Sunkieji metalai, kurie į aplinką patenka dėl žmogaus gamybinės veiklos (pramonės, transporto ir kt.), yra vieni pavojingiausių biosferos teršalų. Elementai, tokie kaip gyvsidabris, švinas, kadmis ir varis, yra klasifikuojami kaip „kritinė medžiagų grupė – aplinkos streso rodikliai“. Skaičiuojama, kad vien metalurgijos įmonės kasmet į Žemės paviršių išmeta daugiau nei 150 tūkst. tonų vario; 120 – cinko, apie 90 – švino, 12 – nikelio ir apie 30 tonų gyvsidabrio. Šie metalai linkę fiksuotis atskirose biologinio ciklo dalyse, kauptis mikroorganizmų ir augalų biomasėje, trofinėmis grandinėmis patekti į gyvūnų ir žmonių organizmą, neigiamai veikiant jų gyvybines funkcijas. Kita vertus, sunkieji metalai daro tam tikrą poveikį ekologinei situacijai, slopindami daugelio organizmų vystymąsi ir biologinį aktyvumą.
Sunkiųjų metalų poveikio dirvožemio mikroorganizmams problemos aktualumą lemia tai, kad būtent dirvožemyje koncentruojasi didžioji dalis visų organinių liekanų mineralizacijos procesų, užtikrinančių biologinio ir geologinio ciklo sujungimą. Dirvožemis yra ekologinis biosferos jungčių mazgas, kuriame gyvosios ir negyvosios medžiagos sąveika vyksta intensyviausiai. Dirvožemyje vyksta medžiagų apykaitos procesai tarp žemės plutos, hidrosferos, atmosferos ir sausumoje gyvenančių organizmų, tarp kurių svarbią vietą užima dirvožemio mikroorganizmai.
Iš ilgalaikių Roshydromet stebėjimų duomenų žinoma, kad pagal bendrą dirvožemio užterštumo sunkiaisiais metalais indeksą, apskaičiuotą teritorijoms, esančioms penkių kilometrų zonoje, 2,2% Rusijos gyvenviečių priklauso kategorijai „labai pavojingas“. tarša“, 10,1 % – „pavojinga tarša“, 6,7 % – „vidutiniškai pavojinga tarša“. Daugiau nei 64 milijonai Rusijos Federacijos piliečių gyvena vietovėse, kuriose oro tarša yra per didelė.
Po 90-ųjų ekonomikos nuosmukio per pastaruosius 10 metų Rusijoje vėl padidėjo pramonės ir transporto išmetamų teršalų lygis. Pramoninių ir buitinių atliekų perdirbimo greitis kelis kartus atsilieka nuo susidarymo dumblo saugyklose; Sąvartynuose ir sąvartynuose sukaupta daugiau nei 82 milijardai tonų gamybos ir vartojimo atliekų. Vidutinis atliekų panaudojimo ir šalinimo rodiklis pramonėje yra apie 43,3 proc., beveik visos kietosios buitinės atliekos yra tiesiogiai laidojamos.
Šiuo metu Rusijos pažeistų žemių plotas siekia daugiau nei 1 mln. Iš jų žemės ūkis sudaro 10%, spalvotoji metalurgija - 10, anglių pramonė - 9, naftos pramonė - 9, dujos - 7, durpės - 5, juodoji metalurgija - 4%. Su 51 tūkst. hektarų atkurtos žemės kasmet tiek pat patenka į pažeistų kategoriją.
Taip pat itin nepalanki situacija formuojasi ir miestų bei pramonės teritorijų dirvožemiuose kaupiantis kenksmingoms medžiagoms, nes šiuo metu visoje šalyje atsižvelgiama į daugiau nei 100 tūkst. iš anksto nustato labai aukštą technogeninės taršos ir nelaimingų atsitikimų dėl didelio masto labai toksiškų medžiagų išmetimo riziką.
Ariamos dirvos užterštos tokiais elementais kaip gyvsidabris, arsenas, švinas, boras, varis, alavas, bismutas, kurie į dirvą patenka kaip pesticidų, biocidų, augalų augimo stimuliatorių ir struktūros formuotojų dalis. Netradicinėse trąšose, gaminamose iš įvairių atliekų, dažnai yra daug įvairių teršalų didelėmis koncentracijomis.
Mineralinių trąšų naudojimas žemės ūkyje yra skirtas padidinti augalų maistinių medžiagų kiekį dirvožemyje ir padidinti žemės ūkio augalų derlių. Tačiau kartu su pagrindinių maisto medžiagų veikliąja medžiaga su trąšomis į dirvą patenka daug įvairių cheminių medžiagų, tarp jų ir sunkiųjų metalų. Pastaroji priežastis yra nuodingų priemaišų buvimas žaliavoje, netobulos trąšų gamybos ir naudojimo technologijos. Taigi kadmio kiekis mineralinėse trąšose priklauso nuo žaliavos, iš kurios gaminamos trąšos, rūšies: Kolos pusiasalio apatituose jo yra nežymiai (0,4-0,6 mg/kg), Alžyro fosforituose - iki 6, o marokietiškuose - daugiau 30 mg/kg. Švino ir arseno buvimas Kolos apatituose yra atitinkamai 5–12 ir 4–15 kartų mažesnis nei Alžyro ir Maroko fosforituose.
A.Yu. Aydievas ir kt. pateikia šiuos duomenis apie sunkiųjų metalų kiekį mineralinėse trąšose (mg/kg): azotas - Pb - 2-27; Zn - 1-42; Cu - 1-15; Cd - 0,3-1,3; Ni - 0,9; fosforo - atitinkamai 2-27; 23; 10-17; 2,6; 6,5; kalio - atitinkamai 196; 182; 186; 0,6; 19,3 ir Hg – 0,7 mg/kg, t.y., trąšos gali būti dirvožemio-augalo sistemos taršos šaltinis. Pavyzdžiui, įvedant mineralines trąšas žieminių kviečių monokultūrai ant tipinio chernozemo N45P60K60 doze, dirva kasmet gauna Pb – 35133 mg/ha, Zn – 29496, Cu – 29982, Cd – 1194, Ni – 5563. mg/ha. Per ilgą laiką jų kiekis gali pasiekti reikšmingas vertes.
Iš technogeninių šaltinių į atmosferą išleidžiamų metalų ir metaloidų pasiskirstymas kraštovaizdyje priklauso nuo atstumo nuo taršos šaltinio, nuo klimato sąlygų (vėjų stiprumo ir krypties), nuo reljefo, nuo technologinių veiksnių (atliekų būklės, metodo). atliekų išleidimo į aplinką, įmonės vamzdžių aukščio).
Dirvožemio tarša atsiranda, kai technogeniniai metalų ir metaloidų junginiai patenka į aplinką bet kokios fazės būsenoje. Apskritai planetoje vyrauja aerozolinė tarša. Šiuo atveju didžiausios aerozolio dalelės (>2 mikronai) patenka į taršos šaltinio greta (keleto kilometrų atstumu), sudarydamos didžiausios teršalų koncentracijos zoną. Taršą galima atsekti dešimčių kilometrų atstumu. Užterštos teritorijos dydį ir formą lemia minėtų veiksnių įtaka.
Pagrindinės teršalų dalies kaupimasis stebimas daugiausia humuso kaupimosi dirvožemio horizonte. Dėl įvairių sąveikos reakcijų jie jungiasi su aliumosilikatais, nesilikatiniais mineralais, organinėmis medžiagomis. Kai kurie iš jų yra tvirtai laikomi šių komponentų ir ne tik nedalyvauja migracijoje pagal dirvožemio profilį, bet ir nekelia pavojaus gyviems organizmams. Neigiamos dirvožemio taršos pasekmės aplinkai yra susijusios su judriais metalų ir metaloidų junginiais. Jų susidarymas dirvožemyje vyksta dėl šių elementų koncentracijos kietų dirvožemio fazių paviršiuje dėl sorbcijos-desorbcijos, kritulių-tirpimo, jonų mainų, kompleksinių junginių susidarymo reakcijų. Visi šie junginiai yra pusiausvyroje su dirvožemio tirpalu ir kartu sudaro dirvožemyje judrių įvairių cheminių elementų junginių sistemą. Sugertų elementų kiekis ir jų sulaikymo dirvožemiuose stiprumas priklauso nuo elementų savybių ir dirvožemio cheminių savybių. Šių savybių įtaka metalų ir metaloidų elgsenai turi ir bendrųjų, ir specifinių bruožų. Absorbuotų elementų koncentraciją lemia smulkūs molio mineralai ir organinės medžiagos. Rūgštingumo padidėjimą lydi metalo junginių tirpumo padidėjimas, tačiau metaloidinių junginių tirpumo apribojimas. Nesilikatinių geležies ir aliuminio junginių poveikis teršalų įsisavinimui priklauso nuo rūgščių-šarmų sąlygų dirvose.
Išplovimo sąlygomis realizuojamas potencialus metalų ir metaloidų mobilumas, jie gali būti pernešami už dirvožemio profilio ribų, tapdami antrinės požeminio vandens taršos šaltiniais.
Sunkiųjų metalų junginiai, kurie yra smulkiausių aerozolių dalelių (mikronų ir submikronų) dalis, gali patekti į viršutinius atmosferos sluoksnius ir būti gabenami dideliais atstumais, matuojamais tūkstančiais kilometrų, t.y. dalyvauti pasauliniame medžiagų pernešime.
„Vostok“ meteorologinės sintezės centro duomenimis, Rusijos teritorijos užterštumas švinu ir kadmiu kitose šalyse yra daugiau nei 10 kartų didesnis nei šių šalių užterštumas teršalais iš Rusijos šaltinių, kurį lemia vakarų-rytų oro masės dominavimas. perkėlimas. Švino nusėdimas Rusijos europinėje teritorijoje (ETP) kasmet sudaro: iš Ukrainos šaltinių - apie 1100 tonų, Lenkijos ir Baltarusijos - 180-190, Vokietijoje - daugiau nei 130 tonų kadmio nusėdimo ant ETP iš Ukrainos šaltinių per metus tonų, Lenkija - beveik 9 , Baltarusija - 7, Vokietija - daugiau nei 5 tonos.
Didėjanti aplinkos tarša sunkiaisiais metalais (TM) kelia grėsmę natūraliems biokompleksams ir agrocenozėms. Dirvožemyje besikaupiančius TM augalus iš jos ištraukia ir trofinėmis grandinėmis didėjančios koncentracijos patenka į gyvūnų organizmą. Augalai kaupia TM ne tik iš dirvožemio, bet ir iš oro. Priklausomai nuo augalo rūšies ir ekologinės situacijos, dominuoja dirvožemio ar oro taršos įtaka. Todėl TM koncentracija augaluose gali viršyti arba būti mažesnė už jų kiekį dirvožemyje. Ypač daug švino iš oro pasisavina lapinės daržovės (iki 95%).
Pakelės vietose motorinės transporto priemonės labai teršia dirvą sunkiaisiais metalais, ypač švinu. Kai jo koncentracija dirvožemyje yra 50 mg/kg, maždaug dešimtadalį šio kiekio sukaupia žoliniai augalai. Augalai taip pat aktyviai pasisavina cinką, kurio kiekis juose gali būti kelis kartus didesnis nei jo kiekis dirvožemyje.
Sunkieji metalai daro didelę įtaką dirvožemio mikrobiotos skaičiui, rūšinei sudėčiai ir gyvybinei veiklai. Jie slopina dirvožemiuose vykstančius įvairių medžiagų mineralizacijos ir sintezės procesus, slopina dirvožemio mikroorganizmų kvėpavimą, sukelia mikrobiostatinį poveikį ir gali veikti kaip mutageninis faktorius.
Dauguma sunkiųjų metalų padidintose koncentracijose slopina fermentų aktyvumą dirvožemyje: amilazės, dehidrogenazės, ureazės, invertazės, katalazės. Remiantis tuo, buvo pasiūlyti į gerai žinomą LD50 rodiklį panašūs indeksai, kuriuose efektyvia laikoma teršalo koncentracija, kuri sumažina tam tikrą fiziologinį aktyvumą 50 ar 25 %, pavyzdžiui, CO2 išmetimo per dirvožemį mažinimas. - EkD50, dehidrogenazės aktyvumo slopinimas - EC50, invertazės aktyvumo slopinimas 25%, geležies geležies redukcijos aktyvumo sumažėjimas - EC50.
