Загрязнение почв тяжелыми металлами цвет. Проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами и возможные пути их решения

S. Donahue - Загрязнение почв тяжелыми металлами Почво-грунты являются одним из важнейших компонентов сельскохозяйственной и городской среды, и в обоих случаях разумное управление является ключом к качеству почвы. Эта серия технических примечаний рассматривает техногенную деятельность человека, которая вызывает деградацию почв, а также методы управления, которые защищают городские почвы. Данная техническая записка посвящена загрязнению почвы тяжелыми металлами

Металлы в почве

Добыча, производство и использование синтетических веществ (например, пестициды, краски, промышленные отходы, бытовые и промышленные воды) может привести к загрязнению городских и сельскохозяйственных земель тяжелыми металлами. Тяжелые металлы также встречаются в природе, но редко в токсичных количествах. Потенциальное загрязнение почвы могут образоваться на старых свалках (особенно на тех, которые используются для промышленных отходов), в старых садах, на которых использовали пестициды, содержащие мышьяк в качестве активного ингредиента, на полях, которые в прошлом применялись под сточные воды или муниципальные осадки, в районах или вокруг горных отвалов и хвостохранилищ, промышленных районах, где химические вещества, возможно, были сброшены на землю в районах с подветренной стороны промышленных объектов.

Избыточные накопления тяжелых металлов в почвах является токсичным для человека и животных. Накопление тяжелых металлов, как правило, хроническое (воздействие в течение длительного периода времени), вместе с пищей. Острое (немедленное) отравления тяжелыми металлами происходит при проглатывании или кожном контакте. Хроническими проблемами, связанными с долгосрочным воздействием тяжелых металлов являются:

1. Свинец - психические расстройства.
2. Кадмий - влияет на почки, печень и желудочно-кишечный тракт.
3. Мышьяк - кожные заболевания, влияет на почки и центральную нервную систему.

Наиболее распространенными катионными элементами являются ртуть, кадмий, свинец, никель, медь, цинк, хром и марганец. Наиболее распространенными анионными элементами - мышьяк, молибден, селен, бор.

Традиционные способы восстановления загрязненных почв

Методы рекультивации почв и сельскохозяйственных культур может помочь предотвратить попадание загрязняющих веществ в растения, оставляя их в почве. Данные методы рекультивации не приведут к удалению тяжелых металлов загрязняющих веществ, но поможет для иммобилизации их в почву и уменьшить вероятность негативного последствия металлов. Обратите внимание, что вид металла (катион или анион) необходимо учитывать:

1. Увеличение рН почвы до 6,5 или выше. Катионные металлы более растворимы на более низких уровнях рН, поэтому повышение рН делает их менее доступными для растений и, следовательно, менее вероятно, будут включены в ткани растений и попадут в организм человека. Повышение рН имеет противоположный эффект на анионные элементы.
2. Слив во влажных почвах. Дренаж улучшает аэрацию почвы и позволит металлам окислятся, что делает их менее растворимыми и доступными. Обратное свойство будет наблюдаться для хрома, который является более доступным в окисленной форме. Активность органического вещества эффективно в снижении доступности хрома.
3. . Применение фосфатов. Применения фосфатов может привести к снижению доступности катионных металлов, но иметь противоположный эффект на анионных соединениях, таких как мышьяк. Применять фосфаты нужно разумно поскольку высокий уровень фосфора в почве может привести к загрязнению воды.
4. Тщательный подбор растений для использования на металлически загрязненных почвах Растения перемещают большое количество металлов в листьях, нежели их плоды или семена. Наибольший риск заражения пищевых продуктов в цепочке листовые овощи (салат или шпинат). Другой опасностью является поедание этих растений скотом.

Установки для экологической очистки

Исследования показали, что растения эффективны в очистке загрязненных почвы (Венцель и соавт., 1999). Фиторемедиация это общий термин использования растений для удаления тяжелых металлов или для содержания почвы в чистом состоянии, без загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, пестициды, растворители, сырая нефть, полициклические ароматические углеводороды. Например, степной травы могут стимулировать распад нефтепродуктов. Полевые цветы были недавно использованы для деградации углеводородов от разлива нефти в Кувейте. Гибридные виды тополей могут удалить химические соединения, такие как TNT, а также как высокое содержание нитратов и пестицидов (Brady и Weil, 1999).

Растения для обработки металлически загрязненных почв

Растения были использованы для стабилизации и удаления металлов из почвы и воды. Используется три механизма: фитоэкстракция, ризофильтрация и фитостабилизация.

Данная статья рассказывает о ризофильтрации и фитостабилизации, но основное внимание уделет фитоэкстракции.

Ризофильтрация - это адсорбция на корнях растений или поглощения корнями растений загрязнителей, которые находятся в окружающих корневую зону растворах (ризосфере).

Ризофильтрация используется для обеззараживания подземных вод. Растения, выращивают в теплицах. Загрязненная вода используется для акклиматизации растений в окружающей среде. Затем, эти растения высаживаются на месте загрязненных грунтовых вод, где корни фильтруют воды и загрязняющие вещества. Как только корни насыщаются загрязненными веществами, растения собирают. В Чернобыле, таким образом был использован подсолнечник, для удаления радиоактивных веществ в подземных водах (EPA, 1998)

Фитостабилизация - это использование многолетних растения для стабилизации или иммобилизации вредных веществ в почве и грунтовых водах. Металлы поглощаются и накапливаются в корнях, адсорбируются на корнях, или осаждаются в ризосфере. Также данные растения могут быть использованы для восстановления растительности, в местах, где не хватает естественной растительности, тем самым уменьшая риск водной и ветровой эрозии и выщелачивания. Фитостабилизация снижает подвижность загрязняющих веществ и предотвращает дальнейшее движение загрязненных веществ в грунтовые воды или воздух, и снижает попадание их в пищевые цепи.

Фитоэкстракция

Фитоэкстракция - это процесс выращивания растений в металлически загрязненной почвы. Корни перемещают металлы в надземные части растений, после чего эти растения собирают и сжигают или компостируют для переработки металлов. Несколько циклов роста сельскохозяйственных культур могут быть необходимы для уменьшения уровня загрязнения в допустимых пределах. Если растения сжигают, золу нужно утилизировать на свалках отходов.

Растения выращивающиеся для фитоэкстракции называют гипераккумуляторами. Они поглощают необычно большое количество металла по сравнению с другими растениями. Гипераккумуляторы могут содержать около 1000 миллиграмм на килограмм кобальта, меди, хрома, свинца, никеля, и даже 10 000 миллиграммов на килограмм (1%) марганца и цинка в сухом веществе (Baker и Брукс, 1989).

Фитоэкстракция проще для таких металлов, как никель, цинк, медь, потому что эти металлов предпочитают большинство из 400 растений гипераккумуляторов. Некоторые растения из рода Thlaspi (pennycress), как известно, содержат около 3% цинка в тканях. Эти растения можно использовать в качестве руды в связи с высокой концентрацией металла (Брэди и Вейля, 1999).

Из всех металлов, свинец является наиболее распространенным загрязнителем почвы (EPA, 1993). К сожалению, растения не накапливают свинец в природных условиях. Такие хелаторы, как ЭДТА (этилендиаминтетрауксусной кислоты) должны быть добавлены к почве. ЭДТА позволяет растениям извлекать свинец. Наиболее распространенным растением, используемым для извлечения свинца является индийская горчица (Brassisa juncea). Phytotech (частная исследовательская компания) сообщила, что они очистили плантации в Нью-Джерси, под промышленными стандартами с 1 по 2, при помощи индийской горчицы (Wantanabe, 1997).

Растения могут удалять цинк, кадмий, свинец, селен и никель из почвы на проектах, которые являются средне и долгосрочно перспективными.

Традиционная очистка на территориях может стоить от $ 10.00 и $ 100.00 за кубический метр (м3), в то время как удаление загрязненных материалов может стоить от $ 30.00 до $ 300 / м 3. Для сравнения, фитоэкстракция может стоить $ 0,05 / м3 (Watanabe, 1997).

Перспективы на будущее

Фиторемедиация была изучена в процессе исследования малых и полномасштабных приложений. Фиторемедиация может переместиться в сферу коммерциализации (Watanabe, 1997). Прогнозируется, что фиторемедиации рынка достигнет $ 214 до $ 370 млн. к 2005 году(Environmental Science & Technology, 1998). Учитывая нынешнюю эффективность фиторемедиации лучше всего подходит для очистки более широких областей, в которой загрязнители присутствуют в низких и средних концентрациях. Перед полной коммерциализацией фиторемедиации, необходимы дальнейшие исследования, чтобы удостоверится, что ткани растений, используемых для фиторемедиации не имеют неблагоприятного воздействия на окружающую среду, дикой природы или на человека (EPA, 1998). Исследования также необходимы, чтобы найти более эффективные биоаккумуляторы, которые производят больше биомассы. Существует необходимость для коммерческого извлечения металлов из растительной биомассы, так они могут быть переработаны. Фиторемедиация медленнее, чем традиционные методы удаления тяжелых металлов из почвы, но гораздо дешевле. Предупреждение загрязнения почвы намного дешевле, нежели исправление катастрофических последствий.

Список использованной литературы

1.Baker, A.J.M., and R.R. Brooks. 1989. Terrestrial plants which hyperaccumulate metallic elements - a review of their distribution, ecology, and phytochemistry. Biorecovery 1:81:126.
2. Brady, N.C., and R.R. Weil. 1999. The nature and properties of soils. 12th ed. Prentice Hall. Upper Saddle River, NJ.
3. Environmental Science & Technology. 1998. Phytoremediation; forecasting. Environmental Science & Technology. Vol. 32, issue 17, p.399A.
4. McGrath, S.P. 1998. Phytoextraction for soil remediation. p. 261-287. In R. Brooks (ed.) Plants that hyperaccumulate heavy metals their role in phytoremediation, microbiology, archaeology, mineral exploration and phytomining. CAB International, New York, NY.
5. Phytotech. 2000. Phytoremediation technology.

За счет антропогенной деятельности в окружающую среду поступает огромное количество различных химических элементов и их соединений - до 5 т органических и минеральных отходов на каждого человека ежегодно. От половины до двух третей этих поступлений остается в шлаках, золе, образуя локальные аномалии в химическом составе почв и вод.

Предприятия, строения, городское хозяйство, промышленные, бытовые и фекальные отходы населенных пунктов и промышленных районов не только отчуждают почву, но на десятки километров вокруг нарушают нормальную биогеохимию и биологию почвенно-экологических систем. В какой-то степени каждый город или индустриальный центр является причиной возникновения крупных биогеохи- мических аномалий, опасных для человека.

Источником тяжелых металлов являются, главным образом, промышленные выбросы. При этом лесные экосистемы страдают значительно больше, чем почвы сельскохозяйственных угодий и сельскохозяйственные культуры. Особо токсичными являются свинец, кадмий, ртуть, мышьяк и хром.

Тяжелые металлы, как правило, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах. Период полууда- ления тяжелых металлов из почвы (выщелачивание, эрозия, потребление растениями, дефляция) составляет в зависимости от типа почвы для:

• цинка - 70-510 лет;
• кадмия - 13-ПОлет;
• меди - 310-1500 лет;
• свинца - 740-5900 лет.

Сложные и иногда необратимые последствия влияния тяжелых металлов можно понять и предвидеть только на основе ландшафт- но-биогеохимического подхода к проблеме токсикантов в биосфере. Особенно влияют на уровни загрязнения и токсико-экологическую ситуацию следующие показатели:

• биопродуктивность почв и содержание в них гумуса;
• кислотно-основный характер почв и вод;
• окислительно-восстановительные условия;
• концентрация почвенных растворов;
• поглотительная способность почв;
• гранулометрический состав почв;
• тип водного режима.

Роль этих факторов изучена пока недостаточно, хотя именно почвенный покров является конечным приемником большинства техногенных химических веществ, вовлекаемых в биосферу. Почвы являются главным аккумулятором, сорбентом и разрушителем токсикантов.

Значительная часть металлов попадает в почвы от антропогенной деятельности. Рассеивание начинается с момента добычи руды, газа, нефти, угля и других полезных ископаемых. Цепочка рассеивания элементов прослеживается от добывающего рудника, карьера, далее потери происходят при транспортировке сырья на обогатительную фабрику, на самой фабрике рассеивание продолжается по технологической линии обогащения, затем в процессе металлургического передела, изготовления металлов и вплоть до отвалов, промышленных и бытовых свалок.

С выбросами промышленных предприятий в значительных количествах поступает широкий набор элементов, причем ЗВ не всегда связаны с основной продукцией предприятий, а могут входить в состав примесей. Так, вблизи свинцово-плавильного завода приоритетными загрязнителями, кроме свинца и цинка, могут быть кадмий, медь, ртуть, мышьяк, селен, а около предприятий, выплавляющих алюминий, - фтор, мышьяк, бериллий. Значительная часть выбросов предприятий поступает в глобальный круговорот - до 50 % свинца, цинка, меди и до 90 % ртути.

Годовая добыча некоторых металлов превосходит их природную миграцию, особенно значительно для свинца и железа. Очевидно все возрастающее давление техногенных потоков металлов на окружающую среду, в том числе и на почвы.

Близость расположения источника загрязнения сказывается на атмосферном загрязнении почв. Так, два крупных предприятия в Свердловской области - Уральский алюминиевый завод и Красноярская ТЭЦ - оказались источниками техногенного загрязнения атмосферного воздуха с выраженными границами выпадения техногенных металлов с атмосферными осадками.

Опасность загрязнения почв техногенными металлами из аэрозолей воздуха существует для любых видов почв и в любых местах города с той лишь разницей, что почвы, ближе расположенные к источнику техногенеза (металлургический комбинат, ТЭЦ, АЗС или подвижный транспорт) будут больше загрязнены.

Часто интенсивное действие предприятий распространяется на небольшую площадь, что приводит повышению содержания тяжелых металлов, соединений мышьяка, фтора, оксидов серы, серной кислоты, иногда соляной кислоты, цианидов в концентрациях, часто превышающих ПДК (табл. 4.1). Гибнут травяной покров, лесные насаждения, разрушается почвенный покров, развиваются эрозионные процессы. До 30-40 % тяжелых металлов из почвы может поступать в грунтовые воды.

Однако почва также служит мощным геохимическим барьером для потока ЗВ, но лишь до определенного предела. Расчеты показывают, что черноземы способны только в пахотном слое мощностью 0-20 см прочно фиксировать до 40-60 т/га свинца, подзолистые - 2-6 т/га, а почвенные горизонты в целом - до 100 т/га, но при этом в самой почве возникает острая токсикологическая ситуация.

Еше одна особенность почвы - способность активно трансформировать поступающие в нее соединения. В этих реакциях принимают участие минеральные и органические компоненты, возможна трансформация биологическим путем. При этом наиболее распространены процессы перехода водорастворимых соединений тяжелых металлов в труднорастворимые (оксиды, гидроксиды, соли с низким произвеТаблица 4.1. Перечень источников загрязнения и химических элементов, накопление которых возможно в почве в зоне влияния этих источников (Методические указания МУ 2.1.7.730-99 «Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест»)

Источники загрязнения	Тип производства	Коэффициент концентрирования К с
Цветная металлургия	Производство цветных металлов из руд и концентратов	Pb, Zn, Си, Ag	Sn, As, Cd, Sb, Hg, Se, Bi
	Вторичная переработка цветных металлов	Pb, Zn, Sn, Си
	Производство твердых и тугоплавких цветных металлов
	Производство титана	Ag, Zn, Pb, В, Си	Ti, Mn, Mo, Sn, V
Черная металлургия	Производство легированных сталей	Со, Mo, Bi, W, Zn
	Железорудное производство
Машиностроительная и металлообрабатывающая про- мышленность	Предприятия с термической обработкой металлов (без литейных цехов)		Ni, Cr, Hg, Sn, Си
	Производство свинцовых аккумуляторов
	Производство приборов для электронной и электротехнической промышленности
Химическая промышленность	Производство суперфосфата		Редкие земли, Cu, Cr, As, It
	Производство пластмасс
Промышленность стройматериалов	Производство цемента
Полиграфическая промышленность	Шрифтолитейные заводы, типографии
Твердые бытовые отходы		Pb, Cd, Sn, Си, Ag, Sb, Zn
Осадки канализационных сточных вод		Pb, Cd, V, Ni, Sn, Cr, Си, Zn

дением растворимости ПР) в составе почвенного поглощающего комплекса (ППК): органическое вещество образует с ионами тяжелых металлов комплексные соединения. Взаимодействие ионов металлов с компонентами почвы происходит по типу реакций сорбции, осаждения-растворения, комплексообразования, образования простых солей. Скорость и направление процессов трансформации зависят от pH среды, содержания тонкодисперсных частиц, количества гумуса.

