Тяжёлые металлы на территории больших городов

Cодержание

1. Общая характеристика тяжелых металлов

1.1 Понятие тяжелые металлы

1.2 Тяжелые металлы в городах

1.3 Формы нахождения тяжелых металлов в окружающей среде

2. Источники загрязнения тяжелыми металлами

2.1 Подвижность тяжелых металлов в почвах

3. Поступление тяжелых металлов в растения города

3.1 Нормирование тяжелых металлов в почвах и растениях

3.2 Способы загрязнения почв городов Заключение Список используемой литературы Приложение

Индустрия, теплоэнергетика, автомобильный транспорт и городские отходы — это источники техногенных аномалий тяжелых металлов и прочих микроэлементов в городских почвах. В аномальных зонах особенно интенсивно импактное влияние почв на городскую среду, они служат индикаторами техногенного загрязнения и представляют опасность для растений, животных и человека, в особенности детей.

Для экологической опасности техногенных ореолов тяжелых металлов в почвах используется некоторое количество подходов. Индикация загрязнения, как и для воздуха и снега, основывается в первую очередь на сопоставлении загрязненных городских почв с их фоновыми аналогами. Это достигается расчетом коэффициента техногенной концентрации или аномальности, показывающего, во сколько раз содержание элемента в городских почвах выше его содержания в фоновых почвах. Показатель Кс отражает интенсивность загрязнения, однако не указывает на его опасность. Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв используются предельно-допустимые концентрации (ПДК) элементов, установленные экспериментально. В соответствии с М. А. Глазовской, ПДК состояние почв это уровень, при котором начинает видоизменяться оптимальное количество и качество создаваемого живого вещества, т. е. биологическая продукция. Содержание химических элементов в почвах города нормируется обычно через значения почвенно-геохимического фона, кларки литосферы и предельно-допустимые концентрации для почв одной геохимической ассоциации. В полиэлементных очагах загрязнения токсичность элементов может суммироваться и оказывать синэргетическое действие на живые организмы. Одним из методик оценки контрастности комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения почв относительно фонового уровня по той же формуле, что и для воздуха и снега. По этому показателю ассоциируют степень загрязнения почвенного покрова городов. В особенности контрастные аномалии образуют подвижные формы металлов, извлекаемые различными растворителями. Данные формы доступнее для организмов и экологически более опасны. Почвенно-геохимический анализ состояния городской среды наступает со сплошного сетевого опробования поверхностных горизонтов почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на 1 км². Настоящая картина загрязнения почв среднего промышленного города получается при сети 500×500 м, т. е. 9 проб на 1 км², что позволяет дифференцировать территорию города на районы с различными уровнями загрязнения. Почвенный покров многих городов аномален по тяжелым металлам. [1]

1. Общая характеристика тяжелых металлов

Тяжелые металлы — это элементы периодической системы с условной молекулярной массой больше 40. На сегодняшний день естественно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму. Металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Известно, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Mn, Co; в кроветворении — Co, Cu, Mn,; в дыхании — Mg, Fe, Cu,. Следовательно ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, допускается называть микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Широко применяются в разных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в индустриальных сточных водах достаточно высокое. Огромные массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Термин «тяжелые металлы» связан с высокой относительной атомной массой. Данная характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы — плотность 7,14−21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные металлы — плотность 0,53−3,5 г/см3 (в соответствии с рисунком 1).

Рисунок 1. Тяжелые металлы на территории больших городов

1.1 Понятие «тяжелые металлы»

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Название тяжелые металлы, характеризующий обширную группу загрязняющих веществ, приобрел в последнее время существенное распределение. В разнообразных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют смысл этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, меняется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются множественные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность распространенность в природной среде, степень сопричастности в естественные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей среды и экологического мониторинга, на нынешний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д. И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, и др. При этом существенную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно невысоких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Все металлы, попадающие под это определение, активно принимут участие в биологических процессах, вступают в состав многих ферментов. По систематизации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Официально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Но, по мнению исследователей, занимающихся практической деятельностью, объединенной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, сочетания этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Следовательно во многих работах случается сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, предопределенными направлением и спецификой работ. Так, вставших уже классическими работах Ю. А. Израэля в списке химических веществ, доступных определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd,

Ионы металлов являются неизбежными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды они существуют в различных степенях окисления и ходят состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными либо входить в состав минеральных и органических взвесей.

