Экология растений тяжёлые металлы

Естественное содержание свинца в почвах наследуется от материнских  пород и тесно связано с  их минералогическим и химическим составом (Беус и др., 1976; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Средняя концентрация этого элемента в почвах мира достигает по разным оценка от 10 (Сает и др., 1990) до 35 мг/кг (Bowen, 1979). ПДК свинца для почв в России соответствует 30 мг/кг (Инструктивное…,1990), в Германии - 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Высокая концентрация свинца в почвах может быть связана как  с природными геохимическими аномалиями, так и с антропогенным воздействием. При техногенном загрязнении  наибольшая концентрация элемента, как  правило, обнаруживается в верхнем  слое почвы. В некоторых промышленных районах она достигает 1000 мг/кг (Добровольский, 1983), а в поверхностном слое почв вокруг предприятий цветной металлургии в Западной Европе – 545 мг/кг (Рэуце, Кырстя, 1986).

Содержание свинца в почвах на территории России существенно варьирует  в зависимости  от  типа почвы, близости  промышленных предприятий и естественных геохимических  аномалий. В почвах селитебных зон, особенно  связанных с использованием  и производством  свинецсодержащих продуктов, содержание данного элемента часто в десятки и более раз превышает ПДК (табл. 1.4). По предварительным оценкам  до 28%  территории страны имеет содержание Рb в  почве, в среднем,  ниже фоновой, а 11% - могут быть отнесены к  зоне риска. В то же время, в Российской Федерации проблема загрязнения почв свинцом  - преимущественно проблема  селитебных территорий (Снакин и др., 1998).

Кадмий (Cd). Атомная масса 112,4. Кадмий по химическим свойствам близок к цинку, но отличается от него большей подвижностью в кислых средах и лучшей доступностью для растений. В почвенном растворе металл присутствует в виде Cd²⁺ и образовывает комплексные ионы и органические хелаты. Главный фактор, определяющий содержание элемента в почвах при отсутствии антропогенного влияния, – материнские породы (Виноградов, 1962; Минеев и др., 1981; Добровольский, 1983; Ильин, 1991; Цинк и кадмий…, 1992; Кадмий: экологические …, 1994). Кларк кадмия в литосфере 0,13 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В почвообразующих породах содержание металла в среднем составляет: в глинах и глинистых сланцах – 0,15 мг/кг, лессах и лессовидных суглинках – 0,08, песках и супесях – 0,03 мг/кг (Цинк и кадмий…, 1992). В четвертичных отложениях Западной Сибири концентрация кадмия изменяется в пределах 0,01-0,08 мг/кг.

Подвижность кадмия в почве  зависит от среды и окислительно-восстановительного потенциала (Тяжелые …, 1997).

Среднее содержание кадмия в почвах мира равно 0,5 мг/кг (Сает и др., 1990). Концентрация его в почвенном покрове европейской части России составляет 0,14 мг/кг – в дерново-подзолистой почве, 0,24 мг/кг – в черноземе (Цинк и кадмий…, 1992), 0,07 мг/кг – в основных типах почв Западной Сибири (Ильин, 1991). Ориентировочно-допустимое содержание (ОДК) кадмия для песчаных и супесчаных почв в России составляет 0,5 мг/кг, в Германии ПДК кадмия - 3 мг/кг (Kloke, 1980). 

Загрязнение почвенного покрова  кадмием считается одним из наиболее опасных экологических явлений, так как он накапливается в  растениях выше нормы даже при  слабом загрязнении почвы (Кадмий …, 1994; Овчаренко, 1998). Наибольшие концентрации кадмия в верхнем слое почв отмечаются в горнорудных районах – до 469 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), вокруг цинкоплавилен они достигают 1700 мг/кг (Рэуце, Кырстя, 1986).

Цинк (Zn). Атомная масса 65,4. Его кларк в земной коре 83 мг/кг. Цинк концентрируется в глинистых отложениях и сланцах в количествах от 80 до 120 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), в делювиальных, лессовидных и карбонатных суглинистых отложениях Урала, в суглинках Западной Сибири – от 60 до 80 мг/кг.

Важными факторами, влияющими  на подвижность Zn в почвах, являются содержание глинистых минералов и величина рН. При повышении рН элемент переходит в органические комплексы и связывается почвой. Ионы цинка также теряют подвижность, попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита. С органическим веществом Zn образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе.

Среднее содержание цинка  в почвах мира составляет 90 мг/кг (Bowen, 1979). Концентрация его в почвенном покрове европейской территории равна 32-60 мг/кг (Цинк и кадмий…, 1992), в почвах Западной Сибири – 60-81 мг/кг (Ильин, Cысо, 2001).

Причинами повышенного содержания цинка в почвах могут быть как  естественные геохимические аномалии, так и техногенное загрязнение. Основными антропогенными источниками  его поступления в первую очередь  являются предприятия цветной металлургии. Загрязнение почв этим металлом привело  в некоторых областях к крайне высокой его аккумуляции в  верхнем слое почв – до 66400 мг/кг. В огородных почвах накапливается  до 250 и более мг/кг цинка (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). ОДК цинка для песчаных и супесчаных почв равна 55 мг/кг, германскими учеными рекомендуется ПДК, равная 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Медь (Cu). Атомная масса 63,5. Кларк в земной коре 47 мг/кг (Виноградов, 1962). В химическом отношении медь – малоактивный металл. Основополагающим фактором, влияющим на величину содержания Cu, является концентрация ее в почвообразующих породах (Горюнова и др., 2001). Из изверженных пород наибольшее количество элемента накапливают основные породы - базальты (100-140 мг/кг) и андезиты (20-30 мг/кг). Покровные и лессовидные суглинки (20-40 мг/кг) менее богаты медью. Наименьшее же ее содержание отмечается в песчаниках, известняках и гранитах (5-15 мг/кг) (Ковальский, Андриянова, 1970; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Концентрация метала в глинах европейской части территории бывшего СССР достигает 25 мг/кг (Мальгин, 1978; Ковда, 1989), в лессовидных суглинках – 18 мг/кг (Ковда, 1989). Супесчаные и песчаные почвообразующие породы Горного Алтая накапливают в среднем 31 мг/кг меди (Мальгин, 1978),  юга Западной Сибири – 19 мг/кг (Ильин, 1973).

В почвах медь является слабомиграционным  элементом, хотя содержание подвижной  формы бывает достаточно высоким. Количество подвижной меди зависит от многих факторов: химического и минералогического  состава материнской породы, рН почвенного раствора, содержания органического  вещества и др. (Виноградов, 1957; Пейве, 1961; Ковальский, Андриянова, 1970; Алексеев,   1987 и др.). Наибольшее количество меди в почве связано с оксидами железа, марганца, гидроксидами железа и алюминия и, особенно, с монтмориллонитом  вермикулитом. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. При рН 7-8 растворимость меди наименьшая.

Среднее содержание меди в  почвах мира 30 мг/кг (Bowen, 1979). Вблизи индустриальных источников загрязнения в некоторых случаях может наблюдаться загрязнение почвы медью до 3500 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Среднее содержание металла в почвах  центральных и южных областей бывшего СССР составляет 4,5-10,0 мг/кг, юга Западной Сибири – 30,6 мг/кг (Ильин, 1973), Сибири и Дальнего Востока – 27,8 мг/кг (Макеев, 1973). ПДК меди в России – 55 мг/кг (Инструктивное …, 1990), ОДК для песчаных и супесчаных почв – 33 мг/кг (Контроль…, 1998), в ФРГ – 100 мг/кг (Kloke, 1980).

