Тяжелые металлы в природных средах

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидно­стей химических веществ — продуктов fexHoreHe3a, большая часть кото­рых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место за­нимают тяжелые металлы.

Тяжелые металлы - группа химических элементов, имеющих плот­ность более 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т. е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы — медь, цинк, молибден, кобальт, марганец.

В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как микроэлементы, или как тяжелые металлы. Однако существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение — "тяжелые" в смысле "токсичные". К ним относятся ртуть, кадмий, свинец, таллий и некоторые другие элементы. Их считают наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлоидами, как мышьяк, селен, теллур.

Попробуем оценить масштабы загрязнения почвенного покрова, под­вижность и доступность растениям тяжелых металлов, поступающих в почву, рассмотрим вопросы нормирования их содержания в почвах и растениях, трансформации и устойчивости ландшафта к техногенным воздействиям, а также мероприятия по рекультивации загрязненных тер­риторий.

Загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами. Основные ис­точники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду — тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий чер­ной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Вследствие несовершенства технологических процессов и средств очист­ки выбрасываемых газов загрязняются атмосфера, почвенный и расти­тельный покровы.

Учет источников атмосферного воздуха и инвентаризация выбросов ведется во многих странах.

О вкладе разных источников в загрязнение окружающей среды стран Европы отдельными тяжелыми металлами можно судить по1 данным D.M. Pacend и D. Е. Hassen. Так, вклад в общий выброс кадмия доля цинко-кадмиевых плавильных заводов составляет 60%, медно-никелевых - 23%, от сжигания топлива и отходов - 10 и 3% соответственно. Загрязнение природной среды свинцом происходит, главным образом, в результате сжигания 1 бензина (60%) и производства цветных металлов (22%); произ­водство железа, стали, ферросплавов вносит 11% общего выброса свинца. Цинком загрязняют среду выбросы цинко­-кадмиевых плавильных заводов (60%); при производстве желе- §за, стали и сплавов в окружающую среду поступает 13% общего количества выбросов цинка, в результате сжигания отходов - 117 и древесины - 6%. Основные источники загрязнения медью: медно-никелевые плавильные заводы (50%), сжигание топлива А (22%), производство железа, стали и ферросплавов (11%), I сжигание древесины (11%).

Загрязнение природной среды токсинами происходит, как правило, в результате работы промышленных комплексов, а не отдельных пред­приятий. Учитывая, что плотность потока выпадающих металлов на под­стилающую поверхность пропорциональна их концентрации в воздухе, с помощью специальных методик оценивают конкретный источник поступления металлов в окружающую среду.

Так, сотрудниками Института экспериментальной метеорологии (ИЭМ) установлено, что вокруг предприятий по производству легированных сталей почвы в значительной степени загрязнены кобальтом, молибденом, вольфрамом и цинком; вокруг железорудного производства - свинцом, серебром и мышьяком.

Основные источники антропогенных выбросов вредных веществ в ат­мосферу сосредоточены в индустриальных странах Северной Америки и Европы, т. е. в Северном полушарии.

Содержание металлов в атмосфере колеблется в широком диапазоне и зависит от расстояния от источника загрязнения, характера подсти­лающей поверхности и метеорологических условий в момент измерения. Летучесть металлов обусловлена тем, что они связаны в атмосфере с суб­микронными частицами, которые в воздухе ведут себя практически как газ. Загрязняющие вещества в атмосфере захватываются дождевыми кап­лями или снежинками и выпадают с осадками или на поверхность Земли в виде сухих выпадений.

Промышленные источники аэрогенного загрязнения почвы металла­ми локализованы в пространстве, поэтому они создают высокие уровни загрязнения почв в ограниченных районах. В зависимости от высоты и дисперсного состава выбросов в локальной зоне загрязнения выпадает 10—15% количества металлов, поступивших в атмосферу. Конфигурация изолиний содержания металла в почве вокруг источника выбросов -в ос­новном соответствует климатической розе ветров. Поступление металлов в почву вблизи источников выбросов происходит обычно в форме нерас­творимых соединений.

Масштабы загрязнения природной среды техногенными выбросами, содержащими тяжелые металлы, хорошо иллюстрируют снимки снежного покрова, сделанные с искусственных спутников Земли.

Так, были определены площади вокруг 540 крупных городов бывшего СССР, где происходит систематическое зимнее загрязнение снежного покрова. Площади ореолов, отражающие хроническую за­грязненность снежного покрова в разных городах, составляют от 4 тыс. га до 2,1 млн га, а в районе промышленных комплексов достигают 18 млн га. Географическое расположение областей с хроническим загрязнением снежного покрова соответствует степени их урбанизации. На фотоизображениях ETC постепенно высветляется с юга и юго-запада на север и северо-восток, что характеризует размещение промышленных агломераций, городских поселений и их воздействие на окружающую среду. Общая площадь, подверженная пылевым загрязнениям, превышает 1 млн км² (более 100 млн га), что составляет 5% территории, на которой формируется устойчивый снежный по-,кров. Установлено, что за 15 лет наблюдений ореолы вокруг. большинства городов, хотя и медленно, но увеличиваются, а на 1 месте развивающихся промышленных центров появляются новые. Весенняя картина с ростом урбанизации становится все более пестрой, а доля чистых снегов с каждым годом уменьшается.

Подвижность тяжелых металлов в почвах. Трансформация соединения тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование новой твердой фазы. Основным процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорбционно-дерорбционное равновесие.

Установлено, что после внесения оксидов тяжелых металлов содержание их подвижных форм практически не отличалось от содержания в почве, в которую вносили водорастворимые соли тех же тяжелых металлов. Со временем во всех почвах содержание водорастворимой, обменной и не­прочно связанной форм тяжелых металлов уменьшилось, а прочнбсвя- занной форм - увеличивалось.

Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе — наиболее важная экологическая характеристика почвы, поскольку определяет ми­грацию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями. Изменения влажности почв, активности микробиоты влияют на кислот­но-основное и окислительно-восстановительное равновесие, содержание хелатообразующих соединений, состав почвенной атмосферы, и все это в свою очередь сказывается на подвижности тяжелых металлов.

В поглощении тяжелых металлов почвами действуют 2 механизма: - первый включает адсорбцию с образованием внешне- и внутрисферных комплексных соединений с минеральными и органическими компо­нентами почв;

- второй состоит в осаждении из почвенного раствора труднораствори­мых соединений, т. е. в образовании вторичной твердой фазы.

В дальнейшей судьбе металлов, образующих прочные связи с кисло­родом и серой, большую роль играет комплексное образование с органи­ческим веществом. При достаточно высокой концентрации металла в рас­творе начинается осаждение вторичной твердой фазы: гидроксидов железа, алюминия, карбонатов кальция, магния, сульфидов цинка, кадмия, ртути. При этом концентрация металла в растворе зависти от аниона, обеспечи­вающего минимальную растворимость катиона.

Поступление тяжелых металлов в растения. Важное место при разра­ботке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техноген­ными выбросами занимает изучение поглощения тяжелых металлов рас­тениями. Проблема поступления металлов в растения имеет 3 практиче­ских аспекта:

- во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и, главным образом, почвы в организмы человека и животных, в связи с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токси­кантов в опасных концентрациях;

- во-вторых, доказана токсичность тяжелых металлов для самих расте­ний — как для низших, так и для высших, что ставит ряд вопросов о реакции растений на избыток тяжелых металлов в среде;

- в-третьих, выяснение возможности использования растений в качестве биоиндикаторов загрязненной природной среды тяжелыми металлами. Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды тя­желыми металлами возможны два основных пути их поступления в рас­тения: 1) из атмосферы - через листовую поверхность и 2) из почвы - через корневую систему.