Действительно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многочисленные металлы образуют достаточно прочные комплексы с органикой; данные комплексы являются одной из важных форм миграции элементов в природных водах. Большую часть всех органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются более устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, и других тяжелых металлов, хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Следовательно металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния.

Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, иологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму содержит три следствия:

1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

3.токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

Таким образом, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, чем свободные ионы.

С целью понимания этих факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, надо знать не только лишь валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм.

Источниками загрязнения вод города тяжелыми металлами служат сточные воды электрических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует уменьшению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное. [2]

Таблица 1.

Биогеохимические свойства тяжелых металлов

В — высокая, У — умеренная, Н — низкая

1.2 Тяжелые металлы в городах

С самых первых шагов своего становления человек отрицательно влиял на окружающую среду. На первых этапах развития оно было минимальном, часто практически незаметным для природы. Однако постепенное развитие общества, усвоение новых пространств, усиленное развитие сельского хозяйства и различных технологий стали оказывать очень заметное влияние на природу.

Антропогенное воздействие наиболее интенсивно на территории больших городов и промышленных центров, где развита промышленность. Город Павлодар не является исключением. Выброс в атмосферу большого количества различных веществ оказывает негативное воздействие не только на воздух города, но и на почвенный покров. В толще почвогрунтов и культурного слоя накапливаются различные химические элементы, многочисленные из которых образуют устойчивые соединения и минеральные образования. Скопление элементов в толще техногенных отложений связано с понятием геохимический барьер, который является своеобразной подвижной полунепроницаемой перегородкой, которая пропускает раствор, но удерживает определенные элементы.

В территории города, так и современных отложений могут существовать различные геохимические барьеры — биохимические, химические, механические. Некоторые из них не встречаются в природе, например, асфальтобетонные покрытия, не пропускающие атмосферный воздух и влагу с одной стороны, и препятствующие испарению.

Для мегаполиса характерна высокая щелочность толщи, что связано с повышенным карбонатным загрязнением из-за разрушения разных строительных материалов. Их растворение и поступление в грунтовые воды, мигрирующие в культурном слое и почвогрунтах, вызывает подщелачивание толщи. По степени кислотности можно выделить кислые растворы, нейтральные, щелочные.

Геохимическое опробование почв г. Павлодар (около 100 проб) показало, что от 30 до 80% территории города занято техногенными аномалиями отдельных тяжелых металлов маленький контрастности. Возле промышленных предприятий и других техногенных источников формируются зоны более сильного загрязнения. Главным методом интерпретации и анализа полученных данных считается почвенно-геохимическое картографирование. Составляются как моноэлементные карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показаны зоны загрязнения отдельными элементами, так и карты суммарного загрязнения почв города некоторыми элементами по значениям показателя. Особенно высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами в городах с цветной и черной металлургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Павлодар и др.), где в эпицентрах аномалий содержание металлов в десятки раз выше ПДК. Сильное загрязнение характерно также для центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии, где средние уровни составляют десятки, а максимальные — первые сотни условных единиц. Для городов с предприятиями химической промышленности характерно сильное загрязнение сероводородом, ацетоном, фтором, аммиаком и др. особыми газами и более низкие уровни загрязнения тяжелыми металлами. Обычно их аномальные поля примыкают непосредственно к промышленным зонам. В соответствии с Н. Е. Саету, все металлургические заводы и крупные ТЭЦ влияют на окружающую среду в радиусе до 5 — 10 км, заводы машиностроения — 1,5- 2 км, приборостроения — до 0,5 — 1 км, автомобильный транспорт — до 0,1 — 0,2 км. Для непромышленных городов суммарный показатель загрязнения не превышает 8 — 10. Техногенные ореолы в почвах вокруг источников загрязнения нередко имеют зональное строение. Для эпицентра типична полиэлементная ассоциация загрязнителей, ближе к периферии из ее состава выпадают отдельные элементы и наиболее обширные ореолы чаще всего образуют Zn и Рb. Наряду с выбросами предприятий в промышленных городах имеются участки, где складируются открытым способом бытовые и промышленные отходы. По концентрации и комплексу тяжелых металлов аномалии здесь не уступают выбросам, являясь источниками повторной эмиссии в окружающую среду. В результате воздушной и водной миграции техногенные ореолы вокруг отвалов и свалок по площади в несколько раз больше территории, отведенной под отходы. Их коэффициенты техногенной концентрации Кс в 10 раз выше, чем у валовых форм. Распределение подвижных форм элементов во многом определяется и ландшафтно-геохимическими условиями. В особенности интенсивны аномалии в почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах — на побережьях рек, озер и водохранилищ, куда загрязители поступают с поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым стоком. Специальные виды загрязнения формируются в городах рудных провинций, районов с горнодобывающей и металлургической специализацией. В них на высокие природно-аномальные концентрации рудных элементов накладывается техногенное загрязнение этими же элементами от обогатительных фабрик и металлургических заводов. Для городов при оценке суммарного загрязнения металлами вместо коэффициента аномальности (Кс) лучше использовать нормирование через кларки литосферы, указывающие на степень отклонения местных рудогенно — техногенных аномалий от нормального (околокларкового) экологического уровня содержания тяжелых металлов в почвах и породах.(в соответствии с рисунком 2)

Рисунок.2.Выбросы тяжелых металлов в городе

Многие металлы накапливаются в частности в щелочной среде. Для Павлодара зафиксировано высокое, нередко аномальное содержание ряда тяжелых металлов, почти все из которых относятся к категории тиоловых ядов (свинец, кадмий, мышьяк, ртуть). Обнаруженно высокое содержание меди, никеля, кобальта, хрома, бария, стронция, магния. Для определения увеличенного содержания элементов их валовые концентрации, определенные различными (часто очень сложными и дорогостоящими) геохимическими аналитическими методами, обычно сравнивают со средним содержанием в горных породах, почве, воде, растениях или животных организмах — кларком. Название дано по фамилии американского геохимика Кларка, впервые применившего это понятие. Концентрации положено выражать или в мг/кг или в процентах. [3]

Для техногенных отложений Павлодара отмечены еще высокие концентрации кадмия — до 3,5 мг/кг (при кларке 0,2 мг/кг) и содержании в почвах менее 0,5 мг/кг, меди — более 200 мг/кг (при кларке 30, а содержании в почвах около 2 мг/кг), цинка -385 мг/кг (при кларке 76 мг/кг, и содержании в почвах около 10 мг/кг), никеля 150 мг/кг (при кларке 80 мг/кг, а содержании в почве 40 мг/кг). Содержание свинца в почве более 30 мг/кг считается опасным. Свинец поражает костный мозг (до 90% накапливается именно в костях), кровеносную систему. У В. А. Гиляровского есть упоминание о его работе на белильных заводах, выпускающих ядовитую краску — свинцовые белила, где здоровые молодые люди за несколько месяцев превращались в полных инвалидов.

Кадмий содержится в основном в красках, особенно автомобильных, в резине, поэтому повышенная его концетрация характерна в основном для зоны автодорог. Он просто усваивается растениями и животными и слабо выводится из организма. Наравне с ртутью и мышьяком считается очень ядовитым металлом, причем свойства его до конца не изучены.

Ртуть и мышьяк являются очень токсичными металлами, известными с глубокой древности. Вызывают тяжелые отравления. Достаточно ядовитыми металлами являются медь и цинк. Печально известны медистые песчаники Джезказгана (Центральный Казахстан), где во времена сталинских репрессий многие тысячи заключенных погибли, отравленные ядовитой медной пылью Джезказганских рудников.

Необходимо отметить, что часто концентрации тяжелых металлов характерны для верхних горизонтов почвогрунтов и культурных слоев, в особенности современных. При сухой погоде и урагане пыль, содержащая металлы, попадает в дыхательные пути столичных жителей и может вызывать не только аллергические реакции, но и негативное воздействие на весь организм; так, многие тяжелые металлы способны концентрироваться в живых тканях и практически не выводятся из организма. Кроме того, многие металлы накапливаются в растениях, как в корневой части, так и в наземной.

1.3 Формы нахождения тяжелых металлов в окружающей среде

В атмосферном воздухе тяжелые металлы находятся в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5−1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта — из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива. В гидрофитных средах металлы находятся в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму пребывания элемента в водных средах. Важная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии. Адсорбция тяжелых металлов грунтовыми отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В окончательном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в грунтовых отложениях и биоте. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и ненадежно адсорбированной формах. Растворимые формы, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Помимо того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки.

2. Источники загрязнения тяжелыми металлами

Добыча и переработка не являются наиболее мощным источником загрязнения среды металлами. Выбросы этих предприятий существенно меньше выбросов от предприятий теплоэнергетики. В угле и нефти присутствуют все металлы. Значительно больше, нежели в почве, токсичных химических элементов, включая тяжелые металлы, в золе электростанций, промышленных и бытовых топок. Выбросы в атмосферу при сжигании топлива имеют особое значение. К примеру, количество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка в них в 3−8 раз выше количество добываемых металлов. Существуют данные о том, что только один котел современной ТЭЦ, работающий на угле, за год выбрасывает в атмосферу в среднем 1−1,5 т паров ртути. Тяжелые металлы содержатся и в минеральных удобрениях.

Наравне со сжиганием минерального топлива важнейшим путем техногенного рассеяния металлов является их выброс в атмосферу при пирогенных технологических процессах (металлургия, обжиг цементного сырья и др.), а также транспортировка, обогащение и сортировка руды.

Техногенное поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей и в составе сточных вод. Металлы сравнительно бурно накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полуудаления цинка — до 450 лет, кадмия — до 1000 лет, меди — до 1400 лет. Значимый источник загрязнения почвы металлами — применение удобрений из шламов, полученных из промышленных и канализационных очистных сооружений. В выбросах металлургических производств тяжелые металлы находятся, в основном, в нерастворимой форме. По мере удаления от источника загрязнения наиболее крупные частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается, и устанавливаются соотношения между растворимой и нерастворимыми формами. Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу, удаляются из нее путем естественных процессов самоочищения. Главную роль при этом играют атмосферные осадки. В последствии выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных вод формируют предпосылки для поступления тяжелых металлов в почву, подземные воды и открытые водоемы, в растения, донные отложения и животных. Дальность распространения и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источника, условий выбросов и синоптической обстановки. Но в условиях промышленно-городских агломераций и городской застройки параметры распространения металлов в воздухе еще плохо прогнозируются. С удалением от источников загрязнения уменьшение концентраций аэрозолей металлов в атмосферном воздухе чаще происходит по экспоненте, вследствие чего зона их интенсивного воздействия, в которой имеет место превышение ПДК, сравнительно невелика. В условиях урбанизированных зон итоговый эффект от регистрируемого загрязнения воздуха является результирующей сложения множества полей рассеяния и обусловлен удалением от источников выбросов, градостроительной структурой и наличием необходимых санитарно-защитных зон вокруг предприятий. Природное содержание тяжелых металлов в экологически чистой атмосфере составляет тысячные и десятитысячные доли микрограмма на кубический метр и ниже. Данные уровни в современных условиях на сколько-нибудь обжитых территориях практически не наблюдается. К основным отраслям, с которыми связано загрязнение окружающей среды ртутью, относят горнодобывающую, металлургическую, химическую, приборостроительную, электровакуумную и фармацевтическую. Наиболее интенсивные источники загрязнения окружающей среды кадмием — металлургия и гальванопокрытия, а также сжигание твердого и жидкого топлива. Воздушный путь поступления химических элементов в окружающую среду городов является ведущим. Но уже на небольшом удалении, в частности, в зонах пригородного сельского хозяйства, относительная роль источников загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами может измениться и наибольшую опасность будут представлять сточные воды и отходы, накапливаемые на свалках и применяемые в качестве удобрений. Наибольшей способностью концентрировать тяжелые металлы обладают взвешенные вещества и грунтовые отложения, затем планктон, бентос и рыбы. Тяжелые металлы относятся к наиболее распространённым загрязнителям воды, почвы и воздуха. Об их токсичности разрешено судить по тому к какому классу опасности они относятся и каким образом они влияют на обмен веществ и состояние здоровья человека. Различают растворимую и дисперсную формы нахождения металлов в воде и почве. Тяжелые металлы относятся к группе неконсервативных металлов, то есть их содеpжание в воде, почве, активном и сбpоженном иле зависит от темпеpатуpы, солесодеpжания, наличия неоpганических и оpганических комплексообразователей, биологической активности, вpемени года величины pH.(в соответствии с рисунком 3) [4]

Рисунок 3. Загрязнение воды тяжелыми металлами Тяжелые металлы поступают в почву и водоемы из атмосфеpы или пpи сбpосе неочищенных сточных вод концентpация металлов в осадках на много поpядков выше, чем в воде. В почве, тоpфе концентpиpование тяжелых металлов пpоисходит по механизму ионного обмена. пеpенос тяжелых металлов может пpоисходить в pезультате обpазования водоpаствоpимых оpганических и неоpганических комплексов. Хаpактеpным считается пpоявление токсических свойств тяжелых металлов пpи их одновpеменном пpисутствии. Таким образом, пpи наличии меди и цинка токсичность смеси возрастает в 5 pаз по сpавнению с сумаpным результатом. В системах, где имеется недостаток pаствоpенного кислоpода увеличивается токсичность цинка, свинца, меди. Соpбция тяжеллых металлов почвой зависит от ее механической, физико-химической (обменной), химической и биологической способности.

Поглощенные почвой ионы могут заменять в кpисталической pешетке находившейся в ней катионы, обpазовывать комплексные соединения с оpганическими компонентами почвы, напpимеp, с гуминовыми соединениями. Гуминовые соединения в щелочной и нейтpальной сpеде обpазуют комплексные соединения с тяжелыми металлами. В пpактике очистки пpоизводственных сточных вод в сегодняшнее вpемя обретают менбpанные технологии, электpохимическая обpаботка. Ионы цинка, хpома, меди, никеля, отлично извлекаются из воды методом ионного обмена. Обменнаяемкость по иону никеля составляет 63 мг. на 1 г. ионита. Так как стоимость полимеpных ионитов значительна, то для очистки воды от тяжелых металлов pазpабатываются методы, котоpых используются побочные пpодукты отходы пpоизводства (шлаки, зола), пpиpодные матеpиалы (тоpф, глина). Главные пpинцепы пеpеpаботки токсичных осадков сточных вод с целью извлечения из них тажелых металлов описанных в pаботе.

Добывание тяжелых металлов пpоизводится из золы получаемой пpи сжигании этих осадков. В сегодняшнее время в биосферу поступает сверх 500 тыс. разновидностей химических веществ — продуктов хозяйственной деятельности, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

В зависимости от концентрации в природной среде их определяют либо как микроэлементы, либо как тяжелые металлы. Но 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.

Главные источники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду — тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, автотранспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от заболеваний и вредителей. Особенно мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Загрязнение природной среды токсинами происходит, 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.

Основные источники антропогенных выбросов вредных веществ в атмосферу сосредоточены в областях Северного Казахстана и Южного, т. е. в Северном полушарии. Содержание металлов в атмосфере колеблется в широком диапазоне и зависит от расстояния от источника загрязнения, характера подстилающей поверхности и синоптических 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. Индустриальные источники аэрогенного загрязнения почвы металлами локализованы в пространстве, поэтому они делают высокие уровни загрязнения почв в ограниченных районах (в соответствии с рисунком 4).

Рисунок .4.Загрязнение почв бытовым мусором В зависимости от высоты и дисперсного состава выбросов в локальной зоне загрязнения выпадает 15−20% 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.

2.1 Подвижность тяжелых металлов в почвах

Модификация соединений тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбирование катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование последней твердой фазы. Основными процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, считается адсорбционно-десорбционное равновесие.

Известно, что после внесения оксидов тяжелых металлов содержание их подвижных форм практически не отличалось от содержания в почве, в которую вносили водорастворимые соли этих же тяжелых металлов. Со временем во всех почвах содержание водорастворимой, обменной и непрочно связанной форм тяжелых металлов снизилось, а прочносвязанной форм — повышалось. Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе — главная экологическая характеристика почвы, она определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями. Изменение влажности почв, энергичности 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 внешнеи внутри сферных комплексных соединений с минеральными и органическими компонентами почв; второй состоит в осаждении из почвенного раствора тяжело растворимых соединений, т. е. в образовании повторной твердой фазы. В последующей судьбе металлов, образующих прочные связи с кислородом и серой, большую роль играет сложное образование с органическим веществом. При очень 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 зависит от аниона, обеспечивающего минимальную растворимость катиона. [3]

3. Поступление тяжелых металлов в растения города

Наиболее важное место в разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами занимает исследование поглощения тяжелых металлов растениями. Проблема поступления металлов в растения имеет 3 практических аспекта:

во-первых, все растения являются переходным резервуаром, сквозь который металлы переходят из воды, воздуха и, ключевым образом, почвы в организмы человека и животных, в связи с чем нужна разработка методов охраны пищевых цепей от попадания токсикантов в опасных концентрациях;

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

в-третьих, установление способности использования растений в качестве биоиндикаторов загрязненной природной среды тяжелыми металлами. При аэротехногенном загрязнении природной среды тяжелыми металлами возможны два главных пути их поступления в растения: из атмосферы — через листовую поверхность; и из почвы — через корневую систему. Поглощение металлов корнями может быть пассивным и активным пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней; при активном поглощении нужны затраты энергии метаболических процессов, и оно ориентировано против химических ингредиентов.

При нормальных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. Показываемое в ряде случаев снижение концентрации металлов в растворе вблизи поверхности корней отражает высокую скорость поглощения корнями по сравнению с диффузным и конвективным переносом в почве. В высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет рассеивание. Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит, от количества этих металлов в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях могут быть достаточно высоки — в некоторых случаях превышают величину 0,80. Эксперты наблюдают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

Многие виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к высоким концентрациям, чем низшие. Высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка зафиксировано в грибах, мхах. 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). Создание 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, относят растение Silene maritina. Распознают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат. Культурные растения, способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикие. Скопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья человека, 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. Содержание количества тяжелых металлов в растительной массе города может меняться в течение вегетационного периода. Одна из причин данного — 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, соотношение содержания этого элемента в корнях, листьях и зерне составляло соответственно 30: 3: 1, т. е. относительно небольшая часть поступившей в растения ртути достигла зерна, оставаясь преимущественно в корнях. Большое накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств тяжелых металлов в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами.

С целью минимизации перехода металлов из почвы в растения рекомендуется применять метод оптимального подбора культур. Преимущество необходимо отдавать, во-первых, техническим культурам, более устойчивым к воздействию тяжелых металлов; во-вторых, тем пищевым и кормовым культурам, товарная часть которых наименее подвергается проникновению токсичных металлов и не накапливает их.

При разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами нужно учесть поступление тяжелых металлов в растения из атмосферы через листовую поверхность, из почвы через корневую систему, и влияющие на них факторы. [5]

3.1 Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях

Антропогенная эволюция почвенного покрова находится в зависимости от характера антропогенных воздействий, и от особенностей природных параметров экосистем, их устойчивости к различным видам нагрузок и способности к восстановлению. Данная эволюция носит общий характер с важным изменением многочисленных закономерностей распределения почв и структур как планеты в целом, так и отдельных регионов. Следует, получить и систематизировать многостороннюю сведение о комплексе антропогенных воздействий на почвы и почвенный покров страны, а также изучить трансформации различных по генезису почв и структур почвенного покрова под влиянием отдельных видов их воздействий. Наиболее важное это изучить устойчивость и регенеративную способность почв и почвенного покрова в различных природных ситуациях.

Нормирование это такая антропогенная нагрузка, которая при длительном воздействии на почву не вызывает каких-либо болезненных изменений в почвенной биоте и в свойствах ее абиотической части, в особенности в почвенном поглощающем комплексе.

Нормирование содержания, в частности металлов, в почвах предусматривает установление их предельно допустимых концентраций. Концентрация тяжелых металлов это такие их концентрации, которые при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не вызывают каких-либо болезненных изменений или странностей в ходе биологических почвенных процессов, а также не приводят к скоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах и, значит, не могут нарушить биологический оптимум для животных и человека.

Имеются следующие виды экологического нормирования: ландшафтное, биотическое, почвенное. Нормирование содержания любого ингредиента для почвенно-растительного покрова встречает огромные трудности в связи с тем, что биота, почва, ландшафт, в отличие от сравнительно гомогенных (однородных) водной и воздушной сред, являются гетерогенными компонентами биосферы в пространстве и времени.

Загрязнители можно разделить на 4 категории — почвохимически активные; биохимически активные; индифферентные:

в группу почвохимически активных загрязнителей включены вещества, воздействующие на щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия, меняющие химическую обстановку, морфологию почвенного профиля;

в группу биохимически активных загрязнителей включены вещества, активно воздействующие на биоту почвы. Это — деформанты, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.;

третья группа включает в себя соединения, вещества, являющиеся почвохимически и биохимически активными одновременно. Это самая, в первую очередь, тяжелые металлы в высоких концентрациях, способные к гидролизу и оказывающие негативное воздействие не только на биоту, но и на физико-химические свойства почв, и ряд других ингредиентов, составляющих первые две группы;

в группу индифферентных загрязнителей входят: оксиды кремния, железа, глинистые минералы и др., являющиеся индифферентными и не оказывающие важного влияния на почвенно-растительный покров.

В соответствии с этой классификацией нормирование загрязнителей должно проводиться с учетом направленности, степени их воздействия на состав почв, их морфологию, на почвенную и наземную биоту. [5]

3.2 Способы загрязнения почв города

тяжелый металл почва загрязнение Существует 3 способа загрязнения почв города — аэрогенный, гидрогенный, аэрогенный. Первые два способа загрязнения воздействуют на природные или сельскохозяйственные экосистемы в основном периодически и только через корневую систему. Аэрогенный перенос загрязнений является наиболее масштабным по воздействию на природную среду, действует непрерывно, атакует и непосредственно наземный растительный покров. В связи с этим очень важно знать, во-первых, эффекты его непосредственного воздействия на наземную биоту, во-вторых, скорость поступления и трансформации загрязнителей в почвах.

Большую работу по нормированию содержания химических ингредиентов в почвах проводят медики-гигиенисты. Согласно принятой ими схеме, нормирование подразделяется на:

транслокационное (переход нормируемого элемента в растение); миграционное воздушное (переход в воздух); миграционное водное (переход в воду); общесанитарное, гигиеническое (влияние на самоочищающую способность почвы и почвенный микробиоценоз). При нормировании содержания тяжелых металлов в почвах некоторые ученые предлагают различать их весовые доли: губительные (летальные), снижающие урожай, не влияющие на рост, развитие и биомассу растений (толерантные) и те доли, которые ведут к накоплению элементов до уровня ПДК по пищевым и кормовым цепям. Для того, чтобы решить проблему нормирования воздействия того или иного токсиканта, необходимо иметь систему взаимосвязанных показателей: предельно допустимые нормы поступления вещества на единицу площади, предельно допустимые концентрации его в атмосфере, наземном растительном покрове, почвах, почвенно-грунтовых водах (в соответствии с рисунком 5).

