6.3. Математичне моделювання процесу поглинання важких металів ґрунтом і рослинами

Основні характеристики ґрунту,

які обумовлюють поглинання важких металів

Ґрунт — це специфічний компонент біосфери, оскільки він не тільки акумулює компоненти забруд- нень, а й с; природним буфером, що контролює перене- сення хімічних елементів і сполук в атмосферу, гідро- сферу і живу речовину. Мікроелементи, надходячи з різних джерел, потрапляють на поверхню ґрунту, подальша поведінка залежить від хімічних і фізичних властивостей цих елементів. Забруднювальні компо- ненти у ґрунтах, особливо важкі метали, зберігаються практично вічно. Метали, що накопичуються в ґрунтах, повільно видаляються при споживанні рослинами, еро- зії і дефляції. Перший період напіврозпаду важких металів для ґрунтів в умовах лізиметра сильно варіює: для 2п він становить 70—510 років, Сс- — 13—1100 років, Си — 310—1500 років, РЬ — 740—5900 років.

Концентрація мікроелементів у поверхневому шарі ґрунтів у глобальному масштабі зростає з розширенням індустріальної і сільськогосподарської діяльності. Поверхневий шар ґрунтів піддається як локальному забрудненню, так і регіональному переносу забруднень. Регіональне забруднення ґрунтів відбувається переваж- но у промислових районах і центрах великих населених пунктів. Основні джерела мікроелементів — підприєм-

стна. транспорт і комунальні стічні води. Забруднення надходять у Грунт з повітряних джерел, з добривами, пестицидами, при зрошенні.

Активним джерелом забруднення ґрунтів у деяких промислових районах можуть бути відвали металургій- них заводів і рудників через мобілізацію і перенесення важких металів, що просочуються крізь них з водою чи розносяться у вигляді пилу вітром. Тривале використан- ня неорганічних фосфатних добрив істотно підвищує при- родний рівень Ссі і Р у ґрунтах, на відміну від інших еле- ментів, наприклад Аз, Сг, РЬ і V, рівень яких не збільшується. Вплив зрошення стічними водами на склад ґрунтів викликає серйозне занепокоєння. При встановлен- ні допустимих меж слід враховувати властивості системи «рослина — ґрунт», співвідношення між окремими хіміч- ними елементами і їх загальним навантаженням на ґрунт.

Вирощені на забруднених важкими металами ґрун- тах злаки можуть бути небезпечними для людей і тва- рин. Тому безпечність використання стічних вод при поливі слід визначати за рівнем надходження мікроеле- ментів у ґрунти. Припустимі рівні вмісту мікроелемен- тів, зокрема важких металів, у ґрунтах сільськогоспо- дарських угідь обчислюють, зважаючи на такі аспекти:

1) вихідний вміст мікроелемента в ґрунті;

2) загальна добавка за кожним з елементів і за всіма важкими металами;

3) кумулятивне загальне навантаження важких

металів;

4) органічні дози важких металів;

5) рівноцінність мікроелементів за токсичністю дії на рослини;

6) граничні значення концентрацій мікроелементів у ґрунтах;

7) відносні кількості елементів, що взаємодіють між собою;

8) характеристики ґрунту: рН, карбонати ість. кіль- кість органічної речовини, вміст глинистої фракції і

вологість;

9) баланс привнесу — виносу;

10) чутливість рослин до певних елементів.

З огляду на відмінності між типами ґрунтів, видами рослин і умовами росту забруднення ґрунтів по-різному може впливати на вміст мікроелементів у рослинах.

Опірність грунтів до забруднення важкими металами визначають за критичним рівнем вмісту металів, за якиго в рослинах загалом виявляються ефекти токсич- ності. Вона залежить від катіонообмінної ємності грун- тів. Зазвичай опірність некислого важкого грунту з високим вмістом органічної речовини в кілька разів вища, ніж у легкого піщаного кислого грунту. Суглинні нейтральні грунти можуть накопичувати великі кілько- сті мікроелементів з меншим ступенем ризику для се- редовища. Однак загальна хімічна нестійкість таких ґрунтів призводить до зниження біологічної активності.

Морфологічні характеристики рослин, які обумовлюють швидкість поглинання важких металів

Найнебезпечнішими для живих організмів та рослин с важкі метали: свинець, ртуть, кадмій, миш'як, цинк, нікель та інші забруднювальні елементи. Приблизно 90% важких металів, потрапляючи у навколишнє сере- довище, акумулюються ґрунтом. Потім вони мігрують у природні води, поглинаються рослинами і потрапляють у харчові ланцюги.

Техногенне накопичення свинцю, ртуті, кадмію, миш'яку, цинку у навколишньому середовищі відбуваєть- ся особливо швидкими темпами. ЦІ елементи можуть пригнічувати процеси метаболізму, росту І розвитку.

