«Химическое загрязнение почв соединениями металлов»

I Организационно-методический раздел

Целью спецкурса является комплексное изучение процессов, происходящих при химическом загрязнении почв соединениями металлов, а также методов, позволяющих это загрязнение оценить и охарактеризовать.

В задачи спецкурса входит: изучение современных представлений о процессах и химических реакциях, происходящих в почве с участием соединений металлов, поступивших туда при загрязнении; изучение современных методов выделения из почвы различных форм соединений металлов, изучение современных инструментальных методов определения металлов, изучение принципов, методов и критериев оценки степени загрязнения соединениями металлов почв различных территорий.

Спецкурс дополняет знания студентов, полученные ими ранее при изучении курсов «Химия почв» и «Химический анализ почв» и включает в себя как теоретические сведения, способствующие лучшему пониманию проблемы, так и методы и приёмы, необходимые для проведения полевых и лабораторных исследований загрязнения почв соединениями металлов от различных источников загрязнения.

По окончании спецкурса студент должен иметь представление об основных процессах и реакциях, происходящих в почве с соединениями металлов при химическом загрязнении, уметь организовывать и проводить исследования, направленные на оценку характера и степени техногенного загрязнения почв, уметь выбрать наиболее подходящие для этого методы анализа, обработки и представления информации.

II. Содержание курса

1. Введение. Определение основных понятий и терминов. Развитие представлений о роли антропогенного фактора почвообразования в различные периоды времени. Предпосылки к началу систематических исследований загрязнения почв – развитие промышленности и инфраструктуры, ухудшение качества среды обитания, появление новых методов определения загрязняющих веществ. Цели изучения загрязнения почв соединениями металлов: получение объективной информации о масштабах загрязнения почв вокруг источников загрязнения (пространственное распределение загрязняющих веществ в зоне воздействия источников загрязнения), о подвижности и биологической доступности соединений металлов в почвах, прогнозирование изменений в пространственном распределении и химическом состоянии соединений металлов во времени. Основные этапы исследования химического загрязнения почв соединениями металлов: отбор почвенных проб в соответствии со спецификой исследуемой территории; подготовка почвенных проб к определению содержания металлов или их соединений; определение содержания металлов инструментальными методами; обработка и интерпретация полученных результатов. Определение основных терминов, используемых в рамках курса: «металл», «тяжелый металл», «микроэлемент». Представление об оптимальных, недостаточных и токсических уровнях концентрации химических элементов и их соединений. Токсичность соединений металлов. Прямое и косвенное воздействие соединений металлов на почву и почвенную биоту. Вещества, поступающие в почву совместно с металлами. Понятия «техногенное воздействие», «антропогенное воздействие», «загрязнение почвы», «химическое загрязнение почвы», «загрязняющее вещество», «источник загрязнения», «фоновое содержание», «предельно допустимая концентрация», «подвижность вещества в почве», «соединения химических элементов в почвах», «формы нахождения химических элементов в почвах».

2. Источники соединений металлов в почвах. Уровни содержания химических элементов в почвах. Природные источники металлов в почвах. Содержание химических элементов в различных горных породах. Биогеохимические провинции. Техногенные источники загрязнения почв металлами. Количество химических элементов, поступающих в почву при разных видах техногенного загрязнения. Профильное распределение содержания металлов как отражение влияния материнской породы, перераспределения вещества ходе почвообразовательного процесса и приноса вещества извне (загрязнения).

3. Современные представления о процессах и химических реакциях с участием ионов металлов в почвах. Механизмы закрепления ионов металлов в почве. Механизмы образования электрических зарядов на поверхности почвенных частиц и реакции взаимодействия ионов металлов с обменными позициями. Особенности ионного обмена с участием ионов различных элементов (влияние строения электронных оболочек, размера ионов, свойств обменных позиций). Гетерогенность, полифункциональность и энергетическая неоднородность почвенного поглощающего комплекса. Адсорбция ионов металлов. Механизмы адсорбции. Понятие о «специфической адсорбции». Химические реакции, приводящие к сверхэквивалентному поглощению ионов металлов почвами. Хемосорбция. Поверхностные комплексы. Уравнения и изотермы адсорбции. Труднорастворимые соединения металлов. Возможность их существования и образования в почвах при техногенном загрязнении. Особенности полиэлементного загрязнения почв соединениями нескольких элементов. Конкурентные взаимоотношения, возникающие при взаимодействии ионов металлов с почвенными реакционными центрами. Селективность и избирательность поглощения ионов металлов почвами.

4. Формы поступления и формы нахождения соединений металлов в почвах. Трансформация техногенных соединений металлов в почвах. Взаимодействие ионов металлов с реакционными центрами почвенных компонентов. Почвенные компоненты, оказывающие наибольшее влияние на поведение ионов металлов в почвах. Аддитивность свойств почвенных компонентов. Органическое вещество. Функциональные группы гуминовых кислот. Химические реакции взаимодействия ионов металлов с почвенными органическими соединениями. Комплексные соединения металлов с органическими лигандами. Глинистые минералы. Химические свойства минералов, определяющие особенности их взаимодействия с ионами металлов в почвах. Изоморфные замещения и дефекты кристаллической решетки. Возможность вхождения ионов металлов в межпакетные промежутки. Несиликатные соединения (оксиды и гидроксиды) железа, алюминия, марганца. Строение и химические свойства данных веществ, определяющие особенности их взаимодействия с ионами металлов в почвах. Формы нахождения данных веществ в почвах различных типов (плёнки, конкреции и другие новообразования). Диффузия ионов металлов через железистые пленки. Элементы с переменной валентностью. Влияние почвенных свойств на степень их окисления и подвижность в почвах.

5. Методы выделения различных форм соединений металлов. Валовое содержание металлов. Деструктивные и недеструктивные методы определения валового содержания металлов в почве. Особенности определения отдельных элементов. Химические соединения и формы нахождения металлов в почвах. Необходимость их изучения при контроле загрязнения почв. Подвижность металлов в почвах. Принципы и методы определения техногенной составляющей содержания металлов в почвах. Методы выделения различных соединений металлов в почвах. Обоснование возможности их использования для изучения загрязнения почв с химической точки зрения. Соединения металлов, переходящие в водную вытяжку. Обменные катионы. «Специфически адсорбированные» соединения металлов. Труднорастворимые соединения металлов. Ионы металлов, связанные с различными почвенными компонентами: органическими соединениями, алюмосиликатами, несиликатными соединениями железа, марганца, алюминия. Соединения металлов в составе различных гранулометрических фракций почв. Методы последовательного фракционирования соединений металлов с помощью «селективных» экстрагентов. Их достоинства, недостатки и ограничения использования.

Методы выделения из почвы соединений металлов с помощью «неселективных» экстрагентов. Использование кислотных вытяжек и вытяжек с ацетатно-аммонийным буферным раствором. Реакции, происходящие в почве при её взаимодействии с этими экстрагентами. Соединения металлов, реально определяемые в данных вытяжках.

6. Инструментальные методы определения содержания элементов в почвах и в вытяжках из почв. Методы атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Пламенные атомизаторы. Электротермические атомизаторы. Метод холодного пара. Гидридные методы. Методы атомно-эмиссионной спектрофотометрии. Фотометрия пламени. Атомно-эмиссионная спектрофотометрия с индуктивно-связанной плазмой. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой. Рентген-флюоресцентные методы. Нейтронно-активационные методы. Полярографические методы. Потенциометрические методы. Достоинства и недостатки данных методов при контроле загрязнения почв соединениями металлов. Возможность их использования при проведении исследований загрязнения почв соединениями металлов. Особенности определения отдельных элементов. Принципы выбора метода определения при исследовании загрязнения почв соединениями металлов.

7. Загрязнение почв соединениями металлов вокруг промышленных предприятий. Пространственное распределение загрязняющих веществ от стационарного точечного источника. Атмосферный перенос загрязняющих веществ и факторы, на него влияющие. Математическое моделирование процессов переноса загрязняющих веществ и его использование для изучения загрязнения почв соединениями металлов. Особенности загрязнения почв выбросами различных предприятий: металлургических, энергетических, химических. Вещества, поступающие в почву совместно с металлами. Полиэлементный характер загрязнения почв. Стратегия проведения исследований загрязнения почв вокруг точечных источников. Особенности отбора проб. Визуальные, химико-аналитические исследования и математическая обработка результатов. Показатели экологической обстановки в зоне воздействия газопылевых выбросов металлургических предприятий. Понятие о локальном фоновом уровне содержания веществ в почве. Коэффициент концентрации. Изменение степени подвижности металлов как следствие химического загрязнения.

8. Загрязнение почв соединениями металлов, связанное с работой транспорта. Загрязнение почв, связанное с работой автотранспорта. Металлсодержащие добавки к моторному топливу. Загрязнение почв свинцом и другими элементами, вызванное сжиганием топлива. Загрязнение почв соединениями металлов, вызванное износом деталей и механизмов автомашин. Методы математического моделирования пространственного распределения загрязняющих веществ вокруг автомобильных дорог. Загрязнение почв, связанное с работой железнодорожного транспорта.

9. Загрязнение соединениями металлов почв городов и прилегающих к ним территорий. Особенности почвенных условий и экологической обстановки в крупных промышленных городах. Городские почвы. Особенности их формирования. Особенности химических свойств городских почв. Источники загрязнения и загрязняющие городские почву вещества. Загрязнение городских почв соединениями металлов. Полиэлементный характер загрязнения городских почв. Техногенные ассоциации химических элементов. Суммарный показатель загрязнения почв металлами. Загрязнение городских почв легкорастворимыми солями. Утилизация промышленных и бытовых отходов. Проблемы использования осадка сточных вод. Проведение исследований загрязнения городских почв. Особенности отбора проб, методов химического анализа и обработки полученных результатов. Условия выбора фонового уровня содержания металлов в почвах.

Вопросы к зачету. Природные и техногенные источники соединений металлов в почвах Почвенные свойства, влияющие на поведение соединений металлов при техногенном загрязнении. Изменение свойств почв при их загрязнении соединениями металлов. Механизмы связи ионов металлов с почвой. Формы нахождения металлов в почвах. Методы выделения из почвы различных форм соединений металлов. Аналитические методы определения содержания металлов в почвах. Критерии выбора аналитического метода при изучении химического загрязнения почв металлами. Методы исследования загрязнения почв соединениями металлов вокруг промышленных предприятий. Методы исследования загрязнения почв соединениями металлов в крупных промышленных городах. Особенности природных условий и свойств почв крупных промышленных городов, влияющих на поведение соединений металлов при загрязнении. Загрязнение почв соединениями металлов, связанное с деятельностью транспорта. Методы оценки фонового содержания металлов в почве при техногенном загрязнении. Критерии, показатели и методы оценки степени загрязнения почв соединениями металлами. Особенности отбора почвенных проб при изучении загрязнения почв соединениями металлов в зоне воздействия промышленных предприятий и в крупных городах.