Большинство проведенных исследований посвящено поступлению тя­желых металлов в растения через корневую систему. Поглощение метал­лов корнями может быть пассивным (неметаболическим) и активным (ме­таболическим):

- пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвен­ного раствора в эндодерму корней;

- при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболиче­ских процессов, и оно направлено против химических ингредиентов. При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тя­желых металлов корнями растений контролируется метаболитическими процессами внутри корней. Обнаруживаемое в ряде случаев падение концентрации металлов в растворе вблизи поверхности корней отражает более высокую скорость поглощения корнями по сравнению с диффузи­онным и конвективным переносом в почве. При высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням рас­тений преобладающую роль играет диффузия.

- Установлена тесная корреляция (г = 0,85) между содержанием 1 радиоактивных изотопов в фитомассе проростков и коэффициентами диффузии этих элементов в почвах.

- Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит прежде всего от количества этих металлов в почве. Коэффициен­ты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки - в некоторых случаях превышают величину 0,80. Отмечают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания ме­таллов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

- Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше на­капливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концен­трациям, чем низшие. Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, ме­ди и цинка отмечено в грибах, мхах и лишайниках.

- Как правило, высокой устойчивостью к воздействию металлов отли­чаются виды растений, растущие в биохимических провинциях с высо­кими концентрациями тяжелых металлов в течение длительного истори­ческого периода (металлофиты). Формирование устойчивости к металлам имеет генетическую основу. Эволюционные изменения у растений, воз­никающие под действием тяжелых металлов, отличают их от популяций тех же видов, растущих на обычных почвах. К металлофитам, например, отно­сят растение Silene maritina, накапливающее в золе цинка до 21000 мг/кг. Различают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат — Festuca ovina, Agrostis tenuis, A. Stolonifera L.

- Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны на­капливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья людей, поскольку при этом допускается проникно­вение загрязнителей в пищевые цепи. В многочисленных полевых и веге­тационных опытах установлена различная способность сельскохозяйст­венных культур к накоплению тяжелых металлов и устойчивости к ним. Согласно результатам исследований, проведенных в сельскохо­зяйственном институте в г. Нитра, по способности накапли­вать кадмий культуры располагались в следующий ряд (в по­рядке ее возрастания): овес => пшеница => бобы => горох подсолнечник травы луговые => кукуруза => редис => мор­ковь =>салат. Особенно высокое содержание свинца и кадмия - в моркови и салате по сравнению с другими культурами.

Содержание избыточного количества тяжелых металлов в раститель­ной массе может меняться в течение вегетационного периода. Одна из причин этого — неспособность потока, поступающего из почвы в расте­ния, равномерно в течение всей вегетации насыщать тяжелыми металла­ми прирост биомассы, который в середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее равномерен, возникает так называемый "эффект разбавления".

На почвах, загрязненных ртутью, установлено, что соотношение со­держания этого элемента в корнях, листьях и зерне составляло соответст­венно 30: 3: 1, т. е. сравнительно небольшая часть поступившей в рас­тения ртути достигала зерна, оставаясь преимущественно в корнях.

Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что_ при проникновении в плазму происходят инактивация и депониро­вание значительных количеств тяжелых металлов в результате образова­ния малоподвижных соединений с органическими веществами.

Для минимизации перехода металлов из почвы в растения рекомендуется использовать метод рационального подбора культур. Предпочтение необ­ходимо отдавать, во-первых, техническим культурам, более устойчивым к воздействию тяжелых металлов; во-вторых, тем пищевым и кормовым культурам, товарная (употребляемая в хозяйстве) часть которых наименее подвержена проникновению токсичных металлов и не накапливает их.

При разработке мероприятий по охране природной среды от загряз­нения техногенными выбросами необходимо учитывать поступление тя­желых металлов в растения из атмосферы через листовую поверхность, из почвы через корневую систему, а также влияющие на них факторы.