Введение
Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы , в первую очередь тяжелые, относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них. На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации. Многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так, в водных средах ионы этих металлов гидратированы и способны образовывать различные гидроксокомплексы, состав которых зависит от кислотности раствора почв. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы этих металлов образуют разнообразные комплексы различного строения и устойчивости. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным. В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. 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.
Целью работы является изучение литературы по следующим вопросам:
– влияние тяжелых металлов на человека и окружающую среду;
– тяжелые металлы в наземных и почвенных экосистема: механизмы детоксикации тяжелых металлов в почвенной экосистеме, влияние почвенных характеристик на подвижность тяжелых металлов;
– нормирование тяжелых металлов и оценка степени загрязнение почв;
– анализ результатов исследований.
Познание механизмов и закономерностей поведения и распределения тяжелых металлов в почве имеет большое практическое значение, т.к свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связаны с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию.
1 Обзор литературы
1.1 Характеристика тяжелые металлы
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 [1].
Тяжелые металлы (ТМ) занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая широко известные загрязнители. 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.
Основными источниками загрязнения почв тяжелыми металлами являются выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы автомобильного транспорта, а также вносимые в почву химические мелиоранты и средства защиты растений. Кроме этого тяжелые металлы поступают в почву вместе с осадками сточных вод и твердыми бытовыми отходами, которые зачастую используются хозяйствами в качестве удобрений. В городах Беларуси ежегодно на очистных сооружениях образуется более 5 млн. м 3 осадка и это количество с каждым годом будет возрастать.[35]
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.
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. Тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3 [2]. 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 [1]. Фитотоксичность тяжелых металлов зависит от их химических свойств: валентности, ионного радиуса и способности к комплексообразованию. В большинстве случаев элементы по степени токсичности располагаются в последовательности: Cu>Ni>Cd>Zn>Pb>Hg>Fe>Mo>Mn. Однако этот ряд может несколько изменяться в связи с неодинаковым осаждением элементов почвой и переводом в недоступное для растений состояние, условиями выращивания, физиолого-генетическими особенностями самих растений. Трансформация и миграция тяжелых металлов происходит при непосредственном и косвенном влиянии реакции комплексообразования. При оценке загрязнения окружающей среды необходимо учитывать свойства почвы и, в первую очередь, гранулометрический состав, гумусированность и буферность. Под буферностью понимают способность почв поддерживать концентрацию металлов в почвенном растворе на постоянном уровне.
2 Методика исследований
2.1 Методы определения содержания тяжёлых металлов в почве
При определении тяжелых металлов наибольшей чувствительностью обладают методы атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS) и спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ISP-спектрометрия) с достаточно дорогим аппаратурным обеспечением.
Отбор почвенных проб проводился в соответствии с методикой крупномасштабного агрохимического и радиологического исследования почв сельскохозяйственных угодий Республики Беларусь.
В настоящее время для отдельных элементов, в том числе меди, цинка, ртути, свинца и др. разработаны ПДК. В настоящих методических указаниях приводится также их фоновое содержание. Таким образом, при контроле содержания ТМ в почвах возможно сравнить уровень загрязнения почв с естественным фоном. Как правило, при необходимости контроля за техногенным загрязнением почв ТМ, принято определять валовое содержание металла. Однако валовое содержание не всегда может характеризовать степень опасности загрязнения почвы, поскольку почва способна связывать соединения металлов, переводя их в недоступные растениям состояния. Правильнее говорит о роли "подвижных" и "доступных" для растений форм. Определение содержания подвижных форм металлов желательно проводить в случае высоких их валовых количеств в почве, а также, когда необходимо характеризовать миграцию металлов-загрязнителей из почвы в растения. [34]
Подвижные формы металлов извлекаются различными экстрагентами в зависимости от типа исследуемых почв и свойств металла. В качестве экстрагентов используют кислоты, различные соли, буферные растворы, бидистиллированную воду.