S.V. Levinas ir kt. Toliau pateikti pasiūlyti kaip skirtingo dirvožemio užterštumo sunkiaisiais metalais rodikliai realiomis sąlygomis. Žemas užterštumo lygis turėtų būti nustatytas viršijant sunkiųjų metalų foninę koncentraciją, naudojant priimtus cheminės analizės metodus. Vidutinį užterštumo lygį aiškiausiai liudija inicijuotos dirvožemio mikrobų bendruomenės narių persiskirstymo nebuvimas papildomai įvedus teršalo dozę, lygią dvigubai didesnei už koncentraciją, atitinkančią neužteršto dirvožemio homeostazės zonos dydį. Kaip papildomus indikatorinius požymius tikslinga naudoti azoto fiksavimo dirvožemyje aktyvumo sumažėjimą ir šio proceso kintamumą, dirvožemio mikroorganizmų komplekso rūšinio turtingumo ir įvairovės sumažėjimą bei toksinų dalies padidėjimą. -formuojančias formas, epifitinius ir pigmentinius mikroorganizmus. Norint nurodyti aukštą taršos lygį, patartina atsižvelgti į aukštesniųjų augalų reakciją į taršą. Papildomi požymiai gali būti tam tikram teršalui atsparių mikroorganizmų formų didelio populiacijos tankio aptikimas, atsižvelgiant į bendrą dirvožemio mikrobiologinio aktyvumo sumažėjimą.
Visoje Rusijoje visų nustatytų TM vidutinė koncentracija dirvožemyje neviršija 0,5 MAC. Tačiau atskirų elementų variacijos koeficientas yra 69-93% ribose, o kadmio jis viršija 100%. Vidutinis švino kiekis priesmėlio ir priesmėlio dirvose yra 6,75 mg/kg. Vario, cinko, kadmio kiekis yra 0,5-1,0 ODC intervale. Kiekvienais metais kiekvienas dirvožemio paviršiaus kvadratinis metras sugeria apie 6 kg cheminių medžiagų (švino, kadmio, arseno, vario, cinko ir kt.). Pagal pavojingumo laipsnį TM skirstomi į tris klases, iš kurių pirmoji priskiriama labai pavojingoms medžiagoms. Jį sudaro Pb, Zn, Cu, As, Se, F, Hg. Antrajai vidutiniškai pavojingai klasei atstovauja B, Co, Ni, Mo, Cu, Cr, o trečiajai (mažo pavojaus) klasei – Ba, V, W, Mn, Sr. Informacija apie pavojingas TM koncentracijas pateikiama analizuojant jų mobilias formas (4.11 lentelė).
Sunkiaisiais metalais užteršto dirvožemio valymui naudojami įvairūs metodai, vienas iš jų – natūralių ceolitų arba sorbentinių meliorantų panaudojimas. Ceolitai pasižymi dideliu selektyvumu daugeliui sunkiųjų metalų. Atskleistas šių mineralų ir ceolito turinčių uolienų efektyvumas surišant sunkiuosius metalus dirvožemyje ir mažinant jų patekimą į augalus. Paprastai dirvožemyje ceolitų yra nedideliais kiekiais, tačiau daugelyje pasaulio šalių natūralių ceolitų telkiniai yra plačiai paplitę, o jų naudojimas dirvožemio detoksikacijai gali būti ekonomiškai nebrangus ir ekologiškai efektyvus dėl pagerėjusių dirvožemio agrocheminių savybių. .
Panaudojus 35 ir 50 g/kg heulandito dirvožemio iš Pegassky telkinio (frakcija 0,3 mm) ant užterštų chernozemų šalia daržovėms skirtos cinko lydyklos sumažėjo judrių cinko ir švino formų kiekis, tačiau tuo pačiu ir azoto bei pablogėjo augalų iš dalies fosforo-kalio mityba, dėl to sumažėjo jų produktyvumas.
Pasak V.S. Belousova, į sunkiaisiais metalais užterštą dirvą (10-100 kartų daugiau nei fonas), prisidėjo prie TM kaupimosi augaluose sumažėjimo: vario ir cinko iki 5–14 kartų, švino ir kadmio – iki 2–4 kartų. Jis taip pat atskleidė, kad akivaizdžios koreliacijos tarp CSP adsorbcijos savybių ir metalo inaktyvacijos poveikio nebuvimas, išreikštas, pavyzdžiui, santykinai mažesniu švino kiekio sumažėjimu bandomose kultūrose, nepaisant labai didelės CSP absorbcijos adsorbcijos metu. eksperimentų, yra gana tikimasi ir yra augalų rūšių skirtumų dėl gebėjimo kaupti sunkiuosius metalus pasekmė.
Augalijos eksperimentuose velėniniuose-podzoliniuose dirvožemiuose (Maskvos sritis), dirbtinai užterštuose švinu 640 mg Pb/kg, o tai 10 kartų viršija didžiausią leistiną koncentraciją rūgštiniuose dirvožemiuose, buvo naudojamas ceolitas iš Sokirnitskoye telkinio ir modifikuotas. ceolitas „klino-fosas“, kurio veikliosios medžiagos yra amonio, kalio, magnio ir fosforo jonai 0,5% dirvožemio masės dozėmis, turėjo skirtingą poveikį dirvožemio agrocheminėms savybėms, augalų augimui ir vystymuisi. Modifikuotas ceolitas sumažino dirvožemio rūgštingumą, ženkliai padidino augalams prieinamą azoto ir fosforo kiekį, padidino amonifikacijos aktyvumą ir mikrobiologinių procesų intensyvumą, užtikrino normalią salotų augalų vegetaciją, o nesočiojo ceolito naudojimas nebuvo efektyvus.
Nesotusis ceolitas ir modifikuotas ceolitas „klinofosas“ taip pat nepasirodė savo sorbcinių savybių švino atžvilgiu po 30 ir 90 dienų dirvos kompostavimo. Galbūt 90 dienų neužtenka švino sorbcijos ceolitų procesui užbaigti, tai liudija V. G. duomenys. Mineeva ir kt. apie ceolitų sorbcinio poveikio pasireiškimą tik antraisiais metais po jų panaudojimo.
Į Semipalatinsko Irtyšo srities kaštonų dirvožemį įdėjus ceolito, susmulkinto iki didelio dispersijos laipsnio, santykinis aktyvios mineralinės frakcijos, pasižyminčios didelėmis jonų mainų savybėmis, kiekis jame padidėjo, dėl to bendras sugerties pajėgumas. ariamo sluoksnio padidėjo. Pastebėtas ryšys tarp panaudotos ceolitų dozės ir adsorbuoto švino kiekio – didžiausia dozė lėmė didžiausią švino absorbciją. Ceolitų įtaka adsorbcijos procesui labai priklausė nuo jo šlifavimo. Taigi švino jonų adsorbcija pridedant 2 mm malimo ceolitų priesmėlio dirvožemyje padidėjo vidutiniškai 3,0; 6,0 ir 8,0 %; vidutinio priemolio dirvožemyje - 5,0; 8,0 ir 11,0 %; soloneciniame vidutinio priemolio - 2,0; atitinkamai 4,0 ir 8,0 proc. Naudojant 0,2 mm maltus ceolitus, absorbuoto švino kiekis padidėjo: priesmėlio dirvoje vidutiniškai 17, 19 ir 21%, vidutinio priemolio - 21, 23 ir 26%, solonecinėje ir vidutinio priemolio dirvoje - 21 , atitinkamai 23 ir 25 proc.
A.M. Abduazhitova Semipalatinsko Irtyšo srities kaštoniniuose dirvožemiuose taip pat gavo teigiamų rezultatų dėl natūralių ceolitų įtakos dirvožemio ekologiniam stabilumui ir jų sugeriamumui švino atžvilgiu, sumažinant jo fitotoksiškumą.
Pasak M.S. Paninas ir T.I. Gulkina, tiriant įvairių agrocheminių medžiagų įtaką vario jonų sorbcijai dirvožemyje šiame regione, nustatyta, kad organinių trąšų ir ceolitų įterpimas prisidėjo prie dirvožemių sorbcijos pajėgumo didėjimo.
Karbonatiniame lengvo priemolio dirvožemyje, užterštoje Pb – automobilių kuro su švinu degimo produktu – smėlio frakcijoje šio elemento rasta 47 proc. Pb(II) druskoms patekus į neužterštą molingą dirvą ir priesmėlio sunkų priemolį, šioje frakcijoje Pb susidaro tik 5-12%. Ceolito (klinoptilolito) pridėjimas sumažina Pb kiekį dirvožemyje skystoje fazėje, todėl turėtų sumažėti jo prieinamumas augalams. Tačiau ceolitas neleidžia metalui pernešti iš dulkių ir molio frakcijos į smėlio frakciją, kad vėjas su dulkėmis nepatektų į atmosferą.
Natūralūs ceolitai aplinkai nekenksmingose technologijose naudojami solonecinių dirvožemių rekultivacijai, 15-75% sumažinant vandenyje tirpaus stroncio kiekį dirvožemyje, pridėjus fosfogipso, taip pat sumažinant sunkiųjų metalų koncentracijas. Auginant miežius, kukurūzus ir pridedant fosfogipso ir klinoptiolito mišinio, buvo pašalintas neigiamas fosfogipso poveikis, kuris turėjo teigiamos įtakos pasėlių augimui, vystymuisi ir produktyvumui.
Atliekant auginimo eksperimentą užterštose dirvose su miežių bandomuoju augalu, tirtas ceolitų poveikis fosfatiniam buferiui į dirvą įpylus 5, 10 ir 20 mg P/100 g dirvožemio. Kontrolė parodė didelį P absorbcijos intensyvumą ir mažą fosfato buferio talpą (PBC(p)), naudojant mažą P trąšų dozę. NH ir Ca ceolitai sumažino PBC (p), o H2PO4 intensyvumas nepasikeitė iki augalų vegetacijos sezono pabaigos. Meliorantų įtaka didėjo padidėjus P kiekiui dirvožemyje, dėl to PBC(p) potencialo vertė padidėjo dvigubai, o tai turėjo teigiamos įtakos dirvožemio derlingumui. Ceolito meliorantai harmonizuoja augalų tręšimą mineraliniu P, o jų natūralūs barjerai vadinamajame aktyvuojasi. Zn-aklimatizacija; dėl to sumažėjo toksinių medžiagų kaupimasis bandomuosiuose augaluose.
Vaisių ir uogų auginimas reikalauja reguliaraus apdorojimo apsauginiais vaistais, kurių sudėtyje yra sunkiųjų metalų. Atsižvelgiant į tai, kad šios kultūros vienoje vietoje auga ilgą laiką (dešimtis metų), sodų dirvose linkę kauptis sunkieji metalai, kurie neigiamai veikia uogų produktų kokybę. Ilgalaikiai tyrimai parodė, kad, pavyzdžiui, pilkame miško dirvožemyje po uogynais bendrasis TM kiekis Pb ir Ni 2 kartus, Zn 3 kartus, Cu 6 kartus viršijo regiono foninę koncentraciją.
Ceolito turinčių uolienų iš Chotyneco telkinio naudojimas siekiant sumažinti juodųjų serbentų, aviečių ir agrastų užterštumą yra aplinkos ir ekonomiškai efektyvi priemonė.
Darbe L.I. Leontjeva nustatė šią savybę, kuri, mūsų nuomone, yra labai reikšminga. Autorius nustatė, kad maksimalų judrių P ir Ni formų kiekio sumažėjimą pilkame miško dirvožemyje užtikrina ceolito turinčios uolienos įvedimas 8 ir 16 t/ha, o Zn ir Cu - 24 t/ ha, t.y. stebimas diferencijuotas elemento santykis su sorbento kiekiu .
Trąšų kompozicijų ir dirvožemio kūrimas iš pramoninių atliekų reikalauja ypatingos kontrolės, ypač sunkiųjų metalų kiekio reguliavimo. Todėl ceolitų naudojimas čia laikomas efektyvia technika. Pavyzdžiui, tiriant astrų augimo ir vystymosi charakteristikas dirvožemiuose, sukurtuose humusingo podzolizuoto chernozemo sluoksnio pagrindu, pagal schemą: kontrolė, dirvožemis + 100 g/m šlako; gruntas + 100 g/m2 šlakas + 100 g/m2 ceolitas; dirvožemis + 100 g/m2 ceolitas; dirvožemis + 200 g/m2 ceolitas; dirvožemis + nuotekų dumblas 100 g/m2 + ceolitas 200 g/m2, nustatyta, kad astrams augti geriausiai tinka dirvožemis su nuotekų dumblu ir ceolitu.
