Определение токсичных компонентов в почвах

Вынос биогенных веществ в агроэкосистемах

Вынос биогенных веществ — фосфора, калия и азота — в агроэкосистемах определяется по выражению.

где W — вынос биогенных веществ, кг/г.; N — удельное количество вымываемых веществ из почвы для конкретной сельскохозяйственной культуры, кг/г.; F — площадь, занятая сельскохозяйственной культурой, га.

Удельное количество вымываемого вещества из почвы.

где J — коэффициент миграции биогенного вещества из почвы для данной культуры (табл. 5.6); R — коэффициент выноса биогенного веществ из почвы с урожаем; Q — урожай культуры, ц/га.

Таблица 5.9

Коэффициенты миграции и выноса биогенного вещества с урожаем.

Оценка распределения токсичных и тяжелых металлов

С биологической точки зрения к тяжелым относят все металлы, относительная атомная масса которых больше 40. Знание природной концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях позволяет судить о степени загрязненности окружающей среды и принимать меры по предупреждению вредного воздействия на окружающую среду, и в первую очередь по сохранению плодородия почв, а также получению экологически безопасной продукции. Различные виды растений обладают индивидуальным химическим составом, который связан с особенностью среды, где формировался данный вид. В результате эволюции те или иные элементы поступали из почвы в растения, закреплялись и передавались по наследству. Почва способна удерживать положительно заряженные ионы металлов, поэтому постоянное поступление их даже в малых количествах в течение продолжительного промежутка времени способно приводить к существенному накоплению в почве тяжелых металлов.

Тяжелые металлы поступают в атмосферу в виде дымов, техногенной пыли, газообразных выбросов. В поверхностные водоемы они попадают со сточными водами, в почву — из атмосферного воздуха и поверхностных водоемов, при этом процессы их миграции замедляются. Источниками загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами могут служить минеральные удобрения, в особенности фосфорные (табл. 5.10, рис. 5.9).

Таблица 5.10

Содержание кадмия в различных видах минеральных удобрений.

Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает с ростом относительной массы. Ртуть, медь, свинец снижают активность ферментов, при взаимодействии с биологически активными органическими веществами образуют комплексы, которые могут проникать через клеточные мембраны, способствуют разрушению аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Опасность тяжелых металлов также состоит в том, что многие токсичные тяжелые металлы являются аналогами металлов, находящихся в тканях и органах биологических организмов. При попадании в организм растений, животных или человека они вступают в конкуренцию с микрои макроэлементами и замещают их в тканях. Так, литий конкурирует с натрием, цезий — с калием, барием, стронций — с кадмием, кадмий — с цинком. При этом, например, при замещении цинка кадмием нарушается работа ферментов, связанных с дыханием, ферментов нуклеинового и белкового обмена.

Рис. 5.9. Круговорот фосфора в биосфере.

На фитотоксичность тяжелых металлов влияет большое количество факторов, среди которых можно выделить следующие: кислотность среды, катеиновую способность почвы, содержание органического вещества, абиотические факторы. Изменение pH среды в кислотную сторону приводит к увеличению подвижности тяжелых металлов и усвоению их через корневую систему. В зависимости от глубины проникновения корней и содержания органического вещества меняется степень удерживания тяжелых металлов в почве.

Изменение абиотических факторов (свет, температура, влажность) влияет на скорость передвижения тяжелых металлов в почве и растениях, на образование водорастворимых форм тяжелых металлов. Для оценки степени загрязнения почвы тяжелыми металлами наибольшее распространение получил спектрофотометрический метод, суть которого состоит в определении оптической плотности пламени в зависимости от вида тяжелого металла. Очищенный экстракт образца почвы или золы растений впрыскивают под давлением в пламя горелки, где ионы тяжелого металла переходят в возбужденное состояние, изменяя при этом оптическую плотность пламени.

Концентрацию тяжелого металла X, мг/м³, в исследуемой пробе рассчитывают по формуле.

где W — объем воздуха, подаваемого в горелку, л; С_{ — концентрация тяжелого металла в пробе, мг/м³; С₀ — концентрация тяжелого металла в эталонном растворе, мг/м³; т — объем пробы, взятой на анализ, мл.