Загрязнение почв тяжелыми металлами

приятие. Контролируются в первую очередь природные среды, наиболее чувствительные к данному загрязняющему веществу в реальных условиях.

Важно не только раннее обнаружение экологической опасности, связанной с загрязняющими веществами, но и выявление закономерностей их накопления. Результаты обследования почв учитываются при установлении уровня их загрязнения и составлении прогноза опасности для здоровья и условий проживания людей в населенных пунктах, при разработке мероприятий по рекультивации почв, при профилактике заболеваний людей и т.д.

Для установления уровня и степени загрязнения почв, точки отбора проб располагают с учетом розы ветров (ГОСТ 17.4.3.01.-83 (СТ СЭВ 3847-82)), рельефа местности, растительного покрова и гидрологических условий, т.е. условий, которые обеспечивают распространение загрязняющих веществ от источника. Вблизи источника загрязнения точки пробоотбора размещаются чаще (на расстоянии 50, 100, 200, 300 м), с удалением от него частота отбора снижается. Форма ареала обследования представляет собой неправильную фигуру, вытянутую по розе ветров. При контроле загрязнения почв транспортными магистралями пробные площадки закладывают на придорожных полосах, пробы отбирают с узких полос шириной 200–500 м на расстоянии 0–10, 10–50, 50–100 м от полотна дороги с глубины 0–10 см. На тестовых участках проводятся регулярные и периодические наблюдения. Повторное определение подвижных форм контролируемых элементов целесообразно проводить через несколько лет (1–5). Периодичность определяется степенью промышленной освоенности территории, удаленностью от крупных загрязняющих объектов, особенностями контролируемого элемента.

Региональный мониторинг – направлен на оценку влияния всех видов человеческой деятельности на состояние окружающей среды региона. Он представляет собой слежение за взаимодействием природы и человека в процессе природопользования.

Локальный и региональный почвенные экологические мониторинги включат в себя 3 основных вида:

1. Специфический.

Г.В. Мотузова (2007) к специфическим видам почвенного мониторинга относит мониторинг почв, подверженных загрязнению, и мониторинг агрохимический. Специфические виды локального и регионального почвенного мониторинга отличаются тем, что они направлены на выявление деградации прежде всего химических свойств почв, с которыми связано прямое действие почв на живые организмы. Существенных изменений физических свойств почв и их морфологии при этом может не наблюдаться (за исключением крайних степеней их проявления, например, в техногенной пустыне сильно загрязненных и деградированных почв).

2. Комплексный.

В рамках комплексного мониторинга выделяют мониторинг опустынивания, мониторинг пастбищ и ирригационно-мелиоративный мониторинг (Г.В. Мотузова). Комплексные виды локального и регионального почвенно-

11

го мониторинга направлены на выявление экологических последствий комплексной деградации почв, в основе которой лежат либо процессы деградации физических свойств почв, которые неизбежно сопровождаются деградацией их химических показателей (опустынивание, выбивание почв), либо начинаются с деградации химических свойств, которая влечет за собой изменение физических показателей (деградация орошаемых почв), что может отражаться как на их морфологических признаках, так и классификационном положении.

3. Универсальный.

Универсальные виды почвенного мониторинга включают: контроль микробиологического состояния почв, контроль качества почв и дистанционный мониторинг почв (Г.В. Мотузова). Универсальные виды локального и регионального почвенного мониторинга позволяют получить интегральную оценку деградации почв, в основе которой лежит либо состояние почвенного микробоценоза, либо производственная оценка качества почв, либо ее «внешний вид сверху», характеризующий большие территории.

Фоновый мониторинг – обязательный вид мониторинга. Цель его заключается в контроле состояния почв территорий, которые могут служить эталонами окружающей среды, своего рода «нулевыми точками отсчета» при проведении локального и регионального мониторинга. Объектами наблюдения для фонового мониторинга служат почвы, характерные для региона исследования, в минимальной степени подверженные антропогенному воздействию, например почвы в заповедниках или памятниках природы.

ПОКАЗАТЕЛИ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПРИ ИХ КОНТРОЛЕ

Среди контролируемых показателей состояния почв различают две группы: педохимические и биохимические. К педохимическим показателям относят те свойства почв, изменение которых может быть вызвано загрязняющими веществами и которые могут отрицательно влиять на живые организмы. К педохимическим относятся показатели важнейших химических свойств почв: гумусного состояния, кислотно-основных и катионнообменных свойств, в отдельных случаях окислительно-восстановительных свойств почв.

Кбиохимическим относят показатели, характеризующие аккумуляцию

впочвах загрязняющих веществ и их непосредственного негативного влияния на живые организмы. К группе биохимических показателей относятся:

1)общее содержание загрязняющих веществ, 2) содержание соединений загрязняющих веществ, обладающих реальной и потенциальной подвижностью.

Показатели общего (валового) содержания контролируемых элементов как природного, так и техногенного происхождения характеризуют их запас

12

впочвах (табл. 3). Определение общего содержания химических элементов

впочвах трудоемко и требует полного разложения алюмосиликатов, удерживающих значительную часть соединений, особенно в незагрязненных почвах (сплавление пробы, разложение кислотами с участием плавиковой кислоты).

При оценке состояния загрязненных почв общее содержание химических элементов является показателем менее информативным. Существует достаточно много данных о природном уровне общего содержания тяжелых металлов (Hg, Pb, Cd, As, Zn, Cu и др.) в почвах мира, в верхних горизонтах разных типов почв России. Кроме того, установлены особенности регионального фонового содержания многих элементов, а также выявлены закономерности изменения их количества в зависимости от гранулометрического состава, гумусированности почв, реакции среды, содержания элементов в почвообразующих породах и других факторов.

Таблица 3

Фоновое содержание валовых форм соединений тяжелых металлов в почвах (мг/кг) (Г.В. Мотузова, 2007)

С расширением экологического контроля состояния почв широко стали применять методы определения содержания кислоторастворимых (1 н. HCI, 1 н. HNO3) соединений ТМ. Нередко им присваивают название «условноваловое содержание ТМ» (Г.В. Мотузова, 2007). Применение в качестве реагентов разбавленных растворов минеральных кислот не обеспечивает полного разложения пробы, но позволяет перевести в раствор основную часть соединений химических элементов техногенного происхождения.

К подвижным формам ТМ относят элементы и соединения почвенного раствора и твердой фазы почвы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с химическими элементами почвенного раствора. Для определения подвижных ТМ в почвах в качестве экстрагента применяют сла-

13

бо солевые растворы, с ионной силой, близкой к ионной силе природных почвенных растворов: (0,01–0,05 М СаCI2, Ca(NO3)2, KNO3). Содержание потенциально подвижных соединений контролируемых элементов в почвах определяют в вытяжке 1 н. NH4CH3COO при разных значениях рН. Используют этот экстрагент и с добавлением комплексообразователей (0,02–1,0 М ЭДТА) (Г.В. Мотузова, 2007).

Для анализа чаще всего отбирают верхние слои почвы (0–10 см), иногда анализируется распределение загрязняющих веществ в почвенном профиле. Верхние горизонты играют роль геохимического барьера на пути потока веществ, поступающих из атмосферы. В условиях промывного водного режима загрязняющие вещества могут проникать вглубь и накапливаться в иллювиальных горизонтах, которые также служат геохимическими барьерами.

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

Санитарно-гигиеническое нормирование содержания в почвах ТМ

Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды служит предельно допустимая концентрация (ПДК) химических веществ в объектах окружающей среды. ПДК соответствует максимальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного) влияния на здоровье человека (включая отдаленные последствия).

Токсическое действие различных химических веществ на живые организмы характеризуют общесанитарным показателем, в качестве которого часто используют показатель ЛД-50 (летальная доза), который показывает массу вещества, поступившего в организм подопытных животных (мышей, крыс) и вызвавшего гибель 50 % из них. Размерность этого показателя – мг вещества/кг массы подопытного животного. Прямые контакты человека с почвой несущественны и происходят опосредованно через другие компоненты: почва – растение – человек; почва – растение – животное – человек; почва – воздух – человек; почва – вода – человек. Определение ПДК в почвах сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых организмов концентрацию веществ в контактирующих с почвой воде, воздухе, растениях.

Именно поэтому ПДК химических веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю, как это принято для других природных сред, а еще и по трем другим показателям: транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному (Г.В. Мотузова, 2007) (табл. 4).

14

Транслокационный показатель определяют по способности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях (тест-культурами служат редис, салат, горох, фасоль, капуста и др.). Соответственно миграционный водный и миграционный воздушный определяют по способности почв обеспечивать содержание этих веществ в воде и воздухе не выше ПДК. Однако санитарно-гигиенические нормативы качества почв не лишены недостатков; основной из них состоит в том, что условия модельного эксперимента определения ПДК и естественные условия сильно отличаются.

Одним из этапов решения проблемы экологического нормирования был подход, основанный на определении допустимой нагрузки на почву с учетом ее буферных свойств, обеспечивающих способность почвы ограничивать подвижность поступающих из вне химических веществ, способность к самоочищению. Такие подходы развиваются в России и в других странах. Но разработать ПДК для каждого типа почв очень трудно. Целесообразна разработка нормативов химических веществ для почвенно-геохимических ассоциаций, объединенных общностью основных физико-химических свойств, определяющих их устойчивость к химическому загрязнению.

Таблица 4

Предельно допустимые концентрации ТМ в почвах (мг/кг) (Г.В. Мотузова, 2007)

На следующем этапе для ряда химических элементов были разработаны ОДК (ориентировочно допустимые концентрации) этих элементов для почв, различающихся по важнейшим свойствам (по кислотности и грануло-

15

метрическому составу). Разработаны они были не на основе стандартизованного экспериментального метода, а на обобщении имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем нагрузки на почвы, состоянием почв и сопредельных сред.

В основу группировки почв по устойчивости к ТМ в первую очередь положены их кислотно-щелочные условия, а также было принято во внимание распространение основных геохимических ассоциаций почв на территории России. Наибольшую площадь распространения имеют геохимические ассоциации почв с кислой и нейтральной реакцией среды с подразделением на 2 группы:

1)почвы с очень кислой и кислой реакцией (рН водной вытяжки < 5);

2)почвы со слабокислой и нейтральной средой (рН 5–7).

Важен учет гранулометрического состава, особенно для почв первой группы, которые были разбиты на две подгруппы по гранулометрическому составу:

1)песчаные и супесчаные почвы, обладающие наименьшей устойчивостью к загрязнению;

2)суглинистые и глинистые почвы, относительно более устойчивые к загрязнению.

По этому принципу в нашей стране были определены ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) ТМ в почвах (табл. 5).

Таблица 5

Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов в почвах (мг/кг) (1994)

В основе биогеохимического нормирования лежит медико-географиче- ский подход. Он основан на натуральных наблюдениях в таких регионах, где природой созданы условия избытка или недостатка тех или иных химических элементов в природных средах. Эти регионы называются биогеохимическими провинциями. Результаты наблюдений в биохимических провинциях за состоянием живых организмов, в том числе и за здоровьем людей, позволяют установить их связь с содержанием элементов в природных средах.

16

На вероятностной основе определяются верхние и нижние границы содержания элементов, в пределах которых состояние большинства живых организмов (животных, растений, человека) не отклоняется от нормы. Но, как правило, 5–20 % людей и животных в эндемических районах оказываются пораженными. Чем больше содержание химических элементов превышает пороговые уровни, тем выше число пострадавших. Процесс естественного отбора при этом обостряется. На основе биогеохимического районирования В.В. Ковальским установлены пороговые концентрации ряда химических элементов в почвах (табл. 6).

Таблица 6

Пороговые концентрации некоторых химических элементов в почвах, мг/кг (по Ковальскому, 1964)

Вредное воздействие избыточного количества ТМ в окружающей среде на здоровье человека выявляется на основе анализа экотоксикологической обстановки в биогеохимических провинциях и здоровья длительно проживающих здесь людей. Используются также результаты анализа закономерностей распространения профзаболеваний в областях производств, вызывающих загрязнение окружающей среды химическими элементами

(табл. 7).

Таблица 7

Избирательная токсичность для человека некоторых ТМ

17

В настоящее время в подходах к нормированию содержания химических элементов в почвах все большее распространение получает экосистемная направленность. Экосистемное нормирование не допускает не только патологических, но и предпатологических изменений. Цель экосистемного нормирования состоит в том, чтобы сохранить природу в таком состоянии, когда все живые организмы имеют равное право на существование. Такой подход обеспечит сохранение и человека (популяции, индивидуума) как компонента экосистемы. Человек отличается от других организмов тем, что является конечным консументом в большинстве трофических цепей. Задача состоит в том, чтобы проверить, сохраняется ли уровень содержания того или иного вещества при любом антропогенном воздействии на экосистемы в пределах флуктуации его содержания в естественных природных условиях или выходит за эти пределы.

Теория экосистемного нормирования последовательна, но методы ее окончательно не разработаны, как и понятия о существенных и несущественных изменениях в экосистеме.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КЛАССИФИКАЦИИ ПОЧВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЮ

Классификацию почв по степени загрязнения проводят по предельнодопустимым концентрациям (ПДК) химических веществ в почвах и их фоновому содержанию (табл. 8). По степени загрязнения почвы следует подразделять на: 1) сильнозагрязненные; 2) среднезагрязненные; 3) слабозагрязненные. К сильнозагрязненным относят почвы, содержание загрязняющих веществ в которых в несколько раз превышает ПДК, они имеют низкую биологическую продуктивность, существенное изменение физических, химических и биологических характеристик, в результате чего содержание химических веществ в выращиваемых культурах превышает установленные нормы. К среднезагрязненным относят почвы, в которых установлено превышение ПДК без видимых изменений в составе почв. К слабозагрязненным относят почвы, содержание химических веществ в которых не превышает ПДК, но выше естественного фона.

18

Степень устойчивости почвы к химическим загрязняющим веществам оценивают по отношению к конкретному химическому загрязняющему компоненту или группе веществ, которыми загрязнена исследуемая почва. По степени устойчивости к химическим загрязняющим веществам и по характеру ответных реакций почвы следует подразделять на: 1) очень устойчивые; 2) среднеустойчивые; 3) малоустойчивые. Степень устойчивости почвы к химическим загрязняющим веществам характеризуется следующими основными показателями: 1) гумусным состоянием; 2) кислотноосновными свойствами; 3) окислительно-восстановительными свойствами;

19

4) катионно-обменными свойствами; 5) биологической активностью; 6) уровнем грунтовых вод; 7) долей веществ в почве, находящихся в растворимой форме.

При оценке устойчивости почв к химическим загрязняющим веществам необходимо учитывать следующие показатели: 1) данные, характеризующие сезонные или краткосрочные (2–5 лет) изменения свойств почв. Краткосрочные изменения свойств почв диагностируются по динамике влажности, величине рН, составу почвенных растворов, дыханию почв, содержанию доступных растениям питательных веществ. 2) показатели долгосрочных изменений, проявляющихся в течение 5–10 лет и более, отражающие неблагоприятные тенденции изменения свойств в результате загрязнения; они включают периодические изменения содержания и запаса гумуса, отношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот, эрозионные потери почвы, структурное состояние, состав обменных катионов, общую щелочность, кислотность, содержание солей. 3) показатели ранней диагностики развития (появления) неблагоприятных изменений свойств почв, пригодные для биологических тестов, микроморфологических наблюдений, анализов водно-солевого, окислительно-восстановитель- ного и кислотно-щелочного режимов почвы.

20