Файл: Биогеохимические циклы элементов или так называемый биогеохимический круговорот есть способ существования и основа функционирования биосферы.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.11.2023
Просмотров: 12
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Оглавление 2
Введение 3-4
Глава 1. Источники поступления микроэлементов в лесные
ландшафты лесов РФ
1.1 Природные источники поступления микроэлементов в лесные
ландшафты лесов РФ 4-8
1.2 Техногенные источники поступления микроэлементов в лесные
ландшафты лесов РФ 8-11
Глава 2. Микроэлементы в почвах ландшафтов лесов РФ
2.1 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов
РФ незагрязненных территорий 12-15
2.2 Микроэлементы в почвах ландшафтов бореальных лесов
загрязненных территорий 15-18
Заключение 18-19
Список литературы 20
Введение
Биогеохимические циклы элементов или так называемый биогеохимический круговорот есть способ существования и основа функционирования биосферы. Он определяет миграции всех природных химических элементов между биосферой и окружающей средой (литосферой, гидросферой, атмосферой) и использование их для жизненных процессов, поэтому все известные природные химические элементы в той или иной степени слагают биосферу Земли. Значительное число элементов, концентрации которых ничтожно малы (
Все химические элементы (без исключения) присутствуют в живом веществе. Все химические элементы (без исключения) обладают биологической ролью. Деятельность человека чрезвычайно быстро и кардинально нарушила многие природные процессы, в значительной мере изменяя сложившиеся представления о роли тех или иных элементов в структурно-функциональной организации биосферы.
Известно, что живое вещество биосферы Земли состоит главным образом из четырех химических элементов: C, O, H, N. Кроме того, живые организмы в заметных количествах аккумулируют K, P,Ca, Mg, S, Na, Cl, в биокосных компонентах (почвах, донных отложениях и др.) концентрируются Si, Al, Fe, Mn, некоторые другие (не более 10-15) элементы. Остальные природные элементы содержатся в живом веществе и компонентах экосистем в очень незначительных концентрациях. Большинство микроэлементов находится в биосфере в состоянии рассеяния. Это состояние индуцируется жизнедеятельностью организмов не только из-за низких концентраций большинства элементов в сопредельных с биосферой средах, но и главным образом благодаря их особой роли в биосферных процессах.
Следовательно, рассеянные элементы - это химические элементы, находящиеся в биосфере в особой форме - состоянии рассеяния, отличающиеся крайне незначительными концентрациями (
Актуальность: леса занимают огромную площадь на территории РФ. Леса - важнейший производитель органического вещества и кислорода, стабилизатор климата, безальтернативное условие существование российского этноса, данный нам возобновимый природный ресурс. Начиная с ХХ века техногенное воздействие на бореальные леса сильно возрастало. Оно обусловило значительные потоки рассеянных элементов из атмосферы в лесные экосистемы и включение их в природные биогеохимические циклы.
Цель работы: изучить факторы, влияющие на поступление, распределение, миграцию микроэлементов в почве и растительности бореальных лесов РФ
Объект: Почвенные и лесные ландшафты бореальных лесов РФ
Задачи:
1) Изучить источники поступления микроэлементов в почве и растительности лесов РФ
2) Изучить миграцию и распределение микроэлементов лесов РФ
3) Изучить содержание и распределение микроэлементов лесов РФ
Глава 1. Источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты бореальных лесов РФ
1.1 Природные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты лесов РФ
Основным, чаще всего единственным, источником минеральных веществ для растений служит почва. Генетически контролируемые потребности растения определяют линию его поведения: при дефиците элементов питания усиливается растворяющая деятельность корней или с их помощью осваивается новый объем почвы, при избытке - задерживается поступление питательных веществ.
