрения, может привести к устойчивому загрязнению почв тяжелыми металлами и их заметному накоплению в продукции растениеводства.

Накопление тяжелых металлов в растениях зависит не только от их концентрации, но и от физико-химической формы. Большинство данных элементов быстро адсорбируется на поверхности частиц глинистых минералов, вследствие чего их биологическая доступность снижается. В ряду почв от легкого гранулометрического состава (песчаные) к более тяжелому (суглинистые) коэффициенты биологического накопления снижаются в 1,5–2,5 раза. Многие тяжелые металлы фиксируются в органическом веществе почвы. Наиболее прочно они удерживаются фульвокислотами. Поэтому с увеличением содержания гумуса в почве, переход тяжелых металлов в растения уменьшается. Особенно сильно органическое вещество почвы влияет на биологическую доступность меди и свинца. Миграционная способность тяжелых металлов увеличивается с падением почвенной рН. Проводя мероприятия, направленные на уменьшение кислотности почвы, можно одновременно снизить и переход тяжелых металлов в растения. Причем, чем выше уровень накопления тяжелых металлов в почве, тем сильнее сказывается рН почвы на их переход в растения. Часто подвижность тяжелых металлов зависит от характера увлажнения почвы. Как правило, цинк и свинец сильнее накапливаются в растениях на временно избыточно увлажняемых и глееватых почвах.

Базовые положения, позволяющие получать продукцию растениеводства с допустимым содержанием тяжелых металлов состоят в:

· Тщательной оценке пространственного распределения сельскохозяйственных земель по уровням загрязнения тяжелыми металлами;
· Прогнозе перехода тяжелых металлов в звене «почва – растения», основанном на литературных данных и предыдущем опыте;
· Использовании приемов снижения поступления тяжелых металлов в растения (при необходимости);
· Контроле за содержанием тяжелых металлов в выращиваемой продукции и кормах сельскохозяйственных животных;
· Мониторинге содержания тяжелых металлов в основных компонентах агроэкосистем.

Если содержание тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий достигло критических уровней, способных привести к превышению нормативов, то необходимо осуществление комплекса специальных мероприятий. Они должны носить как технологический, так и организационный характер. Прежде всего, целесообразна реализация следующих задач:

· Подбор культур, менее всего накапливающих тяжелые металлы в данных почвенных условиях. Правильный подбор культур позволяет добиться двух- – трехкратного снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции. При высоком содержании тяжелых металлов в почвах, рекомендуется высевать рапс на маслосемена, можно выращивать на этих землях озимые рожь и пшеницу, а также многолетние кормовые травы. К культурам, слабо накапливающим цинк, относятся гречиха, озимая рожь и яровая пшеница. Даже при сильном накоплении меди в почве (до 300 мг/кг) можно, практически без ограничений, выращивать зернофураж и многолетние кормовые травы.

· Известкование почв. Для этих целей можно использовать традиционные мелиоранты (известь, доломитовая мука), а можно вносить кальцийсодержащие отходы – карбонатный сапропель, дефекат сахарных заводов и т.п. С помощью известкования кислых почв можно снизить поступление тяжелых металлов в растения до 2 раз.

· Увеличение содержания органического вещества в почве. Данная задача выполняется с помощью органических удобрений, вермигумуса и некоторых отходов с высоким содержанием органических веществ, но без тяжелых металлов (нейтрализованный лигнин, компосты различного состава и т.п.). Хорошие результаты достигаются при внесении органики по предварительно известкованным почвам. Повышенное содержание гумуса в почве позволяет приблизительно в полтора раза снизить поступление меди и цинка в продукцию растениеводства.

· Обеспечение сбалансированного минерального питания растений, при котором достигается максимально высокая урожайность. «Эффект разбавления» позволяет существенно снизить накопление тяжелых металлов в растениях.

Таким образом, прогнозировать уровни содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции необходимо не только исходя из их содержания в почве, следует также учитывать агрохимические показатели, а также биологические особенности растений. Рациональный подбор культур и мелиоративных мероприятий позволяет добиться получения нормативно чистых урожаев даже на сильно загрязненных тяжелыми металлами почвах.

Александр Никитин,
канд. с-х. наук

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.