Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства почв городов Ростовской области. Монография

21

влажности почвы и др., наличие экранирующего действия искусственных покрытий и утечки природного газа из городской газопроводной сети.

Асфальтовое покрытие, например, практически полностью экранирует почву. Одним из негативных последствий затрудненного газообмена является пониженное поступление кислорода: коэффициент диффузии кислорода уменьшается от 3,8×10-2 см2/с на открытом пространстве до 5×10-5 см2/с под асфальтовым покрытием. При таком коэффициенте диффузии, если нет других источников поступления кислорода, его количество недостаточно для жизнедеятельности аэробных организмов и корней деревьев в 10 -сантиметровом слое почвы. Однако кислород может поступать в почву под асфальтом из трещин и граничащих с дорогой участков, причем наблюдается прямая зависимость количества кислорода в центре дороги от ее ширины.

На газовый состав почв влияют и утечки газа из городских газовых коммуникаций. Во многих странах Западной Европы были зарегистрированы случаи, когда из-за этого происходило усыхание деревьев и кустарников в городе. Вероятно, это явление имеет место и в наших городах, но, по-видимому, ему не уделяется должного внимания.

При поступлении природного газа (в основном это метан, этан, пропан) в почву, значительно (в 50-100 раз) возрастает интенсивность микробиологического окисления метана и других газов ввиду активного развития специфической группы анаэробных микроорганизмов, что увеличивает потребление О2 и продуцирование СО2 (Герасимова и др., 2003).

Исследования сезонной динамики эмиссии метана в атмосферу показали, что в почвах различных зон и типов она проявляется неодинаково с максимумами в различное время года (Whalen, Reeburgh, 1988; Zelenev, 1996).

22

ГЛАВА 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Одна из примечательных черт нашего времени – постоянное увеличение числа химических веществ во всех сферах жизни. По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, при этом их арсенал ежегодно пополняется еще на 250 тысяч новых соединений (Шеуджен, 2003).

Исторически на Земле сложилось два круговорота веществ — геологический, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы, и биологический, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник новый круговорот веществ — антропогенный, или техногенный, движущей силой которого является производственно-хозяйственной деятельностью человека.

Вотличие от естественных круговоротов антропогенный включает в себя компоненты, ранее в природе не существовавшие. Кроме того, техногенный круговорот в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не о техногенном круговороте, а о техногенном обмене веществ. Именно незамкнутость техногенного круговорота, приводит к загрязнению природной среды. Важная составляющая в этом загрязнении принадлежит избыточному поступлению в биосферу так называемых «тяжелых металлов».

Вработах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V,

23

Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. (Ильин, 1991; Орлов и др., 1991). При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. (Остроумов, 1986; Островская, 1987). По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8

г/см3. Это Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Формально определению ТМ соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н.Ф. Реймерса (1990) отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu,

24

Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Среди ТМ многие являются микроэлементами, биологически важными для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.

Внастоящей работе основное внимание уделено Ni, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Pb. Так же определенно содержание Mg, Al, Si, P, K, Ca.

2.2.ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕ

Втаблице 2 представлены ПДК в почве исследованных в настоящей работе элементов.

Одна из важнейших особенностей техногенеза металлов заключается в переводе их в неустойчивые геохимические формы, такие как свободные металлы. Они подвергаются окислению, их растворимость резко возрастает. Растворимые соединения вовлекаются в биологическую

25

миграцию. В биологической миграции ТМ не включаются в процесс самоочищения. Их концентрации могут лишь разбавляться в ходе миграции. Они подвергаются всем типам миграции и биологическим круговоротам, загрязняя жизнеобеспечивающие среды: воду, воздух, пищу (Торшин и др., 1990; Соколов, Черников, 1999; Перязева, 2001).

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные и техногенные (табл. 2). Природными источниками является выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность. К техногенным источникам относятся добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и др. (Бондарев, 1976; Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Бирагова, 2003). Сельскохозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и специфически, при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, известковании, использовании сточных вод (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Торшин и др., 1990).

В последнее время, особое внимание ученые уделяют городским почвам. Последние, безусловно, испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение ТМ (Приваленко, 1993; Ларина и др., 1996; Ладонина и др., 1999; Ильин и др., 2000 и др.; Кадацкий и др., 2001; Ильин, 2002; Хамитова, Степанова, 2004).

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприятий цветной металлургии — основного источника загрязнения окружающей среды ТМ

— основная масса металлов (70-90 %) находится в форме оксидов (табл. 3) (Горбатов, 1983; Цаплина, 1994).

26

Таблица 3

Источники поступления ТМ в окружающую среду (Вредные химические вещества, 1988)

28

Попадая на поверхность почв, ТМ могут либо накапливаться, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории.

Влияние ТМ на живые организмы зависит, прежде всего, от концентрации подвижной формы металла в почве. Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и уровня техногенного воздействия (Ладонин и др., 1994). Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию ТМ почвой. Рост значений рН усиливает сорбированность катионообразующих металлов (медь, никель, свинец, ртуть, цинк, и др.) и увеличивает подвижность анионообразующих (хром, молибден, ванадий и др.). С другой стороны усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов (Касимов, 1983; Добровольский, Гришина, 1985). В итоге по способности связывать большинство ТМ, почвы образуют следующий ряд: серозем > чернозем > дерновоподзолистая почва (Горбатов, Обухов, 1989).

Большая часть ТМ, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах. ТМ сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы, в частности в виде элементно-органических соединений, аккумулируются в гидроксидах железа, входят в состав кристаллических решеток глинистых минералов, дают собственные минералы в результате изоморфного замещения, находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге, и газообразном состоянии в почвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты (Александрова, 1980; Глазовская, 1988; Кулматов, 1988; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Добровольский, 1997; Водяницкий, Добровольский, 1998; Мотузова, 1999: Травникова и др., 2000; Brummer et al., 1983).

29

С составляющими твердой фазы почвы ТМ связаны как прочными хемосорбционными связями, так и связями, допускающими катионный обмен. Обменные формы металлов составляют незначительную часть общей массы металлов, находящихся в почве (Добровольский, 1997). Основным процессом, контролирующим уровень концентрации ТМ в почвенных растворах, является не осаждение труднорастворимых соединений, а различные адсорбционные механизмы (Горбатов, 1988). Со временем в почвах происходит уменьшение содержания водорастворимой, обменной и непрочносвязанной форм соединений ТМ вне зависимости от того поступили ТМ в почву в виде оксида или растворимой в воде соли (Алексеев, 1979; Тихомиров и др., 1979; Горбатов, Обухов, 1989).

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве значительно больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почвы, особенно ТМ, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почве, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Период полуудаления (или удаления половины от начальной концентрации) ТМ сильно варьирует для различных элементов, но составляет достаточно продолжительные периоды времени: для Zn — от 70 до 510 лет; для Cd — от 13 до 110 лет; для Сu — от 310 до 1500 лет и для Pb — от 740 до 5900 лет (Садовникова, 1994).

Важной функцией почвы является то, что она, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер (или даже фильтр), контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

30

2.3. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Вопервых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ приводят к росту заболеваемости населения и сокращению продолжительности жизни, а также к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции.

Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т.д.

Влиянию загрязнения ТМ на биологические свойства почв посвящено большое количество исследований.

ТМ способны изменять общую численность микроорганизмов в почве. Чувствительность к ТМ различается у разных групп почвенных микроорганизмов. При загрязнении почв ТМ наблюдается снижение количества бактерий и актиномицетов (Евдокимова, Мозгова, 1975; Бабьева и др., 1980; Скворцова и др., 1980; Евдокимова и др., 1984; Булавко, Наплекова, 1984; Левин и др., 1989; Kabata-Pendias, Pendias, 1973). Наиболее чувстви-

тельными являются аммонифицирующие, олигонитрофильные, корнеподобные и некоторые споровые бактерии, актиномицеты (Стефурак, 1982; Bewley, Stotzky, 1983; Ammann, Koeppe, 1984). В большей степени устой-

чивы к загрязнению целлюлозолитические бактерии (Булавко, Наплекова,