В целом растения легко поглощают формы микроэлементов, растворенные в почвенных растворах, как ионные, так и хелаты и комплексы. Основные черты поглощения можно суммировать следующим образом:
1) поглощение обычно происходит при очень низких содержаниях в растворах,
2) поглощение сильно зависит от концентрации в растворе, особенно при низком ее уровне,
3) скорость его сильно зависит от концентрации Н+ и других,
4) интенсивность меняется в зависимости от вида растений и стадии развития,
5) процессы поглощения чувствительны к таким свойствам почвенной среды, как температура, аэрация, окислительно-восстановительный потенциал,
6) поглощение может быть избирательным по отношению к определенным ионам, 7) накопление некоторых ионов может происходить в направлении, противоположном градиенту их концентраций в почве,
8) в круговороте элемента между корнями и внешней средой важную роль играет микориза.
Питательные вещества из почвы в корни поступают преимущественно в форме ионов, присутствующих или в растворе, или адсорбированных частицами. Поглощение ионов осуществляет главным образом молодая (растущая) часть корней. Имеется несколько путей, обеспечивающих постоянство контактирования корней с элементами питания. Во-первых, это достигается благодаря активному поиску необходимых ионов самим растением - увеличению длины корней и освоению новой толщи почвы. Так осуществляется перехват элементов питания. Во-вторых, ионы поступают в корни с массовым потоком, возникающим в почве в результате транспирации воды растениями. В-третьих, ионы передвигаются из почвы в сторону корней диффузионно по градиенту концентрации.
Долевое участие каждого из перечисленных путей доставки ионов к корням в зависимости от обстоятельств, по-видимому, может существенно меняться. Если почвенный раствор беден элементами питания, что бывает часто, роль двух других механизмов доставки возрастает. Происходит обмен ионами между клетками эпидермиса и частицами почвы. Обмен может происходить или непосредственно между поверхностями клетки и частицы (перескок адсорбированных ионов), или в результате перехода ионов в почвенный раствор. Обменным фондом у корней служат ионы Н+ и, образующиеся при диссоциации углекислоты - конечного продукта в процессе дыхания.
Транспорт ионов питательных веществ в растении начинается после того, как они попадут в оболочку эпидермальных клеток. Частично ионы поглощаются клетками корня, чтобы обеспечить процесс метаболизма, основное же количество перемещается в надземные органы.
В клетках корня, в частности, осуществляется синтез многих органических соединений, для чего привлекаются поступающие из почвы ионы всех элементов - биофилов. Синтезированные вещества используются в самом корне, а также транспортируются (например, аминокислоты) в надземные органы.
Метаболические потребности в элементах питания в корне удовлетворяются за счет ионов свободного пространства, обменно адсорбированных клеточными оболочками (катионы) или мигрирующих с восходящим током влаги (анионы, катионы). Чтобы попасть из свободного пространства в клетку, ионам необходимо преодолеть плазмалемму - мембрану, обладающую избирательными свойствами. Благодаря этим свойствам приоритет в перемещении получают элементы-биофилы. Транспорт ионов в клетку становится возможным благодаря возникновению на плазмалемме электрохимического потенциала. Потенциал обычно отрицательный генерируется разницей в концентрации и величине заряда ионов на внутренней и внешней сторонах мембраны. Катионы, Na+, Ca2+, Mg2+, и другие, кроме K+) втекают в клетку пассивно (без затраты метаболической энергии), анионы, H2P, Cl-, и др.) накачиваются в нее активно (с затратой энергии). Поступившие в клетки корня ионы могут перемещаться по симпласту диффузно по градиенту концентрации, возникающему вследствие метаболических процессов. Если в клетке ощущается избыток ионов, он активно перекачивается тонопластом в вакуоль.
По ксилеме из корня в надземные органы к местам свершения основных жизненных функций перебрасывается большая часть ионов. При радиальном, от эпидермальных клеток до трахеальных элементов ксилемы, движении в ионном потоке происходят существенные преобразования. Дело в том, что, попав в анопласт и направляясь к ксилеме, химические элементы встречают так называемый поясок Каспари. Он состоит из одного слоя клеток, в оболочке которых имеется субериновая перемычка. Перемычка перекрывает ионам дальнейший путь по анопласту, направляя их в симпласт. Это означает, что легкая миграция всех ионов по свободному пространству должна смениться их избирательным поглощением клеточными мембранами. В ксилему таким образом будут попадать преимущественно физиологически важные химические элементы и в пропорциях, более благоприятных для процессов метаболизма. Иными словами, балластные и избыточные ионы будут задерживаться корнями. Однако возможности корней в этом отношении не беспредельны и при повышении содержания ионов какого-либо химического элемента в среде их излишнее поступление в ксилему становится все более вероятным.
