Загрязнение почвы тяжелыми металлами

Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютантов, получивших общее название «тяжелые металлы» (ТМ). К ним относят около 40 металлов периодической системы Д.И.Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м. и плотностью более 5 г/см³, хотя в число ТМ входит и легкий бериллий. Оба определения условны и перечни ТМ по этим формальным признакам не совпадают. И хотя термин «ТМ» неудачен, им приходится пользоваться, так как он прочно вошел в экологическую литературу.

По токсичности, присутствию в окружающей среде и вероятности попадания в живые организмы может быть выделена приоритетная группа ТМ: Pb, Hg, Cd, As, Tl, Bi, Sn, V, Sb. Несколько меньшее значение имеют Cr, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Mo и Se. Все ТМ в той или иной степени ядовиты, хотя некоторые из них (Fe, Mn, Cu, Zn, Co) входят в состав сложных биомолекул или витаминов в микро- и ультрамикроколичествах.

Основными источниками ТМ являются: сжигание топлива и различных отходов, металлургические и химические заводы, производство стекла, удобрений и цемента, автотранспорт, открытые карьеры ГОКов и отвалы рудников. Вклад антропогенного свинца составляет 94-97% (остальное – природные источники), кадмия – 84-89%, меди – 56-87%, никеля – 66-75%, ртути – до 60%. Антропогенная эмиссия ТМ в атмосферу планеты достигает (тыс т/год): по свинцу – 332, цинку – 132, никелю – 56, кадмию – 8, ртути – более 4,5. По приблизительной оценке к началу XXI века в мире накоплено (млн т): Cu – 300, Zn – 200, Cr – 70, Pb – 20, Ni – 3.5, Cd – 0,6, Hg – 0,5. Природа никогда не знала такого груза ТМ на поверхности земли и в биосфере.

Тяжелые металлы попадают из воздуха в почву в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы особенно интенсивно задерживают ТМ, при этом в первую очередь деревья удерживают самые мелкие частицы.

Фазовый состав ТМ, поступающих в почву, довольно однотипен – это преимущественно оксиды. Количество сульфидов и водорастворимых фракций ТМ сравнительно невелико. Процесс трансформации ТМ в почве включает следующие основные стадии:

1. превращение оксидов ТМ в гидроксиды (карбонаты);

2. растворение гидроксидов (карбонатов) ТМ и адсорбция катионов ТМ твердыми фазами почвы;

3. образование фосфатов ТМ и их соединений с органическими веществами почвы.

Металлы достаточно легко накапливаются в почвах, однако очень медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Период полуудаления некоторых ТМ значительно варьирует: Zn – 70-150, Cd – 25-1000, Cu – 310-1500, Pb – 740-5900 лет.

У свинца четко выражена тенденция к накоплению в почве, так как его ионы малоподвижны даже при низких значениях pH. Вдоль автомобильных дорог уже образовались устойчивые геохимические аномалии свинца в почве и растениях. Средняя концентрация свинца в почве оценивается величиной 10 мг/кг с пределами колебаний 2 – 200 мг/кг. Содержание свинца в почвах у автодорог составляет 10-600 мг/кг, причем концентрация металла постепенно уменьшается с удалением от края дороги. Накопление металла в значительной степени зависит от плотности движения машин. Так, на дороге с плотностью движения 11 тыс машин за 12 час в почве было 6 мг/кг, а при плотности 32 тыс – 37 мг/кг, т.е. в 6 раз больше. В центре крупных промышленных районов содержание свинца в почвах обычно в 25-27 раз выше, чем на окраинах.

Накапливающийся в почве свинец активно переходит в придорожную растительность, нередко вызывая ее гибель за счет закупорки пор листьев частицами свинца и сажи. Сельскохозяйственные продукты, выращенные вблизи шоссейных дорог, содержат в 5-10 раз больше свинца, чем допускается суточной нормой. Особенно активно свинец накапливается в корнеплодах и капусте: в 20-25 раз выше, чем в растениях, растущих вдали от шоссе. Именно поэтому наблюдается повышенное содержание свинца в молоке коз и коров, которые пасутся вблизи автострад.

В связи с переходом автотранспорта на неэтилированный бензин в будущем этот источник загрязнений свинцом в значительной степени будет ликвидирован. Однако другие источники по-прежнему представляют потенциальную опасность для здоровья человека. Так, в помидорах, выращенных на расстоянии 0,5-5 км от завода цветной металлургии, свинца содержится в 5—110 раз, а в клубнях картофеля – в 70-170 раз больше, чем на контрольном участке.

Признаки отравления свинцом («свинцовая болезнь» или сатурнизм) довольно типичны. Они выражаются в повышенной утомляемости, малокровии, поражениях почек, кишечных коликах, болях в сердце. Особенно чувствительны к отравлению свинцом дети. Если из организма взрослых выводится до 90% свинца, то у детей – не более 60%. Более подробно действие свинца на человека рассмотрено в разделе 7.2.

Распространение кадмия в окружающей среде носит более локальный характер, чем других ТМ.

Естественное содержание кадмия в незагрязненной почве не превышает 0,1 мг/кг или 0,3 кг/га. В отличие от свинца антропогенный внос кадмия в почву значительно меньше и составляет в промышленных странах 2-35 г/га в год. Максимальные выбросы наблюдаются вблизи заводов, связанных с переработкой кадмия. Так, в почве на расстоянии 1,5-7 км от завода по производству цинка концентрация кадмия колеблется в пределах 4-40 мг/кг, т.е. в 4-40 раз выше нормы.

Другим источником загрязнения сельскохозяйственных угодий кадмием являются фосфорные удобрения, которые могут содержать кадмий в количестве 1– 90 мг/кг. Поступление кадмия в почву в этом случае достигает 5-6 г/га в год.

Несколько меньше (1г/га в год) накапливается кадмия за счет биологического ила, который вносится в ряде стран в почву для ее улучшения. Последний содержит 4-36 мг/кг кадмия, удалить который из ила практически невозможно.

В верхних слоях почвы (до 25 см), в зависимости от концентрации и типа почвы кадмий может удерживаться в течении 25-50 лет, а в отдельных случаях – до 200-1000 лет. В результате ряд сельскохозяйственных культур (пшеница, шпинат, салат, петрушка, свекла) и, особенно, грибы могут накапливать значительное количество кадмия.

Даже при низких уровнях загрязнения кадмий, среди других ТМ, характеризуется наибольшей токсичностью, которая связана с его высокой биологической кумуляцией и длительным (до 47 лет) периодом полувыведения. Кадмий блокирует действие ферментных систем и поражает жизненно важные органы – почки, печень, легкие, кости. Более подробно эти вопросы рассмотрены в разделе 7.2.

К опасным загрязнителям почвы относится ртуть, которая поступает в биосферу с отходами целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве ПВХ, ацетальдегида, соды и хлора, при сжигании угля и бытовых отходов, при применении ртутьсодержащих пестицидов.

Из общемировой добычи ртути (почти 10 тыс т в год) около 50% теряется в процессе использования. Суммарные контролируемые выбросы ртути в масштабе планеты 4,5-5 тыс т/год примерно эквивалентны количеству ртути, высвобождаемому из горных пород за тот же период.

Содержание ртути в почве унаследовано от материнской породы и колеблется от 0,02 до 0,3 мг/кг в зависимости от типа почв. В городах содержание ртути несколько выше. Дальность распространения ртути вокруг производств, осуществляющих выбросы этого металла, достигает 70-100 км. Механизм вымывания ртути дождем из атмосферы связан с растворением HgCl₂ и CH₃HgCl, которые составляют 10-20% от общего количества газообразной ртути в атмосфере. Кроме того, дождь вымывает и взвешенные вещества, удаляя связанную с ними ртуть. «Дождевое» поступление ртути в почву составляет около 5 г/га. Дополнительные загрязнения возможны при внесении удобрений и компостов.

Пары ртути фитотоксичны и ускоряют старение растений. Для человека особенно опасны пары ртути и органические соединения ртути, которые могут попадать в организм с продуктами питания и накапливаться в больших количествах на конечных звеньях цепей питания («болезнь Минамата»). Действие ртути на человека более детально описано в разделе 7.2.