Тяжелые металлы в городских почвах

Обновлено: 07.01.2025

Результаты лабораторных исследований по накоплению валовых форм тяжелых металлов, их концентраций в почвах под пологом древесных видов растений города Новочеркасска. Промышленные выбросы, их влияние на землю. Суммарный показатель загрязнения почв.

Рубрика	Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	29.04.2017
Размер файла	908,5 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия», Новочеркасск, Россия

Накопление тяжелых металлов в городских почвах (на примере города Новочеркасска)

Малышева Зинаида Георгиевна

Павлова Елена Геннадьевна

В статье приведены результаты лабораторных исследований по накоплению валовых форм тяжелых металлов, концентраций и суммарных показателей накопления (СПН) их в почвах под пологом древесных видов растений города Новочеркасска

Ключевые слова: тяжелые металлы, концентрация, накопление, парковые ландшафты

Accumulation of heavy metals in soils of steppe agglomeration (on example of novocherkassk)

Malysheva Zinaida Georgievna

Dr.Sci.Arg., associate professor

Pavlova Elena Gennadevna

FGBOU VPO “ Novocherkassk state reclamation Academy”, Novocherkassk, Russia

The results of laboratory studies of accumulation of gross forms of heavy metals, the total rate of accumulation (SPN) in the soil under the canopy of woody landscape parks of the town of Novocherkassk are presented in this article

Keywords: heavy metals, park landscapes, concentration

Городские почвы поддерживают необходимое для сохранения здоровья человека состояние окружающей среды. Они являются основной средой, в которую попадают тяжллые металлы и служат естественным фильтром загрязнений, поступающих на ел поверхность с атмосферными осадками.

Важное значение имеет не только содержание, но и формы тяжллых металлов в почве, так как они различны по степени доступности для растений.

В результате работы ГРЭС и автотранспорта в атмосферу города Новочеркасска выбрасываются большие обълмы загрязняющих веществ, которые поступают в верхние слои городских почв. Даже при относительно невысоких концентрациях в воздухе, в почвах города достаточно быстро накапливается большое количество вредных веществ, осаждающихся из атмосферы.

Целью работы является изучение накопления тяжллых металлов в почвах промышленных, селитебных и зеллных зон города Новочеркасска. В качестве объектов исследования были выбраны древесные насаждения парковых ландшафтов - сквер в микрорайоне «Донской», расположенный в промышленной зоне города, где размещены предприятия и связанные с ними объекты. Эта зона является основным источником загрязнения окружающей среды (рис.1).

Рисунок 1 Сквер в микрорайоне «Донской»

Сквер на площади «Троицкой» размещен в селитебной зоне города и включает как жилой район, так и общественный центр (рис 2).

Детский парк «Казачок» расположен в зеллной зоне центральной части города (рис.3).

В сквере микрорайона «Донской» преобладают Каштан конский, Робиния псевдоакация, Кллн остролистный, Ясень зеллный; в селитебной

Рисунок 2 Сквер на площади «Троицкой»

Рисунок 3 Детский парк «Казачок»

- Кллн остролистный, Липа мелколистная, Каштан конский, Ясень зеллный; в зеллной зоне - Ясень обыкновенный, Каштан конский, Липа мелколистная, Вяз мелколистный.

При исследованиях применяли общепринятые методики: отбор почвы проводили из гумусового горизонта (0-20 см), как наиболее загрязненного токсичными металлами [2].

При анализе образцов определяли валовые формы металлов: цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd), никель (Ni), кобальт (Co), марганец (Mn), медь (Cu) [1]. На основании проведенного элементного анализа, данные по накоплению валовых форм тяжелых металлов в почвах и суммарный показатель накопления (СПН) под пологом древесных видов растений представлены в таблице 1.

Таблица 1 Содержание валовых форм тяжллых металлов и суммарный показатель накопления их в почвах под пологом древесных видов парковых ландшафтов

Суммарный показатель накопления

Сквер микрорайона «Донской»

Каштан конский (Aesculus hippocastanum)

Липа мелколистная (Tilia cordata)

Кллн остролистный (Acer platanoides)

Ясень зеллный (Fraxinus lanceolata Borch)

Робиния псевдоакация (Robinia pseudoacacia)

Тополь пирамидальный (Populus pyramidalis)

Слива растопыренная (Prunus cerasifera)

Сквер на площади «Троицкой»

Каштан конский (Aesculus hippocastanum)

Липа мелколистная (Tilia cordata)

Кллн остролистный (Acer platanoides)

Ясень зеллный (Fraxinus lanceolata Borch)

Робиния псевдоакация (Robinia pseudoacacia)

Вяз гладкий (Ulmus laevis)

Кллн полевой (Acer campestre)

Детский парк «Казачок»

Тополь канадский (Populus deltoides Marsh)

Каштан конский (Aesculus hippocastanum)

Липа мелколистная (Tilia cordata)

Кллн остролистный (Acer platanoides)

Граб обыкновенный (Carpinus betulus)

Кллн ясенелистный (Acer negundo L)

Вяз мелколистный (Ulmus pumila)

Как видно из таблицы, максимальное содержание цинка в почвах под пологом Липы мелколистной составляет - 123,50 мг/кг, среднее - под Робинией псевдоакацией - 100,50 мг/кг, а минимальное его количество определено под Ясенем зеллным - 77,50 мг/кг.

Уровень максимального накопления свинца под Сливой растопыренной - 27,23 мг/кг, среднего - под Кленом остролистным - 12,58 мг/кг, а минимального - под Каштаном конским - 9,75 мг/кг.

Наибольшее количество кадмия зафиксировано под Кллном остролистным - 0,35 мг/кг, среднее - под Ясенем зеллным и тополем пирамидальным - 0,18 мг/кг, а минимальное - под Липой мелколистной - 0,13 мг/кг.

В максимальном количестве никель обнаружен в почвах под Каштаном конским - 25,23 мг/кг, среднем - под Ясенем зеллным - 19,80 мг/кг, минимальном - под Липой мелколистной - 11,03 мг/кг.

Значительное содержание кобальта накапливается под Каштаном конским - 5,45, среднее - под Робинией псевдоакацией и Ясенем зеллным- 4,63 мг/кг, а низкое - под Липой мелколистной - 2,38 мг/кг.

Марганец в максимальном количестве содержится в почвах под Тополем пирамидальным - 352,25 мг/кг, среднем - под Робинией псевдоакацией - 293,25 мг/кг, минимальное количество его зафиксировано под Липой мелколистной - 219,75 мг/кг.

Наибольшее содержание меди находится в почвах под пологом Каштана конского - 25,08 мг/кг, повышенное - под Робинией псевдоакацией - 18,78 мг/кг, а наименьшее его количество обнаружено под Липой мелколистной - 13,15 мг/кг.

Таким образом, наибольшее количество тяжллых металлов содержится в почвах под деревьями Тополя пирамидального - 495,0 мг/кг, Каштана конского - 492,66 мг/кг и Ясеня зеллного - 481,31 мг/кг, что объясняется более поздним сроком листопада для этих древесных видов, т.е. пока листья находятся в кроне, они продолжают аккумулировать пыль с содержанием тяжелых металлов. Суммарный показатель накопления на данном объекте исследования варьирует от 387,37 до 495,0 мг/кг.

Исследования показали, что в сквере на площади «Троицкой» цинк в максимальном накоплении обнаружен в почвах под Ясенем зеллным - 182,63 мг/кг, в среднем - под Робинией псевдоакацией - 127,56 мг/кг, а минимальное количество его зафиксировано под Каштаном конским - 88,00 мг/кг.

Максимальное количество свинца накапливается в почве под Ясенем зеллным - 95,58 мг/кг, среднее количество - под Кллном остролистным - 62,45 мг/кг, а минимальное его содержание определено в почвах под Каштаном конским - 22,15 мг/кг.

Кадмий накапливается в максимальном значении под Липой мелколистной - 0,22 мг/кг, среднем - под Ясенем зеллным - 0,17 мг/кг, а минимальное - под Каштаном конским - 0,10 мг/кг.

Высокое содержание никеля обнаружено в почвах под Кллном полевым - 42,97 мг/кг, среднее - под Робинией псевдоакацией - 30,85 мг/кг, а низкое содержание - под Каштаном конским - 23,68 мг/кг.

Накопление кобальта достигает максимального значения под Ясенем зеллным - 7,23 мг/кг, среднее - под Кллном полевым - 5,13 мг/кг, а минимальное накопление - под Кллном остролистным - 3,24 мг/кг.

Марганец накапливается в больших количествах в почвах под Каштаном конским - 350,75 мг/кг, среднем - под Ясенем зеллным - 239,14 мг/кг, наименьшее его количество зафиксировано - под Кллном остролистным - 156,19 мг/кг.

Наибольшее содержание меди находится в почвах под Липой мелколистной - 37,99 мг/кг, повышенное - под Вязом гладким - 29,75 мг/кг, наименьшее его количество обнаружено под Робинией псевдоакацией - 18,76 мг/кг.

Полученные данные свидетельствуют о том, что наибольшее количество металлов находится в почвах под Ясенем зеллным - 598,44 мг/кг, Липой мелколистной - 554,82 мг/кг и Кллном полевым - 542,18 мг/кг.

Суммарный показатель накопления тяжелых металлов в почвах под зелеными насаждениями сквера на площади «Троицкой» составляет от 375,02 до 598,44 мг/кг.

Большой разницы между промышленной и селитебной зоной не отмечено, в связи с тем, что потоки ветра и основные автомобильные магистрали города проходят по этим территориям.

В детском парке «Казачок» Каштан конский в меньшем количестве накапливает все металлы - 317,61 мг/кг, среднее количество их аккумулируют листья Клена ясенелистного - 407,82 мг/кг, а максимальное содержание всех металлов определено в фитомассе Тополя канадского - 523,3 мг/кг. Поэтому, при подборе пород, отвечающих условиям окружающей (природной) среды и выполняющих роль биологических фильтров, целесообразно выбирать те виды растений, которые обладают сильным мелиоративным воздействием в местах техногенного загрязнения. Для этих целей наиболее пригодны: Липа мелколистная, Ясень зеленый, Клен полевой, Каштан конский, Тополь канадский, фитомасса которых при опаде выводит поллютанты из воздуха и они утилизируются в почвах.

Для определения суммарного показателя загрязнения почв (Zc) на этих объектах, нами определены коэффициенты концентраций этих же металлов под пологом насаждений (таблица2).

По данным таблицы 2, высокие коэффициенты концентраций тяжл-лых металлов в почвах и суммарные показатели их загрязнения снижены в тех ландшафтах, насаждения которых расположены в зеллной зоне цент-ральной части города.

Таблица 2 Коэффициенты концентрации тяжллых металлов и суммарный показатель загрязнения почв под пологом насаждений парковых ландшафтов.

Тяжелые металлы в городских почвах

Охрана окружающей среды от загрязнения стала насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями считаются свинец, кадмий, цинк, главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям.

Загрязнение почвы подвижными формами тяжелых металлов является наиболее актуальной, так как в последние годы проблема загрязнения окружающей среды приняла угрожающий характер. В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой отраслях науки.

Объектом данного исследования являются антропогенные почвы Железнодорожного района г.Ульяновска (на примере ул.Транспортной).

Главная цель проводимого исследования - определение степени загрязнения городских почв тяжелыми металлами.

Задачами исследования являются: определение величины рН в отобранных образцах почвы; определение концентрации подвижных форм меди, цинка, кадмия, свинца; проведения анализа полученных данных и предложение рекомендаций по снижению содержания тяжёлых металлов в городских почвах.

Пробы в 2005 году отбирались вдоль автодороги по ул.Транспортная, а в 2006 году на территории личных приусадебных участков (по той же улице), расположенных вблизи железнодорожных путей. Пробы отбирались на глубину 0-5 см и 5-10 см. Всего было отобрано 20 проб, массой по 500 г.

Исследуемые образцы проб 2005 и 2006 года относятся к нейтральной почве. Нейтральные почвы поглощают тяжелые металлы из растворов в большей степени, чем кислые. Но есть опасность увеличения подвижности тяжёлых металлов и их проникновение в грунтовые воды и близлежащий водоём, при выпадении кислотных дождей (обследуемый участок находиться в пойме р.Свияги), что незамедлительно скажется на пищевых цепях. В данных пробах наблюдается низкое содержание гумуса (2-4%). Соответственно нет способности почвы к образованию органо - металлических комплексов.

По лабораторным исследованиям почв на содержание Cu, Cd, Zn, Pb были сделаны выводы об их концентрациях в почвах обследуемой территории. В пробах 2005 года было выявлено превышение ПДК Cu в 1-1,2 раза,Cd в 6-9 раз, а содержание Zn и Pb ПДК не превысило. В пробах 2006 года отобранных на приусадебных участках концентрация Cu не превысила ПДК, содержание Cd меньше, чем в пробах отобранных вдоль дороги, но всё же превышает ПДК в разных точках от 0,3 до 4,6 раз. Содержание Zn увеличено только в 5 точке и составляет на глубине 0-5 см 23,3 мг/кг почвы (ПДК 23 мг/кг), а на глубине 5-10 см 24,8 мг/кг.

По результатам исследования сделаны следующие выводы: для почв характерна нейтральная реакция почвенного раствора; в пробах почвы низкое содержание гумуса; на территории Железнодорожного района г.Ульяновска наблюдается различное по интенсивности загрязнение тяжелыми металлами почвы; установлено, что в некоторых пробах значительное превышение ПДК, особенно это наблюдается в исследованиях почвы на концентрацию кадмия; для улучшения эколого-географического состояния почвы на данном участке рекомендуется выращивать растения-аккумуляторы тяжелых металлов и управлять экологическими свойствами самой почвы посредством ее искусственного конструирования; необходимо проводить систематический мониторинг и выявлять наиболее загрязненные и опасные для здоровья населения участки.

Тяжелые металлы в городских почвах

1.2. Экспресс – методы оценки токсичности почвенной среды с помощью биотестов

Что такое биоиндикация. Методы биоиндикации

Большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый почвовед В.В.Докучаев.

По современным представлениям биоиндикаторы — организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Биоиндикация - метод, который позволяет судить о состоянии окружающей среды по факту встречи, отсутствия, особенностям развития организмов — биоиндикаторов. Термин «биоиндикация» чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием «экотоксикология». [13,14]

Условия, определяемые с помощью биоиндикаторов, называются объектами биоиндикации. Ими могут быть как определенные типы природных объектов (почва, вода, воздух), так и различные свойства этих объектов (механический, химический состав и др.), и определенные процессы, протекающие в окружающей среде (эрозия, заболачивание и т.п.), в том числе происходящие под влиянием человека.

Достоинство биологической индикации в том, что организмы могут характеризовать не только состояние среды в данный момент, но и её изменения за длительное время. Если предприятие выбрасывает в атмосферу и воду сразу десятки загрязнителей, оценить их влияние на природу порознь часто невозможно. По реакции организмов на загрязнение можно оценить вредоносность всего «комплекта».

Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором». Правда, у живых приборов есть серьёзный недостаток – они не могут установить концентрацию какого-либо вещества в многокомпонентной смеси, реагируя сразу на весь комплекс веществ. В то же время физические и химические методы дают количественные и качественные характеристики фактора, но позволяют лишь косвенно судить о его биологическом действии. С помощью биоиндикаторов можно получить информацию о биологических последствиях и сделать только косвенные выводы об особенностях самого фактора.

Конечно, биоиндикация не заменяет детальных анализов. Разные загрязнители часто действуют одинаково, они могут усиливать действие друг друга. Тем не менее, во многих случаях оценивать действие экологических факторов методами биоиндикации очень полезно. Для такой оценки не нужны дорогостоящие приборы, возможно осуществление оперативного наблюдения (мониторинга) за состоянием условий среды и в особенности за режимом загрязнения атмосферы, воды и почвы. Именно потому, что биоиндикационный метод прост в применении.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации. Например, лишайники и хвойные деревья могут характеризовать чистоту воздуха и наличие промышленных загрязнений в местах их произрастания. Видовой состав животных и низших растений, обитающих в почвах, является специфическим для различных почвенных комплексов, поэтому изменения этих группировок и численности видов в них могут свидетельствовать о загрязнении почв химическими веществами или изменении структуры почв под влиянием хозяйственной деятельности.

Методы биоиндикации

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующая биоиндикация и биоиндикация по аккумуляции. Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК). В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Мониторинг с применением накапливающих биоиндикаторов зачастую требует применения сложных и дорогостоящих приборов, оборудования, трудоемких методик, что под силу только специальным лабораториям. Но в основном методы биоиндикации не требуют значительных затрат труда, сложного и дорогостоящего оборудования, а поэтому могут широко использоваться в школе. [13]

2. Экспериментальная часть.

2.1. Место и время проведения эксперимента.

Для выявления содержания тяжелых металлов были взяты образцы почв в разных частях города Люберцы. Образцы были взяты вдоль автодорог на ул. Урицкого, Наташинского парка, а также на пришкольной территории. Чтобы выявить накопление тяжелых металлов образцы были взяты летом (июнь) и осенью (сентябрь). Химический анализ образцов был проведен в лаборатории общей химии МГОУ под руководством Дмитрия Борисовича Петренко и аспиранта Вероники Юрьевны Дмитриевой. Исследование проводилось при помощи полярографа «Экотест-ВА» с трехэлектродной ячейкой.

Биоиндикация почвы была с помощью семян кресс-салата.