Сущность работы атомно-абсорбционного спектрофотометра заключается в том, что пучок света от источника резонансного излучения проходит через поглощающую ячейку, затем попадает на входную щель монохроматора, в котором происходит выделение излучения с длиной волны аналитической линии. Затем выделенное излучение попадает на фотоумножитель, сигнал с фотоумножителя подается на регистрирующее устройство, которое может быть микроамперметром, самописцем или другим прибором. Если в поглощающей ячейке нет атомов определяемого элемента, прибор регистрирует интенсивность излучения лампы, если в поглощающую ячейку вводят раствор с определяемым элементом, происходит поглощение света. Атомно-абсорбционные аналитические приборы (спектрофотометры) имеют следующие узлы: источник света, поглощающую ячейку, оптическое устройство, приемное и регистрирующее устройство. Принципиальная схема атомно-абсорбционного прибора представлена на рис. 1.[36, 37]
3 Анализ результатов исследований
В почвах Гомельской области фиксируется повышенное содержание подвижных форм меди и цинка. В опасной степени (15 мг/кг и более) загрязнено медью 2,4 тыс. га почв сельскохозяйственного использования (в республике – 5,5 тыс. га). На этих почвах недопустимо применение удобрений, содержащих медь. В опасной степени загрязнено цинком (более 16 мг/кг) 10,4 тыс. га. Главным направлением защиты почв от загрязнения является устранение источников поступления тяжелых металлов, что предполагает комплекс соответствующих общегосударственных мероприятий.
Определение тяжелых металлов в почве проводится методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной и беспламенной атомизацией. В настоящее время для отдельных элементов, в том числе меди, цинка, кадмия, свинца и др. разработаны ПДК. Таким образом, при контроле содержания ТМ в почвах возможно сравнить уровень загрязнения почв с естественным фоном. Как правило, при необходимости контроля за техногенным загрязнением почв ТМ, принято определять валовое содержание металла. Однако валовое содержание не всегда может характеризовать степень опасности загрязнения почвы, поскольку почва способна связывать соединения металлов, переводя их в недоступные растениям состояния. Правильнее говорит о роли "подвижных" и "доступных" для растений форм. Определение содержания подвижных форм металлов желательно проводить в случае высоких их валовых количеств в почве, а также, когда необходимо характеризовать миграцию металлов-загрязнителей из почвы в растения.
Для анализа взяты результаты исследований института радиологии по Гомельской области. Анализируется содержание в почвах четырёх тяжёлых металлов: меди, цинка, кадмия и свинца. Данные о содержании тяжёлых металлов по районам Гомельской области сведены в таблицу 5. Из полученных данных следует, что максимальное содержание меди и цинка выявлено в пробах почв Гомельского, Жлобинского и Речицкого районов. Минимальные значения приходятся на Чечерский и Добрушский районы. Сходная тенденция наблюдается и в содержании в пробах кадмия и свинца. При этом следует отметить, что показатели в разных пробах в пределах некоторых районов сильно варьируют. Так, например, в пробах Гомельского района значение содержания меди варьирует от 1,51 до 10,43 мг/кг, а содержание цинка по Жлобинскому району от 3,65 до 18,2 мг/кг.
Если сравнивать соотношение содержания различных тяжёлых металлов в пределах одного района то максимальные значения наблюдаются в основном в содержании цинка и меди, сходная тенденция наблюдается для свинца. Сравнительно меньшими значениями характеризуется содержание кадмия в пробах.
Заключение
Поведение тяжелых металлов (ТМ) в почве характеризуется формами их содержания, а именно, наиболее подвижными соединениями элементов. Подвижность ТМ и их миграционная активность зависят от природных (генезис, физико-химические условия) и антропогенно измененных (агрохимические и агрофизические показатели плодородия) свойств почв.
Подвижные формы, в свою очередь, определяют поступление ТМ в растения, степень их фитотоксичности и накопления в растениеводческой продукции.
В настоящее время в Беларуси оценка степени загрязнения почв ТМ проводится по критериям допустимого содержания (предельно допустимые концентрации – ПДК или ориентировочно допустимые концентрации – ОДК) валовых и подвижных (ацетатно-аммонийный буфер – ААБ с рН 4,80) форм химических элементов.
Допустимые концентрации ТМ в почве разработаны с учетом функционального использования земель (жилые зоны, общественно-деловые зоны, производственные зоны, зоны транспортной и инженерной инфраструктуры, сельскохозяйственные зоны, рекреационные зоны, зоны специального назначения, иные территориальные зоны, определенные законодательством). Особую актуальность приобретает оценка степени загрязнения сельскохозяйственных земель, на которых производится продовольственная и кормовая растениеводческая продукция.
Тяжёлые металлы токсичны при повышенных концентрациях, приводящих к нарушению метаболизма и функционирования живых организмов на любой стадии онтогенеза. Однако, они являются неотъемлемым компонентом нормальных физиологических процессов. Поэтому изучение содержания тяжёлых металлов в почвах является важной задачей мониторинга окружающей среды.
Результаты проведенных исследований содержания тяжелых металлов в конкретных местных условно загрязненных почвах подтвердили мнение, что повышенное содержание тяжелых металлов чаще всего свойственно более плодородным почвам (гумусовому горизонту) и объясняется следующим:
а) значительная часть тяжелых металлов, освобождающихся при разложении растительных остатков, депонируется в гумусе, сохраняя при этом мобильность;
б) в иллювиальном горизонте накапливаются мигрирующие из вышележащего слоя почвы тонкодисперсные частицы, насыщенность которых тяжелыми металлами всегда более высокая;
в) в профиле почвы на контакте с карбонатным горизонтом происходит резкое повышение рН среды, по этой причине мигрирующие с нисходящим током влаги металлосодержащие соединения могут выпадать в осадок и образовывать небольшие местные аккумуляции.
Однако нельзя лишь по некоторым показателям однозначно судить о состоянии почв в целом, поэтому целесообразно проводить полный химический анализ почв.
1 Филов, В.А. Вредные химические вещества: неорганические соединения элементов I–IV групп / под ред. В.А. Филова [и др.].– Л.: Химия, 1988. – 512 с.
2 Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие / Н.Л. Глинка.– 24-е изд., испр. – Л.: Химия, 1985. – 704 с.
3 Тяжелые металлы в почве и растениях: биофайл: научно- информационный журнал: электрон. журн. –2007. – URL: http://biofile.ru/ (дата обращения: 20.10.2014).
4 Ильин, В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растения / В.Б. Ильин.– Новосибирск: Наука, 1991. – 150 с.
5 А. Кабата-Пендиас Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас .– Москва: Мир, 1989.– 439 с.
6 Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях/ Ю.В. Алексеев.– Л.: ВО Агропромиздат, 1987.– 140 с.
7 Сливинская, Р.Б. Нарушение водного баланса растений под действием тяжелых металлов / Р.Б. Сливинская // II съезд всессоюзного общества физиологов растений: тез. докл.– Минск, 1992.– Ч.2.– 192 с.
8 Опекунова, М.Г. Особенности накопления цинка, марганца и железа при различном уровне меди в среде обитания/ М.Г. Опекунова // Тр. VII конф. молодых ученых ботан. ин-та АН СССР: материалы конф. –Л., 1985.– С. 127–134.
9 Кузнецова А.А., Сивицкий Н.В., Понятие и влияние тяжелых металлов на здоровье человека [Электронный ресурс] / ГУ «Минский областной центр гигиены, эпидемиологии и общественного здоровья». – Минск, 2009. – URL: http://gigiena.minsk-region.by/(дата обращения: 20.10.2014).
10 Гончарук, Е.И Гигиеническое нормирование химических веществ в почве / Е.И. Гончарук, Г.И. Сидоренко. – М.: Медицина, 1986. – 320 с.
11 Рейли, К. Металлические загрязнения пищевых продуктов / К. Рейли.– М.: Агропромиздат, 1985.– 183 с.
12 Кузнецова, Л.М. Влияние тяжелых металлов на урожай и качество пшеницы / Л.М. Кузнецова, У.Б. Зубарева // Химия в сельском хозяйстве. –1997.– № 2.– С. 36–37.
13 Бингам, Ф.Т Токсичность металлов в сельскохозяйственных культурах / Ф.Т. Бингам, Ф.Д. Перьа, У.М. Джерелл // Некоторые вопросы токсичности ионов металлов.– Москва: Мир, 1993.– С. 101–130.
14 Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение / Овчаренко М.М., Шильников И.А. [и др.].– М., 1997.– 290 с.
15 Измеров, Н.Ф. Параметры токсикометрии промышленных ядов при однократном воздействии: справочник / Н.Ф. Измеров, И.В. Саноцкий, К.К. Сидоров. – М.: Медицина, 1977. – 240 с.
16 Ковда, В.А. Биогеохимия почвенного покрова / В.А. Ковда.– М.: Наука, 1985.– 263 с.
17 Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. – 2-е изд. – М.: Химия, 1965. – 390 с.
18 Ильин Б.Ф. Буферные свойства почвы и допустимый уровень ее загрязнения тяжелыми металлами // Агрохимия – 1997.– № 11. – С. 65–70.
19 Горбатов В.С., Зырин Н.Г. Адсорбция Zn, Pb, Cd почвой и кислотно-основное равновесие // Вестник МГУ.– 1988. – сер.17. – № 3.– С. 10–16.
20 Ковальский, В.В. Субрегионы биосферы и биогеохимические провинции Армении, обогащенные свинцом / В.В. Ковальский, А.И. Макарова // Биогеохимическое районирование – метод изучения экологического строения биосферы.– М.: Наука, 1978. – С. 75–88.
21 Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах / под ред.
Н.Г. Зырина, Л.К. Садовниковой.– М.: МГУ, 1985. – 208 с.
22 Каплунова, Е.В. Трансформация соединений цинка, свинца и кадмия в почвах: автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук / Е.В. Каплунова.– М.: МГУ, 1983.– 23 с.
23 Бингам, Ф.Т. Токсичность металла в сельскохозяйственных культурах / Ф.Т. Бингам, Ф.Д. Перьа, У.М. Джерелл // Некоторые вопросы токсичности ионов металлов.– М.: Мир, 1993. – С. 101–130.
24 Добровольский, В.В. Свинец в окружающей среде / В.В. Добровольский.– М.: Наука, 1987. – 181 с.
25 Черных, Н.А. Влияние различного содержания Zn, Pb и Cd в почве на состав и качество растительной продукции: автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. биол. наук/ Н.А. Черных.– М.: МГУ, 1988. – 27 с.
26 Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических веществ в почве : гигиенические нормативы 2.1.7.12-1.–2004 : утв. постановлением Главного государственного санитарного врача Респ. Беларусь от 25.02.2004.
27 Предельно допустимые концентрации кадмия, тилта (действующее вещество – пропиконазол) фенантрена в торфяных почвах: гигиенические нормативы 2.1.7.9-37.–2003: утв. постановлением Главного государственного санитарного врача Респ. Беларусь от 31.12.2003.
28 Обухов, А.И. Методические основы разработки ПДК ТМ и классификация почв по загрязнению / А.И. Обухов // Система методов изучения почвенного покрова, деградированного под влиянием химического загрязнения.– М.: Мир, 1992.– 20 с.
29 Закруткин, В.Е. Проблема нормирования соединений тяжелых металлов в почвах агроландшафтов / В.Е. Закруткин, Д.Ю. Шишкина, Р.П. Шкафенко // Северо-Кавказский регион. Естественные науки. – 1995. – № 3. – С. 76–81.
30 Фатеев, А.И. Формы соединений тяжелых металлов почвенной системы как критерии ее экологического состояния / А.И. Фатеев, В.Л. Самохвалова // Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям: тез. докл. – М: РАСХН, 2002.– С. 29.
31 Гузев, В.С. Перспективы эколого-микробиологической экспертизы состояния почв при антропогенных воздействиях / В.С. Гузев, С.В. Левин // Почвоведение.– 1991.– №9.– С. 50–62.
32 Черныш А. Ф. Мониторинг земель: Пособие для студентов географического факультета / А. Ф. Черныш// Мн.: БГУ, 2002 – 94с.
33 Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства / Москва, 1992 – 63с.
34 Обухов, А.И., Плеханова О.И. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях / А. И. Обухов, О. И. Плеханова // М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. – 183 с.
35 Каропа, Г.Н. География почв с основами почвоведения: словарь терминов и понятий / Г.Н. Каропа, Е.Н. Михалкина // Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2008. – 195 с.
36 Алемасова, А.С. Экологическая аналитическая химия. Учебное пособие (для бакалавров специальности «химия» и «биохимия» дневной и заочной форм обучения) / Сост.: А.С. Алемасова, К.С. Луговой // Донецк: ДонНУ, 2010. – 271 с.
37 Основы аналитической химии в 2 т., т. 2 Методы химического анализа: учеб. для вузов/ под ред. Ю. А. Золотова – 2-е изд. перераб. и доп.// М.: Высш. шк., 2002. – 494с.
38 Чубуков, Ж. А. Описательная статистика: учебно-методическое пособие / Ж. А. Чубуков, Т.С . Угольник, – Гомель: «Учреждение образования Гомельский государственный медицинский университет» 2011. – 26 с.