Никель (Ni). Атомная масса 58,7. В континентальных отложениях он присутствует, главным образом, в виде сульфидов и арсенитов, ассоциируется также с карбонатами, фосфатами и силикатами. Кларк элемента в земной коре равен 58 мг/кг (Виноградов, 1957). Наибольшее количество металла накапливают ультраосновные (1400-2000 мг/кг) и основные (200-1000 мг/кг) породы, а осадочные и кислые содержат его в гораздо меньших концентрациях – 5-90 и 5-15 мг/кг, соответственно (Рэуце, Кырстя, 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Большое значение в накоплении никеля почвообразующими породами играет их гранулометрический состав. На примере почвообразующих пород Западной Сибири видно, что в более легких породах его содержание наименьшее, в тяжелых – наибольшее: в песках – 17, супесях и легких суглинки –22, средние суглинки – 36, тяжелые суглинки и глины – 46 (Ильин, 2002).

Содержание никеля в почвах в значительной степени зависит  от обеспеченности этим элементом почвообразующих  пород (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Наибольшие концентрации никеля, как правило, наблюдаются  в глинистых и суглинистых почвах, в почвах, сформированных на основных и вулканических породах и  богатых органическим веществом. Распределение Ni в почвенном профиле определяется содержанием органического вещества, аморфных оксидов и количеством глинистой фракции.

Содержание Ni в почвах мира колеблется в широких пределах – от 1 до 100 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), составляя в среднем 50 мг/кг (Bowen, 1979). Концентрация никеля в почвах европейской части России составляет – 51-54 мг/кг (Беспамятнов, Кротов, 1985), Западной Сибири – 37-41 мг/кг (Ильин, 2001).

Уровень концентрации никеля в верхнем слое почв зависит также  от степени их техногенного загрязнения. В районах с развитой металлообрабатывающей  промышленностью в почвах встречается  очень высокое накопление никеля: в Канаде его валовое содержание достигает 206-26000 мг/кг, а в Великобритании содержание подвижных форм доходит  до 506-600 мг/кг. В почвах Великобритании, Голландии, ФРГ, обработанных осадками сточных вод никель накапливается  до  84-101 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В России (по данным обследования 40-60 % почв сельскохозяйственных угодий) этим элементом загрязнены 2,8 % почвенного покрова. Доля загрязненных Ni почв в ряду других ТМ (Pb, Cd, Zn, Cr, Co, As и др.), является фактически самой значительной и уступает только землям загрязненным медью (3,8%) (Аристархов, Харитонова, 2002). По данным мониторинга земель Государственной станции агрохимической службы «Бурятская» за 1993-1997 гг. на территории Республики Бурятия зарегистрировано превышение ПДК никеля на 1,4 % земель от обследованной территории сельхозугодий, среди которых выделяются почвы Закаменского (загрязнены 20% земель -  46 тыс.га) и Хоринского районов (загрязнены 11% земель – 8 тыс.га).

Содержание никеля в почвах России ограничивается следующими нормативами: ПДК никеля в почвах – 85 мг/кг; ОДК  для песчаных и супесчаных почв – 20 (Контроль…, 1998); ОДК обменной формы – 4,0 мг/кг. В Германии безопасным содержанием валового никеля в почвах считается 80-200 мг/кг (Eikmann, Kloke,1991).

Хром (Cr). Атомная масса 52. В природных соединениях хром обладает валентностью +3 и +6. Большая часть Cr³⁺ присутствует в хромите FeCr₂O₄ или других минералах шпинелевого ряда, где он замещает Fe и Al, к которым очень близок по своим геохимическим свойствам и ионному радиусу.

Кларк хрома в земной коре – 83 мг/кг. Наибольшие его концентрации среди магматических горных пород  характерны для ультраосновных и  основных (1600-3400 и 170-200 мг/кг соответственно), меньшие – для средних пород (15-50 мг/кг) и наименьшие – для  кислых (4-25 мг/кг). Среди осадочных  пород максимальное содержание элемента обнаружено в глинистых осадках  и сланцах (60-120 мг/кг), минимальное  – в песчаниках и известняках (5-40 мг/кг) (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Содержание металла в почвообразующих породах разных регионов весьма разнообразно. В европейской части бывшего СССР его содержание в таких наиболее распространенных почвообразующих породах, как лессы, лессовидные карбонатные и покровные суглинки, составляет в среднем 75-95 мг/кг (Якушевская, 1973). Почвообразующие породы Западной Сибири содержат в среднем 58 мг/кг Cr, причем его количество тесно связано с гранулометрическим составом пород: песчаные и супесчаные породы - 16 мг/кг, а среднесуглинистые и глинистые – около 60 мг/кг (Ильин, Сысо, 2001).

В почвах большая часть  хрома присутствует в виде Cr³⁺. В кислой среде ион Cr³⁺ инертен, при рН 5,5 почти полностью выпадает в осадок. Ион Cr⁶⁺ крайне не стабилен и легко мобилизуется как в кислых, так и щелочных почвах. Адсорбция хрома глинами зависит от рН среды: при увеличении рН адсорбция Cr⁶⁺уменьшается, а Cr³⁺ увеличивается. Органическое вещество почвы стимулирует восстановление Cr⁶⁺ до Cr³⁺.

Природное содержание хрома  в почвах зависит главным образом  от его концентрации в почвообразующих  породах (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Краснокутская и др., 1990), а распределение по почвенному профилю – от особенностей почвообразования, в частности от гранулометрического состава генетических горизонтов. Среднее содержание хрома в почвах – 70 мг/кг (Bowen, 1979). Наибольшее содержание элемента отмечается в почвах, сформированных на богатых этим металлом основных и вулканических породах. Среднее содержание Cr в почвах США составляет 54 мг/кг, Китая – 150 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), Украины – 400 мг/кг (Беспамятнов, Кротов, 1985). В России его высокие концентрации в почвах в естественных условиях обусловлены обогащенностью почвообразующих пород. Курские черноземы содержат 83 мг/кг хрома, дерново-подзолистые почвы Московской области – 100 мг/кг. В почвах Урала, сформированных на серпентинитах, металла содержится до 10000 мг/кг, Западной Сибири – 86 – 115 мг/кг (Якушевская, 1973; Краснокутская и др., 1990; Ильин, Сысо, 2001).

Вклад антропогенных источников в поступление хрома весьма значителен. Металлический хром в основном используется для хромирования в качестве компонента легированных сталей. Загрязнение почв Cr отмечено за счет выбросов цементных заводов, отвалов железохромовых шлаков, нефтеперегонных заводов, предприятий черной и цветной металлургии, использования в сельском хозяйстве осадков промышленных сточных вод, особенно кожевенных предприятий, и минеральных удобрений. Наивысшие концентрации хрома в техногенно загрязненных почвах достигают 400 и более мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), что особенно характерно крупным городам (табл. 1.4). В Бурятии по данным мониторинга земель, проведенным Государственной станцией агрохимической службы «Бурятская» за 1993-1997 гг.,  хромом загрязнены 22 тыс. га. Превышения ПДК в 1,6-1,8 раз отмечены в Джидинском (6,2 тыс. га), Закаменском (17,0 тыс. га) и Тункинском (14,0 тыс. га) районах. ПДК хрома в почвах в России еще не разработаны, а в Германии для почв сельскохозяйственных угодий она составляет 200-500, приусадебных участков – 100 мг/кг  (Ильин, Сысо, 2001;   Eikmann, Kloke, 1991). 

1.3. Влияние тяжелых  металлов на микробный ценоз  почв

Одним из наиболее эффективно диагностирующих индикаторов загрязнения  почв является ее биологическое состояние, которое можно оценить по жизнеспособности населяющих ее почвенных микроорганизмов (Бабьева и др., 1980; Левин и др., 1989; Гузев, Левин, 1991; Колесников, 1995; Звягинцев и др., 1997; Saeki etc. al., 2002).