Рисунок 5 Предельно допустимые концетрации тяжелых металлов

В настоящее время многочисленные государственные и ведомственные службы, призванные контролировать состояние компонентов биосферы, свои основные усилия обращают на оценку состояния конечных звеньев изучаемой системы: источник эмиссии — атмосфера — питьевые воды — воды открытых водоемов — почва — наземный растительный покров — товарная часть растительной продукции — животные — человек, при этом очень мало внимания уделяют начальным звеньям системы. [6]

Заключение

Из числа различных загрязняющих веществ тяжёлые металлы и их соединения отличаются распространенностью, высокой токсичностью, почти многие из них — в свою очередь способностью к скоплению в живых организмах. Они обширно применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Многочисленные металлы формируют прочные органические соединения, хорошая водорастворимость этих комплексов способствует миграции тяжелых металлов в природных водах. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, но при учете токсичности, стойкости, способности собираться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контролирования требуют значительно меньшее число элементов.

Главные направления природозащитной деятельности обязаны быть направлены, в первую очередь, на резком сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. Для снижения загрязнения придорожных территорий продуктами сгорания автомобильного горючего целесообразны организация санитарно-защитных зон и посадка лесополос. Сформированные защитные посадки предотвращают необратимое скопление выбросов автомобильного транспорта в придорожных полосах и хранят хозяйственную важность данных территорий.

Список используемой литературы

1.Ильин В. Б. Тяжёлые металлы в системе почва — растение. Новосибирск: Наука, 1991

2. Беспамятнов Г. П., Кротов Ю. А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник.— Л.: «Химия», 1985.

3. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп: В. А. Филова и др. — Л.: «Химия», 1988.

4. Левина Э. Н., Общая токсикология металлов. — М., 1972

5. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп: Справ. изд./ Под ред. В. А. Филова и др. — Л.: «Химия», 1989.

6. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. — М.: Мир", 1987.

Приложение

Чернобыль, Украина. Еще один послесоветский, сегодня уже присущий Украине, город Чернобыль пережил наиболее большую ядерную катаклизм на Земле — взрыв атомного реактора. Именно поэтому все, что можно было сказать про нее, уже сказано, что нельзя — мы и сами не все знаем. Однако мы знаем, что независимо от того, кто был прав, кто виноват в той катастрофе, никто не застрахован от новых техногенных катастроф, и, тем не менее, никуда нам сегодня от атомной энергии не деться — нас очень много на нашей планете. В результате аварии из сельскохозяйственного оборота было выведено около 5 миллионов гектаров земель, а вокруг АЭС создана 30-километровая зона отчуждения, уничтожены и захоронены сотни маленьких населённых пунктов. Между тем, эти количества потерпевших от результатов аварии разнятся. Блэксмитовский институт насчитывает до 5 миллионов людей, на чьем здоровье они отразились и могут еще отразиться. Справочники, изданные в постсоветских странах, пишут, что при аварии погиб 1 человек, 134 человека, находившиеся на станции во время взрыва пострадали от лучевой болезни, 28 из них умерло. Серьезные дозы облучения получили порядка 60 тысяч ликвидаторов, несколько десятков смертей могли быть связаны с облучением. Из этих 60 тысяч человек на сегодня умерло примерно 5 тысяч — от разных причин, в заключениях врачей от смерти ни у кого не было написано: погиб от последствий повышенной радиации. И все-таки правда, как всегда, где-то посередине, и мы сегодня спокойно смотрим фотографии «отрешенного города». Тяжело себе это представить, но в Украине существуют туристические, сталкерские, фирмы, которые предлагают посетить этот город — жертву техногенной катастрофы. Но спокойно смотреть на фотографии детей, которые рождены с дефектами, связанными с мутациями генов в организме — в генах детей «чернобыльцев» в семь раз больше мутаций, чем у других детей — мы не можем. И не будем. И, хотя, чем позже после выезда родителей из Чернобыля рождался ребенок, тем меньше мутаций наблюдается в его генах, мы будем помнить, что достижения нашей цивилизации несут не только благо, и нам нужно быть очень аккуратными во всем, что может представлять опасность жизни и здоровью человека.