Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Агроэкология. Учебное пособие
.pdf
в 25 раз менее токсичны, чем трехвалентный мышьяк, и поэтому метилирование мышьяка – биологическое приспособление для детоксикации данного элемента. Метилируют мышьяк
в основном почвенные микроскопические грибы, у бактерий –
подчиненная роль. Процесс активен в аэробных условиях в
нейтральных средах.
В наибольших масштабах в почвах микробиологически
трансформируются соединения железа. Железо, как и марга
нец, – важнейший элемент в почве. Оба элемента имеют переменную валентность, что во многом определяет их огромную
роль в биогеохимических превращениях в почве. В зависимости от условий железо в почве находится в оксидной или закисной (восстановленной) форме.
Основные минералы, в которых железо представлено в почве в оксидной
О, гематит Fe2О3, магнетит FeCО3.
× Н
2
форме, – гётит Fe(OH)O, ферригидрит Fe2О3 ×
Восстановление соединений Fe и Мn гетеротрофными микроорганизмами широко распространено в природе. Но наиболее характерен этот процесс для почв, в которых при смене
окислительных условий на восстановительные протекает глееобразование, придающее почвенным горизонтам характерный
голубовато-зеленый цвет.
B закисной (восстановленной) форме Fe присутствует в почве в составе сидерита FeCO
FeO · A1
· SiО2 · Н2О. Восстановленные формы Fe сравни-
2О3
, сульфидов FeS2, FeS, силикатов
3
тельно хорошо растворимы. В окислительной среде они подвергаются химическому и микробиологическому окислению с
образованием нерастворимых оксидных соединений.
Восстанавливать Fe способны разные микроорганизмы,
причем не только анаэробные, но и факультативно-анаэробные
и аэробные. Осуществляемое повсеместно в почве восстановление железа важно для всех организмов, поскольку именно
двухвалентное железо
входит в состав многих металлоферментов (цитохромов, каталазы и др.), ответственных за главные биохимические функции живой клетки.
-
4.4. Микробиологическое разрушение горных пород
и минералов
Исследования В.И. Вернадского, Б.Б. Полынова и их последователей убедительно раскрыли значение биологических
факторов в протекающем на поверхности земной коры про-
71
цессе выветривания горных пород. Как известно, интенсивность выщелачивания химических элементов из горных пород
и минералов неравномерна и зависит от свойств элементов.
Согласно накопленным к настоящему времени данным, биологические процессы по масштабности и глубине осуществляемых реакций занимают ведущее положение в процессах выветривания – превращениях элементов в земной коре, в
разрушении первичных минералов и горных пород. Многочисленные исследования в самых разных регионах Земли показали,
что в естественных условиях все горные породы и минералы
(причем не только на поверхности Земли, но и на значительной
(до нескольких километров), глубине, в под поверхностных сло-
ях населены разнообразными микроорганизмами, которые при
возникновении
благоприятных условий разрушают их с выще-
лачиванием отдельных элементов.
Разрушение горных пород и минералов может идти под
влиянием как прямого, так и косвенного воздействия микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Известно несколько механизмов такого воздействия – непосредственное
окисление переменно-валентных элементов, действие биогенных кислот и щелочей, хелатообразование и биосорбция.
Переменно-валентные элементы, которые находятся в минералах и горных породах в восстановленном состоянии, способны служить источником энергии для автотрофных бактерий, переходя в окисленную форму. Среди различных групп
минералов эти бактерии наиболее легко окисляют сульфиды.
В результате окислительной деятельности бактерий двухвалентная сера сульфидов переходит в шестивалентную форму
сульфатов
, из которых затем возникают разнообразные вто-
ричные сульфатные минералы, характерные для многих почв.
Кроме серы, источником энергии для автотрофных бактерий служат Fe, Mn, Sb, Cu, Mo, U и некоторые другие элементы. В процессе биологического выветривания содержащие
данные элементы минералы разрушаются, превращаясь в иные
минералы, присутствующие в почве.
Кислотность (щелочность) определяется органическими
и минеральными кислотами
и щелочами биологического происхождения и также является одним из ведущих факторов преобразования минералов и первичного почвообразования. Способностью к продуцированию кислот и щелочей обладают все
микроорганизмы, но наиболее активны автотрофные бактерии
72
и микроскопические грибы. Автотрофные бактерии-нитрификаторы образуют азотную и азотистую кислоты, серные
бактерии – серную и сернистую кислоты.
Многие бактерии выделяют сероводород, а микро организмы-аммо нификаторы образуют аммиак, которые выступают в роли активных геохимических агентов. Микроскопические грибы продуцируют органические кислоты: уксусную,
щавелевую, янтарную, лимонную и другие, под действием
которых разрушаются горные породы и минералы. Микроскопические грибы – один из основных компонентов лишайниковпионеров при заселении горных пород.
В биологическом выветривании важно хелатообразование.
Металлоорганические комплексы образуются и действуют одновременно с биогенными кислотами, щелочами и другими
микробными метаболитами. Считается, что хелатообразование является основным механизмом деградации горных пород
и минералов при развитии гетеротрофных микроорганизмов.
Биосорбция – еще один путь воздействия микроорганизмов
на химические элементы в природных средах, что отмечал еще
В.И. Вернадский. Многие бактерии и микроскопические грибы накапливают различные элементы в своей биомассе, концентрируют элементы в местах массового развития или скопления этих организмов. В основе биосорбции
лежит взаимодействие химических элементов с поверхностными структурами клеток микроорганизмов, микробными метаболитами.
Биосорбция некоторых металлов (Au, U, Сu, Cd) микроорганизмами применяется в современной биогеотехнологии. Ус т а новлено активное участие микроорганизмов в деградации (выветривании) минералов всех основных групп – силикатов и
алюмосиликатов, сульфидов и их аналогов, арсенатов и их
аналогов, оксидов и гидроксидов.
Разные микроорганизмы, относящиеся к различным систематическим группам, участвуют также в деградации основных
алюмосиликатов, способствуя выносу катионов металлов и
разрушению силоксанной и алюмокислородной связи, лежащих в основе их кристаллической структуры. При этом один
из главных механизмов действия микроорганизмов – окисление ими элементов с переменной валентностью, входящих
в состав силикатных горных
пород и минералов.
Окисление или восстановление элементов с переменной
валентностью могут осуществляться как автотрофными, так и
гетеротрофными микроорганизмами. Усиление микробиоло-
73
гической активности в почве давно используется человеком в
сельском хозяйстве: большинство агротехнических приемов
(вспашка, внесение органических удобрений и пр.) направлено на повышение скорости биологического круговорота химических элементов и увеличение их доступности сельскохозяйственным растениям. Осушение торфяников, компостирование,
силосование кормов и прочее также способствуют ускорению
микробиологического использования химических элементов.
Ускоренная микробиологическая трансформация разнообразных веществ в очистных сооружениях за счет активизации естественных популяций микроорганизмов – еще одно использование активности микроорганизмов.
Такие же примеры усиления деятельности природных популяций микроорганизмов известны и в геологической микробиологии – при выщелачивании металлов, активизации микробиологической деятельности в нефтяных пластах с целью увеличения
их нефтеотдачи и пр.
Глава 5
НОРМИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕ И ЗАЩИТА ЕЕ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
5.1. Санитарно-гигиеническое нормирование
В основе санитарно-гигиенического нормирования лежат
предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ (элементов), характеризующие такое количество вредных веществ в среде, которое практически не влияет на здоровье
человека и благополучие его потомства. Используют также
предельно допустимый выброс (ПДВ).
Санитарно-гигиеническое нормирование учитывает четыре основных показателя: транслокационный (переход загрязняющих веществ
му), миграционно-воздушный (переход загрязняющих веществ в воздух), миграционно-водный (переход загрязняющих веществ в воду), общесанитарный ( влияние загрязняющих
веществ на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность).
Поскольку токсиканты поступают в организм человека
в основном с продуктами питания, очень важно
гигиеническом нормировании учитывать пути миграции поллютантов в системе почва – растение и отношение растений к
загрязняющим веществам.
Миграция загрязняющих веществ в системе почва – растение определяется несколькими факторами; основной из них –
миграционная способность токсиканта и отношение к нему
растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от
их вида, особенностей
ность, гранулометрический состав и пр.), типа водного режима, температурного фактора. Например, свинец в почве менее
подвижен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы
кадмия. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину (примерно до 10 см); проникновение же в
меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину
до 30 см).
из почвы в растение через корневую систе-
при санитарно-
почвенного покрова (гумусирован-
почву кадмия,
75
Аналогичные результаты получены и в других исследованиях: 57–74 % свинца и ртути при антропогенном загрязнении
закрепляется в слое 0–10 см и только 3–8 % мигрирует на глубину 30–40 см.
Миграция тяжелых металлов по органам растений может
быть представлена следующим рядом (в порядке убывания):
корни – стебли – листья – семена – плоды – клубни. Причем
содержание тяжелых металлов в тканях
корня может увеличиваться в 500–600 раз, что свидетельствует о больших защитных (буферных) возможностях этого подземного органа.
Среди травянистых растений наибольшая устойчивость отмечается у следующих семейств: Gramincae (Злаковые), Fa-
baceae (Бобовые), Chenopo-diaceae (Маревые). Например, высокие концентрации Рb выдерживает ежа сборная. По чувствительности к Cd и способности накапливать его растения
располагаются (по восходящему ряду) следующим образом:
томаты – овес – салат – луговые травы – морковь – редька –
фасоль – горох – шпинат.
Известно, что различные грибы концентрируют Hg, Se, Cd,
Cu, Zn в больших количествах.
Пока разработано ограниченное количество нормативов
ПДК тяжелых металлов в почве, так как почва в отличие от
гомогенных водной и воздушной сред является сложной гетерогенной
системой, меняющей поведение токсикантов в зави-
симости от некоторых свойств.
Трудности обоснованной оценки почвенно-экологического
состояния территории – одна из причин различного уровня фитотоксичности почв, установленного разными исследователями.
Реальную угрозу для экосистем представляет не валовое
содержание токсикантов, а содержание их подвижных форм,
поэтому в последние годы медики-гигиенисты проводят нор
мирование не только по общему содержанию загрязняющих
веществ, но и по концентрации их подвижных форм.
Степень прочности связи токсиканта в почве, т.е. его подвижность, зависит от почвенно-экологических факторов.
Решая задачи нормирования, в первую очередь следует учитывать гумусовое состояние почв, поскольку почвы разного
генетического типа заметно различаются
по сорбционной
способности.
Гранулометрический и минералогический составы почвы,
формируя емкость катионного обмена, также влияют на миграционную способность тяжелых металлов.
-
76
В почвах тяжелого гранулометрического состава подвижность токсикантов снижается. Уплотнение почвы вызывает
увеличение подвижности загрязняющих веществ. Окислительно-восстановительные условия в почвах также влияют
на процессы миграции токсикантов. Токсичность того или
иного элемента может меняться в зависимости от микро- и макроэлементного состава почвы в окружающей корень среде,
что следует учитывать
няющих веществ в почве.
С учетом принятых ПДК загрязняющих веществ разработана схема оценки почв сельскохозяйственного назначения. Эта
схема предусматривает четыре категории оценки. Наименьшее
антропогенное воздействие (допустимое загрязнение) относится к I категории; наибольшее – к IV категории. В зависимости
от категории оценки следует использовать почвы и осуществлять
необходимые мероприятия для их оздоровления. При
нормировании нужно также принимать во внимание синергический и антагонистический характер взаимовлияния многих
соединений. Например, при нитратном загрязнении присутствие серы уменьшает риск онкологических заболеваний, тогда
как наличие кадмия и пестицидов существенно увеличивает эту
опасность. Между тем система критериев на основе ПДК не
учитывает взаимовлияний
загрязняющих веществ в почве могут образовываться более
токсичные, чем исходные, соединения, что также не учитывается при оценках на основе существующих ПДК. Из-за множества
почвенно-экологических факторов, влияющих на поведение
токсикантов, единых ПДК для различных регионов быть не может, поэтому существующие нормативы не
точной степени «здоровья» земли. Необходим поиск более простых и результативных способов соответствующих оценок.
В частности, перспективна разработка интегральных показателей, более полно учитывающих биологическую составляющую,
а также самостоятельных биологических критериев.
при нормировании содержания загряз-
. Кроме того, в процессе превращения
отражают в доста-
5.2. Экологическое нормирование
В основу экологического нормирования положено изучение
действия загрязняющих веществ не на отдельные организмы,
а на систему в целом. В данном случае предполагается получение оптимальной биопродуктивности при минимальном воздействии на окружающую природную среду. В качестве кри-
77
терия воздействия предусматривается использовать показатель
предельно допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), т.е.
такой уровень нагрузки, при котором сохраняется нормальное
функционирование экосистемы.
Нормальное функционирование экосистем в условиях загрязнения предполагает в первую очередь сохранение систем
биотрансформации и детоксикации. В качестве оценочных при
этом используют следующие показатели: самоочищающую
способность почвы, степень концентрирования химического
элемента в растении (коэффициент биологического поглощения – КБП), показатель содержания токсиканта в почве и коэффициент концентрации K
, равный отношению концентрации
с
ингредиента в загрязненной почве к фоновой концентрации.
Критериями экологического нормирования также могут
служить экологическая емкость территории, экологически
оптимальная биопродуктивность (максимально возможная в
конкретных условиях данного района), биологическая продуктивность биогеоценозов, агро- и урбаноценозов с учетом оптимального для данной территории состава растительного и животного мира.
В
табл. 5.1 представлена шкала экологического нормирования содержания тяжелых металлов с учетом генетического
типа почв.
Таблица 5.1. Шкала экологического нормирования содержания тяжелых
металло, мг/кг, для геохимической ассоциации почв со слабокислой
и кислой реакцией (Обухов, Ефремова, 1991)
Градация Pb Cd Zn Cu Ni Hg
Уровень содержания
Очень низкий <5 <0,05 <15 <5 <10 <0,05
Низкий 5–10 0,05–0,10 15–30 5–15 10–20 0,05–0,10
Средний 10–35 0,10–0,25 30–70 15–50 20–50 0,10–0,25
Повышенный 35–70 0,25–0,50 70–100 50–80 50–70 0,25–0,50
Высокий 70–100 0,50–1,00 100–150 80–100 70–100 0,50–1,0
Очень высокий 100–150 1–2 150–200 100–150 100–150 1–2
Уровень загрязнения (ПДК)
Низкий 100–150 1–2 150–200 100–150 100–150 1–2
Средний 150–500 2–5 200–1000 150–250 150–300 2–5
Высокий 500–1000 5–10 500–1000 250–500 300–600 5–10
Очень высокий >1000 >10 >1000 >500 >600 >10
78
б
ситуация
–
До 1
До 0,3
лица 5.2. Критерии экологической оценки состояния почв
Та
Чрезвычайная
Удовлетворительная
ситуация
экологическая
>50 30–50 До 5
бедствие
Экологическое
1234
Показатель
А+ВА (А) До 0,1 А
Допустимый уро-
вень
>50 25–50
1–3
15–40
>3
>40
>0,1
>0,1
>400 200–400 До 20
>25 15–25 До 5
от емкости катионного
цезий-137
стронций-90
плутоний (сумма изотопов)
вы, мкР/ч
Увеличение содержания легкорастворимых солей, г/100 г почвы >0,8 0,4–0,8 До 0,1
ствие их деградации, от процента общей площади сельхозугодий
Площадь выведенных из сельскохозяйственного оборота земель вслед-
Уничтожение гумусового горизонта
Перекрытость поверхности почвы абиотическими наносомами, см >20 10–20 Отсутствие
Увеличение плотности почвы по отношению к равновесной, % Более чем на 40 На 30–40 До 10
Превышение уровня грунтовых вод, проценты от критического зна-
чения
Радиоактивное загрязнение, Ки/км:
Мощность экспозиционной дозы на уровне 1 м от поверхности поч-
Потери гумуса в пахотных почвах за 10 лет (относительные), % >25 10–25 <1
Увеличение доли обменного натрия, проценты
обмена
79
>>
>>
Окончание табл. 5.2
Превышения нет
В 2–3 раза
Более чем в 3 раза
В 5–10 раз
Более чем в 10 раз
В 10–20 раз
Более чем в 20 раз
>128 32–128 <16
)
с
>50 25–30 До 5
Дополнительные показатели
1234
<0,001 0,01–0,001 >1,0
, в которой содер-
>1000 100–1000 <2
80
I класса опасности (включая бенз(а)пирен, диоксины)
II класса опасности
III класса опасности (включая нефть и нефтепродукты)
Суммарный показатель химического загрязнения (Z
Снижение уровня активной микробной массы Более чем в 100 раз В 50–1000 раз До 5 раз
Превышение ПДК химических веществ:
Фитотоксичность почвы (снижение числа проростков), проценты к фону >200 140–200 До 110
Доля загрязненной основной сельскохозяйственной продукции, от
процентов проверенной
Число яиц гельминтов в 1 кг почвы >100 10–100 Отсутствие
Число патогенных микроорганизмов в 1 кг почвы >10 10–10 <10
Колититр (для почвы – наименьшая масса почвы в г
лем), число раз
жится 1 кишечная палочка)
Генотоксичность почвы (рост числа мутаций по сравнению с контро-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]