Реферат: В. Г. Макарова, А. Р. Цыганов, В. А. Кирюшин, О. В. Коновалов, И. Р. Вильдфлуш, Ю. А. Можайский, Т. Ф. Персикова, В. И. Желязко Экологические и медико-социальные аспекты охраны природной среды и здоровья населения – Минск: бит «Хата», 2002

УДК

ББК

Р

Рецензенты:


В.Г. Макарова, А.Р. Цыганов, В.А. Кирюшин, О.В. Коновалов, И.Р. Вильдфлуш, Ю.А. Можайский, Т.Ф. Персикова, В.И. Желязко Экологические и медико-социальные аспекты охраны природной среды и здоровья населения – Минск: БИТ «Хата», 2002

ISBN

В монографии предоставлены данные по загрязнению почв Рязанской области Российской Федерации и Беларуси тяжелыми металлами и радионуклидами. Приведены результаты многолетних исследований, проведенные учеными Рязанского медицинского института и Белорусской Государственной сельскохозяйственной академии, а также обобщены данные других авторов по изучению приемов снижения накопления тяжелых металлов и радионуклидов в растениеводческой продукции на загрязненных почвах. Рассмотрены особенности регулирования водного режима на техногенно загрязненных землях. Большое внимание уделяется влиянию неблагополучной экологической обстановки на здоровье населения.

Для научных работников и преподавателей вузов. Будет полезна аспирантам, студентам вузов, а также широкому кругу читателей.


ОГЛАВЛЕНИЕ Введение
Глава 1. Анализ экологического состояния культурных ландшафтов в условиях техногенного загрязнения

1.1. Источники загрязнения природных систем тяжелыми металлами

1.2. Миграция и трансформация тяжелых металлов в культурных ландшафтах

1.3. Биологическая роль тяжелых металлов

Глава 2. Влияние антропогенной деятельности на загрязнение тяжелыми металлами почв Рязанской области и Республики Беларусь

2.1. Почвенные условия культурного ландшафта Рязанской области

2.2.Техногенное загрязнение почв культурных ландшафтов Рязанской области

2.3. Трансформация и распределение тяжелых металлов по почвенному профилю основных типов почв

2.4. Региональные классификации загрязненности почв тяжелыми металлами

2.5. Загрязнение тяжелыми металлами почв Беларуси

2.6. Мероприятия по реабилитации загрязненных тяжелыми металлами почв культурного ландшафта

Глава 3. Основы организации регионального почвенно-экологического мониторинга культурного ландшафта.

3.1. Концепция и принципы почвенно-экологического мониторинга.

3.2. Основные принципы организации регионального почвенно-экологического мониторинга

3.3. Цели и задачи регионального почвенно-экологического мониторинга

3.4. Формирование системы регионального почвенно-экологического мониторинга и этапы его проведения.

Глава 4. Особенности регулирования водного режима на техногенно загрязненных землях

4.1. Нормирование загрязнения агроландшафтов тяжелыми металлами

4.2. Требования, предъявляемые растениями к факторам внешней среды

4.3. Водный режим почв и его регулирование при орошении

4.4. Водопотребление полевых культур

4.5. Экологически обоснованные нормы орошения полевых культур

4.6. Технологический регламент функционирования мелиорируемых ландшафтов в условиях техногенного загрязнения почв

4.7. Мелиоративный биоканал для очистки загрязненных поверхностных и дренажных вод

4.8. Эколого-экономическое обоснование орошения в условиях техногенного загрязнения почвы

Глава 5. Эколого-гигиенические аспекты оценки дозообразующих факторов облучения населения.

5.1. Радиационная обстановка в Рязанской области

5.2. Радиационная обстановка в Республике Беларусь

5.3. Поведение радионуклидов в почвах и поступление их в растения

5.4. Прогнозирование уровня содержания радионуклидов в растениеводческой продукции

5.5. Приемы снижения поступления радионуклидов в растениеводческую продукцию

Глава 6. Экология и здоровье детей (на примере Рязанской области).

6.1. Влияние неблагополучной экологической обстановки на здоровье беременных, матерей и новорожденных

6.2. Особенности патологии у детей, проживающих на загрязненных территориях

Заключение
Литература


ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации и вокруг нее сформировался ряд регионов, где высокая концентрация населения и разного рода производств резко ухудшили экологическую обстановку. Антропогенные нагрузки в таких регионах достигли критической величины, при которой сопротивляемость природных комплексов исчерпана полностью или близка к этому состоянию.

В этих условиях одним из самых приоритетных направлений развития сельского хозяйства становится получение экологически чистой продукции. Особенно актуально данное направление для хозяйств, земли которых в результате активного вмешательства человека в круговорот химических веществ в биосфере загрязнены тяжелыми металлами (ТМ).

Загрязнению подвержены и территории многих хозяйств Рязанской области. Земельный фонд области составляет 3,96 млн. га, из которых в сельскохозяйственном использовании находится 2,9 млн. га, в том числе пашни – 1,8 млн. га. На территории области функционируют 132 предприятия, в выбросах которых наряду с традиционно регистрируемыми загрязнителями – сернистым ангидридом, окисью углерода, окисью азота – зафиксировано значительное количество ТМ.

Большие экологические проблемы существуют и на территории Беларуси. Дополнительными источниками загрязнения земель, воды и воздуха здесь стала авария на Чернобыльской АЭС.

В Беларуси 260,3 тыс. га сельскохозяйственных земель загрязнено медью, 179,3 тыс. га цинком, 100 тыс. га свинцом, 45 тыс. га кадмием, 23 % территории радионуклидами.

Изменить создавшееся положение, устранить негативные последствия загрязнения радионуклидами, ТМ и другими токсикантами, провести реабилитацию загрязненных почв помогут организация регионального почвенно-экологического мониторинга, оценка антропогенной нагрузки по районам и степени загрязнения основных типов почв.

Источником экологической опасности является радиационное загрязнение земли, воды и воздуха, ставшее чрезвычайно значимым после аварии на Чернобыльской АЭС, в том числе и для Рязанской области. Последствия загрязнения радионуклидами до сих пор оказывают влияние на состояние земли, водных источников, здоровье населения Беларуси и Рязанщины. Оценка дозообразующих факторов облучения человека – шаг на пути к решению проблемы нейтрализации последствий чернобыльской аварии.

В последние годы под воздействием загрязнения окружающей среды существенно ухудшилось состояние здоровья населения, особенно детей. Все меньше детей рождается без патологий, с нормальным весом, растет число заболеваний детей в младенческом возрасте. Широко распространенными стали болезни органов дыхания, нервной системы и органов чувств, повысилась частота злокачественных новообразований.

Улучшить экологическую ситуацию – значит не просто найти пути решения отдельных задач: провести реабилитацию земель, очистку воды, обеззараживание стоков, контролировать состояние здоровья населения и т.д. Следует подойти к решению экологических проблем комплексно, всесторонне оценить ситуацию, и только тогда можно будет принять необходимые меры и получить обнадеживающие результаты, остановить приближающуюся экологическую катастрофу.


Глава 1. Анализ экологического состояния культурных ландшафтов

в условиях техногенного загрязнения


1.1. Источники загрязнения природных систем тяжелыми металлами

В настоящее время в России и граничащих с ней государствах складывается ситуация, при которой формируются ландшафты с особой биогеохимической структурой и нарастает угроза истощения земельных, водных и биологических ресурсов 5, 14, 18, 110, 114, 120, 212. В работах многих авторов отмечается, что природные циклы как элементов-биофилов, так и ТМ, большая часть которых по физиологической классификации является макро- и микроэлементами, претерпели существенные изменения 4, 12,13, 14, 18, 58. Значительное их количество, поступающее из антропогенных источников, сопровождается рядом нежелательных последствий, вызывающих изменение в цикле «почва – вода – растение – животное – человек» 9, 54, 77, 140.

Увеличивается антропогенная нагрузка на культурные ландшафты. В связи с этим особое внимание следует уделять ТМ, обладающим мутагенными и канцерогенными свойствами. Загрязнение ТМ атмосферы, почвы, воды в культурных ландшафтах приводит к значительному снижению продуктивности растений, в первую очередь сельскохозяйственных. Вода является основным переносчиком вещества в ландшафтах: с поверхностным стоком, с грунтовыми водами ТМ мигрируют с территории ландшафтов в водные объекты. Попадая в водоем, ТМ поглощаются гидробионтами, аккумулируются в донных отложениях в концентрациях, значительно превышающих исходную. ТМ способны реагировать с другими химическими соединениями, образуя устойчивые конечные продукты, накапливаться в биологических объектах и через пищевую цепь попадать в организм человека 3, 44, 62, 78, 117.

Источники поступления ТМ в ландшафты чрезвычайно разнообразны, они могут быть как антропогенными, так и природными, причем интенсивность поступления элементов в окружающую среду от этих источников различна. В районах активной производственной деятельности антропогенная доля возрастает, в фоновых районах содержание ТМ в атмосфере определяется, в основном, природной составляющей.

Главными антропогенными источниками поступления ТМ в атмосферу являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транспорт, химическая промышленность и др. Основные природные источники – это продукты деятельности вулканов, пыль, морские соли и др. Частицы почвы, поступающие в атмосферу в результате эрозии, содержат до 58 % цинка, имеющего природное происхождение. Вклад антропогенных факторов в фоновое содержание ртути в атмосфере составляет от 30 до 50 %. Остальная ртуть поступает от природных источников 4, 8, 16, 81, 90, 111.

Глобальное поступление кадмия из природных источников ежегодно составляет около 840 т, поступление в атмосферу в результате промышленного производства – 7200 т. Общее ежегодное поступление меди в атмосферу составляет 75 тыс. т. Около 75 % поступающей в атмосферу меди имеет антропогенное происхождение, увеличившееся за последние 30 лет производственной деятельности более чем в 3 раза. Поступление свинца из антропогенных источников значительно превышает его поступление из природных источников и составляет 449 тыс. т и 24,5 тыс. т соответственно 160, 234.

Значительное количество поллютантов поступает в пределы культурного ландшафта из атмосферы. Территория России подвергается постоянно действующему атмосферному переносу загрязнителей из стран Западной, Центральной и Восточной Европы, которые в большинстве своем представляют ТМ, поступающие в составе аэрозолей 74. Над крупными городами и индустриальными центрами располагаются участки тропосферы высотой до 3-4 км, загрязненные аэрозолями, оседающими на поверхности почвы и представляющими угрозу для растительности, поверхностных и почвенно-грунтовых вод, с которыми тесно связаны потоки веществ в почве 4, 8, 90.

В урбанизированных районах концентрация ТМ в воздухе заметно выше, чем в районах, удаленных от антропогенного воздействия 219. Исследования С.И. Ковалева показали, что наблюдаемое на картах-схемах распределение ртути в почве хорошо коррелирует с интенсивностью загрязнения воздуха 121. Содержание меди и цинка в атмосфере некоторых городов составляет 100-340 нг/м3 и 500-1200 нг/м3, а свинца – 120-2700 нг/м3 167.

Как отмечает ряд исследователей, многие отрасли промышленности (нефтеперерабатывающая, химическая, черная и цветная металлургия, производство цемента, искусственного волокна, сжигание топлива) загрязняют культурные ландшафты, в основном аэрозольным путем, свинцом, кадмием, медью, цинком, никелем 22, 47, 170, 192. Исследования длительного воздействия атмосферных выбросов ГМК «Печенганикель», проведенные Н.Г. Копцик с соавторами, показали, что в результате этого произошло загрязнение почв Ni и Cu на площади более 3000 км2. Валовое содержание никеля и меди в подстилках подзолов вблизи комбината составило 2000-2600 мг/кг, а содержание обменных форм – 1000-1400 мг/кг. При таких концентрациях меди и никеля в корнеобитаемой зоне вероятна возможность их токсического действия на растительность в радиусе 25-35 км от комбината 126.

Одним из постоянно действующих факторов миграции и круговорота веществ в природе являются атмосферные осадки, в которых растворяется значительная часть газообразных веществ и аэрозольных элементов. Средняя годовая минерализация атмосферных осадков составляет от 5-10 до 30-60 мг/л. Из атмосферы ТМ на 70-90 % удаляются за счет соударения и захвата каплей и на 10-30 % – за счет образования капли на ядрах конденсации. На величину плотности выпадения ТМ влияют как местонахождение региона, его удаленность от промышленных центров, так и область выпадающих в нем осадков 32, 242, 252, 253. В результате исследований О.В. Митрохина выявлено, что в Волгоградской области с атмосферными осадками за период с марта по октябрь выпадает до 15 кг/га токсических веществ 158. По степени насыщенности атмосферных осадков ТМ располагаются в следующем порядке: Zn > Pb > Cd > Ni 139, 167. Кислая реакция дождевых и снеговых осадков также усиливает мобильность ТМ в почве 32, 125

ТМ присутствуют в атмосфере в составе мельчайших техногенных частиц и в тех случаях, когда метеоусловия благоприятны, могут переноситься в атмосфере на сотни и тысячи километров. Почти 80 % частиц свинца в автомобильных выхлопах имеют диаметр менее 1 мкм, поэтому при определенной синоптической ситуации они могут вовлекаться в межконтинентальный перенос 24. От всей массы выбросов, по мнению многих исследователей, только 20-30 %, а по данным Д.С. Аммосовой – 40-50 % Pb, Cu, Zn и до 100 % Hg фиксируется выпадениями, другая часть рассеивается и попадает в региональные и глобальные миграционные циклы 8, 55.

Литературные данные о распространении пылегазовых выбросов ТМ неоднородны. Согласно исследованиям Н.Г. Зырина влияние выбросов распространяется на 50-100 км, но интенсивность загрязнения различными металлами неодинакова. В работе В.Б. Ильина отмечено, что выбросы черной и цветной металлургии переносятся на 20-40 км от источника. Исследователи Почвенного института им. В.В. Докучаева установили, что пылегазовые выбросы приводят к формированию техногенных участков со сверхнормативным содержанием в почве ТМ в радиусе 5-6 км от источника загрязнения 102, 109, 255.

В пределы агроландшафта ТМ поступают и от энергетических предприятий. При сжигании бурого угля с летучей золой от ГРЭС поступает ежегодно: Zn – 8,68 т, Pb – 2,6 т, Cu – 1,16 т, Ni – 1,56 т. Исследования влияния выбросов Рязанской ГРЭС на окружающую среду показали превышение ПДК в почве валовых форм ТМ на 56 (свинец) – 100 (марганец) % 23, 121. При изучении выбросов Райчихинской ГРЭС, использующей бурые угли, было установлено, что в результате работы электростанции в атмосферу поступает значительное количество ртути 218. При сжигании каменного угля в атмосферу выделяется 10 % церия, кобальта, марганца, молибдена, селена, титана, железа, хрома, свинца, серебра, 50 % – никеля, 90 % – кадмия, ртути, олова, цинка 271 Исследования, проведенные сотрудниками Уральского государственного института ветеринарной медицины, показали, что одна тепловая электростанция в сутки выбрасывает: Cu – 17, 3 кг, Pb – 2,7 кг, Ni – 6, 6 кг и других ТМ 204. Летучая зола, образующаяся при сжигании углей, в виде аэрозолей выпадает на поверхность почвы, в воду, что негативно отражается на состоянии окружающей среды 137, 231. В 1994 г. на Урале и в Предкавказье из подобных аэрозолей выпало более 2 кг/км2 цинка, в Волгоградской, Тверской областях – от 39 до 500 г/км2 кадмия, в Московской области – до 7,8 кг/км2 свинца 10, 57, 104, 134, 138.

Многие исследователи в своих работах отмечают, что в пределы агроландшафтов в виде техногенной пыли от предприятий черной и цветной металлургии поступает более 95 % количества ТМ 36, 136, 188, 247. В таблице 1 представлено количество годовых выбросов ТМ от металлургических предприятий.
Таблица 1 ^ Выбросы промышленными предприятиями тяжелых металлов, т/год


Элемент

Усть-Каменогорский комбинат

Иртышский медеплавильный завод

Золото

1,1-4,9  10-3

0,042

Кадмий

26-42

5,36-53,6

Медь

29-56

774

Мышьяк

70-175

10-375

Свинец

450-800

396

Селен

7,8-15

0,37-16,1

Серебро

0,518-0,843

1,6

Сурьма

10,8-23,3

53-124

Цинк

587-1020

376



В процессе работы промышленных предприятий и животноводческих комплексов образуются сточные воды, которые сбрасываются непосредственно в водоемы, чаще всего без достаточной очистки. По данным за 1996 год, в поверхностные воды России было сброшено 35558,2 млн. м3 сточных вод, в том числе загрязненных – 7444 млн. м3, из них без очистки – 2123,22 млн. м3 45, 71, 107, 120, 150 В сточных водах промышленных предприятий рудничного и шахтного производств, металлообрабатывающих и перерабатывающих заводов, химических, гальванических и других предприятий наиболее часто встречаются следующие высокотоксичные ТМ: Mn, Ni, Cr, Zn, As, Cd, Pb, Fe, Cu 76. От различных производств в поверхностные водотоки поступает (мг/л): Cr – 0,01, Cu – 0,01-0,2, Zn – 0,05-0,2, As – 0,003, Sr – 0,05-1,0, Cd – 0,005-0,025, Hg – 0,001-0,005, Pb – 0,005 139.

Значительное количество ТМ поступает в окружающую среду от автомобильного транспорта 4, 28, 29, 46, 239, 260 Исследования, проведенные в г. Рязани В.П. Вороновым, показали, что на долю автомобильного транспорта в 1997 г. приходилось 57,47 % общих выбросов 49 В работе Е.В. Косыревой отмечается, что основным источником загрязнения воздуха свинцом в РФ является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин, выбросы которого превышают промышленные 51 С выхлопными газами на поверхность земли ежегодно выпадает 250-260 тыс. т свинца. При поступлении свинца от автотранспорта загрязняется полоса почвы от дороги шириной 50-100 и иногда до 300 м. Основное его количество концентрируется в слое 0-10 см. Исследованиями А.А. Шапошникова было установлено, что в пробах почвы, отобранной в 30-100 м от автомобильной трассы с интенсивным движением, концентрация свинца и кадмия была выше допустимого уровня в 2-5 раз, содержание ТМ было выше в почвенном слое 0-20 см, чем в слое 20-40 см 251 В.Н. Майстренко в своей работе отмечает, что концентрация ТМ в снежном покрове около автомагистралей в 5-6 раз выше, чем на участках, удаленных от автомобильных дорог, причем содержание в нем ТМ увеличивается с возрастанием доли грузового автотранспорта 138 При сжигании мазута и дизельного топлива освобождается и попадает в окружающую среду кадмий. Повышенное содержание цинка и кадмия обнаруживается в почве вблизи автодорог, что связано с истиранием шин 83, 84, 176, 259

Ряд исследователей отмечают, что используемые в сельском хозяйстве органические, минеральные, известковые удобрения, сточные воды животноводческих комплексов содержат как биофильные элементы, так и ТМ. Внесение удобрений в почву обеспечивает прибавки урожаев на 50 %, но не может не оказывать существенного влияния на химический состав почв, вод, растениеводческой продукции 4, 61, 150, 155 

Необоснованное внесение минеральных и органических удобрений, орошение сточными водами, внесение известковых материалов и пестицидов опасно не только как источник загрязнения сельскохозяйственной продукции, почв и вод биофильными элементами, но и как дополнительный источник поступления в окружающую среду ТМ 133 При внесении полной дозы минеральных удобрений (N50 P45 K70) в почву поступает (г/га): Cu – 2,07, Zn – 2,21, Mn – 5,56, Ni – 0,7, Co – 1,71, Cd – 0,13, Pb – 0,22. С внесением фосфорных удобрений в дозе 50 кг/га в почву в среднем попадает 3,5 г/га кадмия. По расчетам ЦИНАО, к 1990 г. в целом по стране (СССР), в почву было внесено с фосфорными удобрениями 3200 т кадмия, 16633 т свинца, 553 т ртути. В работах многих исследователей отмечается положительное влияние орошения сточными водами городов и животноводческих комплексов на урожайность сельскохозяйственных культур, потенциальное плодородие почвы, в то же время высокие нормы сточных вод представляют опасность вымывания минеральных солей из почвы и накопления в пахотном слое меди, цинка, кадмия, свинца 64, 96, 122 В таблице 2 представлены основные сельскохозяйственные источники загрязнения агроландшафтов ТМ 111.

^ Таблица 2

Сельскохозяйственные источники загрязнения почв тяжелыми металлами

(мг/кг сухой массы)

Элемент

Орошение сточными водами

Фосфатные удобрения

Известковые материалы

Азотные удобрения

Органичес-кие удобре-

ния


Пести-циды

Кадмий

2–1500

0,1–170

0,04–0,1

0,05–8,5

0,3–0,8

-

Кобальт

2–260

1–12

0,4–3,0

5,4–12

0,3–24

-

Медь

50–3300

1–300

2–125

1–15

2–60

12-50

Марганец

60–3900

40–2000

40–1200

-

30–550

-

Свинец

50–3000

7–225

20–1250

2–27

6,6–15

60

Цинк

700–49000

50–1450

10–450

1–42

15–250

1,3–25


На металлургических, машиностроительных предприятиях, в энергетике, при производстве строительных материалов образуются разнообразные по составу и количеству промышленные отходы: зола, шлак, пыль, шламы, формовочные материалы. Они являются еще одним дополнительным источником загрязнения окружающей среды такими ТМ, как Mn, Cr, B, Sr, Zn, Pb, Cu, Co, Mo, Cd 22 ,78 Исследования состава жидкой фазы золошлаковых отходов Рефтинской ГРЭС, проведенные В.И. Сергеевым, показали, что потенциальными загрязнителями подземных вод являются As, Se, V 217 Под воздействием атмосферных осадков в результате биохимических и физико-химических превращений внутри свалки может образовываться инфильтрат, содержащий значительное количество ТМ, что представляет серьезную опасность для подземных и поверхностных вод 61 В работе А.А. Фаухутдинова и С.К. Мустафина отмечается, что твердые отходы, образующиеся в процессе работы предприятий горнорудного производства, способны аккумулировать в 2638 тыс. т отходов: Cu – 1541 т, Cd – 7,6 т, Pb – 2111 т, As – 2076 т, Hg – 68,6 т. В результате выдувания дисперсного материала отходов, как показали исследования авторов, в атмосферном воздухе, пробах воды из скважин и поверхностных водоисточников, продуктах питания и биопробах, взятых у животных и людей, находящихся в зоне техногенного воздействия предприятий, выявлено существенное превышение соответствующих значений ПДК для ртути, марганца, железа и кадмия 235

В нефти содержание таких ТМ, как Zn, Hg, Mo, Pb, значительно. На нефтяных промыслах основная масса ТМ накапливается в шламонакопителях и нефтешламовых амбарах, которые являются источником загрязнения поверхностных и подземных вод 157

Таким образом, антропогенная нагрузка на биосферу становится постоянно действующим экологическим фактором. Техногенные загрязнители, поступающие из различных источников на культурные ландшафты, оказывают негативное влияние на все его компоненты: почву, воду, биоту.


^ 1.2. Миграция и трансформация тяжелых металлов в культурных ландшафтах

Главный фактор, определяющий содержание ТМ в почвах, – почвообразующая порода. Существует тесная связь между содержанием ТМ в почве и составом почвообразующих пород, который зависит от их гранулометрического состава и миграционной способности элементов. По данным работ Н.А. Протасовой, наибольшее количество ТМ в почвообразующих породах Окско-Донской равнины Среднерусской возвышенности найдено в покровных лессовидных тяжелых суглинках и глинах, а минимальное содержание ТМ – в древнеаллювиальных и флювиогляциальных песках и супесях 87, 100, 115, 198,199

Почва является емким акцептором для ТМ. При длительном их поступлении в почву может накопиться количество ТМ, превосходящее их концентрацию в естественных геохимических аномалиях. Но содержание ТМ в естественных геохимических аномалиях и на антропогенно загрязненных территориях различно. В загрязненных почвах они концентрируются в верхнем слое, преимущественно в металлической и оксидной формах. В геохимических аномалиях содержание ТМ в гумусовом горизонте невелико, но прослеживается увеличение их концентрации с глубиной почвенного профиля, где присутствуют металлсодержащие минералы – сульфиды, сульфаты, карбонаты 79, 109

Потоки веществ в почве тесно связаны с растительностью, поверхностными и грунтовыми водами, а также с приземной атмосферой. Поступающие в почву соединения активно трансформируются, и ТМ претерпевают ряд химических превращений, в ходе которых их токсичность изменяется в очень широких пределах 84, 99, 102, 103, 189.

Аккумуляция ТМ почвами агроландшафтов зависит от многих факторов, как природного, так и техногенного характера. Основные из них: характер почвообразующих пород, климат, растительность, рельеф местности, особенности расположения техногенных источников ТМ региона, тип водного режима почв, метеорологические условия и др. 26, 55, 81

Основными почвенно-экологическими факторами, определяющими подвижность и миграционную способность ТМ, являются: содержание гумуса, кислотность почв, гранулометрический и минералогический состав, плотность почвы, окислительно-восстановительные условия, макро- и микроэлементный состав 80, 81, 82, 120

В результате почвообразовательных процессов ТМ сорбируются глинистыми минералами, гумусом, а также гидроксидами железа 66 М.Л. Кулешова отмечает, что глинистыми материалами грунта устойчиво закрепляются Cd, Zn, Pb, Mo 131. Степень подвижности в почве у различных ТМ неодинакова. Например, свинец менее подвижен, чем кадмий, так как комплексы свинца с гуминовыми кислотами в 1509 раз прочнее, чем с кадмием. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину и чаще накапливаются в поверхностном слое (до 10 см). Цинк обладает наибольшей миграционной способностью. Медь, цинк и кадмий способны мигрировать на глубину до 30 см. Ряд исследователей отмечают, что гумусовые горизонты почв загрязненных территорий значительно обогащены ТМ, так как гумус является естественным барьером, сдерживающим миграцию и прочно удерживающим их 39, 40, 79, 105

Гумус обладает высокими сорбционными свойствами, он может образовывать в почвах с высоким содержанием ТМ сложные и комплексные соединения, менее доступные растениям. Гуминовая кислота почвы, содержащая 4 % гумуса, способна связать в расчете на 1 га 1015 кг цинка, 17929 кг железа, 4500 кг свинца, 913 кг марганца, 1517 кг меди 157, 159, 184, 204 Почвы разного генетического типа характеризуются разной сорбционной способностью. По способности удерживать и видоизменять ТМ почвы располагаются в ряд: чернозем > дерново-подзолистая окультуренная > неокультуренная. В черноземах содержание Cr, Zn, Co, B, Ba превышает кларковые значения. Серые лесные почвы содержат ТМ меньше, чем кларковые величины, исключение составляют цинк и бор. Почва в целом прочно фиксирует до 100 т/га свинца, подзолистые почвы – 2-6 т/га, а пахотный слой чернозема – от 40 до 60 т/га 8, 55, 103, 173 В таблице 3 приведено содержание различных микроэлементов в разных типах почв и их кларковые величины 55

^ Таблица 3

Глобальные, зональные и региональные оценки микроэлементов в почвах (мг/кг)

Элемент

Глобальные оценки

Зональные оценки

Московская область




Кларк земной коры

Почвы мира

Подзо-листые

Серые лесные

Черноземы

Дерново-подзолистые почвы

Co

18,0

10,0

8,4

12,4

13,2

7,2

Ni

58,0

40,0

23,2

30,0

72,0

20,0

Cu

47,0

20,0

15,3

23,5

29,8

27

Zn

83,0

50,0

41,3

60,0

62,0

50,0

Cd

0,13

0,5

0,7

0,7

0,5

0,3

Pb

16,0

10,0

11,5

12,5

13,2

25


Подвижность ТМ уменьшается в почвах, имеющих реакцию среды, близкую к нейтральной. Увеличение как кислотности почвы, так и щелочности, приводит к увеличению миграционной способности ТМ. Значительной миграционной способностью и подвижностью обладают в кислой среде Co, Cu, Cd, Ni, Zn, Pb. При уменьшении рН на 2 единицы увеличивается подвижность меди в 2-3 раза, цинка – в 3,8-5,4 раза, кадмия – в 4-8 раз, свинца – в 3-6 раз 4, 110, 200

Гранулометрический и минералогический состав почв оказывает влияние на емкость катионного обмена, что влияет на миграционные свойства ТМ. Почвы тяжелого механического состава имеют большую площадь поверхностных частиц, что повышает емкость катионного обмена и уменьшает подвижность токсикантов. Уплотнение почв увеличивает подвижность ТМ. Это доказывают опыты, проведенные на дерново-подзолистых почвах с различной антропогенной нагрузкой. При увеличении плотности почвы с 0,6-1,0 г/см2 до 1,3-1,8 г/см2 подвижность свинца увеличилась на 6 %, цинка – на 15,4 %, меди – на 13 %. На почвах с нарушенными окислительно-восстановительными условиями (глеевых, глееватых) подвижность ТМ увеличивается, так как избыток воды в почве способствует появлению металлов в более растворимой форме, с низкой валентностью 101, 199, 267

Один из важнейших факторов, оказывающих влияние на миграцию и аккумуляцию ТМ в почвах агроландшафтов, – искусственное орошение полей. В результате орошения усиливается миграция ТМ, происходит их выщелачивание из верхних горизонтов в нижележащие. Исследования, проведенные Г.А. Евдокимовой, показали, что никель вымывается из почвы на 96-98 %, а медь, в основном, закрепляется в слое почвы 0-20 см. По данным Г.Н. Вяйзенен, наиболее загрязненный почвенный горизонт находится на уровне 20-40 см, такому вымыванию ТМ способствуют осадки 6, 26, 50,86, 237

ТМ содержатся в почвах в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы представлены в основном сульфатами, нитратами, хлоридами и органическими комплексными соединениями, которые составляют 99 % от общего количества растворимых форм. Ионы ТМ могут являться частью кристаллической решетки минералов. Цинк в большинстве случаев представлен в почве в виде изоморфных соединений в слюдах, обманках и других минералах. Кадмий собственных минералов не образует, но может присутствовать в них в виде примесей, кроме того, он практически не связывается гумусовыми веществами почв. Н.Г. Зырин по степени доступности растениям выделил три формы ТМ, в которых они присутствуют в почве: подвижные, являющиеся источником питания (водорастворимые, ионообменные, слабофиксированные); фиксированные (прочнофиксированные, хемо-сорбированные ионы, труднорастворимые, хелат-комплексы); содержащиеся в минералах 100

Из почвы основная масса химических соединений, в том числе и ТМ, мигрирует в растения. Проведенные многочисленные исследования доказывают, что между химическим составом растений и элементами, присутствующими в среде, существует тесная связь. Но растения способны выборочно накапливать элементы, поэтому между валовым содержанием ТМ в почве и содержанием их в растениях строгой зависимости не существует 4, 52, 108, 207

На поступление ТМ в растения влияют многочисленные факторы: тип почвы, ее физико-химические свойства (гранулометрический состав, рН, содержание органических веществ, емкость поглощения катионов), форма, в которой находятся ТМ в почве, а также видовые особенности растений. Так, например, по чувствительности к кадмию и способности его накапливать растения располагаются по восходящему ряду: томаты  овес  салат  луговые травы  морковь  редька  горох  фасоль  шпинат. Существенное влияние на миграцию ТМ в растения оказывает наличие техногенных источников загрязнения агроландшафтов 4, 45, 73, 159, 202

ТМ могут мигрировать в растения корневым и фолиарным путем. Основным процессом, посредством которого ТМ поступают в растения, является адсорбция корнями – метаболическая и неметаболическая. Скорость поглощения ТМ корнями зависит от доступных – подвижных форм ТМ, присутствующих в почве, контактирующей с корневой системой растений 4, 42, 110, 111, 254

В растения легко мигрируют кадмий, свинец, слабо доступны для растений Ca, Bi, Ba, Sc, Ti, Se. По степени накопления элементов растениями – коэффициенту биологического поглощения Ах, показывающему отношение содержания элемента в золе растений к содержанию этого элемента в почве, А.И. Перельман выделил 5 рядов (табл. 4).

Наряду с поглощением ТМ из почвы существует и фолиарное поглощение. Избыточное количество ТМ, поглощенных фолиарно, откладывается в корнях. Некоторое количество ТМ выделяется с влагой при транспирации и смывается водой 42, 189 ТМ резервируются не только в фитомассе агроландшафта, но довольно в большом количестве остаются и в пожнивных остатках 81, 89

^ Таблица 4

Коэффициенты биологического поглощения [189]

Элемент

Ах

Ряды биологического поглощения

P, S, Cl, I

n  10 - n  100

Энергично накопляемые элементы

K, Ca, Mg, Na, Zn, Ag

n 100 - n 101

Сильно накопляемые

Mn, Ba, Cu, Ni, Co, Mo, As, Cd, Be, Hg, Se

n 10-1- n 100

Группы слабого накопления и сильного захвата

Fe, Si, F, V

n 10-1

Слабого захвата

Ti, Cr, Pb, Ai

n 10 - n10-2

Слабого и очень слабого захвата


Мигрируя в растения, ТМ распределяются по органам и тканям. В работах некоторых авторов указывается на аккумуляцию ТМ в надземных органах 81, 82 Содержание ТМ в надземных органах: листьях, стеблях, плодах различно, что, по мнению ряда исследователей, связано со свойствами элементов и видовой специфичностью растений 94, 129 Многие исследователи отмечают депонирование ТМ в корнях. Связывание ТМ корнями растений выводит их из активной биогеохимической миграции, а также приводит к накоплению ТМ в гумусовом слое почвы, где находится основная масса тонких корней. Как отмечает в своей работе П.В. Елпатьевский, концентрация ТМ увеличивается в ряду: древесина стволов  древесина толстых корней  древесина однолетних побегов  репродуктивные органы  листья  кора корней  кора стволов  тонкие корни. Установлено, что характер распределения ТМ по органам и тканям растений в течение онтогенеза изменяется 89, 123, 210

ТМ способны мигрировать из почвы не только в растения, но и в грунтовые воды, а также с поверхностным стоком с загрязненных территорий попадать непосредственно в водные объекты. В водных системах ТМ включаются в существующие миграционные циклы. Они распространяются и накапливаются во всех компонентах водной системы: воде, взвеси, донных отложениях, живых организмах. Это приводит к нарушению взаимосвязей в водных экосистемах, изменяется их структура, и возникают техногенные геохимические аномалии.

Таким образом, ТМ, поступившие в пределы агроландшафтов водных бассейнов, способны оказать негативное влияние на все его компоненты: почву, воды внутрипочвенные и поверхностные, биоту в результате их перемещения и трансформации, включения в миграционные циклы.


^ 1.3. Биологическая роль тяжелых металлов

ТМ в окружающей среде играют двойную роль. Они являются неотъемлемым компонентом нормальных физиологических процессов, но в то же время они токсичны при повышенных концентрациях, приводящих к нарушению метаболизма и функционирования живых организмов на любой стадии онтогенеза. Во многих случаях эти нарушения являются необратимыми и смертельными. В токсичных концентрациях ТМ проявляют канцерогенные свойства, отрицательно воздействуют на генетическую мембранную, ферментно-белковую систему клетки, вызывают нарушение концентраций веществ, необходимых для энергетического метаболизма – АТФ, АДФ, фосфоркреатина, изменяют активность ферментов, уровень содержания в клетках кальция и магния, необходимых для нормального функционирования организма 30, 67, 76, 164, 169

Различные ТМ представляют неодинаковую опасность дл