Моделирование процессов миграции и аккумуляции подвижных форм тяжелых металлов в природных компонентах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Моделирование процессов миграции и аккумуляции подвижных форм тяжелых металлов в природных компонентах

Зверева Ж.А.

Ефремов И.В.

Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами. К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц.

Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелых металлов" во многом совпадает с понятием "микроэлементы". Отсюда свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами.

Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). антропогенный природный гумусовый водный

Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду -- тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Вследствие несовершенства технологических процессов и средств очистки выбрасываемых газов загрязняются атмосфера, почвенный и растительный покровы.

Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений.

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать.

Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях "пищевой цепи". Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках.

Ртуть, свинец, кадмий входят в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН.

Одним из постоянно действующих факторов миграции и круговорота веществ в природе являются атмосферные осадки, в которых растворяется значительная часть газообразных веществ и аэрозольных элементов. Средняя годовая минерализация атмосферных осадков составляет от 5-10 до 30-60 мг/л. Из атмосферы ТМ на 70-90 % удаляются за счет соударения и захвата каплей и на 10-30 % - за счет образования капли на ядрах конденсации. Главный фактор, определяющий содержание ТМ в почвах, - почвообразующая порода. Существует тесная связь между содержанием ТМ в почве и составом почвообразующих пород, который зависит от их гранулометрического состава и миграционной способности элементов.

Аккумуляция ТМ почвами агроландшафтов зависит от многих факторов, как природного, так и техногенного характера. Основные из них: характер почвообразующих пород, климат, растительность, рельеф местности, особенности расположения техногенных источников ТМ региона, тип водного режима почв, метеорологические условия и др. Основными почвенно-экологическими факторами, определяющими подвижность и миграционную способность ТМ, являются: содержание гумуса, кислотность почв, гранулометрический и минералогический состав, плотность почвы, окислительно-восстановительные условия, макро- и микроэлементный состав.

ТМ содержатся в почвах в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы представлены в основном сульфатами, нитратами, хлоридами и органическими комплексными соединениями, которые составляют 99 % от общего количества растворимых форм. Ионы ТМ могут являться частью кристаллической решетки минералов. Цинк в большинстве случаев представлен в почве в виде изоморфных соединений в слюдах, обманках и других минералах. Кадмий собственных минералов не образует, но может присутствовать в них в виде примесей, кроме того, он практически не связывается гумусовыми веществами почв. Из почвы основная масса химических соединений, в том числе и ТМ, мигрирует в растения. Проведенные многочисленные исследования доказывают, что между химическим составом растений и элементами, присутствующими в среде, существует тесная связь. Но растения способны выборочно накапливать элементы, поэтому между валовым содержанием ТМ в почве и содержанием их в растениях строгой зависимости не существует. Существенное влияние на миграцию ТМ в растения оказывает наличие техногенных источников загрязнения агроландшафтов. ТМ способны мигрировать из почвы не только в растения, но и в грунтовые воды, а также с поверхностным стоком с загрязненных территорий попадать непосредственно в водные объекты. В водных системах ТМ включаются в существующие миграционные циклы. Они распространяются и накапливаются во всех компонентах водной системы: воде, взвеси, донных отложениях, живых организмах. Это приводит к нарушению взаимосвязей в водных экосистемах, изменяется их структура, и возникают техногенные геохимические аномалии.

Атмосфера

Рисунок 1 - Трансформация и миграция соединений ТМ в почвах

Таким образом, ТМ, поступившие в пределы агроландшафтов водных бассейнов, способны оказать негативное влияние на все его компоненты: почву, воды внутрипочвенные и поверхностные, биоту (рисунок 1) в результате их перемещения и трансформации, включения в миграционные циклы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорбируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается, и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО2 в результате деятельности микроорганизмов. Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Таким образом, ТМ представляют серьезную опасность для окружающей среды. Исследования, проводимые в этой области, будут представлять несомненный интерес для многих отраслей науки, а их результаты помогут уменьшить давление «металлического пресса» на биосферу, а значит, будут способствовать решению проблемы загрязнения ТМ окружающей среды. ТМ, поступившие в пределы агроландшафтов водных бассейнов, способны оказать негативное влияние на все его компоненты: почву, воды внутрипочвенные и поверхностные, биоту в результате их перемещения и трансформации, включения в миграционные циклы.

Список литературы

1 Болотов, В.П. Распределение тяжелых металлов в донных отложениях в зависимости от гранулометрических фракций / В.П. Болотов, В.В.Новиков// Актуальные проблемы экологии и природопользования. Секция «Экологический мониторинг»: сб. науч. тр. -- М.: РУДН, 2012. - Ч.2, Вып.14. - С. 46-53.

2 Бреховских, В.Ф. Биота в процессах массоперенса в водных объектах/ В.Ф. Бреховских, В.Д. Казмирук, Г.Н. Вишневская. - М.: Наука, 2008. - 315 с.

3 Мажайский, Ю.А. Агроэкология техногенно загрязненных ландшафтов. - Смоленск: Маджента, 2003. - 384 с.

4 Филенко, О.Ф. Механизмы реагирования водных организмов на действие токсических веществ / О.Ф. Филенко, А.Г. Дмитриева, Е.Ф. Исакова, В.И. Ипатова, В.Ю. Прохоцкая, Т. А. Самойлова, A.B. Черномор дина // Антропогенные влияния на водные экосистемы: Сб. стат. Под редакцией д.б.н. О.Ф. Филенко - М.: Т-во научных изданий КМК, 2005. - С. 70-93.

Размещено на Allbest.ru