Охрана окружающей среды от загрязнения стала насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан.

Тяжелые металлы опасны тем, что они обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Среди тяжелых металлов приоритетными загрязнителями считаются свинец, кадмий, цинк, главным образом потому, что техногенное их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Эта группа веществ обладает большим сродством к физиологически важным органическим соединениям.

Загрязнение почвы подвижными формами тяжелых металлов является наиболее актуальной, так как в последние годы проблема загрязнения окружающей среды приняла угрожающий характер. В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой отраслях науки.

Объектом данного исследования являются антропогенные почвы Железнодорожного района г.Ульяновска (на примере ул.Транспортной).

Главная цель проводимого исследования - определение степени загрязнения городских почв тяжелыми металлами.

Задачами исследования являются: определение величины рН в отобранных образцах почвы; определение концентрации подвижных форм меди, цинка, кадмия, свинца; проведения анализа полученных данных и предложение рекомендаций по снижению содержания тяжёлых металлов в городских почвах.

Пробы в 2005 году отбирались вдоль автодороги по ул.Транспортная, а в 2006 году на территории личных приусадебных участков (по той же улице), расположенных вблизи железнодорожных путей. Пробы отбирались на глубину 0-5 см и 5-10 см. Всего было отобрано 20 проб, массой по 500 г.

Исследуемые образцы проб 2005 и 2006 года относятся к нейтральной почве. Нейтральные почвы поглощают тяжелые металлы из растворов в большей степени, чем кислые. Но есть опасность увеличения подвижности тяжёлых металлов и их проникновение в грунтовые воды и близлежащий водоём, при выпадении кислотных дождей (обследуемый участок находиться в пойме р.Свияги), что незамедлительно скажется на пищевых цепях. В данных пробах наблюдается низкое содержание гумуса (2-4%). Соответственно нет способности почвы к образованию органо - металлических комплексов.

По лабораторным исследованиям почв на содержание Cu, Cd, Zn, Pb были сделаны выводы об их концентрациях в почвах обследуемой территории. В пробах 2005 года было выявлено превышение ПДК Cu в 1-1,2 раза,Cd в 6-9 раз, а содержание Zn и Pb ПДК не превысило. В пробах 2006 года отобранных на приусадебных участках концентрация Cu не превысила ПДК, содержание Cd меньше, чем в пробах отобранных вдоль дороги, но всё же превышает ПДК в разных точках от 0,3 до 4,6 раз. Содержание Zn увеличено только в 5 точке и составляет на глубине 0-5 см 23,3 мг/кг почвы (ПДК 23 мг/кг), а на глубине 5-10 см 24,8 мг/кг.

По результатам исследования сделаны следующие выводы: для почв характерна нейтральная реакция почвенного раствора; в пробах почвы низкое содержание гумуса; на территории Железнодорожного района г.Ульяновска наблюдается различное по интенсивности загрязнение тяжелыми металлами почвы; установлено, что в некоторых пробах значительное превышение ПДК, особенно это наблюдается в исследованиях почвы на концентрацию кадмия; для улучшения эколого-географического состояния почвы на данном участке рекомендуется выращивать растения-аккумуляторы тяжелых металлов и управлять экологическими свойствами самой почвы посредством ее искусственного конструирования; необходимо проводить систематический мониторинг и выявлять наиболее загрязненные и опасные для здоровья населения участки.

Библиографическая ссылка

Тяжелые металлы в почве

В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня тяжелых металлов в окружающей среде. Термин "тяжелые металлы" применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см 3 , либо с атомным номером больше 20. Хотя, существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами, превышающими 50 ат. ед. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и уступают по уровню своей опасности только пестицидам. При этом к токсичным относятся следующие химические элементы: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.

Фитотоксичность тяжелых металлов зависит от их химических свойств: валентности, ионного радиуса и способности к комплексообразованию. В большинстве случаев элементы по степени токсичности располагаются в последовательности: Cu> Ni > Cd>Zn> Pb> Hg>Fe> Mo> Mn. Однако этот ряд может несколько изменяться в связи с неодинаковым осаждением элементов почвой и переводом в недоступное для растений состояние, условиями выращивания, физиолого-генетическими особенностями самих растений. Трансформация и миграция тяжелых металлов происходит при непосредственном и косвенном влиянии реакции комплексообразования. При оценке загрязнения окружающей среды необходимо учитывать свойства почвы и, в первую очередь, гранулометрический состав, гумусированность и буферность. Под буферностью понимают способность почв поддерживать концентрацию металлов в почвенном растворе на постоянном уровне.

В почвах тяжелые металлы присутствуют в двух фазах - твердой и в почвенном растворе. Форма существования металлов определяется реакцией среды, химическим и вещественным составом почвенного раствора и, в первую очередь, содержанием органических веществ. Элементы - комплексанты, загрязняющие почву, концентрируются, в основном, в ее верхнем 10 см слое. Однако при подкислении малобуферной почвы значительная доля металлов из обменно-поглощенного состояния переходит в почвенный раствор. Сильной миграционной способностью в кислой среде обладают кадмий, медь, никель, кобальт. Уменьшение рН на 1,8-2 единицы приводит к увеличению подвижности цинка в 3,8-5,4, кадмия - в 4-8, меди - в 2-3 раза. .

Таблица 1 Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг)

Таким образом, при попадании в почву тяжелые металлы быстро взаимодействуют с органическими лигандами с образованием комплексных соединений. Так, что при низких концентрациях в почве (20-30 мг/кг) приблизительно 30% свинца находится в виде комплексов с органическими веществами. Доля комплексных соединений свинца увеличивается с возрастанием его концентрации до 400 мг/г, а затем уменьшается . Металлы также сорбируются (обменно или необменно) осадками гидроксидов железа и марганца, глинистыми минералами и органическим веществом почвы. Металлы, доступные растениям и способные к вымыванию, находятся в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексов и хелатов.

Поглощение ТМ почвой в большей степени зависит от реакции среды и от того, какие анионы преобладают в почвенном растворе. В кислой среде больше сорбируются медь, свинец и цинк, а в щелочной - интенсивно поглощаются кадмий и кобальт. Медь преимущественно связывается с органическими лигандами и гидроксидами железа.

Таблица 2 Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от рН почвенного раствора

Почвенно-климатические факторы часто определяют направление и скорость миграции и трансформации ТМ в почве. Так, условия почвенного и водного режимов лесостепной зоны способствуют интенсивной вертикальной миграции ТМ по профилю почвы, в том числе возможен перенос металлов с потоком воды по трещинам, ходам корней и т.д. .

Никель(Ni) - элемент VIII группы периодической системы с атомной массой 58,71. Никель наряду с Mn, Fe, Co и Cu относится к так называемым переходным металлам, соединения которых обладают высокой биологической активностью. Вследствие особенностей строения электронных орбиталей вышеуказанные металлы, в том числе и никель, обладают хорошо выраженной способностью к комплексообразованию. Никель способен формировать стабильные комплексы, например, с цистеином и цитратом, а также со многими органическими и неорганическими лигандами. Геохимический состав материнских пород во многом определяет содержание никеля в почвах. Наибольшее количество никеля содержат почвы, образовавшиеся из основных и ультраосновных пород. По данным некоторых авторов, границы избыточного и токсичного уровней никеля для большинства видов изменяются от 10 до 100 мг/кг. Основная масса никеля закреплена в почве неподвижно, а очень слабая миграция в коллоидном состоянии и в составе механических взвесей не влияет на распределение их по вертикальному профилю и вполне равномерна.

Свинец (Pb). Химизм свинца в почве определяется тонким равновесием противоположно направленных процессов: сорбция-десорбция, растворение-переход в твердое состояние. Попавший в почву с выбросами свинец включается в цикл физических, химических и физико-химических превращений. Сначала доминируют процессы механического перемещения (частицы свинца перемещаются по поверхности и в толще почвы по трещинам) и конвективной диффузии. Затем по мере растворения твердофазных соединений свинца вступают в действие более сложные физико-химические процессы (в частности, процессы ионной диффузии), сопровождающиеся трансформацией поступивших с пылью соединений свинца.

Установлено, что свинец мигрирует как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении, причем второй процесс превалирует над первым. За 3 года наблюдений на разнотравном лугу нанесенная локально на поверхность почвы свинцовая пыль переместилась в горизонтальном направлении на 25-35 см, глубина же ее проникновения в толщину почвы составила 10-15 см. Важную роль в миграции свинца играют биологические факторы: корни растений поглощают ионы металлов; во время вегетации происходит их перемещение в толще почвы; при отмирании и разложении растений свинец выделяется в окружающую почвенную массу .

Известно, что почва обладает способностью связывать (сорбировать) поступивший в нее техногенный свинец. Сорбция, как полагают, включает несколько процессов: полный обмен с катионами поглощающего комплекса почв (неспецифическая адсорбция) и ряд реакций комплексообразования свинца с донорами почвенных компонентов (специфическая адсорбция). В почве свинец ассоциируется главным образом с органическим веществом, а также с глинистыми минералами, оксидами марганца, гидроокислами железа и алюминия. Связывая свинец, гумус препятствует его миграции в сопредельные среды и ограничивает поступление в растения. Из глинистых минералов склонностью к сорбции свинца характеризуются иллиты. Повышение рН почвы при известковании ведет к еще большему связыванию свинца почвой за счет образования труднорастворимых соединений (гидроокислов, карбонатов и др.) .

Свинец, присутствующий в почве в подвижных формах, со временем фиксируется почвенными компонентами и становится недоступным для растений. По данным отечественных исследователей, наиболее прочно фиксируется свинец черноземных и торфяно-иловых почв.

Кадмий (Cd) Особенность кадмия, отличающая его от других ТМ, заключается в том, что в почвенном растворе он присутствует в основном в виде катионов (Cd 2+), хотя в почве с нейтральной реакцией среды он может образовывать труднорастворимые комплексы с сульфатами, фосфатами или гидроокислами.

По имеющимся данным, концентрация кадмия в почвенных растворах фоновых почв колеблется от 0,2 до 6 мкг/л. В очагах загрязнения почв она возрастает до 300-400 мкг/л. .

Известно, что кадмий в почвах очень подвижен, т.е. способен переходить в больших количествах из твердой фазы в жидкую и обратно (что затрудняет прогнозирование его поступления в растение). Механизмы, регулирующие концентрацию кадмия в почвенном растворе, определяются процессами сорбции (под сорбцией понимают собственно адсорбцию, преципитацию и комплексообразование). Кадмий поглощается почвой в меньших количествах, чем другие ТМ. Для характеристики подвижности тяжелых металлов в почве используют отношение концентраций металлов в твердой фазе к таковой в равновесном растворе. Высокие значения этого отношения свидетельствуют о том, что ТМ удерживаются в твердой фазе благодаря реакции сорбции, низкие - благодаря тому, что металлы находятся в растворе, откуда они могут мигрировать в другие среды или вступать в различные реакции (геохимические или биологические). Известно, что ведущим процессом в связывании кадмия является адсорбция глинами. Исследования последних лет показали также большую роль в этом процессе гидроксильных групп, окислов железа и органического вещества. При невысоком уровне загрязнения и нейтральной реакции среды кадмий адсорбируется в основном окислами железа. А в кислой среде (рН=5) в качестве мощного адсорбента начинает выступать органическое вещество. При более низком показателе рН (рН=4) функции адсорбции переходят почти исключительно к органическому веществу. Минеральные компоненты в этих процессах перестают играть какую-либо роль.

Известно, что кадмий не только сорбируется поверхностью почв, но и фиксируется за счет осаждения, коагуляции, межпакетного поглощения глинистыми минералами. Внутрь почвенных частиц он диффундирует по микропорам и другими путями.

Кадмий по-разному закрепляется в почвах разного типа. Пока мало что известно о конкурентных взаимоотношениях кадмия с другими металлами в процессах сорбции в почвенно-поглощающем комплексе. По исследованиям специалистов Технического университета Копенгагена (Дания), в присутствии никеля, кобальта и цинка поглощение кадмия почвой подавлялось . Другие исследования показали, что процессы сорбции кадмия почвой затухают в присутствии ионов хлора. Насыщение почвы ионами Са 2+ приводило к увеличению сорбируемости кадмия. Многие связи кадмия с компонентами почвы оказываются непрочными, в определенных условиях (например, кислая реакция среды) он высвобождается и снова переходит в раствор.

Выявлена роль микроорганизмов в процессе растворения кадмия и перехода его в подвижное состояние. В результате их жизнедеятельности либо образуются водорастворимые металлокомплексы, либо создаются физико-химические условия, благоприятствующие переходу кадмия из твердой фазы в жидкую.

Процессы, происходящие с кадмием в почве (сорбция-десорбция, переход в раствор и пр.) взаимосвязаны и взаимозависимы, от их направленности, интенсивности и глубины зависит поступление этого металла в растения. Известно, что величина сорбции кадмия почвой зависит от величины рН: чем выше рН почвы, тем больше она сорбирует кадмия. Так, по имеющимся данным, в интервале рН от 4 до 7,7 при увеличении рН на единицу сорбционная емкость почв по отношению к кадмию возрастала примерно втрое.

Цинк (Zn). Недостаток цинка может проявляться как на кислых сильнооподзоленных легких почвах, так и на карбонатных, бедных цинком, и на высокогумусированных почвах. Усиливают проявление цинковой недостаточности применение высоких доз фосфорных удобрений и сильное припахивание подпочвы к пахотному горизонту.

Наиболее высокое валовое содержание цинка в тундровых (53-76 мг/кг) и черноземных (24-90 мг/кг) почвах, наиболее низкое - в дерново-подзолистых почвах (20-67 мг/кг). Недостаток цинка чаще всего проявляется на нейтральных и слабощелочных карбонатных почвах. В кислых почвах цинк более подвижен и доступен растениям.

Цинк в почве присутствует в ионной форме, где адсорбируется по катионообменному механизму в кислой или в результате хемосорбции в щелочной среде. Наиболее подвижен ион Zn 2+ . На подвижность цинка в почве в основном влияют величина рН и содержание глинистых минералов. При рН<6 подвижность Zn 2+ возрастает, что приводит к его выщелачиванию. Попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки монтмориллонита, ионы цинка теряют свою подвижность. Кроме того, цинк образует устойчивые формы с органическим веществом почвы, поэтому он накапливается в основном в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе .

Соединения Cr(VI) и Cr(III) в повышенных количествах обладают канцерогенными свойствами. Соединения Cr(VI) являются более опасными.

Попадает в природные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит, цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др.

В воде существует главным образом в ионной форме или в форме его минеральных и органических комплексов. Иногда встречается в нерастворимых формах: в виде гидроксида, карбоната, сульфида и др.

В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120 мкг/дм 3 , в морских - от 1.5 до 10 мкг/дм 3 . Содержание в рудных и особенно в шахтных водах с низкими значениями рН может быть значительным.

Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид.

ПДК в Zn 2+ составляет 1 мг/дм 3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический), ПДК вр Zn 2+ - 0.01 мг/дм 3 (лимитирующий признак вредности - токсикологический).

Тяжёлые металлы уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как двуокись углерода и серы, в прогнозе же они должны стать самыми опасными, более опасными, чем отходы АЭС и твердые отходы. Загрязнение тяжёлыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве вкупе со слабыми системами очистки, в результате чего тяжёлые металлы попадают в окружающую среду, в том числе и почву, загрязняя и отравляя её.

Тяжёлые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение понятия "тяжёлые металлы". В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

Почва являются основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы и водной среды. Она же служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

3.3. Свинцовая интоксикация

В настоящее время свинец занимает первое место среди причин промышленных отравлений. Это вызвано широким применением его в различных отраслях промышленности. Воздействию свинца подвергаются рабочие, добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и, прежде всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.

С сожалением надо отметить, что в России отсутствует государственная политика по правовому, нормативному и экономическому регулированию влияния свинца на состояние окружающей среды и здоровье населения, по снижению выбросов (сбросов, отходов) свинца и его соединений в окружающую среду, полному прекращению производства свинецсодержащих бензинов.

Вследствие чрезвычайно неудовлетворительной просветительной работы по разъяснению населению степени опасности воздействия тяжелых металлов на организм человека, в России не снижается, а постепенно увеличивается численность контингентов, имеющих профессиональный контакт со свинцом. Случаи свинцовой хронической интоксикации зафиксированы в 14 отраслях промышленности России. Ведущими являются электротехническая промышленность (производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия и цветная металлургия, в них интоксикация обусловлена превышением в 20 и более раз предельно допустимой концентрации (ПДК) свинца в воздухе рабочей зоны.

Значительным источником свинца являются автомобильные выхлопные газы, так как половина России все еще использует этилированный бензин. Однако металлургические заводы, в частности медеплавильные, остаются главным источником загрязнений окружающей среды. И здесь есть свои лидеры. На территории Свердловской области находятся 3 самых крупных источника выбросов свинца в стране: в городах Красноуральск, Кировоград и Ревда.

Дымовые трубы Красноуральского медеплавильного завода, построенного еще в годы сталинской индустриализации и использующего оборудование 1932 года, ежегодно извергают на 34-тысячный город 150 -170 тонн свинца, покрывая все свинцовой пылью.

Концентрация свинца в почве Красноуральска варьируется от 42,9 до 790,8 мг/кг при предельно допустимой концентрации ПДК=130 мк/кг. Пробы воды в водопроводе соседнего пос. Октябрьский, питаемого подземным водоисточником, фиксировали превышение ПДК до двух раз.

Загрязнение окружающей среды свинцом оказывает влияние на состояние здоровья людей. Воздействие свинца нарушает женскую и мужскую репродуктивную систему. Для женщин беременных и детородного возраста повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность, так как под действием свинца нарушается менструальная функция, чаще бывают преждевременные роды, выкидыши и смерть плода вследствие проникновения свинца через плацентарный барьер. У новорожденных детей высока смертность.

Отравление свинцом чрезвычайно опасно для маленьких детей - он действует на развитие мозга и нервной системы. Проведенное тестирование 165 красноуральских детей от 4 лет выявило существенную задержку психического развития у 75,7%, а у 6,8% обследованных детей обнаружена умственная отсталость, включая олигофрению.

Дети дошкольного возраста наиболее восприимчивы к вредному воздействию свинца, поскольку их нервная система находится в стадии формирования. Даже при низких дозах свинцовое отравление вызывает снижение интеллектуального развития, внимания и умения сосредоточиться, отставание в чтении, ведет к развитию агрессивности, гиперактивности и другим проблемам в поведении ребенка. Эти отклонения в развитии могут носить длительный характер и быть необратимыми. Низкий вес при рождении, отставание в росте и потеря слуха также являются результатом свинцового отравления. Высокие дозы интоксикации ведут к умственной отсталости, вызывают кому, конвульсии и смерть.

Белая книга, опубликованная российскими специалистами, сообщает, что свинцовое загрязнение покрывает всю страну и является одним из многочисленных экологических бедствий в бывшем Советском Союзе, которые стали известны в последние годы. Большая часть территории России испытывает нагрузку от выпадения свинца, превышающую критическую для нормального функционирования экосистемы. В десятках городов отмечается превышение концентраций свинца в воздухе и почве выше величин, соответствующих ПДК.

Наибольший уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий ПДК, отмечался в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш, Владимир, Владивосток.

Максимальные нагрузки выпадения свинца, ведущие к деградации наземных экосистем, наблюдаются в Московской, Владимирской, Нижегородской, Рязанской, Тульской, Ростовской и Ленинградской областях.

Стационарные источники ответственны за сброс более 50 тонн свинца в виде различных соединений в водные объекты. При этом 7 аккумуляторных заводов сбрасывают ежегодно 35 тонн свинца через канализационную систему. Анализ распределения сбросов свинца в водные объекты на территории России показывает, что по этому виду нагрузки лидируют Ленинградская, Ярославская, Пермская, Самарская, Пензенская и Орловская области.

В стране необходимы срочные меры по снижению свинцового загрязнения, однако пока экономический кризис России затмевает экологические проблемы. В затянувшейся промышленной депрессии Россия испытывает недостаток средств для ликвидации прежних загрязнений, но если экономика начнет восстанавливаться, а заводы вернутся к работе, загрязнение может только усилиться.

10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР

(Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного города)

4. Гигиена почвы. Обезвреживание отходов.

Почва в городах и прочих населенных пунктах и их окрест­ностях уже давно отличается от природной, биологически цен­ной почвы, играющей важную роль в поддержании экологиче­ского равновесия. Почва в городах подвержена тем же вредным воздействиям, что и городской воздух и гидросфера, поэтому по­всеместно происходит значительная ее деградация. Гигиене поч­вы не уделяется достаточного внимания, хотя ее значение как одного из основных компонентов биосферы (воздух, вода, поч­ва) и биологического фактора окружающей среды еще более весомое, чем воды, поскольку количество последней (в первую очередь качество подземных вод) определяется состоянием поч­вы, и отделить эти факторы друг от друга невозможно. Почва обладает способностью биологического самоочищения: в почве происходит расщепление попавших в нее отходов н их минера­лизация; в конечном итоге почва компенсирует за их счет утра­ченные минеральные вещества.

Особенности фиторемедиации как метода очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами. Тяжелые металлы в системе «почва-растение»

Тяжелые металлы в системе «почва-растение», содержание тяжелых металлов в почвах Курской области, источники поступления

В настоящее время в Курской области имеется большое количество почв с повышенным содержанием тяжелых металлов, что постоянно регистрируют как ученые-исследователи (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, Проценко, 2013; Неведров и др., 2013а, Неведров и др., 2016; Неведров, Вытовтова, 2016), так и уполномоченные государственные экологические структуры (Струкова, 2013).

Приоритетными загрязнителями почв Курской области среди тяжелых металлов являются Pb, Zn, Си и Cd. Высокое содержание данных элементов наблюдается в естественных, урбанизированных и аграрных экосистемах. По результатам мониторинга обнаружено, что в некоторых районах области и города наблюдается тенденция увеличения содержания ТМ в почвенном покрове. Наибольшие концентрации поллютантов зафиксированы в почвах на территории г. Курска вблизи промышленных зон (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2016; Неведров и др., Вытовтова, 2016).

Родоначальник биогеохимии В.И. Вернадский первым говорил о единстве жизни и геохимической среды, о связи элементного состава живого вещества и земной коры. Эта идея легла в основу изучения химического состава почв (Вернадский, 1960, 1992). Важнейшим показателем химического состояния почв является их химический состав, он также является зеркалом свойств почв и их генезиса (Вернадский, 1940, 1992).

В почве начинаются все основные циклы миграции тяжелых металлов в биосфере (водные, атмосферные, биологические), так как именно здесь происходит их мобилизация и образование различных подвижных форм. Сложнейшая система преобразования ТМ в почве создается значительной реакционной поверхностью минерального компонента, наличием почвенных растворов и органики, обилием микроорганизмов, мезофауной и корневыми системами растений (Муха 1991; Соколов, Черников, 2008).

Выделяют две фазы тяжелых металлов в почвах - твердая фаза и почвенный раствор. Содержание органических веществ в почве, реакция среды, химический и вещественный состав почвенного раствора определяют форму существования металлов (Дьяконова, 1964). Загрязняющие почву поллютанты в большей степени депонируются в ее верхнем десятисантиметровом слое (Таблица 1.1).

Таблица 1.1

«Нормативы ПДК (ОДК), фоновые содержания химических элементов в почвах (мг/кг)» (ГН 2.1.7.020-94,1995; ГН 2.1.7.2041-06, 2006; Ghosh, Singh,

Значительное количество тяжелых металлов находится в обменнопоглощенном состоянии, однако подкисление малобуферной почвы способствует их активному переходу в почвенный раствор. У таких металлов как кадмий, медь, никель и кобальт в кислой среде возрастает миграционная способность. Например, при снижении pH на 1,8-2 единицы происходит увеличение мобильности цинка в 3,8-5,4, кадмия - в 4-8, меди - в 2-3 раза (Кудряшов, 2003).

Взаимодействуя с органическими лигандами при попадании в почву, тяжелые металлы образуют комплексные соединения. Примерно 30 % свинца при его невысоких концентрациях в почве (20-25 мг/кг) закреплено органическим веществом почвы. Количество комплексных соединений свинца растет с увеличением его содержания до 400 мг/г, а затем постепенно уменьшается (Большаков, 1993; Кудряшов, 2003). Содержащиеся в почве осадки гидроксидов железа и марганца, глинистые минералы и органическое вещество почвы также способны сорбировать металлы (обменно или необменно). Металлы, присутствующие в почвенном растворе в виде свободных ионов, комплексных соединений и хелатированных форм, являются доступными для растений и способны к вымыванию.

Реакции среды в первую очередь оказывают влияние на поглощение тяжелых металлов почвой, процесс поглощения тяжелых металлов также зависит от того, какие анионы доминируют в почвенном растворе: кислая среда способствует большей сорбции меди, свинца и цинка, а щелочная приводит к интенсивному поглощению таких металлов, как кадмий и кобальт. Медь в большей степени образует связи с гидроксидами железа и органическими лигандами (Таблица 1.2).

Цинк и ртуть равномерно распределяются в слое почвы на глубине 0-20 см и в свою очередь имеют самую высокую миграционную способность. Свинец чаше всего аккумулируется в поверхностном слое (0-3 см), кадмий же оседает на глубине, располагающейся строго между ними.

Таблица 1.2

«Подвижность микроэлементов в различных почвах в зависимости от pH почвенного раствора» (Криушин, 2002)

Тяжелые металлы, депонированные в объектах окружающей среды, оказывают губительное действие на живые организмы, которое часто носит скрытый характер. Токсичность проявляется неожиданно на каких-то отдельных трофических уровнях, где аккумулирующий эффект выражен более отчетливо. Для различных групп живых организмов токсичность ТМ неодинакова. Она главным образом складывается из свойств и уровня концентраций самих элементов, а также из их способности к миграции в разных компонентах экосистемы и уровнем депонирования в органах и тканях (Соколов, Черников, 2008).

Б.А. Ягодин (2002) отмечает четыре уровня концентрации химического элемента, которые определяют комплексную оценку его воздействия на живые организмы:

• дефицит элемента, организм испытывает дискомфорт из-за его недостатка;
• оптимальное содержание, организм находится в стабильном состоянии;
• терпимые концентрации, начинает проявляться депрессия организма;
• губительные концентрации для данного организма (Ягодин, 2002).

Цинк в почве. Тяжелый металл цинк, при условии фонового содержания в

почве, является эссенциальным (жизненно необходимым для растений) элементом, но при повышенных концентрациях становится загрязнителем высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.1.02-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Цинк обладает постоянно растущей высокой технофильностью (Перельман, 1975). Это вызывает огромный интерес ученых-почвоведов, занимающихся вопросами охраны окружающей среды. В почвах металл образует большое количество фаз-носителей и имеет различные формы закрепления в минеральных и органических почвах, что исключает вероятность универсального подхода к очистке загрязненных цинком почв (Водяницкий, 2010).

Содержание валового цинка в черноземах варьируется от 24 до 90 мг/кг, в серых лесных почвах - от 28 до 65 (В.А. Ковда и др., 1959). Высокое содержание цинка в черноземах обосновано большим количеством гумуса в данном типе почв (С.А. Захаров, 1906, 1929; Г.К. Зыкина, 1978). Органическое вещество, содержащееся в большом количестве в черноземах, и кислая реакция среды прочно закрепляют цинк, при этом его уровень может достигать 90 мг/кг. В серой лесной почве такого эффекта не наблюдается, концентрация металла снижается до 23 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Курский чернозем является эталоном валового содержания цинка (52 мг/кг) (Шеуджен, Алешин, 1996). Растениям доступны только водорастворимые (хлористый, сернокислый и азотнокислый цинк) и обменные формы цинка, которые разнообразны и зависят от типа почв. Содержание подвижного цинка в почве составляет около 1% от валового запаса. По данным Н.П. Юмашева, И.А. Трунова (2006), наибольшее количество подвижного цинка встречается в черноземах типичном и выщелоченном, в серых лесных почвах его заметно меньше. В литературе отмечено, что в целинном черноземе содержание подвижного цинка выше, чем в распаханном (Юмашев, Трунов, 2006).

Особое влияние на подвижность цинка оказывает содержащийся в почве фосфор. Образуя труднорастворимые фосфаты цинка, фосфор сокращает количество подвижного металла в почве (Лазарев и др., 2013).

Цинк находится в почве в ионной форме. Адсорбция цинка в кислой почвенной среде происходит по катионообменному механизму. В щелочной среде образование химических связей металла происходит в результате хемосорбции. Ион Zn 2+ является самым подвижным. Так как величина pH и содержание глинистых минералов оказывают непосредственное влияние на подвижность цинка в почве, то при pH

Цинк в земной коре относится к халькофиллам (Перельман, 1975). Естественное поступление цинка в почву связано с разрушением горных пород и последующим выщелачиванием его и осаждением в виде карбонатов, силикатов и фосфатов (Водяницкий, 2010). Антропогенное загрязнение большого количества почв происходило в результате работы устаревшей пирометаллургической технологии на плавильных заводах, которые выбрасывали огромные массы обогащенных цинком пыли и дыма (Зырин, Садовникова, 1975; Плеханова, 2008). Металлургические заводы как в России, так и за рубежом зачастую являются виновниками загрязнения почв цинком (Водяницкий, 2010). В окрестностях свинцово-цинкоплавильного завода в Канаде содержание в почвах цинка достигало 1390 мг/кг при фоновых значениях 50-75 мг/кг (Ладонин, 2002).

Наивысшие концентрации цинка среди почв Курской области зафиксированы в серых лесных почвах г. Курска, в отдельных районах города - клумбы и земельные участки вблизи «Кожзавода» - его содержание достигает 27 000 мг/кг. Очень часто встречаются участки с уровнем загрязнения, равным 2-5 ОДК (валовое содержание), - садовые участки «Весна - 1», «Весна - 2», «Химик», «Лавсан», пустыри вблизи завода «Курскрезинотехника», пустыри «Магистрального проезда» (Жидеева, 2000; Прусаченко, 2011; Неведров, 2013а).

По данным В.А. Жидеевой (2000), некоторые черноземные агроценозы области также подвержены цинковым загрязнениям. Почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат цинк в количествах, превышающих фоновую концентрацию. Цинковая токсикация этих почв возникла в результате использования медно-цинковых инсектицидов и фунгицидов.

Основными источниками поступления антропогенного цинка в почву являются газопылевые выбросы промышленного производства, осадки сточных вод и цинковые удобрения (Robson, 1993).

Как биофильный компонент живых клеток цинк необходим всем живым организмам, так как он участвует в биохимических процессах, однако при высоком и избыточном содержании в организмах он становится высокотоксичным (Водяницкий, 2010). Отмечено, что в зональных почвах Курской области цинк является весьма опасным поллютантом: легко аккумулируясь растениями, он поступает по пищевой цепи в организм человека (Жидеева, 2000).

Цинк в растениях. Попадая в организм растений из почвы и воды, цинк участвует в дыхании и обмене веществ (белковом и нуклеиновом). К тому же цинк выполняет такую важную функцию как регуляция роста, он оказывает влияние на образование аминокислоты триптофана, являющейся предшественником ауксина - гормона роста. Являясь компонентом ряда ферментных систем, тяжелый металл цинк крайне важен в процессах образования дыхательных ферментов - цитохромов А и Б, цитохромоксидазы (при децефите цинка наблюдается резкое снижение ее активности). Ферменты алкогольдегидразы и глицилглициндипептидазы содержат цинк в своем составе, также цинксодержащим ферментом является карбоангидраза. Под влиянием цинка в клетках растений происходит увеличение содержания витамина С, каротина, углеводов и белков. Соединения цинка играют немаловажную роль и в процессах плодоношения. Нормальное содержание цинка в растениях способствует благоприятному формированию морозоустойчивости, а также жаро-, засухо- и солеустой- чивости растений. Цинк обладает свойством усиления роста корневой системы у ряда видов растений (Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Якушкина, 2004).

Высокое содержание цинка в почве находит своё отражение в морфофизиологическом состоянии растений и является фактором, ингибирующим рост растений в длину, снижающим продуктивность культур и в некоторых случаях подавляющим прорастание семян. Е.В. Чурсина (2012) замечает, что «при повышенном содержании цинка в почве (250 и 500 мг на 1 кг почвы) наблюдается достоверное снижение продуктивности пшеницы. Отмечено уменьшение ассимиляционной поверхности и фотосинтетического потенциала растений, а также озерненности колоса, обусловленных сортовой реакцией растений на загрязнение почв цинком» (Чурсина, 2012).

Медь в почве. Тяжелый металл медь так же, как и цинк, - эссенциальный элемент. Медь согласно Российскому санитарно-гигиеническому ГОСТу 17.4.102-83 относится к умеренно-опасным тяжелым металлам. Содержание меди в эталонном Курском черноземе составляет 26 мг/кг, а в серых лесных почвах - от 5 до 39 мг/кг (Протасова, Щербаков, 2003).

Для растений доступны подвижные формы меди, их количество в основном не превышает 10 % от общего содержания металла в почве (Каталымов, 1965).

В почве медь представлена солями и гидратами окиси меди в поглощенном органическими и минеральными коллоидами состоянии. Содержание подвижной меди в почве зависит в основном от количества органического вещества и от суммы поглощенных оснований, а также от гранулометрического состава почвы (Захаров, 1906; Зыкина, 1978), причем всегда отмечается линейная зависимость между содержанием подвижной меди в почве и гранулометрическим составом. В почвах с тяжелым гранулометрическим составом меди больше, чем в легких почвах. Возрастание степени оподзоленности почвы не только сокращает количество меди в ней, но и к тому же обладает иммобилизующим эффектом.

Исследователи также отмечают, что на кислых и песчаных почвах с малой емкостью поглощения наблюдается процесс вымывания меди, что приводит к истощению запасов эссенциального элемента в почве. Количество площадей кислых почв Центрального Черноземья неуклонно растет, в связи с этим содержание подвижных форм меди в них будет уменьшаться (Лазарев и др., 2013).

В результате техногенного рассеяния поступление меди в почву происходит разнообразными путями. По данным Д.С. Орлова, Л.К. Садовниковой (2002), основными источником эмиссии техногенной меди в атмосферу являются выбросы промышленного комплекса, происходящие в результате процессов, сопровождающихся высокотемпературными реакциями: в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, при сжигании минерального топлива. Часто выбросы переносятся атмосферными потоками на большие расстояния (5-10 км). Основная часть этих выбросов выпадает в почву на расстоянии 1-3 км от эпицентра и депонируется в почвах окрестностей первоисточника загрязнения.

По данным «Доклада о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году», ежегодные выбросы специфических загрязняющих веществ составляют 150 тонн, из них меди - 2 3 % (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

Стоит отметить, что в среднем около 65 % всей меди в окружающей среде от общего содержания в верхнем слое почвы, воде и атмосфере приходится на техногенную составляющую (Козаченко, 1999).

Еще одним источником загрязнения медью может служить орошение почв водами с высоким содержанием этого металла. В «Докладе о состоянии и охране окружающей среды на территории Курской области в 2013 году» опубликованы сведения, доказывающие, что качество поверхностных вод Курской области (бассейна Днепра) значительно ухудшается и содержание меди в них составляет от 1,5 до 3,0 ПДК. Данное явление вызвано влиянием промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод (Доклад о состоянии и охране..., 2014).

А.И. Левит (2001) считает, что «загрязнение земель медью происходит не только за счет выбросов предприятий промышленности, но и за счет веществ, потребляемых самим сельским хозяйством, например, пестицидов. Такое загрязнение называется агрогенным» (Левит, 2001). Применение пестицидов в современном сельскохозяйственном производстве служит не только средством сохранения и приумножения урожаев, но и, к сожалению, несет существенную угрозу для окружающей природы. Остатки пестицидов загрязняют почву и снижают ее биологическую активность. Обладая канцерогенными свойствами, они накапливаются в вегетативных органах растений, что впоследствии приводит к их морфофизиологическим изменениям (Левит, 2001).

Основная часть загрязненных медью почв Курской области приходится на почвы города и прилегающих к нему промышленных зон, также отмечены превышения ОДК меди и по области. Так, почвы плодово-яблочных садовых хозяйств Обоянского, Советского, Щигровского, Льговского, Ведовского районов и сельскохозяйственных угодий вблизи садов содержат токсичные концентрации металла. Загрязнение этих участков земель медью произошло по той же причине, что и загрязнение их цинком, т.е. в результате использования медноцинковых инсектицидов и фунгицидов при обработке плодов. В результате применения этих средств ежегодно накапливалось в почвах до 8-10 кг/га техногенной меди с достаточно равномерным распределением вблизи очага использования (Жидеева, 2000).

Медь в растениях. Как и цинк, медь является эссенциальным элементом для растительных организмов. Сосредоточенная в хлоропластах листьев часть ионов меди участвует в регуляции процессов фотосинтеза. Этот микроэлемент тесно связан и с синтезом сложных органических соединений: антоциан, желе- зопорфирины, хлорофилл. Являясь стабилизатором хлорофилла, медь предохраняет его от разрушения. Медь образует окислительный фермент полифено- локсидазу, входя в качестве структурного компонента в состав белкового соединения (медьпротеида, содержащего 0,3 % меди). Медь в растениях также оказывает влияние на активность пероксидазы и других железосодержащих ферментов, является неотъемлемым компонентом синтеза белков, углеводов и жиров. Установлено, что водоудерживающая способность растительных тканей регулируется медью, а точнее синтезируемыми в растениях медьзависимыми белками (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Недостаточность меди вызывает у растений заболевания, связанные в первую очередь с уменьшением гидрофильности коллоидов тканей. Среди них часто встречаются такие болезни, как: экзантема, или суховершинность плодовых деревьев, хлороз листьев, отмирание верхушек побегов, ухудшение цветения и завязывания плодов. Очевиден факт значимости медных удобрений: их применение на почвах, испытывающих дефицит биогенного элемента меди, способствует повышению у растений морозо- и засухоустойчивости, а также, вероятно, стойкости к бактериальным заболеваниям (Стайлс, 1949; Школьник, 1950; Пейве, 1954; Добролюбский, 1956; Школьник, Макарова, 1957; Дробков, 1958; Пейве, 1960).

Свинец и кадмий в почвах. Свинец и кадмий относятся к высокоопасным поллютантам [Российский санитарно-гигиенический ГОСТ 17.4.102-83, 1983]. В почвах Центрально-черноземного биосферного заповедника им. В.В. Алехина среднее содержание свинца составляет 9 мг/кг, кадмия - 0,1 мг/кг (Жидеева, 2000).

У свинца и кадмия, как и у других тяжелых металлов, существует два пути поступления в окружающую среду - природный и техногенный. Лесные пожары, сукцессия озерных и болотных экосистем, процессы выветривания горных пород, извержение вулканов, морские брызги, - все эти природные явления служат естественными источниками свинца и кадмия. Техногенная эмиссия в атмосферу свинца и кадмия составлена из газопылевых выбросов химических нефтеперерабатывающих и металлургических предприятий, автотранспорта и ТЭЦ, сбросов в гидросферу плохо очищенных сточных вод, организованных и несанкционированных свалок. Если сравнивать свинец и кадмий, то первый обладает меньшей токсичностью, так как свинец менее подвижен в различных объектах окружающей среды. Однако длительное воздействие свинца на организм человека вызывает хронические интоксикации с различными клиническими проявлениями: нарушением деятельности центральной и периферической нервной системы, заболеваниями желудочно-кишечного тракта, поражением костного мозга, изменением в составе крови (Линдиман, 2009).

Процесс аккумуляции свинца в почве изучен давно (Захаров, 1906, 1929; Зыкина, 1978). Почва является стоком атмосферного свинца, как правило, металл оседает в почве в виде оксидов, здесь он переходит в почвенный раствор, а затем постепенно превращается в гидроксиды, карбонаты или катионную форму. В почве может произойти образование прочных связей со свинцом, что способствует предотвращению загрязнения грунтовых и питьевых вод и растительной продукции. В таком случае неизбежным является возникновение другой проблемы: при депонировании и прочном закреплении свинца в почве постепенно растет степень её зараженности, высоким становится риск разрушения органического вещества почвы, которое повлечет выброс свинца в почвенный раствор. Такую почву придется выводить из сельскохозяйственного обращения ввиду ее непригодности. Емкость метрового слоя одного гектара почвы, задерживающего свинец, может достигать 500-600 тонн. В природе подобного загрязнения почв свинцом не встречается (Орлов, 1992; Мосина 2012).

Песчаные, малогумусовые почвы, напротив, крайне устойчивы к загрязнению свинцом. Слабо закрепленный свинец легко поступает в растения или мигрирует с фильтровыми водами вниз по профилю (Орлов, 1992; Орлов и др., 2003, 2005).

В источниках отмечается, что в поверхностном слое почвы глубиной до 5 см кумулятивная способность свинца значительно выше, чем у ряда металлов (медь, молибден, железо, никель и хром). Это очень опасное явление, так как свинец - самый ядовитый из перечисленных металлов. Почва в районах расположения заводов по производству аккумуляторов и свинцово-цинковых заводов содержит свинец в количествах, в 20-30 раз превышающих среднее содержание. Соответственно «местная» растительность также будет иметь внушительный «свинцовый багаж» (Жидеева, 2000).

Одним из самых токсичных химических элементов для живых существ является кадмий. Этот тяжелый металл относится к контоминантам высокого класса опасности (ГОСТ 17.4.102-83, 1983; Водяницкий, 2011).

Поступающий в организм кадмий приводит к его интоксикации, при этом природа соединений кадмия маловажна. Исследователи считают, что кадмий, попадая в живой организм, вступает в биологическую конкуренцию с цинком, в результате чего возникают нарушения протекающих физиологических процессов, к тому же известно протекторное действие цинка при кадмиевой интоксикации.

По данным А.В. Прусаченко (2011), содержание свинца в серых лесных почвах г. Курска колеблется от 23 мг/кг до 94 мг/кг, а кадмия - от 0,12 до 0,98 мг/кг. Часто встречаются участки с содержанием свинца, превышающим предельно допустимое значение. Основным источником загрязнения свинцом является действующий на территории г. Курска завод «Аккумулятор». Как сообщает В.А. Жидеева (2000), за 62 года существования завода «Аккумулятор» эмиссия свинца в атмосферу составила более 4500 тонн, кадмия - более 300 тонн.

Свинец и кадмий в растениях. Присутствие свинца в большинстве растительных и животных продуктов и кормах является следствием глобального загрязнения окружающей среды свинцом. Растениеводческая продукция в целом содержит больше свинца, чем продукция животноводческого сектора. Чрезмерные концентрации свинца пагубно влияют на почвенную биоту (микробиоценоз), сокращая число основных ее представителей, что приводит к снижению плодородия почв (Ревелль, 1994). Порогом токсичности свинца в почве для травянистых растений является концентрация свыше 0,3 г/кг, для древесных растений - 1,5 г/кг. При содержании свинца в почве 0,05 - 0,3 г/кг снижается качество пищевой растительной продукции, она становится непригодной.

Металл в неравных количествах способен накапливаться в разных органах различных групп растений. К примеру, у салата и сельдерея свинец преимущественно поступает в листья, а у моркови и одуванчика в большей части аккумулируется корневыми системами (А.Ф. Титов и др., 2007). Бобовые растения являются низкими концентраторами свинца (Козаренко, 1987; Петрунина, 1974; Kuboi et al., 1986).

Растения, черпая ресурсы почвы, воды и атмосферных выпадений, вместе с жизненно-необходимыми химическими элементами поглощают свинец. Высокое содержание свинца в воздухе - одна из причин летнего листопада. Древесные растения являются своего рода свинцовыми фильтрами. Накапливая атмосферный свинец в своих органах, они обезвреживают такое количество активного свинца, сколько выделяется при сжигании 130 литров бензина. Орешник и ель являются активными аккумуляторами свинца, а кумулятивный эффект клена, наоборот, крайне низок. В листьях деревьев, находящихся со стороны автомагистралей, содержится на 30-60 % больше металлов. Неплохими фильтрами свинца служат хвойные растения (ель и сосна), они способны накапливать металл и не обменивать его с окружающей средой (Сенновская, 2006).

Интенсивно депонируют свинец и представители низших растений - мхи и лишайники, также отмечены высокие концентрации тяжелого металла в грибах. Активно накапливают свинец употребляемые в пищу сельскохозяйственные растения капуста, редька, картофель (Титов и др., 2007).

Тем не менее живые организмы все же нуждаются в малых количествах свинца. Ежегодно 70-80 тыс. т свинца вовлекается растительностью суши в биологический круговорот. Массовая доля свинца в зольном остатке растений не значительна и составляет 0,001 - 0,002 %.

Крайне интенсивными темпами происходит техногенное рассеивание свинца, воды рек выносят в год 17 000 - 18 000 тонн свинца, что примерно в 200 раз меньше количества выплавляемого металла.

Для растений кадмий - это высокотоксичный элемент, являющийся одним из наиболее опасных среди тяжелых металлов (Алексеев, 1987; Казнина, 2010; Prasad, 1995; Heiss et al., 2003). Хозяйственная деятельность человека приводит к повышению его содержания в почвенном покрове. Данное явление также сопровождается значительным возрастанием количества токсичных ионов в растениях, что существенно сказывается на многих процессах их жизнедеятельности (Титов и др., 2007). Изучение влияния кадмия на растения часто привлекает исследователей, данной проблематике посвящено большое количество научных трудов (Мельничук, 1990; Серегин, 2001; Титов и др., 2007; Sanita" di Toppi, Gabrielli, 1999; Vassilev, 2002). В вышеперечисленных работах сообщается, что при определении степени ингибирования металлом отдельных физиологических показателей таксономическая принадлежность растений играет важную роль, как и концентрация металла в корнеобитаемой зоне и продолжительность его воздействия на растение. Некоторые авторы отмечают зависимость отклика растений на действие кадмия от их биологического возраста, но объективных экспериментальных данных, подтверждающих это явление, очень мало (Казнина и др., 2010).

Негативное влияние кадмия на жизненные функции растительного организма также отмечено на клеточном уровне (Линдиман, 2009). Исследования ученых свидетельствуют о том, что кадмий приводит к ряду структурных изменений в клетках растений. Например, взаимодействуя с ферментами, выполняющими катализирующие функции, тяжелый металл ингибирует фотосинтезирующую функцию.

Общую загрязненность почвы характеризует валовое количество тяжелого металла. Доступность же элементов для растений определяется их подвижными формами. Поэтому содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов - важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническую обстановку и определяющий необходимость проведения мелиоративных детоксикационных мероприятий.
В зависимости от применяемого экстрагента извлекается различное количество подвижной формы тяжелого металла, которое с определенной условностью можно считать доступным для растений. Для экстракции подвижных форм тяжелых металлов используются различные химические соединения, обладающие неодинаковой экстрагирующей силой: кислоты, соли, буферные растворы и вода. Наиболее распространенными экстрагентами являются 1н HCl и ацетатно-аммонийный буфер с pH 4.8. В настоящее время еще накоплено недостаточно экспериментального материала, характеризующего зависимость содержания в растениях тяжелых металлов, экстрагируемых различными химическими растворами, от их концентрации в почве. Сложность этого положения обусловливается еще и тем, что доступность для растений подвижной формы тяжелого металла зависит во многом от свойств почвы и специфических особенностей растений. При этом поведение в почве каждого элемента имеет свои конкретные, присущие ему закономерности.
Для изучения влияния свойств почв на трансформацию соединений тяжелых металлов провели модельные опыты с резко различающимися по свойствам почвами (табл. 8). В качестве экстрагентов использовали сильную кислоту - 1н HNO3, нейтральную соль Ca(NO3)2, ацетатно-аммонийный буферный раствор и воду.