Загрязнение окружающей среды металлами

Почвы с  высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием  глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с  нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые  воды и поглощены растениями, значительно  меньше, чем в песчаных кислых почвах. Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. Тяжелые металлы, удерживаемые органической и коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв.

Песчаные  почвы, которые характеризуются  низкой поглотительной способностью, как и кислые почвы очень слабо  удерживают тяжелые металлы, за исключением  молибдена и селена. Поэтому они  легко адсорбируются растениями, причем некоторые из них даже в  очень малых концентрациях обладают токсичным воздействием.

Содержание  в почве свинца обычно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Свинец отрицательно влияет на биологическую деятельность в  почве, ингибирует активность ферментов  уменьшением интенсивности выделения  двуокиси углерода и численности  микроорганизмов.

Содержание  цинка в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг, хотя чаще всего оно составляет 30-50 мг/кг. Накопление избыточного количества цинка отрицательно влияет на большинство  почвенных процессов: вызывает изменение  физических и физико-химических свойств  почвы, снижает биологическую деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность  микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического  вещества в почвах. Избыток цинка  в почвенном покрове затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхания, действия уреазы.

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают  токсическое действие на растения, животных и человека.

Среди наиболее токсичных элементов прежде всего следует назвать ртуть, которая представляет наибольшую опасность в форме сильнотоксичного соединения – метилртути. Ртуть попадает в атмосферу при сжигании каменного угля и при испарении вод из загрязненных водоемов. С воздушными массами она может переноситься и откладываться на почвах в отдельных районах. Исследования показали, что ртуть хорошо сорбируется в верхних сантиметрах перегнойно-аккумулятивного горизонта разных типов почв суглинистого механического состава. Миграция ее по профилю и вымывание за пределы почвенного профиля в таких почвах незначительна. Однако в почвах легкого механического состава, кислых и обедненных гумусом процессы миграции ртути усиливаются. В таких почвах проявляется также процесс испарения органических соединений ртути, которые обладают свойствами летучести.

При внесении ртути на песчаную, глинистую и  торфяную почвы из расчета 200 и 100 кг/га урожай на песчаной почве полностью  погиб не зависимо от уровня известкования. На торфяной почве урожай понизился. На глинистой почве произошло  снижение урожая только при низкой дозе извести.

Свинец  также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в  тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для  животных.

Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы  почвенного профиля в небольших  количествах.

Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них. В зерне  пшеницы и ячменя количество его  в 5-8 раз превышает фоновое содержание, в ботве, картофеле – более  чем в 20 раз, в клубнях – более  чем в 26 раз.

Кадмий, подобно ванадию и цинку, аккумулируется гумусовой толще почв. Характер его  распределения в почвенном профиле  и ландшафте, видимо, имеет много  общего с другими металлами, в  частности с характером распределения  свинца.

Однако, кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец. Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения. Содержание его в подзолистых почвах может составлять от сотых долей до 1 мг/кг, в черноземах – до 15-30, а в красноземах – до 60 мг/кг.

Многие  почвенные беспозвоночные концентрируют  кадмий в своих организмах. Кадмий усваивается дождевыми червями, мокрицами и улитками в 10-15 раз  активнее, чем свинец и цинк. Кадмий токсичен для сельскохозяйственных растений, и даже, если высокие концентрации кадмия не оказывают заметного влияния  на урожай сельскохозяйственных культур, токсичность его сказывается  на изменении качества продукции, так  как в растениях происходит повышения  содержания кадмия.

Мышьяк  попадает в почву с продуктами сгорания угля, с отходами металлургической промышленности, с предприятий по производству удобрений. Наиболее прочно мышьяк удерживается в почах, содержащих активные формы железа, алюминия, кальция. Токсичность мышьяка в почвах всем известна. Загрязнение почв мышьяком вызывает, например, гибель дождевых червей. Фоновое содержание мышьяка в почвах составляет сотые доли миллиграмма на килограмм почвы.

Фтор  и его соединения находят широкое  применение в атомной, нефтяной, химической и др. видах промышленности. Он попадает в почву с выбросами металлургических предприятий, в частности, алюминиевых заводов, а также как примесь при внесении суперфосфата и некоторых других инсектицидов.

Загрязняя почву, фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение  питательных веществ в почве. Наибольшая адсорбция фтора происходит в почвах с хорошо развитым почвенным  поглощающим комплексом. Растворимые  фтористые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и  могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы фтористыми соединениями разрушает почвенную структуру  и снижает водопроницаемость  почв.

Цинк  и медь менее токсичны, чем названные  тяжелые металлы, но избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых  металлов при их совместном воздействии  на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает  в несколько раз более сильное  ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности.

Поскольку тяжелые металлы и в продуктах  сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники  загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании  концентрации отдельных элементов.

Вблизи  предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более однообразными  по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов.

В лесных фитоценозах первыми реагируют  на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное  воздействие вызывает в нем сухостойкие явления.

Загрязнение почвы пестицидами

Пестициды – это в основном органические соединения с малым молекулярным весом и различной растворимостью в воде. Химический состав, их кислотность  или щелочность, растворимость в  воде, строение, полярность, величина и  поляризация молекул – все  эти особенности вместе или каждая в отдельности оказывает влияние  на процессы адсорбции-десорбции почвенными коллоидами. Принимая во внимание названные  особенности пестицидов и сложный  характер связей в процессе адсорбции-десорбции  коллоидами они могут быть разделены  на два больших класса: полярные и неполярные, а не вошедшие в  эту классификацию, например, хлорорганические инсектициды – на ионные и неионные.

Пестициды, которые содержат кислотные или  основные группы, либо ведут себя при  диссоциации как катионы, составляют группу ионных соединений. Пестициды, не обладающие ни кислой, ни щелочной реакцией составляют группу неионных соединений.

На  характер химических соединений и способность  почвенных коллоидов к адсорбции  и десорбции оказывает влияние: природа функциональных групп и  групп замещения по отношению  к функциональным группам и степень  насыщенности молекулы. На адсорбцию  молекул пестицидов почвенными коллоидами значительное влияние оказывает  характер молекулярных зарядов, причем определенную роль играет полярность молекул. Неравномерное распределение  зарядов увеличивает диссиметрию молекулы и ее реактивность.

Почва в основном выступает в качестве преемника пестицидов, где они  разлагаются и откуда постоянно  перемещаются в растения или окружающую среду, либо в качестве хранилища, где  некоторые из них могут существовать много лет спустя после внесения.

Пестициды – тонкодисперсные вещества –  в почве подвержены многочисленным воздействиям биотического и небиотического характера, некоторые определяют их поведение, преобразование и, наконец, минерализацию. Тип и скорость преобразований зависит от: химической структуры действующего вещества и его устойчивости, механического состава и строения почв, химических свойств почв, состава флоры и фауны почв, интенсивности влияния внешних воздействий и системы ведения сельского хозяйства.

Адсорбция пестицидов в почве – комплексный  процесс, зависящий от многочисленных факторов. Она играет важную роль в  перемещении пестицидов и служит для временного поддержания в  парообразном или растворенном состоянии  или в виде суспензии на поверхности  почвенных частиц. Особо важную роль в адсорбции пестицидов играют ил и органическое вещество почвы, составляющие «коллоидальный комплекс» почвы. Адсорбция  сводится к ионно-катионному обмену отрицательно заряженных илистых частиц и кислотных групп гумусовых  веществ, либо анионному, благодаря  присутствию гидроксидов металлов (Al(OH)₃ и Fe(OH)₃) или происходит в форме молекулярного обмена. Если адсорбированные молекулы нейтральны, то они удерживаются на поверхности илистых частиц и гумусовых коллоидов двухполюсными силами, водородными связями и дисперсными силами. Адсорбция играет первостепенную роль в накоплении пестицидов в почве, которые адсорбируются ионным обменом или в форме нейтральных молекул в зависимости от их природы.

Передвижение  пестицидов в почве происходит с  почвенным раствором или одновременно с перемещением коллоидных частиц, на которых они адсорбированы. Это  зависит как от процессов диффузии так и массового тока (разжижение), которые представляют собой обычный способ вымывания.

При поверхностном стоке, вызываемом осадками или орошением, пестициды передвигаются  в растворе или суспензии, скапливаясь  в углублениях почвы. Данная форма  передвижения пестицидов зависит от рельефа местности, эродированности почв, интенсивности осадков, степени покрытия почв растительностью, периода времени, прошедшего с момента внесения пестицида. Количество пестицидов, передвигающихся с поверхностным стоком, составляет более 5% от внесенного в почву. По данным румынского НИИ почвоведения и агрохимии на стоковых площадках в экспериментальном центре Алдены в результате промывных дождей одновременно с почвой происходит и потеря триазина. На стоковых площадках с уклоном 2,5% в Билчешть-Арджече в поверхностных водах были обнаружены остаточные количества ГХЦГ от 1,7 до 3,9 мг/кг, а в суспензии – от 0,041 до 0,085 мг/кг ГХЦГ и от 0,009 до 0,026 мг/кг ДДТ.

Вымывание пестицидов по профилю почв заключается  их передвижении вместе с циркулирующей в почве водой, что обусловлено в основном физико-химическими свойствами почв, направлением движения воды, а также процессами адсорбции и десорбции пестицидов коллоидными частицами почвы. Так, в почве, ежегодно в течение длительного времени обрабатываемой ДДТ в дозе 189 мг/га, через 20 лет обнаружено 80% этого пестицида, проникшего на глубину 76 см.

По  данным исследований, проведенных в  Румынии, не трех различных почвах (аллювиальной очищенной, типичной солончаковой, мощном черноземе), где проводились обработки  хлорорганическими инсектицидами (ГЦХГ и ДДТ) в течение 25 лет (при орошении в течение последнего десятилетия), остаточные количества пестицидов достигли глубины 85 см в типичном солончаке, 200 см в аллювиальной очищенной почве  и 275 см в перерытом черноземе  при концентрации 0,067 мг/кг ГЦХГ и соответственно 0,035 мг/кг ДДТ на глубине 220 см.

На  пестициды, попавшие в почву, оказывают  влияние различные факторы как  в период их эффективности, так и  в дальнейшем, когда препарат уже  становится остаточным. Пестициды в  почве подвержены разложению, обусловленному небиотическими и биотическими факторами и процессами.

Физические  и химические свойства почв влияют на преобразования, находящихся в  ней пестицидов. Так глины, окислы, гидроокислы и ионы металлов, а  также органическое вещество почвы  выполняют роль катализаторов во многих реакциях разложения пестицидов. Гидролиз пестицидов идет при участии грунтовой воды. В результате реакции со свободными радикалами гумусовых веществ происходит изменение составных частиц почвы и молекулярного строения пестицидов.

Во  многих работах подчеркивается большое  значение почвенных микроорганизмов  в разложении пестицидов. Существует очень мало действующих веществ, не разлагающихся биологическим  путем. Продолжительность разложения пестицидов микроорганизмами может  колебаться от нескольких дней до нескольких месяцев, а иногда и десятков лет, в зависимости от специфики действующего вещества, видов микроорганизмов, свойств  почв. Разложение действующих веществ  пестицидов осуществляется бактериями, грибами и высшими растениями.