Наглядной иллюстрацией транспорта ионов в корне моет служить схема, составленная М.Ф. Даниловой [1974]. В ней показаны не только наиболее вероятные пути перемещения ионов, но и названы механизмы, обеспечивающие перемещение.
Попав в ксилему, ионы частично адсорбционно задерживаются ее клеточными оболочками (это относится к катионам), частично расходуются на поддержание жизнедеятельности тканей стебля, основной же поток направляется в листья. В ксилемном соке поднимающиеся к листьям химические элементы находятся в различных формах. Калий и натрий передвигаются исключительно в ионной форме, сера - в виде сульфата, фосфор - в виде фосфорилхлорина.
В листьях ионам вновь предстоит переход из апопласта в симпласт и, как следствие, - очередное избирательное поглощение химических элементов на этот раз фотосинтезирующими клетками. Избыточные и балластные ионы в этом случае остаются в свободном пространстве тканей листьев. Часть их все же в состоянии преодолеть плазмалемму, однако в цитоплазме ионы не накапливаются в большом количестве: клетки листьев все время регулируют их концентрацию, активно перекачивая лишнее в вакуоль. Более того, возможен сброс избыточных ионов во флоэму, и тогда они вместе с ассимилятами поступают в корни, а из них или выделяются в среду, или начинают вновь движение в надземные органы.
В случае, когда концентрация ионов в листьях не вызывает негативных явлений, растительный организм переходит в репродуктивную фазу своего развития - формирования плодов и семян. Это влечет за собой передислокацию некоторых химических элементов: отток их (N, P, K, S) в плоды и семена или, напротив, накопление (Ca, Fe, Mn, Zn, B) в стебле и старых листьях. При этом, однако, избыточные ионы, присутствующие в вегетативных органах, в репродуктивные не поступают.
В среде с высокой концентрацией любого химического элемента его избыточное поступление в растения неизбежно. Избыток ионов или транспортируется в отдаленные от метаболических центров зоны (например, перекачивается в вакуоль), или включается в состав труднорастворимых веществ. Основное назначение этих процессов - обеспечит благоприятное для деятельности клетки содержание ионов.
Поглощенные химические элементы распределяются в организме растения неравномерно, что обусловлено физиологической ролью каждого из них, спецификой биохимических процессов в различных частях растения, концентрацией ионов в питательной среде.
При обильном содержании элементов - биофилов в среде в их распределении по органам растений отмечается характерная закономерность: наиболее насыщен элементами корень, наименее - репродуктивный орган (орган запасания ассимиляторов). Листья и стебель занимают промежуточное положение. Это явление можно объяснить наличием у растений защитного механизма неспецифической природы, эффективно работающего в условиях повышенных концентраций и защищающего основные метаболические центры от избытка ионов.
1.2 Техногенные источники поступления микроэлементов в лесные ландшафты лесов
Вокруг индустриальных предприятий (горнометаллургические, горнодобывающие, нефтеперегонные), крупных городов, дорожных магистралей, в устьях реки по берегам морей и океанов возникают техногенные аномалии рассеянных элементов. Они могут быть разделены на литохимические (почвы, породы, строения), гидрогеохимические (воды), атмогеохимические (атмосфера), биогеохимические (организмы). Совокупность техногенных аномалий загрязнения вызывают нарушения и разрушения природных и искусственных экосистем, заболевания человека, поскольку концентрации многие рассеянные элементы в экосистемах отдельных регионов приближаются к токсичному уровню.
Техногенную миграцию определяют две группы процессов. Первая группа унаследована от биосферы: биологический круговорот, круговорот воды, рассеяние элементов в результате импульверизации, вулканических извержений и др. Вторая группа находится в резком противоречии с природными условиями. Это металлическое состояние некоторых элементов (Fe, Ni, Cr, Cu, V и др.), не соответствующее физико-химическим условиям земной коры, производство химических соединений, отсутствующих в биосфере, производство атомной энергии, радиоактивных изотопов, сверхчистых веществ.
