Исследование загрязнения почвы и продуктов растениеводства тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

Факультет почвоведения, агрохимии и экологии

Кафедра экологии

Реферат

Исследование загрязнения почвы и продуктов растениеводства тяжелыми металлами

Выполнил: Плантова М.В.

Проверил: Раскатов В.А.

Москва 2014

Содержание

Ведение

1. Понятие тяжелых металлов

2. Использование нетрадиционных органических удобрений

3. Локализация тяжелых металлов в растительную продукцию

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Применение минеральных удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур является объективной необходимостью. Однако, их использование оказывает негативное воздействие на окружающую среду и в первую очередь на почву, загрязняя ее тяжелыми металлами. Внесение органических удобрений позволяет существенно улучшить физико-химические свойства почвы, повысить ее плодородие. В связи с дефицитом навоза особый интерес представляет использование отходов производства в качестве нетрадиционного удобрения.

Компосты из бытовых отходов содержат большое количество органических веществ и других элементов питания, необходимых растениям. Большое значение в применении органических удобрений имеют отходы деревоперерабатывающих предприятий и целлюлозно-бумажных комбинатов. На свалках и отстойниках скапливаются миллионы тонн древесной коры и бумагоотходов, при разложении которых образуются токсические для живых организмов соединения. Поэтому проблема вторичного использования таких органических отходов приобрела не только хозяйственное, но и экологическое значение. Существо происходящих качественных изменений в подходах к решению экологических проблем состоит в том, что в развитых странах мира развитие экологической деятельности и систем экологического менеджмента и аудита зарекомендовало себя как один из весьма перспективных, качественно новых подходов к решению проблемы экологической безопасности.

Цель курсовой работы: исследовании загрязнения почвы и продуктов растениеводства тяжелыми металлами (ТМ) при использовании нетрадиционных органических удобрений.

Основными задачами является:

1. Исследование загрязнения ТМ почвы при использовании нетрадиционных органических удобрений.

2. Исследование загрязнения ТМ продуктов растениеводства при использовании нетрадиционных органических удобрений.

1. Понятие тяжелые металлы

металл органический удобрение почва

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия.

В связи с этим количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам.

По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах.

Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

3. Токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм.

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

2. Использование нетрадиционных органических удобрений

Одной из основных задач современной агроэкологии является разработка стратегий реабилитации почв, загрязненных различными токсическими веществами. Тяжелые металлы (ТМ) являются приоритетными загрязнителями агроэкосистем, испытавших на себе применение различных промышленных отходов, использовавшихся в качестве нетрадиционных удобрений и мелиорантов.

Разработка подобных стратегий должна основываться на глубоком знании химических, физико-химических и биологических процессов, протекающих в почвах, подвергшихся загрязнению. Металлы-токсиканты, поступая в почву с осадками сточных вод (ОСВ), вступают в различные реакции, адсорбируются почвенными коллоидами, образуют труднорастворимые соединения со свободными анионами, инкорпорируются окклюдирующими полуторными окислами железа и марганца, поглощаются микроорганизмами и растениями. Большая часть тяжелых металлов ОСВ закрепляется в верхнем гумусовом горизонте почв, но в гумидном климате при промывном режиме почв определенная их доля выносится в нижележащие горизонты, аккумулируясь в иллювиальном, а в элювиальных почвах может выноситься за пределы почвенного профиля в грунтовые воды. Одной из мер предупреждения выноса ТМ в грунтовые воды и снижения их доступности для растений является применение мелиорантов, образующих с поллютантами труднорастворимые соединения. Чаще всего для этого используются известковые материалы. Следует отметить, что мелиоранты, применяемые для подобных мероприятий, не должны быть сами загрязнены тяжелыми металлами. Увеличение содержания органического вещества в пахотном горизонте также может снижать биодоступность ТМ. Поэтому применение на малогумусных загрязненных почвах такого экологически чистого природного сорбента, как торф может рассматриваться как перспективный прием. Вопросы применения торфа с целью мелиорации почв изучены недостаточно: не установлена продолжительность его действия, эффективность связывания с ним ТМ, влияния на их внутрипочвенную миграцию.

