С чем связано загрязнение почвы тяжелыми металлами и как с этим бороться?

Почва — это сложная экосистема, которая под действием техногенных факторов подвергается постоянным изменениям. Любые процессы, в результате которых в грунте оседают нетипичные микро- и макроэлементы с высоким токсичным воздействием, называются загрязнением почвы. Особую опасность представляют тяжелые металлы.

Почва — динамичная и сложная система. Грунт оказывает воздействие на активность живых организмов и даже может изменять климат. Почве отводится ключевая роль в защите грунтовых вод, она способствует связыванию токсичных соединений и таким образом выступает как накопитель органических и неорганических веществ. В связи с интенсивным развитием промышленности в последние годы резко увеличился объем загрязнения земель тяжелыми металлами. Это приводит к серьезному ухудшению окружающей среды, оказывает негативное воздействие на здоровье людей и животных.

Основными источниками токсичных солей становятся заводы и мусор. Каждый день люди вырабатывают десятки тонн отходов, из них только 4% идет на переработку, остальные попадают на свалку. Их валовое содержание с каждым годом растет, и это негативно сказывается на экологической обстановке. В огромных количествах в почве оказываются ртуть, кадмий, свинец и другие металлы. При превышении фоновой концентрации металла в 10 раз начинаются физиологические изменения состава грунта, а после преодоления значения в 16 ПДК происходит загрязнение. По оценкам экспертов, сегодня эти показатели крайне высоки.

Перечислим источники загрязнения почвы.

• Твердые бытовые отходы. Площади свалок во всем мире занимают миллионы километров, а разложение отходов растягивается на десятки и сотни лет. Все эти годы токсичные металлы медленно поступают в землю, отравляя территорию вокруг и делая ее непригодной для жизни животных и растений.
• Окружающая среда. Тяжелые металлы концентрируются в воде и воздухе. Любые водоемы, кроме озер и прудов, проходят естественную фильтрацию через грунт. Таким образом в земле оказываются химические элементы, которые со временем приводят к загрязнению плодородного слоя.
• Промышленные предприятия. Крупные производства представляют наибольшую опасность для экосистем.

Перечислим наиболее токсичные вещества.

Это вещество поступает в землю вместе с пестицидами, использующимися в земледелии для борьбы с вредителями и болезнями сельхозкультур. Второй источник ртути — бытовые и промышленные отходы, элемент присутствует в люминесцентных лампах, термометрах и многих измерительных приборах.

Каждый год в почву поступает до 5 т ртути. Это вещество выделяется в виде паров, оно попадает в воду, а также накапливается в зеленых тканях растений, которыми питаются сельскохозяйственные животные — через них происходит миграция металла в человеческий организм. Ртуть вызывает сильнейшую интоксикацию, приводит к тяжелым патологиям центральной нервной системы и зачастую становится причиной смерти.

Больше всего свинца попадает в землю в месте его добычи. Так, на каждую тонну добытого металла приходится 20–30 кг свинцовой пыли, оседающей на земле. Источниками загрязнения также становятся автомобили — металл присутствует в выхлопных газах, выделяемых двигателями внутреннего сгорания. Именно поэтому много свинца содержится на участках около шоссе и автомагистралей, радиус поражения достигает 200 м.

Оттуда токсины поступают в культивируемые растения, из которых изготавливают продукты питания или заготавливают корм для скота. Вместе с едой свинец попадает в человеческий организм, откладывается в печени и почках.

Основным источником кадмия становятся промышленные отходы в ходе добычи медной и свинцовой руды. Кроме того, кадмий поступает в землю вместе с фунгицидами, суперфосфатом и выхлопными газами.

Эти микроэлементы входят в состав почти всех веществ, вызывающих загрязнения тяжелыми металлами. В малых дозировках никакой угрозы они не несут, но по мере накопления становятся токсичными. Особенно велико заражение в местах добычи этих металлов, а также в нескольких километрах от предприятий, изготавливающих кабели, электронную технику и лакокрасочные изделия.

Поступает в землю в ходе добычи и переработки медных и молибденовых руд. Относится к веществам второго класса опасности — ежедневно в минимальных дозах поступает в организм человека вместе с пищей, суточная норма составляет 250 мкм. Но в случае попадания более 15 мг вызывает сильнейшую интоксикацию, провоцирует развитие подагры, поражает костный мозг и селезенку.

Попадает в землю в результате деятельности предприятий, занимающихся производством и переработкой цветных металлов, сплавов, лакокрасочных изделий и удобрений. Опасность сурьмы заключается в том, что она формирует летучие соединения и может вместе с ветром распространяться на значительные расстояния.

Этот металл поступает в грунт вместе с пестицидами и гербицидами, которые используются в земледелии для борьбы с насекомыми-вредителями. Мышьяк известен своей высокой токсичностью.

В землю марганец попадает в результате деятельности промышленных предприятий. Из почвы оно поступает в растения и воду. По биологическим цепочкам проникает в организм животных и людей. Относится к незаменимым микроэлементам, которые нужны организму для полноценного развития. Однако при превышении необходимых концентраций оказывает негативное воздействие на органы и ткани. При переизбытке марганца происходит отмирание нервных клеток, это вызывает серьезные расстройства и зачастую приводит к гибели живых существ.

Тяжелые металлы оказывают самое неблагоприятное действие на почву. К числу последствий относят:

• снижение плодородия грунта;
• замедление роста и развития культур;
• гибель растений;
• ухудшение качества воды;
• токсичное воздействие на фауну;
• патогенное влияние на микробиологические характеристики.

Загрязнение земли солями тяжелых металлов вызывает нарушение круговорота веществ в природе, и это губительно отражается на основных компонентах биосферы.

Для определения объема загрязнений грунтов используют разные методики, каждая из которых имеет свою специфику и может быть неодинаково эффективной для разных источников загрязнения. Ниже представлен их список.

• Биоиндикация. Это оценка состояния почвы на основе биоиндикаторов. К ним относят активность почвенных микроорганизмов, состояние растений на территории, реакция лишайников и мхов на изменения в структуре субстрата.
• Анализ снежного покрова. В промрегионах с развитой промышленностью токсичные металлы поступают в воздух в виде техногенной пыли и оседают на снегу. Оценка состояния снежного покрова в зимнее время помогает рассчитать приблизительное количество металлов, которое попадает в землю за определенный период времени.
• Расчет магнитной восприимчивости грунта. Это экспресс-методика, она определяет наличие в почве оксидов железа. Именно эти вещества становятся основными разносчиками тяжелых металлов при выбросах в атмосферу.

Для минимизации неблагоприятных последствий, связанных с попаданием солей тяжелых металлов в землю, выделяют два основных направления мероприятий. Первое связано с уменьшением общей концентрации металла, попавшего в землю. Второй предполагает восстановление качественных характеристик грунта, который уже подвергся отрицательному влиянию. Для этого используются разные методики, которые предполагают уменьшение доли токсичных элементов в земле и их нейтрализацию.

• Промывка. При слабой концентрации токсичных металлов используют метод промывки с использованием специальных реагентов. Обычно для этого применяют растворимые соли железа — они характеризуются низкой токсичностью для флоры и фауны. Однако такой способ имеет свои недостатки. В частности, некоторые металлы при промывке оказываются в грунтовых водах. Кроме того, вместе с тяжелыми металлами из земли вымываются и полезные микроэлементы.
• Известкование. Добавление извести благотворно влияет на физические, химические и биологические особенности грунта. В комбинации с известью микроэлементы формируют труднорастворимые соединения, которые со временем рассасываются в ходе химического поглощения. При попадании известняка изменяется уровень кислотности грунта, это приводит к уменьшению подвижности частиц тяжелых металлов и увеличению их растворимости.
• Глинование. Хороший эффект дает глинование грунтов. При внесении в землю глины возрастает ее катионная емкость. Глинистые компоненты выступают в качестве мощного сорбента. В результате подвижность тяжелых металлов сводится к минимуму.
• Природные и искусственные сорбенты. Эта методика предполагает внесение природных сорбентов — цеолитов. Они многократно увеличивают объем впитывания микроэлементов. Обычно для биоремедиации используют червей, насекомых и активные грибы. Искусственными сорбентами выступают биоактивные отходы и активированный уголь.
• Удобрения. Активные компоненты минеральных подкормок могут оказывать влияние на подвижность тяжелых металлов. Однако этот способ не всегда бывает полезен, а при неправильном расчете концентрации может причинить вред экосистеме.

Для рекультивации почвы проводят комплекс мероприятий, направленных на восстановление естественного состава субстрата.

К основным мерам относят:

• выращивание устойчивых к загрязнениям растений;
• фиторемедиацию — высадку культур, способных накапливать и удерживать в своих тканях токсичные металлы;
• постоянный контроль за подвижными металлами в почве;
• замену или разбавление загрязненного слоя почвы;
• поддержание здорового баланса микроэлементов в земле;
• очистку грунтовых вод;
• снижение объема выбросов металлической пыли в воздух;
• повышение кислотности грунтов за счет введения минеральных и органических веществ;
• уменьшение выбросов в процессе производственной деятельности предприятия;
• безопасную утилизацию и переработку промышленных и бытовых отходов;
• получение альтернативных источников энергии.