--PAGE_BREAK--Розділ 1. Забруднення ґрунтів промисловими підприємствами1.1 Охорона та моніторинг земель
Основна мета охорони земель – це впровадження правових, організаційних та економічних заходів, спрямованих на відтворення та підвищення родючості ґрунтів, захист від шкідливих антропогенних впливів.
Земля – специфічний вид матеріальних ресурсів є базисом, головним засобом виробництва в сільському господарстві, сховищем природних багатств, носієм інфраструктури, врешті-решт – годувальницею всього людства.
Продуктивні землі цілком справедливо відносять до унікальних природних і виробничих ресурсів. Саме вони, на відміну від інших природних ресурсів, за умов раціонального та екологічно виваженого використання здатні фізично не зменшуватися і не втрачати своєї родючості.
Еколого-економічний підхід відповідає вимогам основного економічного принципу господарювання — досягнення найвищої економічної ефективності виробництва при мінімальних затратах ресурсів і коштів, а також основного екологічного принципу – забезпечення раціонального використання природних ресурсів, зведення до мінімуму шкоди, яка завдається суспільству і навколишньому природному середовищу функціонуванням того чи іншого підприємства, виробництва тощо. Раціональне використання земельних ресурсів веде до підвищення ефективності матеріального виробництва. Тобто має забезпечити екологічну безпечність і економічну ефективність виробничо-господарських і науково-технічних рішень в агропромисловому виробництві.
Заходи по охороні земель перш за все передбачають:
· отримання інформації про стан земель (моніторинг земель);
· захист земель від водної ерозії;
· захист земель від підтоплення і зсувів;
· контроль по охороні та використанню земель;
· економічне стимулювання раціонального використання та охорони земель [1, 36].
На виконання «Положення про державну систему моніторингу довкілля», затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 року № 391 та «Положення про моніторинг земель», яке затверджене постановою Кабінету Міністрів України від 20 серпня 1993 року № 661 в Рівненькій області необхідно впровадити систему моніторингу земель [22, 11].
На сьогоднішній день відсутні надійні дані про зміни в площах еродованих ґрунтів та їхньому просторовому розподілу.
Геохімічні обстеження території Рівненської області виявили ареали ґрунтів із вмістом важких металів, що у декілька разів перевищують допустимі норми. Присутність легкодоступної форми важких металів у ґрунті, а також постійне надходження їх з атмосфери обумовлюють значне накопичення забруднювачів у рослинницькій та тваринницькій продукції.
Значне забруднення природного середовища та ґрунтів відбувається головним чином під впливом промислових, господарчо-побутових стічних вод і стоків з тваринницьких комплексів.
Аналіз екологічного стану земельних ресурсів Рівненської області, навіть на основі далеко неповних даних, відкриває цілий ряд негативних моментів, які є результатом нераціонального їх використання, та відсутності належної уваги до своєчасного виявлення відхилень від норми, тобто відсутності екологічного контролю.
Серед негативних факторів впливу на земельні ресурси області, які потребують постійного контролю слід визначити такі:
· ерозія ґрунтів, не зменшується, а навпаки – є підстави констатувати її зростання;
· техногенне забруднення ґрунтів важкими металами – явище відносно нове, яке веде до забруднення рослинницької та тваринницької продукції і ґрунтових вод і підвищенню захворюваності населення;
· вторинне осолонцювання та накопичення забруднювачів у ґрунтах при їх зрошенні стічними водами промислових центрів та тваринницьких комплексів [20, 45].
На перший погляд вказані процеси існують окремо і не пов’язані один з одним, але в умовах проведення земельної реформи загальним знаменником стає ціна на землю або оподаткування землевласників.
В цьому зв’язку названі проблеми потребують постійного контролю, прогнозу їх розвитку і розробки управлінських заходів по їх усуненню чи призупиненню, тобто моніторингу.
Моніторинг включає три основні задачі:
1. Інформаційна – забезпечення систематичною, повною і оперативною інформацією про екологічний стан земельних ресурсів.
2. Прогнозна – відпрацювання найближчого і перспективного прогнозу змін земельних ресурсів.
3. Управлінська – надання рекомендацій, пропозицій для відпрацювання управлінських рішень щодо раціонального землекористування [19, 142-143].
Головним завданням моніторингу земельних ресурсів і мережі його виконавців є створення бази об’єктивної інформації для оцінки стану, в якому перебувають земельні ресурси, та обґрунтування управлінських рішень, спрямованих на його стабілізацію або покращення.
Оцінка екологічного стану земель – це складний процес, що включає декілька обов’язкових етапів: збирання інформації за спеціальним переліком показників, створення банку даних, аналіз і обробка інформації, порівняння фактичних параметрів з нормативними, групування земель за категоріями згідно нормативів (районування), розробка мір реагування, адекватних екологічному стану земель з визначенням площ.
Основними заходами реалізації програми з моніторингу земель є:
· створення обласної системи та програми ведення моніторингу земель;
· створення бази даних та карти деградації ґрунтів Рівненської області;
· розробка техніко-економічного обґрунтування (ТЕО) заходів з усунення деградації та забруднення;
· проведення спостережень та оцінки стану земель базових господарств, створення автоматизованої інформаційно-аналітичної системи моніторингу [13, 51].
продолжение
--PAGE_BREAK--1.2 Боротьба з забрудненням ґрунтів промисловими відходами
Бурхливий розвиток промисловості і накопичення продуктів техногенезу в ґрунті обумовлює необхідність розробки і впровадження інтенсивних методів захисту ґрунтового покриву. Стратегічним напрямом в охороні природи є впровадження безвідходних технологій, замкнутих циклів виробничого водопостачання, ефективних пилогазоочисних споруд, що дозволило б зменшити навантаження на ґрунт в 100—250 разів.
При вирішенні проблеми використання вже забруднених ґрунтів слід виявити джерела забруднення, вивчити їх склад та закономірності територіального поширення, з'ясувати особливості їх накопичення і трансформації у ґрунтах і рослинах, визначити ступені забруднення та ГДК, намітити шляхи екологічно безпечного ведення сільськогосподарського виробництва.
Інвентаризацію рівнів забруднення потрібно розпочинати з обрахунку кількості та хімічного складу твердих, рідких і газоподібних викидів. Наступний етап — визначення рівнів і характеру забрудненості ґрунтів та рослинного покриву. Під істотним забрудненням ґрунтового покриву розуміють такий його рівень, при якому домінуючі елементи-забруднювачі (кадмій, цинк, свинець, ртуть, алюміній та ін.) у складі викидів мають чітко виражений негативний вплив на біоту ґрунту, його агрохімічні властивості, розвиток сільськогосподарських культур, якість врожаю та становлять загрозу для здоров'я людини.
При визначенні рівня техногенного забруднення ґрунтів важливо знати ГДК металів-забруднювачів. Перспективною є шкала екологічного нормування важких металів (Табл. 1.1.), яка розроблена вМосковському державному університеті (Росія) [14, 62]. Ця шкала враховує і те, що багато важких металів є необхідними для життєдіяльності рослин і лише надмірний їх вміст у ґрунті спричинює пригнічення культур і надмірне накопичення в продукції. Тому рівень дуже високого вмісту металу в ґрунті прийнято у даній шкалі за низький рівень забруднення.
Межі токсичності важких металів установлюються за їх дією на рослини. Наприклад, якщо рослина знижує врожай на 5—10%, то такий рівень вмісту металу у ґрунті вважається токсичним.
Таблиця 1.1
Шкала екологічного нормування валового вмісту важких металів у ґрунтах з слабо-кислою та кислою реакцією, мг/кг
Таблиця 1.2.
Стратегія ведення сільського господарства за умов техногенного забруднення
Зона порушення, відстань від заводу, км
Характер промислового впливу
Рівень впливу за виділенням металургійного пилу, т/км2 за рік
Характер порушень
Тип стратегії
Зона порушення середовища сільськогосподарської
діяльності, 0—5
Постійний або періодичний
150 ±30
Рівень забруднення ґрунту і сільськогосподарських культур вищий і значно нижчий ГДК, знижено врожайність
Припинення
діяльності
Зона локальних пошкоджень і біохімічних порушень культур, 5—15
Періодичний або епізодичний
Від 150 ±30
Рівень накопичення забруднювачів перевищує ГДК у деяких культурах, у низці випадків — у верхньому горизонті необроблюваних ґрунтів
Перебудова
Зона геохімічного порушення території, 15—50
Епізодичний або разовий
до 50 ±20'
Накопичення забруднень в окремих біоіндикаторах
Профілактика
Враховуючи ступінь забруднення, намічають шляхи використання ґрунтового покриву. Згідно із рекомендаціями Ґрунтового інституту ім. В.В. Докучаєва (Росія), виділяють три ступеня забруднення території з властивою їм стратегією сільськогосподарської діяльності: профілактики, перебудови та припинення (табл. 1.2.) [14, 62].
Профілактичні заходи рекомендують для територій, які зазнають промислового забруднення важкими металами у дозах, що не приводять до перевищення ГДК у ґрунтах і рослинах. При цьому накопичення забруднювачів фіксується лише на найчутливіших біоіндикаторах (лишайниках, мохах), а інколи і в поверхневих горизонтах необроблюваних ґрунтів. В окультурених ґрунтах концентрації важких металів, як правило, не перевищують фонових. На таких територіях слід здійснювати моніторинг стану ґрунтів і рослин.
На землях, де накопичення важких металів у ґрунтах, а також в окремих сільськогосподарських культурах (бобових, овочевих) перевищують ГДК і існує небезпека для здоров'я людей, вдаються до системного застосування всіх сучасних методів захисту: меліоративного, агрономічного, селекційного та раціональноїорганізації використання території.
Щоб перевести важкі метали в малорухомі форми, на кислих ґрунтах проводять вапнування, на лужних — гіпсування. З цією ж метою можна використовувати фосфорні та органічні добрива. Утворюючи комплекси, важкі метали стають менш рухомими і в менших кількостях надходять до рослин. Знизити надходження важких металів у рослини можна і шляхом внесення у ґрунт органічних іонообмінних речовин — цеолітів, гранул полістиролу, кремнійорганічних сполук. Заслуговує на увагу і підбір культур та сортів, якінакопичують мінімальну кількість важких металів. На забруднених ґрунтах перевагу слід надавати технічним культурам (льону, коноплі, бавовнику та ін.). Найбільш забруднені ґрунти відводять під заліснення.
Припинення сільськогосподарської діяльності рекомендується на територіях, де забруднення важкими металами повітря, вод, ґрунтів і рослин досягає критичного рівня для здоров'я людей, а система сучасних захисних методів не є ефективною. Повернення таких земель у сільськогосподарське виробництво можливе лише після різкого зниження рівня промислового забруднення та докорінної рекультивації.
продолжение
--PAGE_BREAK--1.3 Контроль за накопиченням важких металів у ґрунті та рослинах
Упродовж останніх десятиліть у зв'язку з бурхливим розвитком промисловості спостерігається значне зростання рівня важких металів (ВМ) у біосфері. Нині вони є одним із пріоритетних забруднювачів агроекосистеми. В умовах інтенсивного антропогенного впливу надходження їх у агроекосистему перевищує їх захисні (буферні) властивості. Це призводить до зниження врожайності та якості продукції рослинництва, робить її небезпечною для людей і тварин. У добривах мікроелементи містяться, як правило, у рухомій кислоторозчинній формі. Так, наприклад, у калійних добривах вміст міді становить 1,5-15 мг/кг, а в гної – 19,8 мг/кг. Період напіввидалення міді – 310-1500 років. На, характер профільного розподілу впливає комплекс ґрунтових факторів: гранулометричний склад, кислотність та ін. [16, 98].
Термін «важкі» застосовують для металів, питома маса яких перевищує 5 г/см3, або атомний номер більше 20, хоча існує й інше визначення, за яким до важких металів належить понад 40 хімічних елементів із атомною масою вище 50 ат.од. Окремі з них, зокрема мідь, цинк, бор тощо, є необхідними елементами живлення рослин, але у кількості вище допустимого рівня є токсикантами. Фітотоксичність важких металів визначається їхніми хімічними властивостями (валентністю, іонним радіусом, здатністю до комплексоутворення). За ступенем токсичності їх можна розмістити у такому порядку: Co>Ni>Cd>Zn>Pt»Hg> Fe>Mo>Mn. Цей ряд може змінюватись через різне перетворення елементів у ґрунті, зокрема переведення їх у недоступні для рослин сполуки [16, 101].
Ґрунт є основним джерелом надходження важких металів і мікроелементів у харчові ланцюги. Він забезпечує мікроелементами безпосередньо рослини і непрямим шляхом – тварин і людину. Але притехногенному забрудненні саме ґрунт є початковою ланкою надходження важких металів та інших токсичних речовин по харчових ланцюгах у організм людини.
Джерелом важких металів у незабруднених ґрунтах є гірські породи, на продуктах вивітрювання яких сформувався ґрунтовий покрив. Серед інших можна виділити природні й техногенні. До техногенних джерел важких металів у ґрунті відносять:
Надходження важких металів із атмосфери.
Основними джерелами атмосферного забруднення є: теплові й інші електростанції (27%); підприємства чорної металургії (24,3%); підприємства з видобування й переробки нафти (15,5%); транспорт (13,1%); підприємства кольорової металургії (10,5%); підприємства з видобування й виготовлення будматеріалів (8,1%).
Надходження важких металів у ґрунт із мінеральними добривами.
Підвищення продуктивності рослинництва нерозривно пов'язане з інтенсивним використанням мінеральних і органічних добрив, а також вапнуванням кислих ґрунтів. Усі ці заходи, крім своєї специфічної спрямованої дії – компенсації фактору, якого не вистачає, – не можуть не чинити істотного впливу на мікроелементний склад ґрунтів і режим живлення мікроелементами рослин, що вирощуються на цих ґрунтах. До мінеральних добрив важкі метали потрапляють із сировиною через недосконалі технологічні параметри їх виробництва. Н.А. Макаренко зазначає, що, з токсикологічної точки зору, можлива негативна дія мінеральних добрив на агроекосистеми, обумовлена певними їхніми властивостями, і пропонує наступне групування мінеральних добрив [19, 172]:
А. Мінеральні добрива директивної дії (direct – прямо, англ.) – негативний вплив на природне середовище відбувається за рахунок токсичних домішок у складі мінеральних добрив, серед яких найнебезпечнішими є важкі метали, радіонукліди, галогени та ін., що надходять у ґрунт при застосуванні добрив і є безпосередніми забруднювачами. Це, перш за все, фосфорні добрива, що пов'язано з геологічним положенням та хімічною будовою сировини, з якої вони виготовляються.
У вітчизняній фосфатній сировині вміст кадмію становить 0,8 г/т Р2О5, або 0,3 мг/кг. У фосфоритах Марокко і Йорданії концентрація Cd – 18,6 та 11,6 мг/кг, у простому суперфосфаті з них –11,6 і 7,5 мг/кг. У фосфоритах різних родовищ США кількість елемента – 35-150 г/т Р2О5.
Азотні добрива як домішки можуть містити певну кількість мікроелементів (мг/кг): As – 2,2-120, Вг – 185-716, Cd – 0,05-8,5, Co – 5,4-12, Cr – 3,2-19, Cu —
Небезпеку можуть становити також токсичні домішки, які містяться у калійнихдобривах. Калійні добрива за вмістом мікроелементів займають проміжне положення між азотними і фосфорними. Узагальнені літературні джерела показують, що концентрація важких металів у хлористому калії коливається у наступних межах (мг/кг): Мn – 1,5-140, Pb – 12-20, Zn – 0,5-22, Ni – 2-19, Cu – 1,5-15, Cd – 4, Fe -403.
Комплексні добрива можуть вміщувати досить високу кількість мікроелементів, у тому числі токсичних. Так, вміст їх у нітрофосці складає (n*10'3%): Sr – 5420, Pb – 145, F – 82, В – 0,6, As – 15, Zr – 61, Nb – 3, Br – 32, Y – 2; у нітроамофосці відповідно: Sr – 10, Pb – 12, F – 212, В – 0,5 As – 15, Zr – 6; в амофосці – Zn – 13,6-14, Cu – 2,5-7,4, Pb – 6,2-7,0, Cd – 0,2-0,5 мг/кг.
Вміст важких металів у вапні, як правило, не перевищує їх концентрації у фосфорних добривах. У найбільших кількостях у вапні присутні Мn — 295 мг/кг та Fe — 1035 мг/кг. Кількості інших металів в середньому становить (мг/кг) Zn — 5-36, Cu – 6-10/ Pb – 0,5-47, Cd – 5.5, Ni –10-46.
Органічні добрива характеризуються невисокими концентраціями важких металів. Однак елементи, що відіграють важливу фізіологічну роль у житті рослин (Fe, Мn, Zn, Cu), присутні в гної у підвищених кількостях (мг/кг сухої речовини): Fe – 406, Мn – 275, Zn – 121,7, Cu – 19,8. Значно нижчим є рівень вмісту в гної елементів-приоритетних забруднювачів навколишнього середовища (мг/кг): Pb – 3,3, Cd – 0,20, Ni – 6,54. При щорічному внесенні 50 т/га гною валовий вміст кадмію в ґрунті може змінитися на 0,6%, цинку – на 1,2%, міді – на 0,5%, нікелю, свинцю, марганцю – на 0,1-0,15%.
Б. Мінеральні добрива індирективної дії (indirect – непрямий, англ.) – негативний вплив на природне середовище відбувається внаслідок фізико-хімічних властивостей мінеральних добрив, які, потрапляючи в ґрунт, проявляють себе як хімічно, фізіологічно, біологічно кислі/лужні і певним чином впливають на стан ГВК, у першу чергу на такі показники, як: рН ґрунтового розчину, направленість процесів синтезу та розпаду гумусових сполук, активність біохімічних, мікробіологічних та інших процесів, тим самим змінюючи рухливість біогенів та токсикантів, і, як правило, активізують процеси міграції останніх у системі «добриво – ґрунт – рослина», «добриво – ґрунт – підґрунтові води».
Як правило, внесення азотних добрив сприяє збільшенню рухливості Мn, Fe, Zn, Cd уґрунтах, практично не змінюється рухливість Cu і Ni, а рухливість Pb при цьому зменшується.
Органічні добрива і вапно сприяють закріпленню важких металів у ґрунтах, тим самим зменшуючи доступність їх для рослин.
Фосфорні добрива також зменшують рухливість важких металів у ґрунті за рахунок утворення важкорозчинних фосфатів металів.
Калійні добрива меншою мірою чинять вплив на зміну доступності металів для рослин, ніж азотні чи фосфорні.
Надходження важких металів у ґрунт із пестицидами.
Надходження важких металів у ґрунт з осадами стічних вод, стічними водами і побутовим сміттям.
Надходження у ґрунт важких металів із відходами промисловості (різноманітні шлаки, зола вугілля і сланців, фосфогіпс, цементний пил).
продолжение
--PAGE_BREAK--1.4 Закономірності розподілу і поведінки металів у ґрунті
Вивчення закономірностей розподілу і поведінки мікроелементів у ґрунтовому покриві в цілому і в окремих його компонентах сприяє розумінню основних процесів руху атомів мікроелементів у біологічному колообігу і обґрунтуванню необхідних практичних заходів, що покликані покращити живлення організмів.
На розподіл важких металів у ґрунті чинять вплив наступні фактори:
Гранулометричний склад ґрунту
По-перше, проглядається прямий зв'язок між ступенем дисперсності ґрунтових частинок і їх адсорбуючою властивістю. Підвищена дисперсність субстрату гальмує винос атомів мікроелементів за межі ґрунтового профілю, сприяє їх накопиченню в ґрунті.
За розрахунками Єрмоленко Н.Ф., лише 20% адсорбованих іонів знаходиться на поверхні мінералів, більше ж частина їх проникає у міжплощинний простір і стає малодоступною для рослин [19, 174]. Менш ефективною буде захисна роль мінеральних часточок, коли у ґрунт будуть поступати хімічні елементи-забруднювачі, що можуть існувати уґрунті переважно в аніонній формі, наприклад, бор і молібден. Це зумовлено тим, що глинисті мінерали мають мало точок, які несуть позитивний заряд, і тому їх адсорбційні можливості по відношенню до аніонів невеликі.
По-друге, завжди мається на увазі та обставина, що частинки різного розміру різняться за мінералогічним складом. Зі зміною ж мінералогічної основи частинок часто може різко змінюватися збагачення їх мікроелементами. Найбільші частинки мінерального субстрату – піщані – в основному, складаються з кварцу і бідні на мікроелементи. Дрібні частинки, наприклад, мулисті, переважно представлені глинистими мінералами, у кристалічній решітці яких може знаходитися досить багато атомів мікроелементів.
Оксиди і гідроксиди
Найбільший вплив на рухомість металів у ґрунті чинять оксиди і гідроксиди Fe, AI і Мn. Механізм сорбції являє собою ізоморфне заміщення іонів Fe і Мn на катіони металів і окислювальні ефекти на поверхні оксидів. При цьому найбільша спорідненість гідроксидів Fe і Мn проявляється до аналогічних за розміром металів (Со2+, Со3+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Ag+).
Реакція середовища і окисно-відновлювальний потенціал
Важкі метали, потрапивши у ґрунтовий розчин кислих ґрунтів, утворюють, в основному, розчинні органо-мінеральні комплекси. У ґрунтах же з нейтральною реакцією середовища, наприклад, у чорноземах, у складі легкорозчинних мінеральних солей переважають бікарбонат і сульфат кальцію [19, 179]. Наявність у ґрунтовому розчині значної кількості кальцію при гуматному типі органічної речовини призводить до різкого скорочення частки розчинної фракції гумусу. Тому Pb, Zn, Hg, Co, потрапляючи у ґрунтовий розчин, взаємодіє, в основному, з мінеральною частиною, утворюючи нерозчинні і слабкорозчинні карбонати і сульфати.
Від значення рН і окисно-відновного потенціалу (ОВП) залежить рухомість сполук практично всіх Зd-металів. Високі значення ОВП здатні знижувати активність електронів у ґрунті, густину електронної хмари і заряду ацидоїдів. Із збільшенням ОВП відбувається селективне поглинання ґрунтом катіонів із меншою густиною заряду. Найбільш сильно залежить від ОВП рухомість сполук Fe і Мn.
Кислотно-основні умови і окисно-відновлювальне оточення чинять великий вплив на міграційні можливості важких металів у ґрунті. Уявлення про це дає класифікація важких металів за особливостями водної міграції, виконана А.І. Перельманом (1979) [19, 182]:
Катіоногенні елементи Аніоногенні елементи
Рухливі з постійною валентністю
Sr
Слабкорухливі з постійною валентністю
Rb Cs
Слабкорухливі зі змінною валентністю
Ті Sn Sb As
Рухливі й слабкорухливі в окисних і Рухливі й слабкорухливі в
глеєвих умовах і інертні у окисних умовах і інертні у
відновній сірководневих умовах відновних (глеєвій і
сірководневій) умовах:
V Mo Se
а) Добре мігрують у кислих водах окисної і
глеєвої природи і осаджуються на лужному бар'єрі:
Zn Cu Ni Pb Cd
б) Мігрують і у кислих, і у лужних водах окисних
умов:
Hg Ag Bi
Рухливі й слабкорухливі у відновному
глеєвому середовищі і інертні в окисному
і відновному сірководневому середовищі:
Мn Co
Малорухливі за більшості умов
Слабка міграція з органічними комплексами, частково мігрують
у сильно кислому середовищі у лужному середовищі
Ті Сг Zr W
Дані свідчать про те, що група пріоритетних важких металів – Cd, Pb, Zn, Cu, Ni – має значну рухомість у кислому середовищі і стає інертними при зміні реакції середовища в бік підлужування. Далі треба відмітити, що такий сильний токсикант, як ртуть, здатний за наявності умов для окислення мігрувати в широкому діапазоні рН. Малорухливим елементом у більшості природних умов є хром.
Карбонати
Карбонати – це ті сполуки, які сильно знижують рухомість мікроелементів у ґрунтах. Механізм цієї дії обумовлений як сорбційними властивостями високодисперсних фракцій карбонатів, так і їх впливом, опосередкованим через регуляцію реакції середовища.
Застосування добрив
Систематичне застосування добрив певним чином впливає на вміст мікроелементів у ґрунті і накопичення їх у рослинах. Вплив цей різнобічний і складний: добрива змінюють рН ґрунтового розчину і таким чином впливають на ступінь розчинності сполук мікроелементів; вони певним чином впливають на інтенсивність і направленість обмінних реакцій, на процеси акумуляції; підвищуючи врожайність сільськогосподарських культур, добрива сприяють росту виносу мікроелементів із ґрунту; порушують баланс мікроелементів у ґрунті, часто у негативний бік.
Органічна речовина ґрунту
Органічна речовина є прекрасним інактиватором важких металів у ґрунті, збільшуючи його буферність, сприяючи зниженню токсичної дії важких металів, концентруючи солі у ґрунтовому розчині, зменшуючи фітотоксичність багатовалентних важких металів і перешкоджаючи надходженню їх у рослини.
Процеси взаємодії органічної речовини ґрунту з іонами металів ідентифікуються як іоноутворення, адсорбція на поверхні, хелатування, реакції коагуляції і пептизації. Основними продуктами взаємодії є прості солі (гумати, фульвати) і хелатні сполуки. Швидкість взаємодії металів із гуміновими кислотами визначається стандартним окислювально-відновним потенціалом і стійкістю утворених комплексів (Гарнст, Савич) [19, 187]. Відомості про стійкість сполук металів з органічною речовиною ґрунту дуже суперечливі. Орієнтовні інтервали значень ІgK для ГК (Орлов, 1990) [19, 191]:
Гумати ІgК Фульвати ІgК
ГК – Сu 7,0-9,7 ФК – Сu 3,2-8,7
ГК – Zn 2,9-10,8 ФК – Zn 1,7-9,3
(мінімальні величини ІgК виміряні при рН 2-4, максимальні – рН 8-10).
Коефіцієнти констант стійкості варіюють у залежності від ґрунтових умов, методу вимірювання і відібраних значень молекулярних мас (Орлов, 1990). Із підвищенням рН стійкість органо-мінеральних комплексів, як правило, зростає.
Загальний порядок стабільності комплексних сполук гумусових речовин з важкими металами, за Р.С. Беквізом [Beckwith, 1959], виглядає наступним чином: Рb2+>Сu2+> Ni2+>Co2+>Zn2+>Cd2+>Fe2+>Mn2+.
Ґрунтова біота
Багатьма авторами було показано, що вміст у ґрунті рухомої форми важких металів динамічний у часі. Причини змін можуть бути різні, однак у більшості випадків коливання пояснюються діяльністю ґрунтових мікроорганізмів і віковими змінами рослин в інтенсивності поглинання хімічних елементів. На мікробіологічну діяльність великий вплив чинить волога ґрунту, яка тісно пов'язана з погодними умовами і тому не може мати певного ритму. Динаміка рухомих форм важких металів може бути значною: максимальні величини можуть переважати мінімальні у 5 разів і більше.
Тип ґрунту
За здатністю міцно фіксувати важкі метали і швидкістю процесу трансформації вивчені Н.Г. Зиріним зі співав. (1985) ґрунти розташовуються у такий ряд: чорнозем типовий > дерново-підзолистий окультурений > дерново-підзолистий не окультурений [19, 196].
Вміст обмінних форм Zn і Cd у чорноземах нижчий, ніж у ґрунтах інших типів. Очевидно, обмінні Zn і Cd утримуються чорноземними ґрунтами більш міцно (специфічна сорбція), ніж іншими.
Чорноземи за рахунок функціональних груп своїх ГК можуть утримувати найрізноманітніші іони металів і звичайно є багатшими на мікроелементи за інші ґрунти.
Обухов А.І. (1989): чорноземні ґрунти страждають від післядії забруднення значно менше, ніж підзолисті і дерново-підзолисті ґрунти [19, 203].
Рb інтенсивніше надходить у рослини на дерново-підзолистому ґрунті, ніж на чорноземі.
Міграція за профілем ґрунту
Важкі метали, що потрапили у ґрунт, перш за все, їх мобільна форма підлягають різним трансформаціям. Один з основних процесів, що впливає на долю їх у ґрунті, – закріплення гумусовою речовиною. Міграційні можливості важких металів при цьому, в основному, знижуються. Саме цією обставиною значною мірою пояснюється підвищений вміст важких металів у верхньому, тобто найбільш гумусованому, шарі ґрунту.
Низхідній міграції важких металів перешкоджають також гідроксиди і оксиди Fe і Мn, які звичайно концентруються у верхній частині профілю ґрунту. Доля захоплених ними важких металів може бути значною.
Б.К. Блинов і Г.К. Вертинська (1978) дійшли висновку, що 57-74% Рb і Нg при антропогенному забрудненні закріплюються в шарі 0-10 см і тільки 3-8% мігрує до глибини 30-40 см. Ф. Стівенсон і Дж. Уейч (Stivenson, Weich, 1979) встановили, що переміщення Рb вглиб ґрунту відбувається у вигляді халату [19, 206-208].
Глибина проникнення важких металів у забруднених ґрунтах звичайно не перевищує 20 см, при сильному забрудненні вони проникають на глибину до 160 см. Найбільшою міграційною здатністю характеризуються Нg і Zn, які, як правило, рівномірно розподіляються у шарі ґрунту на глибині 0-20 см. Рb частіше накопичується у поверхневому шарі (0-2,5 см), Cd займає проміжне положення між ними.
Особливості металу
Встановлено, що метали-забруднювачі мають неоднакову здатність до адсорбції, від чого токсичність їх для рослин при однаковому забрудненні може бути різною. Таж, при рівних умовах іон Сu адсорбується у більшій кількості, ніж іон Cd (Cavallano, Mebride, 1978; Mayer, 1978) [19, 211].
Цинк утримується ґрунтами більш міцно, ніж кадмій. Найбільша кількість цинку зв'вязана з оксидами заліза. Кадмій, в основному, знаходиться в обмінній формі, і невелика його кількість зв'язана з оксидами заліза.
Трансформації у ґрунті і переходу в міцно фіксований стан більшою мірою підлягає свинець, значно менше – цинк і кадмій, які переходять, в основному, в іонообмінні форми.
Форми знаходження важких металів у ґрунті
Важкі метали у ґрунтах присутні у різних формах: у ґрунтовому розчині – у формі вільних катіонів і асоціатів із компонентами розчину, у твердій частині ґрунтової маси – у формі обмінних катіонів і їх заряджених комплексних сполук, адсорбованих на поверхні ґрунтових часточок, у вигляді ізоморфних домішок у структурах глинистих мінералів, оклюдованих іонів у складі осадків макрокомпонентів, гелів заліза, алюмінію і марганцю, а також у формі власне мінералів і стійких осадів малорозчинних солей.
Так, Н.Г. Зирін та ін. (1972) пропонує розрізняти три групи елементів у ґрунтах за їх рухомістю: мобільні (безпосереднє джерело і найближчий резерв елементів живлення для рослин); фіксовані (потенційний резерв); ізоморфні домішки (стратегічний резерв елементів живлення рослин) [19, 215].
За методом видалення елементів із ґрунту розрізняють: водорозчинні; легкорозчинні; обмінні; кислоторозчинні; фіксовані; міцно фіксовані, зв'язані з тими чи іншими компонентами ґрунтової маси (органічною речовиною, оксидами Fe, АІ і Мn).
Встановити границі безпечного вмісту того чи іншого елементу в ґрунті складно. Рівень токсичності елементів залежить від гранулометричного складу ґрунту, його кислотності, вологості, вмісту гумусу, виду рослин тощо. Якщо культура знижує урожайність через присутність у ґрунті того чи іншого елементу на 5-10%, то рівень його вмісту в ґрунті вважається токсичним. Л.Г. Бондарєв відмічає, що у багатьох випадках на ґрунтах, забруднених важкими металами, урожайність зернових культур знизилася на 20-30%, цукрових буряків – на 35, бобових – на 40, картоплі – на 47% [19, 221]. Негативний вплив забруднення важкими металами посилюється при вирощуванні рослин у екстремальних умовах. При внесенні під картоплю 30 кг/га міді, цинку і марганцю урожайність за звичайних погодних умов знижувалася на 10-15%, у посушливі роки – у 2-3 рази, а вміст мікроелементів у бульбах картоплі виріс у 4-5 разів.
Гранично допустима концентрація (ГДК) важких металів у ґрунті – поріг їх токсичності. При вмісті важких металів нижче ГДК можливо отримання сільськогосподарської продукції, яка відповідає санітарно-гігієнічним нормам. Присутність вказаних металів нижче граничних значень повинна гарантувати відсутність фітотоксичної дії, яка викликає зниження врожаю сільськогосподарських культур, і важких металів у харчовому ланцюзі «тварина-людина». При цьому важкі метали не будуть вимиватися з ґрунтової води у кількості, яка відповідає загрозі питної води.
Підхід до нормування забруднення по валовому вмісту важких металів потрібно розглядати як суто орієнтовним. При рівності валових форм будь-якого металу в ґрунті ступінь його рухливості може бути різним, У результаті у харчовий ланцюг надходить неоднакова кількість токсиканта. Більш об'єктивну оцінку дає визначення вміст рухомих форм важких металів.
При забрудненні ґрунту не одним, а декількома металами оцінюють сумарну їх фітотоксичність. Наприклад, у Англії для цього запропоновані цинкові одиниці, якими порівнюють фітотоксичність того чи іншого елементу з цинком. Коефіцієнти переводу в цинкові одиниці отримані емпірично. Знаючи вміст важких металів у цинкових одиницях і безпечну його кількість у ґрунті, можна встановити дозу внесення, наприклад, осад стічних вод як органічного добрива або дати кількісну оцінку забруднення ґрунту важкими металами.
При використанні осадів стічних вод та інших відходів необхідно враховувати ГДК того чи іншого елементу в ґрунті і динаміку його накопичення за систематичного його застосування. Гранично допустимий вміст важких металів у осадах стічних вод, які використовуються в сільському господарстві, такий (мг/кг сухоїречовини): Рb, Сг, і Сu – 1200, Cd –20, Ni – 200, Hg – 25, Zn – 3000. Важливо також знати рівень надходження токсичних елементів у рослини і можливе накопичення їх у господарській частині врожаю. Оскільки такий комплексний підхід часто відсутній, рекомендації щодо застосування промислових і комунальних відходів досить суперечливі.
Надзвичайно важливо не піддавати людей ризику захворювання від перевищення вмісту важких металів у продуктах харчування. За попередніми нормами МОЗ, гранично допустиме надходження з продуктами харчування свинцю становить 3 мг у тиждень, кадмію – 0,4, ртуті – 0,3 мг. Зазвичай ці норми не порушуються [20, 47]. Гранично допустимий вміст важких металів у продуктах харчування наведено у таблиці 1.3. При кулінарній обробці вміст важких металів у овочах і картоплі знижується. При промивці, очистці, знятті шкірки, бланшуванні кількість свинцю і ртуті в овочах зменшується на 50%, в картоплі – на 80-85%, а кадмію, який знаходиться в середині бульби, – на 20%. Проста промивка салату зменшує вміст свинцю на 90%. Найбільш небезпечними з цієї точки зору є атмосферні забруднення і використання як добрив осаду стічних вод, компостів із побутового сміття, промислових відходів. Зниженню надходження важких металів у рослини сприяють такі прості агротехнічні заходи, як: вапнування ґрунту і внесення органічних добрив, комплексне агрохімічне окультурювання полів, застосування природних цеолітів тощо. Внесення гною і фосфорно-калійних добрив знизило рухомість цинку в ґрунті на 27%, міді – на 5,5%, внесення 5 т/гa соломи і фосфорно-калійних добрив – відповідно на 16 і 19%.
Таблиця 1.3.
Гранично допустимі концентрації деяких хімічних елементів в основних групах харчових продуктів, мг на 1 кг сирого продукту
Елемент
Продукти
Хлібобулочні вироби і зерно
Овочі
Фрукти
Соки і напої
рибні
м'ясні
молочні
Ртуть
0,5
0,03
0,005
0,01
0,02
0,01
0,005
Кадмій
0,1
0,05
0,01
0,02
0,03
0,03
0,02
Свинець
1
0,5
0,05
0,2
0,5
0,4
0,4
Миш'як
1
0.5
0,05
0,2
0,2
0,2
0,2
Мідь
10
5
0,5
10
10
10
5
Цинк
40
40
5
25
10
10
10
Нікель
0,5
0,5
0,1
0,5
0,5
0,5
0.3
Хром
0,3
0,2
0,1
0,2
0,2
0,1
0,1
Олово
200
200
100
-
200
100
100
Селен
1
1
0,5
0,5
0,5
0,5
0,3
Алюміній
30
10
1
20
ЗО
20
10
На забруднених важкими металами ґрунтах не можна вирощувати листові овочі і коренеплоди, які сильніше за інші культури поглинають метали з ґрунту. Відносно небагато їх накопичують у товарній частині урожаю томати і баштанні. Але краще на таких ґрунтах вирощувати технічні культури: льон, коноплю, картоплю, а також цукрові буряки.
При сильному забрудненні важкими металами верхній шар ґрунту знімається і замінюється «чистим».
продолжение
--PAGE_BREAK--1.5 Надходження важких металів у рослини та їх фітотоксичність
Важкі метали є протоплазматичними отрутами, токсичність яких збільшується по мірі збільшення відносної атомної маси.
За фітотоксичністю сполуки можна розподілити у такий ряд:
• дуже фітотоксичні елементи – чинять дію на тест-організми при концентраціях в розчині до 1 мг/л: Аg+, Ве2+, Нg2+, Sn2+ і можливо Со2+, Ni2+, Pb2+ і СrO2- .
• помірно токсичні: 1-100мг/л викликає інгібуючу дію: AsO42-, ВO33-, ВгО4-, СІО4-, МnО42-, МоО42- антимоніт селену; іони As, Se, Al, Ba, Cd, Cr, Fe, Mn, Zn.
• слаботоксичні: рідко чинять негативний ефект при рівнях більше 1800 мг/л: Сl-, Вr-, L-, Са2+, Mg2+, K+, Na+, Rb2+, Sr2-, Li+, NO3 —.
Токсичність важких металів може проявлятися по-різному:
- Сu, Нg: при токсичній концентрацій інгібують активність ферментів, утворюють комплекси з органічними молекулами, що здатні проникати крізь клітинну мембрану.
- Al, Ba, Fe: утворюють преципітати з РО43-, SO42-, утворюють хелатоподібні комплекси з обмінними метаболітами.
Взаємодіють із клітинними мембранами, змінюючи їх проникність і інші властивості. Au, Cd, Cu і Fe2+ іноді викликають розрив клітинних мембран.
Конкуренція: Li – з Na; Cs – з К; Ва і Sr – з Са; Cd – з Zn.
На фітотоксичність впливають такі показники: концентрація металу в ґрунтовому розчині. Деякі рослини здатні акумулювати метали; ґрунтові фактори: рН (впливає на рухомість металів і засвоєння їх кореневою системою), вміст органічної речовини та інші фактори. При рН близько 7 у ґрунтах з істотним вмістом важких металів попереджується фітотоксичність багатьох з них, але ті ж концентрації при рН 5,5 і нижче можуть стати летальними для рослин; забезпеченість рослин елементами живлення, фази росту, глибини проникнення коренів, тривалості вегетаційного періоду; удобрення, вапнування; зміна освітленості, температури і зволоження впливає на рух і трансформацію важких металів у ґрунтовому середовищі і рослинах, на взаємодію між рослинами і металами.
Для характеристики вибіркового поглинання хімічних елементів рослинами Б.Б. Полинов (1945) ввів у обіг величину, що пізніше була названа А.І. Петельманом (1961) коефіцієнтом біологічного поглинання(КБП), що представляє собою часткове відношення кількості хімічного елемента у золі рослин до його вмісту в літосфері [16, 105]:
де Ср – вміст елемента в золі рослини; Сп – вміст елемента в ґрунті.
КБП змінюється від 0,001 до 100. У складених ним рядах біологічного поглинання виділено п'ять груп елементів: інтенсивно накопичувані – КБП=10...100; сильно накопичувані – КБП=1...10; слабо накопичувані і середнього захвату – КБП=0,1...1,0; слабкого захвату – КБП=0,001-0,01. КБП хімічного елемента для одного і того ж виду рослин не є сталим і може змінюватись.
Сучасні уявлення фізіологів щодо надходження і поведінки важких металів у рослинах (Вахмістров, 1966; Tiffin, 1977; Вахмістров, Мазель, 1973; Лібберт, 1976; Клаксон, 1978) зводяться до наступного [16, 116].
Важливу роль у захисті рослин від надлишку важких металів, що надходять із ґрунту в корені, виконує коренева система. Затримуючи надлишкові іони, корені тим самим сприяють зберіганню в надземних органах сприятливих (чи нешкідливих) концентрацій хімічних елементів.
Захисні можливості коренів дуже великі, але і вони мають межу; при дуже високій кількості токсиканта у середовищі його потік у надземні органи посилюється. Спочатку це відмічається у листках, потім – і у зернах.
Іони металу, потрапивши у корінь, займають вільний простір, адсорбуються на стінках і залишаються в розчині. Щоб брати участь у метаболізмі коренів, їм необхідно подолати плазмалему. Подолання клітинних мембран необхідне і для досягнення іонами ксилеми: обійти перешкоду – поясок Каспарі – вони можуть тільки шляхом переходу із апопласта у симпласт. Однак цей шлях долається важко, оскільки у мембранах локалізований механізм вибіркового поглинання іонів, який обмежує проникнення у клітину баластних і надлишкових іонів. Якщо все ж таки у клітинах кореня іонів виявиться понад допустимий ліміт, то включається ще один механізм захисту, який переводить надлишок у вакуолі.
Таким чином, частина іонів металу затримується у вільному просторі чи переправляється у вакуолі, інша частина використовується у процесі метаболізму, третя – із ксилемним соком підіймається у надземні органи.
При просуванні по ксилемі метали можуть адсорбційно поглинатися її стінками, а також закомплексуватися присутніми у клітинному соці органічними сполуками. Однак, як вказує У. Ліндсей (Lindsay, 1972), важкі метали – Zn, Ni, Cu, Fe – не зв'язані тут у високостабільні ліганди [16, 123]. Проходячи переважно транзитом шлях по ксилемі, іони потрапляють у листки, перш за все, в апопласта. Для того, щоб проникнути в клітини листка, у якому відбувається основна синтетична діяльність рослин, іонам знову потрібно подолати клітинні мембрани. За аналогією з коренями тут діють механізми вибіркового поглинання. Основна його функція – забезпечення нормального вмісту іонів у цитоплазмі, тобто вона пов'язана з захистом життєво важливих органів і процесів. При потраплянні важких металів у листок їх надлишок може акумулюватися у різноманітних структурах листка і клітини: провідні тканини, апопласта, вакуолі.
Як відомо, елементи з ґрунту поглинаються переважно у вигляді іонів. Однак у рослинній тканині ця форма вже не домінує. Метали в іонній формі, очевидно, у помітній кількості можуть зустрічатися в ксилемі, апопласті і вакуолях, тоді як у цитоплазмі вони входять, в основному, у склад органічних сполук. Органічні сполуки, що виходять за межі клітин, можуть хелатувати іони металів, роблячи їх менш активними і пом'якшуючи тим самим вплив несприятливого ефекту (Wallace et. c, 1968) [16, 127].
За ступенем рухомості А.Л. Курсанов (1976) виділяє у тканинах три зони [16, 132]:
- вільний простір, звідки іони вимиваються легко;
- цитоплазму, яка важко віддає іони;
- вакуолі, де іони утримуються міцно.
Викладені уявлення допомагають пояснити ситуації, що виникають при забрудненні середовища важкими металами.
Важкі метали негативно впливають на різні боки життя рослин. М.Д. Степановою і Н.Ю. Гармаш було встановлено, що при високому вмісті у рослинних тканинах свинцю змінюється кількість N, Р, Са і Мо, при надлишку Cd – Са, Mn, Cu, Мо. Більшою мірою це стосувалося листків, меншою – насіння [19, 231].
При більш детальному вивченні білкового обміну виявилося, що надлишкова концентрація важких металів у рослинах впливає на його фракційний склад, при постійності вмісту глобулінів зростає кількість проламінів, глютелінів і нерозчинного залишку і дещо зменшується вміст альбумінів. Ця обставина вказує на погіршення складу білків, зокрема на зниження вмісту лізину.
Важкі метали, починаючи з певної концентрації, гальмують процес фотосинтезу і зменшують транспірацію рослин. При високому вмісті у середовищі, наприклад РЬ, продуктивність фотосинтезу в різних сільськогосподарських культурах виходить на рівень 10% від максимальної, а транспірація скорочується майже у 20 разів порівняно з контролем (Bazzaz et al., 1985) [16, 148].
Результатом пригнічення токсикантами фізіолого-біохімічних процесів є загальне послаблення опору рослин до хвороб і шкідників, що називається «вторинною» дією токсикантів.
Рис. 1. Фітотоксичність важких металів
Токсичну дію металів на рослини можна прослідкувати по росту:
· 0-2 – ріст відсутній;
· 2-3 – гостра нестача;
· 3-4 – середня нестача;
· 4-5 – оптимальний вміст;
· 5-6 – слабка токсичність;
· 6-7 – сильна токсичність;
· 7 – загибель рослини.
На відміну від симптомів нестачі, які для кожного елементу є специфічними, ознаки надлишку більш-менш однакові. Згідно зі схемою Busser, при поступовому зростанні концентрації іонів у середовищі спостерігається поступова поява ознак пригнічення рослинного організму:
· 1 – гальмування росту;
· 2 – хлороз листків;
· 3 – некрози верхівок і країв листків;
· 4 – відмирання коренів.
Якщо некрози листків і відмирання коренів виступають як прямий наслідок надлишкового вмісту елементу в рослинних тканинах, то хлороз і обмеження росту можуть бути також і результатом антагоністичних взаємовідносин надлишкового іону з іонами поживних речовин і виникнення таким чином індукованої нестачі у тканині.
Висока фітотоксичність властива Нg і Cd. Менш токсичними є Cu, Zn, Pb. У дослідах із зеленними культурами встановлено наступний ряд токсичності вивчених хімічних елементів: Cd > Ni > Zn, Cr > Pb [Foroughi et al., 1975] [19, 239]. Згідно з даними, фітотоксичність важких металів розміщується таким чином: Cd > Cu > Co = Ni > As = Cr > Zn > Mn = Fe > Pb.
K.V. Smilde (1981) розташував метали за фітотоксичністю в такий ряд: Cd> Ni> Cu> Zn> Cr і РЬ. Він вказує на те, що метали у чистому вигляді менш токсичні, ніж у поєднанні з іншими металами.
За чутливістю до кадмію рослини можна розмістити у такій послідовності (по зростаючій): томат, овес, салат, лугові трави, морква, редька, квасоля, горох. Цинк слаботоксичний для рослин, малотоксичний і молібден, навіть якщо він попадає у ґрунт у великій кількості. Мідь у високих концентраціях може мати токсичну дію на рослину, особливо на легких і малогумусних ґрунтах. Ознаки хлорозу й утворення численних зафарбованих у коричневий колір бічних корінців відмічалось у рослин при вмісті у ґрунті 0,7-1,1 кг/га сполук міді, які вилучаютьсь з водою. Найменшу безпеку становить свинець, оскільки у рослинах добре відлагоджена система захисту при проникненні його у кореневу систему.
продолжение
--PAGE_BREAK--1.6 Нормування вмісту важких металів у ґрунті
Зберігання головної функції ґрунту – забезпечення умов для нормальної життєдіяльності сільськогосподарських культур – в умовах зростаючого забруднення оточуючого середовища стає завданням першочергового значення. Успішне вирішення його залежить, зокрема, від дієвості контролю за надходженням забруднювачів у ґрунт, а із ґрунту – у харчовий ланцюг.
ГДК важких металів –це така їх концентрація, яка при тривалому впливі на ґрунт і рослини, що ростуть на ньому, не викликає яких-небудь патологічних змін чи аномалій у ході біологічних процесів, а також не призводить до накопичення токсичних елементів у сільськогосподарських культурах і, відповідно, не може порушувати біологічний оптимум для сільськогосподарських тварин і людини (табл.1.4.).
Макаренко Н.А. вказує на те, що валовий вміст важких металів доцільно використовувати для загальної характеристики стану ґрунтів і потенційної небезпечності важких металів [19, 251]. Лише вміст рухомих форм буде зумовлювати рівень їхньої токсичності.
Метали саме у рухомих сполуках негативно впливають на ґрунтовий біоценоз, що неодноразово було доведено вітчизняними і зарубіжними спеціалістами. Згідно з ГОСТ 17.4.1.02-83, у ґрунтах, у першу чергу, необхідно проводити контроль за вмістом As, Cd, Hg, Se, Pb, Zn (/ клас небезпечності), у другу чергу – за вмістом В, Co, Mo, Ni, Cu, Sb, Cr (// клас небезпечності), у третю чергу – Ва, V, W, Mn, Sr (/// клас небезпечності).
Існування зворотного зв'язку між вмістом важких металів у ґрунті і врожаєм враховується, наприклад, румунськими дослідниками при класифікації ступеня забруднення ґрунтів (Rauta, Carstea, 1986) [19, 153]:
Ступінь забруднення ґрунту Зниження врожаю і(чи)
його якості, %
практично незабруднені
злегка забруднені 6-10
середньо забруднені 11 -25
сильно забруднені 26-50
дуже сильно забруднені 51-75
надлишкове забруднення >75
Слід зазначити, що, згідно з багатьма дослідженнями, пороговим слід вважати зниження урожаю на 15-20%, оскільки при цьому відбувається важлива у гігієнічному плані обставина – накопичення важких металів у частині рослин, що вживаються у їжу, вище ГДК.
Таким чином, вивчення результатів антропогенного забруднення оточуючого середовища уданий час набуло виключно важливого значення, оскільки багато з хімічних інгредієнтів, які накопичуються у повітрі, воді і ґрунтах, є надзвичайно небезпечними для живих організмів. На найбільшу увагу заслуговує техногенне накопичення важких металів, особливо у ґрунтах – початковій ланці харчового ланцюга. Так само актуальними є вивчення забруднення сільськогосподарських культур, тому що 70-80% від загальної кількості важких металів, що надходять в організм людини, припадає на рослинну продукцію.
Таблиця 1.4.
ГДК важких металів,
мг/кг
продолжение
--PAGE_BREAK--1.6 Способи детоксикації важких металів, техногенно накопичених у ґрунті
Серед заходів детоксикації надлишку важких металів у ґрунті можна виділити наступні:
1. Вапнування ґрунту
Установлено, що при рН 6,5 спостерігається найменша розчинність важких металів. У дослідах, проведених Карповою і Потатуєвою, встановлено, що вапно значно знижує надходження кадмію в рослини. У літературі часто відмічається переважно антагонізм між Са і важкими металами. Даних про взаємодію Мg з важкими металами дуже мало.
2. Застосування гною, торфу, органо-мінеральних компонентів та інших дозволяє використовувати властивість багатьох органічних сполук до комплексоутворення з важкими металами. Утворені металоорганічні комплекси є або малорухомими, або неспроможними до подолання клітинних мембран на контакті ґрунт – корінь. Поряд із цим використання органічних добрив вирішує інше важливе для забруднених ґрунтів завдання – збагачує їх органічним вуглецем і елементами мінерального живлення рослин.
3. Значну здатність до детоксикації важких металів мають фосфорні добрива. Фосфати Pb, Zn та інших металів являють собою важкорозчинні сполуки, малодоступні для рослин. Внесення 3 т/га однозаміщеного фосфату кальцію в ґрунти за ефектом детоксикації Pb (враховувався вміст Pb у рослинах) відповідало внесенню від 1 до 4 т СаСO3 /га. Для зниження видатків на суперфосфат доцільно використовувати фосфоритне борошно. Тому фосфоритування кислих ґрунтів з метою інактивації надлишкових важких металів розглядається як один з важливих заходів охорони здоров'я людини і тварин.[1, 47].
4. Для детоксикації надлишку важких металів у ґрунті, можливо, ефективним стане використання цеолітів як природних, так і штучних. Слід зазначити, що це відноситься до металів, що знаходяться у ґрунтовому розчині у вигляді катіонів. Надходження у рослини аніонної форми металів від присутності цеолітів не знижується [1, 48].
При застосуванні різних видів цеоліту в кислих ґрунтах, забруднених свинцем, вдавалося знизити вміст цього металу на 30%. Разом з тим, у деяких ґрунтах ефект від присутності цеоліту виявився слабким [1, 49].
5 Як відомо з агрохімії, при поглинанні рослинами з ґрунту хімічнихелементів виникають протилежно направлені взаємодії: синергічні, коли присутність одного елемента сприяє надходженню в корені іншого, і антагоністичні, коли все протікає навпаки.
Антагоністичні взаємодії між хімічними елементами, мабуть, можна використовувати для зменшення надходження важких металів із ґрунту в рослини. Зокрема, було вказано на антагонізм між На та Zn і доводилася можливість використання цинку, в даному випадку як значно менш токсичного, для обмеження надходження ртуті в харчові ланцюги [1, 50].
У США є рекомендації по застосуванню добрив, що містять Cd, з врахуванням співвідношення Zn: Cd. Якщо воно більше за 100, то кількість Cd, що вноситься на 1 га, не повинна бути більшою за 6-7 кг. Якщо менше 100, то норма внесення Cd із добривами 3-4 кг/га.
Поряд з цими існують і біологічні заходи, що діють у тому ж напрямку. До них відноситься вирощування толерантних культур чи сортів, що використовуються в їжу, вирощування технічних і лісових культур, розведення квітів.
7 Як надзвичайний захід пропонується створення нового орного горизонту як за рахунок плантажної оранки, що забезпечує захоронення шару на глибині 40-50 см і вивертання на поверхню підорного незабрудненого, так і шляхом створення насипної товщі за рахунок ґрунту, привезеного з незабрудненої території. Можливе також видалення токсичного шару і розміщення на його місці нормального ґрунту.
1.7 Токсична дія важких металів
Цинк. Ґрунт: кларк цинку в земній корі 7*10-3%. Існує 72 цинкових мінерали (мінеральних видів). Вміст його у ґрунтах залежить від материнської породи, вмісту органічної речовини реакції ґрунтового розчину. Вміст валового Zn у ґрунтах змінюється від 5,5 до 132 5 мг/кг. Ґрунти України бідні на рухомі форми Zn і мають від слідів до 0,30 мг/кг сухого ґрунту Zn і Cd є супутниками: чим більше у ґрунті Zn, тим більше у ньому Cd Відношення Zn до Cd становить близько 1000:1 (Виноградов А.П., 1950). У гумусовому шарі вміст Zn підвищується. За даними наукових установ, цинкові добрива треба вносити у ґрунт тоді, коли вміст у ньому рухомої форми в орному шарі менше 0,3 мг/кг. зв'язку з можливою шкідливою дією надлишків Zn на живі організми встановлено його ГДК, яке становить 300 мг/кг у ґрунті для валових форм і 23 мг/кг – для рухомих форм цинку [19, 258-261].
Рослини: вміст Zn у рослинах коливається від 15 до 22 мг на 1 кг сухої речовини, винос з урожаєм різних культур від 75 до 188 г на 1 га (Каталимов М.В., 1960), за іншими джерелами (Федюшкін Б. Ф., 1989) від 1200 до 2100 г/га. На думку Р.Брукса (Brooks, 1983) середній вміст цинку в рослинах 50 мкг/г сухої речовини. Zn має слабку фітотоксичність що проявляється тільки при збільшенні його вмісту в ґрунті. Ознаки фітотоксичності проявляються при вмісті Zn в тканинах 300-500 мг/кг сухої речовини. Zn входить до складу ферментів, бере участь у білковому, вуглеводневому, фосфорному обміні речовин, у біосинтезі вітамінів та росткових речовин [19, 261-262].
ГДК для цинку становить 200-400 мг/кг сухої маси рослин.
Тварини і людина: цинк, як і інші мікроелементи, поступає у тваринний організм із кормами.
Цинк активізує гормони статеві, передньої частини гіпофізу і підшлункової залози. Цинк входить до складу гормону підшлункової залози інсуліну, регулюючи при цьому вуглеводневий обмін; статевих гормонів, активізуючи тестостерон, фолікулін, пролін; відіграє важливу роль у процесах запліднення і відтворення. Тісний зв'язок цинку з гормонами, ферментами і вітамінами зумовлює його регулюючий вплив на відтворну функцію, обмін вуглеводів, білків, жирів, систему кровотворення, ріст і розвиток організму тварин. Цинк виявлений у складі ферментів дегідрогенази, пептидази, трансфосфорилази, карбоксипептидази, карбоангідрази, уреази. Ці ферменти беруть участь у обміні білків і вуглеводів. Цинк каталізує ферменти аргіназу, дегіропептидазу, амінопемтидазу, енолазу та ін. Отже, він бере участь у процесах клітинного дихання та окислення вуглеводів.
Цинк є необхідним для утворення і дозрівання сперматозоїдів. При надлишковому надходженні до організму людей і тварин токсично діє на серце, кров та інші органи, виявляє канцерогенну дію. Засвоєння тваринами цинку з різних кормів неоднакове. Наприклад, цинк кукурудзи засвоюється у кількості 52%, пшениці – 60%, гороху, ячменю, вівсу і бобів – 66-68%, люпину – 80% від прийнятого (табл. 1.5.).
Таблиця 1.5.
Допустимий вміст у рослинному матеріалі й винос елементів із врожаєм
Таблиця 1.6
Природний та допустимий вміст важких металів у
ґрунті (мг/кг) і рослинному матеріалі, мг/кг сухої речовини
Таблиця 1.7
Кларки і МДР важких металів у ґрунтах (за Н.А. Черних, В.Ф. Ладиніним)
Таблиця 1.7
Регіональні кларки важких металів для ґрунтів України, мг/кг (за А.І. Фатєєвим)
· * – середній вміст
· ** – діапазон коливань
Свинець. Ґрунт: кларк Рb у літосфері – 1,6*10-3%, 16 мг/кг. У ґрунті кількість його коливається від 0,37*10 -3 до 4,33*10 -3%. Розроблені ГДК значно відрізняються один від одного. За одними даними, ГДК валових форм Рb у ґрунті становить 100 мг/кг, за іншими – 15-20 мг/кг; 32 мг/кг. ГДК рухомих форм свинцю в ґрунті становить 2 мг/кг.
Рослини: свинець має невисоку фітотоксичність: наявність діючої у рослинах системи інактивації елементів, що проникають у кореневу систему, затримує основну частину Рb у коренях рослин. Дуже високі концентрації Рb можуть суттєво пригнітити ріст рослин і викликати хлороз, обумовлений порушенням надходження Fe.
Звичайний вміст Рb у сільськогосподарських культурах, що використовуються в їжу, – 1-5 мг/кг сухої речовини. ГДК Рb овочевих і зернових культур становить 0,3 мг/кг, але є і більш високі показники (до 10 мг/кг сухої маси). Допустима концентрація у кормах –до 10 мг/кг.
Тварини і людина: отруєння тварин свинцем трапляється у місцевостях, де трава містить до 150 мг і більше свинцю в 1 кг сухої речовини. Крім того, часто причиною отруєнь тварин цим елементом є транспортні засоби, у яких перевозять корми, забруднені сполуками свинцю, що широко застосовується у промисловості й потрапляє в атмосферу та воду.
Кадмій. Ґрунт: кларк Cd і літосфері 1,3*10-5% або 0,13 мг/кг. У ландшафті Cd є рідким розсіяним елементом. Cd численні основні, подвійні і комплексні: сполуки. ГДК у воді 10 мг в 1 л. Для ґрунтів Франції встановлено ГДК Cd 3 мг на 1 кг ґрунту,, у нашій країні – 3 мг/кг для валових форм і 0,7 мг/кг – для рухомих. Більш інтенсивно надходить Cd у рослини на кислих ґрунтах і значно менше – на нейтральних і лужних, тому для зниження надходження його у рослини велику роль відіграє їх вапнування.
Токсичний вплив на рослини: цей елемент, маючи надзвичайно високу токсичність, легко пересувається у ґрунтах, швидко засвоюється рослинами і нагромаджується у них. Він має кумулятивні властивості. Унаслідок надмірного вмісту кадмію в рослинах спостерігається почервоніння і хлороз листків, стебел, черешків.
У природній рослинності західних штатів США концентрація кадмію коливається у межах 0,03-0,3 мкг/г сухої речовини. У зерні злаків з різних країн вміст кадмію змінюється від 0,02 до 0,2 мкг/г сухої речовини. Згідно деяких даних, середня концентрація кадмію в рослинах суходолу дорівнює 0,005 мкг/г сухої речовини.
Середній вміст в органах рослин: зерно – 0,2-4 мг/кг; солома – 0,1-12 мг/кг. Фітотоксичність Cd пояснюється його близькістю за хімічними властивостями до Zn. Може виступати у ролі Zn у багатьох біохімічних процесах, порушуючи роботу ферментів. Це призводить до цинкової недостачі і, як наслідок, пригнічення рослини та її гибелі.
Токсичний вплив на тварин і людину, токсичність кадмію проявляється досить сильно. Є дані про ембріофобну і канцерогенну дію кадмію. Цей метал здатен заміщувати цинк у ензиматичних системах, необхідних для формування кісткової тканини, що супроводжується важкими захворюваннями. Відоме гостре захворювання, що вражає кісткову систему (хвороба ітаї-ітаї). Негативний вплив на тварин виявляється не відразу після поїдання корму, що містить надмірну кількість кадмію, а через деякий час.
Кадмій знижує здатність організму протистояти хворобам. Він має мутагенні і канцерогенні властивості, негативно впливає на спадковість, а також руйнує еритроцити крові, сприяє захворюванням нирок і сім'яних залоз, викликає гастрит і анемію (МінєєвВ.Г. та ін., 1981) [19, 264].
Для людини допустима доза Cd становить 70 мкг на добу для дорослих і повністю виключає його присутність у питній воді та їжі для дітей.
продолжение
--PAGE_BREAK--Розділ 2. Методика обстеження земель навколо підприємств-забруднювачів
Як свідчить багаторічний досвід з цього питання, що зона істотного забруднення ґрунтового покриву навколо промислових підприємств охоплює територію в напрямку пануючих вітрів до 20-30 км і із інших напрямків 10-15 км. Розподіл атмосферних викидів по площі довкола відбувається в певній закономірності на промисловій площадці підприємства переважають викиди, що надходять із заводських труб і вентиляційної системи: в радіусі 0,5-1 км випадають найбільш великі і важкі частки; на відстані 1,5-2,5 км знаходиться зона максимального і різноманітного забруднення; на відстані 2,5-5,0 км при високих заводських трубах розташована зона такого ж різноманітного забруднення, але викиди мають більш тонкий гранулометричний склад; у смузі 5-10 км зосереджуються газопилові викиди різноманітного складу, однак щільність покриття ними тут значно менша.
Перед обстеженням забрудненості ґрунтового здійснюють рекогностировочний об'їзд територій під час якого уточняють розміщення населених пунктів напрямок сільськогосподарського виробництва та випадки захворювання жителів населених пунктів. Обстежуючи умови забруднення навколишнього середовища промисловими викидами, необхідно підтримувати зв'язок з державними органами охорони природи, місцевими установами санітарно-епідеміологічної та гідрометеорологічними службами, які мають пункти контролю за станом повітря, води, ґрунту. Ступінь забруднення ґрунтового покриву попередньо оцінюється за показниками кислотності, лужності, засоленості, співвідношення C/N в гумусі, вмісту сірки тощо. Висновок про дальність переносу техногенних викидів робиться на підставі всієї зібраної інформації, яка використовується також при виготовленні прогнозної (загальної) картосхеми. Вона обов'язково потрібна на початковому етапі обстеження, як первісна основа. Загальну картосхему виготовляються у такий спосіб: на плані місцевості навколо підприємства забруднювача в радіусі 10 км по периметру проводять зовнішню мережу території підвищеного вмісту важких металів, після чого намічають виїзні маршрутні лінії для відбору зразків ґрунту, а також орієнтовні місця розташування, розмір і конфігурацію ключових, та елементарних ділянок і пробних (робочих) площадках.
Розуміти терміни і назви ділянок потрібно так:
Ключова ділянка – це найменша геоморфологічна одиниця ландшафту, що в достатній мірі відображає тип, підтип тобто генезис і властивості ґрунту, ґрунтотворної породи, а також рельєф території, гідрологію, рослинність і т. д. В її межах виділяють елементарні ділянки.
Елементарна ділянка – це частина площі ключової ділянки, яка досить однорідна за мезорельєфом і ґрунтовим покривом на рівні виду і різновиду. В межах ключової ділянки їх може бути одна або декілька. Розмір елементарної ділянки величина не постійна і збільшується по мірі віддалення від джерела забруднювача. Чим далі від підприємства, тим більше елементарних ділянок.
Робоча (пробна) площадка. В межах елементарної ділянки виділяється робоча площадка, яка призначена безпосередньо для відбирання проб ґрунту з яких складається гніздова проба, основний розмір ділянки 1 га, але якщо її ґрунтовий покрив різноманітний виділяють 2-3 робочі ділянки.
На плані місцевості орієнтовне розміщення пробних площадок здійснюється за такою схемою: безпосередньо навколо підприємства намічають пробні площадки по 8 румбах; в радіусі 1,5-2,5 км (зона найбільшого забруднення) – по 10-12; в радіусі 2,5-5,0 км – по 12-16; в радіусі 5-10 км – по 16-24 румбах і так далі. В полі місця розташування, як пробних площадок так і елементарних та ключових ділянок, уточнюють з урахуванням ландшафтно-геохімічних особливостей території, що обстежується. При розміщенні за румбами відстань між пробними площадками становитиме 1,5-2 км, а їх загальна кількість складатиме на орних землях 100-200, а з урахуванням площ під лісами, луками пасовищами – приблизно 200.
Кількість точкових проб ґрунту, необхідних для складання гніздової проби, повинна бути тим більше чим сильніше варіювання (строкатість) вмісту важких металів. На великій відстані від джерела забруднення, де рівень забруднення і вміст важких металів мало відрізняється від фонового (природного), кількість точкових проб може бути такою як при картографуванні мікроелементів – 20-30 проб. З наближенням до підприємства для складання гніздової проби беруть 40-60 точкових проб ґрунту. Час відбору ґрунтових проб не має істотного значення, але господарської точки зору дану роботу краще виконувати до сівби на весні, або восени після збирання врожаю.
2.1 Обстеження земель навколо підприємства ВАТ «Рівнеазот»
За літературними даними зона істотного забруднення ґрунтового покриву навколо промислових підприємств охоплює територію в напрямку пануючих вітрів до 20 — 30 км, а з інших боків – 10-15 км. В 2008 році розпочато обстеження сільгоспугідь на вміст важких металів в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот». У викидах цього підприємства залежно від сировини можуть знаходитись солі важких металів. За десятки років у відвалах підприємства накопичилось тисячі тонн промислових відходів, основним з яких є фосфогіпс.
Методи досліджень Для вивчення забруднення ґрунтів викидами ВАТ «Рівнеазот» було закладено пробні площадки розміром 1га по 8-ми напрямках рози вітрів в радіусі 1 км, 2,5 км, 5 км, 10 км. Змішаний зразок складався з 20-40 індивідуальних проб відібраних на пробних площадках розміщених на віддалі 5 і 10 км і 40-60 проб відібраних на віддалі 1 і 2,5 км буром на глибину 20 см.
Визначення міді, цинку, кадмію та свинцю проводилось у витяжці 0,1н азотної кислоти з послідуючою атомно-абсорбційною спектрофотометрією на С-115. Визначення ртуті проводилось у витяжці суміші концентрованих азотної та сірчаної кислоти в співвідношенні 1:1 методом безполум'яної атомної абсорбції на приладі «Юлія-2» [10].
В таблицях 2.1. – 2.5 наведено визначення вмісту важких металів в ґрунті сільгоспугідь поблизу ВАТ «Рівнеазот».
Дослідження показали, що вміст ртуті (табл. 2.1) в орному шарі ґрунту за всіма напрямками не перевищує ГДК (2,1 мг/кг). Максимальні значення цього елементу складають 0,05 мг/кг. Розподіл забруднення рівномірний незалежно відстані та напрямку і не пов'язане з викидами підприємства.
Рівні забруднення ґрунтів кадмієм (табл. 2..2) значно вищі як ртуттю, але не перевищують допустимих значень (3,0 мг/кг), Забруднення ґрунтів кадмієм найбільше на відстані 1 км. Максимальні значення відмічаються у південно-східному, північно-східному та північно-західному напрямках і складають 2,05- 2,28 мг/кг.
Вміст свинцю (табл. 2.3) в ґрунті складає 3,48-20,6 мг/кг і не перевищує ГДК (30 мг/кг). В східному, північному, північно-східному та північно-західному напрямках він зменшується з віддаленістю від підприємства. За іншими напрямками спостерігається зворотна тенденція. Максимальні значення відмічаються на відстані 2,5 км в південно-східному і південно-західному напрямках, на відстані 5 і 10 км в південному напрямку.
Вміст цинку (таблиця 2.4) в ґрунті складає 0,98 — 16,68 мг/кг, значно нижче гранично-допустимих значень (100, мг/кг). При цьому, відмічається збільшення концентрації елементу з віддаленістю від підприємства в південному та південно-східному напрямку, де спостерігаються максимальні значення.
Що стосується забруднення ґрунтів міддю (таблиця 2.5), слід відмітити, що вміст її в ґрунті складає 2,5 — 33,55 мг/кг (ГДК – 55 мг/кг).Слід відмітити, що концентрація елементу зростає лише в північно-східному і південно-західному напрямку. Максимальні рівні зустрічаються на віддалі 2,5 та 10 км від підприємства в південному та північно-східному напрямку.
Таблиця 2.1.
Вміст ртуті в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот»
Напрямок
Віддаль від підприємства, км
1
2,5
5
10
Схід
0,04
0,04
0,04
0,04
Захід
0,03
0,04
0,03
0,04
Північ
0,04
0,04
0,03
0,03
Південь
0,03
0,03
0,03
0,04
Північний схід
0,03
0,04
0,04
0,04
Північний захід
0,03
0,03
0,04
0,05
Південний схід
0,04
0,04
0,03
0,05
Південний захід
0,04
0,04
0,04
0,04
Таблиця 2.2.
Вміст кадмію в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот»
Напрямок
Віддаль від підприємства, км
1
2,5
5
10
Схід
1,82
1,08
0.7
2.2
Захід
1,62
1,75
1,43
1,03
Північ
1,52
1,25
1,66
1,57
Південь
1,89
0,70
1,3
0,72
Північний схід
2,28
1,75
2,05
1,42
Північний захід
2,05
1,5
1,03
2,16
Південний схід
2,09
0,51
0,78
1,29
Південний захід
1,49
1,65
1,21
1,68
Таблиця 2.3.
Вміст свинцю в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот»
Напрямок
Віддаль від підприємства, км
1
2,5
5
10
Схід
7,91
8,31
6,39
5,16
Захід
3,79
5,77
6,05
7,37
Північ
6,49
4,36
5,43
3,86
Південь
7,75
9,11
20,6
19,64
Північний схід
7,95
3,68
4,82
3,87
Північний захід
7,56
5,04
5,79
6,53
Південний схід
5,47
12,58
7,76
9,11
Південний захід
3,48
14,53
5,58
5,15
Таблиця 2.4.
Вміст цинку в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот»
Напрямок
Віддаль від підприємства, км
1
2,5
5
10
Схід
3,41
9,71
9,25
5,14
Захід
8,9
3,4
2,89
8,55
Північ
6,99
1,84
3,92
0,98
Південь
7,52
7,08
16,68
14,06
Північний схід
5,82
0,40
1,24
1,02
Північний захід
11,89
4,15
3,20
3,80
Південний схід
2,22
7,17
4,28
9,68
Південний захід
4,10
9,23
1,72
3,46
Таблиця 2.5
Вміст міді в ґрунті навколо ВАТ «Рівнеазот»
Напрямок
Віддаль від підприємства, км
1
2,5
5
10
Схід
22,14
25,65
32,7
14,94
Захід
10,35
19,40
9,63
4,14
Північ
18,73
9,22
15,61
15,78
Південь
26,58
33,55
5,40
4,56
Північний схід
26,51
2,5
3,4
32,15
Північний захід
22,42
8,53
9,46
9,99
Південний схід
12,99
25,95
21,44
6,59
Південний захід
8,07
23,6
9,32
26,54
Висновки:
1. Вміст ртуті та свинцю в ґрунті на полях поблизу ВАТ «Рівнеазот» не відрізняється від середніх значень отриманих при агрохімічній паспортизації с/г угідь
2. Середній вміст кадмію і міді в ґрунті вищий в 3 і 2 рази відповідно, а цинку в 3 рази менший порівняно з результатами агрохімічної паспортизації.
продолжение
--PAGE_BREAK--