Мониторинг тяжелых металлов в окружающей среде
Обновлено: 13.05.2024
Термин тяжелые металлы (ТМ), 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 ТМ, 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 некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк). В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к ТМ относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др.
[Зайцева О.Е. Особенности накопления микроэлементов в плаценте и пуповине при нормальной и осложненной гестозом беременности – автореферат Дисс. канд. мед. наук / Зайцева О.Е. – М., 2006 г.].
При этом немаловажную роль в категорировании ТМ играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции.
Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля, 1979 г. в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы названы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn. По классификации Н. Реймерса, 1992 г. тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 5 г/см 3 .
По биологической классификации химических элементов ТМ принадлежат к группам микро-и ультрамикроэлементов
[Авцын А.П. Микроэлементозы человека / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, М.А. Риш, Л.C. Строчкова // - М.: Медицина. 1991. - 496 С.,
Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях // Л: Агропромиздат, 1987].
Таким образом, к тяжелым металлам по мнению большинства исследователей относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. Тяжелые металлы при избыточном попадании в объекты окружающей среды ведут себя как токсиканты и экотоксиканты. При этом к токсикантам относятся элементы и соединения, оказывающие вредное воздействие на отдельный организм или группу организмов, а экотоксикантами являются элементы или соединения, негативным образом воздействующие не только на отдельные организмы, но и на экосистему в целом. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны.
Поступление ТМ в окружающую среду связано с активной деятельностью человека. Их основные источники — промышленность, автотранспорт, котельные, мусоросжигающие установки и сельскохозяйственное производство. К отраслям промышленности, загрязняющим окружающую среду ТМ, относятся черная и цветная металлургия, добыча твердого и жидкого топлива, горно-обогатительные комплексы, стекольное, керамическое, электротехническое производство и др. Свинец широко используется в производстве аккумуляторов, оболочек электрических кабелей, медицинской техники, хрусталя, оптического стекла, красок, многочисленных сплавов и т.д., не говоря уже о производстве, связанном с его получением. В сельскохозяйственном производстве загрязнение почвы ТМ связано с использованием удобрений и пестицидов.
Транспорт является источником более половины всех выбросов в атмосферу. Котельные, работающие на твердом и жидком топливе, загрязняют окружающую среду не только ТМ, но и различными оксидами. Сжигание мусора сопровождается поступлением в биосферу целого ряда тяжелых металлов: кадмия, ртути, свинца, хрома и др.
Для крупных городов с многопрофильной промышленностью характерно присутствие в окружающей среде не отдельного загрязнителя, а ассоциации тяжелых металлов, способных оказывать комбинированное действие на организм, при котором может наблюдаться как суммирование эффектов, так и их потенцирование
[Митрохин О.В. Оценка транслокального загрязнения как составная часть социально-гигиенического мониторинга / О.В. Митрохин // Здоровье населения и среда обитания. 2001. - № 9. - С. 11-14;
Ревич Б.А. Проблемы прогнозирования, «горячие точки» химического загрязнения окружающей среды и здоровье населения России // под ред. В.М. Захарова. 2007].
Опасные уровни загрязнения окружающей среды ТМ отмечаются во многих промышленных развитых территориях
[Ревич Б.А. Проблемы прогнозирования, «горячие точки» химического загрязнения окружающей среды и здоровье населения России // под ред. В.М. Захарова, 2007;
Сидоренко Г.И., Кутепов Е.Н. Проблемы изучения и оценки состояния здоровья населения. / Г.И Сидоренко, Е.Н. Кутепов // Гиг. и сан. – 1994. – № 8. – С. 33–36;
Соколов О.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1 / О.А. Соколов, В.А. Черников. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды // – Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1999, 164 с.].
Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем.
Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов загрязняют атмосферный воздух, воду, почву, попадают в растения и организмы животных, населяющих данную местность. Миграция металлов в биосфере позволяет объяснить пути поступления их в организм человека (рис. 1).
Рис. 1. Пути поступления ТМ в организм человека.
Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами объясняется, прежде всего, широким спектром их действия на организм человека. ТМ влияют практически на все системы организма, оказывая токсическое, аллергическое, канцерогенное, гонадотропное действие. Доказано эмбриотоксическое действие ТМ через фетоплацентарную систему, а также их мутагенное воздействие. Многие тяжелые металлы обладают тропностью — избирательно накапливаются в определенных органах и тканях, структурно и функционально нарушая их. Выбор тропного органа зависит также от дозы и пути поступления ТМ в организм. На сегодняшний день возродился интерес к роли микроэлементов в патогенезе многих соматических и эндемических заболеваний
[Авцын А.П. Микроэлементозы человека / А.П. Авцын, А.А. Жаворонков, М.А. Риш, Л.C. Строчкова // - М.: Медицина. 1991. - 496 С.].
Эколого-токсикологический мониторинг содержания тяжелых металлов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»
Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Колесников В. А., Чужакин Н. Л.
В последние десятилетия в связи с модернизацией и укрупнением промышленных предприятий, созданием новых индустриальных комплексов, изменением условий содержания, ухода и кормления значительно изменились реакции сельскохозяйственных животных на факторы внешней среды. В связи с этим претерпела определенные изменения и система «токсическое вещество (как основной фактор болезни) хозяин (сельскохозяйственные животные)», что проявилось возникновением и распространением болезней, ранее в подобных формах не регистрируемых
Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Колесников В. А., Чужакин Н. Л.
ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОДЕРЖАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И ВОДЕ: СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (обзор)
Динамика накопления соединений тяжелых металлов в органах и тканях разных видов рыб, обитающих в пределах одной водной экосистемы
EKOLOGO-TOXICOLOGICAL MONITORING OF THE HEAVY METALS AVAILABILITY
In connection with modernization and integration of the industrial enterprises, new industrial complexes creation, and change in keeping, attendance and feeding conditions, the agricultural animal reactions to the environment factors have considerably changed in the last decades. In connection with it the system «toxic substance (as a disease major factor) the host (agricultural animals) » suffered the certain changes that was showed by occurrence and distribution of the diseases, not registered in the similar forms earlier
Текст научной работы на тему «Эколого-токсикологический мониторинг содержания тяжелых металлов»
В.А. Колесников, Н.Л. Чужакин ЭКОЛОГО-ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
В последние десятилетия в связи с модернизацией и укрупнением промышленных предприятий, созданием новых индустриальных комплексов, изменением условий содержания, ухода и кормления значительно изменились реакции сельскохозяйственных животных на факторы внешней среды. В связи с этим претерпела определенные изменения и система «токсическое вещество (как основной фактор болезни) - хозяин (сельскохозяйственные животные)», что проявилось возникновением и распространением болезней, ранее в подобных формах не регистрируемых.
Ключевые слова: ртуть, цинк, кадмий, свинец, медь, экологическая токсикология, биотрансформация.
V.A. Kolesnikov, N.L. Chuzhakin EKOLOGO-TOXICOLOGICAL MONITORING OF THE HEAVY METALS AVAILABILITY
In connection with modernization and integration of the industrial enterprises, new industrial complexes creation, and change in keeping, attendance and feeding conditions, the agricultural animal reactions to the environment factors have considerably changed in the last decades. In connection with it the system «toxic substance (as a disease major factor) - the host (agricultural animals) » suffered the certain changes that was showed by occurrence and distribution of the diseases, not registered in the similar forms earlier.
Key words: mercury, zinc, cadmium, lead, copper, ecological toxicology, biotransformation.
Введение. Тяжелые металлы встречаются повсеместно и входят в состав многих современных продуктовых товаров, как в чистом виде, так и в виде примесей. Это происходит по разным причинам. К примеру, для производства автомобиля требуется примерно 3500 деталей. Список необходимых в автомобильном производстве материалов включает более 2000 наименований. На крупном автомобильном заводе до 70 цехов производственных и непроизводственных, основных и вспомогательных, которые занимает более 500 га площади [1]. Сам автомобиль - это конечная точка многокомпонентного процесса производства, а предприятия, изготавливающие его составляющие, разбросаны по разным уголкам страны. И каждое производство также будет выделять токсичные элементы. Автомобиль за время своей эксплуатации пропустит через себя не один килограмм «автохимии» со своим букетом присадок, среди которых и тяжелые металлы. Благодаря своей мобильности, каждая автомашина разносит загрязняющие вещества по обширной территории.
Автотранспорт долгое время служил основным источником распространения соединений свинца. При сжигании нефти и бензина в окружающую среду поступает не менее 50% всего антропогенного выброса свинца, что является главной составляющей в глобальном цикле данного элемента [21; 26-27]. В настоящее время ситуация улучшается в связи с ограничением содержания свинца в топливе в пределах 5-10 мг/дм3 [15].
Свинец наряду с кадмием попадает в атмосферу в основном при сжигании минерального топлива. В золе угля и нефти обнаружены почти все металлы. Неметаллическое производство, а именно сжигание угля, представляет собой главный источник поступления многих металлов в окружающую среду, как считают некоторые авторы [7]. До 1% свинца и кадмия содержат фосфорные удобрения, откуда в почву, а, следовательно, и в пищевые продукты попадает определенное количество этих веществ 17. По результатам других исследователей, наоборот, рекомендуется применять фосфорные удобрения, так как фосфаты свинца, цинка, кадмия и других металлов представляют собой труднорастворимые соединения, малодоступные для растений [28]. Подобные меры детоксикации почв срабатывают при определенной их кислотности. В противном случае, происходит лишь их накопление, при этом металлы переходят в лабильную форму и опускаются в почве на уровень ниже корневой системы [4]. Однако это приводит к загрязнению подземных вод [19].
Наряду с пищевыми продуктами и воздухом вода один из основных путей поступления токсичных элементов. Важным источником попадания загрязняющих веществ в водные объекты служат сточные воды. Концентрация тяжелых металлов в осадках сточных вод составляет (мг/кг сухого вещества): 100-2100 - ^, 820-7130 - Zn, 149-265 - Pb, 2-4 - Cd, 1-3 - ^ [14; 25]. На первый взгляд, в г. Красноярске с водоснабжением сложилась благополучная обстановка. Водозабор находится выше по течению р. Енисей, где в непосредственной близости нет крупных населенных пунктов и промышленных предприятий. От крупных загрязнителей в верхней части дельты реки город предохраняет Красноярское водохранилище, в котором проис-
ходит сорбирование взвешенными частицами и осаждение значительной части минеральных примесей. Подрусловые воды обладают низкой минерализацией, однако сети центрального водоснабжения изношены на 70% (согласно отчета Горводоканала г. Красноярска за 2006 г.). В результате износа происходит окисление и разрушение внутренних поверхностей металлических труб с вымыванием химических соединений. Небольшие количества «ржавчины» просто растворяются в больших объемах воды без каких-либо последствий. Если вода на всем протяжении от источника до потребителя проходит по подверженным разложению трубам, количество примесей становится значительным. Конечно, при изготовлении компонентов систем водоснабжения не применяют сплавов, содержащих свинец, но содержание цинка и меди достигает до 2-5% [23]. Кроме того, повышается общая минерализация воды, что, в свою очередь, приводит к созданию парагенных ассоциаций элементов Zn, Cu, Pb, обусловленных едиными процессами образования и миграции с возможностью их изоморфного замещения при хроническом поступлении в организм.
Весьма специфическим источником поступления тяжелых металлов в организм является курение. Наряду с подсолнечником табак активно накапливает токсичные элементы в вегетативной части растений. Дальнейшая технологическая обработка табака не влияет на уровень содержания тяжелых металлов и они доходят до реципиента. Принято считать, что 80-90% кадмия попадает в организм алиментарным путем, но вместе с тем в крови активного курильщика содержится кадмия в 2 раза больше.
За последнее десятилетие значительно активизировался строительный сектор. Подчас застройка ведется «варварскими» методами по отношению к окружающей среде и санитарно-гигиеническим нормам проектирования. «Точечная застройка» приводит к повышению плотности населения на фоне ухудшения аэрации междомового пространства и поступления свежего воздуха в вентиляционные системы. Сама строительная площадка является источником мусора и пыли с высоким содержанием минеральных веществ. Широкое использование в строительстве нефтепродуктов (битум, гудрон и т.д.) повышает содержание в воздухе кадмия, мышьяка и свинца [7].
Кадмий встречается повсеместно и равномерно распределен в геологических образованиях совместно с другими металлами, такими, как медь и цинк. Хозяйственная деятельность человека приводит к тому, что кадмий изымается из природной среды и концентрируется в городе вместе со строительными материалами, металлами и производными нефтепродуктов.
Проникают в организм тяжелые металлы через воздух, воду и продукты питания. Большинство тяжелых металлов легко встраиваются в пищевые цепи в организме животных и человека, обладая изоморфизмом к Ca, K, Mg, Fe и др., вызывают патологии различного генеза.
Существуют различные меры для контроля токсичных веществ, но проблемы последних десятилетий в области экологии дают основания усомниться в их действенности. Подтверждением этому служат отчеты и публикации медицинских специалистов в области токсикологии, онкологии, педиатрии, геронтологии и эндокринологии [10; 8; 29]. Немалая роль отводится тяжелым металлам, как источнику возникновения заболеваний, фактору, осложняющему лечение, элементу, нарушающему гомеостаз организма. Как следствие, 2 февраля 2006 г. Правительство РФ утвердило положение о проведении социально-гигиенического мониторинга, в ведении которого лежат следующие задачи:
а) гигиеническая оценка (диагностика) факторов среды обитания человека и состояния здоровья населения;
б) выявление причинно-следственных связей между состоянием здоровья населения и воздействием факторов среды обитания человека на основе системного анализа и оценки риска для здоровья населения;
в) установление причин и выявление условий возникновения и распространения инфекционных и массовых неинфекционных заболеваний (отравлений);
г) подготовка предложений для принятия федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органами местного самоуправления необходимых мер по устранению выявленных вредных воздействий факторов среды обитания человека [16].
За время проведения мониторинга в рыбе и нерыбных объектах промысла был выявлен 21 случай превышения концентраций свинца и 5 случаев кадмия. В продукции животного происхождения тяжелых металлов не обнаружено с формулировкой «несоответствие действующим нормативам» [13], то есть фактическое количество тяжелых металлов не превышало действующих на период исследования санитарных норм. При подобном виде представления результатов мониторинга ответить на вопрос количественного содержания сложно. Поэтому и результат, близкий к МДУ, и содержание элемента, близкое к нижней границе предела детектирования прибора или предела обнаружения методики исследования, выпадают из поля зрения для анализа складывающейся ситуации.
В 1976-1977 гг. May и McKinney (1981) осуществляли в США мониторинг пресноводной рыбы и обнаружили, что концентрации кадмия колебались от 0,01 до 1,04 мг/кг (сырой массы), причем среднее значение
составляло 0,085 мг/кг. Эти данные показали значительное снижение среднего значения по сравнению с 1972 г., когда оно было равно 0,122 мг/кг. Авторы отметили, что это снижение сопутствовало падению производства и потребления металлического кадмия за этот же период [30]. Вместе с тем значительное количество населения в силу социально-экономических проблем питается однообразно, выбирая одни и те же дешевые продукты. В такой ситуации тяжелые металлы, обладая кумулятивным эффектом, способны накапливаться и при допороговых уровнях концентраций [9].
Биологические функции многих элементов, идентифицированных в организме, еще не выявлены. До сих пор до конца не ясна роль свинца, кадмия, ртути и цинка в организме. В первую очередь нужно говорить об этих элементах, как о кумулятивных ядах [20; 22]. Термин «кумуляция» заимствован из фармакологии и обозначает «накопление», причем накопление количества ядов называют «материальной кумуляцией», а накопление вызванных ими патологических изменений - «функциональной кумуляцией». Функциональная кумуляция часто сопровождается материальной кумуляцией [3; 12].
Кумуляция и потенцирование одни из вопросов, которые ставились при проведении мониторинга тяжелых металлов в г. Красноярске. Известно, что медь проявляет антагонистические свойства по отношению к свинцу, а кадмий наоборот усиливает его токсический эффект, хотя патогенетические механизмы, лежащие в их основе, различны [2; 6; 11].
Цель исследований - изучение закономерности распределения тяжелых металлов в органах и тканях собак; определение фактического уровня содержания тяжелых металлов в организме в зависимости от места обитания.
Объекты и методы исследований. Одомашненные животные являются предпочтительными объектами для топографического мониторинга в условиях крупного промышленного центра. Во-первых, этот вид домашнего животного не проводит всю жизнь в жилом помещении, а имеет возможность выходить на улицу, тем самым «собирая» информацию о химических элементах всех компонентов городской среды (полусвободный образ жизни, зона передвижения, которая занимает сравнительно небольшую территорию, равную нескольким кварталам или микрорайону). Во-вторых, существует возможность собрать довольно точную информацию об обстоятельствах жизни животного. В-третьих, собака, например, обладает достаточно крупными органами для их анализа на тяжелые металлы.
Критериями отбора объектов исследований являлись возраст, размер животного и породная принадлежность. Как упоминалось выше, тяжелые металлы в организме имеют свойство кумулироваться. У молодого животного количество искомых элементов может оказаться меньше предела чувствительности методики, поэтому нами отбирались животные в возрасте 10-13 лет. Размер и масса животного имеют важное значение при формировании проб для анализа. Не учитывая «среднюю пробу», «разовая» должна иметь массу 10-40 г, в зависимости от метода испытаний. К примеру, масса селезенки у собак крупных пород составляет только 60-90 г. Порода животного с точки зрения патогенеза не является решающим значением в элементном анализе. Поэтому в качестве объекта исследований отбирались животные, не привязанные к определенным генетическим линиям. Беспородные животные гетерозиготны и более устойчивы к различным внешним воздействиям, в отличие от породистых, монозиготных животных, ослабленных инбридингом или имеющих специфичные ответные реакции на воздействие.
Материалом для исследований служили органы и ткани животных: почки, печень, сердце, легкие, диафрагма, прямая кишка, слепая кишка, мышцы, трубчатая кость, ребро, селезенка, поджелудочная железа, ободочная кишка, желудок, головной мозг, язык, костный мозг, лимфатический узел, тонкий кишечник, кровь. Для полноценного мониторинга исследования проводились в шести зонах города по территориальноадминистративному принципу. Из каждой зоны было отобрано по несколько животных, подходивших под условия эксперимента.
Свинец, цинк, кадмий и медь определяли методом инверсионной-вольт-амперометрии, ртуть - методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Методическими указаниями по минерализации и количественному определению тяжелых металлов служили следующие нормативные документы: ГОСТ Р 51301-99 и МУК 4.1.1472-03.
Результаты исследований и их обсуждение. Анализ полученных данных на первом этапе проводился с количественного распределения тяжелых металлов по органам и тканям. Ртуть и кадмий определялись ниже предела обнаружения методики и соответственно на исследование этих элементов навеска пробы была увеличена с последующим введением изменений в систему обработки данных, расчета дисперсии. Ртуть содержится практически во всех исследованных органах и тканях, но преимущественно много определяется в печени, почках, желудке и селезенке (рис. 1).
Мониторинг тяжёлых металлов и радионуклидов в природных экосистемах Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»
Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Г.Н. Вяйзенен, А.И.Токарь
Распределение 40 к , 137 Cs , 226 ra , 232 Th и 241 Am в ландшафтах с различной степенью крутизны склонов, наблюдаемое после лесных пожаров
Накопление и распределение радионуклидов в органах туи западной, произрастающей в условиях городской среды
MONITORING OF HEAVY METALS AND RADIONUCLIDES IN NATURAL ECOSYSTEMS
On the basis of studies carried out in the territory of the Novgorod Region it was suggested to use wild settled animals for monitoring of the quality of environment in the North-West of the European Russia. To ensure environmental safety of people it is necessary to give strict control over pollutants in food products of wild nature.
Текст научной работы на тему «Мониторинг тяжёлых металлов и радионуклидов в природных экосистемах»
Пищевые ресурсы дикой природы и экологическая безопасность населения
МОНИТОРИНГ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
Г.Н. Вяйзенен, А.И.Токарь
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого. Новгород Великий.
MONITORING OF HEAVY METALS AND RADIONUCLIDES IN NATURAL ECOSYSTEMS
G.N. Vyaizenen, A.I. Tokar
Yaroslav-the-Wise Novgorod State University, Novgorod Velikij.
Любая природная экосистема характеризуется сложившимся стабильным видовым набором представителей флоры и фауны в специфических почвенно-климатических условиях. Особый интерес вызывают постоянно живущие (оседлые) виды животных в связи с ведением мониторинга.
В условиях Северо-Запада РФ объективным показателем мониторинга пресноводных экосистем могут служить образцы проб воды, донных грунтов, все виды рыб, раки, пресноводные моллюски, ондатры, выдры, бобры, некоторые виды птиц. О миграции поллютан-тов в лесных экосистемах можно судить по концентрации таковых в почвенных горизонтах, растительности, тканях и органах животных (лось, кабан, косуля, заяц, боровая и водоплавающая дичь). Состав рационов изучен достаточно полно: для травоядных наземных животных и бобров. Это, как правило, растения нижнего яруса, в том числе водные; облиственные побеги лиственных и хвойных деревьев. Указанных животных добывают в Новгородской области в достаточных количествах и получение биологического материала для аналитической работы не представляет трудностей (численность бобров с 1985 по 1993 год возросла с 9550 до 14240 особей; популяция лосей -11.0-14.3 тыс. особей (Порохов, 1998).
В Новгородской области (Батецкий, Валдайский, Окуловский, Новгородский районы) были исследованы образцы биологического материала на наличие тяжёлых металлов и радионуклидов. Содержание радионуклидов цезия-137 и калия-40 определяли по «Методическим указаниям по методам контроля МУК 2.6.1.717-98» в Новгородском Центре стандартизации, метрологии и сертификации. Концентрацию тяжёлых металлов в биопробах определяли на атомноэмиссионном спектрометре фирмы Perkin Elmer (США) в химической лаборатории АО «Акрон».
Тяжёлые металлы и радионуклиды составляют основной объём ксенобиотиков региона. По трофическим цепям данные поллютанты мигрируют в системе почва- растение - животное - человек и определение их концентрации в каждом из звеньев позволяет судить об уровнях перехода их в каждое последующее звено. Первое звено - почва, являющаяся депо большинства поллютантов. Через систему почвен-нопоглощающего комплекса (ППК) происходит активный обмен тяжёлых металлов и радионуклидов в почвенных горизонтах: часть поступают в растения через корневую систему и вступают в метаболические процессы растений с последующей кумуляцией, прочие -вымываются в нижележащие почвенные слои.
Почвы региона представлены в основном различными типами подзолов; концентрация тяжёлых металлов и радионуклидов в различных почвенных горизонтах лесных почв представлены в таблице 1.
Концентрация тяжёлых металлов и радионуклидов претерпевает существенные изменения в зависимости от залегания почвенных горизонтов. Большая часть растительности, произрастающей в лесу, имеет мочковатую корневую систему, в том числе многочисленные представители сем. мятликовых, имеющих большое значение в рационах травоядных животных. Растения со стержневой корневой системой, в том числе деревья и кустарники, редко имеют корни большей глубины, поэтому наибольшего внимания заслуживает именно корнеобитаемый слой - до 40 см. По некоторым тяжёлым металлам, таким как хром, стронций, никель, отмечено нарастание концентрации с увеличением глубины, в наибольшей степени это отмечено по стронцию - на 20.0% в нижнем почвенном горизонте против дернины. Это определило ситуацию с суммарным содержанием тяжёлых металлов в почве в целом, так как хром и стронций составляют 75.36-88.80% от суммы тяжёлых металлов. Обилие осадков и низкое содержание гумуса в почве способствуют вымыванию тяжёлых металлов в нижние слои почвы, из-за чего именно эти почвенные горизонты оказываются наиболее загрязнёнными тяжёлыми металлами. Наряду с этим концентрация свинца, олова и железа достигает максимальных значений в дернине; это же относится и к радионуклидам, активно депонирую-
Концентрация тяжёлых металлов и радионуклидов в почве
Почвенный горизонт, см Содержание металлов, мг/кг Радионуклиды, Бк/кг
РЬ Сё Сг Вп А1 Вг N1 Бе Итого 137С8 40К
Дернина (0) 9.5 0.08 94.5 2.2 0 61.7 7.9 1.12 0.02 175.9 266.23 707.44
0-20 8.4 0.08 113.0 1.9 0 65.8 9.4 2.03 0.02 198.6 235.61 622.71
21-40 7.8 0.07 113.4 1.7 0 69.8 10.6 0.91 0.03 203.3 136.87 378.90
щимся в поверхностных слоях почвы и находящихся в связанной форме с гумусовой фракцией почвы. Концентрация радиоцезия и радиокалия в дернине выше, чем в нижнем почвенном горизонте в 1.95 и 1.87 раз соответственно (табл. 1).
Растения в различной степени кумулируют поллютанты, что связано с видовыми особенностями и рядом других факторов (табл. 2).
Концентрация тяжёлых металлов и радионуклидов в разных группах растений
Вид растения ________________________Содержание тяжёлых металлов, мг/кг___________________Радионуклиды, Бк/кг
РЬ Сё N1 Вг Бе А1 Итого 137С8 40К
Хвощ полевой 2.06 0.33 1.44 14.77 0.99 - 18.6 * *
Крапива двудомная 2.29 0.204 2.19 6.53 0.51 - 11.21 7.92 359.57
Лиственные деревья и 2.29 0.62 2.83 8.60 0.49 - 14.34 6.87 137.0
кустарники Осоки 2.53 0.29 2.3 5.61 0.59 10.73 * *
Хвойные 1.42 0.18 2.16 2.13 0.53 0.24 6.13 * *
Мхи 4.58 0.22 2.89 3.39 0.14 0.74 11.82 * *
Кустарнички 1.81 0.18 1.39 4.43 0.76 - 7.81 * *
* Определение концентрации По загрязнённости растительности тяжёлыми металлами выделя-
радионуклидов не проводилось ются хвощ полевой, мхи, облиственные побеги лиственных деревьев
и кустарников; наиболее чистые - побеги хвойных и кустарнички (черника, брусника). Зная рацион животных по сезонам года, можно априорно предсказать степень загрязнения органов и тканей животных тяжёлыми металлами. Убой лосей и бобров выявил следующую степень загрязнения организма радионуклидами (табл. 3).
Концентрация радионуклидов в органах и тканях лосей и бобров, Бк/кг
Орган, ткань Лось Бобр
137Цезий 40Калий 137Цезий
Лёгкое 2.96 38.11 -
Мышечная ткань 7.03 52.54 18.4
Печень 8.14 44.11 20.5
Почка 5.18 49.95 28.0
Ребро 5.92 62.53 8.2
Анализ биопроб на загрязнённость радиоцезием выявил существенные различия в загрязнённости радионуклидами одноименных органов у разных видов животных. В частности, концентрация радиоцезия в паренхиме печени и почек бобров выше в 2.5 и 5.4 раза против соответствующего показателя лосей. В пределах каждого вида также прослеживается существенный разброс значений концентрации радиоцезия и радиокалия: у лосей наиболее «чистой» тканью организма оказалась кровь, а загрязнение радиоцезием мышечной ткани и печени в 3.7 и 4.4 раза выше.
1. Для мониторинга окружающей среды Новгородской области с успехом могут быть использованы дикие осёдлые животные (от микроорганизмов до высших).
2. Необходимо проводить контроль поллютантов в грибах, дикорастущих растениях, органах и тканях рыб, раков, промысловых млекопитающих и птиц, используемых в пищу населением.
МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ПРИДОРОЖНЫХ ТЕРРИТОРИЙ (НА ПРИМЕРЕ Г. УЛЬЯНОВСКА)
В данной статье рассматривается содержание тяжелых металлов в почвах придорожных территорий на примере города Ульяновска, так как проблема постоянно растущего количества автомобилей обостряется из года в год. Соответственно, было изучено влияние автотранспорта на загрязнение почв по мере приближения к автодороге на расстоянии в 50 метров, 100 метров и 150 метров. На основе полученных данных был высчитан коэффициент концентрации тяжелых металлов в выбранном районе исследования, а также установлена их последовательность по мере влияния на почву, выявлены приоритетные загрязнители. В конце научной работы, резюмируя все полученные результаты, приведены рекомендации по экологическому мониторингу данных территорий.
Ключевые слова: тяжелые металлы, автодорога, транспорт, загрязнение, экологический мониторинг.
MONITORING OF THE CONTENT OF HEAVY METALS IN THE SOIL OF ROADSIDE AREAS IN ULYANOVSK
Kazakova N.A. 1 , Sadretdinova L.R. 2, *, Mukhametshin A.A. 3
1 ORCID: 0000-0001-9303-6333;
2 ORCID: 0000-0003-3054-4896;
3 ORCID: 0000-0001-5979-813;
1, 2, 3 I. N. Ulyanov Ulyanovsk State Pedagogical University, Ulyanovsk, Russia
Abstract
As the problem of an ever-growing number of cars is worsening from year to year, the article sets to examine the content of heavy metals in the soils of roadside areas in the city of Ulyanovsk. Accordingly, the research analyzes the impact of motor vehicles on soil pollution at distances of 50 meters, 100 meters and 150 meters from the studied highway. On the basis of the obtained data, the study calculates the coefficient of concentration of heavy metals in the studied area, establishes their sequence as they affect the soil and identifies the main pollutants. In the conclusion of the article, the study summarizes all the obtained results and provides recommendations for environmental monitoring of these territories.
Keywords: heavy metals, highway, transportation, pollution, environmental monitoring.
Введение
В настоящее время транспорт является одним из ключевых источников загрязнения окружающей среды. Проблема обостряется тем, что количество автотранспорта беспрестанно растет, соответственно увеличивается и объем загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, которые, в результате, накапливаются, в том числе, и в почве в виде тяжелых металлов.
К тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5 г/см3. Не все тяжелые металлы представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накопления более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, олово, цинк, молибден, кобальт, никель [8].
Автотранспорт является специфическим источником загрязнения природной среды, состоящим из множества наземных точечных источников, сосредоточенных на различных автомагистралях. Транспортный поток превращается в постоянно действующий источник техногенного загрязнения. Зоны загрязнения окружающей среды, формируемые выбросами автотранспорта, характеризуются высокими значениями концентрации загрязняющих веществ и распространяются на большие территории. Техногенное воздействие на экосистему придорожной зоны приводит к загрязнению воздушной среды, изменению физико-химических свойств почвогрунтов, их переуплотнению, загрязнению поллютантами, в частности тяжелыми металлами, что вызывает повышение их фитотоксичности, приводящей к ухудшению условий произрастания зеленых насаждений [1].
При проектировании дорог, необходимо учитывать, что автомобильные дороги в зависимости от функционального назначения, характера обслуживаемых транспортных связей, размеров и состава движения, природных условий расположения, чувствительности территории к воздействиям, многочисленных иных факторов могут оказывать различное по видам, характеру и интенсивности воздействие на окружающую среду [10]. Одним из негативных воздействий является загрязнение почвы тяжелыми металлами.
Согласно данным Росстата, на 2016 год количество машин на 1000 человек в Ульяновской области составляет 270,9 автомобилей. Что означает наличие транспортных средств более чем у четверти населения области. А в 2010 году это число было равно лишь 196 автомобилям на 1000 человек.
Такой рост автотранспорта провоцирует увеличение количества выбросов в атмосферный воздух загрязняющих веществ, что в свою очередь приводит к увеличению выбросов в атмосферу различных тяжелых металлов и тем самым к ухудшению качества почв [7], [9]. Также, они, в свою очередь, способны накапливаться и мигрировать, а это ведет за собой отклонение от нормы в развитии и существовании растений, что оказывает, затем, влияние на человека.
Целью данной работы послужило изучение содержания тяжелых металлов в почвах придорожных территорий города Ульяновска, а именно участок возле автодороги М5 Урал. Автодорога М5 относится к IV категории дорог (обычные нескоростные) [6]. Расчетная интенсивность движения составляет от 200 до 2000 единиц в сутки (ед./сут.).
На основе этих данных становится возможным сформулировать рекомендации по мониторингу состояния почв на придорожных территориях.
Методы и принципы исследования
В основу работы были положены общепринятые в геохимии и почвоведении методы [2], [3], [5]. Определение концентрации тяжелых металлов в образцах почвы поводили в агрохимцентре г. Ульяновска на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991). Статистический анализ полученных данных проводили с использованием общепринятых методов и пакета прикладных программ MS Excel for Windows (2013).
Во всех отобранных почвенных образцах методом атомно-адсорбционной спектроскопии были определены концентрации тяжелых металлов (Zn, Pb, Cu, Ni, Cd), которые относятся к разным классам опасности.
Для характеристики техногенного загрязнения тяжелыми металлами используется коэффициент концентрации, равный отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновой концентрации. О токсичности тяжелых металлов можно судить по тому, к какому классу опасности они относятся.
Согласно Постановлению главного санитарного врача РФ от 17.04.2003 353 (ред. от 25.04.2007) были введены классы опасности химических веществ [10, C.15; C. 46-55], которые приведены в таблице (табл. 1).
Таблица 1 – Классы опасности химических веществ
| Класс опасности | Химическое вещество |
| 1 – вещества высокоопасные | Мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен |
| 2 – вещества умеренноопасные | Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром |
| 3 – вещества малоопасные | Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенол |
Объектом исследования послужила почва придорожной территории возле автодороги М5 в Железнодорожном районе города Ульяновска. Пробы были взяты по отдалению от трассы: на 50 м, на 100 м и на 150 м (см. рис. 1) на глубине 0,5 м.
Исследование тяжелых металлов в почвах проводились с сентября по октябрь 2020 года. Результаты данной работы представлены на рисунке (см. рис. 2). Полученные значения измеряются в мг/кг.
Рис. 1 – Места отбора проб
Основные результаты
Рис. 2 – Валовое содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий (мг/кг)
Наибольшую концентрацию тяжелых металлов в почве содержит участок территории, удаленный от трассы на 50 м. Содержание Cu на данной территории наибольшее и составляет 14,4 мг/кг, в то время как ПДК Cu составляет 55 мг/кг. На участке, удаленном на 100 м содержание Cu составляет 11,5 мг/кг, а на участке, удаленном на 150 м лишь 10,4 мг/кг. Из чего можно сделать вывод, что все полученные данные не превышают ПДК. В свою очередь, содержание Cu возрастает по мере приближения к автодороге. То же можно отметить и по отношению к остальным показателям тяжелых металлов.
Концентрация Zn на участке 50 м составляет 35,2 мг/кг. На участке 100 м – 33,4 мг/кг. На участке 150 м – 26,5 мг/кг. ПДК Zn составляет 100 мг/кг, в связи с чем, можно отметить, что превышения данного показателя не выявлено ни в одной из точек отбора.
Концентрация Ni на участке 50 м составляет 12,3 мг/кг, на участке 100 м – 8,3 мг/кг, на участке 150 м – 7,6 мг/кг, что также находится в пределах нормы, так как ПДК Ni составляет 85 мг/кг.
Концентрация Pb на участке 50 м составляет 10,2 мг/кг, на участке 100 м – 9,3 мг/кг, на участке 150 м – 3,4 мг/кг, в то время как ПДК Pb – 30 мг/кг. Соответственно, превышений не обнаружено.
Концентрация Cd на участке 50 м составляет 0,17 мг/кг, на участке 100 м – 0,09 мг/кг, на участке 150 м – 0,09 мг/кг. ПДК Cd составляет 1,0 мг/кг. Все результаты не превышают ПДК.
Для построения ряда накопления тяжелых металлов были рассчитаны показатель коэффициента концентрации (Кк).
(1)
где Су – содержание тяжелых металлов в почве конкретного участка, мг/кг; Сф – фоновое содержание тяжелых металлов в почвах.
Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов в почве участка автодороги М5 (212 км) Ульяновской области
| Значение | Pb | Zn | Ni | Cu | Cd |
| К/к | 0,68 | 0,93 | 1,00 | 0,55 | 0,29 |
| фон | 11,2 | 34 | 28 | 22 | 0,40 |
| ПДК | 30 | 100 | 85 | 55 | 1,0 |
Таким образом, максимально аккумулируются в почвах исследуемого участка Zn, Ni и Pb, которые являются приоритетными загрязнителями. Тяжелые металлы в почвенном покрове 212 километра трассы М5 образуют следующую последовательность: Ni ˃Zn ˃Pb˃Cu ˃Cd.
Заключение
Из анализа данных, приведенного выше, можно сделать вывод, что ни по одним показателям превышения ПДК не было замечено. Все показатели находятся в пределах нормы. При этом необходимо особое внимание уделять зонам максимальной техногенной нагрузки, таким как зоны придорожной полосы.
| Конфликт интересов Не указан. | Conflict of Interest None declared. |
Список литературы / References
Список литературы на английском языке / References in English
Исследовательская работа "Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы"
Окружающая среда является местом обитания живых организмов, которые находятся в контакте с ней всю свою жизнь. Организмы получают из окружающей среды все самое необходимое для нормальной жизнедеятельности: кислород для дыхания, воду, питательные вещества, микроэлементы и многое другое. Среди химических элементов, поступающих в организмы, особое место занимают тяжелые металлы в форме ионов.
Установлено, что ионы тяжелых металлов в норме присутствуют в окружающей среде вследствие поступления их из природных соединений, но естественное содержание их крайне мало. В последнее же время воздействие человека на окружающую среду возрастает, и теперь источником соединений тяжелых металлов выступает еще и деятельность человека (металлургическое производство, автотранспорт, удобрения), причем ионов тяжелых металлов антропогенного происхождения в окружающей среде с каждым годом становится все больше. Следовательно, и в организмы эти ионы будут поступать в большем количестве.
Работает ли здесь правило «чем больше, тем лучше»? Все знают, что в живых организмах присутствуют металлы, в том числе и тяжелые: например, железо в составе гемоглобина, цинк в составе инсулина и многих ферментов, медь нужна для формирования нервной ткани и в процессах кроветворения, а молибден активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Но эти и многие другие химические элементы – тяжелые металлы требуются живым организмам для нормальной жизнедеятельности в довольно малых количествах, тогда как некоторые из тяжелых металлов даже в микроколичествах оказывают отравляющее воздействие, являясь сильнейшими металлами-токсикантами (ртуть, свинец, кадмий).
Действительно ли деятельность человека – мощный источник поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду, а сами тяжелые металлы негативно воздействуют на живые организмы? Изучению данных вопросов и посвящена работа.
В начале работы была выдвинута гипотеза: соединения тяжелых металлов присутствуют в окружающей среде района исследования (сельская местность), содержание соединений тяжелых металлов тем выше, чем ближе территория отбора проб к автомобильной дороге; соединения тяжелых металлов оказывают угнетающее воздействие на живые организмы.
Цель: изучение содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде (в воздухе, в почве, в воде) и их воздействие на живые организмы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи :
Изучить научную литературу по данной проблеме.
Изучить методы определения соединений тяжелых металлов в окружающей среде.
Провести качественный анализ проб почвы, снега, воды, биологического материала (лишайников) на содержание соединений тяжелых металлов.
Определить воздействие соединений тяжелых металлов на живые организмы.
Оценить степень загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов в районе исследования.
Объект исследования : загрязнение соединениями тяжелых металлов окружающей среды и живых организмов.
Предмет исследования : почва, снег, вода, живые организмы (лишайники, кресс салат).
Методы исследования:
Место проведения исследования: деревня Титково Кардымовского района.
Сроки проведения исследования: февраль-март 2017 года.
Глава I . Тяжелые металлы
Общие понятия о тяжелых металлах
Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом, больше 40. Известно около сорока различных определений термина тяжелые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжелых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы.
Термин «тяжелые металлы» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения. Таким образом, при включении в эту категории учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. 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 определение (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. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [5.3] .
Воздействие тяжелых металлов на живые организмы
Глава II . Источники поступления соединений тяжелых металлов
в окружающую среду и живые организмы
Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них.
Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.
Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений [5.3].
Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей.
К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами техногенного происхождения относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.
Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем [5.2].
2.1. Поступление соединений тяжелых металлов в почву
Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - выхлопными газами автомобилей. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Почва с лужит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.
Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы, что приводит к изменению состава и свойств почвы как динамической системы и в конечном итоге вызывает нарушение равновесия экологических процессов.
В естественных нормальных условиях все процессы, происходящие в почвах, находятся в равновесии. Изменение состава и свойств почвы может быть вызвано природными явлениями, но наиболее часто в нарушении равновесно состоянию почвы повинен человек:
атмосферный перенос загрязняющих веществ в виде аэрозолей и пыли (тяжелые металлы);
неземное загрязнение – отвалы крупнотоннажных производств и выбросы топливно-энергетических комплексов;
растительный опад. Токсичные элементы в любом состоянии поглощаются листьями или оседают на листовой поверхности. Затем, при опадании листьев, эти соединения попадают в почву [5.4] .
Определение тяжелых металлов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных для выращивания экологически чистой продукции.
Если почвы загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую фитомассу. Такие культуры, извлекающие тяжелые металлы, после созревания подлежат уничтожению. На восстановление загрязненных почв требуются десятки лет.
2.2. Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах.
Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня [5.3].
В то же время тяжелые металлы и их соли — широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают как из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), так и со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Например, естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д.
2.3. Поступление соединений тяжелых металлов в атмосферу
Автомобильный транспорт, который работает на жидком топливе (бензине, дизельном топливе и керосине), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплоэлектростанции (ТЭС) представляют собой один из основных источников загрязнения воздуха. В выхлопных выбросах автомобилей содержатся тяжёлые металлы, в том числе свинец. Более высокие концентрации свинца в атмосферном воздухе городов с крупными промышленными предприятиями.
Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы [4]
Общий природный источник
2.4. Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы
Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. По данным с ней поступают 40–80 % тяжелых металлов, и только 20–40 %. — с воздухом и водой. Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:
1) Cd,Cs, Rb — элементы интенсивного поглощения;
2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As –средней степени поглощения;
3) Mn, Ni, Cr –слабого поглощения;
4) Se, Fe, Ba, Te — элементы труднодоступные растениям. Другой путь поступления тяжелых металлов в растения — некорневое поглощение из воздушных потоков.
Поступление элементов в растения через листья происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Свинец и кадмий относятся к высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10–100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автодорог количество кадмия возрастает в 11–17 раз.
Поступление тяжелых металлов в растения может происходить непосредственно из воздуха с оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30% от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается [5.1].
Читайте также: