Экология
региональное природопользование

Природопользование

Загрязнение литосферы. Контроль за состоянием почвы.

Литосфера верхняя твердая оболочка Земли (почва), вклюк земную кору и верхнюю мантию Земли. Почва обладает свойств, присущих живой и неживой природе; она образовалась под совместным воздействием гидросферы, атмосферы, живых и мертвых организмов. Основными факторами почвообразования являются время и климатические условия.

Общая площадь литосферы на Земле составляет 150 млн ко или 29,2 % от общей поверхности планеты, причем только часть всей литосферы составляют пахотные земли, кормящие человек ство, остальное занимают: льды, безводные пустыни, редколесье, саванны, сухие степи, болота, застроенные земли.

Главной бедой почвенного покрова является эрозия почвы которой связаны 0,9 всех потерь пахотных земель, включая сниже ние их плодородия. Водная эрозия почвы заключается в размыве почвы, смыве ее талыми и дождевыми водами. Ветровая эрозия возникает при уничтожении растительности на территориях с недостаточным естественным увлажнением. В обоих случаях имеется в виду гумусовый (плодородный) горизонт толщиной 15—20 см Меры по борьбе с эрозией почв предусматривают комплекс агротехнических мероприятий по водозадержанию и водопоглощению.

В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнения нарушаются. Загрязнение почвы связано с загрязнением атмосферы и гидросферы. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загрязняющими веществами являются металлы и их соединения, удобрения и пестициды, радиоактивные отходы. По пищевым цепям эти загрязнения попадают в организм человека, оказывая токсическое, канцерогенное, мутагенное действие, подавляя иммунитет.

Особую биологическую опасность среди загрязняющих веществ представляют тяжелые металлы (ТМ), к ним относится более 40 химических элементов таблицы Д.И. Менделеева с атомными массами более 50 а.е.м. Здесь следует особо выделить хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, олово, сурьму, теллур, ртуть, галлий, свинец, висмут.

Поступление тяжелых металлов в литосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах (черная и цветная металлургия, обжиг цементного сырья, сжигание минерального топлива). Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием ТМ, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических пре^ приятии водными или воздушными потоками, поступление больших количеств ТМ при постоянном внесении высоких доз орган ческих, минеральных удобрений и пестицидов.

Несмотря на значительное разнообразие соединений ТМ, потупающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной медддургии довольно однотипен; они представлены преимущественно оксидами.

Первым этапом трансформации оксидов ТМ в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с СО2 атмосферного воздуха, оксиды ТМ подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости.

Процесс трансформации тяжелых металлов, поступивших в почву в процессе техногенеза, включает следующие стадии:
1) преобразование оксидов ТМ в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);
2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) ТМ и адсорбция соответствующих катионов ТМ твердыми фазами почв;
3) образование фосфатов ТМ и их соединений с органическими веществами почвы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Теоретически техногенные аномалии представляют систему концентрических колец, в которых концентрация ТМ убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры Зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров. Вокруг крупных предприятий цветной металлургии образуются сильные техногенные аномалии металлов, например вокруг Норильского горного металлургического комбината. Для таких предприятий характерно наличие зоны максимальных концентраций тяжелых метал°в На расстоянии до 5 км от источника и зоны повышенных содержаний на расстоянии до 20—50 км.

В зонах максимального загрязнения нередко формируется "техногенная пустыня" территория сильно эродированная, личная верхнего гумусового горизонта, растительности. Вокруг промышленных предприятий меньшей мощности зона максимального загрязнения простирается на расстояние до 1—2 км, и площадь загрязненных земель значительно меньше.

Локальные техногенные геохимические аномалии образуются также вокруг предприятий, которые перерабатывают сырье, содержащее тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества в виде примесей. Так, геохимические аномалии меди, цинка, свинца образуются вокруг суперфосфатных заводов. Вокруг крупных тепловых электростанций образуются зоны загрязнения металлами 10—20 км в диаметре. Любые городские территории являются значительным источником загрязнения ТМ.

Вблизи автострад обнаружено сильное загрязнение ТМ, особенно свинцом, а также цинком, кадмием. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Главным источником элементов для растений являются поч. По степени накопления элементов растениями мерой является коэффициент биологического поглощения Ах отношение содержащего элемента в золе растений к содержанию этого элемента в почве или породе. Различные растения аккумулируют разное число микроэлементов. Так, медь накапливают растения семейства гвоздичных, кобальт перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди — для вероники и лишайников.

Химические элементы неравномерно распределены по органам растений. Значительная часть элементов накапливается в наземных частях растений (листьях, стеблях): Mn, Mo, Sr, La, Cu, Ti, Ni, в меньшей степени Fe, Al, Co. В корнях растений аккумулируются такие элементы, KaKAg, Pb, Sn, W, Cr, V, U. Равномерно распределены в органах растений цинк (в растительности таежной зоны), олово и цинк (в альпийских и субальпийских лугах), хром (в растительности альпийских регионов).

На усвоение и поглощение химических элементов растениями влияют природные и антропогенные факторы. К природным факторам относятся: уровень инсоляции, колебания температуры, количество выпадающих осадков. Например, в засушливые годы некоторые растения аккумулируют железо, во влажные марганец. Медь, цинк, молибден накапливаются в растениях во влажные годы. На поступление тяжелых металлов в растения оказывают влияние химический состав почв, кислотноосновные и окислительновосстановительные условия, физические свойства, уровень микробиологической активности. Степень влияния общего Химического состава почвы обусловливается совместным влиянием элементов. Так, под влиянием алюминия понижается поступление в растения хлора, кальция, железа, азот тормозит усвоение Растениями марганца, калийные удобрения снижают поступление в растения железа и кобальта.

В результате воздействия антропогенных факторов происходят существенные изменения в растениях. При химическом загрязнении биосферы нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы, нормальные процессы органогенеза, появляются специфические изменения у растений различных систематических групп, улучшается качество сельскохозяйственной продукции. В золе растений возрастает содержание тяжелых металлов: свинца, ртути. Существенную опасность представляет отсутствие какихлибо визуальных признаков поражения растений при ных для человека и животных содержаниях токсинов.

Тяжелые металлы являются протоплазматическими токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной ма сы. Токсичность тяжелых металлов проявляется поразному Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингиби руют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые тяжелые металлы образуют комплексы с обычными метаболитами, нару. шая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо (II), взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства (например, раз. рыв клеточных мембран). Некоторые тяжелые металлы конкурируют с необходимыми растениям элементами, нарушая их функциональные роли. Например, кадмий замещает цинк, что приводит к цинковой недостаточности, вызывает угнетение и гибель растений. По чувствительности к кадмию растения располагаются в следующий восходящий ряд: томаты < овес < салат < луговые травы < морковь < редька < фасоль < горох < шпинат. Токсичность ртути зависит от вида ее химических соединений. Наиболее токсичны органические соединения метил, диметил и этилртуть. Высокие содержания свинца могут подавлять рост растений, вызывать хлороз, обусловленный нарушением поступления железа.

Анализ золы различных частей растений показывает, что наибольшее количество тяжелых металлов содержится в корнях, затем в стеблях и листьях, наконец, в семенах, клубнях, корнеплодах, то есть растение обладает определенной защитной системой по отношению к токсикантам.

Тяжелые металлы подавляют биохимическую активность почвенных микроорганизмов, вызывают изменения их общей численности. Загрязнение тяжелыми металлами проявляется в изменении видового состава комплекса почвенных микроорганизмов.

Доминирование микроорганизмов при различных концентрациях тяжелых металлов (кадмий, медь, никель, ртуть и свинец) позволяет разделить диапазон микробного сообщества на несколько участков — адаптивных зон:
1) зона гомеостаза, в которой изменяется интенсивность мИ робиологических процессов (возрастание суммарной биомассы;
2) зона стресса, в которой происходят существенные измен ния сообщества;
3) зонарезистентности — резко сокращается состав вещества, а доминантами становятся резистентные виды микроорганизмов;
4) зона репрессии — прекращается развитие микроорганизмов а поверхности почвы (или не выявляется прямыми наблюдениями)

Величина зоны определяется как диапазон концентраций хивеществ, в пределах которых сохраняются выделенные уровни толерантности.

Величина зоны гомеостаза является важным показателем, количественно отражающим степень устойчивости почвенной мик> 0обиоты к тяжелым металлам: чернозем характеризуется максимумом устойчивости, подзолистая почва — минимумом. По величине Зоны гомеостаза в дерновоподзолистой почве тяжелые металлы образуют ряд с убывающей активностью: Hg > Cd > Ni > Си > Pb. На этой основе в качестве признаков различных уровней загрязнения почв тяжелыми металлами можно предложить следующие:
1) низший уровень загрязнения — микробиологически не обнаруживается, определяют химическими методами по превышению фоновых концентраций тяжелых металлов;
2) средний уровень загрязнения — отсутствие перераспределения членов микробного сообщества при дополнительном поступлении дозы загрязняющего вещества, равной удвоенной концентрации и соответствующей величине зоны гомеостаза незагрязненной почвы; дополнительные признаки: сокращение видового разнообразия комплекса микроорганизмов, увеличение доли токсинообразующих форм;
3) высокий уровень загрязнения — реакция на загрязнение высших растений; дополнительные признаки: снижение микробиологической активности, появление резистентных форм микроорганизмов.

На миграцию и аккумуляцию элементов оказывают влияние Чочвообитающие животные. Например, термиты Средней Азии накапливают в своих телах более двух десятков химических элементов: хром, титан, никель, медь. Хорошим биоиндикатором промышленного загрязнения являются дождевые черви, поглощающие значительные количества тяжелых металлов.

Особый интерес представляет изучение животных, являющихСя чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения белыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных, "бИологически активных" формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем. Почвенные животные благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территории Итания могут быть хорошими индикаторами химического заряда литосферы.

Исследования показали, что колебания индивидуальной менчивости токсического влияния тяжелых металлов на ных зависят не только от чувствительности отдельного организм но и от индивидуальных особенностей аккумуляции элемента. Так, при исследовании брюхоногих моллюсков, собранных на фоновых и загрязненных участках, обнаружены как особи, реагирую щие на химическое загрязнение, так и экземпляры, в которых концентрация тяжелых металлов (ртути) не отличалась от таковой на фоновых территориях. Сходная картина распределения концентраций свинца и цинка обнаружена у некоторых особей дождевого червя и жужелицы. Изменчивость накопления тяжелых металлов в организме животных свидетельствует о существовании физиологических механизмов, противодействующих аккумуляции избытка токсинов в организме, что необходимо учитывать при оценке воздействия загрязняющих веществ на природные популяции.

При изучении органов и тканей у человека на содержание тяжелых металлов учитывают аккумулирующие свойства органов; чаще изучают печень, почки, легкие.

В настоящее время для ряда тяжелых металлов установлены ориентировочнодопустимые количества (ОДК) их содержания в почвах, утвержденные приказами органов здравоохранения, которые используются вместо ПДК.

Как было показано выше, определение степени загрязнения почв тяжелыми металлами не представляется простой задачей. Главная причина заключается в том, что любые элементы в почве присутствуют в форме различных соединений, только часть которых доступна растениям. Но эти соединения могут трансформироваться и переходить из одних форм в другие, поэтому для целей мониторинга выбирают в известной мере условно две или три важнейшие группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание элементов или подвижные формы соединений, иногда отдельно определяют обменные формы и водорастворимые соединения.

Валовое содержание тяжелых металлов определяют методом эмиссионного спектрального анализа без предварительного разложения пробы почвы или методами атомноабсорбционной спектрометрии после переведения пробы почвы в раствор путем разложения кислотами.

В случае эмиссионного спектрального анализа навеску почвы в 5—10 г растирают в агатовой ступке до состояния пудры. Из растертой пробы берут навеску около прокаливают ее в муфельной печи при 450—500 °С в течение 2 ч для удаления воды и разложения органического вещества. Определяют потерю от прокаливания для пересчета результатов анализа на исходную массу почвы. В ходе анализа пробу почвы сжигают в дуге переменного тока, и эмиссионные спектры регистрируют на фотопленке. Для сжигания пробы почвы ее набивают в канал (концентрическую выточку) нижнего электрода спектрографа, верхний электрод изготовлен в форме усеченного конуса с площадкой на торце диаметром около 1 мм. Электроды устанавливают в держатели спектрографа, начинают сжигание при небольшой силе тока в 3—5 А, а затем повышает ее до 18—20 Аи проводят сжигание в течение 2,5—3 мин до полного испарения пробы.

Для определения подвижных соединений тяжелых металлов используют кислотные, солевые и водные вытяжки из почв.

<Утилизация промышленных отходов. Принципы создания малоотходных производств.
Жизнедеятельность с позиций биофизики
Главная   |   Поля   |   Жизнедеятельность   |   Природопользование   |   Безопасность   |   Карта сайта
2008-2015 © p0d.ru, E-mail:info@p0d.ru