Припустима кількість важких металів, яку людина може споживати з продуктами харчування без ризику для життя, коливається залежно від виду металу: сви- нець — 3 мг, кадмій — 0,4—0,5 мг, ртуть — 0,3 мг у тиждень. Ці норми слугують основою для контролю вмісту важких металів у продуктах харчування.

У живих організмах важкі метали відіграють особли- ву роль. У малих концентраціях вони входять до складу біологічно активних речовин, які регулюють нормаль- ний перебіг процесів життєдіяльності. Порушення вна- слідок техногенного забруднення концентрацій, які склалися еволюційно, негативно, а іноді катастрофічно впливає на живі організми. Важкі метали, потрапивши до організму людини, накопичуються переважно у печінці та виводяться з організму вкрай повільно.

В органах і тканинах рослин важкі метали розподі- ляються дуже нерівномірно. Вивчення особливостей акумуляції важких металів у рослинах може допомогти обмежити їх потрапляння в організм людини. Як пра- вило, кореневі системи рослин містять більше цинку, ніж надземні органи. У надземних органах цинк кон- центрується переважно у старому листі. Корені пшени- ці, наприклад, відрізняються більшим вмістом свинцю та кадмію поріпняно з листям. Рівень накопичення важких металі» у репродуктивних органах рослин, які становлять господарсько важливу частину основних овочевих культур, значно нижчий, ніж у вегетативних, і залежить від біологічних особливостей культури, фізіологічної ролі елемента, його вмісту в Грунті та до- ступності для рослин.

Механізми поглинання, міграції, метаболізму та розподілу важких металів в органах і тканинах пов'язані з видовими та сортовими особливостями вирощуваних культур, на які впливають екологічні та антропогенні фактори, фізіологічною спеціалізацією та морфологіч- ними ознаками окремих органів (тип листя, розмір черешків І прожилків, розмір центрального циліндра у коренеплодах тощо). Наприклад, у коренеплодах мор- кви вміст важких металів (крім заліза) зменшується від кінчика до головки. Високий вміст заліза у головці, в інших частинах коренеплоду його розподіл рівномір- ний. У центральній частині коренеплоду спостерігаєть- ся підвищена кількість цинку та свинцю, а у шкірці — міді, марганцю, кадмію та заліза.

Мінімальна кількість кадмію, цинку та свинцю міститься у м'якоті бульби картоплі. Підвищений вміст заліза характерний для периферійної частини бульби. Мідь розподілена рівномірно на всіх частинах бульби.

Капуста відрізняється від інших овочевих культур та картоплі підвищеним вмістом цинку та низьким — кальцію.

Зеленим культурам властивий більший вміст свин- цю в черешках, ніж у листкових пластинах. Рослини салату відрізняються найвищим вмістом свиню у коре- нях, а петрушки та хрону — найменшим. Серед зелених культур найбільша кількість свинцю в УСІХ органах рос- лини спостерігаються в кропі, щавлі, салаті.

Знання закономірностей розподілу важких металів у тканинах та органах рослин дає змогу визначити механізми їх перерозподілу та акумуляції у процесі розвитку рослин, розробити точні методи оцінювання якості врожаю, правильно сертифікувати продукцію, раціонально використовувати її у процесі технологічної переробки та в сирому вигляді.

Розрахунок швидкості поглинання та міграції важких металів у грунті і рослинах та коефіцієнта токсичності важких металів для рослин

Накопичення важких металів рослиною розгляда- ють залежно від вмісту рухомих форм важких металів у грунті. Швидкість надходження важких металів у рос- лину обчислюють за формулою:

ААГ** я 86,407у"КУ"< г (6<ЗЛ) Д* а,

ДАГ" . де —ї— — швидкість ііоглинаинн рухомих форм о-го

д/

виду важких металів корінням рослини,_мгм~1доб '; а™" — поглинальна здатність кореня, мс"1; А™"— кон- центрація рухомих форм «у го виду важких металів у грун- ті, мг/кг;а, — радіус кореня, см;і/ — вид важкого металу.

Підвищення рівня антропогенного забруднення Грунту та рослин важкими металами є джерелом їх фітотоксичного впливу. Його обчислюють за допомогою коефіцієнта фітотоксичпості КВм. визначеного за прин- ципом Лібіха з великої кількості коефіцієнтів фітото- ксичності кожного виду важких металів:

К'пМ = тіп £е£ }, д є СМ, Си, Не, РЬ, 8г, 2п, (6.3.2) кожний з яких визначається з виразу:

К!р> = 1-

\хАд

А^'К (6.3.3)

де \хАд — зниження продуктивності рослин в інтервалі критичних величин концентрації важких металів у рос- лині А?х и А^'г (мг кг"').