Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ENVIRONMENTAL CONSEQUENCES OF SOIL POLLUTION BY HEAVY METALS

Skripko T.V. 1 Malgina I.L. 1
1 Omsk State Technical University
Among the factors polluting the soil are heavy metals. The ingress of heavy metals into the soil is associated with the activities of a number of industries. Omsk region is a unique phenomenon for Russia, as the city of Omsk almost one forms all the pollution of the region. The share of Omsk in emissions from stationary sources throughout the region is 89 %. The specifics of urban land – non-agricultural use, less land use, high technological impact of industrial enterprises, the impact of transport. The city is full of industrial and motor transport enterprises, storage areas and highways. Due to the predominance of wind in the South-Western direction of the environmental danger exposed to the Soviet, Kirov, Central district. The soil not only accumulates pollution, including metal, but also acts as a natural carrier of chemical toxicants in the atmosphere, and in the hydrosphere, and in living matter. Heavy metal ions are capable of specifically adsorbed by the soil with the formation of relatively strong bonds of the coordinating type. Moving along the food chain, including in metabolic cycles, heavy metals cause various physiological and genetic disorders. The study established a correlation between soil pH and redox potential. The composition of the soil exchange cations contain calcium and magnesium, with calcium predominates. Metals Co, Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Mn, Mo, Ni, Pb, Ti, V, Zr with excess of permissible residual content of Mn, Mo, Pb, V, Zr, Co, Cr, Cu were detected in soil by spectroscopy. pH of aqueous extracts of soil samples is mainly slightly alkaline. Soil Omsk forestry (background area) – slightly acidic. Heavy metals are dangerous because they are poorly removed from the soil. These studies can form the basis of monitoring studies of the soils of the city of Omsk.
heavy metals
permissible residual content
complex compounds
toxicity
enzymes
industrial emissions

В почвах содержатся элементы техногенного происхождения. Повышение содержания элементов обусловлено бытовыми отходами, выбросами промышленных предприятий, влиянием транспорта, накоплением остаточных количеств минеральных удобрений. Для ответа на вопрос о возможных последствиях антропогенной нагрузки на почвенный покров важно знать состояние почвы в настоящих условиях, определить изменения в ней в результате влияния конкретных антропогенных факторов. В городе естественный почвенный профиль видоизменён. Городские земли имеют специфику несельскохозяйственного использования. Размеры землевладения и землепользования малы. Степень техногенного воздействия высокая.

Цель исследования: проведение анализа почвы одного из административных округов мегаполиса по физическим и химическим показателям. Особое внимание уделено содержанию тяжелых металлов, трансформации их в почве, формированию процессов «металлогенеза».

Материалы и методы исследования

На предприятиях Ленинского административного округа города Омска были отобраны пробы почв. Проблемные предприятия: ОАО «Техуглерод», ТЭЦ-2 – структурного подразделения омского филиала «Территориальная генерирующая компания № 11», депо «Московка», железнодорожный путь. Фоновая территория – Омский лесхоз в 20 км от города. Согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 точечные пробы отбирали равномерно в пределах каждого элементарного участка по маршрутному ходу через равные интервалы. Почву отбирали не глубже 10 см. Из точечных проб, отобранных с элементарного участка, составляли объединенную пробу. Пробы высушивали и готовили водную вытяжку почвы в соотношении почвы к воде 1:3. Определяли рН и ЭДС водной вытяжки почв на приборе «АНИОН 4100»; содержание сухого остатка, ионов кальция, магния, общую кислотность, щелочность.

Методом спектроскопии определены металлы в почвенном покрове. Использовали спектрограф СТЭ-1 с многоканальным анализатором эмиссионных спектров (МАЭС). Обработка результатов проводилась с помощью программы «Атом-3». Атом – гибкий инструмент проведения расчетов для атомно-эмиссионного спектрального анализа. Условия анализа: возбуждение спектров проводилось в дуге постоянного тока, горящей между угольными электродами диаметром 5 мм; дуговой разряд 10А, продолжительность испарения – 120 с. За результат определения принимали среднее арифметическое двух параллельных измерений [1].

Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментальные данные представлены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Результаты физических показателей и химического анализа водных вытяжек почв

Показатели

Место отбора проб почвы

ОАО «Техуглерод»

ТЭЦ-2

Депо «Московка»

Железнодорожный путь

Омский лесхоз

1

2

3

4

5

6

рН

7,78

7,60

7,67

7,50

6,81

Е, в

–0,027

–0,032

–0,034

–0,027

+0,013

Сухой остаток, мг/дм3

113

113

123

136

93

Общая кислотность, ммоль/дм3

0,1

0,2

0,1

0,1

0,2

Общая щелочность, ммоль/дм3

0,5

0,35

0,5

0,3

0,65

n(Ca2+ +Mg2+), ммоль-экв/дм3

5

4,5

6,5

8

7,5

Ca2+ , ммоль-экв/дм3

1,5

2

5,5

3

5

Mg2+, ммоль-экв/дм3

3,5

2,5

1

5

2,5

Ca2+ , мг/100г почвы

30,06

40,08

110,22

60,12

100,2

Mg2+, мг/100г почвы

42,56

30,04

12,16

60,8

30,04

Таблица 2

Концентрация тяжелых металлов в почве (мг/кг)

Металлы

Место отбора проб почвы

ДОС (допустимое остаточное содержание) металлов

ОАО «Техуглерод»

ТЭЦ-2

Депо «Московка»

Железнодо-рожный путь

Омский лесхоз

1

2

3

4

5

6

7

Co

39,7

53,7

58,4

67,5

28,06

50

Al

46,3

63,7

83,5

63,9

28,14

100

Cr

59,9

151,9

115,5

38,5

65,7

100

Cu

90,3

123,09

90,6

83,2

97,9

100

Fe

35,57

82,14

67,05

50,35

21,6

200

Hf

2,63

5,6

0,47

1,5

3,5

200

Mn

1847,6

2844,3

2970,8

2519,3

1068,3

1500

Mo

5,6

8,33

14,3

18,3

2,07

5

Ni

26,5

48,26

4,3

18,4

29,4

50

Pb

39,5

52,3

76,9

103,1

21,3

100

Ti

3,246

5,04

6,1

4,7

2,0676

10

V

182,7

234,6

319,7

232,8

100,4

150

Zr

318,1

395,5

129,3

134,2

235,5

200

Экологический мониторинг почв особо актуален для индустриальных районов мегаполиса как основной путь аккумуляции и транзита загрязняющих веществ. Устойчивость различных форм миграции элементов, а также развитие и жизнедеятельность растений зависит от рН среды. По результатам химических показателей значение рН водных вытяжек проб почв в местах отбора проб слабощелочное, на территории лесхоза слабокислое. Приведенные данные по ЭДС отражают только возможные в почвах окислительно-восстановительные процессы. Наблюдается корреляция по данным рН и окислительно-восстановительным потенциалам. Чем выше рН почвы, тем меньше величина окислительно-восстановительного потенциала [2]. Подкисление почвы вызывает повышение потенциала. Данные по сухому остатку указывают на содержание минеральных и органических составляющих, температура кипения которых не превышает 105 °С. При данной температуре составляющие не разлагаются. Естественная кислотность почв формируется из ненасыщенных соединений, гуминовых и других слабых органических кислот. При этом рН среды не бывает ниже 4,5. Щелочность создают все катионы, которые уравновешены гидроксильными ионами, анионами слабых кислот. Так как рН не превышает 8,3, то щелочность вызвана гидрокарбонатами щелочноземельных металлов.

Исследуемые почвы в составе обменных катионов содержат кальций и магний; чаще преобладает кальций. На территории ОАО «Техуглерод» закономерность обратная; на территории железнодорожного пути содержание ионов кальция и магния приблизительно одинаково. Видоизменённый почвенный профиль представлен толщей наслоений, которые не являются почвой с её физической и химической структурой, с горизонтальным сложением. Изменяется водно-солевой режим почв, нарушается естественное сложение почв в городской среде [3].

Выявлено превышение допустимых остаточных содержаний (ДОС) в почвах (табл. 3).

Таблица 3

Превышение содержания тяжелых металлов в почве (мг/кг)

Металлы

Место отбора проб почвы

ОАО «Техуглерод»

ТЭЦ-2

Депо «Московка»

Железнодорожный путь

Омский лесхоз

Co

1,07

1,17

1,35

Cr

1,52

1,15

Cu

1,23

Mn

1,23

1,89

1,98

1,68

Mo

1,12

1,67

2,86

3,66

Pb

1,03

V

1,22

1,56

2,13

1,55

Zr

1,59

1,98

1,17

Содержание кобальта превышает от 1,07 до 1,35 ДОС, хрома – от 1,15 до 1,52; широкий спектр превышения марганца (1,23–1,98 ДОС) и молибдена – от 1,12 до 3,66 раз. В районе железнодорожного пути обнаружен свинец (1,03 ДОС). В пробах присутствует ванадий с превышением ДОС с 1,22 до 2,13 раз; цирконий на территориях ОАО «Техуглерод» (1,59 ДОС), ТЭЦ-2 (1,98 ДОС) и лесхоза (1,17 ДОС). На предприятии ТЭЦ-2 обнаружено превышение меди в 2,13 раза.

Аккумуляция в почве тяжёлых металлов зависит от мощности теплоэлектростанции с учётом качества органического топлива, степени очистки отходов. Важный фактор – утилизация отходов. Основным видом топлива для ТЭЦ-2 является кузнецкий уголь. Принцип сжигания угля – факельное сжигание в пылевидном состоянии, от сжигания образуются тонны золошлаковых отходов. Площадь золоотвалов ТЭЦ-2 более 25 га. В табл. 4 представлены данные по содержанию микроэлементов в золошлаковых материалах ТЭЦ-2 [4].

Таблица 4

Содержание микроэлементов (г/т) в золе, шлаке ТЭЦ-2. Кузнецкий уголь (В.В. Саломатов, 2008)

Микроэлемент

Наименование пробы

Уголь

Зола

Шлак

Зола с золоотвала

1

2

3

4

5

I

476

207

Не обнаружен

Cl

1324

Hg

0,33

Ni

63

60

47,7

103,2

Cu

13

200,2

87

70,2

Pb

26

76,8

110,7

326,9

Zn

116

146,3

87

410,9

Cr

44,3

87

59

29,48

Mn

491

900

873

493

Co

37

29,9

59,6

75,7

Be

14

10,2

4,2

Li

83

51,9

56,3

29,9

Sr

67

260,1

129,7

241

As

96,9

96,7

V

205

174,1

60

Mo

41

26,1

37,6

43,5

Железнодорожный транспорт включает многопрофильные производственные мощности. Локомотивные и вагонные депо, пункты подготовки подвижного состава, котельные, станция промыво-пропарочная – многопрофильные производственные мощности железнодорожного транспорта. 80 % выброса загрязняющих веществ приходится на долю энергетических теплоагрегатов котельных; около 10 % на кузнечные, нагревательные печи, сушильные установки (агрегаты энерготехнического профиля). Отходы 1–5 класса опасности.

ОАО «Техуглерод» – одно из пяти крупных предприятий химической промышленности оказывает разнообразное воздействие на природную среду в виде промышленных выбросов, сточных вод и промышленных отходов. Ведомственный экологический контроль осуществляется почти по100 ингредиентам в промышленных выбросах, сбросах, отходах и окружающей среде селитебной зоны. Обнаружено твёрдых веществ в выбросах до 3 %. Жидкие и газообразные продукты составляют 97 % [3].

Металлы в почве сорбируются органическими веществами, глинистыми минералами. Чем меньше частицы почвы, тем больше их способность удерживать воду и химические вещества. Металлы-токсиканты, поступая в грунтовые воды, поглощаются растениями, двигаются по трофическим цепям, активизируются микробиологической составляющей почвы, вызывая определённые негативные последствия. Активная микробиологическая жизнь почвы способствует трансформации посторонних веществ в почву.

Гуминовые вещества почвы обладают ярко выраженной способностью образовывать комплексные соединения. Металл входит в анионную часть молекулы комплексно-гетерополярной соли, образуя соединение типа

skr1.wmf

Здесь М может быть представлен Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, а также аналогичными частицами другого состава, например, с участием алюминия, свинца, кадмия и так далее. Такие комплексные соединения могут иметь свободные карбоксильные и фенольные группы и образовывать простые гетерополярные соли других металлов:

skr2.wmf

Здесь М1 – катионы сильных оснований: Na+, K+. В этой же позиции могут находиться также ионы кальция, магния, алюминия, свинца и других металлов, которые могут свободно мигрировать в ландшафте или накапливаться в отдельных горизонтах почвенного профиля.

Практически неподвижны в почвенном профиле соединения, относящиеся к адсорбционным комплексам. Для адсорбционных комплексов характерны межмолекулярные, ионные и координационные связи. В этой форме в почвенном профиле закрепляются и накапливаются органические вещества (гумусовые), но в этой же форме могут аккумулироваться загрязняющие вещества как органической (пестициды, углеводороды, детергенты), так и неорганической (тяжелые металлы) природы [5].

Активность металлов в почвенной среде зависит от растений, от рН почвенного раствора. Минимальное поступление тяжёлых металлов в растения происходит при рН 6,5. Тяжёлые металлы вмешиваются в метаболический цикл живых организмов, но биохимическому разложению не подвергаются. Они способны вступать в химические реакции с неметаллами и друг с другом. Входят в состав органоминеральной составляющей и в таком виде мигрируют. Соединения тяжёлых металлов подвергаются многочисленным превращениям: осаждению/растворению; десорбции/адсорбции. Возможно формирование новой поглощающей поверхности с увеличением адсорбционной способности металлов [6].

Металлы-токсиканты оказывают как прямое, так и косвенное воздействие на реакции с участием ферментов почвенного покрова. В первом случае наблюдается блокировка реакции с участием фермента. Происходит уменьшение (возможно и прекращение) его каталитического действия (табл. 5).

Таблица 5

Тяжелые металлы, входящие в состав некоторых энзимов, и последствия их замены (Williams, 1967)

Энзимы

Первичный металл

Металлы, которые могут замещать первичный металл, и наблюдаемая при этом эффективность фермента

Уменьшение

Полное прекращение

Декарбоксилаза

Mn

Mg

Co, Ni, Zn

Энолаза

Mn

Mg, Zn, Fe, Co, Ni

Be, Cu

АТФ-азы

Mn

Mg, Ni, Zn

Cu, Hg, Pb

Аргининаза

Mn

Co, Ni

Cu

Карбоксилаза

Zn

Co, Ni, Mn

Cu, Cd, Hg

Пептидаза

Pb

Дегидрогеназа

Zn

Co, Ni, Mn

Cu, Cd, Hg

Трансфераза

Fe

Cu, Cr, Mn

Определяют почвенное плодородие и здоровье ферменты, такие как пероксидазы, нитрогеназы, нитратредуктазы и др. Азотный режим почвы, доступность элементов питания, способность почвы к детоксикации различных поллютантов – основная роль ферментов в почвенном покрове. Почва – своеобразный склад ферментов. Оказывая косвенное воздействие, тяжёлые металлы способны переводить питательные вещества в недоступное состояние, в «голодную среду».

Тяжёлые металлы опасны слабым выведением из почвы. Включение в метаболические циклы ведет к различным физиологическим и генетическим нарушениям [7].

Тяжёлые металлы способны отравлять организм человека и механически засорять его, оседая на стенках тончайших систем организма – почечных каналов, каналов печени. Фильтрационная способность организма снижается. Биоты почвы обезвреживают многие патогены и токсиканты, увеличивая самоочищающую способность почвы.

Заключение

Одной из важных характеристик химического состава почв является реакция её среды – кислотность почвы. В среднем рН исследуемых почв близок к нейтральному значению 6,81–7,78. В составе обменных катионов определены ионы кальция и магния с преобладанием ионов кальция. В процессе работы в почвах выявлено превышение допустимого остаточного содержания ионов Mn, Mo, Pb, V, Zr, Co, Cr, Cu. Загрязнение почв тяжёлыми металлами – достаточно специфичное явление с далеко не всегда предсказуемыми последствиями.

В данном исследовании сделан акцент на предприятиях только одного административного округа города. По государственному контракту с Министерством природных ресурсов и экологии Омской области в городе проводится обследование почв на содержание тяжёлых металлов. Данные о содержании тяжёлых металлов в почве являются собственностью Министерства природных ресурсов и экологии Омской области. По результатам анализа загрязнения почв выявляются участки территории города, где есть превышение ПДК по содержанию тяжёлых металлов. Предприятиям выдаются рекомендации по устранению загрязнений. Результаты анализа почв также передаются в управление Росприроднадзора по Омской области.