Галогены в природных объектах юга Западной Сибири

Таким образом, с позиций экологической ценности кормов концентрация F в растениях не вызывает опасений даже при мелиорации солонцов ФГ. Насыщенность пшеницы и овса йодом ниже, чем кормов, и для обеих культур она немного превосходит нижнюю пороговую концентрацию. Количество Cl в пшенице совпало с данными других исследователей. Из-за отсутствия гигиенического норматива дать экологическую оценку содержанию хлора в растениях не представляется возможным.

Таблица 9. Свойства почв и содержание йода в растениях, выросших на этих почвах (Барабинская равнина, Новосибирская область)

Примечание. 1 - чернозем обыкновенный; 2 - чернозем солонцеватый; 3 - лугово-черноземная почвы; 4 - солонец. КН - коэффициент накопления.

Антагонизм галогенов как один из видов взаимодействия между химическими элементами играет важную роль в жизни растений. В естественных условиях практически не встречается чистого засоления почв одним из галогенов, а взаимодействию одноименно заряженных ионов присущ антагонизм [Удовенко, 1977].

В литературе F не рассматривается как серьезный конкурент Cl при поступлении в растения, так как большинство фторидов слаборастворимы и находятся в почве в связанном состоянии. Хлоридам же свойственно ионное состояние ввиду их высокой растворимости, большой подвижности и склонности к окислению и восстановлению. Число молекул воды в первичной гидратной оболочке галогенов в водном растворе равно 4 для F и по одной - для Cl, Br и I. [Кларксон,1978]. Роль же диаметра гидратированного иона влияет на скорость поступления каждого отдельного иона. Все это препятствует F в конкуренции с Cl

Антагонизму между Cl и I способствует сходство таких параметров, как близость подвижности ионов, сольватированность одной молекулой воды, но с учетом огромного различия в их концентрациях в почвах (I меньше на порядки) можно говорить о неконкурентности I по отношению к Cl.

Напротив, Br - явный конкурент Cl. Опытным путем установлено, что на поглощение Cl корнями ячменя не влияет присутствие F и I, но отмечено влияние Br [Эпштейн,1956]. Позднее было показано ингибирование транспорта хлора бромом и брома хлором [Новак,1987]. Однако то, что возможно в модельных опытах, в реальных условиях, если учитывать превышение содержания Cl над Br, может произойти только в почвах, очень богатых Br.

Антагонизм существует и между Br и I при поступлении в растения. Предварительная обработка корней Br ограничивает поступление I до 75 %, а в обратной последовательности - до 64 % [Портянко,1980]. Но в естественных условиях по причине низкого содержания Br и I в почве внимание антагонизму не уделяется. Хотя в почвах пониженных элементов рельефа, где концентрации Br и I заметно повышаются, на это стоит обратить внимание.

Отмечаемый рядом авторов антагонизм фтора и йода при поступлении в растения показан и в наших исследованиях [Конарбаева, 2006].

Очевидно, что на приоритетное поглощение растениями аниона определенного галогена влияет не только уровень содержания его подвижных форм в почве, но и химический состав в целом почвенного субстрата. Так, повышенное содержание Ca может тормозить поступление F и Cl за счет образования CaF₂ и безводной CaCl₂, растворимость которой соответственно в 2 и 3 раза ниже, чем CaBr₂ и CaI₂. В условиях кислой реакции почв, когда интенсивность миграции Br и I доминирует над аккумуляцией, приток их к корневой системе будет ослаблен, в то время как в щелочных условиях он значительно усилится.

Изучение антагонизма галогенов при поступлении в растения на юге Западной Сибири не проводилось, и оно требует детальных исследований.

7. Экологическая обстановка по галогенам на юге Западной Сибири

Проведенные исследования галогенов в природных объектах (почвах, водах и растениях) позволяют охарактеризовать ситуацию по этим элементам на изученной территории. Неоднородная природная обстановка на юге Западной Сибири предполагает, что её влияние на галогены не может быть одинаковым. В малогумусных и легких по гранулометрическому составу почвах элювиальных ландшафтов обнаружено более низкое содержание галогенов в сравнении с почвами аккумулятивных ландшафтов. Заметное влияние на аккумуляцию этих элементов оказывает засоленность значительной части Обь-Иртышского междуречья. Гривный рельеф Барабинской низменности и северной части Кулундинской равнины благоприятствует выносу галогенов с повышенных структур и накоплению их в понижениях, где найдены самые значительные концентрации элементов.

Согласно нашим результатам (рис. 6), валовое содержание F в зональных почвах находится в пределах допустимого уровня (до 500 мг/кг), в интразональных ситуация другая: в солонцах примерно 500, в солончаках - до 1000 мг/кг. С точки зрения экологии больший интерес представляют подвижные формы, в частности водорастворимая как самая мобильная. Её концентрации в автоморфных почвах варьируют в пределах 0,8-7,5 (ПДК -10 мг/кг), в солонцах - 3,6-10, в солончаках - 16,0 мг/кг.

В связи с участием почв в формировании речного стока мы проанализировали ситуацию по F в водах. В природных водах региона наиболее часто встречаются концентрации фтора 0,3-0,7 мг/л (ПДК 1,5 мг/л). Наибольшие опасения вызывает проблема загрязнения грунтовых вод F вследствие его возможной миграции при мелиорации солонцов фосфогипсом. Однако склонность F к комплексообразованию, его высокая химическая активность и при этом относительно слабая подвижность в сумме с низкой фильтрующей способностью и тяжелым гранулометрическим составом солонцов препятствуют загрязнению грунтовых вод. Полученные цифры свидетельствуют о дефиците F в водах юга Западной Сибири, что косвенно подтверждается распространением здесь кариеса. Мелиорация солонцов не приводит к накоплению F в растительности.

Рис. 6. Валовое содержание фтора в почвах различных природных районов юга Западной Сибири

Итак, почвы и растения юга Западной Сибири по содержанию F можно считать экологически относительно благополучными, в водах отмечается его недостаток.

Оценить экологическую ситуацию по брому в природных объектах ввиду отсутствия гигиенических нормативов (исключение - питьевая вода) сложно, поэтому наши исследования дают общее представление о содержании элемента в различных районах юга Западной Сибири (рис.7).

Рис. 7. Валовое содержание брома в почвах различных природных районов юга Западной Западной Сибири

Сравнив наши цифры с имеющимся фактическим материалом по другим регионам, мы заключили, что количество Br близко к уровню в почвах европейской части России. Концентрация брома в водах Кулундинской и Барабинской равнин соответствует нормативу (0,2 мг/л), в водах других геоморфологических структурах она ниже норматива. И только в озерах и подземных водах она приближается к норме - 0,15-0,18 мг/л.

Существующие критерии по йоду позволяют оценить экологическую ситуацию на юге Западной Сибири. В автоморфных почвах, исключая черноземы, валовое количество йода менее 5 мг/кг, что ниже оптимума, составляющего, по В.В. Ковальскому [1972], 5-40 мг/кг. В черноземах концентрация йода соответствует 5мг/кг. К почвам с экологически достаточным уровнем валового содержания I относятся полугидроморфные и гидроморфные почвы.

В зональных почвах, за исключением черноземов, наблюдается явный дефицит водорастворимой формы йода. Оптимальные его концентрации свойственны интразональным почвам.

Рис. 8. Валовое содержание йода в почвах различных природных районов юга Западной Сибири

Обнаружено, что содержание йода в растениях (0,07-0,26 мг/кг) в основном близко к нижнему экологически допустимому пределу (по В. В. Ковальскому). Иногда этот предел превышен, что наводит на мысль об участии в питании растений и других подвижных форм I, помимо водорастворимого йода, поэтому мы предлагаем определять солерастворимую форму. Вообще, низкая концентрация I в растениях и возможные потери, связанные с его летучестью, косвенно подтверждают широко распространенные случаи заболевания щитовидной железы и указывают на необходимость дополнительного включения элемента в рацион питания человека. Учитывая более высокую насыщенность вод Барабы и Кулунды йодом, можно предположить здесь менее выраженный его дефицит. На остальной части юга Западной Сибири, особенно на Васюганской равнине, преобладает йодная недостаточность.

Насыщенность хлором почв и природных вод Барабы и Кулунды значительно выше остальных геоморфологических структур. Уровень содержания Cl в растениях находится в пределах нормы.

Основные выводы

1. Уровень концентраций галогенов в автоморфных почвах юга Западной Сибири заметно ниже, чем в полугидроморфных и гидроморфных. Распределение галогенов в профиле почв характеризуется рядом особенностей. В верхнем гумусированном горизонте автоморфных почв, независимо от их типа, накопления фтора не обнаружено, что обусловлено слабой его сорбцией органическим веществом и ограниченностью возможных между ними реакций. Содержание фтора возрастает от верхних горизонтов к почвообразующей породе, потенциально являющейся его источником, концентрации брома и йода, напротив, в этом направлении снижаются по аналогии с содержанием гумуса - основного их концентратора, а содержание хлора довольно монотонное по всему почвенному профилю, что обусловлено высокой растворимостью его солей. В полугидроморфных и гидроморфных почвах максимальное содержание галогенов приурочено к иллювиальному горизонту и зоне скопления легкорастворимых солей.

2. В процессе почвообразования происходит перераспределение галогенов в почвенной толще и осаждение их подвижных форм на геохимических барьерах: F- на кальциевом, хлора, брома и йода - на испарительном. Выявлены биогенная аккумуляция и закрепление брома и йода в органическом веществе почвы. Уровень концентраций подвижных форм галогенов определяется их валовым содержанием, количеством гумуса, ила, карбонатов, а также водным режимом и степенью растворимости солей галогенов.

3. Приоритетным механизмом взаимодействия галогенов с почвами является сорбция, обусловленная обогащенностью почв глинистыми минералами, аморфными оксидами и гидроксидами Al и Fe. Имеют место активный ионный обмен между FЇ и OH^Ї , галоидирование органических соединений гумуса с образованием в ряде случаев прочной связи, изоморфное замещение хлора на бром и обратно, внедрение галогенов в дефекты кристаллической решетки минералов. Реакции комплексообразования способствуют связыванию фтора в комплексные анионы, а обмена - к образованию труднорастворимых соединений и снижению его негативного влияния на окружающую среду. Склонность йода к реакциям окисления-восстановления способствует образованию в кислой среде свободного йода, что приводит к его потерям и обеднению им почв.

4. В природных водах не отмечены случаи превышения ПДК по содержанию фтора. Наиболее часто встречаются концентрации фтора ниже 1 мг/л. Обеспеченность бромом и йодом природных вод Барабинской и Кулундинской равнин соответствует гигиеническому нормативу. В водах других геоморфологических структур наблюдается их дефицит.

5. В растениях концентрации фтора находятся в пределах нормы, хлора - на уровне средних данных (норматив отсутствует), а содержание йода - оптимальное.

6. Неоднородность почв юга Западной Сибири по физико-химическим свойствам, повышающими либо понижающими подвижность галогенов и их способность переходить в природные воды и усваиваться растениями, является причиной различных концентраций галогенов в природных объектах. Результаты исследований позволили выделить районы, как с избыточным, так и с недостаточным поступлением галогенов в пищевую цепь.

галоген почва вода экологический

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Галогены в почвах юга Западной Сибири. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. - 200 с.

Авторские свидетельства и научные статьи

2. Способ фотометрического определения фтора: Авт. свид. №1670600, приоритет от 4.05.1987 (соавтор А.И. Парфенов).

3. Способ определения фтора в солонцах: Авт. свид. №1762231, приоритет от 20.04. 1988.

4. Фтор в корковых солонцах Западной Сибири и изменение его содержания при внесении фосфогипса // Почвоведение. - 1997. - № 9. - С.1096-1100.

5. Минеральные формы фторидов в солонцах и прочность их связи с почвой // Сиб. экол. журн. - 1998. - № 6. - С. 613-617.

6. К вопросу о контроле качества воды //Техника и технология очистки и контроля качества воды: Труды Междунар. научн.-техн. конф.- Томск,1999. - С.122-125

7. Бром в почвах юга Западной Сибири // Агрохимия. - 2001. - № 3. - С. 75-81.

8. Йод в основных типах почв юга Западной Сибири // Сиб. экол. журн. - 2001. - № 3. - С. 343-348.

9. Содержание и распределение водорастворимого брома в почвах юга Западной Сибири // Агрохимия. - 2001. - № 9. - С. 60-65.

10. Поглощение почвами брома и йода // Агрохимия. - 2001. - № 12. - С. 68-73.

11. Поглощение антропогенного фтора солонцами юга Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. - 2001. - № 9. - С. 227-234 (соавт. Ю.В. Ермолов).

12. Бром и йод в природных водах юга Западной Сибири // География и природные ресурсы. - 2002. - № 1. - С. 51-54.

13. Содержание и особенности распределения брома и йода в основных типах почв Обь-Иртышского междуречья // Агрохимия. - 2002. - № 10. - С. 52-57 .

14. Валовое содержание брома в почвах пониженных элементов рельефа на юге Западной Сибири // Агрохимия. - 2002. - № 11. - С. 65-69.

15. Бром и йод в почвах и природных водах юга Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. - 2004. - № 12. - С. 181-192.

16. Валовое содержание и распределение йода в профиле некоторых почв Западной Сибири // Агрохимия. - 2003. - № 8. - С. 74-81.

17. К вопросу о целесообразности извлечения йода из почв нейтральным солевым раствором // Агрохимия. - 2005. - № 4. - С. 67-72 (соавт. Ю.В. Ермолов)

18. К биогеохимии йода в южной части Обь-Иртышского междуречья // Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири: Материалы III Всерос. научн. конф. - Томск: Изд-во ТГУ, 2005. - С. 128-130.

19. К вопросу о подвижной форме фтора в почвенной катене //Актуальные проблемы геохимической экологии: Материалы V Междунар. биогеохим. школы. - Семипалатинск. - 2005. - С. 130-132.

20. Йод в растениях Барабинской равнины //Агрохимия. - 2006. - № 2.- С.38-43.

21. Фоновое содержание фтора в наземной части пшеницы на территории Барабинской равнины // Агрохимия. - 2006. - № 3. - С. 60-64.

22. Фтор и йод в растениях // Агрохимия. - 2006. - №10. - С. 85-93.

23. Йод в почвах катены на территории Барабинской равнины //Антропогенная динамика природной среды: Материалы Междунар. науч.-практ. конф.-Пермь, 2006. - С. 193-199.

24. О некоторых вопросах биогеохимии на юге Западной Сибири //Сиб. экол. журн. - 2007. - № 5. - С. 753-761 (соавторы В.Б. Ильин, А.И. Сысо, Ю.В. Ермолов).

Размещено на Allbest.ru