Įvertinus gruntų susidarymo iš ceolitų, nuotekų dumblo ir šlako sijojimo pasekmes, nustatytas jų poveikis švino, kadmio, chromo, cinko ir vario koncentracijai. Jei kontrolėje judriojo švino kiekis sudarė 13,7% viso kiekio dirvožemyje, tai pridėjus šlako jis padidėjo iki 15,1%. Naudojant organines medžiagas iš nuotekų dumblo mobilaus švino kiekis sumažėjo iki 12,2%. Ceolitas turėjo didžiausią poveikį fiksuodamas šviną į sėslias formas, sumažindamas judrių Pb formų koncentraciją iki 8,3%. Bendrai veikiant nuotekų dumblui ir ceolitui naudojant šlaką, mobiliojo švino kiekis sumažėjo 4,2 proc. Tiek ceolitas, tiek nuotekų dumblas turėjo teigiamos įtakos kadmio fiksacijai. Mažinant vario ir cinko judrumą dirvožemyje, ceolitas ir jo derinys su nuotekų dumblo organinėmis medžiagomis labiau pasireiškė. Nuotekų dumble esančios organinės medžiagos padidino nikelio ir mangano mobilumą.
Nuotekų dumblas iš Lyubertsy aeracijos stoties patekęs į priesmėlio velėninį-podzolinį dirvožemį lėmė jų užteršimą TM. OCB užterštose dirvose judriais junginiais TM kaupimosi koeficientai buvo 3-10 kartų didesni nei pagal bendrąjį kiekį, lyginant su neužterštomis dirvomis, o tai rodo didelį su nuosėdomis patekusių TM aktyvumą ir jų prieinamumą augalams. Didžiausias TM judrumo sumažėjimas (20-25 % nuo pradinio lygio) buvo pastebėtas įpylus durpių mėšlo mišinio, kurį lėmė stiprių TM kompleksų su organinėmis medžiagomis susidarymas. Geležies rūda, mažiausiai veiksminga kaip meliorantas, sumažino judrių metalų junginių kiekį 5-10%. Ceolitas, kaip meliorantas, užėmė tarpinę vietą. Eksperimentuose panaudoti meliorantai Cd, Zn, Cu ir Cr judrumą sumažino vidutiniškai 10-20 proc. Taigi meliorantų naudojimas buvo efektyvus, kai TM kiekis dirvose buvo artimas maksimaliai leistinai koncentracijai arba viršijo leistinas koncentracijas ne daugiau kaip 10-20 proc. Meliorantų patekimas į užterštą dirvą sumažino jų patekimą į augalus 15-20 proc.
Vakarų Užbaikalės aliuviniuose velėniniuose dirvožemiuose, atsižvelgiant į amonio acetato ekstrakte nustatytų judrių mikroelementų formų aprūpinimo lygį, yra daug mangano, vidutiniškai cinko ir vario, labai daug kobalto. Jiems nereikia naudoti mikrotrąšų, todėl įterpus nuotekų dumblą, dirvožemis gali būti užterštas toksiniais elementais, todėl reikalingas aplinkos ir geocheminis įvertinimas.
L.L. Ubugunovas ir kt. Tirta nuotekų dumblo (SWS), Myxop-Talinskoe telkinio (MT) mordenito turinčių tufų ir mineralinių trąšų įtaka judrių sunkiųjų metalų formų kiekiui aliuviniuose velėniniuose dirvožemiuose. Tyrimai atlikti pagal tokią schemą: 1) kontrolė; 2) N60P60K60 - fonas; 3) OCB - 15 t/ha; 4) MT - 15 t/ha; 5) fonas + WWS - 15 t/ha; 6) fonas+MT 15 t/ha; 7) OCB 7,5 t/ha+MT 7,5 t/ha; 8) OCB Jut/ha+MT 5 t/ha; 9) fonas + WWS 7,5 t/ha; 10) fonas + WWS 10 t/ha + MT 5 t/ha. Mineralinės trąšos buvo tręšiamos kasmet, WWS, MT ir jų mišiniai – kartą per 3 metus.
TM kaupimosi dirvožemyje intensyvumui įvertinti buvo naudojami geocheminiai rodikliai: koncentracijos koeficientas - Kc ir bendrasis taršos rodiklis - Zc, nustatyti pagal formules:
čia C – elemento koncentracija eksperimentinėje versijoje, Cf – elemento koncentracija kontrolėje;
Zc = ΣKc – (n-1),
čia n yra elementų, kurių Kc ≥ 1,0, skaičius.
Gauti rezultatai atskleidė dviprasmišką mineralinių trąšų, WWS, mordenito turinčių tufų ir jų mišinių įtaką judrių mikroelementų kiekiui 0-20 cm dirvožemio sluoksnyje, nors reikia pastebėti, kad visuose eksperimento variantuose jų kiekis veikė. neviršyti MPC lygio (4.12 lentelė).
Naudojant beveik visų rūšių trąšas, išskyrus MT ir MT+NPK, padidėjo mangano kiekis. OCB įterpus į dirvą kartu su mineralinėmis trąšomis, Kc pasiekė maksimalią vertę (1,24). Cinko kaupimasis dirvožemyje buvo didesnis: Kc, pridėjus OCB, pasiekė 1,85–2,27 vertes; mineralinės trąšos ir WW+MT mišiniai -1,13-1,27; naudojant ceolitus sumažėjo iki minimalios reikšmės 1,00-1,07. Vario ir kadmio kaupimasis dirvožemyje nebuvo visuose eksperimentiniuose variantuose arba buvo šiek tiek mažesnis už kontrolinį lygį. Variante naudojant OCB buvo pastebėtas tik nedidelis Cu kiekio padidėjimas (Kc – 1,05–1,11), tiek gryna forma (3 versija), tiek NPK (5 versija) ir Cd (Kc) fone. - 1,13 ), kai į dirvą įterpiamos mineralinės trąšos (2 variantas) ir OCB jų fone (5 variantas). Kobalto kiekis šiek tiek padidėjo naudojant visų tipų trąšas (maksimalus - 2 versija, Kc -1,30), išskyrus variantus, kuriuose naudojami ceolitai. Didžiausia nikelio (Kc - 1,13-1,22) ir švino (Kc - 1,33) koncentracija buvo pastebėta į dirvą įmaišius OCB ir OCB NPK fone (var. 3, 5), o OCB buvo naudojamas kartu su ceolitais. (var. 7, 8) sumažino šį rodiklį (Kc - 1,04 - 1,08).
Pagal bendros dirvožemio sluoksnio užterštumo sunkiaisiais metalais vertę 0-20 cm (4.12 lentelė) trąšų rūšys yra suskirstytos į šias eilutes (Zc reikšmė skliausteliuose): OCB+NPK (3.52) → WWS (2,68) - NPK (1,84) → 10SV+MT+NPK (1,66-1,64) → OCB+MT, var. 8 (1,52) → OSV+MT var. 7 (1,40) → MT+NPK (1,12). Bendras dirvožemio užterštumo sunkiaisiais metalais lygis, tręšiant dirvą trąšomis, paprastai buvo nereikšmingas, palyginti su kontroliniu (Zc<10), тем не менее тенденция накопления TM при использовании осадков сточных вод четко обозначилась, как и эффективное действие морденитсодержащих туфов в снижении содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве, а также в повышении качества клубней картофеля.
L.V. Kiriycheva ir I.V. Glazunova suformulavo šiuos pagrindinius sukurtų sorbentinių meliorantų komponentų sudėties reikalavimus: didelė kompozicijos sugeriamoji geba, tuo pačiu metu kompozicijoje yra organinių ir mineralinių komponentų, fiziologinis neutralumas (pH 6,0-7,5), kompozicijos gebėjimas sugerti. adsorbuoja mobilias TM formas, paverčiant jas nejudriomis formomis, padidina kompozicijos hidroakumuliacijos gebą, struktūrą formuojančio agento buvimą joje, liofilumą ir koaguliuojančias savybes, didelį specifinį paviršiaus plotą, žaliavų prieinamumą ir mažą jų kainą, naudojimą sorbento sudėtyje esančių žaliavų atliekų (perdirbimas), sorbento pagaminamumas, nekenksmingumas ir neutralumas aplinkai.
Iš 20 natūralios kilmės sorbentų kompozicijų autoriai nustatė efektyviausią, kurioje yra 65 % sapropelio, 25 % ceolito ir 10 % aliuminio oksido. Šis sorbentas-meliorantas buvo patentuotas ir pavadintas „Sorbex“ (RF patentas Nr. 2049107 „Dirvožemio melioracijos kompozicija“).
Sorbento melioranto veikimo mechanizmas, kai jis naudojamas į dirvą, yra labai sudėtingas ir apima įvairaus fizikinio ir cheminio pobūdžio procesus: chemisorbciją (absorbcija susidarant mažai tirpiems junginiams TM); mechaninė absorbcija (didelių molekulių tūrinė absorbcija) ir jonų mainų procesai (TM jonų pakeitimas netoksiškais jonais dirvožemį sugeriančiame komplekse (SAC). Didelę „Sorbex“ sugeriamąją galią lemia reguliuojama katijonų mainų pajėgumo vertė, konstrukcijos smulkumas (didelis savitasis paviršiaus plotas, iki 160 m2), taip pat stabilizuojantis pH vertę, priklausomai nuo taršos pobūdį ir aplinkos reakciją, kad būtų išvengta pavojingiausių teršalų desorbcijos.
Esant dirvožemio drėgmei sorbente, vyksta dalinė aliuminio sulfato ir huminių medžiagų, sudarančių sapropelio organines medžiagas, disociacija ir hidrolizė. Elektrolitinė disociacija: A12(SO4)3⇔2A13++3SO4в2-; A13++H2O = AlOH2+ = OH; (R* -COO)2 Ca ⇔ R - COO-+R - COOCa+ (R - alifatinis humusinių medžiagų radikalas); R – COO+H2O ⇔ R – COOH+OH0. Hidrolizės metu gauti katijonai yra anijoninių teršalų formų sorbentai, pavyzdžiui, arsenas (V), sudarantys netirpias druskas arba stabilius organinius mineralinius junginius: Al3+ - AsO4в3- = AlAsO4; 3R-COOCa++AsO4in3- = (R-COOCa)3 AsO4.
Dažnesnės TM būdingos katijoninės formos sudaro stiprius chelatinius kompleksus su humusinių medžiagų polifenolinėmis grupėmis arba yra sorbuojamos anijonų, susidarančių disociuojant karboksilams, fenolio hidroksilams - sapropelio humuso medžiagų funkcinėms grupėms pagal pateiktas reakcijas: 2R - COO + Pb2+ = (R - COO)2 Pb; 2Аr - O+ Сu2+ = (Аr - O)2Сu (Ar aromatinis humusinių medžiagų radikalas). Kadangi sapropelio organinė medžiaga netirpsta vandenyje, TM pereina į nejudrias formas patvarių organomineralinių kompleksų pavidalu. Sulfatų anijonai nusodina katijonus, daugiausia bario arba švino: 2Pb2+ + 3SO4в2- = Pb3(SO4)2.
Visi dvi- ir trivalenčiai TM katijonai yra sorbuojami ant anijoninio humuso medžiagų komplekso sapropelyje, o be sulfatų imobilizuoja švino ir bario jonus. Esant daugiavalenčiam TM užterštumui, atsiranda konkurencija tarp katijonų, o katijonai, turintys didesnį elektrodo potencialą, pirmiausia yra sorbuojami pagal elektrochemines metalų įtampų eilutes, todėl kadmio katijonų sorbcijai trukdys nikelis, varis, švinas ir kobaltas. jonų tirpale.
Sorbex mechaninį sugeriamumą užtikrina smulki dispersija ir didelis specifinis paviršiaus plotas. Didelių molekulių teršalai, tokie kaip pesticidai, atliekos naftos produktai ir kt., mechaniškai sulaikomi sorbcijos spąstuose.
Geriausias rezultatas pasiektas į dirvą įpylus sorbento, kas leido sumažinti avižų augalų TM suvartojimą iš dirvožemio: Ni - 7,5 karto; Cu - 1,5; Zn - 1,9; P - 2,4; Fe - 4,4; Mn - 5 kartus.
Įvertinti „Sorbex“ poveikį TM patekimui į augalinius produktus, priklausomai nuo bendro dirvožemio užterštumo A.V. Iljinskis atliko augalijos ir lauko eksperimentus. Vegetacijos eksperimente tirtas „Sorbex“ poveikis avižų fitomasės kiekiui esant įvairiems podzolizuoto chernozemo užterštumo Zn, Cu, Pb ir Cd lygiais pagal schemą (4.13 lentelė).
Dirvožemis buvo užterštas pridedant chemiškai grynų vandenyje tirpių druskų ir kruopščiai sumaišytas, tada veikiamas 7 dienas. TM druskų dozės apskaičiuotos atsižvelgiant į fonines koncentracijas. Eksperimente buvo naudojami 364 cm2 ploto augmenijos indai, kurių dirvožemio masė kiekviename buvo 7 kg.
Dirvožemis turėjo šiuos agrocheminius rodiklius pHKCl = 5,1, humuso - 5,7% (pagal Tiuriną), fosforo - 23,5 mg/100 g ir kalio 19,2 mg/100 g (pagal Kirsanovas). Mobiliųjų (1M HNO3) Zn, Cu, Pb, Cd formų foninis kiekis - 4,37; 3,34; 3,0; atitinkamai 0,15 mg/kg. Eksperimento trukmė buvo 2,5 mėnesio.
Norint išlaikyti optimalią 0,8 HB drėgmę, periodiškai laistoma švariu vandeniu.
Avižų fitomasės (4.10 pav.) derlius variantuose be sorbekso, esant itin pavojingai taršai, sumažėja daugiau nei 2 kartus. Naudojant „Sorbex“ 3,3 kg/m, fitomasė padidėjo 2 ar daugiau kartų, palyginti su kontroline medžiaga (4.10 pav.), taip pat žymiai sumažėjo Cu, Zn, Pb pagal augalus. Tuo pačiu metu šiek tiek padidėjo Cd kiekis avižų fitomasėje (4.14 lentelė), o tai atitinka teorines prielaidas apie sorbcijos mechanizmą.
Taigi sorbentinių meliorantų įvedimas į užterštą dirvą leidžia ne tik sumažinti sunkiųjų metalų patekimą į augalus, pagerinti degradavusių chernozemų agrochemines savybes, bet ir padidinti žemės ūkio augalų produktyvumą.
Sunkieji metalai dirvožemyje
Pastaruoju metu dėl sparčios pramonės plėtros smarkiai išaugo sunkiųjų metalų kiekis aplinkoje. Sąvoka „sunkieji metalai“ taikoma metalams, kurių tankis didesnis kaip 5 g/cm 3 arba kurių atominis skaičius didesnis nei 20. Tačiau yra ir kitas požiūris, pagal kurį daugiau nei 40 cheminių elementų, kurių atominė masė viršija 50 yra klasifikuojami kaip sunkieji metalai. vienetų Tarp cheminių elementų sunkieji metalai yra patys toksiškiausi ir savo pavojingumu nusileidžia tik pesticidams. Tuo pačiu metu toksiški laikomi šie cheminiai elementai: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.
Sunkiųjų metalų fitotoksiškumas priklauso nuo jų cheminių savybių: valentingumo, joninio spindulio ir gebėjimo sudaryti kompleksus. Daugeliu atvejų elementai yra išdėstyti toksiškumo tvarka: Cu > Ni > Cd > Zn > Pb > Hg > Fe > Mo > Mn. Tačiau ši serija gali šiek tiek skirtis dėl nevienodo elementų nusodinimo dirvožemyje ir perėjimo į augalams neprieinamą būseną, augimo sąlygų ir pačių augalų fiziologinių bei genetinių savybių. Sunkiųjų metalų transformacija ir migracija vyksta tiesiogiai ir netiesiogiai veikiant komplekso susidarymo reakcijai. Vertinant aplinkos taršą, būtina atsižvelgti į dirvožemio savybes ir pirmiausia į granulometrinę sudėtį, humuso kiekį ir buferinį pajėgumą. Buferinė talpa suprantama kaip dirvožemių gebėjimas palaikyti pastovų metalų koncentraciją dirvožemio tirpale.
Dirvožemyje sunkieji metalai yra dviejose fazėse – kietoje ir dirvos tirpale. Metalų egzistavimo formą lemia aplinkos reakcija, dirvožemio tirpalo cheminė ir medžiaginė sudėtis ir visų pirma organinių medžiagų kiekis. Kompleksiniai elementai, teršiantys dirvožemį, daugiausia susitelkę viršutiniame 10 cm jo sluoksnyje. Tačiau rūgštinant žemą buferinį dirvožemį, nemaža dalis metalų iš mainų sugertos būsenos patenka į dirvožemio tirpalą. Kadmis, varis, nikelis ir kobaltas turi stiprų migracijos gebėjimą rūgščioje aplinkoje. Sumažinus pH 1,8–2 vienetais, cinko mobilumas padidėja 3,8–5,4, kadmio – 4–8, vario – 2–3 kartus.
1 lentelė Didžiausios leistinos koncentracijos (DLK) standartai, fono cheminių elementų kiekis dirvožemyje (mg/kg)
| Elementas | Pavojaus klasė | MPC | UEC pagal dirvožemio grupes | Fono turinys | |||
| Grubus turinys | Ekstrahuojamas amonio acetato buferiu (pH=4,8) | Smėlingas, smėlingas priemolis | Priemolis, molingas | ||||
| pH x l< 5,5 | pH x l > 5,5 | ||||||
| Pb | 1 | 32 | 6 | 32 | 65 | 130 | 26 |
| Zn | 1 | - | 23 | 55 | 110 | 220 | 50 |
| Cd | 1 | - | - | 0,5 | 1 | 2 | 0,3 |
| Cu | 2 | - | 3 | 33 | 66 | 132 | 27 |
| Ni | 2 | - | 4 | 20 | 40 | 80 | 20 |
| Co | 2 | - | 5 | - | - | - | 7,2 |
Taigi, kai sunkieji metalai patenka į dirvą, jie greitai sąveikauja su organiniais ligandais, sudarydami sudėtingus junginius. Taigi, esant mažoms koncentracijoms dirvožemyje (20-30 mg/kg), apie 30% švino yra kompleksų su organinėmis medžiagomis pavidalu. Sudėtinių švino junginių dalis didėja didėjant koncentracijai iki 400 mg/g, o vėliau mažėja. Metalus taip pat sorbuoja (keičiamai arba nekeičiamai) geležies ir mangano hidroksidų nuosėdos, molio mineralai ir dirvožemio organinės medžiagos. Augalams prieinami ir galintys išsiplauti metalai dirvožemio tirpale randami laisvųjų jonų, kompleksų ir chelatų pavidalu.
HM absorbcija dirvožemyje labai priklauso nuo aplinkos reakcijos ir nuo to, kokie anijonai vyrauja dirvožemio tirpale. Rūgščioje aplinkoje labiau sorbuojasi varis, švinas ir cinkas, o šarminėje – kadmis ir kobaltas intensyviai. Varis pirmiausia jungiasi su organiniais ligandais ir geležies hidroksidais.
2 lentelė Mikroelementų mobilumas įvairiuose dirvožemiuose priklausomai nuo dirvožemio tirpalo pH
Dirvožemis ir klimato veiksniai dažnai lemia HM migracijos ir transformacijos dirvožemyje kryptį ir greitį. Taigi miško stepių zonos dirvožemio ir vandens režimų sąlygos prisideda prie intensyvios vertikalios HM migracijos išilgai dirvožemio profilio, įskaitant galimą metalų perkėlimą vandens srautu išilgai plyšių, šaknų kanalų ir kt.
Nikelis (Ni) yra periodinės lentelės VIII grupės elementas, kurio atominė masė yra 58,71. Nikelis kartu su Mn, Fe, Co ir Cu priklauso vadinamiesiems pereinamiesiems metalams, kurių junginiai pasižymi dideliu biologiniu aktyvumu. Dėl elektroninių orbitalių struktūrinių ypatybių minėti metalai, įskaitant nikelį, turi ryškią savybę sudaryti kompleksus. Nikelis gali sudaryti stabilius kompleksus, pavyzdžiui, su cisteinu ir citratu, taip pat su daugeliu organinių ir neorganinių ligandų. Geocheminė šaltinių uolienų sudėtis daugiausia lemia nikelio kiekį dirvožemyje. Daugiausia nikelio yra dirvožemyje, susidariusiame iš bazinių ir ultrabazinių uolienų. Kai kurių autorių teigimu, daugumos rūšių nikelio pertekliaus ir toksiškumo ribos svyruoja nuo 10 iki 100 mg/kg. Didžioji nikelio dalis yra nejudinamai pritvirtinta dirvožemyje, o labai silpna migracija koloidinėje būsenoje ir mechaninių suspensijų sudėtyje neturi įtakos jų pasiskirstymui vertikaliame profilyje ir yra gana vienoda.
Švinas (Pb). Švino chemiją dirvožemyje lemia subtilus priešingai nukreiptų procesų balansas: sorbcija-desorbcija, tirpimas-perėjimas į kietą būseną. Į dirvą patekęs švinas įtraukiamas į fizinių, cheminių ir fizikinių bei cheminių virsmų ciklą. Iš pradžių vyrauja mechaninio judėjimo (švino dalelės juda paviršiumi ir per dirvos plyšius) bei konvekcinės difuzijos procesai. Tada, tirpstant kietosios fazės švino junginiams, pradedami sudėtingesni fiziniai ir cheminiai procesai (ypač jonų difuzijos procesai), kuriuos lydi švino junginių, patenkančių su dulkėmis, transformacija.
Nustatyta, kad švinas migruoja tiek vertikaliai, tiek horizontaliai, o antrasis procesas vyrauja prieš pirmąjį. Per 3 metus trukusių stebėjimų mišrioje žolėje pievoje lokaliai į dirvos paviršių patekusios švino dulkės horizontaliai pasislinko 25-35 cm, o jų įsiskverbimo į dirvą gylis – 10-15 cm. Biologiniai veiksniai vaidina svarbų vaidmenį švino migracijoje: augalų šaknys sugeria jonus metalus; auginimo sezono metu jie juda per dirvą; Kai augalai miršta ir suyra, švinas patenka į aplinkinę dirvožemio masę.
Yra žinoma, kad dirvožemis turi savybę surišti (sorbuoti) į jį patenkantį technogeninį šviną. Manoma, kad sorbcija apima kelis procesus: visišką keitimąsi dirvožemį sugeriančio komplekso katijonais (nespecifinė adsorbcija) ir eilę švino kompleksavimo reakcijų su dirvožemio komponentų donorais (specifinė adsorbcija). Dirvožemyje švinas daugiausia siejamas su organinėmis medžiagomis, taip pat su molio mineralais, mangano oksidais, geležies ir aliuminio hidroksidais. Surišdamas šviną, humusas neleidžia jam migruoti į gretimą aplinką ir riboja patekimą į augalus. Iš molio mineralų ilitai pasižymi polinkiu į švino sorbciją. Dirvožemio pH padidėjimas kalkinimo metu lemia dar didesnį švino surišimą dirvožemyje, nes susidaro mažai tirpūs junginiai (hidroksidai, karbonatai ir kt.).
Švinas, esantis dirvožemyje judriomis formomis, laikui bėgant fiksuojamas dirvožemio komponentų ir tampa nepasiekiamas augalams. Namų tyrinėtojų teigimu, švinas tvirčiausiai fiksuojamas chernozemo ir durpinio dumblo dirvožemiuose.
Kadmis (Cd) Kadmio ypatumas, išskiriantis jį iš kitų HM, yra tas, kad dirvožemio tirpale jis daugiausia yra katijonų pavidalu (Cd 2+), nors dirvožemyje su neutralios reakcijos aplinka gali susidaryti mažai tirpus. kompleksai su sulfatais ir fosfatais arba hidroksidais.
Turimais duomenimis, kadmio koncentracija foninių dirvožemių dirvožemio tirpaluose svyruoja nuo 0,2 iki 6 μg/l. Dirvožemio užterštumo vietose jis padidėja iki 300-400 µg/l.
