Тяжелые металлы в природных средах

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ – продуктов хозяйственной деятельности, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Тяжелые металлы – группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т.е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы – медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).

В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как микроэлементы, или как тяжелые металлы. Однако существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение – «тяжелые» в смысле «токсичные». К ним относятся ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), таллий (T l) и некоторые другие элементы. Их считают наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлоидами, как мышьяк (As), селен (Se), теллур (Te).

Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду – тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Вследствие несовершенства технологических процессов и средств очистки выбрасываемых газов загрязняются атмосфера, почвенный и растительный покровы.

Учет источников атмосферного воздуха и инвентаризация выбросов ведется практически во всех регионах нашей страны и в индустриально развитых странах.

Загрязнение природной среды токсинами происходит, как правило, в результате работы промышленных комплексов, а не отдельных предприятий. Учитывая, что плотность потока выпадающих металлов на подстилающую поверхность пропорциональна их концентрации в воздухе, с помощью специальных методик оценивают конкретный источник поступления металлов в окружающую среду.

Основные источники антропогенных выбросов вредных веществ в атмосферу сосредоточены в странах Северной Америки и Европы, т.е. в Северном полушарии. Содержание металлов в атмосфере колеблется в широком диапазоне и зависит от расстояния от источника загрязнения, характера подстилающей поверхности и метеорологических условий в момент измерения. Летучесть металлов обусловлена тем, что они связаны в атмосфере с субмикронными частицами, которые в воздухе ведут себя практически как газ. Загрязняющие вещества в атмосфере захватываются дождевыми каплями или снежинками и выпадают с осадками или на поверхность Земли в виде сухих выпадений.

Промышленные источники аэрогенного загрязнения почвы металлами локализованы в пространстве, поэтому они создают высокие уровни загрязнения почв в ограниченных районах. В зависимости от высоты и дисперсного состава выбросов в локальной зоне загрязнения выпадает 10 - 15 % количества металлов, поступивших в атмосферу. Конфигурация изолиний содержания металла в почве вокруг источника выбросов в основном соответствует климатической розе ветров. Поступление металлов в почву вблизи источников выбросов происходит обычно в форме нерастворимых соединений.

Подвижность тяжелых металлов в почвах. Трансформация соединений тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование новой твердой фазы. Основными процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорбционно-деcорбционное равновесие.

Установлено, что после внесения оксидов тяжелых металлов содержание их подвижных форм практически не отличалось от содержания в почве, в которую вносили водорастворимые соли тех же тяжелых металлов. Со временем во всех почвах содержание водорастворимой, обменной и непрочно связанной форм тяжелых металлов уменьшилось, а прочносвязанной форм – увеличивалось.

Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе – наиболее важная экологическая характеристика почвы, поскольку определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями. Изменение влажности почв, активности микробиоты влияют на кислотно-основное и окислительно-восстановительное равновесие, содержание хелатообразующих соединений, состав почвенной атмосферы, и все это в свою очередь сказывается на подвижности тяжелых металлов.

В поглощении тяжелых металлов почвами действуют 2 механизма:

- первый включает адсорбцию с образованием внешне - и внутрисферных комплексных соединений с минеральными и органическими компонентами почв;

- второй состоит в осаждении из почвенного раствора труднорастворимых соединений, т.е. в образовании вторичной твердой фазы.

В дальнейшей судьбе металлов, образующих прочные связи с кислородом и серой, большую роль играет комплексное образование с органическим веществом. При достаточно высокой концентрации металла в растворе начинается осаждение вторичной твердой фазы: гидроксидов железа, алюминия, карбонатов кальция, магния, сульфидов цинка, кадмия, ртути. При этом концентрация металла в растворе зависти от аниона, обеспечивающего минимальную растворимость катиона.

Поступление тяжелых металлов в растения. Важное место при разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами занимает изучение поглощения тяжелых металлов растениями. Проблема поступления металлов в растения имеет 3 практических аспекта:

- во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и, главным образом, почвы в организмы человека и животных, в связи, с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токсикантов в опасных концентрациях;

- во-вторых, доказана токсичность тяжелых металлов для самих растений – как для низших, так и для высших, что ставит ряд вопросов о реакции растений на избыток тяжелых металлов в среде;

- в-третьих, выяснение возможности использования растений в качестве биоиндикаторов загрязненной природной среды тяжелыми металлами.

Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды тяжелыми металлами возможны два основных пути их поступления в растения:

1) из атмосферы – через листовую поверхность и 2) из почвы – через корневую систему.

Поглощение металлов корнями может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим):

- пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней;

- при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических ингредиентов.

При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. Обнаруживаемое в ряде случаев падение концентрации металлов в растворе вблизи поверхности корней отражает более высокую скорость поглощения корнями по сравнению с диффузионным и конвективным переносом в почве. При высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет диффузия.

Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит прежде всего от количества этих металлов в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки – в некоторых случаях превышают величину 0,80. Ученые отмечают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие. Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка отмечено в грибах, мхах и лишайниках.

Как правило, высокой устойчивостью к воздействию металлов отличаются виды растений, растущие в биохимических провинциях с высокими концентрациями тяжелых металлов в течение длительного исторического периода (металлофиты). Формирование устойчивости к металлам имеет генетическую основу. Эволюционные изменения у растений, возникающие под действием тяжелых металлов, отличают их от популяций тех же видов, растущих на обычных почвах. К металлофитам, например, относят растение Silene maritina, накапливающее в золе цинка до 21 000 мг/кг. Различают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат.

Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья человека, поскольку при этом допускается проникновение загрязнителей в пищевые цепи. В многочисленных полевых и вегетационных опытах установлена различная способность сельскохозяйственных культур к накоплению тяжелых металлов и устойчивости к ним.

Содержание избыточного количества тяжелых металлов в растительной массе может меняться в течение вегетационного периода. Одна из причин этого – неспособность потока, поступающего из почвы в растения, равномерно в течение всей вегетации насыщать тяжелыми металлами прирост биомассы, который в середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее равномерен, возникает так называемый «эффект разбавления».

На почвах, загрязненных ртутью, установлено, что соотношение содержания этого элемента в корнях, листьях и зерне составляло соответственно 30:3:1, т.е. сравнительно небольшая часть поступившей в растения ртути достигла зерна, оставаясь преимущественно в корнях.

Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств тяжелых металлов в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами.

Для минимизации перехода металлов из почвы в растения рекомендуется использовать метод рационального подбора культур. Предпочтение необходимо отдавать, во-первых, техническим культурам, более устойчивым к воздействию тяжелых металлов; во-вторых, тем пищевым и кормовым культурам, товарная (употребляемая в хозяйстве) часть которых наименее подвержена проникновению токсичных металлов и не накапливает их.

При разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами необходимо учитывать поступление тяжелых металлов в растения из атмосферы через листовую поверхность, из почвы через корневую систему, а также влияющие на них факторы.

Дата добавления: 2015-07-08