2.2. Описание использованных методик.

2.2.1 Методики определения тяжелых металлов в почве .

Высокая токсичность и низкие значения ПДК свинца и кадмия обусловливают необходимость применения для их определения в объектах окружающей среды чувствительных аналитических методов, среди которых наибольшее применение нашли атомно-абсорбционная спектрометрия, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и ряд других спектральных методов.

В последние 10-15 лет существенную конкуренцию указанным методам составил метод инверсионной вольтамперометрии. Метод инверсионной вольтамперометрии в сочетании с простыми и надежными методиками химической подготовки проб является весьма перспективным для определения свинца и кадмия, аккумулированных растениями, в целях оценки техногенного воздействия на окружающую среду. [8]Поэтому в наших исследованиях использовался метод вольтамерометрии.

2.2.2. Метод определения всхожести семян кресс-салата как показатель загрязнения почвы.

Цель биотестирования – выявление степени и характера токсичности тестируемой среды. Кресс- салат является индикатором загрязнения почв тяжелыми металлами. Этот фитоиндикатор обладает быстрым прорастанием семян и почти 100%-ной всхожестью при отсутствии загрязнения. Кроме того, побеги и корни кресс- салата под воздействием тяжелых металлов подвергаются заметным морфологическим изменениям. Они выражаются в задержке роста, искривленности побегов, а также в уменьшении длины и массы корней, числа и массы семян.

По результатам опыта почве присваивается один из 4 уровней загрязнения.

Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90-100%, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

Слабое загрязнение. Всхожесть 60-90%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.

Среднее загрязнение. Всхожесть 20-60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства.

Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабая (20%). Проростки мелкие и уродливые.

Результаты, полученные в ходе химического анализа, представлены в таблицах №2. В большинстве образцов почвы были обнаружен свинец и медь. Другие тяжелые металлы, в частности кадмий и цинк не обнаружены. Наличие свинца и меди в образцах свидетельствуют о содержании их в окружающей среде.

Тяжелые металлы в городских почвах

Изучение методов снижения уровня загрязнения почв тяжелыми металлами

1 Назарбаев Интеллектуальная Школа химико-биологического направления г.Усть-Каменогорск (Республика Казахстан)

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Проблема загрязнения природной среды и его влияния на здоровье человека тесно взаимосвязаны между собой, что наблюдается при анализе данных по уровню заболеваемости и выбросам загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников, сбросу загрязненных сточных вод в водоемы, образованию токсичных отходов, доступности населения к питьевой воде и качеству воды и пр.

В последнее время в связи с высоким уровнем развития промышленности во всем мире усилилось загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в масштабах, которые не свойственны природе.

Основные загрязнители городов c развитой металлургической инфраструктурой – тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий, цинк, медь, никель, ртуть[1].

Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов легко проникают в трофические цепи, накапливаясь в растительных и животных организмах; включаются в метаболические циклы и вызывают разнообразные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требуется весьма продолжительный период времени при условии полного прекращения их поступления. Период полувыведения тяжелых металлов из организма человека обычно составляет многие месяцы.

Повышенные токсические концентрации некоторых тяжелых металлов вызывают негативные воздействия в организме человека. Например, превышение концентрации свинца приводит к задержке синтеза протеина в крови, анемии, поражению почек, головного мозга, снижению умственных способностей, задержке роста, разрушению костных тканей, параличу, болям в суставах, снижению реакций иммунной системы, нарушению функций сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, снижению репродуктивной функции. Избыточное содержание цинка приводит к интоксикации, анемии, а также к органическим изменениям в тканях.

Целью данной работы является определение уровня загрязнения почвы различных районов города Усть-Каменогорска тяжелыми металлами и рассмотрение способов снижения их концентрации в почве.

Задачами исследования являются:

литературный обзор по проблеме поведения тяжелых металлов в почве и методам снижения их концентрации;

отбор проб образцов для анализа и определение содержания свинца и цинка в почвах г. Усть-Каменогорска;

выявление закономерностей накопления тяжелых металлов в различных районах города Усть-Каменогорска;

определение способов снижения содержания тяжелых металлов в почве

Методы исследования: теоретические – методы анализа литературных источников; физико-химические методы анализа.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Тяжелые металлы как основной тип загрязнителей окружающей среды

Тяжелые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксид углерода и серы. К тяжелым металлам относят химические элементы, имеющие плотность более 5 г/см 3 , атомную массу свыше 40 и обладающие металлическими свойствами[2]. К ним относятся Cu, Co, Pb, Hg, Cd, Cr, Mn, Zn и др. Тяжелые металлы по степени опасности подразделяются на классы (таблица 1)

Таблица 1 – Классы опасности тяжелых металлов [3]

Кадмий (Cd), Мышьяк (As), Ртуть (Hg), Свинец (Pb), Селен (Se), Цинк ( Zn)

Кобальт (Co), Медь (Cu), Молибден (Mo), Никель (Ni), Хром (Cr)

Марганец (Mn), Ванадий (V)

Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки, они попадают в окружающую среду.

Город Усть-Каменогорск является промышленным центром, на территории которого размещены такие крупные металлургические предприятия как ТОО Kaзцинк, Ульбинский металлургический завод - ОАО «УМЗ», Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат, объекты теплоэнергетики и транспорта.

К источникам, которые образуют загрязняющие вещества в результате сжигания топлива, можно отнести предприятия теплоэнергетики, железнодорожный и автомобильный транспорт.

К числу основных загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах, относятся CO, NOx, CmHn, соединения свинца, полициклические ароматические углеводороды, пыль, сажа и др.С выхлопными газами на почву попадает 11 более 250 тыс. т свинца в год; это главный источник загрязнения почв свинцом [4].

Исследования Л.Н. Скипина и др. (2007) показали, что загрязнение свинцом и кадмием придорожных полос автомагистралей достигает 100 м [5].

Эмиссия тяжелых металлов в составе техногенных выбросов в окружающую среду происходит, чаще всего, в виде их комплексов. Токсическое воздействие комплексов на организмы зависит от состава комплекса, чувствительности организмов (общей и поэлементной), химической формы соединений и других факторов, определяющими являются пропорции микроэлементов, входящих в комплекс[3]. Считается, что из различных сочетаний основных элементов в пыли, выбрасываемой заводами по выплавке цветных металлов, наиболее токсичным является сочетание Cd–Pb–Zn.

В отличие от других загрязнителей, способных разлагаться под действием физико-химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения. Период полувыведения тяжелых металлов из почв варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.

Почвенный мониторинг направлен на выявление изменений почв, которые могут нанести вред здоровью человека и других живых организмов. Особая роль почвенного мониторинга обусловлена тем, что все изменения состава и свойств почв отражаются на выполнении почвами их экологических функций. Огромное значение имеет то, что в почве в отличие от воздуха атмосферы и вод поверхностных водоемов экологические последствия антропогенного воздействия обычно проявляются позже, но они более устойчивы и сохраняются дольше. Поэтому существует необходимость оценивать и долговременные последствия этого воздействия на почвы.

Вредные химические вещества, попавшие в почву, поступают в организм человека в основном через контактирующие с почвой среды: воду (миграционный водный показатель вредности), растения (транслокационный показатель вредности).

Содержание тяжелых металлов в верхних слоях почвы определяется близостью к локальным источникам загрязнения и переносом загрязнителей нижними слоями атмосферы, что обусловливается региональными факторами, такими как климат, рельеф, а также растительный покров, тяжелые металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся.

Тяжелые металлы в городских почвах

Тяжелые металлы в городских почвах и листьях деревьев города Люберцы

1 Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 25 имени А.М. Черемухина муниципального образования городской округ Люберцы Московской области

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Органические отбросы, биогенные вещества наносят вред городским и природным экосистемам тогда, когда перегружают их. Загрязненная ими экосистема может при благоприятных условиях очиститься сама. Однако есть загрязнители, которые абсолютно чужды экосистемам, поэтому их вред более существен. Среди таких веществ особое место занимают тяжелые металлы.[1]

В результате деятельности человека уже на протяжении многих десятков и сотен лет происходит поступление тяжелых металлов в биосферу, что привело к значительному увеличению содержания этих элементов в окружающей среде. Загрязнение водоемов, почвы и продуктов питания тяжелыми металлами представляет серьезную угрозу для здоровья людей. [6]

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности и автомобильного транспорта во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, в частности свинцом и кадмием. Повышенные содержания этих элементов обнаруживаются в атмосферных аэрозолях, почвах, поверхностных и грунтовых водах, а также растениях. [8]

Люберецкий район один из районов ближнего Подмосковья с наиболее сложной экологической обстановкой [3]. Поэтому любые экологические исследования в Люберецком районе, способствующие снижению возможного экологического риска, актуальны. Школьники должны научиться оценивать состояние собственного здоровья и соотносить полученные результаты с абиотическими условиями и образом жизни, вносить коррективы в свой образ жизни с учетом полученных результатов [4].

Гипотеза: воздух в городе загрязняется тяжелыми металлами, которые накапливаются в почвах и листьях деревьев, произрастающих в городе Люберцы.

Цель: определить степень загрязнения городских почв тяжелыми металлами и наличие их в листьях разных пород деревьев листьях.

Собрать пробы почвы и листьев растений в начале лета (июнь)

Собрать пробы почвы и листьев в начале осени (сентябрь)

Подготовить образцы к химическому анализу.

Методом химического анализа определить содержание свинца, меди, цинка и кадмия в почве и в растениях

Сравнить полученные результаты

Оценить экологический риск воздействия неблагоприятной окружающей среды на растения и на человека.

Тяжелые металлы – загрязнители природной среды

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин "тяжелые металлы" применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см 3 , либо с атомным номером больше 20. Хотя, существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 ат. ед. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.[12]

Токсикология свинца тщательно изучена, так как его содержание в окружающей среде в настоящее время быстро растет в результате деятельности человека.

Ежегодное мировое потребление свинца составляет около 3 млн т, которые используют для разных целей:

Производство аккумуляторных батарей (40% от мирового потребления)

20% тетраэтилсвинца (ТЭС) и тетраметилсвинца — присадок к бензину

12% — в строительстве

6% — для покрытия кабелей

Тетраэтилсвинец и тетраметилсвинец — это ядовитые жидкие вещества, которые и сейчас добавляют как антидетонирующие присадки к бензинам. Поэтому выхлопы автомобилей — наиболее серьезный источник загрязнения окружающей среды свинцом.

Вдоль автотрасс свинец абсорбируют растения (из воздуха, а не из почвы!), этот же процесс происходит при загрязнении поверхностных слоев вод. В воду свинец может попасть из загрязненных им (свинцом) почв.[1]

Соединения свинца являются загрязнителем воздуха и почвы, куда они попадают чаще всего вследствие выбросов промышленных предприятий. Пыль, содержащая соединения свинца, оседает на растения и вызывает у них замедление процессов фотосинтеза. Ионы свинца вызывают потерю клетками растений тургора, в результате чего листья становятся дряблыми. Загрязнение свинцом объектов окружающей среды приводит к существенному снижению качества сельскохозяйственной продукции.[6]

Соединения свинца попадают в организм человека через желудочно-кишечный тракт или легкие, далее он попадает в кровь и разносится ею по всему телу, накапливаясь в костях, мышцах, печени, почках, сердце, лимфатических узлах. [7]

Неорганические соединения свинца ( Pb +2 ) нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов, вызывая у детей умственную отсталость, заболевания мозга, нарушение координации движений, ухудшение слуха и памяти. Попадая в клетки, свинец дезактивирует ферменты. Свинец может заменять кальций в костях, становясь постоянным источником отравления. Органические соединения свинца еще более токсичны. Степень отравления свинцом определяют по концентрации его в крови.

Медь является необходимым кофактором для нескольких важнейших ферментов, катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции, без которых нормальная жизнедеятельность невозможна. Медь входит в качестве необходимого элемента в состав белков. Их биологическая роль связана с процессами переноса кислорода, электронов и окислительного катализа. В тканях здорового организма концентрация меди в течение всей жизни поддерживается строго постоянной. В норме существует система, препятствующая непрерывному накоплению меди в тканях путем ограничения ее абсорбции или стимуляции ее выведения. Хронический избыток меди в тканях при соответствующих заболеваниях вызывают токсикоз: ведет к остановке роста, гемолизу, снижению содержания гемоглобина, к деградации тканей печени, почек, мозга.[2] Содержание меди в виде различных соединений в человеческом организме составляет около 1 мг на 1 кг веса. Медь для человека является микроэлементом. [5]

Источники поступления меди в экосистемы - это результат использования медьсодержащих веществ: удобрений (минеральных и органических), растворов для опрыскивания, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, а также поступления из индустриальных источников, транспорта. [6,10]

Медь считается одним из наиболее подвижных тяжелых металлов в гипергенных процессах. Однако катионы меди обладают многообразными свойствами и в почвах и осадках проявляют большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. В итоге Cu - относительно малоподвижный элемент в почвах, и ее суммарные содержания обнаруживают сравнительно слабые вариации в почвенных профилях.

Преобладающей обычно в поверхностных средах подвижной формой меди является катион с валентностью +2, однако в почвах могут присутствовать и другие ионные формы.

Микробиологическая фиксация играет важную роль в связывании Cu в некоторых типах почв. Количество Cu, связанной в биомассе микроорганизмов, меняется в широких пределах и зависит от многих факторов - концентрации меди, свойств почвы, сезона года. Микробиологическая фиксация Cu - важный этап в ее экологическом круговороте. Хотя медь - один из наименее подвижных тяжелых металлов в почве, ее содержание в почвенных растворах достаточно велико во всех типах почв. Образование органических комплексов Cu имеет важное практическое значение для управления биологической доступностью и миграцией Cu в почве.

В тканях корней растений Cu почти целиком присутствует в комплексных формах, однако представляется более вероятным, что в клетки корневой системы она проникает в диссоциированных формах. Перемещение Cu между различными частями растения играет главную роль в ее утилизации. Была обнаружена способность корневых тканей удерживать Cu от переноса в побеги как в условиях ее дефицита, так и избытка. Подвижность Cu в растительных тканях сильно зависит от уровня ее поступления, достигая максимума при оптимальном уровне. Однако Cu имеет меньшую подвижность в растениях по сравнению с другими элементами. Большая ее доля остается в тканях корней и листьев, пока они не отомрут, и только малые количества могут переместиться в молодые органы.

Несмотря на общую толерантность растительных видов и генотипов к меди, этот элемент все же рассматривается как сильно токсичный. Процессы, вызванные избытком ионов Cu 2+ и Cu + , можно суммировать следующим образом:

повреждение тканей, вытянутость клеток корней;

изменение проницаемости мембран, вызывающее потерю корнями ионов и растворенных веществ;

переокисление липидов в мембранах хлоропластов и ингибирование переноса электронов при фотосинтезе;

иммобилизация Cu на стенках и в вакуолях клеток и в виде неспособных к диффузии Cu-протеиновых комплексов.

Некоторые виды имеют большую устойчивость к повышенным содержаниям Cu и могут аккумулировать экстремально высокие количества этого элемента в своих тканях. Концентрация Cu в тканях растений зависит от уровня ее содержания в питающих растворах и почвах. Однако параметры этой связи различны для разных видов растений и их частей. У ряда видов, произрастающих в широком диапазоне природных условий, концентрации меди в побегах редко превышают 20 мг/кг сухой массы, поэтому такая величина часто рассматривается как граница, отделяющая область избыточных содержаний. [9]

Загрязнениепочв кадмием рассматривается как наиболее серьезная опасность для здоровья. В антропогенных условиях содержание кадмия в поверхностном слое почв обычно возрастает. Считается, что Cd не входит в число необходимых для растения элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Растворимые формы Cd в почве всегда легкодоступны растениям. Заметная доля Cd поглощается корнями пассивно, но поглощается он также и метаболическим путем. [9]

Известно, что большая часть Cd аккумулируется в тканях корней, даже если он попадает в растения через листья. Можно сделать вывод, что, хотя корни некоторых видов способны поглощать большие количества Cd из среды, перенос Cd в растении может иметь ограниченные масштабы из-за того, что Cd легко захватывает большинство обменных позиций в активных веществах, расположенных на клеточных стенках. Кадмий считается токсичным элементом для растений, и основная причина его токсичности связана с нарушением ферментативной активности. [9]

Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием Cd в растениях, - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев или прожилков. Помимо создания препятствий нормальному метаболизму ряда микрокомпонентов питания, фитотоксичность Cd проявляется в тормозящем действии на фотосинтез, нарушении транспирации и фиксации С O ₂, изменении проницаемости клеточных мембран. Известно также, что Cd ингибирует процессы в микроорганизмах, происходящие с участием ДНК, препятствует симбиозу микробов и растений и повышает пред расположенность растений к грибковым инвазиям. Содержащийся в растениях кадмий представляет наибольшую опасность, так как может служить источником поступления в организмы человека и животных. Поэтому толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям Cd, хотя они и важны с точки зрения сохранности окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека. [9]

Кадмий попадает в окружающую среду вследствие курения (дым сигарет), выбросов промышленных предприятий, выбросы с заводов цветной металлургии, удобрения, сжигание угля. [12]

Установлены ПДК веществ для охраны от загрязнения: шкала экологического нормирования тяжелых металлов предложена с учетом генетического типа почвы. Главное значение имеет не количество тяжелых металлов, а их формы соединений в почве, зависящие от pH почвы (таблица 1).[1]

Читайте также: