Skażenie gleby ołowiem jest maksymalne. Metale ciężkie są najniebezpieczniejszymi pierwiastkami, które mogą zanieczyścić glebę
Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi ma różne źródła:
1. odpady z przemysłu metalowego;
2. emisje przemysłowe;
3. produkty spalania paliw;
4. spaliny samochodowe;
5. środki chemizacji rolnictwa.
Przedsiębiorstwa metalurgiczne emitują rocznie na powierzchnię ziemi ponad 150 tysięcy ton miedzi, 120 tysięcy ton cynku, około 90 tysięcy ton ołowiu, 12 tysięcy ton niklu, 1,5 tysiąca ton molibdenu, około 800 ton kobaltu i około 30 ton rtęci. Na 1 gram miedzi konwertorowej odpady z hutnictwa miedzi zawierają 2,09 tony pyłu, który zawiera do 15% miedzi, 60% tlenku żelaza i po 4% arsenu, rtęci, cynku i ołowiu. Odpady z przemysłu maszynowego i chemicznego zawierają do 1 tys. mg/kg ołowiu, do 3 tys. mg/kg miedzi, do 10 tys. mg/kg chromu i żelaza, do 100 g/kg fosforu i więcej do 10 g/kg manganu i niklu. Na Śląsku wokół fabryk cynku składowane są hałdy zawierające cynk od 2 do 12% i ołów od 0,5 do 3%, a w USA eksploatuje się rudy o zawartości cynku 1,8%.
Ponad 250 tys. ton ołowiu rocznie trafia na powierzchnię gleby wraz ze spalinami; jest to główne zanieczyszczenie gleby ołowiem.
Metale ciężkie dostają się do gleby wraz z nawozami, które zawierają je jako zanieczyszczenie, a także z biocydami.
L. G. Bondarev (1976) obliczył możliwy dopływ metali ciężkich do powierzchni gleby w wyniku działalności produkcyjnej człowieka przy całkowitym wyczerpaniu się zasobów rudy, w wyniku spalania istniejących zasobów węgla i torfu i porównał je z możliwymi zasobami metali zgromadzonych dotychczas w humosferze. Powstały obraz pozwala nam zorientować się, jakie zmiany jest w stanie wywołać człowiek w ciągu 500-1000 lat, na które wystarczą zbadane minerały.
Możliwe przedostanie się metali do biosfery po wyczerpaniu się wiarygodnych zasobów rud, węgla, torfu, mln ton
|
Całkowite technogenne uwolnienie metali |
Zawarte w humosferze |
Stosunek emisji spowodowanych przez człowieka do zawartości w humosferze |
|
Stosunek tych wielkości pozwala przewidzieć skalę wpływu działalności człowieka na środowisko, przede wszystkim na pokrywę glebową.
Technogeniczne wprowadzanie metali do gleby i ich wiązanie w poziomach próchnicznych w profilu glebowym jako całość nie może być jednolite. Jej nierówność i kontrast wynika przede wszystkim z gęstości zaludnienia. Jeśli uznamy tę zależność za proporcjonalną, wówczas 37,3% wszystkich metali będzie rozproszonych zaledwie na 2% zamieszkałej masy lądowej.
Rozmieszczenie metali ciężkich na powierzchni gleby jest zdeterminowane wieloma czynnikami. Zależy to od charakterystyki źródeł zanieczyszczeń, cech meteorologicznych regionu, czynników geochemicznych i ogólnej sytuacji krajobrazowej.
Źródło skażenia zazwyczaj determinuje jakość i ilość wyrzucanego produktu. Ponadto stopień jego rozproszenia zależy od wysokości emisji. Strefa maksymalnego zanieczyszczenia rozciąga się na odległość równą 10-40-krotności wysokości rury w przypadku emisji wysokich i gorących oraz 5-20-krotności wysokości rury w przypadku niskich emisji przemysłowych. Czas przebywania cząstek emisji w atmosferze zależy od ich masy i właściwości fizykochemicznych. Im cięższe cząstki, tym szybciej osiadają.
Nierównomierność technogenicznego rozmieszczenia metali pogłębia niejednorodność sytuacji geochemicznej w naturalnych krajobrazach. W związku z tym, aby przewidzieć możliwe zanieczyszczenie produktami technogenezy i zapobiec niepożądanym konsekwencjom działalności człowieka, konieczne jest zrozumienie praw geochemii, praw migracji pierwiastków chemicznych w różnych naturalnych krajobrazach lub środowiskach geochemicznych.
Pierwiastki chemiczne i ich związki dostające się do gleby ulegają szeregowi przemian, ulegają rozproszeniu lub akumulacji, w zależności od charakteru barier geochemicznych występujących na danym terenie. Koncepcję barier geochemicznych sformułował A.I. Perelman (1961) jako obszary strefy hipergenezy, w których zmiany warunków migracji prowadzą do akumulacji pierwiastków chemicznych. Klasyfikacja barier opiera się na rodzajach migracji elementów. Na tej podstawie A.I. Perelman wyróżnia cztery typy i kilka klas barier geochemicznych:
1. bariery – dla wszystkich pierwiastków ulegających biogeochemicznej redystrybucji i sortowaniu przez organizmy żywe (tlen, węgiel, wodór, wapń, potas, azot, krzem, mangan itp.);
2. bariery fizyczne i chemiczne:
1) utlenianie - żelazo lub żelazomangan (żelazo, mangan), mangan (mangan), siarka (siarka);
2) redukujące – siarczki (żelazo, cynk, nikiel, miedź, kobalt, ołów, arsen itp.), glin (wanad, miedź, srebro, selen);
3) siarczan (baru, wapnia, strontu);
4) alkaliczne (żelazo, wapń, magnez, miedź, stront, nikiel itp.);
5) kwaśny (tlenek krzemu);
6) parujące (wapń, sód, magnez, siarka, fluor itp.);
7) adsorpcja (wapń, potas, magnez, fosfor, siarka, ołów itp.);
8) termodynamiczny (wapń, siarka).
3. bariery mechaniczne (żelazo, tytan, chrom, nikiel itp.);
4. bariery stworzone przez człowieka.
Bariery geochemiczne nie istnieją samodzielnie, ale w połączeniu ze sobą, tworząc złożone kompleksy. Regulują skład pierwiastkowy przepływów substancji; od nich w dużej mierze zależy funkcjonowanie ekosystemów.
Produkty technogenezy, w zależności od ich charakteru i sytuacji krajobrazowej, w jakiej się znajdują, mogą albo zostać przetworzone w procesach naturalnych i nie powodować znaczących zmian w przyrodzie, albo zostać zachowane i kumulowane, wywierając szkodliwy wpływ na wszystkie istoty żywe.
Obydwa procesy determinowane są przez szereg czynników, których analiza pozwala ocenić poziom stabilności biochemicznej krajobrazu oraz przewidzieć charakter ich zmian w przyrodzie pod wpływem technogenezy. W krajobrazach autonomicznych rozwijają się procesy samooczyszczania z zanieczyszczeń technogennych, ponieważ produkty technogenezy są rozpraszane przez wody powierzchniowe i podziemne. W krajobrazach akumulacyjnych produkty technogenezy gromadzą się i są zachowywane.
|
Ścieki przemysłowe, kg/l |
Gleba, mg/kg |
Rośliny, mg/kg |
Woda pitna, mg/l |
Powietrze, mg/m3 |
MPC w ludzkiej krwi, mg/l |
|
* Na autostradach, w zależności od natężenia ruchu i odległości od autostrady
Coraz większa dbałość o ochronę środowiska spowodowała szczególne zainteresowanie wpływem metali ciężkich na glebę.
Z historycznego punktu widzenia zainteresowanie tym problemem pojawiło się wraz z badaniami żyzności gleby, gdyż pierwiastki takie jak żelazo, mangan, miedź, cynk, molibden i ewentualnie kobalt są bardzo ważne dla życia roślin, a co za tym idzie, dla zwierząt i ludzi.
Nazywa się je również mikroelementami, ponieważ są potrzebne roślinom w małych ilościach. Do grupy mikroelementów zaliczają się także metale, których zawartość w glebie jest dość wysoka, na przykład żelazo, które wchodzi w skład większości gleb i zajmuje czwarte miejsce w składzie skorupy ziemskiej (5%) po tlenie (46,6%) , krzem (27,7 %) i aluminium (8,1 %).
Wszystkie pierwiastki śladowe mogą mieć negatywny wpływ na rośliny, jeśli stężenie ich dostępnych form przekracza określone limity. Niektóre metale ciężkie, takie jak rtęć, ołów i kadm, które wydają się mieć niewielkie znaczenie dla roślin i zwierząt, są niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego nawet w niskich stężeniach.
Spaliny z pojazdów, wywóz na pola lub do oczyszczalni ścieków, nawadnianie ściekami, odpadami, pozostałościami i emisjami z działalności kopalń i obiektów przemysłowych, stosowanie nawozów fosforowych i organicznych, stosowanie pestycydów itp. doprowadziło do wzrostu stężeń metali ciężkich w glebie.
Dopóki metale ciężkie są trwale związane ze składnikami gleby i trudno dostępne, ich negatywny wpływ na glebę i środowisko będzie znikomy. Jeżeli jednak warunki glebowe pozwalają na przedostanie się metali ciężkich do roztworu glebowego, istnieje bezpośrednie niebezpieczeństwo skażenia gleby i istnieje możliwość ich przedostania się do roślin, a także do organizmu ludzi i zwierząt spożywających te rośliny. Ponadto metale ciężkie mogą być zanieczyszczeniem roślin i zbiorników wodnych w wyniku wykorzystania osadów ściekowych. Niebezpieczeństwo skażenia gleby i roślin zależy od: rodzaju rośliny; formy związków chemicznych w glebie; obecność pierwiastków przeciwdziałających działaniu metali ciężkich i substancji tworzących z nimi złożone związki; z procesów adsorpcji i desorpcji; ilość dostępnych form tych metali w glebie oraz warunki glebowo-klimatyczne. W konsekwencji negatywne oddziaływanie metali ciężkich zależy w głównej mierze od ich mobilności, tj. rozpuszczalność.
Metale ciężkie charakteryzują się przede wszystkim zmienną wartościowością, niską rozpuszczalnością wodorotlenków, dużą zdolnością do tworzenia związków kompleksowych oraz, naturalnie, zdolnością kationową.
Do czynników wpływających na retencję metali ciężkich w glebie zalicza się: adsorpcję wymienną powierzchniową glin i próchnicy, tworzenie związków kompleksowych z humusem, adsorpcję powierzchniową i okluzję (zdolność rozpuszczania lub pochłaniania gazów przez metale stopione lub stałe) przez uwodnione tlenki glinu, żelaza, manganu itp., a także tworzenie się nierozpuszczalnych związków, zwłaszcza podczas redukcji.
Metale ciężkie w roztworach glebowych występują zarówno w postaci jonowej, jak i związanej, które znajdują się w pewnej równowadze (ryc. 1).
Na rysunku L r to rozpuszczalne ligandy, które są kwasami organicznymi o niskiej masie cząsteczkowej, a L n są nierozpuszczalne. Reakcja metali (M) z substancjami humusowymi obejmuje częściowo wymianę jonową.
Oczywiście w glebie mogą występować inne formy metali, które nie uczestniczą bezpośrednio w tej równowadze, na przykład metale z sieci krystalicznej minerałów pierwotnych i wtórnych, a także metale z organizmów żywych i ich martwych szczątków.
Obserwacja zmian zawartości metali ciężkich w glebie jest niemożliwa bez znajomości czynników decydujących o ich mobilności. Procesy ruchu retencyjnego determinujące zachowanie metali ciężkich w glebie niewiele różnią się od procesów determinujących zachowanie innych kationów. Chociaż metale ciężkie czasami występują w glebach w niskich stężeniach, tworzą trwałe kompleksy ze związkami organicznymi i łatwiej wchodzą w określone reakcje adsorpcji niż metale alkaliczne i ziem alkalicznych.
Migracja metali ciężkich do gleby może odbywać się w postaci płynnej i zawiesinowej przy pomocy korzeni roślin lub mikroorganizmów glebowych. Migracja związków rozpuszczalnych następuje wraz z roztworem glebowym (dyfuzja) lub poprzez ruch samej cieczy. Wymywanie glin i materii organicznej prowadzi do migracji wszystkich powiązanych metali. Migracja substancji lotnych w postaci gazowej, takich jak rtęć dimetylowa, jest przypadkowa i ten sposób przemieszczania się nie jest szczególnie istotny. Migracja w fazie stałej i penetracja do sieci krystalicznej jest raczej mechanizmem wiążącym niż ruchem.
Metale ciężkie mogą być wprowadzane lub adsorbowane przez mikroorganizmy, które z kolei mogą brać udział w migracji odpowiednich metali.
Dżdżownice i inne organizmy mogą ułatwiać migrację metali ciężkich za pomocą środków mechanicznych lub biologicznych, mieszając glebę lub włączając metale do swoich tkanek.
Ze wszystkich rodzajów migracji najważniejsza jest migracja w fazie ciekłej, ponieważ większość metali przedostaje się do gleby w postaci rozpuszczalnej lub w postaci wodnej zawiesiny, a praktycznie wszystkie interakcje pomiędzy metalami ciężkimi a ciekłymi składnikami gleby zachodzą na granicy fazy ciekłej i stałej.
Metale ciężkie znajdujące się w glebie dostają się do roślin poprzez łańcuch troficzny, a następnie są spożywane przez zwierzęta i ludzi. W obiegu metali ciężkich biorą udział różne bariery biologiczne, powodując selektywną bioakumulację, która chroni organizmy żywe przed nadmiarem tych pierwiastków. Działanie barier biologicznych jest jednak ograniczone, a w glebie najczęściej gromadzą się metale ciężkie. Odporność gleb na ich zanieczyszczenia zmienia się w zależności od pojemności buforowej.
Gleby odpowiednio o dużej zdolności adsorpcyjnej i dużej zawartości iłów i materii organicznej mogą zatrzymywać te pierwiastki, szczególnie w górnych poziomach. Jest to typowe dla gleb węglanowych i gleb o odczynie obojętnym. W glebach tych ilość toksycznych związków, które mogą zostać wypłukane do wód gruntowych i wchłonięte przez rośliny, jest znacznie mniejsza niż w glebach piaszczystych i kwaśnych. Istnieje jednak duże ryzyko zwiększenia stężeń pierwiastków do poziomów toksycznych, co powoduje zaburzenie równowagi procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych w glebie. Metale ciężkie zatrzymywane w organicznych i koloidalnych częściach gleby w znaczący sposób ograniczają aktywność biologiczną i hamują istotne dla żyzności gleby procesy itryfikacji.
Gleby piaszczyste, które charakteryzują się niską chłonnością, podobnie jak gleby kwaśne, bardzo słabo zatrzymują metale ciężkie, z wyjątkiem molibdenu i selenu. Dlatego są łatwo wchłaniane przez rośliny, a niektóre z nich już w bardzo małych stężeniach wykazują działanie toksyczne.
Zawartość cynku w glebie waha się od 10 do 800 mg/kg, chociaż najczęściej wynosi 30-50 mg/kg. Nagromadzenie nadmiernych ilości cynku negatywnie wpływa na większość procesów glebowych: powoduje zmiany właściwości fizycznych i fizykochemicznych gleby oraz ogranicza aktywność biologiczną. Cynk hamuje żywotną aktywność mikroorganizmów, w wyniku czego zakłócane są procesy powstawania materii organicznej w glebie. Nadmiar cynku w glebie utrudnia fermentację, rozkład celulozy, oddychanie i działanie ureazy.
Metale ciężkie przedostające się z gleby do roślin i przenoszone w łańcuchach pokarmowych mają toksyczny wpływ na rośliny, zwierzęta i ludzi.
Wśród najbardziej toksycznych pierwiastków należy przede wszystkim wymienić rtęć, która stwarza największe zagrożenie w postaci silnie toksycznego związku – metylortęci. Rtęć przedostaje się do atmosfery podczas spalania węgla i parowania wody z zanieczyszczonych zbiorników wodnych. Może być transportowany wraz z masami powietrza i na określonych obszarach osadzany na glebach. Badania wykazały, że rtęć jest dobrze absorbowana w górnych centymetrach horyzontu akumulacyjnego próchnicy różnych typów gleb o gliniastym składzie mechanicznym. Jego migracja wzdłuż profilu i wymywanie poza profil glebowy w takich glebach jest niewielka. Natomiast w glebach o lekkim składzie mechanicznym, kwaśnych i zubożonych w próchnicę procesy migracji rtęci nasilają się. W glebach takich zachodzi również proces odparowania organicznych związków rtęci, które mają właściwości lotne.
Dodanie rtęci do gleb piaszczystych, gliniastych i torfowych w ilości 200 i 100 kg/ha powodowało całkowite zniszczenie plonów na glebach piaszczystych, niezależnie od stopnia wapnowania. Na glebie torfowej plony spadły. Na glebie gliniastej spadek plonu nastąpił jedynie przy małej dawce wapna.
Ołów może przenosić się także poprzez łańcuchy pokarmowe, gromadząc się w tkankach roślin, zwierząt i ludzi. Dawkę ołowiu odpowiadającą 100 mg/kg suchej masy paszy uważa się za śmiertelną dla zwierząt.
Pył ołowiowy osiada na powierzchni gleby, jest adsorbowany przez substancje organiczne, przemieszcza się wzdłuż profilu z roztworami glebowymi, ale w niewielkich ilościach jest wynoszony poza profil glebowy.
W wyniku procesów migracji w warunkach kwaśnych w glebach na długości do 100 m powstają technogenne anomalie ołowiu. Ołów z gleb przedostaje się do roślin i gromadzi się w nich. W ziarnie pszenicy i jęczmienia jego ilość jest 5-8 razy większa niż tła, w wierzchołkach i ziemniakach ponad 20 razy, w bulwach ponad 26 razy.
Kadm, podobnie jak wanad i cynk, gromadzi się w warstwie próchnicznej gleby. Charakter jego rozmieszczenia w profilu glebowym i krajobrazie najwyraźniej ma wiele wspólnego z innymi metalami, w szczególności z charakterem rozmieszczenia ołowiu.
Jednakże kadm jest słabiej osadzony w profilu glebowym niż ołów. Maksymalna adsorpcja kadmu jest charakterystyczna dla gleb obojętnych i zasadowych, o dużej zawartości próchnicy i dużej chłonności. Jego zawartość w glebach bielicowych może wynosić od setnych do 1 mg/kg, w czarnoziemach do 15-30, a na glebach czerwonych do 60 mg/kg.
Wiele bezkręgowców glebowych gromadzi kadm w swoich ciałach. Kadm jest wchłaniany przez dżdżownice, wszy i ślimaki 10-15 razy aktywniej niż ołów i cynk. Kadm jest toksyczny dla roślin rolniczych i nawet jeśli wysokie stężenia kadmu nie mają zauważalnego wpływu na plony roślin rolniczych, to jego toksyczność wpływa na jakość produktów, ponieważ zawartość kadmu w roślinach wzrasta.
Arsen przedostaje się do gleby wraz z produktami spalania węgla, odpadami z przemysłu metalurgicznego oraz z zakładów produkujących nawozy. Arsen jest najsilniej zatrzymywany w glebach zawierających aktywne formy żelaza, glinu i wapnia. Toksyczność arsenu w glebie jest znana każdemu. Zanieczyszczenie gleby arsenem powoduje na przykład śmierć dżdżownic. Zawartość tła arsenu w glebie wynosi setne części miligrama na kilogram gleby.
Fluor i jego związki są szeroko stosowane w przemyśle nuklearnym, naftowym, chemicznym i innych. Przedostaje się do gleby wraz z emisjami z przedsiębiorstw metalurgicznych, w szczególności hut aluminium, a także jako domieszka przy stosowaniu superfosfatu i niektórych innych środków owadobójczych.
Zanieczyszczając glebę, fluor powoduje spadek plonów nie tylko ze względu na swoje bezpośrednie działanie toksyczne, ale także poprzez zmianę proporcji składników pokarmowych w glebie. Największa adsorpcja fluoru zachodzi w glebach o dobrze rozwiniętym kompleksie absorpcyjnym. Rozpuszczalne związki fluoru przemieszczają się wzdłuż profilu glebowego wraz z przepływem roztworów glebowych w dół i mogą przedostawać się do wód gruntowych. Zanieczyszczenie gleby związkami fluoru niszczy strukturę gleby i zmniejsza jej przepuszczalność.
Cynk i miedź są mniej toksyczne od wyżej wymienionych metali ciężkich, jednak ich nadmierne ilości w odpadach przemysłu metalurgicznego zanieczyszczają glebę i hamują rozwój mikroorganizmów, zmniejszają aktywność enzymatyczną gleb i zmniejszają plonowanie roślin.
Należy zauważyć, że toksyczność metali ciężkich wzrasta, gdy działają wspólnie na organizmy żywe w glebie. Łączne działanie cynku i kadmu powoduje kilkukrotnie silniejsze działanie hamujące na mikroorganizmy niż przy takim samym stężeniu każdego pierwiastka z osobna.
Ponieważ metale ciężkie występują zwykle w różnych kombinacjach zarówno w produktach spalania paliw, jak i w emisjach z przemysłu metalurgicznego, ich wpływ na przyrodę otaczającą źródła zanieczyszczeń jest silniejszy niż oczekiwano na podstawie stężeń poszczególnych pierwiastków.
W pobliżu przedsiębiorstw naturalne fitocenozy przedsiębiorstw stają się bardziej jednolite pod względem składu gatunkowego, ponieważ wiele gatunków nie jest w stanie wytrzymać zwiększonego stężenia metali ciężkich w glebie. Liczbę gatunków można zmniejszyć do 2-3, a czasami do tworzenia monocenoz.
W fitocenozach leśnych jako pierwsze na zanieczyszczenia reagują porosty i mchy. Najbardziej stabilna jest warstwa drzew. Jednak długotrwałe lub intensywne narażenie powoduje w nim zjawiska odporne na suszę.
Gleba to powierzchnia ziemi posiadająca właściwości charakteryzujące zarówno przyrodę ożywioną, jak i nieożywioną.
Gleba jest wskaźnikiem ogółu. Zanieczyszczenia przedostają się do gleby wraz z opadami atmosferycznymi i odpadami powierzchniowymi. Do warstwy gleby wprowadzane są także przez skały glebowe i wody gruntowe.
Do grupy metali ciężkich zalicza się wszystko, co ma gęstość większą od żelaza. Paradoks tych pierwiastków polega na tym, że w określonych ilościach są one niezbędne do zapewnienia prawidłowego funkcjonowania roślin i organizmów.
Jednak ich nadmiar może prowadzić do poważnych chorób, a nawet śmierci. Cykl pokarmowy powoduje przedostawanie się szkodliwych związków do organizmu człowieka i często powoduje ogromne szkody dla zdrowia.
Źródłami zanieczyszczeń metalami ciężkimi są: Istnieje metoda obliczania dopuszczalnej zawartości metalu. W tym przypadku brana jest pod uwagę całkowita wartość kilku metali Zc.
- do przyjęcia;
- umiarkowanie niebezpieczne;
- bardzo niebezpieczne;
- Ekstremalnie niebezpieczne.
Ochrona gleby jest bardzo ważna. Stała kontrola i monitoring nie pozwala na uprawę produktów rolnych i wypas zwierząt gospodarskich na skażonych gruntach.
Metale ciężkie zanieczyszczające glebę
Istnieją trzy klasy zagrożenia metali ciężkich. Światowa Organizacja Zdrowia uważa, że za najbardziej niebezpieczne zanieczyszczenia uważa się ołów, rtęć i kadm. Ale wysokie stężenia innych pierwiastków są nie mniej szkodliwe.
Rtęć
Do skażenia gleby rtęcią dochodzi w wyniku przedostawania się pestycydów, różnych odpadów domowych, np. świetlówek, elementów uszkodzonych przyrządów pomiarowych.
Według oficjalnych danych roczna emisja rtęci wynosi ponad pięć tysięcy ton. Rtęć może przedostać się do organizmu człowieka z zanieczyszczonej gleby.
Jeśli zdarza się to regularnie, może dojść do poważnej dysfunkcji wielu narządów, w tym układu nerwowego.
W przypadku nieodpowiedniego leczenia może nastąpić śmierć.
Ołów
Ołów jest bardzo niebezpieczny dla człowieka i wszystkich organizmów żywych.
Jest niezwykle toksyczny. Po wydobyciu tony ołowiu do środowiska przedostaje się dwadzieścia pięć kilogramów. Duże ilości ołowiu przedostają się do gleby wraz ze spalinami. 
Obszar skażenia gleby wzdłuż tras wynosi ponad dwieście metrów. Ołów przedostający się do gleby jest wchłaniany przez rośliny zjadane przez ludzi i zwierzęta, w tym zwierzęta gospodarskie, których mięso również znajduje się w naszym menu. Nadmiar ołowiu wpływa na centralny układ nerwowy, mózg, wątrobę i nerki. Jest niebezpieczny ze względu na działanie rakotwórcze i mutagenne.
Kadm
Zanieczyszczenie gleby kadmem stanowi ogromne zagrożenie dla organizmu człowieka. Połknięcie powoduje deformację szkieletu, zahamowanie wzrostu u dzieci i silny ból pleców.
Miedź i cynk
Wysoka koncentracja tych pierwiastków w glebie powoduje spowolnienie wzrostu roślin i pogorszenie owocowania, co w efekcie prowadzi do gwałtownego spadku plonów. Osoba doświadcza zmian w mózgu, wątrobie i trzustce.
Molibden
Nadmiar molibdenu powoduje dnę moczanową i uszkodzenie układu nerwowego.
Niebezpieczeństwo metali ciężkich polega na tym, że są one słabo wydalane z organizmu i gromadzą się w nim. Mogą tworzyć bardzo toksyczne związki, łatwo przedostawać się z jednego środowiska do drugiego i nie rozkładają się. Jednocześnie powodują poważne choroby, często prowadzące do nieodwracalnych skutków.Antymon
Występuje w niektórych rudach.
Wchodzi w skład stopów stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu.
Jej nadmiar powoduje poważne zaburzenia odżywiania.
Arsen
Głównym źródłem skażenia gleby arsenem są substancje stosowane do zwalczania szkodników roślin rolniczych, np. herbicydy i insektycydy. Arsen jest kumulującą się trucizną, która powoduje chroniczne zapalenie. Jego związki wywołują choroby układu nerwowego, mózgu i skóry.
Mangan
Dużą zawartość tego pierwiastka obserwuje się w glebie i roślinach. 
Kiedy dodatkowy mangan przedostanie się do gleby, szybko tworzy niebezpieczny nadmiar. Wpływa to na organizm ludzki w postaci zniszczenia układu nerwowego.
Nie mniej niebezpieczne jest nadmiar innych ciężkich pierwiastków.
Z powyższego możemy wywnioskować, że akumulacja metali ciężkich w glebie pociąga za sobą poważne konsekwencje dla zdrowia ludzkiego i środowiska jako całości.
Podstawowe metody zwalczania skażenia gleb metalami ciężkimi
Metody zwalczania zanieczyszczenia gleby metalami ciężkimi mogą być fizyczne, chemiczne i biologiczne. Wśród nich są następujące metody:
- Zwiększenie kwasowości gleby zwiększa tę możliwość. Dlatego dodatek materii organicznej i gliny oraz wapnowanie w pewnym stopniu pomagają w walce z zanieczyszczeniami.
- Wysiew, koszenie i usuwanie niektórych roślin, np. koniczyny, z powierzchni gleby znacząco zmniejsza stężenie metali ciężkich w glebie. Ponadto metoda ta jest całkowicie przyjazna dla środowiska.
- Detoksykacja wód podziemnych, ich pompowanie i oczyszczanie.
- Przewidywanie i eliminacja migracji rozpuszczalnej formy metali ciężkich.
- W niektórych szczególnie ciężkich przypadkach konieczne jest całkowite usunięcie warstwy gleby i zastąpienie jej nową.
Najbardziej niebezpiecznym ze wszystkich wymienionych metali jest ołów. Ma zdolność gromadzenia się i atakowania ludzkiego ciała. Rtęć nie jest niebezpieczna, jeśli raz lub kilka razy dostanie się do organizmu człowieka; szczególnie niebezpieczne są tylko pary rtęci. Uważam, że przedsiębiorstwa przemysłowe powinny stosować bardziej zaawansowane technologie produkcyjne, które nie są tak destrukcyjne dla wszystkich żywych istot. Nie jedna osoba, ale masy powinny myśleć, wtedy osiągniemy dobry wynik.
FEDERALNA AGENCJA EDUKACJI PAŃSTWOWA INSTYTUCJA EDUKACYJNA
WYŻSZE EDUKACJA ZAWODOWA „WORONEŻ PAŃSTWOWY UNIWERSYTET”
ZANIECZYSZCZENIE GLEBY METAMI CIĘŻKIMI. METODY KONTROLI I REGULACJI ZANIECZYSZCZONYCH GLEB
Podręcznik dydaktyczno-metodyczny dla uniwersytetów
Opracowano przez: H.A. Juvelikyan, DI Szczegłow, N.S. Gorbunowa
Centrum wydawniczo-drukarskie Uniwersytetu Państwowego w Woroneżu
Zatwierdzony przez Radę Naukowo-Metodologiczną Wydziału Biologii i Gleboznawstwa w dniu 4 lipca 2009 r., protokół nr 10
Recenzent dr Biol. nauki, prof. LA. Jabłoński
Podręcznik edukacyjno-metodologiczny został przygotowany na Wydziale Nauk o Gleboznawstwie i Gospodarce Zasobami Ziemi, Wydział Biologii i Gleboznawstwa Uniwersytetu Państwowego w Woroneżu.
Dla specjalności 020701 – Gleboznawstwo
Ogólne informacje o zanieczyszczeniach .................................................. ............. .................. .. | |
Pojęcie anomalii wywołanych przez człowieka .................................................. .................................................. | |
Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi............................................ .............. .............. | |
Migracja metali ciężkich w profilu glebowym............................................ ........... | |
Koncepcja monitoringu środowiska glebowego............................................ ............. | |
Wskaźniki stanu gleby wyznaczane podczas ich monitoringu............................ | |
Standaryzacja środowiskowa jakości gleb zanieczyszczonych........................... | |
Ogólne wymagania dotyczące klasyfikacji gleb podatnych na zanieczyszczenia...... | |
Literatura................................................. .................................................. ............ |
OGÓLNE INFORMACJE O ZANIECZYSZCZENIACH
Zanieczyszczenia
– są to substancje pochodzenia antropogenicznego, które przedostają się do środowiska w ilościach przekraczających naturalny poziom ich pobrania. Zanieczyszczenie gleby– rodzaj degradacji antropogenicznej, w którym zawartość substancji chemicznych w glebach podlegających wpływom antropogenicznym przekracza naturalny regionalny poziom tła. Przekroczenie zawartości niektórych substancji chemicznych w środowisku człowieka (w porównaniu do poziomów naturalnych) w związku z ich przybyciem ze źródeł antropogenicznych stwarza zagrożenie dla środowiska.Wykorzystywanie przez człowieka środków chemicznych w działalności gospodarczej i ich udział w cyklu przemian antropogenicznych w środowisku stale rośnie. Cechą charakterystyczną intensywności wydobycia i wykorzystania pierwiastków chemicznych jest technofilowość – stosunek rocznego wydobycia lub wytworzenia pierwiastka w tonach do jego objętości w litosferze (A.I. Perelman, 1999). Wysoka technofilowość charakteryzuje pierwiastki najaktywniej wykorzystywane przez człowieka, szczególnie te, których naturalny poziom w litosferze jest niski. Wysokim poziomem technofilu charakteryzują się takie metale jak Bi, Hg, Sb, Pb, Cu, Se, Ag, As, Mo, Sn, Cr, Zn, na które zapotrzebowanie jest duże w różnych typach produkcji. Gdy zawartość tych pierwiastków w skałach jest niska (10–2–10–6%), ich wydobycie jest znaczne. Prowadzi to do wydobycia z głębi ziemi kolosalnych ilości rud zawierających te pierwiastki i późniejszego ich globalnego rozproszenia w środowisku.
Oprócz technofilu zaproponowano inne ilościowe cechy technogenezy. Zatem stosunek technofilowości pierwiastka do jego biofilowości (biofilowość to stężenie Clarke'a pierwiastków chemicznych w materii żywej) M.A. Imię Głazowskiej niszczycielskie działanie elementów technogenezy. Niszczycielskie działanie pierwiastków technogenezy charakteryzuje stopień zagrożenia pierwiastków dla organizmów żywych. Inną ilościową cechą antropogenicznego zaangażowania pierwiastków chemicznych w ich globalne cykle na planecie jest czynnik mobilizacji Lub technogenny czynnik wzbogacający, który oblicza się jako stosunek technogenicznego przepływu pierwiastka chemicznego do jego naturalnego przepływu. Poziom technogennego współczynnika wzbogacenia, a także technofilowość pierwiastków, jest nie tylko wskaźnikiem ich mobilizacji z litosfery do ziemskich środowisk przyrodniczych, ale także odzwierciedleniem poziomu emisji pierwiastków chemicznych wraz z odpadami przemysłowymi do środowiska .
KONCEPCJA ANOMALII TECHNOGENICZNYCH
Anomalia geochemiczna- wycinek skorupy ziemskiej (lub powierzchni ziemi), charakteryzujący się znacznie podwyższonymi stężeniami jakichkolwiek pierwiastków chemicznych lub ich związków w porównaniu do wartości tła i naturalnie położony względem nagromadzeń minerałów. Identyfikacja anomalii spowodowanych działalnością człowieka jest jednym z najważniejszych zadań ekologicznych i geochemicznych w ocenie stanu środowiska. Anomalie powstają w elementach krajobrazu w wyniku dopływu różnych substancji ze źródeł technogenicznych i reprezentują pewną objętość, w obrębie której wartości anomalnych stężeń pierwiastków są większe od wartości tła. Według rozpowszechnienia A.I. Perelmana i N.S. Kasimov (1999) wyróżnia następujące anomalie spowodowane przez człowieka:
1) globalny – obejmujący cały świat (np. zwiększony
2) regionalne - powstające w niektórych częściach kontynentów, strefach naturalnych i regionach w wyniku stosowania pestycydów, nawozów mineralnych, zakwaszania opadów atmosferycznych emisją związków siarki itp.;
3) lokalne – powstają w atmosferze, glebach, wodach, roślinach wokół lokalnych źródeł technogenicznych: fabryk, kopalń itp.
W zależności od środowiska powstawania anomalie spowodowane przez człowieka dzielą się:
1) do litochemicznego (w glebie, skałach);
2) hydrogeochemiczny (w wodach);
3) atmosferyczne geochemiczne (w atmosferze, śniegu);
4) biochemiczny (w organizmach).
Ze względu na czas trwania źródła zanieczyszczeń dzieli się je na:
– krótkoterminowe (emisje awaryjne itp.);
– średnioterminowy (z ustaniem oddziaływania, np. zaprzestaniem zagospodarowania złóż kopalin);
– długotrwałe stacjonarne (anomalie fabryk, miast, krajobrazów rolniczych, na przykład KMA, Norilsk Nickel).
Oceniając anomalie spowodowane przez człowieka, wybiera się obszary tła oddalone od sztucznych źródeł zanieczyszczeń, zwykle w odległości większej niż 30–50 km. Jednym z kryteriów anomalii jest współczynnik koncentracji technogenicznej, czyli anomalii Kc, będący stosunkiem zawartości pierwiastka w rozpatrywanym obiekcie anomalnym do jego zawartości tła w elementach krajobrazu.
Do oceny wpływu ilości substancji zanieczyszczających dostających się do organizmu stosuje się także normy higieniczne zanieczyszczeń – przed
oddzielnie dopuszczalne stężenia. Jest to maksymalna zawartość substancji szkodliwej w przedmiocie lub produkcie naturalnym (woda, powietrze, gleba, żywność), która nie wpływa na zdrowie ludzi ani innych organizmów.
Zanieczyszczenia dzieli się na klasy w zależności od ich zagrożenia (GOST
17.4.1.0283): Klasa I (wysoce niebezpieczne) – As, Cd, Hg, Se, Pb, F, benzo(a)piren, Zn; klasa II (umiarkowanie niebezpieczna) – B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr; Klasa III (mało szkodliwa) – Ba, V, W, Mn, Sr, acetofenon.
ZANIECZYSZCZENIE GLEBY METAMI CIĘŻKIMI
Metale ciężkie (HM) zajmują już drugie miejsce pod względem zagrożenia, za pestycydami i znacznie przed tak dobrze znanymi substancjami zanieczyszczającymi, jak dwutlenek węgla i siarka. W przyszłości mogą stać się bardziej niebezpieczne niż odpady z elektrowni jądrowych i odpady stałe. Zanieczyszczenie metalami ciężkimi wiąże się z ich powszechnym stosowaniem w produkcji przemysłowej. Na skutek niedoskonałych systemów oczyszczania metale ciężkie dostają się do środowiska, w tym do gleby, zanieczyszczając ją i zatruwając. HM to specyficzne zanieczyszczenia, których monitorowanie jest obowiązkowe w każdym środowisku.
Gleba jest głównym środowiskiem, do którego przedostają się metale ciężkie, m.in. z atmosfery i środowiska wodnego. Służy również jako źródło wtórnego zanieczyszczenia powietrza powierzchniowego i wód, które wypływają z niego do Oceanu Światowego. Z gleby HM są wchłaniane przez rośliny, które następnie trafiają do pożywienia.
W ostatnim czasie dużą popularność zyskał termin „metale ciężkie”, charakteryzujący szeroką grupę substancji zanieczyszczających. W różnych pracach naukowych i stosowanych autorzy odmiennie interpretują znaczenie tego pojęcia. Pod tym względem ilość pierwiastków zaliczanych do metali ciężkich jest bardzo zróżnicowana. Jako kryteria przynależności stosuje się wiele cech: masa atomowa, gęstość, toksyczność, występowanie w środowisku naturalnym, stopień zaangażowania w cykle naturalne i spowodowane przez człowieka.
W pracach poświęconych problematyce zanieczyszczeń środowiska i monitoringu środowiska do metali ciężkich zalicza się dziś ponad 40 pierwiastków układu okresowego D.I. Mendelejew o masie atomowej ponad 40 jednostek atomowych: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi itp. Według klasyfikacji N. Reimersa ( 1990),
Za ciężkie należy uznać metale o gęstości większej niż 8 g/cm3. W tym przypadku w kategoryzacji metali ciężkich ważną rolę odgrywają następujące warunki: ich wysoka toksyczność dla organizmów żywych w stosunkowo niskich stężeniach, a także zdolność do bioakumulacji i biomagnifikacji. Prawie wszystkie metale objęte tą definicją
nie (z wyjątkiem ołowiu, rtęci, kadmu i bizmutu, których rola biologiczna jest obecnie niejasna), aktywnie uczestniczą w procesach biologicznych i wchodzą w skład wielu enzymów.
Najpotężniejszymi dostawcami odpadów wzbogaconych w metale są przedsiębiorstwa zajmujące się wytopem metali nieżelaznych (aluminium, tlenek glinu, miedź-cynk, hutnictwo ołowiu, nikiel, tytan-magnez, rtęć itp.), A także przetwarzanie metali nieżelaznych (radiotechnika, elektrotechnika, produkcja instrumentów, galwanizacja itp.).
W pyle przemysłu metalurgicznego i zakładów przeróbki rud stężenie Pb, Zn, Bi, Sn można zwiększyć o kilka rzędów wielkości (do 10–12) w porównaniu z litosferą, stężenie Cd, V, Sb - dziesiątki tysięcy razy, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag - setki razy. Odpady z zakładów metalurgii metali nieżelaznych, zakładów przemysłu farbiarskiego i lakierniczego oraz konstrukcji żelbetowych są wzbogacane rtęcią. W pyłach zakładów budowy maszyn wzrastają stężenia W, Cd i Pb (tab. 1).
Pod wpływem emisji gazów wzbogaconych w metale powstają obszary zanieczyszczeń krajobrazu, głównie na poziomie regionalnym i lokalnym. Wpływ przedsiębiorstw energetycznych na zanieczyszczenie środowiska nie wynika ze koncentracji metali w odpadach, ale z ich ogromnej ilości. Masa odpadów np. w ośrodkach przemysłowych przekracza całkowitą ilość pochodzącą ze wszystkich innych źródeł zanieczyszczeń. Wraz ze spalinami samochodowymi do środowiska wprowadzana jest znaczna ilość Pb, która przekracza jego pobranie wraz z odpadami z zakładów hutniczych.
Gleby uprawne są zanieczyszczone takimi pierwiastkami jak Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, które przedostają się do gleby w ramach pestycydów, biocydów, stymulatorów wzrostu roślin i strukturotwórców. Nietradycyjne nawozy, produkowane z różnych odpadów, często zawierają szeroką gamę substancji zanieczyszczających w wysokich stężeniach. Wśród tradycyjnych nawozów mineralnych nawozy fosforowe zawierają zanieczyszczenia Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd (Gaponyuk, 1985).
Rozmieszczenie metali wprowadzanych do atmosfery ze źródeł technogennych w krajobrazie jest zdeterminowane odległością od źródła zanieczyszczeń, warunkami klimatycznymi (siła i kierunek wiatrów), ukształtowaniem terenu, czynnikami technologicznymi (stan odpadów, sposób przedostawania się odpadów do środowiska). , wysokość rur korporacyjnych).
Rozproszenie metali ciężkich zależy od wysokości źródła emisji do atmosfery. Według obliczeń M.E. Berland (1975) przy wysokich kominach znaczna koncentracja emisji powstaje w powierzchniowej warstwie atmosfery w odległości 10–40 wysokości kominów. Wokół takich źródeł zanieczyszczeń wyróżnia się 6 stref (tab. 2). Obszar wpływów poszczególnych przedsiębiorstw przemysłowych na przyległym terytorium może sięgać 1000 km2.
Tabela 2
Strefy skażenia gleby wokół punktowych źródeł zanieczyszczeń
Odległość od | Nadmiar treści |
|||
źródło dla | Wskaźniki TM w stosunku do |
|||
brud w km | na tło |
|||
Strefa bezpieczeństwa przedsiębiorstwa | ||||
Strefy skażenia gleby i ich wielkość są ściśle powiązane z wektorami przeważających wiatrów. Płaskorzeźba, roślinność i zabudowa miejska mogą zmieniać kierunek i prędkość ruchu powierzchniowej warstwy powietrza. Podobnie jak w przypadku stref skażenia gleby, można wyróżnić także strefy skażenia roślinności.
MIGRACJA METALI CIĘŻKICH W PROFILU GLEBOWYM
Akumulacja głównej części zanieczyszczeń obserwuje się głównie w poziomie gleby próchniczno-akumulacyjnej, gdzie są one wiązane przez glinokrzemiany, minerały niekrzemianowe i substancje organiczne w wyniku różnych reakcji interakcji. Skład i ilość pierwiastków zatrzymywanych w glebie zależy od zawartości i składu próchnicy, warunków kwasowo-zasadowych i redoks, pojemności sorpcyjnej i intensywności absorpcji biologicznej. Niektóre metale ciężkie są trwale zatrzymywane przez te składniki i nie tylko nie uczestniczą w migracji wzdłuż profilu glebowego, ale także nie stanowią zagrożenia
dla organizmów żywych. Negatywne skutki środowiskowe zanieczyszczeń gleby są związane z mobilnymi związkami metali.
W w profilu glebowym technogeniczny przepływ substancji napotyka szereg bariery glebowo-geochemiczne. Należą do nich poziomy węglanowe, gipsowe i iluwialne (iluwialno-żelazowo-humusowe). Niektóre wysoce toksyczne pierwiastki mogą przekształcić się w związki trudno dostępne dla roślin, inne pierwiastki mobilne w danym środowisku glebowo-geochemicznym mogą migrować w kolumnie gleby, stanowiąc potencjalne zagrożenie dla fauny i flory. Mobilność pierwiastków zależy w dużej mierze od warunków kwasowo-zasadowych i redoks panujących w glebie. W glebach obojętnych związki Zn, V, As i Se są mobilne i mogą zostać wypłukane podczas sezonowego zwilżania gleby.
Akumulacja mobilnych związków pierwiastków szczególnie niebezpiecznych dla organizmów zależy od reżimu wodno-powietrznego gleb: najmniejsza akumulacja występuje w glebach przepuszczalnych reżimu wymywania, wzrasta w glebach bez wymywania, a maksymalna jest w gleby z reżimem wysięku. Przy stężeniu parowania i odczynie zasadowym Se, As, V może gromadzić się w glebie w łatwo dostępnej formie, natomiast w redukujących warunkach środowiska Hg może gromadzić się w postaci związków metylowanych.
Należy jednak mieć na uwadze, że w warunkach wymywania realizowana jest potencjalna mobilność metali, które mogą zostać przeniesione poza profil glebowy, stając się źródłem wtórnego zanieczyszczenia wód gruntowych.
W W glebach kwaśnych z przewagą warunków utleniających (gleby bielicowe, dobrze przepuszczalne) metale ciężkie, takie jak Cd i Hg, tworzą formy łatwo mobilne. Przeciwnie, Pb, As i Se tworzą związki małomobilne, które mogą gromadzić się w poziomach próchnicznych i iluwialnych i negatywnie wpływać na stan fauny i flory glebowej. Jeśli S jest obecny w substancjach zanieczyszczających, w warunkach redukujących tworzy się wtórne środowisko siarkowodoru i wiele metali tworzy nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne siarczki.
W Na glebach podmokłych Mo, V, As i Se występują w postaciach osiadłych. W kwaśnych glebach podmokłych znaczna część pierwiastków występuje w postaciach stosunkowo mobilnych i niebezpiecznych dla żywej materii; są to związki Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd i Hg. Na glebach lekko kwaśnych i obojętnych, dobrze napowietrzonych, szczególnie podczas wapnowania tworzą się trudno rozpuszczalne związki Pb. W glebach obojętnych związki Zn, V, As, Se są mobilne, a Cd i Hg mogą być zatrzymywane w poziomach próchnicznych i iluwialnych. Wraz ze wzrostem zasadowości wzrasta ryzyko zanieczyszczenia gleby wymienionymi pierwiastkami.
KONCEPCJA MONITORINGU EKOLOGICZNEGO GLEBY
Monitoring środowiska glebowego – system regularnego nieograniczonego limitu
ograniczona w przestrzeni i czasie kontrola gleb, która dostarcza informacji o ich stanie w celu oceny przeszłości, teraźniejszości i przewidywania zmian w przyszłości. Monitoring gleby ma na celu identyfikację zmian antropogenicznych w glebie, które mogą ostatecznie zaszkodzić zdrowiu ludzkiemu. Szczególna rola monitoringu gleb wynika z faktu, że wszelkie zmiany w składzie i właściwościach gleb przekładają się na pełnienie przez nie funkcji ekologicznych, a co za tym idzie na stan biosfery.
Istotne jest, że w glebie, w odróżnieniu od powietrza atmosferycznego i wód powierzchniowych, środowiskowe skutki oddziaływania antropogenicznego pojawiają się zwykle później, ale są trwalsze i trwają dłużej. Istnieje potrzeba oceny długoterminowych konsekwencji tego oddziaływania, np. możliwości mobilizacji substancji zanieczyszczających w glebie, w wyniku czego gleba może przekształcić się ze „magazynu” substancji zanieczyszczających w ich źródło wtórne.
Rodzaje monitoringu środowiska glebowego
Identyfikacja rodzajów monitoringu środowiska glebowego opiera się na różnicach w zestawieniu wskaźników informacyjnych gleby odpowiadających zadaniom każdego z nich. Ze względu na różnice w mechanizmach i skali degradacji gleb wyróżnia się dwie grupy rodzajów monitoringu:
pierścień: pierwsza grupa – monitoring globalny, drugi – lokalny i regionalny.
Globalny monitoring gleby jest integralną częścią globalnego monitorowania biosfery. Wykonuje się je w celu oceny wpływu na stan gleb skutków środowiskowych dalekosiężnego transportu atmosferycznego zanieczyszczeń w związku z niebezpieczeństwem planetarnego zanieczyszczenia biosfery i procesów towarzyszących na poziomie globalnym. Wyniki monitoringu globalnego czyli biosfery charakteryzują globalne zmiany stanu organizmów żywych na planecie pod wpływem działalności człowieka.
Celem monitoringu lokalnego i regionalnego jest identyfikacja wpływu degradacji gleb na ekosystemy na poziomie lokalnym i regionalnym oraz bezpośrednio na warunki życia człowieka w sferze zarządzania środowiskiem.
Monitoring lokalny zwane także sanitarno-higienicznymi lub udarowymi. Ma na celu kontrolę poziomu substancji zanieczyszczających środowisko emitowanych przez dane przedsiębiorstwo.
Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi ma różne źródła:
1. odpady z przemysłu metalowego;
2. emisje przemysłowe;
3. produkty spalania paliw;
4. spaliny samochodowe;
5. środki chemizacji rolnictwa.
Przedsiębiorstwa metalurgiczne emitują rocznie na powierzchnię ziemi ponad 150 tysięcy ton miedzi, 120 tysięcy ton cynku, około 90 tysięcy ton ołowiu, 12 tysięcy ton niklu, 1,5 tysiąca ton molibdenu, około 800 ton kobaltu i około 30 ton rtęci. Na 1 gram miedzi konwertorowej odpady z hutnictwa miedzi zawierają 2,09 tony pyłu, który zawiera do 15% miedzi, 60% tlenku żelaza i po 4% arsenu, rtęci, cynku i ołowiu. Odpady z przemysłu maszynowego i chemicznego zawierają do 1 g/kg ołowiu, do 3 g/kg miedzi, do 10 g/kg chromu i żelaza, do 100 g/kg fosforu i do 10 g /kg manganu i niklu. Na Śląsku wokół fabryk cynku składowane są hałdy zawierające cynk od 2 do 12% i ołów od 0,5 do 3%, a w USA eksploatuje się rudy o zawartości cynku 1,8%.
Ponad 250 tys. ton ołowiu rocznie trafia na powierzchnię gleby wraz ze spalinami; jest to główne zanieczyszczenie gleby ołowiem. Metale ciężkie dostają się do gleby wraz z nawozami, które zawierają je w postaci zanieczyszczeń.
Chociaż metale ciężkie czasami występują w glebach w niskich stężeniach, tworzą stabilne kompleksy ze związkami organicznymi i łatwiej wchodzą w określone reakcje adsorpcji niż metale alkaliczne i ziem alkalicznych. W pobliżu przedsiębiorstw naturalne fitocenozy przedsiębiorstw stają się bardziej jednolite pod względem składu gatunkowego wiele gatunków nie jest w stanie wytrzymać wzrostu stężenia metali ciężkich w glebie. Liczbę gatunków można zmniejszyć do 2-3, a czasem do powstania monocenoz. W fitocenozach leśnych porosty i mchy jako pierwsze reagują na zanieczyszczenia. Najbardziej stabilna jest warstwa drzew. Jednakże długotrwałe lub intensywne narażenie powoduje w nim zjawiska suchoodporne. Odbudowa naruszonej pokrywy glebowej wymaga długiego czasu i dużych inwestycji.
Szczególnie trudnym zadaniem jest przywrócenie szaty roślinnej na składowiskach nadkładu i odpadach poflotacyjnych (odpadach poflotacyjnych) wyrobisk, w których wydobywano rudy metali: odpady takie są zazwyczaj ubogie w składniki odżywcze, bogate w metale toksyczne i słabo zatrzymują wodę. Poważnym problemem środowiskowym jest erozja wietrzna hałd kopalnianych.
Standaryzacja zawartości metali ciężkich w glebieStandaryzacja zawartości metali ciężkich w glebie i roślinach jest niezwykle trudna ze względu na brak możliwości pełnego uwzględnienia wszystkich czynników środowiskowych. Zatem zmiana jedynie właściwości agrochemicznych gleby (odczyn ośrodka, zawartość próchnicy, stopień nasycenia zasadami, rozkład wielkości cząstek) może kilkukrotnie zmniejszyć lub zwiększyć zawartość metali ciężkich w roślinach. Istnieją sprzeczne dane nawet na temat zawartości tła niektórych metali. Wyniki podawane przez badaczy różnią się czasami 5-10 razy.
Zaproponowano wiele skal regulacji środowiskowej metali ciężkich. W niektórych przypadkach za maksymalne dopuszczalne stężenie przyjmuje się najwyższą zawartość metali obserwowaną w zwykłych glebach antropogenicznych, w innych - zawartość stanowiącą granicę fitotoksyczności. W większości przypadków zaproponowano maksymalne dopuszczalne stężenia metali ciężkich, które kilkukrotnie przekraczają faktycznie dopuszczalne wartości stężeń metali.
Do scharakteryzowania zanieczyszczeń technogennych metalami ciężkimi stosuje się współczynnik stężenia równy stosunkowi stężenia pierwiastka w zanieczyszczonej glebie do jego stężenia w tle.
W tabeli 1 przedstawiono urzędowo zatwierdzone maksymalne stężenia oraz dopuszczalne poziomy ich zawartości według wskaźników zagrożenia. Zgodnie ze schematem przyjętym przez higienistki medyczne, regulacja zawartości metali ciężkich w glebie dzieli się na translokację (przejście pierwiastka do roślin), wodę migrującą (przejście w wodę) i ogólną higienę (wpływ na zdolność samooczyszczania się gleby). gleby i mikrobiocenoza glebowa).
FEDERALNA AGENCJA TRANSPORTU MORSKIEGO I RZECZNEGO
FEDERALNA INSTYTUCJA EDUKACYJNA BUDŻETU
WYŻSZE WYKSZTAŁCENIE ZAWODOWE
UNIWERSYTET PAŃSTWA MORSKIEGO
nazwany na cześć admirała G.I. Nevelsky'ego
Katedra Ochrony Środowiska
ABSTRAKCYJNY
w dyscyplinie „Procesy fizykochemiczne”
Konsekwencje skażenia gleby metalami ciężkimi i radionuklidami.
Sprawdzone przez nauczyciela:
Firsova L.Yu.
Wypełnione przez studenta gr. ___
Khodanova S.V.
Władywostok 2012
TREŚĆ
Wstęp
1 Metale ciężkie w glebach
Wniosek
Lista wykorzystanych źródeł
WSTĘP
Gleba to nie tylko obojętne medium, na powierzchni którego odbywa się działalność człowieka, ale dynamiczny, rozwijający się układ, w skład którego wchodzi wiele składników organicznych i nieorganicznych, które posiadają sieć wgłębień i porów, a te z kolei zawierają gazy i ciecze . Rozmieszczenie przestrzenne tych składników determinuje główne typy gleb na kuli ziemskiej.
Ponadto gleby zawierają ogromną liczbę żywych organizmów, nazywane są biotami: od bakterii i grzybów po robaki i gryzonie. Gleba powstaje na skałach macierzystych pod wpływem klimatu, roślinności, organizmów glebowych i czasu. Dlatego zmiany któregokolwiek z tych czynników mogą prowadzić do zmian w glebie. Tworzenie się gleby jest procesem długotrwałym: utworzenie 30-centymetrowej warstwy gleby trwa od 1000 do 10 000 lat. W rezultacie tempo tworzenia się gleby jest tak niskie, że glebę można uznać za zasób nieodnawialny.
Pokrywa glebowa Ziemi jest najważniejszym składnikiem biosfery Ziemi. To właśnie otoczka glebowa determinuje wiele procesów zachodzących w biosferze. Najważniejszą funkcją gleb jest akumulacja materii organicznej, różnych pierwiastków chemicznych i energii. Pokrywa glebowa pełni funkcję biologicznego pochłaniacza, niszczyciela i neutralizatora różnych substancji zanieczyszczających. Jeśli to ogniwo biosfery zostanie zniszczone, dotychczasowe funkcjonowanie biosfery zostanie nieodwracalnie zakłócone. Dlatego niezwykle ważne jest zbadanie globalnego znaczenia biochemicznego pokrywy glebowej, jej aktualnego stanu oraz zmian pod wpływem działalności antropogenicznej.
1 Metale ciężkie w glebach
- Źródła przedostawania się metali ciężkich do gleby
Wśród HM znajduje się wiele pierwiastków śladowych, które są biologicznie ważne dla organizmów żywych. Są niezbędnymi i niezbędnymi składnikami biokatalizatorów i bioregulatorów najważniejszych procesów fizjologicznych. Jednak nadmierna zawartość metali ciężkich w różnych obiektach biosfery działa przygnębiająco, a nawet toksycznie na organizmy żywe.
Źródła przedostawania się metali ciężkich do gleby dzielimy na naturalne (wietrzenie skał i minerałów, procesy erozyjne, działalność wulkaniczna) i technogenne (wydobywanie i przetwarzanie minerałów, spalanie paliw, wpływ pojazdów, rolnictwo itp.). Ponadto grunty rolne na zanieczyszczenia przez atmosferę, HM są również zanieczyszczane w szczególności poprzez stosowanie pestycydów, nawozów mineralnych i organicznych, wapnowanie oraz wykorzystanie ścieków. Ostatnio naukowcy zwracają szczególną uwagę na gleby miejskie. W tych ostatnich zachodzi znaczący proces technogenny, którego integralną częścią jest zanieczyszczenie HM.
HM docierają do powierzchni gleby w różnych postaciach. Są to tlenki i różne sole metali, zarówno rozpuszczalne, jak i praktycznie nierozpuszczalne w wodzie (siarczki, siarczany, arsenyny itp.). W emisjach zakładów przetwórstwa rud i zakładów metalurgii metali nieżelaznych – głównego źródła zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi – większość metali (70-90%) występuje w postaci tlenków.
Znajdujące się na powierzchni gleby HM mogą gromadzić się lub rozpraszać, w zależności od charakteru barier geochemicznych właściwych dla danego obszaru.
Większość HM docierających na powierzchnię gleby osadza się w górnych poziomach próchnicy. HM są sorbowane na powierzchni cząstek gleby, wiążą się z materią organiczną gleby, zwłaszcza w postaci pierwiastkowych związków organicznych, kumulują się w wodorotlenkach żelaza, wchodzą w skład sieci krystalicznych minerałów ilastych, wytwarzają własne minerały w wyniku izomorfizacji substytucyjne i są w stanie rozpuszczalnym w wilgoci gleby i w stanie gazowym w powietrzu glebowym, stanowią integralną część fauny i flory glebowej.
Stopień mobilności metali ciężkich zależy od sytuacji geochemicznej i poziomu oddziaływania technogenicznego. Duży rozkład wielkości cząstek i wysoka zawartość materii organicznej prowadzą do wiązania HM w glebie. Wzrost wartości pH zwiększa sorpcję metali kationotwórczych (miedź, cynk, nikiel, rtęć, ołów itp.) i zwiększa ruchliwość metali anionotwórczych (molibden, chrom, wanad itp.). Rosnące warunki utleniające zwiększają zdolność migracji metali. W efekcie gleby, zgodnie ze zdolnością do wiązania większości HM, tworzą szereg: gleba szara > czarnoziem > gleba bielicowo-bielicowa.
- Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi
Po drugie, gromadząc się w glebie w dużych ilościach, HM są w stanie zmienić wiele jej właściwości. Przede wszystkim zmiany wpływają na właściwości biologiczne gleby: zmniejsza się ogólna liczba mikroorganizmów, zawęża się ich skład gatunkowy (różnorodność), zmienia się struktura zbiorowisk drobnoustrojów, zmniejsza się intensywność podstawowych procesów mikrobiologicznych i aktywność enzymów glebowych itp. . Poważne zanieczyszczenie metalami ciężkimi prowadzi do zmian w bardziej konserwatywnych cechach gleby, takich jak stan próchnicy, struktura, pH itp. Skutkiem tego jest częściowa, a w niektórych przypadkach całkowita utrata żyzności gleby.
- Anomalie naturalne i spowodowane przez człowieka
Gleba w odróżnieniu od innych składników środowiska naturalnego nie tylko geochemicznie gromadzi składniki zanieczyszczeń, ale także pełni funkcję naturalnego bufora kontrolującego przenikanie pierwiastków i związków chemicznych do atmosfery, hydrosfery i materii żywej.
Różne rośliny, zwierzęta i ludzie wymagają do swojego życia określonego składu gleby i wody. W miejscach anomalii geochemicznych następuje nasilone przenoszenie odchyleń od normy w składzie mineralnym w całym łańcuchu pokarmowym. W wyniku zaburzeń żywienia mineralnego, zmian w składzie gatunkowym zbiorowisk fito-, zoo- i drobnoustrojów, chorób dzikich form roślin, spadku ilości i jakości plonów roślin rolniczych i produktów zwierzęcych, wzrostu zachorowalności wśród ludności i obserwuje się spadek średniej długości życia.
Toksyczne działanie HM na układy biologiczne wynika przede wszystkim z faktu, że łatwo wiążą się one z grupami sulfhydrylowymi białek (w tym z enzymami), hamując ich syntezę i tym samym zaburzając metabolizm w organizmie.
Organizmy żywe wykształciły różne mechanizmy oporności na HM: od redukcji jonów HM do mniej toksycznych związków, po aktywację systemów transportu jonów, które skutecznie i specyficznie usuwają toksyczne jony z komórki do środowiska zewnętrznego.
Najbardziej znaczącą konsekwencją oddziaływania metali ciężkich na organizmy żywe, która objawia się na poziomie biogeocenotycznym i biosferycznym organizacji materii żywej, jest zablokowanie procesów utleniania materii organicznej. Prowadzi to do zmniejszenia tempa jego mineralizacji i akumulacji w ekosystemach. Jednocześnie wzrost stężenia materii organicznej powoduje, że wiąże ona HM, co czasowo odciąża ekosystem. Zmniejszenie szybkości rozkładu materii organicznej w wyniku zmniejszenia liczby organizmów, ich biomasy i intensywności aktywności życiowej uważa się za bierną reakcję ekosystemów na zanieczyszczenia HM. Czynna odporność organizmów na obciążenia antropogeniczne objawia się dopiero w trakcie życia akumulacji metali w ciałach i szkieletach. Za ten proces odpowiedzialne są gatunki najbardziej odporne.
Odporność organizmów żywych, przede wszystkim roślin, na podwyższone stężenia metali ciężkich oraz ich zdolność do akumulacji metali w wysokich stężeniach może stanowić duże zagrożenie dla zdrowia człowieka, gdyż umożliwiają one przedostawanie się zanieczyszczeń do łańcuchów pokarmowych.
- Standaryzacja zawartości metali ciężkich w glebie i oczyszczaniu gleb
Istnieją dwa główne podejścia do zagadnienia remediacji gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi. Pierwszy ma na celu oczyszczenie gleby z HM. Oczyszczanie można przeprowadzić poprzez ługowanie, ekstrakcję HM z gleby za pomocą roślin, usunięcie wierzchniej, zanieczyszczonej warstwy gleby itp. Drugie podejście polega na utrwaleniu HM w glebie i przekształceniu ich w formy nierozpuszczalne w wodzie i niedostępne dla organizmów żywych. W tym celu proponuje się dodawanie do gleby materii organicznej, fosforowych nawozów mineralnych, żywic jonowymiennych, naturalnych zeolitów, węgla brunatnego, wapnowanie gleby itp. Jednakże każda metoda mocowania HM w glebie ma swój własny okres ważności. Wcześniej czy później część HM ponownie zacznie przedostawać się do roztworu glebowego, a stamtąd do organizmów żywych.
- Radionuklidy w glebach. Zanieczyszczenie nuklearne
Gleby zawierają prawie wszystkie pierwiastki chemiczne znane w przyrodzie, w tym radionuklidy.
Radionuklidy to pierwiastki chemiczne zdolne do samoistnego rozpadu z utworzeniem nowych pierwiastków, a także utworzone izotopy dowolnych pierwiastków chemicznych. Następstwem rozpadu jądrowego jest promieniowanie jonizujące w postaci przepływu cząstek alfa (przepływ jąder helu, protonów) i cząstek beta (przepływ elektronów), neutronów, promieniowania gamma i promieni rentgenowskich. Zjawisko to nazywa się radioaktywnością. Pierwiastki chemiczne zdolne do samoistnego rozpadu nazywane są radioaktywnymi. Najczęściej używanym synonimem promieniowania jonizującego jest promieniowanie radioaktywne.
Promieniowanie jonizujące to przepływ naładowanych lub obojętnych cząstek i kwantów elektromagnetycznych, których oddziaływanie z ośrodkiem prowadzi do jonizacji i wzbudzenia jego atomów i cząsteczek. Promieniowanie jonizujące ma charakter elektromagnetyczny (promieniowanie gamma i rentgenowskie) oraz korpuskularny (promieniowanie alfa, promieniowanie beta, promieniowanie neutronowe).
Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne wywoływane przez promienie gamma (oddzielne wiązki lub kwanty zwane fotonami), jeśli po rozpadzie alfa lub beta jądro pozostaje w stanie wzbudzonym. Promienie gamma w powietrzu mogą przemieszczać się na znaczne odległości. Wysokoenergetyczny foton promieni gamma może przejść przez ciało człowieka. Intensywne promieniowanie gamma może uszkodzić nie tylko skórę, ale także narządy wewnętrzne. Gęste i ciężkie materiały, żelazo i ołów chronią przed tym promieniowaniem. Promieniowanie gamma można wytwarzać sztucznie w akceleratorach zakażonych cząstek (mikrotronach), na przykład promieniowanie gamma bremsstrahlung z szybkich elektronów akceleratora, gdy uderzają one w cel.
Promieniowanie rentgenowskie jest podobne do promieniowania gamma. Kosmiczne promienie rentgenowskie są pochłaniane przez atmosferę. Promienie rentgenowskie są wytwarzane sztucznie i mieszczą się w dolnej części widma energetycznego promieniowania elektromagnetycznego.
Promieniowanie radioaktywne jest naturalnym czynnikiem w biosferze dla wszystkich żywych organizmów, a same organizmy żywe mają pewną radioaktywność. Spośród obiektów biosfery najwyższym naturalnym stopniem promieniotwórczości charakteryzują się gleby. W tych warunkach przyroda prosperowała przez wiele milionów lat, z wyjątkiem wyjątkowych przypadków spowodowanych anomaliami geochemicznymi związanymi z osadzaniem się skał radioaktywnych, na przykład rud uranu.
Jednakże w XX wieku ludzkość stanęła w obliczu radioaktywności, która była stanowczo wyższa od naturalnej, a zatem biologicznie nienormalna. Jako pierwsi na skutek nadmiernych dawek promieniowania ucierpieli wielcy naukowcy, którzy odkryli pierwiastki promieniotwórcze (rad, polon), małżonkowie Maria Skłodowska-Curie i Pierre Curie. A potem: Hiroszima i Nagasaki, testy broni atomowej i nuklearnej, wiele katastrof, w tym Czarnobyl itp.
Najważniejszymi obiektami biosfery, determinującymi funkcje biologiczne wszystkich istot żywych, są gleby.
Radioaktywność gleb wynika z zawartości w nich radionuklidów. Rozróżnia się radioaktywność naturalną i sztuczną.
Naturalna radioaktywność gleb jest spowodowana naturalnymi izotopami promieniotwórczymi, które zawsze występują w różnych ilościach w glebie i skałach tworzących glebę. Naturalne radionuklidy dzielą się na 3 grupy.
Do pierwszej grupy zaliczają się pierwiastki promieniotwórcze – pierwiastki, których wszystkie izotopy są radioaktywne: uran (238
itp.................
