Влияние тяжелых металлов на состояние почв. Методы мониторинга и восстановления

С чем связано и чем опасно загрязнение почвы тяжелыми металлами

Почва является поверхностным слоем суши. При воздействии техногенных факторов состав грунта подвергается изменениям. Процесс, при котором в земле появляются нехарактерные микроэлементы, характеризующиеся токсичным воздействием, и влияющим на свойства грунта, называется загрязнением почвы тяжелыми металлами.

Тяжелые металлы, загрязняющие почву

Негативные последствия провоцируются переизбытком любых инородных примесей в грунтовых слоях. Самыми опасными, с учетом степени их токсичности, считаются ртуть, кадмий и свинец. Но другие вещества, не характерные для состава, также вызывают загрязнение и вредят земле.

С учетом способности к загрязнению выделяют 4 группы микроэлементов:

На основании классификации по степени загрязнения определяется уровень токсичности и способы очистки.

Ртуть

Вещество проникает в почву с пестицидами. Другой источник ртути – промышленные и бытовые отходы. Среди бытовых предметов, в составе которых есть этот элемент, люминесцентные лампы, термометры, другие измерительные приспособления.

Ежегодно в грунт проникает 5 тыс. тонн этого элемента. Учитывая токсичные свойства, загрязнение почвы ртутью относят к наиболее опасным техногенным процессам. Из земли вещество способно отравлять животных и людей. Попадая в организм, ртуть провоцирует сильную интоксикацию с одновременным поражением нервной системы. Часто отравление приводит к летальным исходам.

Свинец

Наибольшее количество свинца попадает в грунт в местах его добычи. На 1 тонну металла приходится 25 кг свинца, попадающего в землю в виде пыли.

Источником загрязнения выступают транспортные средства. Свинец содержится в выхлопных газах, которые выделяются двигателями внутреннего сгорания. Поэтому почва наиболее загрязнена свинцом возле крупных автомагистралей, шоссе. Радиус загрязнения достигает 200 метров вдоль трасс.

Из грунта свинец проникает в растения, которые позже используются в пищу домашними животными. Вместе с мясом и мясными продуктами токсичный элемент попадает в организм человека.

Главная опасность свинцовой соли заключается в ее канцерогенных свойств. При попадании в организм в избытке, микроэлемент откладывается в органах, в том числе почках и печени. Поражается нервная система, головной мозг. Избыток свинца повышает риск развития онкологических опухолей, врожденных аномалий.

Кадмий

К источникам кадмия, проникающего в землю, относятся промышленные отходы, образующиеся во время добычи и переработки цинковой, свинцово-цинковой и медно-цинковой руды. Кадмий содержится в составе выхлопных газов, фунгицидов, суперфосфатов.

Медь и цинк

Эти микроэлементы входят в состав веществ, провоцирующих загрязнение почв тяжелыми металлами. В малых количествах они не несут угрозы. Но в высоких концентрациях, особенно в сочетании с другими веществами, оказывают токсичное воздействие.

Загрязнение грунта цинком и медью отмечается в непосредственной близости от предприятий, на которых изготавливаются лакокрасочные материалы, электроприборы, кабели. Также высокие концентрации цинка и меди в земле отмечаются в местах непосредственной добычи этих элементов.

Молибден

Попадание в почву происходит при добыче и переработке медно-молибденовых руд.

Поступление молибдена в почву происходит двумя путями:

• Попадание в почву на этапе переработке руды.
• Вынос из отвалов рудника.

Молибден относится ко 2-ой категории опасности среди загрязняющих веществ. В минимальных количествах микроэлемент поступает вместе с пищей. Суточная норма составляет до 250 мкг. При попадании в организм свыше 15 мг наступает интоксикация. У пациентов возникают патологии костного мозга, селезенки, развивается подагра.

Сурьма

Источником загрязнения считаются производственные предприятия, на которых используется такое вещество. Сурьма применяется при изготовлении лакокрасочных материалов, электротехники, производстве сплавов, цветных металлов, удобрений.

Сурьма образует летучие соединения. Из-за этого вещество распространяется на большие расстояния от промышленного региона.

Мышьяк

Попадает в грунт при обработке гербицидами и инсектицидами, при помощи которых борются с вредителями. Мышьяк известен токсичными свойствами. Он способен накапливаться в почве. При этом вещество не адсорбируется и не поглощается растениями.

При попадании в организм мышьяк провоцирует поражение нервной системы. Нейротоксикоз приводит к осложнениям, в том числе отказу жизненно важных органов.

Марганец

Марганец входит в число незаменимых микроэлементов, но в концентрациях, превышающих норму, обладает негативным воздействием. Источником загрязнения выступают добывающие и перерабатывающие предприятия.

Из почв, загрязненных тяжелыми металлами, марганец попадает в растения. Оттуда вещество попадает в воздух и воду. По биологическим цепям элемент проникает в организм животных и человека.

При переизбытке марганца нервные клетки отмирают. Это приводит к ряду расстройств, способных привести к летальному исходу.

Оценка степени загрязнения тяжелыми металлами

При диагностике загрязнения почв применяются разные методы. Каждый из них имеет свою специфику и не одинаково эффективен в разных регионах. Поэтому концентрацию элементов определяют с учетом потенциальных источников загрязнения.

Выделяют такие способы оценки:

• Биоиндикация.
  Оценка состояния грунта, отражаемого биологическими индикаторами. К таким индикаторам относят состояние растений на изучаемой территории, активность грунтовых микроорганизмов, реакции мхов, лишайников на изменения в составе грунта.
• Оценка загрязнения снежного покрова.
  В промышленных регионах микроэлементы попадают в грунт через воздух посредством техногенной пыли. Она оседает и в дальнейшем проникает в почвенные слои. За счет оценки снежного покрова в зимний сезон определяется примерный объем металлов, попадающих в грунт в течение отдельного отрезка времени.
• Определение магнитной восприимчивости почвы.
  Представляет собой экспресс-метод, при котором определяется количество содержащихся в грунте оксидов железа. Эти вещества являются основным разносчиком загрязнения при выбросах в атмосферу.

В регионах, где почва наиболее загрязнена тяжелыми металлами, ведется учет численности микроорганизмов. Этот показатель отражает активность почвы и качество протекающих в ней процессов разложения и адсорбции веществ.

Методы очистки земель от тяжелых металлов

Для предотвращения негативных последствий, связанных с попаданием в грунт токсичных веществ, выделяют 2 направления мероприятий. Первое связано со снижением концентрации металлов, проникающих в землю при производстве, в совокупности с отбросами и другими источниками.

Второй путь решения проблемы предполагает восстановление почвы, которая уже подверглась пагубному влиянию. Для этого используются методы, направленные на снижение концентрации металлов и их нейтрализацию.

Использование почв в зависимости от из загрязненности тяжелыми металлами

Известкование

Внесение извести в грунт положительно сказывается на химических, физических и биологических свойствах. В сочетании с известью микроэлементы образуют труднорастворимые соединения, которые постепенно рассасываются за счет химического поглощения.

Растения, выращенные в земле, обработанной известью, содержат минимальное количество металлов в составе. При попадании извести меняется кислотность почвы, в результате чего подвижность частиц тяжелых металлов снижается а растворимость увеличивается.

Глинование

Глинование положительно отражается на составе почвы, влияя на подвижность тяжелых металлов. При внесении глины, содержащей минеральные добавки, увеличивается катионообменная емкость грунта. Глинистые вещества сорбируют металлы сильнее органических добавок. Степень воздействия зависит от характеристик загрязняющих веществ.

Промывка почв

При значительной концентрации токсичных веществ применяется метод промывки при помощи реагентов. Способ имеет несколько недостатков, среди которых попадание металлов в грунтовые воды и одновременное выведение из грунта ценных для растений компонентов.

В качестве реагента применяют растворимые соли железа, характеризующиеся низкой токсичностью для растений. После промывания проводится известкование почвы, внесение минеральных и органических удобрений.

Природные и искусственные сорбенты

Метод предусматривает внесение цеолитов – природных сорбирующих веществ, повышающих объем впитываемых микроэлементов. Для биоремедиации могут использоваться метаболически активные грибы, черви или насекомые. Результаты данного метода зависят от общего состояния почвы, степени загрязнения, состава.

В качестве искусственных сорбентов применяют активированный уголь, ионообменные смолы, биологически активные отходы.

Минеральные удобрения

Компоненты минеральных удобрений влияют на подвижность металлов. Однако такой способ не всегда полезен, а при неправильном применении наносит вред. Побочным действием внесения удобрений является рост уровня кислотности, что негативно влияет на подвижность токсинов.

Для детоксикации вносят фторсодержащие удобрения. Метод целесообразен при сильных загрязнениях. При незначительной концентрации вредных веществ применение удобрения ухудшит общее состояние почвы.

Органические удобрения

Земля, подпитанная органикой, менее чувствительна к негативному воздействию. При помощи органических удобрений увеличивается плодородность, растет запас питательных компонентов, необходимых растениям для полноценного роста.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Метод рекультивации почв предусматривает ряд мероприятий, направленных на восстановление естественного состава. Перед началом процедур определяется вещество, вызывающие ухудшение состояния земли.

К методам рекультивации относятся:

• Взращивание растений, устойчивых к источникам загрязнения.
• Восстановление почвы методом фиторемедиации (высадка растений, накапливающих и удерживающих в себе вредные элементы).
• Контроль подвижности тяжелых металлов в грунтовых слоях.
• Соблюдение баланса микроэлементов в грунте.
• Замена или разбавление загрязненного слоя земли.

При рекультивации применяются многочисленные методы очистки. В вспомогательных целях в грунт вносят вещества-сорбенты естественного и искусственного происхождения.

Круговорот тяжелых металлов в почве

Методы защиты почвы от загрязнения тяжелыми металлами

Для снижения концентрации отравляющих элементов применяют физические, химические и биологические методы.

К ним относятся:

• Увеличение кислотности почвы за счет органических и минеральных удобрений.
• Очистка грунтовых вод.
• Снижение выбросов металлической пыли в атмосферу.
• Альтернативные источники энергии.
• Уменьшение потерь во время производственных процессов.
• Переработка и безопасная утилизация промышленных отходов.

Одновременно с очищением почвенных масс требуются меры, направленные на снижение вредных выбросов в атмосферу и загрязнение почвы. Поэтому защита грунта от тяжелых металлов – только одна из трудностей, связанных с техногенным воздействием на окружающую среду.

Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами

Избыток таких веществ провоцирует ряд негативных эффектов. К опасным последствиям загрязнения почв относятся патологии, возникающие при попадании металлов в организм. Большинство описанных элементов в избыточных концентрациях обладают нейротоксическими свойствами. Отравление может сопровождаться как острыми, так и хроническими заболеваниями, потенциально опасными для жизни осложнениями.

Последствия загрязнения почв тяжелыми металлами

В число негативных для почвы последствий загрязнения входят:

• Ухудшение роста растений.
• Снижение общей плодородности грунта.
• Гибель полезных растительных культур.
• Ухудшение качества воды.
• Уменьшение количества питательных веществ в земле.
• Негативное влияние на фауну.
• Воздействие на микробиологические характеристики.

Загрязнение тяжелыми металлами приводит к нарушению круговорота веществ в природе, что отражается на всех элементах биосферы.

Попадание тяжелых металлов в почву – побочный техногенный эффект человеческой деятельности. Несмотря множество методов защиты и очистки, в грунт поступают большие объемы отравляющих веществ.

Влияние тяжелых металлов на состояние почв. Методы мониторинга и восстановления

Почва является индикатором экологического благополучия местности. Загрязнения в ее верхние слои поступают вместе с атмосферными осадками, грунтовыми водами, отходами промышленных предприятий. К их числу относятся тяжелые металлы и их производные.

К этой категории веществ принадлежат более сорока химических элементов таблицы Менделеева, различающихся несколькими параметрами:

• плотностью;
• атомной массой;
• степенью токсичности.

Парадокс заключается в том, что многие из них в определенной концентрации необходимы для жизнедеятельности организмов, но ее превышение влечет за собой губительные последствия.

В рамках лабораторного анализа почв проводится исследование показателей безопасности, среди которых – типичные представители группы. Это медь, свинец, молибден, сурьма, мышьяк, свинец и проч.

Источники отравления почвы тяжелыми металлами

Естественный источник, поставляющий химические соединения данной категории, – магматические и осадочные горные породы. Некоторые токсичные элементы попадают в атмосферу, а затем с вулканическими газами, выбросами гейзеров – в почву.

Но масштабное загрязнение грунтов связано с техногенной деятельностью. Тяжелые металлы проникают в грунт следующими путями:

• с отходами предприятий металлообрабатывающей промышленности;
• в процессе сжигания ископаемых видов топлива. Установлено, что угольная и нефтяная зола содержит практически все тяжелые металлы. Суммарная концентрация доходит до 500 г на одну тонну топлива;
• с автомобильными выхлопами;
• с химикатами, применяемыми в сельском хозяйстве.

Всемирная организация здравоохранения называет три самых токсичных варианта заражения грунта: свинцом, кадмием и ртутью. Именно эти показатели обязательно исследуются при проведении анализа почвы. Но значительный ущерб причиняют земельным ресурсам и другие тяжелые металлы в повышенной концентрации.

Из верхних гумусовых горизонтов почвы они удаляются следующим образом:

• в процессе вымывания водорастворимых соединений;
• путем накапливания растениями;
• в результате выветривания.

Но практически для всех представителей группы период снижения их содержания наполовину очень длительный:

• от 700 до 6000 лет у свинца;
• от 300 до 1500 – у меди;
• от 70 до 500 – у цинка.

Тяжелые металлы могут вступать в химические реакции с органическими составляющими почвы. В содержащих гумус слоях они поглощаются очень слабо. На образование соединений и переходных форм влияют особенности грунта:

• при избытке влаги тяжелые металлы переходят в низшие окислительные степени и растворимые формы;
• в условиях анаэробности они легко поглощаются растениями;
• растения накапливают соединения в листьях и стеблях.

Затем, по питательной цепочке, токсичные вещества попадают в организм человека.

Последствия загрязнения почв тяжелыми металлами

Заражение почвенного слоя кадмием, ртутью, свинцом, цинком отражается на состоянии фауны и флоры:

• снижается численность насекомых;
• наблюдается гибель дождевых червей;
• у деревьев уменьшаются в размерах листья, поскольку падает активность клеточных ферментов;
• наблюдается снижение концентрации олиготрофных бактерий.

Почвенные микроорганизмы необходимы для разложения органических веществ. Отклонение их количества от нормы, вызванное заражением грунта тяжелыми металлами, замедляет, приостанавливает этот процесс.

В результате загрязнения изменяются гумусное состояние, кислотность, структура почвенных покровов, что является причиной снижения плодородия.

Кроме дестабилизации почвенного состава, снижения численности и видов микроорганизмов, загрязнение почвы тяжелыми металлами способствует поступлению по пищевым цепочкам токсичных веществ в организм людей, что приводит к росту заболеваемости и сокращению продолжительности жизни.

Охрана почв от загрязнений

Основное защитное мероприятие – недопущение заражения почвы тяжелыми металлами, поскольку удаление их – очень сложная задача. Если показатели безопасности по результатам анализа почв отличаются от норм, очевидно, что загрязнение уже произошло. Существующие методы восстановления включают следующие мероприятия:

• известкование, внесение органических веществ увеличивает показатели кислотности. В некоторой мере это снижает уровень концентрации токсичных металлов;
• высевание и скашивание некоторых растительных культур. Известно, что клевер способен накапливать токсичные элементы;
• устранение миграции тяжелых металлов;
• детоксикация грунтовых вод.

В случаях значительного превышения допустимых норм применяются кардинальные меры: полное снятие, утилизация почвенного покрова, замена его новым слоем.

Контроль состояния земельных ресурсов осуществляется путем проведения лабораторных исследований. Распространенная методика – атомно-абсорбционный анализ образцов. Ее преимущества:

• высокая чувствительность;
• избирательность;
• простота выполнения исследований.

Таким образом удается определить качественный состав (до 70 токсичных элементов) и количественное содержание с точностью 0,1–0,01 мг/кг.

Определение валового содержания металлов не всегда отражает степень загрязнения. Исследование концентрации подвижных форм и соединений проводится путем экстракции из образцов кислотами, солями, буферными растворами.

Читайте также

Ферменты (энзимы) – это вещества-катализаторы.

Анализ воды – сложная и ответственная процедура. Технические и надзорные органы осуществляют обязательный плановый контроль состояния воды.

ГМО – генно-модифицированные организмы, животные и растения, которым методиками генной инженерии передан новый признак.

Орган инспекции

• Экспертиза сроков годности
• Экспертиза проектов СЗЗ, ПДВ, ОВОС
• Экспертиза проектов перепланировки

Источник https://bezotxodov.ru/zagrjaznenenija/zagrjaznenie-pochvy-tjazhelymi-metallami

Источник https://testslab.ru/stati/vliyanie-tyazhelyh-metallov-na-sostoyanie-pochv-metody-monitoringa-i-vosstanovleniya/