Yra žinoma, kad kadmis dirvose yra labai judrus, t.y. gali dideliais kiekiais judėti iš kietosios fazės į skystąją fazę ir atgal (dėl to sunku numatyti jo patekimą į gamyklą). Kadmio koncentraciją dirvožemio tirpale reguliuojančius mechanizmus lemia sorbcijos procesai (sorbcija turima omenyje pati adsorbcija, kritulių susidarymas ir komplekso susidarymas). Kadmis dirvožemyje absorbuojamas mažesniais kiekiais nei kiti HM. Sunkiųjų metalų judrumui dirvožemyje apibūdinti naudojamas metalų koncentracijų kietojoje fazėje ir pusiausvyros tirpale santykis. Didelės šio santykio reikšmės rodo, kad sunkieji metalai išlaikomi kietoje fazėje dėl sorbcijos reakcijos, mažos vertės dėl to, kad metalai yra tirpale, iš kur gali migruoti į kitas terpes arba patekti į įvairias. reakcijos (geocheminės arba biologinės). Yra žinoma, kad pagrindinis kadmio surišimo procesas yra molio adsorbcija. Pastarųjų metų tyrimai taip pat parodė svarbų hidroksilo grupių, geležies oksidų ir organinių medžiagų vaidmenį šiame procese. Kai taršos lygis žemas ir aplinkos reakcija neutrali, kadmis daugiausia adsorbuojamas geležies oksidais. O rūgščioje aplinkoje (pH=5) organinė medžiaga pradeda veikti kaip galingas adsorbentas. Esant žemesnėms pH vertėms (pH=4), adsorbcijos funkcijos pereina beveik vien į organines medžiagas. Mineraliniai komponentai nustoja atlikti bet kokį vaidmenį šiuose procesuose.
Yra žinoma, kad kadmis yra ne tik sorbuojamas dirvožemio paviršiaus, bet ir fiksuojamas dėl kritulių, koaguliacijos ir molio mineralų įsisavinimo tarp paketų. Jis pasklinda dirvožemio dalelių viduje per mikroporas ir kitais būdais.
Kadmis skirtingų tipų dirvožemiuose fiksuojamas skirtingai. Kol kas mažai žinoma apie kadmio konkurencinius ryšius su kitais metalais sorbcijos procesuose dirvožemį sugeriančiame komplekse. Kopenhagos technikos universiteto (Danija) specialistų tyrimų duomenimis, esant nikeliui, kobaltui ir cinkui, kadmio pasisavinimas dirvožemyje buvo slopinamas. Kiti tyrimai parodė, kad kadmio sorbcijos dirvožemyje procesai yra slopinami esant chloro jonams. Dirvožemio prisotinimas Ca 2+ jonais padidino kadmio sorbciją. Daugelis kadmio jungčių su dirvožemio komponentais tam tikromis sąlygomis (pavyzdžiui, esant rūgštinei aplinkos reakcijai) tampa trapios, išsiskiria ir vėl ištirpsta.
Atskleistas mikroorganizmų vaidmuo kadmio tirpimo ir jo perėjimo į judrią būseną procese. Dėl jų gyvybinės veiklos susidaro arba vandenyje tirpių metalų kompleksai, arba susidaro fizikinės ir cheminės sąlygos, palankios kadmiui pereiti iš kietosios fazės į skystąją.
Su kadmiu vykstantys procesai dirvožemyje (sorbcija-desorbcija, perėjimas į tirpalą ir kt.) yra tarpusavyje susiję ir priklauso nuo jų krypties, intensyvumo ir gylio šio metalo aprūpinimas augalais. Yra žinoma, kad kadmio sorbcijos kiekis dirvožemyje priklauso nuo pH vertės: kuo didesnis dirvožemio pH, tuo daugiau kadmio jis pasisavina. Taigi, turimais duomenimis, esant pH intervalui nuo 4 iki 7,7, pH padidėjus vienu vienetu, dirvožemio sorbcijos geba kadmio atžvilgiu padidėjo maždaug tris kartus.
Cinkas (Zn). Cinko trūkumas gali pasireikšti tiek rūgščiose, labai podzolizuotose lengvose dirvose, tiek karbonatinėse, neturtingose cinko, ir labai humusingose dirvose. Cinko trūkumo pasireiškimą sustiprina didelių fosforo trąšų dozių naudojimas ir stiprus podirvio arimas iki ariamo horizonto.
Didžiausias bendrasis cinko kiekis yra tundros (53-76 mg/kg) ir chernozemo (24-90 mg/kg) dirvožemiuose, mažiausias – velėniniuose-podzoliniuose (20-67 mg/kg). Cinko trūkumas dažniausiai atsiranda neutraliuose ir silpnai šarminiuose karbonatiniuose dirvožemiuose. Rūgščioje dirvoje cinkas yra judresnis ir prieinamas augalams.
Cinkas dirvožemyje yra joninėje formoje, kur jis adsorbuojamas katijonų mainų mechanizmu rūgščioje aplinkoje arba dėl chemisorbcijos šarminėje aplinkoje. Judriausias jonas yra Zn 2+. Cinko judrumui dirvožemyje daugiausia įtakos turi pH ir molio mineralų kiekis. Esant pH<6 подвижность Zn 2+ возрастает, что приводит к его выщелачиванию. Попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита, ионы цинка теряют свою подвижность. Кроме того, цинк образует устойчивые формы с органическим веществом почвы, поэтому он накапливается в основном в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе.
Sunkieji metalai augaluose
Pasak A.P.Vinogradovo (1952), visi cheminiai elementai vienu ar kitu laipsniu dalyvauja augalų gyvenime, o jei daugelis jų laikomi fiziologiškai reikšmingais, tai tik todėl, kad tam dar nėra įrodymų. Į augalą patekę nedideliais kiekiais ir tapdami neatsiejama fermentų dalimi ar aktyvatoriumi, mikroelementai atlieka aptarnavimo funkcijas medžiagų apykaitos procesuose. Kai į aplinką patenka neįprastai didelė elementų koncentracija, jie tampa toksiški augalams. Perteklinis sunkiųjų metalų įsiskverbimas į augalo audinius sutrikdo normalią jų organų veiklą, ir šis sutrikimas yra stipresnis, tuo didesnis toksinių medžiagų perteklius. Dėl to sumažėja produktyvumas. Toksinis HM poveikis pasireiškia nuo ankstyvųjų augalų vystymosi etapų, tačiau skirtingu laipsniu įvairiuose dirvožemiuose ir įvairiems pasėliams.
Augalų cheminių elementų įsisavinimas yra aktyvus procesas. Pasyvioji difuzija sudaro tik 2-3% visos absorbuotų mineralinių komponentų masės. Kai metalų kiekis dirvožemyje yra fono lygyje, vyksta aktyvi jonų absorbcija, o jei atsižvelgsime į mažą šių elementų mobilumą dirvožemyje, tada prieš jų įsisavinimą turėtų būti mobilizuojami tvirtai surišti metalai. Kai sunkiųjų metalų kiekis šaknies sluoksnyje gerokai viršija maksimalias koncentracijas, kuriose metalas gali fiksuotis naudojant vidinius dirvožemio išteklius, į šaknis patenka toks metalų kiekis, kad membranos nebegali jų sulaikyti. Dėl to jonų ar elementų junginių tiekimo nebereguliuoja ląstelių mechanizmai. Rūgščiose dirvose HM kaupiasi intensyviau nei dirvose, kurių reakcijos aplinka yra neutrali arba artima neutraliai. Faktinio HM jonų dalyvavimo cheminėse reakcijose matas yra jų aktyvumas. Didelės sunkiųjų metalų koncentracijos toksinis poveikis augalams gali pasireikšti kitų cheminių elementų tiekimo ir paskirstymo sutrikimu. Sunkiųjų metalų sąveikos su kitais elementais pobūdis skiriasi priklausomai nuo jų koncentracijos. Migracija ir patekimas į augalą vyksta sudėtingų junginių pavidalu.
Pradiniu aplinkos užterštumo sunkiaisiais metalais laikotarpiu dėl dirvožemio buferinių savybių, lemiančių toksinių medžiagų inaktyvavimą, augalai praktiškai nepajus jokio neigiamo poveikio. Tačiau apsauginės dirvožemio funkcijos nėra neribotos. Didėjant sunkiųjų metalų taršos lygiui, jų inaktyvacija tampa nepilna, o jonų srautas puola šaknis. Kai kuriuos jonus augalas sugeba paversti mažiau aktyvia būsena dar prieš jiems prasiskverbdamas į augalo šaknų sistemą. Tai, pavyzdžiui, chelatavimas naudojant šaknų sekretus arba adsorbcija išoriniame šaknų paviršiuje, susidarant sudėtingiems junginiams. Be to, kaip parodė augmenijos eksperimentai su akivaizdžiai toksiškomis cinko, nikelio, kadmio, kobalto, vario ir švino dozėmis, šaknys yra sluoksniuose, neužterštose HM dirvožemiais ir šiais atvejais nėra jokių fototoksiškumo simptomų.
Nepaisant apsauginių šaknų sistemos funkcijų, užterštomis sąlygomis sunkieji metalai patenka į šaknį. Šiuo atveju įsijungia apsaugos mechanizmai, kurių dėka augalų organuose vyksta specifinis HM pasiskirstymas, leidžiantis kuo geriau apsaugoti jų augimą ir vystymąsi. Be to, pavyzdžiui, sunkiųjų metalų kiekis šaknų ir sėklų audiniuose labai užterštoje aplinkoje gali skirtis 500–600 kartų, o tai rodo dideles šio požeminio augalo organo apsaugines galimybes.
Cheminių elementų perteklius sukelia augalų toksikozę. Didėjant sunkiųjų metalų koncentracijai, pirmiausia sulėtėja augalų augimas, vėliau atsiranda lapų chlorozė, kurią pakeičia nekrozė, galiausiai pažeidžiama šaknų sistema. Toksinis HM poveikis gali pasireikšti tiesiogiai ir netiesiogiai. Tiesioginis sunkiųjų metalų pertekliaus poveikis augalų ląstelėse atsiranda dėl kompleksų susidarymo reakcijų, kurios sukelia fermentų blokavimą arba baltymų nusodinimą. Fermentinės sistemos deaktyvuojamos pakeitus fermentinį metalą teršalu metalu. Kai toksinių medžiagų kiekis yra labai svarbus, fermento katalizinis gebėjimas žymiai sumažėja arba visiškai blokuojamas.
Augalai yra sunkiųjų metalų hiperakumuliatoriai
A.P.Vinogradovas (1952) nustatė augalus, gebančius koncentruoti elementus. Jis nurodė dviejų tipų augalus – koncentratorius: 1) augalus, kurie koncentruoja elementus masiniu mastu; 2) selektyvinės (rūšinės) koncentracijos augalai. Pirmojo tipo augalai praturtinami cheminiais elementais, jei pastarųjų dirvožemyje yra daugiau. Koncentraciją šiuo atveju lemia aplinkos veiksnys. Antrojo tipo augalams būdingas nuolat didelis vienokių ar kitokių cheminių elementų kiekis, nepriklausomai nuo jo kiekio aplinkoje. Tai lemia genetiškai fiksuotas poreikis.
Atsižvelgiant į sunkiųjų metalų įsisavinimo iš dirvožemio į augalus mechanizmą, galima kalbėti apie barjerinį (nekoncentruojantį) ir bebarjerinį (koncentruojantį) elementų kaupimosi tipus. Barjerų kaupimasis būdingas daugumai aukštesniųjų augalų ir nebūdingas briofitams ir kerpėms. Taigi M.A.Toikka ir L.N.Potekhina (1980) darbe sfagnas (2,66 mg/kg) buvo įvardytas kaip kobalto augalas-koncentratorius. varis (10,0 mg/kg) - beržas, kaulavaisės, pakalnutės; manganas (1100 mg/kg) – mėlynės. Lepp ir kt. (1987) nustatė didelę kadmio koncentraciją beržynuose augančio grybo Amanita muscaria sporoforuose. Grybelio sporoforuose kadmio kiekis buvo 29,9 mg/kg sausos masės, o dirvoje, kurioje jie augo - 0,4 mg/kg. Yra nuomonė, kad augalai, kurie yra kobalto koncentratoriai, taip pat yra labai tolerantiški nikeliui ir gali jį kaupti dideliais kiekiais. Tai visų pirma apima Boraginaceae, Brassicaceae, Myrtaceae, Fabaceae, Caryophyllaceae šeimų augalus. Tarp vaistinių augalų taip pat rasta nikelio koncentratorių ir superkoncentratorių. Superkoncentratoriai yra melionmedis, belladonna belladonna, geltonosios aguonos, motininė žolė, pasiflora ir Thermopsis lanceolata. Didelės koncentracijos cheminių elementų kaupimosi maistinėje terpėje tipas priklauso nuo augalų augimo fazių. Bebarjerinis kaupimasis būdingas daigų fazei, kai augalai nediferencijuoja antžeminių dalių į įvairius organus, o paskutinėse vegetacijos fazėse – po nokimo, taip pat žiemos ramybės laikotarpiu, kai užtvaras. -laisvą kaupimąsi gali lydėti cheminių elementų perteklius kietoje fazėje (Kovalevsky, 1991).
Hiperakumuliaciniai augalai aptinkami Brassicaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae ir Scrophulariaceae šeimose (Baker 1995). Garsiausias ir ištirtas iš jų yra Brassica juncea (Indijos garstyčios), augalas, išvystantis didelę biomasę ir galintis kaupti Pb, Cr (VI), Cd, Cu, Ni, Zn, 90Sr, B ir Se (Nanda Kumar ir kt. Salt ir kt., 1995; Iš skirtingų ištirtų augalų rūšių B. juncea turėjo ryškiausią savybę pernešti šviną ant žemės, antžeminiuose organuose sukaupusi daugiau nei 1,8 % šio elemento (pagal sausą svorį). Išskyrus saulėgrąžas (Helianthus annuus) ir tabaką (Nicotiana tabacum), kitų ne Brassicaceae augalų rūšių biologinis pasisavinimo koeficientas buvo mažesnis nei 1.
Pagal daugelio užsienio autorių naudojamą augalų klasifikaciją pagal jų reakciją į sunkiųjų metalų buvimą jų augimo aplinkoje, augalai turi tris pagrindines augimo strategijas metalais užterštoje dirvoje:
Metalo išskyrikliai. Tokie augalai išlaiko pastovią mažą metalo koncentraciją, nepaisant didelių jo koncentracijų dirvožemyje svyravimų, daugiausia išlaikant metalą šaknyse. Išskirtiniai augalai gali pakeisti ląstelių sienelių membranų pralaidumą ir metalo surišimo gebą arba išskirti didelius kiekius kompleksonų.
Metaliniai indikatoriai. Tai apima augalų rūšis, kurios aktyviai kaupia metalą antžeminėse dalyse ir paprastai atspindi metalo kiekį dirvožemyje. Jie toleruoja esamą metalo koncentracijos lygį, susidarantį dėl ekstraląstelinių metalą rišančių junginių (chelatorių) susidarymo, arba pakeičia metalo skirstymo pobūdį, laikydami jį metalui nejautriose vietose. Metalą akumuliuojančios augalų rūšys. Šiai grupei priklausantys augalai gali kaupti metalą antžeminėje biomasėje daug didesnėmis koncentracijomis nei dirvožemyje. Baker ir Brooks apibrėžė metalinius hiperakumuliatorius kaip augalus, kuriuose yra daugiau nei 0,1 proc., t.y. daugiau kaip 1000 mg/g vario, kadmio, chromo, švino, nikelio, kobalto arba 1 % (daugiau kaip 10 000 mg/g) cinko ir mangano sausos masės. Retiesiems metalams ši vertė yra didesnė nei 0,01 % sauso svorio. Tyrėjai nustato hiperakumuliuojančias rūšis rinkdami augalus tose vietose, kur dirvožemyje yra metalų, kurių koncentracija viršija foninį lygį, kaip yra užterštose vietose arba ten, kur yra rūdos kūnai. Hiperakumuliacijos fenomenas tyrinėtojams kelia daug klausimų. Pavyzdžiui, kokia yra metalo kaupimosi labai toksiškomis koncentracijomis reikšmė augalams? Tikslaus atsakymo į šį klausimą dar negauta, tačiau yra kelios pagrindinės hipotezės. Daroma prielaida, kad tokie augalai turi sustiprintą jonų įsisavinimo sistemą ("netyčinio" įsisavinimo hipotezę), kad galėtų atlikti tam tikras fiziologines funkcijas, kurios dar nebuvo ištirtos. Taip pat manoma, kad hiperakumuliacija yra viena iš augalų tolerancijos dideliam metalų kiekiui augančioje aplinkoje rūšių.
Sunkiųjų metalų kiekio standartizavimas
dirvožemyje ir augaluose yra labai sudėtinga, nes neįmanoma visiškai atsižvelgti į visus aplinkos veiksnius. Taigi, pakeitus tik dirvožemio agrochemines savybes (vidutinę reakciją, humuso kiekį, prisotinimo laipsnį bazėmis, granulometrinę sudėtį), sunkiųjų metalų kiekis augaluose gali sumažėti arba padidėti kelis kartus. Yra prieštaringų duomenų net apie kai kurių metalų foninį kiekį. Mokslininkų pateikti rezultatai kartais skiriasi 5-10 kartų.
Buvo pasiūlyta daug svarstyklių
sunkiųjų metalų aplinkos reguliavimas. Kai kuriais atvejais didžiausias metalų kiekis, pastebėtas įprastuose antropogeniniuose dirvožemiuose, laikomas didžiausia leistina koncentracija, kitais atvejais imamas kiekis, kuris yra fitotoksiškumo riba. Daugeliu atvejų MPC buvo pasiūlyti sunkiųjų metalų, kurie kelis kartus viršija viršutinę ribą.
Technogeninei taršai apibūdinti
sunkiųjų metalų atveju naudojamas koncentracijos koeficientas, lygus elemento koncentracijos užterštoje dirvoje ir jo foninės koncentracijos santykiui. Esant užterštumui keliais sunkiaisiais metalais, užterštumo laipsnis vertinamas bendrojo koncentracijos indekso (Zc) dydžiu. IMGRE pasiūlytas dirvožemio užterštumo sunkiaisiais metalais mastas pateiktas 1 lentelėje.
1 lentelė. Žemės ūkio paskirties dirvožemių įvertinimo pagal užterštumo cheminėmis medžiagomis laipsnį schema (TSRS Goskomhidrometas, Nr. 02-10 51-233, 90-12-10)
| Dirvožemio kategorija pagal užterštumo laipsnį | Zc | Tarša, palyginti su MPC | Galimas dirvožemio panaudojimas | Būtinos veiklos |
| Priimtinas | <16,0 | Viršija foną, bet ne didesnis nei MPC | Naudokite bet kokiems pasėliams | Dirvožemio taršos šaltinių poveikio mažinimas. Sumažėjęs toksinių medžiagų prieinamumas augalams. |
| Vidutiniškai pavojingas | 16,1- 32,0 | Viršija didžiausią leistiną ribinio bendrojo sanitarinio ir migracinio vandens kenksmingumo rodiklio koncentraciją, bet yra mažesnė už maksimalią leistiną translokacijos rodiklio koncentraciją | Naudoti bet kokioms kultūroms, kurioms taikoma augalininkystės produktų kokybės kontrolė | Veikla, panaši į 1 kategoriją. Jei yra medžiagų, kurių migracijos vandens rodiklis yra ribojamas, stebimas šių medžiagų kiekis paviršiniame ir požeminiame vandenyje. |
| Labai pavojingas | 32,1- 128 | Viršija MPC su ribojančiu translokacijos pavojaus indikatoriumi | Naudoti pramoniniams augalams, negaunant iš jų maisto ir pašarų. | Venkite chemikalus koncentruojančių augalų |
| Veikla, panaši į kategorijas 1. Privaloma toksinių medžiagų kiekio augaluose, naudojamuose maistui ir pašarams, kontrolė. Apriboti žaliosios masės naudojimą gyvulių pašarams, ypač koncentratoriniams augalams. | > 128 | Itin pavojinga | Visais atžvilgiais viršija MPC | Neskirti naudoti žemės ūkyje |
Taršos lygio mažinimas ir toksinių medžiagų sekvestracija atmosferoje, dirvožemyje ir vandenyse.
2 lentelėje pateiktos oficialiai patvirtintos didžiausios koncentracijos ribos ir leistini jų kiekio lygiai pagal pavojingumo rodiklius. Pagal medicinos higienistų priimtą schemą sunkiųjų metalų reguliavimas dirvožemyje skirstomas į perkėlimą (elemento perkėlimas į augalus), migracinį vandenį (perėjimas į vandenį) ir bendrą sanitarinį (poveikis savaiminio apsivalymo gebėjimui). dirvožemiai ir dirvožemio mikrobiocenozė).
2 lentelė. Didžiausios leistinos cheminių medžiagų koncentracijos (DLK) dirvožemyje ir leistini jų kiekio kiekiai, vertinant pagal kenksmingumą (1991-01-01 SSRS Valstybinis gamtos apsaugos komitetas, Nr. 02-2333, 12-10-12) .
| Medžiagų pavadinimas | MPC, mg/kg dirvožemio, atsižvelgiant į foną | Žalingumo rodikliai | ||
| Translokacija | Vanduo | Bendroji sanitarinė | ||
| Vandenyje tirpios formos | ||||
| Fluoras | 10,0 | 10,0 | 10,0 | 10,0 |
| Kilnojamos formos | ||||
| Varis | 3,0 | 3,5 | 72,0 | 3,0 |
| Nikelis | 4,0 | 6,7 | 14,0 | 4,0 |
| Cinkas | 23,0 | 23,0 | 200,0 | 37,0 |
| Kobaltas | 5,0 | 25,0 | >1000 | 5,0 |
| Fluoras | 2,8 | 2,8 | - | - |
| Chromas | 6,0 | - | - | 6,0 |
| Grubus turinys | ||||
| Stibis | 4,5 | 4,5 | 4,5 | 50,0 |
| Manganas | 1500,0 | 3500,0 | 1500,0 | 1500,0 |
| Vanadis | 150,0 | 170,0 | 350,0 | 150,0 |
| Švinas** | 30,0 | 35,0 | 260,0 | 30,0 |
| Arsenas** | 2,0 | 2,0 | 15,0 | 10,0 |
| Merkurijus | 2,1 | 2,1 | 33,3 | 5,0 |
| Švinas+gyvsidabris | 20+1 | 20+1 | 30+2 | 30+2 |
| varis* | 55 | - | - | - |
| Nikelis* | 85 | - | - | - |
| Cinkas* | 100 | - | - | - |
* – bendrasis turinys – apytikslis.
** - prieštaravimas; arseno vidutinis foninis kiekis yra 6 mg/kg, foninis švino kiekis paprastai taip pat viršija MPC standartus.
Oficialiai patvirtintas UEC
1995 m. sukurti ADC, skirti bendram 6 sunkiųjų metalų ir arseno kiekiui, leidžia gauti išsamesnį dirvožemio užterštumo sunkiaisiais metalais aprašymą, nes juose atsižvelgiama į aplinkos reakcijos lygį ir granuliometrinę dirvožemio sudėtį.
3 lentelė. Apytikslės leistinos sunkiųjų metalų ir arseno koncentracijos (ATC) skirtingų fizikinių ir cheminių savybių dirvožemiuose (bendras kiekis, mg/kg) (MPC ir APC Nr. 6229-91 sąrašo papildymas Nr. 1).
| Elementas | Dirvožemio grupė | ODC, atsižvelgiant į foną | Suvestinė vietos būklė dirvose | Pavojaus klasės | Ypatumai veiksmus ant kūno |
| Nikelis | Priesmėlis ir priesmėlis | 20 | Kieta: druskų pavidalo, sorbuoto pavidalo, kaip mineralų dalis | 2 | Mažas toksiškumas šiltakraujams gyvūnams ir žmonėms. Turi mutageninį poveikį |
| <5,5 | 40 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), рНKCl >5,5 | 80 | ||||
| Varis | Priesmėlis ir priesmėlis | 33 | 2 | Padidina ląstelių pralaidumą, slopina glutationo reduktazę, sutrikdo medžiagų apykaitą sąveikaudama su -SH, -NH2 ir COOH- grupėmis | |
| Rūgšti (priemolio ir molio), pH KCl<5,5 | 66 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), pH KCl>5,5 | 132 | ||||
| Cinkas | Priesmėlis ir priesmėlis | 55 | Kieta medžiaga: druskų, organinių mineralinių junginių pavidalu, sorbuoto pavidalo, kaip mineralų dalis | 1 | Trūkumas ar perteklius sukelia vystymosi nukrypimus. Apsinuodijimas dėl cinko turinčių pesticidų naudojimo technologijos pažeidimo |
| Rūgšti (priemolio ir molio), pH KCl<5,5 | 110 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), pH KCl>5,5 | 220 | ||||
| Arsenas | Priesmėlis ir priesmėlis | 2 | Kieta medžiaga: druskų, organinių mineralinių junginių pavidalu, sorbuoto pavidalo, kaip mineralų dalis | 1 | Nuodingas, slopina įvairius fermentus, neigiamai veikia medžiagų apykaitą. Galbūt kancerogeninis |
| Rūgšti (priemolio ir molio), pH KCl<5,5 | 5 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), pH KCl>5,5 | 10 | ||||
| kadmis | Priesmėlis ir priesmėlis | 0,5 | Kieta medžiaga: druskų, organinių mineralinių junginių pavidalu, sorbuoto pavidalo, kaip mineralų dalis | 1 | Jis yra labai toksiškas, blokuoja fermentų sulfhidrilo grupes, sutrikdo geležies ir kalcio apykaitą, sutrikdo DNR sintezę. |
| Rūgšti (priemolio ir molio), pH KCl<5,5 | 1,0 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), pH KCl>5,5 | 2,0 | ||||
| Švinas | Priesmėlis ir priesmėlis | 32 | Kieta medžiaga: druskų, organinių mineralinių junginių pavidalu, sorbuoto pavidalo, kaip mineralų dalis | 1 | Įvairūs neigiami padariniai. Blokuoja -SH baltymų grupę, slopina fermentus, sukelia apsinuodijimus ir nervų sistemos pažeidimus. |
| Rūgšti (priemolio ir molio), pH KCl<5,5 | 65 | ||||
| Arti neutralios (priemolio ir molio), pH KCl>5,5 | 130 |
Iš medžiagų matyti, kad reikalavimai daugiausia taikomi birių sunkiųjų metalų formoms. Tarp mobiliųjų yra tik varis, nikelis, cinkas, chromas ir kobaltas. Todėl šiuo metu sukurti standartai nebetenkina visų reikalavimų.
yra pajėgumo veiksnys, pirmiausia atspindintis galimą augalinių produktų, infiltracijos ir paviršinių vandenų užteršimo pavojų. Būdingas bendras dirvožemio užterštumas, tačiau neatspindi elementų prieinamumo augalui laipsnio. Augalų dirvožemio mitybos būklei apibūdinti naudojamos tik judrios jų formos.
Kilnojamųjų formų apibrėžimas
Jie nustatomi naudojant įvairius ekstraktorius. Bendras judriosios metalo formos kiekis yra naudojant rūgštinį ekstraktą (pavyzdžiui, 1N HCL). Judriausia sunkiųjų metalų judriųjų atsargų dalis dirvožemyje patenka į amonio acetato buferį. Metalų koncentracija vandens ekstrakte parodo elementų mobilumo laipsnį dirvožemyje, nes tai pati pavojingiausia ir „agresyviausia“ frakcija.
Kilnojamųjų blankų standartai
Buvo pasiūlytos kelios orientacinės norminės skalės. Žemiau pateikiamas vienos iš didžiausių leistinų sunkiųjų metalų mobiliųjų formų skalės pavyzdys.
4 lentelė. Didžiausias leistinas judriųjų sunkiųjų metalų kiekis dirvožemyje, mg/kg ekstrahanto 1N. HCl (H. Chuljian ir kt., 1988).
| Elementas | Turinys | Elementas | Turinys | Elementas | Turinys |
| Hg | 0,1 | Sb | 15 | Pb | 60 |
| Cd | 1,0 | Kaip | 15 | Zn | 60 |
| Co | 12 | Ni | 36 | V | 80 |
| Kr | 15 | Cu | 50 | Mn | 600 |
| SVETAINĖS NAVIGACIJA: | |||||||
| DUK? | į dirvą | į gelį | rezultatas | techniniai duomenys | kainos | ||
Ne paslaptis, kad visi nori turėti vasarnamį ekologiškai švarioje vietoje, kur nėra miesto taršos. Aplinkoje yra sunkiųjų metalų (arseno, švino, vario, gyvsidabrio, kadmio, mangano ir kitų), kurių atsiranda net iš automobilių išmetamųjų dujų. Reikia suprasti, kad žemė yra natūralus atmosferos ir požeminio vandens valytojas, joje kaupiasi ne tik sunkieji metalai, bet ir kenksmingi pesticidai su angliavandeniliais. Savo ruožtu augalai pasisavina viską, ką jiems duoda dirvožemis. Metalas, nusėsdamas dirvožemyje, kenkia ne tik pačiai dirvai, bet ir augalams, o dėl to ir žmogui.
Prie pagrindinio kelio daug suodžių, kurie prasiskverbia į paviršinius dirvožemio sluoksnius ir nusėda ant augalų lapų. Tokiame sklype negalima auginti šakniavaisių, vaisių, uogų ir kitų derlingų augalų. Mažiausias atstumas nuo kelio – 50 m.
Sunkiųjų metalų pripildytas dirvožemis yra blogas, sunkieji metalai yra toksiški. Ant jo niekada nepamatysi skruzdėlių, dirvinių vabalų ar sliekų, tačiau bus didelė čiulpiamųjų vabzdžių koncentracija. Augalai dažnai serga grybelinėmis ligomis, išdžiūsta ir nėra atsparūs kenkėjams.
Pavojingiausi yra judrūs sunkiųjų metalų junginiai, kurie lengvai susidaro rūgščiame dirvožemyje. Įrodyta, kad augaluose, auginamuose rūgščioje arba lengvoje smėlingoje dirvoje, metalų yra daugiau nei neutralioje ar kalkingoje dirvoje. Be to, ypač pavojingas smėlėtas dirvožemis su rūgštine reakcija, kuris lengvai kaupiasi ir taip pat lengvai išsiplauna, patenka į gruntinius vandenis. Sodo sklypas, kuriame liūto dalis yra molis, taip pat lengvai pažeidžiamas sunkiųjų metalų kaupimuisi, o savaiminis išsivalymas vyksta ilgai ir lėtai. Saugiausias ir stabiliausias dirvožemis yra chernozem, praturtintas kalkėmis ir humusu.
Ką daryti, jei dirvožemyje yra sunkiųjų metalų? Yra keletas būdų, kaip išspręsti problemą.
1. Nevykusį sklypą galima parduoti.
2. Kalkinimas yra geras būdas sumažinti sunkiųjų metalų koncentraciją dirvožemyje. Yra įvairių. Paprasčiausias: į indą su actu įmeskite saują žemės, jei atsiranda putų, vadinasi, žemė šarminė. Arba šiek tiek įkaskite į dirvą, jei joje randate baltą sluoksnį, tada yra rūgštingumas. Klausimas kiek. Po kalkinimo reguliariai tikrinkite, ar nėra rūgštingumo, procedūrą gali tekti pakartoti. Kalkės su dolomito miltais, aukštakrosnių šlakas, durpių pelenai, kalkakmenis.
Jeigu žemėje jau susikaupė daug sunkiųjų metalų, tuomet pravers nuimti viršutinį žemės sluoksnį (20-30 cm) ir jį pakeisti juoda žeme.
3. Nuolatinis šėrimas organinėmis trąšomis (mėšlu, kompostu). Kuo daugiau humuso dirvožemyje, tuo mažiau jame yra sunkiųjų metalų, mažėja toksiškumas. Prasta, nederlinga dirva nepajėgi apsaugoti augalų. Nepersotinkite mineralinėmis trąšomis, ypač azotu. Mineralinės trąšos greitai suskaido organines medžiagas.
4. Paviršiaus purenimas. Po purenimo būtinai pabarstykite durpėmis arba kompostu. Purenant naudinga įberti vermikulito, kuris taps barjeru tarp augalų ir dirvoje esančių toksinių medžiagų.
5. Dirvožemio plovimas tik su geru drenažu. Priešingu atveju sunkieji metalai pasklis po visą plotą su vandeniu. Užpilkite švariu vandeniu, kad būtų nuplaunamas 30-50 cm žemės sluoksnis daržovių pasėliams, o iki 120 cm - vaiskrūmiams ir medžiams. Skalavimas atliekamas pavasarį, kai po žiemos dirvoje yra pakankamai drėgmės.
6. Nuimkite viršutinį dirvožemio sluoksnį, padarykite gerą drenažą iš keramzito ar akmenukų, o viršuje užpildykite juodą žemę.
7. Auginkite augalus konteineriuose arba šiltnamyje, kur būtų galima lengvai pakeisti dirvą. Stebėkite, neauginkite augalo vienoje vietoje ilgą laiką.
8. Jei sodo sklypas yra šalia kelio, tada didelė tikimybė, kad dirvožemyje yra švino, kuris išeina su automobilių išmetamosiomis dujomis. Ištraukite šviną sodindami žirnius tarp augalų, nenuimkite derliaus. Rudenį iškaskite žirnius ir sudeginkite kartu su vaisiais. Dirvą pagerins augalai, turintys galingą gilią šaknų sistemą, pernešantys fosforą, kalį ir kalcį iš giluminio sluoksnio į viršutinį sluoksnį.
9. Sunkioje dirvoje auginamas daržoves ir vaisius visada reikia termiškai apdoroti arba bent nuplauti po tekančiu vandeniu, taip pašalinant atmosferos dulkes.
10. Užterštose ar šalia kelio esančiose vietose įrengiama tvirta tvora, grandinės tinklelis nebus kliūtis nuo kelių dulkių. Už tvoros būtinai pasodinkite lapuočių (). Kaip alternatyva, puiki apsauga bus daugiapakopiai sodinukai, kurie atliks apsaugos nuo atmosferos dulkių ir suodžių vaidmenį.
Sunkiųjų metalų buvimas dirvožemyje nėra mirties nuosprendis, svarbiausia yra juos laiku nustatyti ir neutralizuoti.
Sunkieji metalai dirvožemyje
Pastaruoju metu dėl sparčios pramonės plėtros smarkiai išaugo sunkiųjų metalų kiekis aplinkoje. Sąvoka „sunkieji metalai“ taikoma metalams, kurių tankis didesnis kaip 5 g/cm 3 arba kurių atominis skaičius didesnis nei 20. Tačiau yra ir kitas požiūris, pagal kurį daugiau nei 40 cheminių elementų, kurių atominė masė viršija 50 yra klasifikuojami kaip sunkieji metalai. vienetų Tarp cheminių elementų sunkieji metalai yra patys toksiškiausi ir savo pavojingumu nusileidžia tik pesticidams. Tuo pačiu metu toksiški laikomi šie cheminiai elementai: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.
Sunkiųjų metalų fitotoksiškumas priklauso nuo jų cheminių savybių: valentingumo, joninio spindulio ir gebėjimo sudaryti kompleksus. Daugeliu atvejų elementai yra išdėstyti toksiškumo tvarka: Cu > Ni > Cd > Zn > Pb > Hg > Fe > Mo > Mn. Tačiau ši serija gali šiek tiek skirtis dėl nevienodo elementų nusodinimo dirvožemyje ir perėjimo į augalams neprieinamą būseną, augimo sąlygų ir pačių augalų fiziologinių bei genetinių savybių. Sunkiųjų metalų transformacija ir migracija vyksta tiesiogiai ir netiesiogiai veikiant komplekso susidarymo reakcijai. Vertinant aplinkos taršą, būtina atsižvelgti į dirvožemio savybes ir pirmiausia į granulometrinę sudėtį, humuso kiekį ir buferinį pajėgumą. Buferinė talpa suprantama kaip dirvožemių gebėjimas palaikyti pastovų metalų koncentraciją dirvožemio tirpale.
Dirvožemyje sunkieji metalai yra dviejose fazėse – kietoje ir dirvos tirpale. Metalų egzistavimo formą lemia aplinkos reakcija, dirvožemio tirpalo cheminė ir medžiaginė sudėtis ir visų pirma organinių medžiagų kiekis. Kompleksiniai elementai, teršiantys dirvožemį, daugiausia susitelkę viršutiniame 10 cm jo sluoksnyje. Tačiau rūgštinant žemą buferinį dirvožemį, nemaža dalis metalų iš mainų sugertos būsenos patenka į dirvožemio tirpalą. Kadmis, varis, nikelis ir kobaltas turi stiprų migracijos gebėjimą rūgščioje aplinkoje. Sumažinus pH 1,8–2 vienetais, cinko mobilumas padidėja 3,8–5,4, kadmio – 4–8, vario – 2–3 kartus. .
1 lentelė Didžiausios leistinos koncentracijos (DLK) standartai, fono cheminių elementų kiekis dirvožemyje (mg/kg)
|
Pavojaus klasė |
UEC pagal dirvožemio grupes |
||||||
|
Ekstrahuojamas amonio acetato buferiu (pH=4,8) |
Smėlingas, smėlingas priemolis |
Priemolis, molingas |
|||||
|
pH xl< 5,5 |
pH xl > 5,5 |
||||||
Taigi, kai sunkieji metalai patenka į dirvą, jie greitai sąveikauja su organiniais ligandais, sudarydami sudėtingus junginius. Taigi, esant mažoms koncentracijoms dirvožemyje (20-30 mg/kg), apie 30% švino yra kompleksų su organinėmis medžiagomis pavidalu. Sudėtinių švino junginių dalis didėja didėjant koncentracijai iki 400 mg/g, o vėliau mažėja. Metalus taip pat sorbuoja (keičiamai arba nekeičiamai) geležies ir mangano hidroksidų nuosėdos, molio mineralai ir dirvožemio organinės medžiagos. Augalams prieinami ir galintys išsiplauti metalai dirvožemio tirpale randami laisvųjų jonų, kompleksų ir chelatų pavidalu.
HM absorbcija dirvožemyje labai priklauso nuo aplinkos reakcijos ir nuo to, kokie anijonai vyrauja dirvožemio tirpale. Rūgščioje aplinkoje labiau sorbuojasi varis, švinas ir cinkas, o šarminėje – kadmis ir kobaltas intensyviai. Varis pirmiausia jungiasi su organiniais ligandais ir geležies hidroksidais.
2 lentelė Mikroelementų mobilumas įvairiuose dirvožemiuose priklausomai nuo dirvožemio tirpalo pH
Dirvožemis ir klimato veiksniai dažnai lemia HM migracijos ir transformacijos dirvožemyje kryptį ir greitį. Taigi miško stepių zonos dirvožemio ir vandens režimų sąlygos prisideda prie intensyvios vertikalios HM migracijos išilgai dirvožemio profilio, įskaitant galimą metalų perkėlimą vandens srautu išilgai plyšių, šaknų kanalų ir kt. .
Nikelis (Ni) yra periodinės lentelės VIII grupės elementas, kurio atominė masė yra 58,71. Nikelis kartu su Mn, Fe, Co ir Cu priklauso vadinamiesiems pereinamiesiems metalams, kurių junginiai pasižymi dideliu biologiniu aktyvumu. Dėl elektroninių orbitalių struktūrinių ypatybių minėti metalai, įskaitant nikelį, turi ryškią savybę sudaryti kompleksus. Nikelis gali sudaryti stabilius kompleksus, pavyzdžiui, su cisteinu ir citratu, taip pat su daugeliu organinių ir neorganinių ligandų. Geocheminė šaltinių uolienų sudėtis daugiausia lemia nikelio kiekį dirvožemyje. Daugiausia nikelio yra dirvožemyje, susidariusiame iš bazinių ir ultrabazinių uolienų. Kai kurių autorių teigimu, daugumos rūšių nikelio pertekliaus ir toksiškumo ribos svyruoja nuo 10 iki 100 mg/kg. Didžioji nikelio dalis yra nejudinamai pritvirtinta dirvožemyje, o labai silpna migracija koloidinėje būsenoje ir mechaninių suspensijų sudėtyje neturi įtakos jų pasiskirstymui vertikaliame profilyje ir yra gana vienoda.
Švinas (Pb). Švino chemiją dirvožemyje lemia subtilus priešingai nukreiptų procesų balansas: sorbcija-desorbcija, tirpimas-perėjimas į kietą būseną. Į dirvą patekęs švinas įtraukiamas į fizinių, cheminių ir fizikinių bei cheminių virsmų ciklą. Iš pradžių vyrauja mechaninio judėjimo (švino dalelės juda paviršiumi ir per dirvos plyšius) bei konvekcinės difuzijos procesai. Tada, tirpstant kietosios fazės švino junginiams, pradedami sudėtingesni fiziniai ir cheminiai procesai (ypač jonų difuzijos procesai), kuriuos lydi švino junginių, patenkančių su dulkėmis, transformacija.
Nustatyta, kad švinas migruoja tiek vertikaliai, tiek horizontaliai, o antrasis procesas vyrauja prieš pirmąjį. Per 3 metus trukusių stebėjimų mišrioje žolėje pievoje lokaliai į dirvos paviršių patekusios švino dulkės horizontaliai pasislinko 25-35 cm, o jų įsiskverbimo į dirvą gylis – 10-15 cm. Biologiniai veiksniai vaidina svarbų vaidmenį švino migracijoje: augalų šaknys sugeria jonus metalus; auginimo sezono metu jie juda per dirvą; Kai augalai miršta ir suyra, švinas patenka į aplinkinę dirvožemio masę.
Yra žinoma, kad dirvožemis turi savybę surišti (sorbuoti) į jį patenkantį technogeninį šviną. Manoma, kad sorbcija apima kelis procesus: visišką keitimąsi dirvožemį sugeriančio komplekso katijonais (nespecifinė adsorbcija) ir eilę švino kompleksavimo reakcijų su dirvožemio komponentų donorais (specifinė adsorbcija). Dirvožemyje švinas daugiausia siejamas su organinėmis medžiagomis, taip pat su molio mineralais, mangano oksidais, geležies ir aliuminio hidroksidais. Surišdamas šviną, humusas neleidžia jam migruoti į gretimą aplinką ir riboja patekimą į augalus. Iš molio mineralų ilitai pasižymi polinkiu į švino sorbciją. Dirvožemio pH padidėjimas kalkinimo metu lemia dar didesnį švino surišimą dirvožemyje, nes susidaro mažai tirpūs junginiai (hidroksidai, karbonatai ir kt.).
Švinas, esantis dirvožemyje judriomis formomis, laikui bėgant fiksuojamas dirvožemio komponentų ir tampa nepasiekiamas augalams. Namų tyrinėtojų teigimu, švinas tvirčiausiai fiksuojamas chernozemo ir durpinio dumblo dirvožemiuose.
Kadmis (Cd) Kadmio ypatumas, išskiriantis jį iš kitų HM, yra tas, kad dirvožemio tirpale jis daugiausia yra katijonų pavidalu (Cd 2+), nors dirvožemyje su neutralios reakcijos aplinka gali susidaryti mažai tirpus. kompleksai su sulfatais ir fosfatais arba hidroksidais.
Turimais duomenimis, kadmio koncentracija foninių dirvožemių dirvožemio tirpaluose svyruoja nuo 0,2 iki 6 μg/l. Dirvožemio užterštumo vietose jis padidėja iki 300-400 µg/l. .
Yra žinoma, kad kadmis dirvose yra labai judrus, t.y. gali dideliais kiekiais judėti iš kietosios fazės į skystąją fazę ir atgal (dėl to sunku numatyti jo patekimą į gamyklą). Kadmio koncentraciją dirvožemio tirpale reguliuojančius mechanizmus lemia sorbcijos procesai (sorbcija turima omenyje pati adsorbcija, kritulių susidarymas ir komplekso susidarymas). Kadmis dirvožemyje absorbuojamas mažesniais kiekiais nei kiti HM. Sunkiųjų metalų judrumui dirvožemyje apibūdinti naudojamas metalų koncentracijų kietojoje fazėje ir pusiausvyros tirpale santykis. Didelės šio santykio reikšmės rodo, kad sunkieji metalai išlaikomi kietoje fazėje dėl sorbcijos reakcijos, mažos vertės – dėl to, kad metalai yra tirpale, iš kur gali migruoti į kitas terpes arba patekti į įvairios reakcijos (geocheminės ar biologinės). Yra žinoma, kad pagrindinis kadmio surišimo procesas yra molio adsorbcija. Pastarųjų metų tyrimai taip pat parodė svarbų hidroksilo grupių, geležies oksidų ir organinių medžiagų vaidmenį šiame procese. Kai taršos lygis žemas ir aplinkos reakcija neutrali, kadmis daugiausia adsorbuojamas geležies oksidais. O rūgščioje aplinkoje (pH=5) organinė medžiaga pradeda veikti kaip galingas adsorbentas. Esant žemesnėms pH vertėms (pH=4), adsorbcijos funkcijos pereina beveik vien į organines medžiagas. Mineraliniai komponentai nustoja atlikti bet kokį vaidmenį šiuose procesuose.
Yra žinoma, kad kadmis yra ne tik sorbuojamas dirvožemio paviršiaus, bet ir fiksuojamas dėl kritulių, koaguliacijos ir molio mineralų įsisavinimo tarp paketų. Jis pasklinda dirvožemio dalelių viduje per mikroporas ir kitais būdais.
Kadmis skirtingų tipų dirvožemiuose fiksuojamas skirtingai. Kol kas mažai žinoma apie kadmio konkurencinius ryšius su kitais metalais sorbcijos procesuose dirvožemį sugeriančiame komplekse. Kopenhagos technikos universiteto (Danija) specialistų tyrimų duomenimis, esant nikeliui, kobaltui ir cinkui, kadmio pasisavinimas dirvožemyje buvo slopinamas. Kiti tyrimai parodė, kad kadmio sorbcijos dirvožemyje procesai yra slopinami esant chloro jonams. Dirvožemio prisotinimas Ca 2+ jonais padidino kadmio sorbciją. Daugelis kadmio jungčių su dirvožemio komponentais tam tikromis sąlygomis (pavyzdžiui, esant rūgštinei aplinkos reakcijai) tampa trapios, išsiskiria ir vėl ištirpsta.
Atskleistas mikroorganizmų vaidmuo kadmio tirpimo ir jo perėjimo į judrią būseną procese. Dėl jų gyvybinės veiklos susidaro arba vandenyje tirpių metalų kompleksai, arba susidaro fizikinės ir cheminės sąlygos, palankios kadmiui pereiti iš kietosios fazės į skystąją.
Su kadmiu vykstantys procesai dirvožemyje (sorbcija-desorbcija, perėjimas į tirpalą ir kt.) yra tarpusavyje susiję ir priklauso nuo jų krypties, intensyvumo ir gylio šio metalo aprūpinimas augalais. Yra žinoma, kad kadmio sorbcijos kiekis dirvožemyje priklauso nuo pH vertės: kuo didesnis dirvožemio pH, tuo daugiau kadmio jis pasisavina. Taigi, turimais duomenimis, esant pH intervalui nuo 4 iki 7,7, pH padidėjus vienu vienetu, dirvožemio sorbcijos geba kadmio atžvilgiu padidėjo maždaug tris kartus.
Cinkas (Zn). Cinko trūkumas gali pasireikšti tiek rūgščiose, labai podzolizuotose lengvose dirvose, tiek karbonatinėse, neturtingose cinko, ir labai humusingose dirvose. Cinko trūkumo pasireiškimą sustiprina didelių fosforo trąšų dozių naudojimas ir stiprus podirvio arimas iki ariamo horizonto.
Didžiausias bendrasis cinko kiekis yra tundros (53-76 mg/kg) ir chernozemo (24-90 mg/kg) dirvožemiuose, mažiausias – velėniniuose-podzoliniuose (20-67 mg/kg). Cinko trūkumas dažniausiai atsiranda neutraliuose ir silpnai šarminiuose karbonatiniuose dirvožemiuose. Rūgščioje dirvoje cinkas yra judresnis ir prieinamas augalams.
Cinkas dirvožemyje yra joninėje formoje, kur jis adsorbuojamas katijonų mainų mechanizmu rūgščioje aplinkoje arba dėl chemisorbcijos šarminėje aplinkoje. Judriausias jonas yra Zn 2+. Cinko judrumui dirvožemyje daugiausia įtakos turi pH ir molio mineralų kiekis. Esant pH<6 подвижность Zn 2+ возрастает, что приводит к его выщелачиванию. Попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита, ионы цинка теряют свою подвижность. Кроме того, цинк образует устойчивые формы с органическим веществом почвы, поэтому он накапливается в основном в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе .
