Антропогенное загрязнение почв

Россия имеет высокую обеспеченность земельными ресурсами. В России на 1 человека приходится около 12 га территории, в том числе 1,3 га сельскохозяйственных угодий, из них 0,8 га пашни. В то время как в среднем по миру на 1 человека приходится 0,24 га пашни.

В РФ земли, используемые в различных хозяйственных целях, находятся в неудовлетворительном состоянии. Это – следствие нерационального природопользования (включая сельскохозяйственное), значительного сокращения работ по охране почв и земельных ресурсов. Развитие процессов деградации обусловлено действием естественных (климатические, гидрогеологические, морфодинамические, фито- и зоогенные) и антропогенных факторов (нерациональное ведение богарного и орошаемого земледелия, чрезмерный выпас скота, уничтожение почвенно-растительного покрова промышленным, коммунальным и ирригационным строительством, горные разработки, технологические и аварийные промышленные выбросы в атмосферу, сброс сточных и дренажных вод и т.л.).

В РФ четверть сельскохозяйственных угодий (в том числе около 30% пашни) подвержены процессам эрозии и дефляции; засолено около 5% пахотных земель, процессам опустынивания подвержено от 50 до 100 млн га. Фактически повсеместно увеличивается площадь земель, нарушенных в результате добычи полезных ископаемых, строительства, загрязненных токсикантами (ТМ, пестицидами, нефтью и нефтепродуктами) и других причин антропогенного характера.

Загрязнение почв ТМ.

Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают ТМ. Проблема ТМ в современных условиях производства – глобальная, поэтому необходимы соответствующие меры по предотвращению загрязнения окружающей среды. Важность понимания проблемы загрязнения продукции ТМ определяется тем, что с/х культуры и животные находятся на высоком уровне в пищевой цепи и используются как продукты питания человека. Это приводит к накоплению ТМ вдоль пищевой цепи, к тяжелым заболеваниям человека и животных.

К ТМ относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5г/см³.

По воздействию на живые организмы металлы делят на физиологически необходимыеиимеющиепреимущественнотоксикологическое значение.

Биологически необходимые металлы выполняют свою физиологическую функцию при оптимальных концентрациях в организме. Их недостаток или отсутствие и избыток вызывают заболевания и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ. В избыточном количестве ТМ вызывают нарушения биохимических процессов обмена веществ, подавляя или активируя деятельность многих ферментов. К жизненно важным для растений микроэлементам относятся бор, кобальт, медь, железо, марганец, молибден, кремний, цинк; к металлам, необходимым в питании животных и человека – кобальт, медь, железо, йод, марганец, молибден, никель, кремний, ванадий, цинк. Микроэлементы участвуют в таких важнейших биохимических процессах, как дыхание (железо, медь, цинк, марганец, кобальт), фотосинтез (марганец, медь), синтез белков (марганец, кобальт, медь, никель, хром), кроветворение (железо, кобальт, медь, марганец, никель, цинк), белковый, углеводородный и жировой обмен веществ (молибден, ванадий, кобальт, марганец, цинк, вольфрам), синтез гумуса (медь), фиксация и ассимиляция некоторых питательных веществ (например, азота, серы).

По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более 10 элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, хром, мышьяк, олово, цинк, молибден, кобальт, никель. Они проявляют сильно выраженные токсические свойства при самых низких концентрациях. К наиболее токсичным из таких металлов относят ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, цинк (1 класс опасности).

Они не являются ни жизненно необходимыми, ни благотворно влияющими на рост и развитие растений, но даже в малых дозах приводят к нарушению нормальных метаболических функций организма.

В агроландшафтах наиболее распространены цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром.

В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы особый интерес и важное практическое значение имеет, с одной стороны, познание механизмов и закономерностей поведения и распределения ТМ в окружающей среде, с другой, тот факт, что свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию. ТМ вызывают сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии, обладают эмбрионотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия, проявляющимся в наследственных заболеваниях, умственных расстройствах и т.д.

В агроландшафты ТМ поступают из атмосферы (мокрое и сухое осаждение), с поверхностным стоком, с агрохимикатами и пестицидами, в результате эксплуатации с/х техники и т.д. Тяжелые металлы представляют опасность для человека, природных и сельскохозяйственных экосистем. Опасность, вызываемая загрязнением ТМ, усугубляется еще и слабым выведением их из почвы, Так, период полураспада ТМ колеблется в зависимости от вида элемента и почвенно-климатических условий и составляет: Zn – 70-150 лет; Cd – 13-1100; Cu- 310-1500; Pb – 740-5900.

ТМ претерпевают в почве химические превращения (рис. 9.7), в ходе которых их токсичность изменяется в очень широких пределах. Наибольшую опасность представляют подвижные формы ТМ, т.е. наиболее доступные для живых организмов. Подвижность ТМ существенно зависит от почвенно-экологических факторов (содержание органического вещества, кислотность почвы, окислительно-восстановительные условия, плотность почвы и др.).

Степень загрязнения почв ТМ зависит от физико-химических свойств почв, в частности от рН. В нейтральных и щелочных почвах подвижность металлов меньше, они мигрируют слабее, чем в кислых. Скорость самоочищения почв от поступающих элементов весьма низка. Металлы связываются с органическим продуктами микробной деятельности и мигрируют в органно-минеральной форме. На миграцию и аккумуляцию элементов оказывают влияние и почвообитающие животные. Например, термиты в некоторых пустынных районах Средней Азии накапливают в своих телах более двух десятков химических элементов. Такая особенность может быть использована в целях биоиндикации.

В РФ более 1 млн га почв сельскохозяйственных угодий загрязнено особо токсичными (1 класс опасности) и около 2,3 млн га – токсичными (2 класс опасности) элементами. По данным агрохимических обследований, на территории РФ выявлены сотни тысяч гектаров пахотных земель, загрязненных ТМ, на которых необходимо проводить специальные мероприятия, предотвращающие загрязнение растительной продукции токсикантами.

Мероприятия по очистке почв, загрязненных ТМделятся на профилактические и реабилитационные.

Профилактические приемыоснованы на оптимизации технологии производства, создании замкнутых технологических циклов, а также в проведении контроля за отходами промышленного производства, вносимых в почву в качестве мелиорантов и удобрений.

Реабилитационные приемы применяются для ликвидации уже загрязненных почв и являются мерами по санации почв (приведению к снижению токсичного воздействия ТМ или снижению содержания ТМ до фонового уровня).

Методы санации: очистка и детоксикация.

Очистка – совокупность приемов и методов, направленных на создание в почвах, подверженных загрязнению, условий, приводящих к снижению концентрации ТМ или уменьшающих содержание до фонового уровня. Проводится путем промывок, извлечения ТМ из почвы посредством растений (фитомелиорация), удаление загрязненного слоя почвы и др.

Детоксикация – совокупность приемов и методов, приводящих к ослаблению или полному отсутствию токсического действия ТМ, а также направленных на создание в почвах условий, способствующих самоочищению. Проводится с помощью агромелиоративных приемов (глубокая вспашка, рыхление, щелевание и др.), внесения органических и минеральных удобрений, сорбент-мелиорантов, композиционных смесей, а также микроорганизмов, переводящих ТМ в недоступные для растений формы.

Содержание ТМ существенно снижается в овощах и картофеле за счет их кулинарной обработки. В результате очистки, промывки, снятия кожуры, протирки и бланшировки содержание свинца и ртуть снижается на 50% в овощах и на 80-85% в картофеле, а кадмия – на 20%. Однако при удалении кожуры с клубней в них остается еще значительная часть ТМ.

Загрязнение диоксинами. Среди токсикантов антропогенного происхождения, загрязняющих экосистемы (в том числе и почвы), огромную опасность представляют диоксины.

Диоксины - обобщенное название большой группы полихлордибензопарадиоксинов (ПХДЦ), полихлордибензодифуранов (ПХДФ) и полихлордибифенилов (ПХДФ). В семейство диоксинов входят сотни хлорорганических, броморганических и смешанных хлорброморганических циклических эфиров, из которых 17 наиболее токсичны. Диоксины - твердые бесцветные кристаллические вещества, химически инертные и термически стабильные (разлагаются при нагревании выше 750 ^oС).

Основные источники диоксинов: химическая и целлюлозно-бумажная промышленность; автомобильный транспорт, мусоросжигательные заводы.

Общая токсичность диоксинов составляет 3,1·10^-9 моль/кг, в то время как для яда кураре она равна 7,2·10^-7, стрихнина – 1,5·10^-6, цианистого натрия – 3,1·10^-4, для диизопропилфторфосфата (боевого отравляющего вещества) – 1,6·10^-5 моль/кг. Лишь минимальные летальные дозы ядов, вырабатываемых возбудителями ботулизма и дифтерии (3,3·10^-17 и 4,2·10^-12), превышают токсичность диоксинов.

Диоксины влияют почти на все системы и органы человека (политропное воздействие на организм). Комплексный характер действия этой группы соединений на человека и живые организмы приводит к подавлению иммунитета, поражению внутренних органов и истощению организма. Следует добавить, что диоксиновая интоксикация вызывает усиление поражающего или повреждающего организм воздействия радиации, нитратов, ионов ТМ, особенно кадмия, свинца, ртути.

Полихлорированные соединения из-за их высокой устойчивости нельзя нейтрализовать, если ими загрязнена окружающая среда или они оказались в организме.