Загрязнение атмосферы происходит как в результате природных процессов (эоловая пыль, вулканические извержения, испарение с поверхности воды, транспирация растениями и др.), так и антропогенной деятельности (сжигание горючих ископаемых, выплавка металлов, использование удобрений и ядохимикатов сельском хозяйстве и др.)
Основные источники техногенных загрязнений почв рассеянными элементами: а) теплоэлектростанции (сжигание ископаемого топлива и золоотвалы); б) металлургические комбинаты по добыче и переработке руд тяжелых металлов; в) автомобильный транспорт; г) минеральные удобрения и химические средства защиты от вредителей и болезней в сельском хозяйстве.
Главными характеристиками загрязнения атмосферы рассеянными элементами являются следующие:
1) промышленные выбросы в атмосферу, рассеивающиеся на значительных территориях и переносящие на значительные расстояния. Размеры зоны рассеяния определяются концентрацией твердых частиц в выбросах и высотой заводских труб;
2) биоаккумуляция в организмах (прежде всего в растениях) без видимых повреждений;
3) воздействие на живые ткани путем нарушения метаболических процессов;
4) устойчивость к детоксикации при метаболизме, следствием чего является вхождение рассеянных элементов в пищевые цепи.
Реальность загрязнения биосферы соединениями рассеянных элементов обусловлена прежде всего их устойчивостью во внешней среде, растворимостью в атмосферных осадках, способностью к сорбции почвой, зелеными насаждениями, донными отложениями, что в совокупности и приводит к постепенному накоплению в среде обитания человека. Согласно прогнозам и оценкам в будущем рассеянные элементы могут стать более опасными загрязнителями, чем отходы атомных электростанций и органические вещества, и выйти на первое место или, в крайнем случае, разделить его с пестицидами.
К тяжелым металлам относятся свыше 59 химических элементов с относительной плотностью 5 г/см3. Техногенное воздействие, существенно изменившее природные биогеохимические циклы, повсеместно сопровождается полиэлементной химизацией (металлизацией) в цепи: источники выбросов (выбросы, отходы, стоки)> транспортирующие (атмосфера, гидросфера) и депонирующие (почва, донные отложения) среды> экосистемы> организмы.
Многочисленные данные свидетельствуют о формировании техногенных биогеохимических провинций, загрязненных тяжелыми металлами, вокруг предприятий по их добыче и переработке при высокотемпературных технологических процессах (металлургии, обжиге цементного сырья и др.), однако значительно больше металлов поступает в биосферу с выбросами от теплоэнергетических установок (прежде всего, сжигание углей). Эти предприятия обусловливают общепланетарный процесс обогащения биосферы тяжелыми металлами.
В связи с ростом экологических исследований большое значение получили классификации элементов по степени токсичности, прежде всего приоритетных загрязнителей. В 1973 г. К приоритетным загрязнителям относились свинец, кадмий и ртуть, в 1980 г. К ним были добавлены медь, олово, ванадий, хром, молибден, марганец, кобальт, никель, сурьма, мышьяк, и селен.
Загрязнение растений рассеянными элементами происходит при техногенном воздействии за счет поверхностного загрязнения, а также фолиарного и почвенного поглощения. При длительном воздушном загрязнении оценка поступления рассеянных элементов в растения осложняется аддитивным влиянием большого и постоянно увеличивающегося запаса этих элементов в корнеобитаемом слое почвы. При избытке многих рассеянных элементов в почвах могут появляться признаки угнетения растений. На загрязненных территориях накопление рассеянных элементов в растениях зависит от запасов доступных соединений и защитных возможностей растительного организма.
Загрязнение растений рассеянными элементами делится на внешнее (оседание на поверхности надземных органов) и внутреннее (поступление в ткани главным образом через корни).
В условиях воздушного загрязнения значительное ускорение нисходящего перемещения рассеянных элементов может происходить благодаря их фолиарному поглощению, перераспределению по растению и поступлению на различную глубину в составе корневых выделений и корневого опада.
В бореальных лесах представлены растения двух типов стратегий питания:
1) поглощающие элементы питания из почв - древесные растения, кустарнички, травянистые;
2) поглощающие элементы питания из атмосферы - мохообразные и лишайники. Благодаря функционированию мохообразных и лишайников атмосфера как источник питания используется всем лесным сообществом, поскольку при разложении опада этих растений элементы питания, поглощаемые из атмосферы, становятся доступными для растений, поглощающих элементы питания из почвы. Элементы, вымываемые из полога древесных растений, используются растениями с атмосферной стратегией питания. Особую роль в питании растений с корневой стратегией питания играют органогенные горизонты, способные аккумулировать и длительное время сохранять наиболее доступные для растений соединения элементов.
Таким образом, поступающие из почвы в корень ионы для продвижения в надземные органы вынуждены переходить из-за наличия в эндодерме заградительного пояска Каспари из анопласта в симпласт. При этом начинает действовать механизм избирательного поглощения: приоритет при переходе отдается физиологически важным химическим элементам. В случае повышенного содержания химического элемента в среде поясок Каспари является барьером для дальнейшего транспорта избыточных ионов, а коровая ткань служит их вместилищем.
Ионы, транспортируемые по ксилеме, прежде чем попасть в клетку листа, вновь подвергаются на цитоплазматической мембране качественно-количественному контролю: к центрам метаболической деятельности пропускаются прежде всего жизненно необходимые и по возможности в требуемом количестве. Избыточные ионы в клетке переводятся в вакуоль.
Благодаря довольно полной разобщенности флоэмного и ксилемного тока веществ наиболее тщательно генотипические пропорции химических элементов поддерживаются в репродуктивных органах (органах запасания ассимилятов), что, вероятно, является эволюционным приспособлением для защиты проростка-гетеротрофа от излишних минеральных компонентов и косвенным способом передачи информации о видовых особенностях элементного химического состава.
Глава 2. Микроэлементы в почвах ландшафтов лесов
2.1 Микроэлементы в почвах ландшафтов лесов РФ незагрязненных территорий
Источник тяжелых металлов в почвах незагрязненных территорий - горные породы, на продуктах выветривания, которых сформировался почвенный покров. Тяжелые металлы относятся преимущественно к рассеянным химическим элементам, содержащимся в горных породах в небольшом количестве.
При выветривании коренных горных пород тяжелые металлы в значительной части сохраняются в рыхлых образованиях, изменив форму и место присутствия. Главными носителями тяжелых металлов становятся вторичные минералы, гидрооксиды и оксиды полуторных элементов, а формами присутствия: водорастворимая, обменная, окклюдированная R2O2, в кристаллической решетке вторичных минералов (изоморфное замещение) и в их межплоскостном пространстве, в первичных минералах.
Почвообразующие породы разного гранулометрического состава содержат заметно различающиеся количества тяжелых металлов: небольшое - песчаные и супесчаные, значительное - суглинистые и глинистые. Основная причина - несхожесть минералогического состава пород. В песках преобладает кварц, почти лишенный тяжелых металлов, тогда как в суглинках и глинах велика доля глинных минералов, богатых тяжелыми металлами.
При почвообразовании происходит некоторое перемещение тяжелых металлов в профиле почвы. Наблюдается биогенная аккумуляция ряда физиологически важных для растительности элементов - Mn, Zn, отчасти Cu. В почвах с элювиально-иллювиальным профилем (дерново-подзолистые, серые лесные, солоди, солонцы и др.) элювиальный горизонт обедняется тяжелыми металлами, тогда как иллювиальный обогащается. Нередко фиксируются небольшие аккумуляции тяжелых металлов в верхней части карбонатного горизонта. В депонировании тяжелых металлов в верхнем слое почв принимают участие глинистые минералы и гумусовое вещество.
В илистых частицах содержание тяжелых металлов в 2-4 раза больше, чем в почвенной массе в целом. Такое обогащение едва ли можно рассматривать только как результат процесса почвообразования. Дело в том, что по количеству многих тяжелых металлов ил, выделенный из материнской породы, почти не отличается от ила из гумусового горизонта почв, которые сформировались на этой породе. Иными словами, аккумуляция тяжелых металлов в тонкой гранулометрической фракции произошла раньше, чем началось современное почвообразование. Гумус по отношению к тяжелым металлам обладает высокой депонирующей способностью: помимо обменного поглощения гумусовые кислоты могут образовывать с тяжелыми металлами комплексные органоминеральные соединения. Будучи закомплексованными они становятся малоподвижными.
Важную роль в накоплении тяжелых металлов играют комплексы глинных минералов с органическим веществом и гидрооксидами Fe и Al. Однако наиболее насыщенной тяжелыми металлами является тяжелая фракция (удельная масса> 2,75) грубодисперсной части почвообразующих пород и почв. Эта фракция, состоящая в основном из роговой обманки, ильменита, эпидота, циркона, тремолита, содержит тяжелых металлов в несколько раз больше, чем илистая. Но так как доля тяжелых минералов в субстрате невелика (0,5-5%), они не могут оказать существенного влияния на баланс металлов.
К основным носителям тяжелых металлов в незагрязненных почвах следует отнести оксиды железа. В них может сосредотачиваться, например цинка, до 25% от общего содержания металла в почве.
Изучение содержания тяжелых металлов в незагрязненных почвах имеет большое практическое значение. Оно необходимо для контроля за состоянием окружающей среды, охраны ее от загрязнения. Так называемое фоновое количество тяжелых металлов служит точкой отсчета при исследовании загрязненных почв, позволяет определить темпы и степень загрязнения.
Подвижная форма тяжелых металлов распределяется в профиле почв неравномерно. Ее повышенное количество чаще всего свойственно гумусовому горизонту. Некоторое накопление возможно также в иллювиальном и карбонатном горизонтах. Каждому из перечисленных факторов можно дать объяснение: а) значительная часть тяжелых металлов, освобождающихся при разложении растительных остатков, депонируется в гумусе, сохраняя при этом мобильность,
б) в иллювиальном горизонте накапливаются мигрирующие из вышележащего слоя почвы тонкодисперсные частицы, насыщенность которых тяжелыми металлами всегда более высокая, в) резкое повышение рН среды в профиле почвы на контакте с карбонатным горизонтом, отчего мигрирующие с нисходящим током влаги металлосодержащие соединения могут выпадать в осадок и образовывать небольшие местные аккумуляции.
В почвах над геохимическими аномалиями тяжелые металлы могут содержаться в количестве, сопоставимом с тем, какое наблюдается в техногенно сильнозагрязненных почвах, или даже превосходить его. Аномалии чаще приурочены к горным территориям и проявляются в местном почвенном покрове на сравнительно небольших площадях. В аномалии имеются центры с наибольшей концентрацией тяжелых металлов и периферические части с постепенным понижением их количества.
2.2 Микроэлементы в почвах ландшафтов лесов загрязненных территорий
Имеется несколько основных источников поступления тяжелых металлов в незагрязненные почвы: карьеры и шахты при добыче полиметаллических руд; металлургические предприятия; электростанции, сжигающие уголь; автотранспорт; химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Доля каждого из них в загрязнении почв меняется в зависимости от конкретных обстоятельств, и все е наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной и особенно цветной металлургии. Исключение составляет свинец, который в окружающую среду в большом количестве поступает также от автотранспорта.
Почвы могут быть отнесены к загрязненным, если: 1) уровень первичной продуктивности снижается по сравнению с «нормой», 2) в органах и тканях растительных организмов с корневой стратегией питания накапливаются соединения элементов в количествах, нарушающих жизненные функции, 3) в почвенной биоте не сохраняется средообразуюший генофонд, поддерживающий устойчивость почвы как биокосного тела.
При длительном поступлении тяжелых металлов из основных источников загрязнения может накопиться значительное их количество, сопоставимое с содержанием в естественных геохимических аномалиях или даже превосходящее его. Особенно большое количество тяжелых металлов накапливается в почвах, которые развиваются на обогащенной металлами материнской породе и дополнительно загрязняются техногенным путем.
Очень мощным источником загрязнения почв могут стать паводковые воды рек, пересекающих индустриальные районы. Также нельзя игнорировать как источник тяжелых металлов цементную пыль. Разумеется, атмосферные выбросы цементных заводов экологически и социально опасны прежде всего наличием в них силикатной пыли.
Накопление тяжелых металлов техногенного происхождения в приповерхностном слое почвы объясняется тем, что основная их часть поступает в форме труднорастворимых или нерастворимых соединений. По данным Р.И. Первуниной и С.Г. Малахова [1988], в составе пыли, выбрасываемой в атмосферу предприятием по выплавке свинца и цинка, преобладают оксиды металлов (свыше 50 %). На долю водорастворимой формы Zn и Cd приходится 6-7 %, водорастворимый Pb отсутствует.
При выходе в атмосферу начинается сепарация твердого содержания выбросов: более крупные и тяжелые частицы оседают близко от источника загрязнения, тогда как более легкие и мелкие переносятся дальше. Разделение частиц по размеру и удельной массе, например, по насыщенности тяжелыми металлами и по растворимости. Попавшие на земную поверхность металлосодержащие частицы перераспределяются между элементами рельефа, особенно весной во время таяния снега, обогащенного за зимний период техногенной пылью.
Для практических целей представляет большой интерес распределение тяжелых металлов по почвенному покрову загрязненной территории. Многочисленными исследователями было установлено, что загрязнение почв промышленными предприятиями прослеживается на значительном удалении от источника металлосодержащих выбросов - на расстоянии 10-12 км, иногда более. Размеры зоны сильного загрязнения определяются как концентрацией твердых частиц в выбросах, так и высотой заводских труб. Высокие трубы способствуют рассеиванию на большее расстояние и на единицу площади поступает меньшее количество металлов. Зона сильного загрязнения может простираться от источника загрязнения на расстояние 1-5 км.
Особо следует отметить реакцию снеговой воды, которая в окрестностях металлургического комбината отчетливо щелочная, тогда как в зоне воздействия цинкоплавильного комбината - слегка кислая, близкая к фоновой. Различия в реакции обусловлены неодинаковым составом атмосферных выбросов. Поскольку в условиях щелочной среды тяжелые металлы Zn, Pb, Ni, Cd и т.д. характеризуются малой подвижностью, в зоне загрязнения металлургическим комбинатом их нисходящая миграция ограничена и, что особенно важно, уменьшено поступление в растения.
Попавшие в почву тяжелые металлы, прежде всего их мобильная форма, претерпевают различные трансформации. Один из основных процессов, влияющих на их судьбу в почве - закрепление гумусовым веществом. Закрепление осуществляется в результате образования тяжелыми металлами солей с органическими кислотами, адсорбции ионов на поверхности на поверхности органических коллоидных систем или закомплексовывания их гумусовыми кислотами. Миграционные возможности тяжелых металлов при этом в основном понижаются.
Постоянное присутствие в почве соединений тяжелых металлов, способных к миграции с током почвенной влаги, может стать с течением времени причиной загрязнения водоемов и почв в пониженных элементах рельефа, т.е. образования
Данные свидетельствую о том, что группа приоритетных тяжелых металлов - Cd, Pb, Zn, Ni - обладает значительной подвижностью в кислой среде и становится инертной при изменении реакции среды в сторону подщелачивания. Далее следует отметить, что такой сильный токсикант, как ртуть, способен при наличии условий для окисления мигрировать в широком диапазоне рН. Сравнительно большей подвижностью в почве может обладать стронций, будучи представленным солями угольной и серной кислот. Малоподвижным элементом в большинстве природных условий является хром.
Концентрированию в верхнем горизонте почвы тяжелых металлов, поступающих от ТЭЦ и металлургических предприятий, способствует подщелачивание среды за счет ингредиентов, которые присутствуют в выбросах. В щелочной среде большинство тяжелых металлов становится малоподвижным.
Стабильность комплексов гуминовых кислот с тяжелыми металлами также повышается с возрастанием в определенных пределах рН. В частности, это свойственно комплексным соединениям, в которых присутствуют такие приоритетные загрязнители, как Hg, Cd, Zn.
Для почв бореальной зоны в целом концентрации и формы тяжелых металлов определяются главным образом составом и свойствами почвообразующих пород, и генезисом почв. Это связано с тем, что средняя плотность населения в этой зоне весьма незначительна. Оно сконцентрировано преимущественно в европейской части страны в крупных городах и промышленных центрах.
Поступающие в почву из природных и антропогенных источников первичные соединения тяжелых металлов являются термодинамически неустойчивыми, поскольку почвенные условия существенно отличаются от условий их формирования. В результате все эти соединения с той или иной скоростью трансформируются в более устойчивые формы.
Важнейшим этапом трансформации соединений тяжелых металлов в почвах является переход металлов из твердой фазы в жидкую. В силу термодинамической неустойчивости первичных соединений тяжелых металлов эта стадия трансформации в большинстве случаев является необратимой. Далее свободные тяжелые металлы в почвенном растворе вступают в обратимые взаимодействия с неорганическими и органическими компонентами почвенного раствора за счет процессов гидролиза, гидратации и ассоциации (комплексообразования).
Особенности нахождения тяжелых металлов в бореальных почвах обусловлены характером почвообразовательного процесса и появлением компонентов, присущих только почвам: специфическому и неспецифическому органическому веществу, а также некоторым минеральным и органоминеральным соединениям, образующимся в результате деятельности живых организмов. Последние играют чрезвычайно важную роль в трансформации соединений тяжелых металлов в почвах.
Заключение
Таким образом, к заслуживающим внимания сведениям необходимо отнести следующие: валовое содержание тяжелых металлов в незагрязненных почвах обладает большой вариабельностью, что делает малопригодным использование глобального и даже регионального кларков в практических целях; основные носители (накопители) тяжелых металлов в почве - тонкодисперсные минеральные частицы, гумус, отчасти оксиды железа и марганца; одновременное присутствие в почву нескольких форм тяжелых металлов, различающихся своей подвижностью и доступностью для растений; содержание в почве подвижной формы тяжелых металлов динамично в течение вегетации; универсального экстрагента, пригодного для извлечения доступной для растений формы всех тяжелых металлов.
Главным источником техногенных загрязнений почв являются металлургические предприятия, рудники по добыче полиметаллов, теплоэлектростанции, автомобильный транспорт. Загрязнение моет охватывать площади в сотни квадратных километров и более. Наибольшему загрязнению подвергаются почвы в радиусе 2-5 км от металлургических предприятий, в радиусе 1-2 км от рудников и ТЭЦ, в полосе 0-50 (100) м от автомагистралей.
Источником сильного загрязнения почвы могут стать осадки сточных вод промышленных городов, обычно содержащие большое количество тяжелых металлов.
Список литературы
-
Алхименко Р.В. Мониторинг состояния пахотных почв в Западном и Центральном территориальных округах Красноярского края. Достижения науки и техники АПК. 2017; 31(6): С. 11–14. -
Аристархов А., Лунев М., Павлихина А. Эколого-агрохимическая оценка состояния пахотных почв России по содержанию в них подвижных форм тяжелых металлов. Международный сельскохозяйственный журнал. 2016; 6: 42–47. -
Байдина Н.Л. Статус ртути в фоновых и техногенных почвах Объ–Иртышского междуречья. Сибирский экологический журнал. 2001; 2: 175–179. -
Безносиков В.А., Ладынин Е.Д., Низовцев А.Н. Пространственное и профильное распределение ртути в почвах естественных ландшафтов. Вестник Санкт-Петербургского университета. 2013; 3(1): 94–101. -
Белек А.Н., Соловьева В.М., Ондар Д.С. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах пашни республики Тыва. Агрохимический вестник. 2016; 5: 20–22. -
Бугаев С.В. Геохимическое районирование пахотных почв по содержанию тяжелых металлов. Достижения науки и техники АПК. 2015; 29(3): 28–32.