Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЕ (Обзор литературы)
1.1. Химические свойства элементов 8
1.2. Уровни содержания металлов в компонентах биосферы 14
1.2.1. Минералы и горные породы 14
1.2.2. Почвы 18
1.2.3. Атмосфера 23
1.2.4. Природные воды 24
1.3. Загрязнение биосферы тяжелыми металлами 24
1.4. Миграция тяжелых металлов в почве 29
1.5. Фитотоксичность тяжелых металлов 33
1.6. Металлы и здоровье человека 42
1.7. Нормирование содержания металлов в почвах 49
Глава 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Географическое положение Судана 55
2.1.1. Климат 57
2.1.2. Рельеф 61
2.1.3. Растительность 63
2.1.4. Почвы 64
2.2. Астраханская область 67
2.2.1.Климат 68
2.2.2. Почвенный покров 70
2.3. Тамбовская область
2.3.1. Климат 74
2.3.2, Почвенный покров 74
2.4. Методы исследования 75
2.4.1 Методика отбора проб почв и растений 76
ГЛАВА 3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ РЕСПУБЛИКИ СУДАН
3.1. Закономерности распространения тяжелых металлов в почвах г. Элъуваида 78
3.2. Сравнение уровней содержания Т.М. в почвах г. Эльуваида, г.Астрахани г. Тамбова 86
ГЛАВА 4. АККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ РАСТЕНИЯМИ
4.1. Содержание микроэлементов в различных видах растений Судана 99
ВЫВОДЫ 112
ЛИТЕРАТУРА 114
- Химические свойства элементов
- Закономерности распространения тяжелых металлов в почвах г. Элъуваида
- Содержание микроэлементов в различных видах растений Судана
Введение к работе
На протяжении существования и развития человеческой Цивилизации последовательно и постоянно увеличивались масштабы и интенсивность антропогенного геохимического преобразования природы. Увеличивая скорость извлечения веществ из естественных геохимических циклов, человек до последнего времени всячески стремился замедлить процесс возврата изъятых веществ. В результате геохимические циклы различных элементов оказались существенно нарушенными. Антропогенный вклад веществ в них постоянно возрастает. Чтобы не разрушать геохимические циклы, необходимо либо уменьшить масштабы потребления таким образом, чтобы скорость потребления была уравновешена рекреационными способностями биосферы, либо искусственно ускорить процесс восстановления, что вряд ли возможно в виду энтропийяости любой человеческой (технической) деятельности. Любая попытка ускорить естественный ход процессов приводит к дополнительным затратам энергии, а значит росту энтропии. Учет фактора времени необходим как с точки зрения прогнозирования, так и всестороннего учета последствии химико-технологической деятельности. Необходимо отметить, что включение в геохимические циклы химических элементов, которые во много раз превышают естественные потребности Биосферы, ведет к непредсказуемым последствиям для биоты.
В настоящее время с каждым годом возрастает загрязнение окружающей среды различными токсикантами. Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды и связано это с тем, что они активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов.
Загрязняющим агентом может быть любое вещество, находящееся в составе воздуха, воды, почвы. Загрязнение среды - сложный, многообразный процесс. При описании современных процессов в экосистемах и в биосфере в целом принято выделять следующе виды загрязнений: химическое, заключающееся в изменении химического состава среды; t физическое, связанное с отклонением от формы физических параметров окружающей среды; биологическое, включающее микробиологическое (бактериями и вирусами возбудителями болезней, носящих характер эпидемий) и макробиологическое (животными и растениями,случайно либо ошибочно интродуцированными в новые экосистемы) (Маврищев,2000; Николайкин и др., 2003)
Изучение накопления тяжелых металлов в почвенном покров является актуальной научной задачей, позволяющей оценить структуру элементного состава почвы, чувствительность, аккумуляторные и индикаторные свойства разных видов почв, а также дать прогноз изменений состояния окружающей среды по данным мультиэлементного состава растений. Значительная доля тяжелых металлов, загрязняющих природную среду, попадает в почву, которая служит их мощным аккумулятором и практически не теряется со временем. Особенно прочно фиксируют ТМ гумуссодержащие горизонты, то есть наиболее плодородный слой. Между тем, почва, являясь природным телом, обладающим плодородием и обеспечивающим человечество продуктами питания, при загрязнении становится вторичным источником загрязнения приземного воздуха, природных вод и растениеводческой продукции.
Оценка геохимического состояния любого ландшафта, следовательно, и техногенной экосистемы может быть основана на изучении содерїкания макро- и микроэлементов в живых организмах, почвах, поверхностных и подземных водах. Среди этих объектов ландшафта особое место принадлежит почве, так как почва аккумулирует техногенный материал за весь период существования антропогенной нагрузки и отражает процессы геохимических изменений в техногенных экосистемах, которые были заложены в прошлом, протекают в настоящем времени и будут происходить в будущем (Рэуце, Кырстя, 1986). Почва является связующим звеном между всеми компонентами геохимического ландшафта, своего рода буферной системой, достаточно устойчиво характеризующей общую геохимическую ситуацию в целом.
Особенно актуальным в настоящее время является определение содержания химических элементов в растениях, в связи с активным вовлечением их в геохимический круговорот в результате интенсификации процессов антропогенного воздействия.
Исходя из вышеизложенного и в связи с высокой актуальностью в последнее время проблем охраны окружающей среды от химического загрязнения, целью настоящей работы является выявление региональных особенностей накопления и распределения ТМ в почвах и растительном покрове республики Судан, а также сравнительная оценка уровней содержания металлов в разных типах почв. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить уровни содержания тяжелых металлов в естественных и городских почвах Республики Судан (на примере города Эльуваида и прилегающей к нему территории штата Северный Кордофан).
Выявить тенденции накопления тяжелых металлов в различных почвах Республики Судан;
Дать сравнительную оценку современных уровней содержания тяжелых металлов в почвах Республики Судан с уровнями их содержания в почвах других регионов мира, а именно г.Астрахани, г. Тамбова, Астраханской и Тамбовской областей;
Рассчитать коэффициенты биологического поглощения тяжелых металлов в зависимости от природно-климатических условий региона и степени антропогенного воздействия.
Работа выполнена на кафедре радиоэкологии Российского университета дружбы народов.
Автор выражает признательность научному руководителю доктору биологических наук, профессору, академику РАЕН Н.А.Черных за постоянное внимание к работе и ценные замечания, сделанные в процессе обработки полученных результатов и при написании диссертационной работы.
Автор благодарен сотрудникам кафедры за активное обсуждение работы на всех этапах ее выполнения, а также за советы и критические замечания, сделанные в процессе обсуждения.
Химические свойства элементов
Химические и физико-химические свойства металлов и их соединений, биологическая активность и поведение в почве в значительной степени определяется положением элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.
К тяжелым относят металлы с удельным весом более 4,5 г/см3. Тяжелые металлы (ТМ) играют особую роль в биосфере. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, они могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает среднепланетарные уровни. Большинство металлов, присутствуя в живых организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ. Соотношение их концентраций в организмах выработалось на протяжении всего хода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений вызывают отрицательные, часто губительные, последствия для живых организмов. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов, непременным условием поддержания и развития современной цивилизации, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей биосферы. (Черных, Овчаренко, 2002).
Медь — элемент побочной подгруппы I группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева с атомной массой 63,5. Ее атомы имеют электронную конфигурацию внешней оболочки 3d 4s .
Медь - мягкий пластичный металл розово-красной окраски, обладает высокой электро- и теплопроводностью. Как проводник тока она занимает второе место после серебра. Температура плавления составляет 1084,5С.
Плотность меди равна 8,96 г/см3. По характеру химического взаимодействия с донорными атомами медь классифицируется как промежуточный акцептор между жесткими и мягкими кислотами. Медь принадлежит к группе переходных металлов, обладающих широкой вариацией свойств, таких как спектральные, магнитные, способность к комплексообразованию и окислению. Эти свойства обусловлены незавершенностью d-орбит и атома меди. Медь проявляет степени окисления +1и+2, но наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.
Медь образует большое число минералов, из которых наиболее распространенные первичные минералы — простые и сложные сульфиды. Они довольно легко растворяются при выветривании и высвобождают ионы меди. Особенно это характерно для кислых сред. Поэтому медь считается одним из наиболее подвижных тяжелых металлов в гипергенных процессах. Однако катионы меди обладают многообразными свойствами и в почвах, и в осадках они проявляют большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. Ионы меди могут также легко осаждаться такими анионами, как сульфид, карбонат и гидроксид. В итоге медь — относительно малоподвижный элемент в почвах, и ее суммарные содержание имеет сравнительно слабые вариации в почвенных профилях. Несмотря на то, что в агрономической практике важное значение имеют растворимые, следовательно, подвижные и доступные формы меди в почвах при геохимических исследованиях основная доля получаемой информации, это валовые содержания меди в почвах. Среднее значение для меди в приведенных типах почв можно рассматривать как фоновое содержание. Что касается средних содержаний меди, то они колеблются в пределах 6-60 мг/кг, достигая максимума в ферралитовых почвах и минимума, в песчаных и органических. (Алексеев, 1987).
Закономерное в широком масштабе распределение меди в почвах показывает, что состоянием данного металла в них изначально управляют два главных фактора - материнское вещество и почвообразовательные процессы. Аккумуляция в верхних горизонтах - обычная черта распределения меди в почвенном профиле. Это явление есть результат действия разных факторов, но, прежде всего, концентрация меди в верхнем слое почвы отражает ее биоаккумуляцию, а также современное антропогенное влияние.
Цинк - элемент побочной подгруппы П, группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева с атомной массой 65,4. Его атомы имеют электронную конфигурацию внешней оболочки 3d 4s2.
Цинк — серебристо-белый металл, имеет высокую электро- и теплопроводностью. Плотность цинка равна 7,13 г/см . Он не обладает множественной валентностью, мягче и имеет более низкую температуру плавления по сравнению с медью (419,5С). По характеру химического взаимодействия с лигандами цинк занимает промежуточное положение между жесткими и мягкими акцепторами — он образует комплексы как с жесткими (кислородные доноры) основаниями, так и с мягкими (серные доноры). Это находит выражение в том, что цинк в природе присутствует в виде сульфидных и карбонатных руд. В соединениях цинк проявляет степень окисления +2.
Кадмий - второй элемент в триаде (Zn,Cd,Hg) побочной подгруппы II группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева с атомной массой 112,4. Его атомы имеют электронную конфигурацию внешней оболочки 4d105s2.
Кадмий, серебристо-белый, со слабым голубоватым оттенком, ковкий металл. Температура плавления составляет 321С. Плотность кадмия равна 8,65 г/см . По сравнению с другими элементами побочной подгруппы, цинком и ртутью, имеет промежуточные свойства. Для него характерны умеренная ковалентная составляющая в химических связях и высокое сродство к SH -группами. Это приводит к большой растворимости в жирах, аккумуляции в живом веществе и токсичности его соединений. По химическим свойствам кадмий - аналог цинка и отличается от ртути как по свойствам свободной, элементарной формы, так и по свойствам своих соединений. Cd(OH)2 более основной, чем Zn(OH)2, в то время как Hg(OH)2 крайне слабое основание. Комплексы Hg в целом на несколько порядков устойчивее комплексов Zn2+ и Cd2+.
Закономерности распространения тяжелых металлов в почвах г. Элъуваида
Почва принимает всю итоговую химическую нагрузку, создаваемую производственной деятельностью, и ее физико-химические свойства отражают кумулятивный эффект многолетнего воздействия источников загрязнения.
Антропогенные почвы г. Эльуваид значительно отличаются от своих аналогов в данной природной зоне. Они обычно имеют нейтральную и слабощелочную реакцию среды, значительное содержание органического вещества и элементов питания растений. Почвы города характеризуются довольно значительной емкостью поглощения. В составе обменных катионов преобладает кальций. В городских условиях резко изменяется и тип почвообразования. Вследствие резкого перегрева верхних слоев почвы и преобладания непромывного (испарительного) водного режима некоторые почвообразовательные процессы здесь приближаются к «пустынному» типу, что подтверждается фактами прямого накопления в поверхностных почвенных горизонтах различных солей.
Свойства антропогенных почв города создают предпосылки для закрепления и накопления в них металлов поступающих на поверхность с выбросами автотранспорта и промышленных предприятий. Загрязнение почв в зоне влияния крупных промышленных предприятий определяется, прежде всего, типом техногенного воздействия, соотношением газообразного и твердого вещества в выбросах.
Одним из наиболее мощных факторов, приводящих к загрязнению окружающей среды города, является промышленность, в частности предприятия нефтехимии (рис 4). Предприятия нефтехимии отличаются не только большими объемами, но и разнообразием выбросов, основу которых составляют углеводороды и серосодержащие соединения.
Сложность экологической обстановки в Эльуваиде усугубляет планировка города: промышленные предприятия хаотично вкраплены в жилые массивы, а также целые промышленные зоны чередуются с жилыми кварталами. Специфика размещения промышленных зон на территории Эльуваид, а также их специализация, неравномерность транспортной нагрузки в различных районах города, преимущественное направление ветров сказались на характере распределения и химическом составе почвенных аномалий. В результате центр города загрязнен тяжелыми металлами, особенно первого и второго классов опасности — цинком, кадмием, свинцом, хромом, никелем и медью. Такой характер загрязнения носит устойчивый во времени характер. Такое обогащение верхних горизонтов почв тяжелыми металлами связанно с двумя процессами - их поступлением в верхние горизонты почв из атмосферы и прочным связыванием ТМ гумусовыми веществами почв. (Hollis J.M, 1991)
Согласно полученным данным, имеется четкая зависимость между содержанием Тм в почвах и расстоянием от источника загрязнения. Так, например, наиболее высокие концентрации свинца и цинка в почвах наблюдаются на расстоянии 0-500 м и 1000-1500 м от центра загрязнения. На расстоянии 2000-3000 м содержание этих элементов в почвенных пробах уменьшается
Содержание микроэлементов в различных видах растений Судана
Наличие разнообразных путей поступления тяжелых металлов в растения предполагает существование двух ведущих факторов формирования элементного химического состава растений: генетического и экологического. Долевое участие каждого меняется в зависимости от изменений условий среды. При соответствии геохимической обстановки фитоценозов трофическим требованиям растений их элементный состав в основном отражает работу генетического контроля. В таких условиях выдерживается избирательное и характерное для данного вида поглощение ионов металлов растительными тканями. Экологический фактор препятствует этому в тех случаях, когда среда обитания обогащена подвижными формами металлов. (Лесникова, 2004). Установлено, что растения более устойчивы к повышенным, нежели пониженным, концентрациям тяжелых металлов в окружающей среде, но накопление их выше определенной величины (токсичная концентрация) практически всегда отрицательно сказывается на состоянии растений. Поэтому правильнее говорить не о токсичных элементах, а о токсичных концентрациях. Один и тот же элемент может находиться в дефиците по отношению, его концентрация может быть благоприятной, а также избыточной и весьма токсичной для него. Влияние тяжелых металлов на растения может быть как прямым, так и косвенным. Косвенное влияние проявляется в негативном воздействии металлов на состав, свойства почвы и ее плодородие. Прежде всего, проявляется негативное действие на почвенную биоту и почвенно-поглощающий комплекс почв. При дальнейшем повышении концентрации металлов неблагоприятное воздействие распространяется на водно-воздушные свойства почвы. Вследствие этого ухудшается рост и развитие растений, снижается продуктивность и качество продукции (Большаков и др., 1978). Соотношение разных форм тяжелых металлов в почве также определяет уровень их токсичности (Черных и др., 1999). Прямое влияние связано с накоплением тяжелых металлов непосредственно в растения. Видимые симптомы отравления меняются от вида к виду и даже для отдельных растений, но наиболее общие и неспецифические симптомы фитотоксичности - это угнетение роста, изменение окраски, махровость и другая патология цветков, хлорозные или бурые точки на листьях, реже карликовость отдельных органов, коричневые,чахлые корни (Бондарев, 1976.). Основным в механизме токсичности металлов для растений, видимо, является инактивация их высокими концентрациями метаболически важных белков и других макромолекул, выполняющих каталитические и регуляторные функции.
Важную роль в защите растений от избытка тяжелых металлов выполняет корневая система. При проникновении металлов в корни растений происходит их хелатирование и, как следствие, уменьшение подвижности. Предполагается, что определенную защитную функцию в корнях могут выполнять клетки пояска Каспари, препятствующие движению вещества по межклеточному пространству и ограничивающие его передвижение в проводящие ткани (Ягодин и др., 1995). Можно выделить три основных механизма устойчивости растений к избытку тяжелых металлов (Antonovics et.al.,1971):
задержка избыточных ионов в корнях или за пределами метаболически важных органов;
снижение активности избыточных ионов путем перевода в физиологически инертные формы;
создание альтернативных реакций обмена, менее чувствительных к действию тяжелых металлов
В целом, проблема металлоустойчивости растений в настоящее время разработана еще недостаточно, хотя имеются многочисленные гипотезы механизмов устойчивости растительных организмов к различным металлам.
