КГ Акулов

гумификацией, а оба биохимических процесса (минерали­ зация и гумификация), направленные на восстановление первоначального состояния почвы, получили название процессов самоочищения почвы. Этим термином обознача­ ется и процесс освобождения почвы от биологических загрязнений, хотя правильнее говорить о естественных процессах ее обеззараживания. Что касается процессов самоочищения почвы от экзогенных химических веществ, то правильнее их назвать процессами детоксикации почвы, а все вместе — процессами обезвреживания почвы.

Процесс обезвреживания чужеродного для почвы орга­ нического вещества, поступившего со сточными водами, очень сложный и осуществляется главным образом микро­ организмами. Поскольку микробы не имеют специальных органов пищеварения, все необходимые для жизни веще­ ства попадают в клетку путем осмотического всасывания через мельчайшие поры оболочки (мембрану). Эти поры так малы, что сложные молекулы (белки, жиры, углево­ ды) через них не проникают. Проникновение составля­ ющих этих веществ в микробную клетку возможно при их размельчении в окружающем растворе до более простых молекул (аминокислоты, моносахариды, жирные кисло­ ты). Для осуществления такого способа питания в процес­ се эволюции у микроорганизмов выработалась способ­ ность выделять в окружающую среду гидролитические ферменты, которые подготавливают содержащиеся в ней сложные вещества к усвоению микробной клеткой. Все ферменты микроорганизмов по характеру действия делят­ ся на две группы: экзоферменты, действующие вне клетки, и эндоферменты, действующие внутри клетки. Экзоферменты участвуют в подготовке питательных ве­ ществ для усвоения их клеткой. Эндоферменты способ­ ствуют усвоению пищи. Характер действия ферментов различен. Эстеразы (липаза), расщепляющие жиры, встре­ чаются во многих плесневых грибах и бактериях. Карбогидразы, расщепляющие крахмал, молочный сахар, име­ ются и у молочнокислых бактерий и кишечной палочки. Протеазы, расщепляющие белковую молекулу, выделяют­ ся многими гнилостными бактериями и т. д.

Углеводы, попавшие в почву с отбросами, в аэробных условиях подвергаются превращениям. Так, полисахариды под действием ферментов превращаются в моносахариды. Незначительная часть моносахаридов идет для синтеза гликогена различных микробных клеток. Большая часть в процессе эндогенного дыхания микробной клетки окисля­ ется (сжигается). Например, эндогенное окисление глюко­ зы схематически выглядит так:

С 6Н 120 6+ 0 2—>6СОг + 2,88 кДж (688,5 кал)

В анаэробных условиях биохимический процесс разло­ жения углеводов органических веществ гораздо сложнее и заключается в образовании жирных кислот с их последу­ ющим распадом до водорода, углекислоты, метана и других газов. Анаэробное дыхание происходит без уча­ стия свободного кислорода. Необходимую энергию полу­ чают путем расщепления сложной молекулы органическо­ го вещества на более простые. При этом ее выделяется гораздо меньше, чем при кислородном дыхании.

Расщепление жиров идет очень медленно, так как они мало подвержены процессам биохимического разложения. В аэробных условиях жиры окисляются до жирных кислот с выделением энергии. В анаэробных условиях разложение жиров идет примерно по той же схеме, что и разложение углеводов.

Расщепление белков также происходит с участием микроорганизмов. Источником азота, необходимого для развития любого из них, являются белоксодержащие вещества. Сложные белковые молекулы (пептиды) под влиянием ферментов, выделяемых микроорганизмами, расщепляются до альбуминов и пептонов, а затем до аминокислот. Многие бактерии содержат фермент триптазу и непосредственно расщепляют белки на аминокисло­ ты, минуя стадию пептона. Часть аминокислот использу­ ется как пластический и энергетический материал размно­ жающимися микроорганизмами биопленки, а часть__ подвергается дезаминированию с образованием аммиака, воды и углекислого газа. В аэробных условиях аммиак растворяется в воде, образуя гидрат окиси аммония,

который связывается углекислотой, превращаясь в карбо­ нат аммония.

Большая часть аминокислот, образовавшихся из белко­ вых отбросов при их расщеплении, используется как пластический материал для биосинтеза микроорганизмов. В дальнейшем при отмирании этих микроорганизмов обра­ зуется гумус почвы, а при самоокислении — карбонат аммония.

Азотсодержащие органические вещества попадают в почву не только в виде белка, но и аминокислот и продуктов белкового обмена, в частности мочевины. Мо­ чевина под влиянием уробактерий и их фермента уреазы гидролизуется и образует также карбонат аммония, кото­ рый при дезаминировании в процессе гибели микроорга­ низмов биопленки и при гидролизе мочевины и других продуктов азотистого обмена подвергается биохимическо­ му окислению при помощи аэробных бактерий. Этот процесс, получивший название нитрификации, осуще­ ствляется в две фазы: в первой фазе биохимического окисления аммонийные соли превращаются в азотистые

соединения (нитриты) бактериями из рода Вас. nitrosomonas, во второй — в азотные соединения (нитраты) бактери­ ями рода Вас. nitrobacter. Азотная кислота в виде мине­ ральных соединений (нитратов) является конечным про­ дуктом окисления белковых веществ и продуктов их

обмена.

Одновременно с окислительными в почве происходят и восстановительные процессы, т. е. денитрификация. Под денитрификацией в широком смысле слова понимается восстановление бактериями нитратов независимо от того, образуются ли при этом нитриты, низшие окислы азота, аммиак или свободный азот.

Степень восстановительного действия бактерий, поми­ мо их биохимических особенностей, зависит от состава среды, ее реакции и других условий. Так, в щелочной среде и при широком доступе воздуха восстановительный процесс не идет дальше образования солей азотистой кислоты; в кислой среде и при затрудненном притоке кислорода восстановление идет до аммиака. Денитрифика­ цией в узком значении слова называют разложение нитратов и нитритов с выделением свободного азота. Не имея свободного кислорода или располагая им в ограни­ ченном количестве, денитрифицирующие бактерии берут его у солей азотной и азотистой кислот и одновременно окисляют безазотные органические соединения, черпая в этом окислительном процессе нужную им энергию. Этот сложный процесс, одновременно окислительный и восста­ новительный, может быть представлен уравнением:

5C+4KNO з=2К 2СО 3+ЗСО 2+2N 2

Нитратный азот сначала восстанавливается до закиси азота, которая постоянно содержится в газах, выделя­ ющихся при денитрификации:

2KNO 3+2C = N 20 + К 2СО 3+СО 2,

а закись азота затем разлагается с выделением свободного азота:

2N 20 + C=2N 2+ СО 2

Процесс денитрификации протекает в три фазы: 2H N 03—»2H N 02+ 0 2;

2HNO промежуточный продукт + 0 2; промежуточный продукт —>N2+ H 20 + 0

Так как установлены соотношения между окисленной глюкозой и восстановленным нитратом, С 0 2 и N 2, то формула разложения селитры примет вид:

5С 6Н 120 6+24K N 0 з= 12К 2СО 3+ 18С 02+ 12N 2+30Н 20

Процесс денитрификации характеризуется обильным выделением газов, состоящих обычно из смеси азота и углекислоты, иногда с примесью закиси азота.

Источником энергии для денитрифицирующих бакте­ рий служат углеводы, спирты, органические кислоты, пептон, аспарагин, мочевина и другие органические соеди­ нения.

Гигиеническое значение денитрификации весьма важно в связи с тем, что этот процесс при работе сооружений по почвенной очистке может стать преобладающим, когда нарушается воздухопроницаемость почвы, например в начальный период эксплуатации полей орошения. Поло­ жительная сторона этого процесса состоит в том, что при дефиците кислорода воздуха может использоваться кисло­ род нитратов, и этот процесс предотвращает загрязнение ими подземных вод. Судьба нитратов, образовавшихся при биохимическом окислении органических веществ, сводит­ ся к тому, что часть из них усваивается корнями растений, часть подвергается денитрификации и, наконец, азот нитратов может быть использован для синтетических процессов микроорганизмами.

Г л а в а 13

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ ГИГИЕНИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ ЭКЗОГЕННЫХ

г j ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

Источники загрязнения почвы. Под загрязнителями почвы, согласно определению, принятому ООН, следует понимать химические вещества, биологические организмы (бактерии, вирусы, простейшие, гельминты) и продукты их жизнедеятельности, встречающиеся в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время и в ненадлежащем количе­ стве. Под загрязнением почвы следует подразумевать лишь то содержание химических и биологических загряз­ нителей в ней, которое становится опасным для здоровья при прямом контакте человека с загрязненной почвой или через контактирующие с почвой среды по экологическим цепям: почва — вода — человек; почва — атмосферный воз­ дух— человек; почва — растение — человек; почва — растение — животное — человек и т. п. Все загрязнители можно разделить на химические (неорганические и органи­ ческие) и биологические (вирусы, бактерии, простейшие, яйца гельминтов).

Химические загрязнители делятся на две большие группы. К первой группе относятся химические вещества, вносящиеся в почву планомерно, целенаправленно, органи­

зованно. Это пестициды, минеральные удобрения, структурообразователи почвы, стимуляторы роста растений и др. Только в случае внесения избытка этих препаратов они становятся загрязнителями почвы. Ко второй группе химических загрязнителей относятся химические веще­ ства, попадающие в почву случайно, с техногенными жидкими, твердыми и газообразными отходами. Сюда входят вещества, поступающие в почву вместе с бытовы­ ми и промышленными сточными водами, атмосферными выбросами промышленных предприятий, бытовыми и про­ мышленными твердыми отходами, выхлопными газами автотранспорта и т. д. Опасность соединений как первой, так и второй групп химических веществ, поступающих в почву, определяется их токсичностью, аллергенным, мута­ генным, эмбриотропным и другими эффектами, опасными для здоровья человека как в настоящее время, так и в

последующих поколениях.

Э к з о г е н н ы е х и м и ч е с к и е в е щ е с т в а по чв ы, в н о с и м ы е ц е л е н а п р а в л е н н о . В связи с высоким экономическим эффектом, связанным с применением пре­ паратов для борьбы с вредителями растений и повышения урожайности, их использование во всем мире возрастает, поэтому с каждым годом в почву поступает все большее количество пестицидов, минеральных удобрений, структу-

рообразователей.

Пестициды. Это собирательное название химических средств защиты растений. В настоящее время в СССР,

согласно перечню пестицидов, утвержденному Министер­ ством здравоохранения СССР, применяется 33 ООО их наименований. Широкое применение пестицидов объясня­ ется тем, что потенциальные потери урожая за счет болезней растений и вредителей сельского хозяйства составляют, по данным ФАО1, 34,9% мирового урожая. Защитные же мероприятия обеспечивают дополнительно сбор с 1 га сельскохозяйственных угодий 2 — 3 ц зерна,

5 ц риса, 15 — 20 ц картофеля.

Если произвести перерасчет всего количества произво­ димых в мире пестицидов на 1 га площади возделываемых земель, то среднерасчетная концентрация их в почве должна составлять в настоящее время 0,3 кг/га, или 0,1 мг/кг. В некоторых странах уровень применения пести­ цидов значительно превышает мировой среднерасчетный.

В решениях XXVI съезда КПСС записано: «Довести в 1985 г. поставку сельскому хозяйству химических средств защиты растений до 628 тыс. тонн». Выполнение решений съезда при научно обоснованном, безопасном для здо­

I ф а о __Международная продовольственная сельскохозяйственная организация при ООН.

применяемые в сельском хозяйстве в целях повышения плодородия почвы. К ним относят макро- и микроудобре­ ния. Минеральные макроудобрения — вещества, в состав которых входят основные элементы, повышающие плодо­ родие (азот, фосфор, калий). Соответственно макроудоб­ рения делятся на азотные, фосфорные, калийные, смешан­ ные.

За относительно непродолжительный период (1952 — 1972) мировое производство минеральных макроудобрений увеличилось с 21 до 79 млн. т в год. В одиннадцатой пятилетке в Советском Союзе предполагается довести производство минеральных удобрений до 15 млн. т в год. Велик и ассортимент минеральных удобрений. Например, группа азотных удобрений включает аммиачную воду, карбамид, нитрат натрия, аммиачную селитру, калиевую селитру и др. В группу фосфорных удобрений входят простой и двойной суперфосфаты, преципитат, основные шлаки и др.

В настоящее время отсутствуют убедительные науч­ ные данные об опасности для здоровья человека примене­ ния избыточного количества минеральных удобрений. Однако азотные минеральные удобрения при избыточном их внесении в почву опасны для здоровья, так как могут вызывать отравления, получившие название нитратной метгемоглобинемии, служить основой для синтеза в почве нитрозаминов, обладающих канцерогенным эффектом и т. д.

Калий мигрирует в почве чрезвычайно медленно и не оказывает вредного воздействия на самоочищающую спо­ собность почвы и почвенный биоценоз. Однако вместе с ним вносятся ионы хлора С Г. На 45 — 50 кг/га калийных удобрений (расчет на К 20 ) приходится 30 — 35 кг/га ионов хлора, вызывающего искусственне засоление грунта. Кро­ ме того, накопление значительных количеств калия может привести к нарушению калиево-натриевого соотношения и оказать неблагоприятное воздействие на здоровье людей, вызывая нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы.

Несколько меньшую роль в загрязнении почвы играют фосфаты. Нормы расхода1 фосфорных удобрений колеб­ лются от 120 до 400 кг/га. По последним данным, нагрузка

фосфорных удобрений не должна превышать 600 кг/га, или 200 мг/кг почвы. Увеличение этих концентраций вы­

зывает резкое ухудшение органолептических свойств и

1 Под нормой расхода минеральных удобрений понимают их количе­ ство. выраженное в килограммах на 1 га по действующему веществу удобрения, рекомендованное Министерством сельского хозяйства СССР

по согласованию с Министерством здравоохранения СССР.

пищевой ценности растений. Кроме того, внесение в почву фосфорных удобрений приводит к одновременному внесе­ нию в почву фтора. В некоторых странах с наиболее распространенными фосфорными удобрениями в почву поступает до 20 кг/га, или около 7 мг/кг фтора. Из этого количества 0 ,1 — 0,4% переходит в растения. Уровень фтора в грунтовых водах повышается до 20 мг/л.

Минеральные микроудобрения вносятся в почву в относительно небольших количествах (в 1 0 — 100 раз меньших, чем макроудобрения) для повышения ее плодо­ родия. В их состав входят разнообразные микроэлементы. Так, полимикроудобрения (ПМУ-7, ПМУ-8 и др.) широко применяются в сельском хозяйстве. В их состав входит довольно много свинца: от 0,3 до 1%. Микроудобрения вносятся в почву под сельскохозяйственные культуры в количестве 20 — 50 кг/га. При нерациональном использова­ нии их вполне реальна опасность загрязнения почвы свинцом.

Таким образом, нерациональное использование мине­ ральных макро- и микроудобрений может привести к опасным последствиям как для здоровья человека, так и для окружающей среды.

С т рукт урообразоват ели почвы. Под структурообразователями почвы понимают химические вещества, вноси­ мые человеком на сельскохозяйственные угодья в целях улучшения структуры почвы. В основном к ним относятся ПАВ. Как правило, эти вещества представляют собой нестабильные соединения и разрушаются под действием почвенных микроорганизмов.

Регуляторы рост а растений. Под регуляторами роста растений подразумевают природные и синтетические орга­ нические соединения, которые в малых дозах активно влияют на обмен веществ растений.

К синтетическим регуляторам роста растений относят­ ся производные этилена, никотиновые соединения, карбаматьг, фосфониевые соединения и пр. Остаточные количе­ ства препаратов в почве и растениях зависят от норм расхода. Сроки сохранения препаратов в почве, например хлорхолинхлорида, увеличиваются в случае применения в сочетании с азотными удобрениями. Синтетические регу­ ляторы роста стабильны в почве и обладают токсично­ стью.

З а г р я з н и т е л и , п о с т у п а ю щ и е в п о ч в у с б ы т о ­ в ы м и и т е х н о л о г и ч е с к и м и о т х о д а м и . К этой группе загрязнителей относятся бытовые, ливневые и промышленные сточные воды, сточные воды животновод­ ческих комплексов, твердые бытовые и промышленные отходы, атмосферные выбросы промышленных предпри­ ятий, авто- и авиатранспорта. Химические вещества, по­

ступающие из таких источников загрязнения, как быто­ вые отходы, сточные воды населенных пунктов и живот­ новодческих комплексов, в основном являются теми орга­ ническими соединениями, к обезвреживанию, минерализа­ ции которых почва приспособилась за миллионы лет эволюции. Кроме того, в почву из приведенных выше источников загрязнения поступают биологические загряз­ нители (патогенные и условно-патогенные бактерии, про­ стейшие, вирусы, яйца геогельминтов).