Для экологических последствий загрязнения почв тяжелыми металлами существенное значение приобретают величины концентраций и формы нахождения тяжелых металлов в почвенном растворе. Подвижность тяжелых металлов тесно связана с составом жидкой фазы: низкая растворимость оксидов и гидроксидов тяжелых металлов обычно наблюдается в почвах с нейтральной или щелочной реакцией. Напротив, мобильность тяжелых металлов наиболее высока при сильнокислой реакции почвенного раствора, поэтому токсическое влияние тяжелых металлов в сильнокислых таежно-лесных ландшафтах может быть весьма существенным по сравнению с нейтральными или щелочными почвами. Токсичность элементов для растений и живых организмов непосредственно связана с их подвижностью в почвах. Помимо кислотности на токсичность влияют свойства почв, обусловливающие прочность фиксации поступающих ЗВ; существенное влияние оказывает совместное присутствие различных ионов.

Наибольшую опасность для высших организмов, в том числе и для человека, представляют последствия микробной трансформации неорганических соединений тяжелых металлов в комплексные соединения. Последствиями загрязнения металлами может быть и нарушение почвенных трофических цепей в биогеоценозах. Возможно также изменение целых комплексов, сообществ микроорганизмов и почвенных животных. Тяжелые металлы ингибируют важные микробиологические процессы в почве - трансформацию соединений углерода - так называемое «дыхание» почвы, а также азотфиксацию.

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники:

• 1. отходы металлообрабатывающей промышленности;
• 2. промышленные выбросы;
• 3. продукты сгорания топлива;
• 4. автомобильные выхлопы отработанных газов;
• 5. средства химизации сельского хозяйства

Загрязнение почв в результате, как природных факторов, так и главным образом антропогенных источников не только изменяет ход почвообразовательных процессов, что приводит к снижению урожая, ослабляет самоочищение почв от вредных организмов, но и оказывает прямое или косвенное (через растения, растительные или животные продукты питания) влияние. Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и на здоровье человека.

Тяжёлые металлы по степени токсического действия на окружающую среду подразделяются на три класса опасности:1. As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn, Ti;

• 2. Co, Ni, Mo, Cu, So, Cr;
• 3. Bar, V, W, Mn, Sr.

Влияние загрязнения на урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции.

Нарушения, происходящие в растительных организмах под действием избытка тяжёлых металлов, приводят к изменению урожайности и качества растениеводческой продукции (в первую очередь за счёт увеличения содержания самих металлов. Проведение мероприятий по санации загрязнённых тяжелыми металлами почв само по себе не может гарантировать получение высоких урожаев экологически безопасной сельскохозяйственной продукции. Подвижность тяжелых металлов и доступность их для растений в значительной степени контролируются такими свойствами почв как кислотно-щелочные условия, окислительно-восстановительные режимы, содержание гумуса, гранулометрический состав и связанная с ними емкость поглощения. Поэтому прежде чем переходить к разработке конкретных мероприятий по восстановлению плодородия загрязненных почв, необходимо определить критерии их классификации по опасности загрязнения тяжелых металлов, базирующиеся на совокупности физико-химических свойств. При высоких уровнях загрязнения почв тяжелыми металлами урожайность сельскохозяйственных культур резко падает.

В почвах токсичные уровни загрязняющих веществ медленно накапливаются, но зато долго в ней сохраняются, негативно влияя на экологическую обстановку целых регионов. Почвы загрязнённые тяжёлыми металлами и радионуклидами очистить практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую зелёную массу; такие культуры извлекают из почвы токсичные элементы, а затем собранный урожай подлежит уничтожению. Но это довольно длительная и дорогостоящая процедура. Можно снизить подвижность токсичных соединений и поступление их в растения, если повысить рН почв известкованием или добавлять большие дозы органических веществ, например торфа. Неплохой эффект может дать глубокая вспашка, когда верхний загрязнённый слой почвы при вспашке опускают на глубину 50-70 см, а глубокие слои почвы поднимают на поверхность. Для этого можно воспользоваться специальными многоярусными плугами, но при этом глубокие слои всё равно остаются загрязнёнными. Наконец, на загрязнённых тяжёлыми металлами (но не радионуклидами) почвах можно выращивать культуры, не используемые в качестве продовольствия или кормов, например цветы. С 1993 г. на территории РБ осуществляется агроэкологический мониторинг за основными токсикантами окружающей среды - тяжелыми металлами, пестицидами и радионуклидами. На территории района, в котором находится хозяйство, превышение ПДК тяжелыми металлами выявлено не было.

Тяжелые металлы - биохимически активные элементы, входящие в круговорот органических веществ и воздействующие преимущественно на живые организмы. К тяжелым металлам относятся такие элементы, как свинец, медь, цинк, кадмий, никель, кобальт и ряд других.

Миграция тяжёлых металлов в почвах зависит, прежде всего, от щёлочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, определяющих разнообразие почвенно-геохимических обстановок. Важную роль в миграции тяжелых металлов в профиле почв играют геохимические барьеры, в одних случаях усиливающие, в других ослабляющие (в силу способности к консервации) устойчивость почв к загрязнению тяжелыми металлами. На каждом из геохимических барьеров задерживается определённая группа химических элементов, обладающая сходными геохимическими свойствами.

Специфика основных почвообразовательных процессов и тип водного режима обусловливают характер распределения тяжелых металлов в почвах: накопление, консервацию или вынос. Выделены группы почв с накоплением тяжелых металлов в разных частях почвенного профиля: на поверхности, в верхней, в средней части, с двумя максимумами. Кроме того, выделены почвы в зоне , которым присуща концентрация тяжелых металлов за счёт внутрипрофильной криогенной консервации. Особую группу образуют почвы, где в условиях промывного и периодически промывного режимов происходит вынос тяжелых металлов из профиля. Внутрипрофильное распределение тяжелых металлов имеет большое значение для оценки загрязнения почв и прогноза интенсивности аккумуляции в них загрязнителей. Характеристика внутрипрофильного распределения тяжелых металлов дополнена группировкой почв по интенсивности их вовлечения в биологический круговорот. Всего выделено три градации: высокая, умеренная и слабая.

Своеобразна геохимическая обстановка миграции тяжелых металлов в почвах речных пойм, где при повышенной обводнённости значительно возрастает подвижность химических элементов и соединений. Специфика геохимических процессов здесь обусловлена, прежде всего, резко выраженной сезонностью смены окислительно-восстановительных условий. Это связано с особенностями гидрологического режима рек: продолжительностью весенних, наличием или отсутствием осенних паводков, характером меженного периода. Длительность затопления паводковыми водами пойменных террас определяет преобладание либо окислительных (кратковременное затопление поймы), либо окислительно-восстановительных (долгопоёмный режим) условий.

Наибольшим техногенным воздействиям площадного характера подвергаются пахотные почвы. Основной источник загрязнения, с которым в пахотные почвы поступает до 50 % общего количества тяжелых металлов, - фосфорные удобрения. Для определения степени потенциального загрязнения пахотных почв проведен сопряженный анализ свойств почв и свойств загрязнителя: учитывались содержание, состав гумуса и гранулометрический состав почв, а также щелочно-кислотные условия. Данные по концентрации тяжелых металлов в фосфоритах месторождений разного генезиса позволили рассчитать их среднее содержание с учетом приблизительных доз внесения удобрений в пахотные почвы разных районов. Оценка свойств почв соотнесена с величинами агрогенной нагрузки. Совокупная интегральная оценка легла в основу выделения степени потенциального загрязнения почв тяжелыми металлами.

Наиболее опасны по степени загрязнения тяжелыми металлами почвы многогумусовые, глинисто-суглинистые с щелочной реакцией среды: темно-серые лесные, и темно-каштановые - почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью. Повышенной опасностью загрязнения почв тяжелыми металлами характеризуются также Московская и Брянская области. обстановка с дерново-подзолистыми почвами не способствует здесь аккумуляции тяжелых металлов, однако в этих областях техногенная нагрузка велика и почвы не успевают «самоочищаться».

Эколого-токсикологическая оценка почв на содержание тяжелых металлов показала, что 1,7 % земель сельскохозяйственного назначения загрязнено веществами I класса опасности (высокоопасными) и 3,8 % - II класса опасности (умеренно опасными). Загрязнение почв с содержанием тяжелых металльов и мышьяка выше установленных норм выявлено в Республике Бурятия, Республике Дагестан, Республике , Республике Мордовия, Республике Тыва, в Красноярском и Приморском краях, в Ивановской, Иркутской, Кемеровской, Костромской, Мурманской, Новгородской, Оренбургской, Сахалинской, Читинской областях.

Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и . Оценка опасности загрязнения почв комплексом тяжелых металлов проводилась по суммарному показателю Zc.

Загрязнение почв по величине зон делится на фоновое, локальное, региональное и глобальное Фоновое загрязнение близкое к его естественного состава. Локальным считается загрязнение почвы вблизи одного или нескольких источников загрязнения. Региональным загрязнения считается при переносе загрязняющих веществ до 40 км от источника загрязнения, а глобальным - при загрязнении почв нескольких регионов.

По степени загрязнения почвы делятся на сильно загрязненные, средне загрязненные, слабо загрязненные.

В сильнозагрязненных почвах количество загрязняющих веществ в несколько раз превышает ПДК. Они имеют ряд биологическую продуктивность и существенные изменения физико-химических, химических и биологических характеристик, в результате чего содержание химических веществ в выращиваемых культурах превышает норму. В средне загрязненных почвах превышение ПДК незначительное, что не приводить к заметным изменениям его свойств.

В слабозагрязненных почвах содержание химических веществ не превышает ПДК, но превышает фон.

Загрязнение земель зависит в основном от класса опасных веществ, которые попадают в почву:

1 класс - высокоопасные вещества;

2 класс - умеренно опасные вещества;

3 класс - малоопасные вещества.

Класс опасности веществ устанавливается по показателям .

Таблица 1 - Показатели и классы опасных веществ

Загрязнение почв радиоактивными веществами обусловлено главным образом испытанием в атмосфере атомного и ядерного оружия, которое не прекращено отдельными государствами и на сегодня. Выпадая с радиоактивными осадками, 90 Sr, 137 Cs и другие нуклиды, поступая в растения, а затем в продукты питания и организм человека, вызывают радиоактивное заражение, обусловленное внутренним облучением .

Радионуклиды - химические элементы, способные к самопроизвольному распаду с образованием новых элементов, а также образованные изотопы любых химических элементов. Химические элементы, способные к самопроизвольному распаду называются радиоактивными. Наиболее употребляемый синоним ионизирующей радиации - радиоактивное излучение.

Радиоактивное излучение - естественный фактор в биосфере для всех живых организмов, да и сами живые организмы обладают определенной радиоактивностью. Среди биосферных объектов почвы обладают наиболее высокой естественной степенью радиоактивности.

Однако, в 20 веке человечество столкнулось с радиоактивностью запредельно превышающей естественную, а следовательно, и биологически аномальную. Первыми пострадавшими от избыточных доз радиации были великие ученые, открывшие радиоактивные элементы (радий, полоний) супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. А затем: Хиросима и Нагасаки, испытания атомного и ядерного оружия, многие катастрофы, в том числе Чернобыльская и т.д. Огромные пространства были загрязнены долгоживущими радионуклидами - 137 Cs и 90 Sr. Согласно действующему законодательству, одним из критериев отнесения территорий к зоне радиоактивного загрязнения является превышение плотности загрязнения 137 Cs величины 37 кБк/м 2 . Такое превышение было установлено на 46,5 тыс. км 2 во всех областях Беларуси.

Уровни загрязнения территории 90 Sr выше 5,5 кБк/м 2 (законодательно установленный критерий) были выявлены на площади 21,1 тыс. км 2 в Гомельской и Могилевской областях, что составляло 10 % от территории страны. Загрязнение изотопами 238,239+240 Pu с плотностью более 0,37 кБк/м 2 (законодательно установленный критерий) охватывало около 4,0 тыс. км 2 , или около 2 % территории, в основном в Гомельской области (Брагинский, Наровлянский, Хойникский, Речицкий, Добрушский и Лоевский районы) и Чериковском районе Могилевской области.

Природные процессы распада радионуклидов за 25 лет, прошедших после чернобыльской катастрофы, внесли коррективы в структуру их распределения по регионам Беларуси. За этот период уровни и площади загрязнения сократились. С 1986 по 2010 г. площадь территории, загрязненной 137 Cs с плотностью выше 37 кБк/м 2 (выше 1 Ки/км 2), уменьшилась с 46,5 до 30,1 тыс. км 2 (с 23 % до 14,5 %). По загрязнению 90 Sr с плотностью 5,5 кБк/м 2 (0,15 Ки/км 2) этот показатель снизился - с 21,1 до 11,8 тыс. км 2 (с 10 % до 5,6 %) (Таблица 2).

загрязнение техногенный земля радионуклид

Таблица 2 - Загрязнение территории Республики Беларусь 137Cs в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС (на 1.01.2012 г.)

	Площадь сельскохозяйственных земель, тыс. гa
Загрязненных 137 Cs	в том числе с плотностью загрязнения, кБк/м 2 (Ки/км 2)
37+185 (1.0+4.9)	185+370 (5.0+9.9)	370+555 (10.0+14.9)	555+1110 (15.0+29.9)	1110+1480 (30.0+39.9)
Брестская
Витебская
Гомельская
Гродненская
Могилевская
Республика Беларусь

Наиболее значимыми объектами биосферы, определяющими биологические функции всего живого, являются почвы.

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность почв вызывается естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах.

Естественные радионуклиды подразделяют на 3 группы. Первая группа включает радиоактивные элементы - элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран (238 U, 235 U), торий (232 Th), радий (226 Ra) и радон (222 Rn, 220 Rn). Во вторую группу входят изотопы «обычных» элементов, обладающие радиоактивными свойствами: калий (40 К), рубидий (87 Rb), кальций (48 Са), цирконий (96 Zr) и др. Третью группу составляют радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей: тритий (3 Н), бериллий (7 Ве, 10 Ве) и углерод (14 С).

По способу и времени образования радионуклиды подразделяют на: первичные - образовавшиеся одновременно с образованием планеты (40 К, 48 Сa, 238 U); вторичные продукты распада первичных радионуклидов (всего 45 - 232 Th, 235 U, 220 Rn, 222 Rn, 226 Ra и др.); индуцированные - образовавшиеся под действием космических лучей и вторичных нейтронов (14 С, 3 Н, 24 Na). Всего насчитывают более 300 природных радионуклидов . Валовое содержание естественных радиоактивных изотопов в основном зависит от почвообразующих пород. Почвы, сформировавшиеся на продуктах выветривания кислых пород, содержат радиоактивных изотопов 24 больше, чем образовавшиеся на основных и ультраосновных породах; тяжелые почвы содержат их больше, чем легкие.

Естественные радиоактивные элементы распределяются по профилю почв обычно относительно равномерно, но в некоторых случаях они аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах. В почвах и породах присутствуют преимущественно в прочносвязанной форме.

Искусственная радиоактивность почв обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Образование изотопов в почвах может происходить вследствие наведенной радиации. Наиболее часто искусственное радиоактивное загрязнение почв вызывают изотопы 235 U, 238 U, 239 Pu, 129 I, 131 I, 144 Ce, 140 Ba, 106 Ru, 90 Sr, 137 Cs и др.

Экологические последствия радиоактивного загрязнения почв заключаются в следующем. Включаясь в биологический круговорот, радионуклиды через растительную и животную пищу попадают в организм человека и, накапливаясь в нем, вызывают радиоактивное облучение. Радионуклиды, подобно многим другим загрязняющим веществам, постепенно концентрируются в пищевых цепях.

В экологическом отношении наибольшую опасность представляют 90 Sr и 137 Cs. Это обусловлено длительным периодом полураспада (28 лет 90 Sr и 33 года 137 Cs), высокой энергией излучения и способностью легко включаться в биологический круговорот, в цепи питания. Стронций по химическим свойствам близок к кальцию и входит в состав костных тканей, а цезий близок к калию и включается во многие реакции живых организмов.

Искусственные радионуклиды закрепляются в основном (до 80-90%) в верхнем слое почвы: на целине - слое 0-10 см, на пашне - в пахотном горизонте. Наибольшей сорбцией обладают почвы с высоким содержанием гумуса, тяжелым гранулометрическим составом, богатые монтмориллонитом и гидрослюдами, с непромывным типом водного режима. В таких почвах радионуклиды способны к миграции в незначительной степени. По степени подвижности в почвах радионуклиды образуют ряд 90 Sr > 106 Ru > 137 Ce > 129 J > 239 Pu. Скорость естественного самоочищения почв от радиоизотопов зависит от скоростей их радиоактивного распада, вертикальной и горизонтальной миграции. Период полураспада радиоактивного изотопа - время, необходимое для распада половины количества его атомов.

Таблица 3 - Характеристика радиоактивных веществ

			Керма-постоянная	Гамма-постоянная	Дозовый коэффициент облучения	Период полураспада
					1,28-10 6 лет
	Марганец
	Стронций
	Прометий
				138,4 суток
	Плутоний					2.44 -104 лет

Радиоактивность в живых организмах обладает накопительным эффектом. Для человека величина ЛД 50 (летальная доза, облучение в которой вызывает 50 % гибель биообъектов) составляет 2,5-3,5 Гр.

Доза 0,25 Гр считается условно нормальной для внешнего облучения. 0,75 Гр облучение всего тела человека или 2,5 Гр облучение щитовидной железы от радиоактивного йода 131 I требуют мер по радиационной защите населения.

Особенность радиоактивного загрязнения почвенного покрова заключается в том, что количество радиоактивных примесей чрезвычайно мало, и они не вызывают изменений основных свойств почвы - рН, соотношения элементов минерального питания, уровня плодородия.

Поэтому, в первую очередь, следует лимитировать (нормировать) концентрации радиоактивных веществ, поступающих из почвы в продукцию растениеводства. Поскольку в основном радионуклиды являются тяжелыми металлами, то основные проблемы и пути нормирования, санации и охраны почв от загрязнения радионуклидами и тяжелыми металлами в большей степени сходны и зачастую могут рассматриваться вместе.

Таким образом, радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радионуклидов. Естественная радиоактивность почв вызвана естественными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах. Искусственная радиоактивность почв обусловлена поступлением в почву радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях.

Наиболее часто искусственное радиоактивное загрязнение почв вызывают изотопы 235 U, 238 U, 239 Pu, 129 I, 131 I, 144 Ce, 140 Ba, 106 Ru, 90 Sr, 137 Cs и т. д. Интенсивность радиоактивного загрязнения на конкретной территории определяется двумя факторами:

а) концентрацией радиоактивных элементов и изотопов в почвах;

б) природой самих элементов и изотопов, которая в первую очередь детерминируется периодом полураспада.

В экологическом отношении наибольшую опасность представляют 90 Sr и 137 Cs. Они прочно закрепляются в почвах, характеризуются длительным периодом полураспада (90 Sr - 28 лет и 137 Cs - 33 года) и легко включаются в биологический круговорот как элементы, близкие к Ca и K. Накапливаясь в организме они являются постоянными источниками внутреннего облучения.

В соответствии с ГОСТом токсические химические элементы разделены по классам гигиенической опасности. По почвам они таковы:

а) I класс: мышьяк (As), бериллий (Be), ртуть (Hg), селен (Sn), кадмий (Cd), свинец (Pb), цинк (Zn), фтор (F);

б) II класс: хром (Cr), кобальт (Co), бор (B), молибден (Mn), никель (Ni), медь (Cu), сурьма (Sb);

в) III класс: барий (Ba), ванадий (V), вольфрам (W), марганец (Mn), стронций (Sr).

Тяжелые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твердые отходы. Загрязнение тяжёлыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки тяжёлые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и отравляя ее. Тяжёлые металлы относятся к особым загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из нее в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу.

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 работах, посвященных проблемам загрязнения почвы и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . 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.

На поверхность почвы тяжелыми металлами поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприятий цветной металлургии - основного источника загрязнения окружающей среды тяжёлые металлы - основная масса металлов (70-90 %) находится в форме оксидов. Попадая на поверхность почв, они могут либо накапливаться, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории . Распределение тяжёлых металлов в различных объектах биосферы и источники поступления их в окружающую среду (таблица 4).

Таблица 4 - Источники поступления тяжелых металлов в окружающую cреду

	Естественное загрязнение	Техногенное загрязнение
	Извержение вулканов, ветровая эрозия.	Добыча и переработка мышьяк содержащих руд и минералов, пирометаллургия и получение серной кислоты, суперфосфата; сжигание, нефти, торфа, сланцев.
	Выпадение с атмосферными осадками. Вулканическая деятельность.	Обогащение руд, производство серной кислоты, сжигание угля.
		Сточные воды производств: металлургического, машиностроительного, текстильного, стекольного, керамического и кожевенного. Разработка борсодержащих руд.
	Широко распространен в природе, составляя примерно 0,08 % земной коры.	Электростанции, работающие на угле, производство алюминия и суперфосфатных удобрений.
	В элементарном состоянии в природе не встречается. В виде хромита входит в состав земной коры.	Выбросы предприятий, где добывают, получают и перерабатывают хром.
	Известно более 100 кобальт-содержащих минералов.	Сжигание в процессе промышленного производства природных и топливных материалов.
	Входит в состав многих минералов.	Металлургический процесс переработки и обогащения руд, фосфорные удобрения, производство цемента, выбросы ТЭС.
	Входит в состав 53 минералов.	Выбросы предприятий горнорудной промышленности, цветной металлургии, машиностроительные, металлообрабатывающие, химические предприятия, транспорт, ТЭС.
	Общие мировые запасы меди в рудах оценивают 465 млн т. Входит в состав минералов Самородная образуется в зоне окисления сульфидных месторождений. Вулканические и осадочные породы.	Предприятия цветной металлургии, транспорт, удобрения и пестициды, процессы сварки, гальванизации, сжигание углеводородных топлив.
	Относиться к группе рассеянных элементов. Широко распространен во всех геосферах. Входит в состав 64 минералов.	Высокотемпературные технологические процессы. Потери при транспортировке, сжигание каменного угля. Ежегодно с атмосферными осадками на 1 км 2 поверхности Земли выпадает 72 кг цинка, что в 3 раза больше, чем свинца и в 12 раз больше, чем меди.
	Относится к редким рассеянным элементам: содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах.	Локальное загрязнение - выбросы промышленных комплексов, загрязнение различной степени мощности это тепловые энергетические установки, моторы.
	Рассеянный элемент, концентрируется в сульфидных рудах. Небольшое количество встречается в самородном виде.	Процесс пирометаллургического получения металла, а также все процессы, в которых используется ртуть. Сжигание любого органического топлива (нефть, уголь, торф, газ, древесина) металлургические производства, термические процессы с нерудными материалами.
	Содержится в земной коре, входит в состав минералов. В окружающую среду поступает в виде силикатной пыли почвы, вулканического дыма, испарений лесов, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли.	Выбросы продуктов, образующихся при высокотемпературных технологических процессах, выхлопные газы, сточные воды, добыча и переработка металла, транспортировка, истирание и рассеивание.

Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, глиноземные, медно-цинковые, свинцово-плавильные, никелевые, титаномагниевые, ртутные), а также по переработке цветных металлов (радиотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальванические и пр.). В пыли металлургических производств, заводов по переработке руд концентрация Pb, Zn, Bi, Sn может быть повышена по сравнению с литосферой на несколько порядков (до 10-12), концентрация Cd, V, Sb - в десятки тысяч раз, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag - в сотни раз. Отходы предприятий цветной металлургии, заводов лакокрасочной промышленности и железобетонных конструкций обогащены ртутью. В пыли машиностроительных заводов повышена концентрация W, Cd, Pb (Таблица 5).

Таблица 5 - Основные техногенные источники тяжелых металлов

Под влиянием обогащенных металлами выбросов формируются ареалы загрязнения ландшафта преимущественно на региональном и локальном уровнях. С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду выбрасывается значительное количество Pb, которое превышает его поступление с отходами металлургических предприятий.

Почвы мира часто обогащены не только тяжелыми, но и другими веществами природного и антропогенного генезиса. Выявление «насыщение» почв металлами и элементами Э.А. Новиков объяснил следствием взаимодействия человека и природы (таблица 6).

Основным элементом-загрязнителем пригородных почв Беларуси является свинец. Повышенное его содержание наблюдается в пригородных зонах Минска, Гомеля, Могилева. Загрязнение почв свинцом на уровне ПДК (32 мг/кг) и выше отмечено локально, небольшими участками, по направлению господствующих ветров.

Таблица 6 - Сочетание взаимодействия человека и природы

Как видно из таблицы, большинство металлов, в том числе и тяжелые, человек рассеивает. Закономерности распределения рассеянных человеком элементов в педосфере представляют важное и самостоятельное направление в исследовании почв. А.П Виноградов, Р. Митчелла, Д. Свайна, Х. Боуэна, Р. Брукса, В.В Добровольского. Результатом их исследований явилось выявление средних значений концентраций элементов в почвах отдельных континентов стран, регионов и в целом по миру (таблица 7).

На отдельных полях Минской овощной фабрики, где на протяжении ряда лет применялись в качестве удобрений твердые бытовые отходы, содержание свинца достигает 40-57 мг/кг почвы. На этих же полях содержание подвижных форм цинка и меди в почве составляет соответственно 65 и 15 мг/кг при предельном уровне для цинка 23 мг/кг и меди 5 мг/кг.

Вдоль автомагистралей почва сильно загрязнена свинцом и в меньшей степени кадмием. Загрязнение почв придорожных полос автомобильных дорог межгосударственного (Брест - Москва, Санкт-Петербург - Одесса), республиканского (Минск - Слуцк, Минск - Логойск) и местного (Заславль - Дзержинск, Жабинка - Б. Мотыкалы) значения наблюдается на расстоянии до 25-50 м от полотна дороги в зависимости от рельефа местности и наличия лесозащитных полос. Максимальное содержание свинца в почве отмечено на расстоянии 5-10 м от автотрассы. Оно выше фонового значения в среднем в 2-2,3 раза, но несколько ниже или близко к ПДК. Содержание кадмия в почвах Беларуси находится на уровне фона (до 0,5 мг/кг). Превышение фона до 2,5 раза отмечено локально на расстоянии до 3-5 км от крупных городов и достигает 1,0-1,2 мг почвы при ПДК 3 мг/кг для стран Западной Европы (ПДК кадмия для почв Беларуси не разработана). Площадь почв в Беларуси, загрязненных от различных источников свинцом в настоящее время ориентировочно составляет 100 тыс. га, кадмием - 45 тыс. га .

Таблица 7 - Сочетание взаимодействия человека и природы

Элементы	Средние значение (Почвы США, X. Шаклетт, Дж. Борнгсн, 1984)	Средние значение (Почвы мира, А. П. Виноградов, 1957)	Элементы	Средние значение (Почвы США, Дж. Борнген, 1984)	Средние значение (Почвы мира, А.П. Виноградов, 1957)

В настоящее время производится агрохимическое картирование на содержание меди в почвах Беларуси, и уже установлено, что в республике 260,3 тыс. га сельскохозяйственных земель загрязнены медью (Таблица 8).

Таблица 8 - Сельскохозяйственные земли Беларуси, загрязненные медью (тыс. га)

Среднее содержание подвижной меди в почвах пашни невелико и составляет 2,1 мг/кг, улучшенных сенокосных и пастбищных земель - 2,4 мг/кг. В целом по республике 34 % пахотных и 36 % сенокосных и пастбищных земель имеют очень низкую обеспеченность медью (менее 1,5 мг/кг) и остро нуждаются в применении медьсодержащих удобрений. На почвах с избыточным содержанием меди (3,3 % сельскохозяйственных земель) использование любых форм удобрений, содержащих медь, должно быть исключено.