В организм человека диоксины попадают в основном с продуктами питания животного происхождения. Опасные концентрации диоксинов обнаруживаются в мясе, рыбе и молочных продуктах. При этом диоксины в большей степени накапливаются в коровьем молоке. Источником диоксинов являются также клубне- и корнеплоды, т.к. основная часть диоксинов накапливается в корневых системах растений.

Обеззараживать почвы от диоксинов исключительно трудно. Пока что можно говорить лишь о снижении опасности, которую они представляют. В первую очередь необходимо совершенствовать технологии на производствах, являющихся источниками токсиканта, жестко соблюдать нормы содержания его в различных объектах (воде, почве), разрабатывать технологии, разрушающие препарат. Возможные меры по снижению токсичности уже загрязненных территорий – удаление и разложение диоксинов путем термической обработки с помощью инфракрасного нагрева, методом электрического пиролиза, ультрафиолетового фотолиза и др.

Загрязнение пестицидами и агрохимикатами.

Пестициды – это химические или биологические препараты, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорными растениями, вредителями хранящейся сельскохозяйственной продукции, бытовыми вредителями и внешними паразитами животных, а также для регулирования роста растений, предуборочного удаления листьев (дефолианты), предуборочного подсушивания растений (десиканты).

Агрохимикаты - удобрения химического или биологического происхождения, химические мелиоранты, кормовые добавки, предназначенные для питания растений, регулирования плодородия почв и подкормки животных.

Применяются пестициды и агрохимикаты главным образом в сельском хозяйстве, хотя их используют также для защиты запасов продовольствия, древесины и других природных продуктов. Во многих странах с помощью пестицидов ведётся химическая борьба с вредителями лесов, а также переносчиками заболеваний человека и домашних животных.

Загрязнение почв пестицидами возможно при прямом внесении, а также сносом препаратов с растений при авиаобработке участков полей и лесных угодий.

Наиболее загрязненными пестицидами районами в РФ являются Краснодарский край и Ростовская область (в среднем около 20 кг на 1 га). 

Работами отечественных и зарубежных исследователей неопровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вызывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению воспроизводящих функций и, как следствие, к тяжелым демоэкологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устойчивых) рас вредителей и появление новых вредных организмов, естественные враги которых были уничтожены. Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более. Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. В 1972 на территории Швеции с атмосферными осадками выпало ДДТ больше, чем производилось этой стране.

Охрана почв от загрязнения пестицидами предусматривает создание возможно менее токсичных и менее стойких соединений. Разрабатываются приемы уменьшения доз без снижения их эффективности. Очень важно сокращение авиационного распыления за счет наземного, а также применение строго выборочной обработки.

Несмотря на принимаемые меры, при обработке полей пестицидами лишь незначительная их часть достигает объекта воздействия. Большая часть накапливается в почвенном покрове и природных водах. Важная задача – ускорить разложение пестицидов, распад их на нетоксичные компоненты. Установлено, что многие пестициды разлагаются под воздействием ультрафиолетового облучения, некоторые ядовитые соединения разрушаются в результате гидролиза, однако наиболее активно пестициды разлагаются микроорганизмами. Сейчас во многих странах, в том числе в России, осуществляется контроль за загрязнением окружающей среды пестицидами. Для пестицидов установлены нормы предельно допустимых концентраций в почве, которые составляют сотые и десятые доли мг/кг почвы.

Пестициды действительно опасны для биосферы, однако, и это следует подчеркнуть специально, хотя они и относятся к веществам, наиболее загрязняющим окружающую человека природную среду, их «лидирующее» положение является временным. Разработка более «короткоживущих» препаратов, полностью распадающихся в течение сезона и даже в более короткие сроки, а также веществ, менее токсичных для человека и теплокровных животных, и, наконец, все более и более широкое использование биологических средств защиты растений с неизбежностью «отодвинут» пестициды на более низкий уровень в ранжированном по степени опасности ряду загрязнителей.

Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из азотных, суперфосфатных и других типов удобрений в почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1970) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобрений, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению биогеохимического круговорота азота, фосфора и некоторых других элементов. Экологические последствия такого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частности при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других элементов. В последнее время выявлен еще один неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений, и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое количество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов — закиси азота и метана. Нитраты опасны и для человека. Так, при поступлении нитратов в человеческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности возникновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соединения азота. Неумеренное потребление минеральных удобрений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисление почв.

Глубокий экономический кризис в России, охвативший и аграрный сектор экономики, в сочетании с явно выраженными проявлениями экологического неблагополучия угрожает необратимыми изменениями плодородия почв, ставя под серьезное сомнение возможность обеспечения продовольственной безопасности государства.