Твердые быт овы е от ходы . Под твердыми бытовыми отходами понимают остатки веществ и предметов, которые образуются в результате бытовой, хозяйственной и про­ мышленной деятельности человека, которые не могут быть использованы на месте, а накопление и хранение их нарушает санитарное состояние окружающей среды. В процессе выщелачивания твердых промышленных отходов в почву может поступать ряд токсических веществ, способных к концентрации по пищевым цепочкам и, следовательно, представляющих определенную опасность для человека.

Промыш ленные ат мосф ерные выбросы . С промышлен­ ными атмосферными выбросами, особенно на близких расстояниях от источника выброса, в результате их осаждения в почву поступают содержащиеся в них веще­ ства. Повышенное количество этих веществ в почве отражается на химическом составе растений, что небез­ различно для здоровья людей и животных.

Выхлопные газы авт о- и авиат ранспорт а. В их состав входят такие токсические соединения, как свинец, бензпирен и др. На дорогах Калифорнии установлена прямая

зависимость между плотностью автомобильных потоков и содержанием свинца в почвах. Естественно, что выращи­ вание каких-либо овощей, злаков и растительных продук­ тов питания вблизи магистралей небезопасно.

Гигиеническое нормирование экзогенных химических ве­ ществ в почве. Гигиенические нормативы по оценке сани­ тарного состояния почвы при поступлении в нее органиче­ ских и биологических загрязнителей (патогенные и услов- но-патогенные вирусы, бактерии, простейшие, яйца гео­ гельминтов) уже были научно обоснованы. С появлением же таких загрязнителей, как пестициды, стимуляторы роста растений, минеральные удобрения, тяжелые метал­ лы, ПАУ, ПАВ, возникла необходимость в научном обосновании их гигиенических нормативов. До 1972 г. единственным элементом биосферы, в котором не норми­ ровалось содержание химических загрязнений, была поч­ ва. Объяснялось это тем, что почва представляет собой очень сложную малодинамичную, многофакторную систе­ му, меняющуюся на небольших климато-ландшафтных

территориях, что обусловливает наличие видов, типов, подтипов почв, стандартизовать которые ранее не пред­ ставлялось возможным из-за отсутствия необходимых исследований, а также соответствующих лабораторных моделей и математического аппарата.

В основу теории и практики гигиенического нормирова­ ния экзогенных химических веществ в почве, разработан­ ной киевской школой под руководством Е. И. Гончарука, положен критерий, осознанно допускающий возможность поступления дополнительного количества химических ве­ ществ в виде примесей к естественному составу почвы в количествах, безопасных для здоровья людей и окружа­ ющей среды. Следовательно, не всякое поступление экзо­ генных химических веществ в почву рассматривается как загрязнение, опасное для здоровья. Это положение не препятствует широкой химизации народного хозяйства в любом регионе страны при условии соблюдения системы гигиенических нормативов экзогенных химических ве­ ществ в почве, которые гарантируют охрану здоровья населения.

Второе положение теории нормирования основано на том, что безопасность поступления определенного количе­ ства химических веществ в почву обусловливается недопу­ стимостью превышения его действия выше адаптационной возможности самых чувствительных групп населения или адаптационной (самоочищающей) способности почвы при изолированном, комплексном, комбинированном или соче­ танном действии химических веществ на организм челове­ ка и окружающую среду.

В почве допускается такое содержание экзогенных химических веществ, при котором прямой контакт с ней человека (один из путей миграции по экологическим

рует отсутствие отрицательного воздействия на здоровье населения, не нарушает процессы самоочищения почвы и не влияет на санитарные условия жизни.

Согласно третьему положению теории нормирования исследования должны проводиться в экстремальных поч- венно-климатических условиях, способствующих макси­ мальной миграции изучаемого химического вещества в контактирующие с почвой среды (вода, воздух, растение)

иобеспечивающих наиболее интенсивное воздействие эк­ зогенных химических веществ на процессы самоочищения

ипочвенный микробиоценоз. Для создания экстремальных условий эксперимент следует проводить на таких типах почвы, которые обладают максимальной фильтрующей и минимальной сорбционной и поглотительной способно­