Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ

Обущенко С.В. 1 Гнеденко В.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный экономический университет»
В работе приведены исследования содержания микроэлементов и тяжёлых металлов в почвах сельскохозяйственного назначения Самарской области: свинца, кадмия, меди, олова, цинка, хрома, никеля. Показано, что содержание подвижных форм кадмия не превышает допущенных РДК, однако подвижность кадмия высока, поэтому необходим постоянный его контроль. Содержание подвижных форм свинца, никеля, хрома, меди и цинка на всех типах и подтипах почв разного состава и разным содержанием гумуса, не превышает его предельно-допустимых концентраций. Показано, что поступление свинца из почвы в растения увеличивается не пропорционально росту его содержания в почве. В большинстве случаев выявлена общая закономерность, чем больше элемента в почве (в подвижной форме прежде всего), тем больше поступает его в растения.
тяжёлые металлы
свинец
кадмий
медь
олово
свинец
хром
никель
1. Ильин В.Б. Нормировании тяжелых металлов в почве // Почвоведение, 1986. – № 9. – С. 90-98.

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.

Библиографическая ссылка

Обущенко С.В., Гнеденко В.В. МОНИТОРИНГ СОДЕРЖАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 7. – С. 30-34;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5383 (дата обращения: 18.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074