Миграция тяжелых металлов в почве

Обновлено: 07.01.2025

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Писарева А.В., Белопухов С.Л., Савич В.И., Степанова Л.П., Яковлева Е.В.

В работе показано, что содержание тяжелых металлов в почвах определяется не только удаленностью от очага загрязнения, но также гранулометрическим составом почв, положением почв по рельефу, растительностью, интенсивностью протекающих процессов почвообразования, сочетанием факторов деградации почв. Предложены алгоритмы расчета концентраций тяжелых металлов в таких почвах.

Текст научной работы на тему «Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте»

А. В. Писарева, С. Л. Белопухов, В. И. Савич,

Л. П. Степанова, В. В. Гукалов, Е. В. Яковлева, И. Г. Шайхиев

МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ОТ ОЧАГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ В ЛАНДШАФТЕ

Ключевые слова: тяжелые металлы, прогноз содержания на разном расстоянии от источника загрязнения.

Keywords: heavy metals, the content of the forecast at different distances from the source ofpollution.

It is shown that the content of heavy metals in soils is determined not only by remoteness from centers ofpollution, but also the particle size distribution of soils, soil position on topography, vegetation-ness, the intensity of the processes of soil formation, the combination of soil degradation factors. The algorithms for calculating concentrations of heavy metals in these soils.

Загрязнение почв тяжелыми металлами представляет важную агроэкологическую проблему [1, 3, 4, 7]. Большое значение имеет оценка изменения степени загрязнения на разном расстоянии от источника загрязнения [1, 4, 8]. При этом в существующих методах прогноза учитывается роза ветров, скорость ветра и расстояние от источника загрязнения [1, 4, 7, 8]. Однако не учитываются другие взаимосвязи в ландшафте, что послужило основанием для разработки вопросов, рассматриваемых в статье.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования выбраны загрязненные тяжелыми металлами городские почвы (урбаноземы), почвы парков и скверов [5, 9, 10], дерново-подзолистые почвы Московской области [6], обыкновенные мощные малогумусовые черноземы Краснодарского края, развитые на разных элементах рельефа [2].

Методика исследования состояла в оценке валового содержания тяжелых металлов и их подвижных форм в вытяжке СН3СООNН4 с рН = 4,8 на разном удалении от источников загрязнения, в катене, под разными растительными ассоциациями [3, 8].

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется с удалением от очага загрязнения, что подтверждает результаты ранее проведенных исследований на различных территориях.

Проведенные исследования верхних горизонтов урбаноземов и антропогенно-измененной светлосерой лесной почвы (мощностью 0-20 см) по содержанию тяжелых металлов в зонах воздействия городского автотранспорта Московского мегаполиса и шлакового отвала (п. Думчино) показали

значительное варьирование количества тяжелых металлов по ключевым участкам: закономерное снижение валовых количеств всех исследуемых тяжелых металлов и величины коэффициента суммарного загрязнения с удалением от источника загрязнения.

Для урбаноземов опытных площадок, расположенных на разном удалении от автодороги МКАД, шоссе Энтузиастов и Каширского шоссе, распределение подвижных форм трех из шести исследуемых элементов: Zn, РЬ, Си характеризует тренд снижения их концентраций в верхних горизонтах опытных участков по мере удаленности от главного источника загрязнения - автодороги (Си

- в 2,45-4,0; Zn - в 2,6-6,6; РЬ - в 1,7-5,6 раза). Тренды уменьшения и накопления наиболее четко проявляются на транссекте шоссе Энтузиастов, характеризующейся доминированием аэрального поступления тяжелых металлов в почвы.

По полученным нами данным, при удаленности от источника загрязнения на расстоянии 300 м количество подвижных форм тяжелых металлов в урбаноземе Орловской области резко снижалось: для кадмия - на 23 %, для меди - на 75 %, для цинка

- на 52 %, никеля - на 54 %, свинца - на 50 %, хрома - на 18 %. Валовое содержание Си при удалении от автодороги МКАД на 300 м снижалось в 2,5-4 раза, Zn - в 2,6-6,6 раз, РЬ - в 1,7-5,6 раз.

Исследованиями установлено влияние фактора времени на изменение концентрации и качественного состава подвижных форм тяжелых металлов в светло-серой лесной почве под воздействием шлакового отвала. Отмечается закономерное абсолютное снижение количества исследуемых тяжелых металлов: содержание подвижного кадмия на опытных площадках вблизи шлакового отвала (20 м) снижается в 24 раза, с увеличением удаленности от источника загрязнения количество подвижного кадмия снижается в 25,5 раза. При этом степень подвижности кадмия снижается с 45-46 % до 4,09-5,22 % от валового содержания. Почвенные условия 2016 г. создают благоприятную среду для повышения степени

подвижности свинца, степень подвижности которого возросла в 2-8 раз по сравнению с почвенными условиями 2010 г., что обусловило увеличение суммарного коэффициента накопления подвижных тяжелых металлов до 9,60 ед. в почве вблизи шлакового отвала и 6,1 ед. - в почве, удаленной от шлакового отвала на 300 м.

По полученным нами данным, в почвах парка Юбилейный г. Москвы на расстоянии 20-40 м от дороги содержание подвижного Zn составляло 4,9±1,0 мг/кг, а на расстоянии менее 20 м - 5,9±1,9; РЬ соответственно 7,3±0,5 и 8,9±1,1; Сd - 0,6±0,1 и 0,7±0,1 мг/кг. Однако, валовое содержание тяжелых металлов и их подвижных форм зависело не только от удаленности от источника загрязнения, но и от других факторов, определяющих их закрепление почвой и миграцию.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется по элементам рельефа. Оно выше в пониженных элементах рельефа, в выположенных склонах, по сравнению с более крутыми, в балках, по сравнению со склонами и плакорными участками. Это подтверждается полученными нами данными.

При этом в аккумулятивной зоне было выше содержание тяжелых металлов не только в слое 0-20 см, но и в слое до 140 см. Так, в указанный период содержание Со в аккумулятивной зоне в этом слое составляло 13,2±0,2 мг/кг, а на склоне - 12,2±0,1. Содержание Zn соответственно 78,8±2,0 и 75,0±2,0; МП - 732,1±35,9 и 675,0±16,4; РЬ - 4,0±0,5 и 3,1±0,2 (табл. 1).

Таблица 1 - Валовое содержание тяжелых металлов в обыкновенных черноземах в пределах катены (лето, 0-20 см, мг/кг)

Катион Северный Аккумулятивная

При этом при сохранении тенденции абсолютное содержание изменялось в течение ряда лет, весной, летом и осенью, на плато и склонах северной и южной экспозиции.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от растительных ассоциаций напочвенного покрова, что определяет скорость ветра, константы ионного обмена в системе почва-растение, коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов.

Растительный покров, состоящий из разных групп древесных растений, неодинаково снижает скорость ветра и поглощает тяжелые металлы. Если принять очищающую способность ели за 100 %, то у дуба обыкновенного она составит 450 %.

Продукты разложения растительного опада обладают определенными кислотно-основными и окислительно-восстановительными свойствами, комплексообразующей способностью. При их

миграции вниз по профилю тяжелые металлы вымываются из верхнего слоя, что определяется интенсивными и экстенсивными параметрами вышеуказанных свойств: рН и количеством Н в мигрирующих водах в мг-экв/л, Еh и количеством восстановителей в мигрирующих водах, константами устойчивости образующихся комплексов и количеством органических лигандов, участвующих в комплексообразовании (мг-экв/л). При промывном типе водного режима этот процесс усиливается.

По полученным нами данным, условный коэффициент элюирования под березой и лиственницей составлял, соответственно, для железа 160 и 64, для марганца - 73,5 и 10,0, для цинка -33,3 и 43,6.

По данным Яшина И.М. и Кауричева И.С. [5], из свежих листьев деревьев лиственных пород выщелачивается больше водорастворимых органических веществ - 190-490 г/м2, по сравнению с выщелачиванием из хвойных пород - 128 г/м2. Для разных древесных и травянистых культур отличаются и коэффициенты биологического поглощения. Так, по данным Решетниковой С.И., для меди он равен для хвои ели - 0,12, для листьев березы - 0,46 [5]. Такую закономерность подтвердили и полученные нами данные о комплексообразующей способности

водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков этих древесных культур. Так, продукты разложения листьев тополя вытесняли из чернозема 32,3 мг Си на 1 л, а водорастворимые продукты разложения ели - 8,5. Среднее валовое содержание цинка под лесополосой на этой почве составляло 53,7 мг/кг, под пашней - 78,0. Однако, для отдельных тяжелых металлов эти закономерности отличались.

Содержание тяжелых металлов в почвах зависит от скорости и интенсивности протекающих в них почвообразовательных процессов. Дерновый процесс почвообразования приводит к накоплению тяжелых металлов в верхнем слое почв, подзолообразование - к уменьшению. Эти процессы, естественно, с неодинаковой интенсивностью протекают в почвах разного хозяйственного использования. Это иллюстрируют данные таблицы 2.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от гранулометрического и минералогического состава почв. При увеличении емкости поглощения почв по отношению к катионам, при увеличении доли в почвах минералов группы 2:2, 2:1 поглощение почвами тяжелых металлов возрастает.

Отмечено, что в пахотном слое обыкновенного малогумусового чернозема при содержании гумуса 2,9±0,2 %, содержание подвижного цинка составляло 4,7±0,4 мг/кг, меди - 5,0±0,1; марганца -137,8±29,0; свинца - 3,8±0,1; никеля - 6,2±0,6. При содержании гумуса 1,7±0,2 %, Zn - 3,5±0,1; Си -4,1±0,1; МП - 49,0±4,0; РЬ - 3,2±0,1, № - 4,6±0,5 мг/кг.

Таблица 2 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах г. Москвы в зависимости от их хозяйственного использования, мг/кг (п = 25)

Использование почв, состояние растительности Zn РЬ Cd

скверы, газоны 6,5±1,4 8,5±0,9 0,5±0,1

селитебные участки 25,6±2,5 14,6±1,6 1,0±0,1

пойма 39,7 15,0 0,9

кризис, бедствие для развития травостоя 26,7±4,3 18,9±4,1 1,2±0,3

норма, риск для развития травостоя 16,5±2,9 12,8±2,0 0,8±0,1

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от степени увлажнения почв, т.к. степень увлажнения определяет Еh и рН почв, микробиологическую активность, комплексообразующую способность мигрирующих вниз почвенных растворов. В восстановительных условиях при избыточном увлажнении резко возрастает растворимость осадков железа, марганца, хрома, меди. При промывном типе водного режима это приводит к подкислению среды и увеличению подвижности тяжелых металлов, что сопровождается уменьшением их содержания в верхнем слое почв [11,12]. Для парков г. Москвы это иллюстрируется данными таблицы 3.

Таблица 3 - Связь содержания водорастворимого свинца со степенью переувлажнения, мг/л

0,16±0,01 0,06±0,04 0,34±0,11 0,32±0,07 0,50±0,01 0,39±0,07

*) в числителе - при избыточной влажности; в знаменателе - при оптимальной

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от интенсивности и сочетания протекающих в почвах процессов деградации. Развитие эрозии приводит к уменьшению содержания тяжелых металлов в верхнем слое почв, как правило, к увеличению их в поверхностных водах.

Загрязнение почв органическими удобрениями приводит к образованию комплексов тяжелых металлов с органическими лигандами и к увеличению содержания их подвижных форм [13, 14]. Применение физиологически кислых удобрений сопровождается увеличением подвижности тяжелых металлов. Применение в почвах городов антигололедных реагентов увеличивает рН почв, ионную силу почвенных растворов, но при наличии в реагентах натрия способствует диспергированию почв. Все это существенно изменяет сорбционные свойства почв по отношению к тяжелым металлам и их накопление в верхнем слое.

Таким образом, содержание тяжелых металлов в почве является функцией нескольких независимых переменных:

У/ = У0 -Т.к/Х/ ± к/X / -к/+1Х/+1

с учетом эффектов синергизма и антагонизма по эффекту влияния независимых переменных на У0. При этом сумма к1 =1 при положительном знаке влияния Х1 на У для емкости поглощения почв, гранулометрического состава, развития дернового процесса почвообразования, наличия точек опробования в пониженных элементах рельефа, ближе к источнику загрязнения. Отрицательный знак при к1 характерен при развитии подзолообразования, эрозии, У0 - концентрация тяжелых металлов в точке опробования, обусловленная розой ветров, мощностью выбросов от источника загрязнения, силой ветра, переносом с учетом водной и воздушной миграции без влияния дополнительно предлагаемых факторов.

В фоновой дерново-подзолистой почве мегаполиса самый высокий процент подвижных форм металлов установлен для кадмия - 50 % от валового содержания, цинка - 21,74, хрома - 16,8, никеля - 13,21, меди 11,24, свинца - 8,21 %. Для фоновой светло-серой лесной почвы самый высокий процент подвижных форм тяжелых металлов показан для цинка - 34,33 %, кадмия - 33,3, меди -12,2, никеля - 4,67, хрома - 2,5, свинца - 2,36 %. Доля подвижных форм тяжелых металлов в светлосерой лесной почве (фон) убывает в ряду: Zn = Cd > Си > N > Сг > РЬ, в дерново-подзолистой почве (Фон): Cd > Zn > Сг > N > Си > РЬ.

1. М.А. Глазовская, Геохимия техногенных и природных ресурсов СССР, Высшая школа, М., 1988. 330 с.

3. М.Ф. Дабахов, Автореф. дисс. . докт. с/х наук., РГАУ-

МСХА, М., 2012. 40 с.

4. П.В. Елпатьевский, Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных системах, Наука, М., 1993. 253 с.

5. В.И. Савич, Ю.В. Федорин, Е.Г. Химина, Почвы мегаполисов, их экологическая оценка и создание, Агробизнесцентр, М., 2007. 660 с.

6. В.И. Савич, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин и др.,

Агроэкологическая оценка состояния свинца в системе почва-растение, ВНИИА, М., 2012. 360 с.

7. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.В. Гукалов, Д.С.

Скрябина, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 12, 185-188 (2015).

8. С.Г. Самохвалов, А.В. Кузнецов, Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и в продуктах растениеводства, ЦИНАО, М., 1989. 61 с.

9. Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В. Писарева, Вестник

Орловского ГАУ, 33, 65-75 (2014).

10. Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В. Писарева, Агрохимия, 10, 96-103 (2016).

11. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА. 6, 5-11 (2013).

12. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского

государственного аграрного университета, 4 (42), 216-218 (2013).

14. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 6 (44), 203-205 (2013).

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 01.02.17. по 20.03.17.

Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Биологическая миграция тяжелых металлов в системе почва-растения при использовании микробиологических удобрений и регуляторов роста рас

Микроорганизмы продуцируют органическое вещество почвы и ряд ферментов, это помогает усваивать ранее не доступные для растений вещества. Кроме того, микроорганизмы выделяют витамины, регуляторы роста, антибиотики, оказывающие существенное влияние на развитие растений, также влияют на миграцию ТМ в системе почва - растения и на их перераспределение в вегетативных и генеративных органах растений. Поэтому использование микробиологических препаратов и регуляторов роста в растениеводстве является перспективным направлением на пути повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Введение………………………………………………………………………… 3
1. Микроэлементы в жизни растений………………………………………..4
2. Миграция тяжелых металлов. Виды миграции………….…………….11
3. Почвы и процессы в них ………………………………………………….16
3.1. Общая характеристика почв ………………………………………….16
3.2. Микроэлементный состав почвы …………………………………….19
4. Использование удобрений и регуляторов роста в земледелии ………25
4.1. Ризосферная микрофлора и ее роль в жизни растений …………….25
4.2. Микробиологические удобрения …………………………………….29
4.3. Стимуляторы роста …………………………………………………. 33
Список использованной литературы ……………………………………….

Файлы: 1 файл

Наряду с негативными эффектами отмечается положительное действие небольших доз свинца. Так, внесение в почву Pb из расчета 3 кг/га повышало урожай моркови, капусты, лука и огурцов. Причины положительного действия малых количеств свинца на растения недостаточно хорошо изучены. Можно предполагать, что этот эффект не является прямым действием свинца. Стимулирующее влияние обусловлено нитрат - ионами, если в почву вносить нитрат свинца. Это влияние может быть связано также с тем, что свинец вытесняет некоторое количество макро- и микроэлементов из почвенного поглощающего комплекса и, в конечном счете, увеличивает их поступление в растения. Данное положение подтверждается следующими результатами: применение свинца стимулировало поступление в вегетативные органы яблони калия, хрома, бария, меди, никеля и бора и положительно сказывалось на величине урожая плодов (Минеев В.Г., 1982).

Среди ТМ кадмий - приоритетный загрязнитель и один из самых опасных экотоксикантов: он проявляет сильно выраженные токсичные свойства в очень низких концентрациях.

Высокая фитотоксичность кадмия объясняется его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу различных ферментов. Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и гибель растения (Алексеев Ю.В., 1967).

По чувствительности к кадмию растения можно расположить в следующий восходящий ряд: томаты < овес < салат < морковь < редька < фасоль (Алексеев Ю.В., 1967).

Антагонизм и синергизм микроэлементов. Различные соотношения и концентрации микроэлементов в питательной среде оказывают существенное физиологическое воздействие на растения и микроорганизмы. При этом может происходить как синергизм (явление, когда в питательной смеси микроэлементов действие одного из них усиливает действие другого), так и антагонизм (явление взаимного угнетения, торможения или снижения эффективности совместного применения нескольких микроэлементов по сравнению с действием этих же элементов, взятых в отдельности). Синергизм и антагонизм микроэлементов зависят от вида растений, почвенно-климатических условий, форм и запасов микроэлементов в почвах.

Антагонистические взаимоотношения между Zn и Cu проявляются в торможении поглощения одного элемента другим, что может указывать на участие в поглощении обоих элементов одних и тех же носителей. Антогонизм Zn и Pb выражается во взаимно неблагоприятном воздействии на перенос обоих элементов из корней в надземные части (Кабата - Пендиас А., 1989).

Явление синергизма в ряде случаев наблюдается между бором и марганцем, когда оба эти микроэлемента повышают скорость обмена веществ и урожай сельскохозяйственных культур. Молибден способствует поступлению фосфора, кальция и магния в растения (Пейве Я.В., 1961).

Результаты изучения взаимодействия Zn - Cd представляются дискуссионными, поскольку есть данные как об антагонизме, так и о синергизме между этими двумя элементами в процессах поглощения и переноса. Наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Cd к Zn в среде обитания растения.

Федорова (2005) отмечает, что в присутствии цинка наблюдается ослабление поглощения кадмия корнями и листьями растений.

Китагиси и Ямане объясняют наблюдавшийся синергизм в рисе с точки зрения конкуренции Zn и Cd за позиции в соединениях, что ведет к повышенной растворимости кадмия и переносу его из корней в надземную часть растения. Можно полагать, что наличие синергизма или антагонизма между этими катионами контролируется отношением Zn к Cd в среде обитания растения.

Часто наблюдается взаимодействие Cu и Zn. Механизм поглощения этих металлов, вероятно, один и тот же, и каждый из них может вследствие взаимной конкуренции ингибировать поглощение другого корневой системой (Кабата-Пендиас А., 1989).

По вопросу о взаимодействии Pb с другими микроэлементами данные имеются только для Zn и Cd. Стимулирующее действие Pb на поглощение Cd корнями растений может быть вторичным эффектом, связанным с нарушением переноса ионов через мембраны (Кабата-Пендиас А., 1989).

Степень выраженности и направленности явлений синергизма и антагонизма с возрастом растений изменяется, поскольку изменяется потребность растений и обмен веществ в клетках. Эти явления еще не достаточно хорошо изучены (Пейве Я.В., 1961).

2. Миграция тяжелых металлов. Виды миграции

Геохимическая миграция - это неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Этот комплекс включает перевод химических элементов в структурное состояние, форму нахождения, обеспечивающих их подвижность в данных внешних условиях, транспортировку элементов в физических и химических градиентах природных тел (Сает Ю.Е., 1990).

Термин «миграция химических элементов» был введен в геохимию А.Е. Ферсманом в 1923 году. Под термином «геохимическая миграция» А.Е. Ферсман подразумевал комплекс процессов, определяющих перемещение химических элементов в земной коре и ведущих обычно к их расселению или концентрации.

Миграция тяжелых металлов в почвах может происходить с жидкостью и суспензией при помощи корней растений или почвенных микроорганизмов. Миграции растворимых соединений происходит вместе с почвенным раствором (диффузия) или путем перемещения самой жидкости. Вымывание глин и органического вещества приводит к миграции всех связанных с ними металлов. Миграция летучих веществ в газообразной форме, например, диметила ртути, носит случайный характер, и этот способ перемещения не имеет особого значения. Миграция в твердой фазе и проникновение в кристаллическую решетку являются больше механизмом связывания, чем перемещения.

Тяжелые металлы могут быть внесены или адсорбированы микроорганизмами, которые в свою очередь, способны участвовать в миграции соответствующих металлов.

Дождевые черви и другие организмы могут содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или включая металлы в свои ткани.

Из всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

А.И. Перельман (1989) выделил четыре основных вида миграции химических элементов: механическую, физико-химическую, биогенную, техногенную, связанную с социальными процессами.

Механическая миграция (механогинез) обусловлена работой рек, течений ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других факторов. Характерное явление механогенеза - раздробление горных пород и минералов, ведущее к увеличению степени их дисперсности, растворимости, развитию сорбции. При диспергировании резко увеличивается суммарная поверхность частиц, а, следовательно, и их поверхностная энергия. Увеличивается и растворимость минералов, многие минералы при этом разлагаются.

Физико-химическая миграция - это перемещение, перераспределение химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она включает миграцию и сопровождающие ее химические реакции для таких форм нахождения химических элементов, как водные растворы, газовые смеси. К ней же отнесены диффузия, процессы радиоактивного распада, явление изоморфизма. (Перельман А.И., 1989).

Биогенная миграция объединяет всю миграцию химических элементов, связанную с жизнедеятельностью организмов (растительных и животных). Между организмом и внешней средой существует неразрывное единство, которое определяется геохимической миграцией и биогенной миграцией вещества и энергии. Специфика его проявляется в адаптации и приспособляемости живых организмов к условиям геохимической среды, их морфологической изменчивости. Характер геохимической среды связан со степенью концентрации химических элементов организмами, массой живого вещества и его геохимической энергией, которая зависит от интенсивности биохимических процессов в организме, от механизмов абиотического и биотического круговорота вещества и энергии в биосфере (Лукашев К.И., 1984).

Техногенная миграция химических элементов вызвана деятельностью людей. Ее роль непрерывно возрастает, и во многом она контролирует поведение химических элементов в биосфере (Алексеенко В.А., 2000).

В экологической геохимии особое внимание уделяется формам нахождения мигрирующих элементов, так как часто от этого зависит доступ химических элементов организмам. Связывая перемещение химических элементов с формами их нахождения, В.А. Алексеенко (1977) выделяет три основных типа миграции.

Первый тип миграции представляет собой изменения формы нахождения элементов без их значительного перемещения, например переход элемента из минеральной формы в водные растворы.

Второй тип миграции представляет перемещение элемента без изменения формы его нахождения. Примерами такого типа миграции является перемещение аэрозолей в атмосфере, обломков минералов в поверхностных водах или элементов, находящихся в растворе, при движении поверхностных или подземных вод.

Третий тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении элементов с изменением форм их нахождения, например перемещение элементов в подземных водах, растворяющих минералы на месторождениях, переход из минеральной формы нахождения в биогенную. Этот тип миграции является преобладающим в биосфере.

Закономерности геохимической миграции элементов играют ведущую роль в формировании химического состава природных образований всех геосфер земного шара. При этом различают внутренние факторы миграции, определяемые физическими и химическими свойствами атомов химических элементов, и внешние факторы, включающие термодинамическую и химическую обстановку среды миграции.

К числу внутренних факторов миграции относятся термические свойства атомов, гравитационные свойства атомов и ионов, а также химические и радиоактивные свойства атомов.

К внешним фактором миграции относятся температурный режим, давление, кислотно-основные условия среды, окислительно-восстановительные условия (Безуглова О.С., 2000).

С повышением температуры увеличением миграционная способность элементов, находящихся в растворах и расплавах, повышается скорость химических реакций. Однако в отдельных случаях усиление миграции происходит только в определенном температурном интервале. К числу подобных явлений следует отнести в первую очередь биогенную миграцию (Алексеенко В.А., 2000).

Атмосферное давление, как и температура, является фактором, косвенно влияющим на миграцию. Уменьшение давления приводит к выделению газов, растворенных в подземных и поверхностных водах. Это сказывается на направлении скорости реакции. (Королев М.Е., 1973).

В условиях низких значениях pH значительно увеличивается растворимость и миграционная способность металлов. Таким образом, аномально кислые воды помимо непосредственного отрицательного влияния на растительный и животный мир транспортируют в повышенном количестве многие металлы, неблагоприятно влияющие на развитие биосферы. Так, например, такие катионы, как Co +3 , Cr +3 , Bi +3 , Sn +2 , Th +4 , Zr +4 , Sb +3 , Sc +3 , могут переноситься только в весьма кислых растворах и легко осаждаются при повышении их щелочности.

Увеличение pH поверхностных водных растворов должно вызывать осаждение гидроокисей ряда металлов. Однако следует учитывать, что осаждение гидроокисей определяется зависящими от pH произведениями их растворимости, т.е. является функцией содержания конкретных элементов в поверхностном водном растворе (Беус А.А., 1976).

Окислительно- восстановительные условия сильно влияют на миграцию элементов. Важнейшие окислители - O ₂, Fe 3+ , Mn 4+ , восстановители - S 2+ , Fe 2+ , H₂.

Окислительная (кислородная) обстановка способствует накоплению катионогенных элементов переменной валентности (Fe, Mn, Co) и увеличению растворимости анионогенных (V, Mo, Se, U, Re). Восстановительная обстановка сопровождается интенсивной миграцией соединений Fe, Mn, Co, Ni, Cu (Перельман А.И., 1989).

Таким образом, химические элементы в биосфере находятся в постоянном движении, которое и является их миграцией (Алексеенко В.А., 2000).

Том 2

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 вечной мерзлоты, 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, чернозёмы и темно-каштановые — почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью. Повышенной опасностью загрязнения почв тяжелыми металлами характеризуются также Московская и Брянская области. Геохимическая 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 сельскохозяйственных угодий 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 металлов и мышьяка выше установленных норм выявлено в Республике Бурятия, Республике Дагестан, Республике Карелия, 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 промышленными центрами. Оценка опасности загрязнения почв комплексом тяжелых металлов проводилась по суммарному показателю Zc.

Читайте также: