Классы опасности тяжелых металлов в почве
Обновлено: 01.05.2024
Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре почвоведения и управления земельными ресурсами биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов почвенного отделения биолого-почвенного факультета Воронежского государственного университета.
Для специальности 020701 – Почвоведение
Общие сведения о загрязнении.
Понятие о техногенных аномалиях.
Загрязнение почв тяжелыми металлами.
Миграция тяжелых металлов в почвенном профиле.
Понятие о почвенном экологическом мониторинге.
Показатели состояния почв, определяемые при их контроле.
Экологическое нормирование качества загрязненных почв.
Общие требования к классификации почв подверженных загрязнению.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАГРЯЗНЕНИИ
Загрязняющие вещества – это вещества антропогенного происхождения, поступающие в окружающую среду в количествах, превышающих природный уровень их поступления. Загрязнение почв – вид антропогенной деградации, при которой содержание химических веществ в почвах, подверженных антропогенному воздействию, превышает природный региональный фоновый уровень. Превышение содержания определенных химических веществ в окружающей человека среде (по сравнению с природными уровнями) за счет их поступления из антропогенных источников представляет экологическую опасность.
Использование человеком химических веществ в хозяйственной деятельности и вовлечение их в цикл антропогенных превращений в окружающей среде постоянно растет. Характеристикой интенсивности извлечения и использования химических элементов является технофильность – отношение ежегодной добычи или производства элемента в тоннах к его кларку в литосфере (А.И. Перельман, 1999). Высокая технофильность характерна для элементов, наиболее активно используемых человеком, особенно для тех, естественный уровень которых в литосфере невысок. Высокие уровни технофильности характерны для таких металлов, как Bi, Hg, Sb, Pb, Cu, Se, Ag, As, Mo, Sn, Cr, Zn, потребность в которых различных видов производств велика. При низком содержании этих элементов в породах (10 –2 –10 –6 %) добыча их значительна. Это ведет к извлечению из недр земли колоссальных количеств руд, содержащих эти элементы, и к последующему глобальному рассеиванию их в окружающей среде.
Помимо технофильности предложены и другие количественные характеристики техногенеза. Так, отношение технофильности элемента к его биофильности ( биофильность – кларки концентрации химических элементов в живом веществе) М.А. Глазовская назвала деструктивной активностью элементов техногенеза . Деструктивная активность элементов техногенеза характеризует степень опасности элементов для живых организмов. Другой количественной характеристикой антропогенного вовлечения химических элементов в их глобальные циклы на планете является фактор мобилизации или фактор техногенного обогащения , который рассчитывают как отношение техногенного потока химического элемента к его природному потоку. Уровень фактора техногенного обогащения, как и технофильность элементов, является не только показателем мобилизации их из литосферы в наземные природные среды, но и отражением уровня выбросов химических элементов с отходами производств в окружающую среду.
ПОНЯТИЕ О ТЕХНОГЕННЫХ АНОМАЛИЯХ
Геохимическая аномалия – участок земной коры (или поверхности земли), отличающийся существенно повышенными концентрациями какихлибо химических элементов или их соединений по сравнению с фоновыми значениями и закономерно расположенный относительно скоплений полезных ископаемых. Выявление техногенных аномалий является одной из важнейших эколого-геохимических задач при оценки состояния окружающей среды. Аномалии образуются в компонентах ландшафта в результате поступления различных веществ от техногенных источников и представляют собой некоторый объем, в пределах которого значения аномальных концентраций элементов больше фоновых значений. По распространенности А.И. Перельман и Н.С. Касимов (1999) выделяют следующие техногенные аномалии:
1) глобальные – охватывающие весь земной шар (например, повышен-
ное содержание СО 2 в атмосфере, накопление искусственных радионуклидов после ядерных взрывов);
2) региональные – формирующиеся в отдельных частях континентов, природных зонах и областях в результате применения ядохимикатов, минеральных удобрений, подкисления атмосферных осадков выбросами соединений серы и др.;
3) локальные – образующиеся в атмосфере, почвах, водах, растениях вокруг местных техногенных источников: заводов, рудников и т.д.
По среде образования техногенные аномалии делятся:
1) на литохимические (в почвах, породах);
2) гидрогеохимические (в водах);
3) атмогеохимические (в атмосфере, снеге);
4) биохимические (в организмах).
По длительности действия источника загрязнения они делятся:
– на кратковременные (аварийные выбросы и т.д.);
– средневременные (с прекращением воздействия, например, прекращение разработки месторождений полезных ископаемых);
– долговременные стационарные (аномалии заводов, городов, агроландшафтов, например КМА, Норильский никель).
При оценке техногенных аномалий фоновые территории выбираются вдали от техногенных источников загрязняющих веществ, как правило, более чем в 30–50 км. Одним из критериев аномальности служит коэффициент техногенной концентрации или аномальности Кс, представляющий собой отношение содержания элемента в рассматриваемом аномальном объекте к его фоновому содержанию в компонентах ландшафта.
Для оценки воздействия количества поллютантов, поступающих в организм, используются также гигиенические нормативы загрязнения – пре-
дельно допустимые концентрации. Это максимальное содержание вредного вещества в природном объекте или продукции (воде, воздухе, почве, пище), которое не влияет на здоровье человека или других организмов.
Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы (ГОСТ
17.4.1.0283): I класс (высоко опасные) – As, Cd, Hg, Se, Pb, F, бенз(а)пирен, Zn; II класс (умеренно опасные) – B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr; III класс (мало опасные) – Ba, V, W, Mn, Sr, ацетофенон.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Тяжелые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твердые отходы. Загрязнение ТМ связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки ТМ попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и отравляя ее. ТМ относятся к особым загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Почва является основной средой, в которую попадают ТМ, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из нее в Мировой океан. Из почвы ТМ усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу.
Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы.
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. По классификации Н. Реймерса (1990),
тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определе-
ние (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов.
Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, глиноземные, медно-цинковые, свинцово-плавильные, никелевые, титаномагниевые, ртутные и др.), а также по переработке цветных металлов (радиотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальванические и пр.).
В пыли металлургических производств, заводов по переработке руд концентрация Pb, Zn, Bi, Sn может быть повышена по сравнению с литосферой на несколько порядков (до 10–12), концентрация Cd, V, Sb – в десятки тысяч раз, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag – в сотни раз. Отходы предприятий цветной металлургии, заводов лакокрасочной промышленности и железобетонных конструкций обогащены ртутью. В пыли машиностроительных заводов повышена концентрация W, Cd, Pb (табл. 1).
Основные техногенные источники тяжелых металлов
Источники тяжелых металлов
Pb, Zn, Cu, Hg, Mn, Sb, W, Co, Cd
Ni, Mn, Pb, Cu, Zn, W, Co
Под влиянием обогащенных металлами выбросов формируются ареалы загрязнения ландшафта преимущественно на региональном и локальном уровнях. Влияние предприятий энергетики на загрязнение окружающей среды обусловлено не концентрацией металлов в отходах, а их огромным количеством. Масса отходов, например, в промышленных центрах, превышает их суммарное количество, поступающее от всех других источников загрязнения. С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду выбрасывается значительное количество Pb, которое превышает его поступление с отходами металлургических предприятий.
Пахотные почвы загрязняются такими элементами как Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, стимуляторов роста растений, структурообразователей. Нетрадиционные удобрения, изготовляемые из различных отходов, часто содержат большой набор загрязняющих веществ с высокими концентрациями. Из традиционных минеральных удобрений фосфорные удобрения содержат примеси Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd (Гапонюк, 1985).
Распределение в ландшафте металлов, поступивших в атмосферу из техногенных источников, определяется расстоянием от источника загрязнения, климатическими условиями (сила и направление ветров), рельефом местности, технологическими факторами (состояние отходов, способ поступления отходов в окружающую среду, высота труб предприятий).
Рассеивание ТМ зависит от высоты источника выбросов в атмосферу. Согласно расчетам М.Е. Берлянда (1975), при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии 10–40 высот трубы. Вокруг таких источников загрязнения выделяются 6 зон (табл. 2). Площадь воздействия отдельных промышленных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км 2 .
Зоны загрязнения почв вокруг точечных источников загрязнения
жания ТМ по отно-
шению к фоновому
Охранная зона предприятия
Зоны загрязнения почв и их размер тесно связаны с векторами господствующих ветров. Рельеф, растительность, городские постройки могут изменять направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Аналогично зонам загрязнения почв можно выделить и зоны загрязнения растительного покрова.
МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕННОМ ПРОФИЛЕ
Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте, где они связываются алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Состав и количество удерживаемых в почве элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения. Часть тяжелых металлов удерживается этими компонентами прочно и не только не участвует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности
для живых организмов. Отрицательные экологические последствия загрязнения почв связаны с подвижными соединениями металлов.
В пределах почвенного профиля техногенный поток веществ встречает ряд почвенно-геохимических барьеров. К ним относятся карбонатные, гипсовые, иллювиальные горизонты (иллювиально-железисто-гумусовые). Часть высокотоксичных элементов может переходить в труднодоступные для растений соединения, другие элементы, мобильные в данной почвенногеохимической обстановке, могут мигрировать в почвенной толще, представляя потенциальную опасность для биоты. Подвижность элементов в значительной степени зависит от кислотно-основных и окислительновосстановительных условий в почвах. В нейтральных почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, которые могут выщелачиваться при сезонном промачивании почв.
Накопление подвижных, особо опасных для организмов соединений элементов зависит от водного и воздушного режимов почв: наименьшая аккумуляция их наблюдается в водопроницаемых почвах промывного режима, увеличивается она в почвах с непромывным режимом и максимальна в почвах с выпотным режимом. При испарительной концентрации и щелочной реакции в почве могут накапливаться Se, As, V в легкодоступной форме, а в условиях восстановительной среды – Hg в виде метилированных соединений.
Однако следует иметь в виду, что в условиях промывного режима потенциальная подвижность металлов реализуется, и они могут быть вынесены за пределы почвенного профиля, являясь источниками вторичного загрязнения подземных вод.
В кислых почвах с преобладанием окислительных условий (почвы подзолистого ряда, хорошо дренированные) такие тяжелые металлы, как Cd и Hg, образуют легкоподвижные формы. Напротив, Pb, As, Se образуют малоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллювиальных горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной биоты. Если в составе загрязняющих веществ присутствует S, в восстановительных условиях создается вторичная сероводородная среда и многие металлы образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды.
В заболоченных почвах Mo, V, As, Se присутствуют в малоподвижных формах. Значительная часть элементов в кислых заболоченных почвах присутствует в относительно подвижных и опасных для живого вещества формах; таковы соединения Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd и Hg. В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией образуются труднорастворимые соединения Pb, особенно при известковании. В нейтральных почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, а Cd и Hg могут задерживаться в гумусовом и иллювиальных горизонтах. По мере возрастания щелочности опасность загрязнения почв перечисленными элементами увеличивается.
ПОНЯТИЕ О ПОЧВЕННОМ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ
Почвенный экологический мониторинг – система регулярного неогра-
ниченного в пространстве и времени контроля почв, которая дает информацию об их состоянии с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза изменения в будущем. Почвенный мониторинг направлен на выявление антропогенных изменений почв, которые могут в конечном итоге нанести вред здоровью человека. Особая роль почвенного мониторинга обусловлена тем, что все изменения состава и свойств почв отражаются на выполнении почвами их экологических функций, следовательно, на состоянии биосферы.
Огромное значение имеет то, что в почве в отличие от воздуха атмосферы и вод поверхностных водоемом экологические последствия антропогенного воздействия обычно проявляются позже, но они более устойчивы и сохраняются дольше. Существует необходимость оценивать и долговременные последствия этого воздействия, например, возможность мобилизации загрязняющих веществ в почвах, вследствие чего почва из «депо» загрязняющих веществ может превращаться в их вторичный источник.
Виды почвенного экологического мониторинга
Выделение видов почвенного экологического мониторинга основано на различиях в сочетании информативных почвенных показателей, соответствующих задачам каждого из них. На основе различий механизмов и масштабов проявления деградации почв выделяется две группы видов монито-
ринга: первая группа – глобальный мониторинг , вторая – локальный и региональный .
Глобальный почвенный мониторинг – составная часть глобального мониторинга биосферы. Проводится он для оценки влияния на состояние почв экологических последствий дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ в связи с опасностью общепланетарного загрязнения биосферы и сопровождающих его процессов глобального уровня. Результаты глобального или биосферного мониторинга характеризуют глобальные изменения состояния живых организмов на планете под влиянием человеческой деятельности.
Назначение локального и регионального мониторингов заключается в выявлении влияния деградации почв на экосистемы локального и регионального уровней и непосредственно на условия жизни человека в сфере его природопользования.
Локальный мониторинг называют еще санитарно-гигиеническим или импактным. Он направлен на контроль уровня содержания в окружающей среде тех загрязняющих веществ, которые выбрасывает конкретное пред-
Оценка химического загрязнения почв и грунтов
При оценке экологического состояния почв/грунтов очень важным представ¬ляется оценка содержания как естественных элементов и соединений, так и соединений-ксенобиотиков. Оценка загрязненности почв и грунтов проводится путем сравнения (сопоставления) содержания загрязняющих элементов и веществ в изучаемых почвах, с их фоновым содержанием с одной стороны, и с другой — с их предельно-допустимым содержанием (ПДК).
ПДК какого-либо вещества в почве — это концентрация, не вызывающая при длительном воздействии на почву и растения патологических изменений (аномалий) в ходе биологических процессов, не приводящая к накоплению токсических элементов в растениях и не представляющая опасность для здоровья и жизни человека. Значения ПДК определяют экспериментально, как правило, на песчаных почвах, по нескольким показателям вредности, в основном для валовых форм, что не позволяет сделать вывод о мощности потока и доступности загрязняющих веществ растениям. Это делает применение таких стандартов спорным как с экологической, так и экономической точки зрения. Более того, в настоящее время практически везде признается, что покомпонентная оценка экосистем не дает удовлетворительных результатов. Необходимы комплексные экосистемные нормативы, которые могли бы охарактеризовать состояние рассматриваемой экосистемы в целом.
Поскольку гигиеническая опасность той или иной концентрации загрязняющих веществ зависит от почвенных условий, создание унифицированных норм ПДК встречает значительные трудности. Не случайно, в настоящее время установлены ПДК всего лишь немногим более сотни веществ, по которым контролируется качество почв.
Принципы нормирования химических веществ в почвах тоже отличаются от таковых для водоемов, атмосферного воздуха, пищевых продуктов. Это связано, главным образом, с тем, что в основе норматива ПДК для почвы положено опосредованное ее воздействие на организм человека через продукты питания.
Прямое поступление вредных веществ из почвы в организм человека ограничено и чаще всего происходит через другие среды, сопредельные с почвой. Так, поступление загрязняющих веществ в организм человека про¬исходит по путям: почва-растение-человек, почва-растение-животное-человек, почва-вода-человек, почва-атмосферный воздух-человек.
Поэтому вопрос оценки загрязненности почв на основе ПДК весьма непрост. В настоящее время во многих урбанизированных регионах России, и особенно в Москве, состояние почв и грунтов, оцененное по принятым санитарно-гигиеническим методам (ПДК), близко к критическому, когда содержания многих загрязняющих веществ превышают эти ПДК от нескольких до десятков раз. Кроме того, эта ситуация осложняется пространственной неоднородностью содержания загрязняющих веществ и дискретностью источников загрязнения.
Перечень показателей химического загрязнения почв и грунтов определяется исходя из приоритетности компонентов химического загрязнения в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.2.01-81 «Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния», СанПиН № 2.1.7.1287-03 «Санитарно-Эпидемиологические требования к качеству почвы», ГОСТ 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».
Классы опасности химических элементов и веществ в почвах и грунтах
В настоящее время в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы» химическое исследование почв и грунтов при проведении инженерно-экологических изысканий включает в себя стандартный и расширенный перечень показателей.
Стандартный перечень химических исследований почв и грунтов включает в себя определение:
- содержания тяжелых металлов 1 и 2 класса опасности: свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn), ртути (Hg), меди (Cu), никеля (Ni) и мышьяка (As);
- содержания 3,4-бенз(а)пирена и нефтепродуктов.
Расширенный перечень исследований проводится при наличии определенных специфических источников загрязнения почв и грунтов путем определения более полной номенклатуры загрязняющих химических веществ. Выбор показателей химического загрязнения зависит от предполагаемого состава загрязняющих веществ с учетом характера источника загрязнения почв и грунтов.
Основным критерием оценки уровня загрязнения почв и грунтов химическими веществами является предельно допустимая концентрация (ПДК) или ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) химических элементов (веществ) в почвах и грунтах (ГН 2.17.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве» и ГН 2.1.7.2511-09 «Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве»).
Для эколого-геохимической оценки состояния почв и грунтов используются следующие показатели:
- коэффициент концентрации относительно ОДК (ПДК), характеризующий превышение содержания элемента в почвах и грунтах над его ОДК (ПДК). Коэффициент концентрации относительно ОДК(ПДК) равен отношению содержания элемента в исследуемом объекте к его ОДК(ПДК):
КОДК(ПДК) =Сi /ОДК(ПДК), - коэффициент концентрации (Ксi) относительно фона, характеризующий интенсивность техногенной аномалии. Коэффициент концентрации равен отношению содержания элемента в исследуемом объекте к его фоновому содержанию
Ксi = Сi / Сф, где
Сi — фактическое содержание i-го химического элемента в почвах и грунтах, мг/кг;
Сфi — фоновое содержание i-го химического элемента в почвах и грунтах, мг/кг.
Фоновые содержания валовых форм тяжелых металлов и мышьяка в почвах (мг/кг)
Оценка опасности химического загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами и мышьяком проводится по суммарному показателю загрязнения (Zc) (таблица 4.10). Для расчета Zc следует использовать не менее семи химических элементов — Pb, As, Cd, Zn, Hg, Cu, Ni.
Оценочная шкала уровней химического загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами и мышьяком по суммарному показателю загрязнения (Zс)
| Категория загрязнения почв | Величина Zс |
| Допустимая | Менее 16 |
| Умеренно опасная | 16-32 |
| Опасная | 32-128 |
| Чрезвычайно опасная | более 128 |
Оценка опасности химического загрязнения почв и грунтов веществами органического происхождения проводится исходя из его ПДК (или допустимого уровня) и класса опасности. Для органических соединений их фоновое содержание в почвах и грунтах приравнивается к 0,1ПДК
Оценочная шкала уровней химического загрязнения почв и грунтов веществами органического происхождения
При многокомпонентном загрязнении оценка уровня химического загрязнения почв и грунтов допускается по наиболее токсичному веществу с максимальным содержанием в почвах и грунтах. В таблице приведен пример установления категории загрязнения с учетом всех показателей загрязнения.
Почвы и грунты, характеризующиеся чрезвычайно опасной категорией загрязнения, в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.7.1287-03, подлежат вывозу и утилизации на специализированных полигонах.
Отнесение отходов к классу опасности для окружающей природной среды осуществляется на основании показателя К, который характеризует степень опасности отходов при его воздействии на окружающую природную среду и определяется расчетным путем, в соответствии с Критериями отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды, утвержденными приказом МПР России от 15.06.2001 № 511, по следующей формуле:
где: К – показатель степени опасности отходов для окружающей природной среды;
К1, К2, Кn – показатели степени опасности отдельных компонентов отходов, рассчитанные по уравнению: Кi = Сi / Wi
Сi — фактическое содержание загрязняющего химического компонента в почве (грунте), мг/кг;
Wi – коэффициент степени опасности i-го компонента опасных отходов, мг/кг;
n — число определяемых загрязняющих химических компонентов.
Решение об отнесении почв/грунтов к классу опасности отходов определяется по величине индекса опасности по таблице 4.12.
| Класс опасности отхода | Показатель степени опасности отхода |
| I | 1000000 >К > 10000 |
| II | 10000 > К > 1000 |
| III | 1000 > К > 100 |
| IY | 100 > К > 10 |
| Y | К < 10 |
Вытяжные шкафы Подготовка проб почвы Проведение экстракции проб
Загрязнение почв и грунтов тяжелыми металлами
Тяжелые металлы относятся к распространенным загрязняющим веществам, наблюдение за содержанием которых обязательно в почвах и грунтах. В качестве критериев принадлежности к тяжелым металлам используются разные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (висмут) или даже к металлоидам (мышьяк). В одних работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды, на сегодняшний день к тяжелым относят более 40 металлов с атомной массой свыше 50 атомных единиц, а в других считают металлы с плотностью более 8 г/см3 (Pb, Cu, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg).
Тяжелые металлы являются не только токсикантами, но и природными микрокомпонентами почв, содержание которых обусловлено механическим и химическим составом почвообразующих пород и характером почвообразовательных процессов. Фоновое содержание химических соединений и элементов в почвах — содержание, соответствующее их естественным концентрациям в почвах различных почвенно-климатических зон, не испытывающих заметного антропогенного воздействия. Наша лаборатория проводит анализ cостава почв на загрязнение металлами и другими элементами.
Основным источником загрязнения почв тяжелыми металлами является сжигание ископаемого топлива. Ежегодно сгорает 5 млрд. тонн горючих ископаемых (за всю историю человечества, по оценкам специалистов, сожжено 130 млрд. т угля и 40 млрд. тонн нефти). В золе угля и нефти содержатся практически все металлы в суммарной концентрации до 500 г. на тонну топлива. В этом сущность аэрально-техногенного характера поступления тяжелых элементов в почву.
Заметную роль в загрязнении почв и грунтов играют и другие пути попадания тяжелых металлов в почву. Например, ежегодно от выхлопных газов автомобильных двигателей, работающих на этилированном бензине, выбрасывается на поверхность почв более 250 тыс. тонн свинца в год. Выбросы в атмосферу только от ремонтных предприятий железных дорог в виде пыли, оседающей на почву (в основном это оксиды металлов), составляет свыше 380 тыс. тонн в год. Тормозные колодки поездов, истираясь, также вносят в почвы вблизи железных дорог еще 200 тыс. тонн металлов в год. Таким образом, происходит неуклонное увеличение масштабов загрязнения почвы тяжелыми металлами. При этом наиболее опасно накопление в почве металлов с выраженным токсическим характером — ртути, свинца, кадмия.
Пагубное воздействие содержащихся в промышленных газовых выбросах тяжелых металлов может значительно усиливаться за счет влияния других вредных компонентов выбросов. Весьма опасными в этом отношении являются дымовые выбросы алюминиевых, керамических и некоторых других предприятий, содержащие значительные количества фторидов водорода и кремния, а также некоторых других соединений фтора.
Поступающие из атмосферы металлы в той или иной степени фиксируются почвой. Процесс фиксации включает адсорбцию, осаждение, коагуляцию, межпакетное поглощение глинистыми минералами. Поступающие в почвы соединения тяжелых металлов разрушаются почвенными органическими кислотами либо сорбируются компонентами ППК, либо — в зависимости от почвенных условий — осаждаются в виде нерастворимых солей. Но перед этим они проходят фазу раствора и в данном состоянии наиболее подвижны.
Основную роль в закреплении металлов в почве играют органическое вещество, глинистые минералы и гидрооксиды железа и марганца. Вначале металлы сорбируются в основном не специфически. Со временем происходит упрочение связи тяжелых металлов с почвенным поглощающим комплексом (ППК), что выражается в уменьшении содержания водорастворимых и непрочно связанных форм; в природных условиях этому способствует частая смена режимов увлажнения и высушивания почвы. В процессе сорбции тяжелых металлов почвой они иммобилизуются и переводятся в нетоксичные формы, некоторые входят в кристаллическую решетку алюмосиликатов. Например, техногенные свинец и медь трансформируются в почве в менее подвижные, a Zn и Cd — в более подвижные соединения.
При взаимодействии тяжелых металлов с глинистыми минералами возникают обменные и необменные формы. Техногенный цинк проявляет наибольшее, чем медь, свинец и кадмий, сродство к минеральным компонентам ППК. В связи с этим илистая фракция почв обогащена цинком и обеднена медью и свинцом по сравнению со всей почвенной массой.
В нижних почвенных горизонтах основная роль в закреплении тяжелых металлов принадлежит оксидам и гидроксидам Fe, Mn и А1. Наиболее прочно закрепляются и активно сорбируются медь, цинк, свинец. В почвах, богатых железом, многие тяжелые металлы становятся малоподвижными из-за процессов окклюзии.
Ртуть, свинец, кадмий и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) перегнойно-аккумулятивного (гумусового) горизонта различных типов почв суглинистого состава. Миграция их по профилю и вынос за пределы почвенного профиля незначительны. Однако в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Цинк и медь менее токсичны, но более подвижны, чем свинец и кадмий.
Поведение тяжелых металлов в почве зависит от ее окислительно-восстановительных условий и кислотности. Миграционная способность Сu, Ni, Со, Zn в восстановительной среде снижается на 1-2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижно. Наиболее неблагополучные условия в этой связи складываются в подзолистых и дерново-подзолистых почвах, имеющих неблагоприятные физические и химические свойства из-за повышенной кислотности и содержания в ППК ионов алюминия. Указанные условия способствуют переходу металлов в биологические ткани, повышенной миграции тяжелых элементов, ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий, часто вызывают снижение плодородия почв.
В летний период миграция тяжелых металлов в поверхностные воды связана с процессами эрозии и деятельностью почвенно-грунтовых вод. Даже в гумидных условиях почва является эффективным фильтром на пути атмотехногенного потока тяжелых металлов в природные воды. Минимальная интенсивность водной миграции тяжелых металлов отмечается в степных и лесостепных регионах. Если атмосферная влага, просачивающаяся за пределы почвенной толщи, не достигает грунтовых вод, техногенные вещества накапливаются ниже корнеобитаемого горизонта и исключаются из биокруговорота и дальнейшей водной миграции; происходит их естественное захоронение.
В процессе водной эрозии, например, при осадках ливневого характера, из почвы вымываются в основном илистая фракция и органика — наиболее обогащенные тяжелыми металлами почвенные компоненты, что является одной из причин более низкого содержания тяжелых металлов в почвах сельхозугодий по сравнению с нераспаханными почвами в условиях атмотехногенного загрязнения. В городских почвах накопление загрязняющих веществ происходит в большинстве случаев двадцатисантиметровом слое.
Глобальные, зональные и региональные оценки фона тяжелых металлов и металлоидов в почвах, мг/кг (Сает Ю.Е. и др., 1990)
| Элемент | Глобальные оценки | Зональные оценки | Московская обл. дерново-подзолистые | |||||||
| Кларк в земной коре | Почвы мира | Подзолистые | Серые лесные | Чернозёмы | Каштано-вые | серозёмы | Солончаки и солонцы | |||
| Суглинистые и глинистые | Песчаные и супесчаные | |||||||||
| Хром | 83,0 | 90,0 | 180,0 | 250,0 | 286,0 | 328,0 | 467,0 | — | 46,0 | 2,0-40,0 |
| Марганец | 1000,0 | 850,0 | 715,0 | 1025,0 | 885,0 | 722,0 | 725,0 | 670,0 | 590,0 | 29-300 |
| Кобальт | 18,0 | 10,0 | 8,4 | 12,4 | 13,2 | 11,7 | 6,9 | 9,6 | 10,0 | 3,0 |
| Никель | 58,0 | 40,0 | 23,2 | 30,3 | 72,1 | 46,0 | 19,0 | 29,5 | 20,0 | 6,0 |
| Медь | 47,0 | 20,0 | 15,3 | 23,5 | 28,9 | 15,8 | 24,0 | 20,2 | 15,0-27,0 | 8,0 |
| Цинк | 83,0 | 50,0 | 41,3 | 60,0 | 62,0 | 52,3 | 50,0 | 54,6 | 45,0 | 28 |
| Мышьяк | 1,7 | 5,0 | 3,0 | 4,7 | 5,9 | 5,2 | 2,5 | — | 2,2 | 1,5 |
| Молибден | 1,1 | 2,0 | 1,7 | 3,2 | 4,2 | 3,2 | 3,0 | 2,4 | 1,0 | 0,2-0,8 |
| Кадмий | 0,13 | 0,5 | 0,7 | 0,7 | 0,5 | 0,4 | — | — | 0,12 | 0,05 |
| Ртуть | 0,08 | 0,01 | — | — | — | — | — | — | 0,1 | 0,05 |
| Свинец | 16,0 | 10,0 | 11,5 | 12,5 | 13,2 | 10,0 | 6,3 | 7,2 | 15,0-25,0 | 6,0 |
Атомно-абсорбционные спектрометры с пламенной и электротермической атомизацией Agilent Приборная хроматография Измерение содержания мышьяка
Классы опасности тяжелых металлов
Загрязняющие вещества по опасности делятся на классы (ГОСТ 17.4.1.0283): I класс (высоко опасные) – As, Cd, Hg, Se, Pb, F, бенз(а)пирен, Zn; II класс (умеренно опасные) – B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr; III класс (мало опасные) – Ba, V, W, Mn, Sr, ацетофенон.
Загрязнение почв тяжелыми металлами
Тяжелые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко из- вестные загрязнители, как двуокись углерода и серы. В перспективе они могут стать более опасными, чем отходы атомных электростанций и твер- дые отходы. Загрязнение ТМ связано с их широким использованием в про- мышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки ТМ попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и от- равляя ее. ТМ относятся к особым загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Почва является основной средой, в которую попадают ТМ, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного за- грязнения приземного воздуха и вод, попадающих из нее в Мировой океан. Из почвы ТМ усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу. Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу за- грязняющих веществ, получил в последнее время значительное распростра- нение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные харак- теристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные цик- лы. В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природ- ной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 элементов периодической системы Д.И. Менде- леева с атомной массой свыше 40 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. По классификации Н. Реймерса (1990), тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3 . При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следую- щие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относитель- но низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и био- магнификации. Практически все металлы, попадающие под это определе- 7 ние (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологиче- ских процессах, входят в состав многих ферментов. Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, гли- ноземные, медно-цинковые, свинцово-плавильные, никелевые, титано- магниевые, ртутные и др.), а также по переработке цветных металлов (ра- диотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальваниче- ские и пр.). В пыли металлургических производств, заводов по переработке руд концентрация Pb, Zn, Bi, Sn может быть повышена по сравнению с лито- сферой на несколько порядков (до 10–12), концентрация Cd, V, Sb – в де- сятки тысяч раз, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag – в сотни раз. Отходы предпри- ятий цветной металлургии, заводов лакокрасочной промышленности и же- лезобетонных конструкций обогащены ртутью. В пыли машиностроитель- ных заводов повышена концентрация W, Cd, Pb (табл. 1). Таблица 1 Основные техногенные источники тяжелых металлов Источники тяжелых металлов Элементы Цветная металлургия Pb, Zn, Cu, Hg, Mn, Sb, W, Co, Cd Черная металлургия Ni, Mn, Pb, Cu, Zn, W, Co Энергетика As, Sb, Se Нефтяная промышленность Pb, Cu, Ni, Zn, Mn Сжигание угля Sb, As, Cd, Cr, Mo Сжигание нефти As, Pb, Cd Под влиянием обогащенных металлами выбросов формируются ареалы загрязнения ландшафта преимущественно на региональном и локальном уровнях. Влияние предприятий энергетики на загрязнение окружающей среды обусловлено не концентрацией металлов в отходах, а их огромным количеством. Масса отходов, например, в промышленных центрах, превы- шает их суммарное количество, поступающее от всех других источников загрязнения. С выхлопными газами автомобилей в окружающую среду вы- брасывается значительное количество Pb, которое превышает его поступле- ние с отходами металлургических предприятий. Пахотные почвы загрязняются такими элементами как Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, сти- муляторов роста растений, структурообразователей. Нетрадиционные удоб- рения, изготовляемые из различных отходов, часто содержат большой на- бор загрязняющих веществ с высокими концентрациями. Из традиционных минеральных удобрений фосфорные удобрения содержат примеси Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd (Гапонюк, 1985). 8 Распределение в ландшафте металлов, поступивших в атмосферу из техногенных источников, определяется расстоянием от источника загрязне- ния, климатическими условиями (сила и направление ветров), рельефом ме- стности, технологическими факторами (состояние отходов, способ поступ- ления отходов в окружающую среду, высота труб предприятий). Рассеивание ТМ зависит от высоты источника выбросов в атмосферу. Согласно расчетам М.Е. Берлянда (1975), при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосфе- ры на расстоянии 10–40 высот трубы. Вокруг таких источников загрязнения выделяются 6 зон (табл. 2). Площадь воздействия отдельных промышлен- ных предприятий на прилегающую территорию может достигать 1000 км 2 . Таблица 2 Зоны загрязнения почв вокруг точечных источников загрязнения № п/п Зона Расстояние от источника за- грязнения в км Превышение содер- жания ТМ по отно- шению к фоновому 1 Охранная зона предприятия 0,5–0,75 100 2 Зона I 0,75–1,5 200–50 3 Зона II 2–8 50–10 4 Зона III 4–15 5–2 5 Зона IV 8–20 5–2 6 Фон 20–50 1 Зоны загрязнения почв и их размер тесно связаны с векторами господ- ствующих ветров. Рельеф, растительность, городские постройки могут из- менять направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Анало- гично зонам загрязнения почв можно выделить и зоны загрязнения расти- тельного покрова.
МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕННОМ ПРОФИЛЕ
Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается пре- имущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте, где они связываются алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Состав и количество удерживаемых в почве элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбцион- ной способности, интенсивности биологического поглощения. Часть тяже- лых металлов удерживается этими компонентами прочно и не только не уча- ствует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности 9 для живых организмов. Отрицательные экологические последствия загрязне- ния почв связаны с подвижными соединениями металлов. В пределах почвенного профиля техногенный поток веществ встречает ряд почвенно-геохимических барьеров. К ним относятся карбонатные, гип- совые, иллювиальные горизонты (иллювиально-железисто-гумусовые). Часть высокотоксичных элементов может переходить в труднодоступные для растений соединения, другие элементы, мобильные в данной почвенно- геохимической обстановке, могут мигрировать в почвенной толще, пред- ставляя потенциальную опасность для биоты. Подвижность элементов в значительной степени зависит от кислотно-основных и окислительно- восстановительных условий в почвах. В нейтральных почвах подвижны со- единения Zn, V, As, Se, которые могут выщелачиваться при сезонном про- мачивании почв. Накопление подвижных, особо опасных для организмов соединений элементов зависит от водного и воздушного режимов почв: наименьшая ак- кумуляция их наблюдается в водопроницаемых почвах промывного режи- ма, увеличивается она в почвах с непромывным режимом и максимальна в почвах с выпотным режимом. При испарительной концентрации и щелоч- ной реакции в почве могут накапливаться Se, As, V в легкодоступной фор- ме, а в условиях восстановительной среды – Hg в виде метилированных со- единений. Однако следует иметь в виду, что в условиях промывного режима по- тенциальная подвижность металлов реализуется, и они могут быть вынесе- ны за пределы почвенного профиля, являясь источниками вторичного за- грязнения подземных вод. В кислых почвах с преобладанием окислительных условий (почвы под- золистого ряда, хорошо дренированные) такие тяжелые металлы, как Cd и Hg, образуют легкоподвижные формы. Напротив, Pb, As, Se образуют ма- лоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллю- виальных горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной биоты. Если в составе загрязняющих веществ присутствует S, в восстановительных условиях создается вторичная сероводородная среда и многие металлы об- разуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды. В заболоченных почвах Mo, V, As, Se присутствуют в малоподвижных формах. Значительная часть элементов в кислых заболоченных почвах при- сутствует в относительно подвижных и опасных для живого вещества фор- мах; таковы соединения Pb, Cr, Ni, Co, Cu, Zn, Cd и Hg. В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией образуются труднорастворимые соединения Pb, особенно при известковании. В нейтральных почвах под- вижны соединения Zn, V, As, Se, а Cd и Hg могут задерживаться в гумусо- вом и иллювиальных горизонтах. По мере возрастания щелочности опас- ность загрязнения почв перечисленными элементами увеличивается.
Читайте также: