Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжёлые металлы (ТМ).
К ТМ относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5 г/см3. Не все ТМ представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, олово, цинк, молибден, кобальт, никель. Три элемента (ртуть, свинец, кадмий) считаются наиболее опасными.
Большинство этих элементов относится к группе микроэлементов.
Содержание их в микроколичествах совершенно необходимо растительным и животным организмам и не вызывает у них никаких негативных реакций.
В агроландшафтах наиболее распространены: цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром.
Все основные циклы миграции ТМ в биосфере начинаются в почве, потому что именно в ней происходит мобилизация металлов и образование различных миграционных форм. Почва (её тонкодисперсные частицы и органическое вещество) – важнейший фактор, регулирующий поступление ТМ в растения. Она служит естественным барьером на пути ТМ и сдерживает их поступление в растения и в сопредельные среды. Так как почва – основное средство сельскохозяйственного производства, накопление в ней избыточных концентраций тяжёлых металлов представляет прямую угрозу экологической безопасности получаемой продукции. В связи с этим, существует необходимость мониторинга содержания ТМ в почве, разработка мер по предотвращению поступления их в почвенный покров, а также снижение токсичности уже имеющихся концентраций элементов.
Для безопасного ведения сельскохозяйственного производства необходимо знать токсичность элемента, пути поступления в почву, условия миграции в ней, усвояемость растениями.
В настоящее время уже известен целый ряд мер для снижения уровня содержания ТМ в продукции, получаемой в процессе выращивания сельскохозяйственных культур. Тем не менее, одним из важнейших звеньев получения экологически безопасной продукции является нормирование ТМ [1].
Рассмотрим краткую характеристику наиболее опасных элементов.
Кадмий (Cd). Содержание кадмия в почвах невелико и, например, в чернозёме составляет 1·10-5 % , что на порядок меньше, чем его содержание в растениях. Содержание кадмия в почве зависит от материнской породы. Основным источником загрязнения почв кадмием являются промышленные выбросы и сточные воды. Значительная часть кадмия может поступать в почву с фосфорными удобрениями, известковыми материалами и выбросами автотранспорта. Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а период его полувыведения из почвы один из самых больших (около 1100 лет).
Кадмий обладает мутагенным и канцерогенным свойствами и представляет генетическую опасность.
Никель (Ni). Среднее содержание никеля в растениях составляет 5·10-5 % на сырое вещество, в организме животных – 1·10-6 % , в почвах – 4·0-3 %.
Основные источники поступления никеля в окружающую среду: сжигание топлива, цветная и чёрная металлургия, осадки сточных воды промышленности и коммунального хозяйства.
В кислой среде никель более подвижен чем в нейтральной или щелочной.
Никель необходим растениям в очень малых количествах. В водных культурах никель токсичен для растений (кукурузы, бобы) в дозе 2 мг/л. Более токсичен никель для растений на кислых почвах. Токсичность никеля проявляется при содержании его в растениях на уровне 50 мг/кг.
Никель способен изменять активность окислительно-восстановительных процессов, влияет на поглощающую способность корней. При повышенном содержании никеля в почве, происходит угнетение роста растений, снижается содержание хлорофилла в листьях.
Медь (Cu). Валовое содержание меди в почвах не превышает 1·10-5 %. Очень низкое содержание меди в почвах с высоким рН.
Источники поступления меди в экосистемы: выбросы металлургических предприятий, минеральные и органические удобрения, осадки сточных воды.
Медь входит в состав ряда ферментов, важных для поддержания нормальной жизнедеятельности клеток. Недостаток меди вызывает хлороз листьев, увядание, задерживается цветение. В то же время все её соли токсичны, поэтому транспирационный показатель вредности меди (3,5 мг/кг) крайне значительно превышает ПДК для почвы (3,0 мг/кг).
Естественный почвенный фон содержания меди составляет 12-28 мг/кг, но, так как она является биогенным элементом, то её содержание в почве ниже 15 мг/кг приводит к заболеваниям растений.
Свинец (Pb). Среднее содержание свинца в почве колеблется от 0,37·10-3 % до 4,3·10-3 %. Источники поступления свинца: выбросы металлургических предприятий, автомобильный транспорт, осадки коммунальных и промышленных сточных вод, а также инсектициды, в состав которых он входит. За последние 30-40 лет кларк свинца в почве вырос почти на порядок вследствие мощного его поступления в окружающую среду.
Наибольшее количество свинца содержится в почве на расстоянии 1,2-2 м от дороги и поступает в почву даже на расстоянии до 300 м от дороги.
Почва, являясь естественным барьером на пути миграции и поступления свинца в растения и грунтовые воды, обладает высокой способностью закреплять поступающий в неё элемент.
Фоновое содержание свинца в почвах европейской части России колеблется в пределах 15-47 мг/кг. Загрязнение почвы свинцом на уровне 50 мг/кг опасно для здоровья человека.
Поступление свинца из почвы в растения увеличивается не пропорционально росту его содержания в почве.
Хром (Cr) – высокотоксичный элемент. В почве его содержание составляет 1,9·10-2 %. Хром – один из биогенных элементов, который постоянно находится в клетках растений и животных.
Фитотоксичность хрома зависит от его валентности, определяющей подвижность элемента в почве и его доступность растениям.
Трёхвалентный хром выступает в роли катиона и хорошо поглощается почвой, вследствие чего обладает малой токсичностью. Поэтому ПДК трёхвалентного хрома в почве равна 100 мг/кг, тогда как ПДК шестивалентного хрома – 0,05 мг/кг. По токсичности хром уступает только ртути.
Цинк (Zn). Содержание цинка в почвах составляет 5·10-3 %. Цинк и кадмий являются сопутствующими элементами: чем больше в почве цинка, тем больше и кадмия.
Цинк – один и главных микроэлементов: он входит в состав ферментов, обуславливающих и регулирующих многие жизненные процессы.
Цинк повышает жаро- и морозоустойчивость растений. При его недостатке в почве замедляется превращение неорганических фосфатов в органические соединения растений.
С другой стороны существенное увеличение содержания цинка в компонентах окружающей среды и продуктах питания негативно отражается на живых организмах, сопровождается ухудшением здоровья человека. Влияние высоких концентраций цинка проявляется в синергетическом действии, усиливая эффект других загрязнителей.
Растения обладают неодинаковой способностью поглощать цинк из почвы. Из всех тяжёлых металлов цинк наиболее подвижный элемент и хорошо усваивается растениями.
Экологическая ситуация Самарской области по содержанию подвижных форм тяжёлых металлов в почвах реперных участков в среднем за 2005-2010 гг. представлена в табл. 1.
Таблица 1
Содержание подвижных форм тяжёлых металлов в почвах реперных участков в среднем за 2005-2010 гг.
|
Район |
Почва |
№ реперного участка |
Элемент, мг/кг |
|||||
|
Сd |
Рb |
Ni |
Сr |
Zn |
Сu |
|||
|
Северная зона |
||||||||
|
Кошкинский |
Чернозём типичный тяжелосуглинистый |
3 |
0,055 |
0,65 |
0,50 |
1,29 |
0,43 |
0,18 |
|
Сергиевский |
5 |
|||||||
|
Ч-Вершинский |
Чернозём типичный глинистый |
4 |
0,088 |
0,78 |
0,62 |
1,90 |
0,58 |
0,18 |
|
Шенталинский |
13 |
|||||||
|
Исаклинский |
14 |
|||||||
|
Камышлинский |
15 |
|||||||
|
Центральная зона |
||||||||
|
Ставропольский |
Чернозём выщелоченный легкосуглинистый |
10 |
0,046 |
0,39 |
0,32 |
0,33 |
0,71 |
0,09 |
|
Кинельский |
Чернозём типичный тяжелосуглинистый |
17 |
0,048 |
0,56 |
0,55 |
1,07 |
0,44 |
0,13 |
|
Волжский |
Чернозём обыкновенный тяжелосуглинистый |
2 |
0,063 |
0,76 |
0,52 |
2,35 |
0,53 |
0,17 |
|
Приволжский |
Чернозём обыкновенный среднесуглинистый |
7 |
0,055 |
0,73 |
0,55 |
0,77 |
0,48 |
0,22 |
|
Борский |
Чернозём обыкновенный легкосуглинистый |
16 |
0,060 |
0,73 |
0,76 |
1,18 |
0,65 |
0,13 |
|
Волжский |
Чернозём южный тяжелосуглинистый |
1 |
0,061 |
0,58 |
0,56 |
0,70 |
0,43 |
0,19 |
|
Южная зона |
||||||||
|
Нефтегорский |
Чернозём типичный среднесуглинистый |
8 |
0,075 |
0,88 |
0,70 |
3,22 |
0,47 |
0.19 |
|
Большеглушицкий |
Чернозём обыкновенный тяжелосуглинистый |
9 |
0,077 |
0,50 |
0,60 |
1,47 |
1,24 |
0.20 |
|
Красноармейский |
Чернозём обыкновенный глинистый |
11 |
0,086 |
0,77 |
0,58 |
1,04 |
0,75 |
0.17 |
|
Большечерниговский |
Чернозём южный глинистый |
6 |
0,106 |
0,93 |
0,97 |
2,94 |
0,46 |
0.21 |
|
Пестравский |
12 |
|||||||
|
ПДК подвижных форм |
0.5* |
6,0 |
4,0 |
6,0** |
23 |
3,0 |
||
Примечание. * Ориентировочно-допустимая концентрация валового содержания, ПДК подвижных форм не установлена. ** Хром трёхвалентный.
Анализируя данные таблицы, мы видим, что содержание подвижных форм кадмия в почвах области находится в пределах от 0,05 до 0,1 мг/кг, что не превышает ПДК (0,5 мг/кг). Однако, учитывая, что это ориентировочно допустимые концентрации валового содержания, а подвижность кадмия достаточно высокая (до 50 %), необходимо отслеживать возможное загрязнение им сельскохозяйственной продукции.
Содержание подвижных форм свинца на всех типах и подтипах почв разного состава и разным содержанием гумуса, не превышает его предельно-допустимых концентраций.
Не вызывает опасения и содержание подвижных форм никеля, хрома, меди и цинка. Более того, возникает необходимость внесения цинксодержащих удобрений, так как цинк повышает жаро- и морозоустойчивость растений. При недостатке цинка характерна задержка роста. Кроме того, увеличение содержания цинка в почве снижает поступление кадмия в растения.
Токсичные для растений концентрации ТМ в зависимости от свойств почв могут варьировать в значительной степени. Кроме того, проявляется общая закономерность, чем больше элемента в почве (прежде всего в подвижной форме), тем больше поступает его в растения.
Анализируя табл. 2, следует отметить, что не всегда такая закономерность соблюдается в отношении растительности. Поступление свинца из почвы в растения увеличивается не пропорционально росту его содержания в почве. У пшеницы, например, количество свинца в соломе превышает в 2 раза, а в зерне находится на допустимом уровне. Это зависит от способности растений использовать только часть свинца, находящуюся в почве, а также возможности самих растений регулировать поступление этого элемента. Вероятно, в корнях растений существует механизм, препятствующий передвижению свинца в надземные органы растений.
За последние годы тенденции к увеличению содержания ТМ в растительной продукции по кадмию, никелю, цинку и меди – не наблюдается. Это связано с благоприятной обстановкой по содержанию ТМ в почвах области.
Таблица 2
Накопление тяжёлых металлов в зерне и соломе озимой пшеницы в зависимости от содержания подвижных форм в почвах, мг/кг
|
Ставропольский район, уч. № 10 |
||||
|
цинк |
медь |
свинец |
кадмий |
|
|
почва |
0,8 |
0,13 |
0,73 |
0,103 |
|
зерно |
19,1 |
3,51 |
0,68 |
0,057 |
|
солома |
18,3 |
3 |
0,99 |
0,07 |
|
Борский район, уч. № 16 |
||||
|
цинк |
медь |
свинец |
кадмий |
|
|
почва |
0,27 |
0,1 |
0,57 |
0,084 |
|
зерно |
15,7 |
8,58 |
0,23 |
0,07 |
|
солома |
5,51 |
7,1 |
1,25 |
0,06 |
|
Б-Черниговский район, уч. № 6 |
||||
|
цинк |
медь |
свинец |
кадмий |
|
|
почва |
0,35 |
0,16 |
0,91 |
0,109 |
|
зерно |
23,1 |
3,8 |
0,6 |
0,045 |
|
солома |
15,8 |
2,2 |
1,35 |
0,09 |
Количественную характеристику уровня перехода ТМ в системе «почва-растение» выражают через величину коэффициента биологического поглощения (КБП), который представляет собой отношение ТМ в растении к их содержанию в почве.
В результате мониторинга реперных участков было установлено, что для большинства сельскохозяйственных культур нашей области характерен следующий ряд тяжёлых металлов по значению КБП: Сu>Zu>Сd>Ni>Рb.
Различные культуры растений могут отличаться по способности аккумуляции ТМ и распределению их по органам. В репродуктивных органах растений содержание тяжелых металлов меньше, чем в соломе. Но у подсолнечников накопление этих элементов происходит больше в семени, чем в стебле.
Из всего сказанного можно сделать выводы и подтвердить закономерности:
- растения имеют определённые защитные механизмы, которые препятствуют поступлению ТМ;
- у разных видов растений поглощение и накопление ТМ происходит неодинаково;
- проявляется закономерность, чем больше ТМ в почве, тем больше поступает их в растения. Хотя прямой связи между загрязнённостью ТМ и их поступлением в растения нет;
- содержание в почвах ТМ на контролируемых реперных участках находится на допустимом уровне;
- по способности аккумулироваться в растениях ТМ располагаются в следующий ряд: Сu>Zu>Сd>Ni>Рb.