13.1. Загрязнение почв химическими веществами
К веществам, всегда имеющимся в естественной почве, но концентрация которых может возрастать в результате антропогенной деятельности, относятся свинец, ртуть, кадмий, медь и др. Повышенное содержание свинца может быть вызвано, например, атмосферной иммиссией (поглощением из атмосферы) за счет выхлопных газов автомобилей, в результате внесения компостных удобрений, пестицидов и т.п. Мышьяк содержится во многих естественных почвах в концентрации примерно 10 млн-1, однако его содержание может увеличиваться до 500 млн-1. Повышение концентрации до 121 млн-1 найдено в почвах фруктовых садов и огородов как следствие применения арсената свинца. Диапазон колебаний природных концентраций – в данном случае от 10 до 500 млн-1 - указывает на трудности измерений (естественный фон обычно неизвестен) и оценки незначительного повышения исходной концентрации за счет деятельности человека. Так, ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га. За счет средств протравливания зерна она может ежегодно добавляться в количестве около 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем. Дополнительные загрязнения возможны при внесении удобрений, компостов и с дождевой водой. Антропогенное повышение содержания кадмия в почве привело к тому, что в 1970 г. в Японии впервые проблема загрязнения почвы была решена на уровне принятия закона о контроле загрязнения окружающей среды.
Качественные и количественные изменения при длительном пребывании в почве посторонних органических химических веществ и механизмы их перераспределения в почве до настоящего времени не изучены ни для одного такого вещества. На (рис.13.1) схематически показаны процессы и реакции, кинетику которых в почвенных системах необходимо изучить для проведения надежных расчетов.
В процессе превращения органических веществ в почве большую роль играют как абиотические, так и биотические реакции, протекающие под воздействием находящихся в почве живых организмов, а также свободных ферментов.
Образование неэкстрагируемых или связанных остатков в почве в значительной мере определяет ее качество на длительный период времени. Неэкстрагируемые остатки средств защиты растений в составе растений и в почве определяются IUPAK (Международный союз теоретической и прикладной химии) следующим образом: неэкстрагируемые (связанные) остатки в растениях и в почве представляют собой химические вещества, которые образуются из пестицидов после их использования по назначению в сельском хозяйстве и не извлекаются методами, не изменяющими существенно их химическое строение. В этой связи они представляют собой либо сами исходные вещества, либо их производные, либо продукты их распада. Методы извлечения в данном случае включают экстракцию растворителями или перегонку, которые применяются при извлечении химических веществ из образцов почвы. При упоминании о неэкстрагируемом остатке всегда нужно указывать метод его извлечения.
В соответствии с современным уровнем знаний возможны следующие виды связи в неэкстрагируемых остатках, находящихся в почве:
включение в слоистую структуру глинистых материалов;
нековалентное включение в пустоты гуминовых макромолекул;
то же при участии водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил, взаимодействий с переносом заряда;
ковалентные связи с мономерами и встраиванием в гуминовую макромолекулу.
Рис.13.1. Поведение ксенобиотиков (пестицидов) в почве
Ковалентные связи особенно важны для веществ с реакционнос-пособными группами, подобными мономерам гуминовых веществ, в частности для фенолов и ароматических аминов.
Рассмотрим некоторые модельные реакции хлоранилина с гуминовыми мономерами, которые протекают абиотически:
Азометин
Реакции приводят к образованию гидролизуемых связей азометинового или аминного типа. Образовавшиеся таким образом связанные остатки снова освобождаются в результате гидролиза.
Реакции, однако, приводят к встраиванию аминной группы в гетероциклическую кольцевую систему феноксазинового или феназинового типа, поддающуюся гидролизу.
Для фенолов модельные реакции представляют собой:
Так как за длительный период связанные остатки химических веществ в почве в процессе микробиологического разложения и длительного превращения гуминовых материалов могут снова освобождаться в небольших количествах и тем самым становиться биологически активными по отношению к растениям, они требуют постоянного контроля. До тех пор пока они не минерализуются или каким-либо образом не войдут в углеродный обмен веществ, их следует рассматривать как посторонние для окружающей среды вещества.