Осадки сточных вод - неотъемлемая часть функционирования очистных сооружений городов. Применение ОСВ в сельском хозяйстве осуществляется во всех странах. С целью снижения содержания в них ТМ перспективным может считаться прием разбавления осадков торфом. При этом механически снижается концентрация ТМ в ОСВ, повышается содержание органического вещества в получаемой смеси.

По ориентировочным данным в РФ ежегодно образуется около 2,5 млн. т сухого вещества ОСВ, для удобрительных целей применяется не более 4-6 % общего их количества. Использование осадков в качестве удобрения сдерживается из-за неразработанности технологий, нехватки оборудования, отсутствия обоснованных рекомендаций по их использованию в сельском производстве, а также экономического механизма передачи переработанного осадка потребителям.

Города и крупные промышленные объекты России имеют очистные сооружения, где бытовые и промышленные стоки проходят очистку от твердых примесей. Получаемый осадок сточных вод может содержать большое количество органического вещества, азота, фосфора, калия, что делает возможным его применение в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. Так, ОСВ г. Самары содержат 40-60 % органического вещества, 1 1,36 % общего азота, 0,2-1,23 % общего фосфора, 0,3-0,38 % общего калия, имеют слабощелочную реакцию среды (рН 7,0-7,5) при 50-85 % влажности.

В связи с тем, что осадки сточных вод используются хозяйствами в виде эффективного органического удобрения, следует обратить внимание на качественный состав органического вещества. Органическое вещество ОСВ включает в себя микробные клетки и продукты их разложения, целлюлозу, хитин, гуминоподобные вещества, лигнин, химические соединения идущие с канализационным стоком (белки, полисахариды, жирные кислоты, масла, нефтепродукты и отходы органического синтеза); соединения, образующиеся в процессе обработки и хранения сточных вод (фталовые сложные эфиры, воска и смолы, полиспирты и полисахара, аминокислоты, бензоидные структуры). Все это обуславливает как повышение микробиологической активности почвы при внесении ОСВ, так и ее токсикоз.

Таким образом, производимые в России осадки городских сточных вод отличаются физико-химическими свойствами и микроэлементным составом, обусловленным видом промышленности и соотношением в общем объеме стоков бытовой и промышленной их частей, а также применяемыми на очистных сооружениях технологическими схемами очистки сточных вод и обезвоживания жидких стоков. При этом использование неорганических и органических реагентов для разделения твердой и жидкой фаз ОСВ ведет к снижению концентрации в них как биогенных макроэлементов азота, фосфора и калия, так и группы микроэлементов, в том числе ТМ. Однако если уменьшение концентрации в осадках NPK снижает их качество как удобрения, то снижение концентрации тяжелых металлов повышает уровень безопасности при утилизации ОСВ в качестве удобрения, расширяя ареал их применения в сельском хозяйстве.

Все виды отходов имеют высокий энерговещественный потенциал и могут рассматриваться в качестве постоянно возобновляемых ресурсов для получения различных видов продукции.

Одним из главных достоинств удобрений, приготовленных на основе крупнотоннажных отходов или некоторых видов сырья, является наличие в их составе большого количества органических веществ. Они часто сходны с почвенным гумусом и содержат гуминовые (или гуминоподобные) вещества, которые не только являются источниками элементов минерального питания для растений, а также хорошо связывают катионы и анионы, повышают буферную способность почв благодаря высокому содержанию и большому набору функциональных групп.

3. Локация ТМ в растительную продукцию

Достаточно большую роль в поступлении токсикантов в растительную продукцию по мнению Л.П. Овцова (2000) играют протекторные функции почвы. Почвы характеризуются такой интегральной оценкой их свойств как потенциальная буферная способность по отношению к загрязняющим веществам. Потенциальная буферная способность к изучаемым элементам характеризует способность почв поддерживать на постоянном уровне концентрацию данного элемента.

Растения поглощают ТМ из почвенного раствора. Таким образом, поступление токсикантов в растения на почвах, имеющих высокую буферность по отношению к металлам, незначительно даже при высоком загрязнении почв.

Накопление поллютантов в растениях зависит не только от буферных способностей почв, но и от толерантности самих растений, то есть их способности переводить соединения металлов в физиологически неактивное состояние.

Диапазон толерантности растений имеет видовую принадлежность и зависит от токсичности металла. Например, злаки более толерантны, чем бобовые культуры. В опытах с пшеницей и бобами конскими, выращенными на кварцевом песке, чтобы исключить инактивацию некоторого количества тяжелых металлов, которое обычно наблюдается в почвах и более полно выявить защитные возможности растений, установлено, что Zn, Pb и Cd оказывают неодинаковое воздействие на злаки и бобовые. Так, Zn угнетал бобовые во всем диапазоне изученных концентраций (0-600 мг/кг песка) сильнее, чем пшеницу. Свинец напротив, начиная с дозы 400 мг, сильнее угнетал пшеницу. При повышении дозы Cd у пшеницы сокращались размеры растений и их органы, уменьшалась биомасса. У бобов конских в пределах доз 1-10 мг/кг Cd рост не подавлялся, а при более высоких дозах происходило угнетение растений. Специфическая особенность бобовых культур - высокое содержание кальция, которому отводится важная экологическая роль в снижении токсичности ряда ТМ.

Растения, произрастающие в условиях избытка химических элементов, в том числе и тяжелых металлов в зависимости от характера их накопления и распределения разделяют на 3 группы: накопители, исключители и индикаторы. Накопители отличаются повышенным содержанием металла в растительных органах независимо от его концентрации в почве. По мнению А.П. Виноградова (1982), такие виды обладают генетически закрепленной потребностью поглощать большое количество поллютантов. У исключителей поступление токсикантов в надземную массу задерживается и остается на низком уровне в широком диапазоне концентраций этих элементов во внешней среде. И только при содержании выше критического уровня начинается неограниченное поступление загрязнителей в растение - когда его защитные механизмы нарушаются. У индикаторов поглощение и транспорт ТМ в надземную часть пропорциональны их концентрации в почве.

Возможно приоритетными факторами, снижающими содержание ТМ в растениях, являются защитные механизмы, которые формируются в культурах, произрастающих в условиях нарушения химического баланса в окружающей среде. Эти механизмы вырабатываются не только в ходе онтогенеза, но и филогенеза. Данные явления способны полноценно проявиться только в процессе последовательных вегетаций, то есть у многолетних растений.

Методы оценки подвижности форм ТМ в почве.

В случае комплексного загрязнения почв тяжелыми металлами необходимо использовать какой-либо критерий для оценки потенциальной опасности загрязнения. Большинство литературных данных показывает, что наиболее чувствительным показателем состояния поллютантов является содержание в почве подвижных форм их соединений, так как именно эти формы являются наиболее опасными, попадая в первую очередь в растения и организм человека.

В тоже время имеется достаточное количество сведений, показывающих, что содержание подвижных форм соединений тяжелых металлов в почвах - одно из наиболее лабильных свойств почв, значительно варьирующее как во времени, так и в пространстве даже в пределах небольшого участка территории.

Под подвижностью мы понимаем способность элементов передвигаться в почве, которая зависит от прочности связи их соединений с твердой фазой почвы, от состояния соединений элементов в почвенном растворе, физико-химических свойств металлов и многих других факторов.

Существует много методов оценки подвижности ТМ в почвах. Наиболее простым способом определения содержания подвижных форм микроэлементов является извлечение их из почв различными химическими экстрагентами. Для извлечения подвижных форм поллютантов используются разнообразные химические соединения, обладающие неодинаковой экстрагирующей силой.

В последние два десятилетия появилось много работ по изучению различных форм связей ТМ и их подвижности на основе метода последовательных вытяжек. Этот метод позволяет фракционировать почву и тем самым получать количественные характеристики различной степени подвижности ТМ в ней. Кроме того, этот метод позволяет связывать поведение поллютантов в почве с ее характеристиками и тем самым прогнозировать распределение и подвижность ТМ. Так например, Л.К. Садовниковой предложен метод изучения соединений цинка разной подвижности с помощью экстракции почв хлористо-водородной кислотой (многократные последовательные вытяжки из почвы). Этот метод позволяет изучить подвижность соединений цинка в фоновых и загрязненных почвах. Это имеет большое значение в случае внесения в почву осадков сточных вод.

Для идентификации форм нахождения ТМ в почвах используют метод рационального (вещественного) химического анализа и метод механического разделения пробы (Ягодин, 1977). При рациональном химическом анализе используют селективную растворимость отдельных форм соединений в различных реагентах. Метод механического разделения пробы основан на разделении образца на фракции (компоненты) с последующим определением в них тяжелых металлов. Данный метод позволяет дифференцировать образец на групповые ассоциации элементов: ил и тонкая пыль представлены главным образом глинистыми минералами, крупные фракции состоят в основном из первичных минералов. Комплексный подход к определению форм микроэлементов с использованием рационального химического анализа и метода механического разделения пробы осуществлен в исследованиях.

В основу классификации идентифицируемых при помощи аналитических методов форм ТМ могут быть положены различные свойства: тип связи, иммобилизация теми или иными компонентами почвы, способность к извлечению определенным экстрагентом, подвижность элемента.

Заключение

Осадки сточных вод - неотъемлемая часть функционирования очистных сооружений городов. Применение ОСВ в сельском хозяйстве осуществляется во всех странах. С целью снижения содержания в них ТМ перспективным может считаться прием разбавления осадков торфом. При этом механически снижается концентрация ТМ в ОСВ, повышается содержание органического вещества в получаемой смеси.

При внесении в почву ОСВ и компостов загрязнение выше ПДК наблюдается только на самых высоких дозах (60, 120 т/га). Этот уровень загрязнения не оказал негативного влияния на биологическую активность почвы. Биологическая активность почвы и численность тест-культуры -азотобактера определялась содержанием органического вещества удобрений.

При правильной технологии применения, ОСВ существенно повышают продуктивность культурных растений. При систематическом их применении в высоких дозах они по сравнению с торфо-компостами повышают содержание ТМ в почве.

Список используемой литературы

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях./ JL: Агропромиздат, 1987, 137 с.

2. Андронова JI.A. Эколого-агрохимическая оценка применения осадков сточных вод и компостов на основе коры и лигнина при выращивании сельскохозяйственных растений на дерново-подзолистой почве.// Автореф. дис. канд. б.н., М., 2002, 25 с.

3. Бокова М.И., Ратников А.Н. Биологические особенности растений и почвенные условия, определяющие переход тяжелых металлов в растения натехногенно-загрязненной территории.// Химия в сельском хоз-ве, 1995, №5, с. 15-17.

4. Виноградов Л. П. Основные закономерности в распределении микроэлементов между растением и средой.// Микроэлементы в жизни растений и животных., М.: изд-во АН СССР, 1982, с. 7-20

5. Евдокимова Г.А. Микробиологическая активность почв при загрязнении тяжелыми металлами.// Почвоведение, 1983, №6

6. Просянникова О.И., Анохин В.С. Тяжелые металлы в почве и урожае.// Агрохимический вестник, 1999, N 4,

7. Ягодин Б.А., Собачкина Л.Н. Методы определения различных форм микроэлементов в почвах.// Почвоведение, 1997

Размещено на Allbest.ru