Введение

Многие растения обладают способностью концентрировать определенные элементы минерального питания .Это свойство следует учитывать при выращивании различных сельско-хозяйственных культур, так как оно во многом определяет их питательную ценность. Можно полагать , что элементы , накапливаемые , в растениях , принимают участие в ряде физиологических и биохимических процессов.

Интенсификация сельского хозяйства, переход к индустриальным методам производства, создание крупных агропромышленных и животноводческих комплексов, широкий размах мелиоративного строительства и химизации сельскохозяйственных угодий в целях устойчивого наращивания продовольственного фонда страны требуют особенно внимательного и бережного отношения к почве, как к средству производства и условий существования. Охрана почв, их рациональное использование имеют первостепенное значение для экономического и социального развития страны. Значение современного состояния почвенных ресурсов, их рациональное использование, бережное отношение к ним послужат приумножению их плодородия.

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20 - 30 млрд. т. твёрдых отходов, из них 50 - 60 % органических соединений, а в виде кислотных агентов газового или аэрозольного характера - около 1 млрд. т.

Охрана почв от загрязнений является важной задачей, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека.

Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоёмы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд.

Во-вторых, эти загрязнения из почвенной влаги, грунтовых вод и открытых водоёмов попадают в организмы животных и растений, употребляющих эту воду, а затем по пищевым цепочкам опять-таки попадают в организм человека.

В-третьих, многие вредные для человеческого организма соединения имеют способность кумулироваться в тканях, и, прежде всего, в костях.

Пути попадания загрязнений в почву:

1) С атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками выпадают в почву. Это, в основном, газы - оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер. Таким образом, и образуются кислотные дожди.

2) Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твёрдые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений.

3) При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

4) С растительным опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву.

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

1) Мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. Вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.

2) Тяжёлыми металлами.

3) Пестицидами.

4) Радиоактивными веществами.

Среди перечисленных загрязнений тяжелые  металлы  и их соединения образуют значительную группу токсикантов, во многом определяющую антропогенное воздействие на экологическую структуру окружающей среды и на самого  человека. Учитывая все возрастающие масштабы производства и применения тяжелых  металлов, высокую  токсичность, способность накапливаться в  организме   человека, оказывать вредное влияние даже в сравнительно низких концентрациях, или дозах, эти химические загрязнители должны быть отнесены к числу приоритетных.

 С экологических и токсиколого-гигиенических позиций не все тяжелые  металлы  могут быть восприняты однозначно. Прежде всего, представляют интерес те  металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используют в производственной деятельности  человека  и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

1.Распределение химического элемента –экотоксиканта в системе почва-растение в естественных природных условиях и при антропогенном загрязнении.

1.1. Химические свойства примесного элемента.

Медь является одним из самых «древних» металлов: считается, что люди начали использовать ее для изготовления орудий труда еще в IV тыс. до н.э. Распространение меди в древности объясняется тем, что она встречается в природе в самородном, т.е. металлическом, состоянии. В таком виде медь  находили в нашей стране на Урале, в Америке, Японии, Китае и некоторых других странах. На территории США был найден крупнейший из известных самородков-его масса составляла 420 т. Однако такие находки встречаются редко. Медь довольно легко можно получить из природных соединений руд. Когда люди научились восстанавливать углем медные руды, а из полученного металла изготовлять бронзу-сплав меди с оловом, в истории человечества начался так называемый бронзовый век. Он продолжался приблизительно с конца IV тыс. до н.э. до начала I тыс. до н.э., когда началось использование железных орудий. В бронзовом веке медь играла важнейшую роль в развитии хозяйства. И в настоящее время роль меди, ее сплавов и соединений в развитии промышленности и сельского хозяйства очень велика. Однако сейчас приходится сталкиваться со значительной нехваткой этого металла-запасы медных руд постепенно истощаются. Ведь медь занимает по распространению в природе лишь 23-е место среди всех элементов: ее массовая доля в земной коре равна 0,01%. Медь - это химический элемент с порядковым номером 29, расположенный в I группе (побочной подгруппе) и 4-м периоде периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Латинское название меди cuprum и соответствующий ему символ Сu происходят от названия острова Кипр. Именно с этого острова в Средиземном море вывозили медь древние римляне и греки. Что представляет собой металлическая медь? Это тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий, плавится при температуре 1084,5°С, очень хорошо проводит электрический ток и теплоту: электрическая проводимость меди в 1,7 раза выше, чем алюминия, в 6 раз выше, чем железа, и лишь немного уступает электрической проводимости серебра. Электронная формула атома меди имеет следующий вид: 1s ²2s ²2p ⁶3s ²3p⁶3d¹⁰4s ¹.

Образуя химические соединения, атом может отдавать один, два или три электрона, проявляя степень окисления соответственно +1, +2 и +3. При этом наиболее устойчивыми являются соединения меди (II), а наименее устойчивыми - соединения меди (III). Медь относится к малоактивным металлам. Стандартный электродныйпотенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой.  Однако в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной)-медь растворяется: Сu + 8HN0₃ = 3Cu(N0₃ )₂ + 2NO + 4Н₂0 разбавленная Сu + 4HN0₃ = Cu(N0₃)₂ + 2N0₂+ 2Н₂0 концентрированная Сu+ 2H₂S04 = CuS04 + S0₂ + 2 Н₂0 концентрированная

Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом карбоната меди: 2 Сu + O₂ + С0₂ + Н₂0 =Сu (ОН)₂ • СuС0₂

В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2.  Соединения меди (II)-оксид СиО и гидроксид Си(ОН)₂-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах: Cu(OH)₂ + 2НС1 = СuСl₂ + 2Н20 и в концентрированных щелочах. Гидроксид меди (II)-труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается,образуя оксид меди (II) черного цвета:  Сu(ОН)₂ =СuО + Н₂0  Темный цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого оксида. Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия: CuCl2 + 4KCN = К₂ [Cu(CN)₄] + 2КСl Из других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II): CuCl₂ + 2NH₃ + 2Н20 = Сu(ОН)₂ + 2NH₄Cl Если добавить избыток аммиака, то гидроксид растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной для аммиачного комплекса меди: Си(ОН)₂+ 4NH3 = [Cu(NH3)₄] (ОН)₂ Эта реакция является качественной на ион меди (II). Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также связана с образованием комплексных соединений: Cu(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ [Cu(OH)₄] Образованием комплексных сое­динений объясняется цвет растворов солей  меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску: CuS0₄ + 6Н₂0 = [Сu (Н₂0)₆] SO₄ Соединения меди (III), например Cu20₃ или KCu02, встречаются редко, они  малоустойчивы. Устойчивость соединений меди (I) выше, однако и они в водных растворах легко подвергаются диспролорциогнированию (реакции самоокисления-самовосстановления): 2Сu⁺ = Сu + Сu (2+)

1.2 Фоновое содержание Cu в разных типах почв. Кларк в литосфере.

Фоновое содержание химического вещества – уровень содержания химического вещества, сравнение с которым позволяет обнаружить превышение его в аналогичных объектах (почвах, растениях) под влиянием антропогенных факторов.

За фоновое содержание в почвах может быть принято количество элемента в погребенных почвах, в датированных музейных образцах. Кроме того, можно использовать ранее опубликованные сведения о прежнем состоянии исследуемых почв, результаты, найденные расчетным путем на основе анализа многолетней динамики содержания контролируемых элементов в почвах. Наиболее часто о фоновом содержании химических веществ судят по составу почв фоновых территорий , удаленных от локальных источников загрязнения на 50-100 км. Кроме того, в качестве фонового уровня используется региональный средний уровень, а при его отсутствии – кларк или среднемировое содержание данного элемента в почве.

Общее содержание меди в земной коре невелико 0,01 весовых %. однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии. Медь образует большое число минералов (халькозит или медный блеск, CU2S; халькопирит, или медный колчедан, CuFeS2; куприт Cu2O и малахит (CuOH)2CO3). Наиболее распространены первичные минералы - простые и сложные сульфиды. Повышенные содержания меди свойственны основным и средним горным породам, а пониженные - карбонатным. Содержание меди в почвах 2*10в-3 % (Д.И. Виноградов. 1956). Аккумуляция меди в верхних горизонтах почвы - обычная черта распределения этого металла в почвенном профиле, которая отражает ее биоаккумуляцию, а также современное антропогенное влияние. Показано, что разные типы почв мира содержат следующее количество меди (мг/кг): песчаные почвы и подзолы Австралии от 22 до 52. Польши - 1-26. суглинистые и глинистые почвы ФРГ 16-70. каштановые и бурые почвы Австралии - 83-140, черноземы Болгарии - 26-38. Среднее содержание меди в поверхностном слое разных типов почв мира 6-60 мг/кг (минимальное - в песчаных и органических почвах, максимальное в ферралитовых почвах) и его можно рассматривать как фоновое, так как при обобщении в него не вошли данные по загрязненным почвам (табл. 6). Пределы колебаний содержания меди в поверхностном слое почв СНГ в мг/кг: в подзолах и песчаных почвах 1,5-29, в суглинистых и глинистых 4-21. в аллювиальных 11,5-36, в рендзинах 7-23. в каштановых и бурых почвах 14-44,5, в солонцах и солончаках 9-37. в черноземах 16-70, в луговых почвах 13-70, в торфяных и других органических почвах 5-23, в лесных 12,5-32 (А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас, 1989). Фоновое содержание меди в разных типах почв СНГ 12-28 мг/кг.

1.3. Источники и формы поступления примесного элемента в почву в условиях антропогенного загрязнения окружающей природной среды . Формы закрепления примесного элемента в почве. Величины ,характеризующие время нахождения примесного элемента в почве : период полунахождения в почве – Т1\2 (полувыведения из почвы ),среднее время нахождения в почве – т ;скорости выноса элемента поверхностными , фильтрующими водами и урожаем.

Годовой объем техногенных поступлений меди в окружающую среду составляет: 56 тысяч тонн в атмосферу, 77 тысяч тонн с отходами, 94 тысячи тонн с удобрениями.

Медь поступает в воздух с выбросами металлургических производств. В выбросах твердых веществ она содержится в основном в виде соединений, преимущественно оксида меди. На долю предприятий цветной металлургии приходится 98,7% всех антропогенных выбросов этого металла.

Источники поступления меди в экосистемы – выбросы металлургических предприятий, минеральные и органические удобрения (особенно медьсодержащие), пестициды, транспорт, осадки сточных вод. Годовой объем техногенного поступления меди в окружающую среду составляет с отходами 77 тыс. т., с удобрениями 94 тыс. т. В результате работы химических предприятий на поверхность Земли ежегодно поступает около 155 тыс. т. (Давыдова, 1991).

Каменный уголь разных месторождений может содержать от 15 до 340 мг/кг соединений меди. Из-за сжигания угля и нефти в атмосферу ежегодно поступает около 2100 т соединений меди. На расстоянии нескольких километров от горно-металлургического комбината, концентрация соединений меди в воздухе может достигать 1,3 мг/м³, при средней концентрации соединений меди в атмосфере города 0,09 мг/ м³ (Байдина, 1995).

Соединения меди широко применяются в сельском хозяйстве в виде оксида и сульфата меди. Из всех минеральных удобрений большее количество меди содержится в простом суперфосфате. В 20 т навоза содержится 40 г меди (Потатуева, 2002). Сточные воды, в осадке которых находится свыше 800 мг/кг меди, не разрешается использовать в сельскохозяйственном производстве. Кстати, интересно отметить, что до сих пор не установлены четкие границы предельно-допустимых концентраций соединений меди в сточных водах: в Западной Европе ПДК – 300-3000, в РФ – 1500, а в ЕЭС – 1000 мг/кг (Орлов, 1991).

Таким образом, сточные воды – это один из реальных источников поступления соединений меди в сельском хозяйстве и хотя объем использования их не превышает 4-6% от годового объема, потенциальная опасность остается.

В почвах встречаются несколько форм меди, в различной степени усваиваемой растениями:

а) водоорастворимая медь

б) обменная медь, поглощенная органическими и минеральными коллоидами в) труднорастворимые медные соли

г) медьсодержащие минералы

д) комплексные металлоорганические соединения меди.

Подвижность меди и поступление ее в растения уменьшаются при известковании почв, связывании меди в виде органических соединений и закреплении почвенным гумусом. Часть меди почв прочно связана с почвенными перегнойными кислотами — гуминовой, креновой, апокреновой; в этой форме она становится неподвижной и неусвояемой для растений.

Медь образует также комплексные соединения с рядом органических кислот — щавелевой, лимонной, малеиновой, янтарной. Важную роль в фиксации меди играют микроорганизмы почвы.

Количество воднорастворимой доступной меди определяет в основном условия жизни растений в данной местности. Растения богатых медью почв обогащаются названным элементом, причем некоторые виды приобретают устойчивость даже к очень высоким концентрациям этого металла.

Медь необходима для жизнедеятельности растительных организмов. Почти вся медь листьев сосредоточена в хлоропластах и тесно связана с процессами фотосинтеза; она участвует в синтезе таких сложных органических соединений, как антоциан, железопорфирины и хлорофилл; медь стабилизирует хлорофилл, предохраняет его от разрушения.

Медь входит в качестве структурного компонента в состав соединения с белком (медьпротеида, содержащего 0,3% меди), образуя окислительный фермент полифенолоксидазу. Этот фермент впервые был обнаружен в клубнях картофеля, шампиньонах, а в дальнейшем в составе большинства распространенных растений.

Хотя этот фермент может окислять лишь определенные фенольные соединения, однако присутствие в растительных тканях наряду с оксидазой пирокатехина или ортохинона позволяет полифенолоксидазе участвовать в окислении большого количества органических соединений.

Медь способствует синтезу в растениях железосодержащих ферментов, в частности пероксидазы.

Установлено положительное влияние меди на синтез белков в растениях и благодаря этому — на водоудерживающую способность растительных тканей. Напротив, при недостатке меди гидрофильность коллоидов тканей уменьшается.

Очевидно, вследствие этого медь в виде удобрений имеет значение для придания растениям засухо- и морозоустойчивости, а также, возможно, устойчивости к бактерийным заболеваниям.