Pagrindinis tyrimas. Anotacija: Sunkieji metalai dirvožemyje

Stibis

Esama kai kuriose rūdose.

Tai yra lydinių, naudojamų įvairiose pramonės srityse, dalis.

Jo perteklius sukelia rimtus valgymo sutrikimus.

Arsenas

Pagrindinis dirvožemio taršos arsenu šaltinis yra medžiagos, naudojamos naikinti žemės ūkio augalų kenkėjus, pavyzdžiui, herbicidai, insekticidai. Arsenas yra kaupiamasis nuodas, sukeliantis lėtines ligas. Jo junginiai provokuoja nervų sistemos, smegenų ir odos ligas.

Manganas

Dirvožemyje ir augaluose pastebimas didelis šio elemento kiekis.

Jei į dirvą patenka papildomas kiekis mangano, greitai susidaro pavojingas jo perteklius. Tai paveikia žmogaus kūną nervų sistemos sunaikinimo forma.

Kitų sunkiųjų elementų perteklius yra ne mažiau pavojingas.

Iš to, kas pasakyta, galime daryti išvadą, kad sunkiųjų metalų kaupimasis dirvožemyje sukelia rimtų pasekmių žmonių sveikatai ir visai aplinkai.

Pagrindiniai kovos su dirvožemio tarša sunkiaisiais metalais metodai

Dirvožemio užteršimo sunkiaisiais metalais būdai gali būti fiziniai, cheminiai ir biologiniai. Tarp jų yra šie metodai:

• Padidėjęs dirvožemio rūgštingumas padidina tikimybę, todėl organinių medžiagų ir molio įvedimas, kalkinimas tam tikru mastu padeda kovoti su tarša.
• Sėjant, pjaunant ir pašalinus kai kuriuos augalus, pavyzdžiui, dobilus, nuo dirvos paviršiaus, ženkliai sumažėja sunkiųjų metalų koncentracija dirvoje. Be to, šis metodas yra visiškai nekenksmingas aplinkai.
• Požeminio vandens detoksikacija, jo siurbimas ir valymas.
• Tirpios sunkiųjų metalų formos migracijos numatymas ir pašalinimas.
• Kai kuriais ypač sunkiais atvejais reikia visiškai pašalinti dirvožemio sluoksnį ir jį pakeisti nauju.

Pavojingiausias iš visų šių metalų yra švinas. Jis turi savybę kauptis, kad atsitrenktų į žmogaus kūną. Vieną ar kelis kartus patekęs į žmogaus organizmą gyvsidabris nėra pavojingas, ypač pavojingi tik gyvsidabrio garai. Manau, kad pramonės įmonės turėtų naudoti pažangesnes gamybos technologijas, kurios ne taip kenkia viskam, kas gyva. Turėtų galvoti ne vienas žmogus, o masė, tada pasieksime gerą rezultatą.

Aplinkos apsauga nuo taršos tapo neatidėliotina visuomenės užduotimi. Sunkieji metalai užima ypatingą vietą tarp daugybės teršalų. Tai sąlyginai apima cheminius elementus, kurių atominė masė didesnė nei 50, kurie turi metalų savybių. Tarp cheminių elementų sunkieji metalai laikomi nuodingiausiais.

Dirvožemis yra pagrindinė terpė, į kurią patenka sunkieji metalai, įskaitant iš atmosferos ir vandens aplinkos. Jis taip pat tarnauja kaip antrinės paviršinio oro ir vandenų, iš jo patenkančių į Pasaulio vandenyną, taršos šaltinis.

Sunkieji metalai pavojingi, nes turi savybę kauptis gyvuose organizmuose, būti įtraukti į medžiagų apykaitos ciklą, sudaryti labai toksiškus metalo organinius junginius, keisti savo formą pereinant iš vienos natūralios aplinkos į kitą, nepatirdami biologinio irimo. Sunkieji metalai žmogui sukelia rimtus fiziologinius sutrikimus, toksikozes, alergijas, onkologines ligas, neigiamai veikia vaisių ir genetinį paveldimumą.

Tarp sunkiųjų metalų švinas, kadmis ir cinkas laikomi prioritetiniais teršalais, daugiausia dėl to, kad jų technogeninis kaupimasis aplinkoje vyksta dideliu greičiu. Ši medžiagų grupė turi didelį afinitetą fiziologiškai svarbiems organiniams junginiams.

Dirvožemio tarša mobiliomis sunkiųjų metalų formomis yra pati aktualiausia, nes pastaraisiais metais aplinkos taršos problema įgavo grėsmingą pobūdį. Esant dabartinei situacijai, būtina ne tik intensyvinti visų sunkiųjų metalų problemos biosferoje aspektų tyrimus, bet ir periodiškai apibendrinti gautus rezultatus, kad būtų galima suvokti skirtingose, dažnai silpnai tarpusavyje susijusiose, atšakose gautus rezultatus. mokslas.

Šio tyrimo objektas – Uljanovsko Zheleznodorozhny rajono antropogeniniai dirvožemiai (Transportnaja gatvės pavyzdžiu).

Pagrindinis tyrimo tikslas – nustatyti miestų dirvožemių užterštumo sunkiaisiais metalais laipsnį.

Tyrimo tikslai: pH reikšmės nustatymas pasirinktuose dirvožemio mėginiuose; judrių vario, cinko, kadmio, švino formų koncentracijos nustatymas; gautų duomenų analizė ir rekomendacijų pasiūlymas mažinti sunkiųjų metalų kiekį miestų dirvožemiuose.

Mėginiai 2005 m. buvo paimti greitkelyje palei Transportnaya g., o 2006 m. asmeninio ūkio sklypų teritorijoje (palei tą pačią gatvę), esančiuose šalia geležinkelio bėgių. Mėginiai buvo paimti 0-5 cm ir 5-10 cm gylyje.Iš viso paimta 20 mėginių, kurių kiekvienas svėrė 500 g.

Tirti 2005 ir 2006 m. mėginių pavyzdžiai priklauso neutraliam dirvožemiui. Neutralus dirvožemis iš tirpalų sugeria sunkiuosius metalus labiau nei rūgštus. Tačiau iškritus rūgštiniam lietui (tyrinėjama teritorija yra Sviyagos upės salpoje), kyla pavojus, kad padidės sunkiųjų metalų mobilumas ir jų prasiskverbimas į gruntinius vandenis bei šalia esantį rezervuarą, o tai iš karto paveiks mitybos grandines. Šiuose mėginiuose stebimas mažas humuso kiekis (2-4%). Atitinkamai dirvožemis nesugeba sudaryti organinių metalų kompleksų.

Remiantis laboratoriniais dirvožemių Cu, Cd, Zn, Pb kiekio tyrimais, padarytos išvados apie jų koncentracijas tiriamo ploto dirvožemiuose. 2005 m. mėginiuose buvo nustatytas Cu DLK perteklius 1-1,2 karto, Cd 6-9 kartus, o Zn ir Pb kiekis neviršijo DLK. 2006 m. paimtuose mėginiuose iš namų ūkio sklypų Cu koncentracija neviršijo DLK, Cd kiekis buvo mažesnis nei mėginiuose, paimtuose palei kelią, tačiau vis tiek viršijo DLK skirtinguose taškuose nuo 0,3 iki 4,6 karto. Zn kiekis padidinamas tik 5 taške ir yra 23,3 mg/kg dirvožemio 0-5 cm gylyje (MPC 23 mg/kg), o 5-10 cm gylyje 24,8 mg/kg.

Remiantis tyrimo rezultatais, padarytos tokios išvados: dirvožemiams būdinga neutrali dirvožemio tirpalo reakcija; dirvožemio mėginiai turi mažai humuso; Uljanovsko Zheleznodorozhny rajono teritorijoje pastebimas įvairaus intensyvumo dirvožemio užterštumas sunkiaisiais metalais; nustatė, kad kai kuriuose mėginiuose didelis MPC perteklius, ypač pastebėtas atliekant kadmio koncentracijos dirvožemio tyrimus; ekologinei ir geografinei dirvožemio būklei šioje vietovėje pagerinti rekomenduojama auginti sunkiųjų metalų akumuliacinius augalus ir dirbtiniu jo projektavimu tvarkyti paties dirvožemio ekologines savybes; būtina vykdyti sistemingą stebėseną ir nustatyti labiausiai užterštos ir pavojingiausios visuomenės sveikatai zonas.

Bibliografinė nuoroda

Sunkieji metalai dirvožemyje

Pastaruoju metu dėl sparčios pramonės plėtros smarkiai išaugo sunkiųjų metalų kiekis aplinkoje. Sąvoka „sunkieji metalai“ taikoma metalams, kurių tankis didesnis nei 5 g/cm at. vienetų Tarp cheminių elementų sunkieji metalai yra nuodingiausi ir pagal pavojingumo lygį nusileidžia pesticidams. Tuo pačiu metu toksiški yra šie cheminiai elementai: Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt.

Sunkiųjų metalų fitotoksiškumas priklauso nuo jų cheminių savybių: valentingumo, joninio spindulio ir gebėjimo sudaryti kompleksus. Dažniausiai pagal toksiškumo laipsnį elementai išsidėsto seka: Cu> Ni> Cd> Zn> Pb> Hg> Fe> Mo> Mn. Tačiau ši serija gali šiek tiek pasikeisti dėl nevienodo elementų nusodinimo dirvožemiu ir perėjimo į augalams neprieinamą būseną, augimo sąlygų, pačių augalų fiziologinių ir genetinių savybių. Sunkiųjų metalų transformacija ir migracija vyksta tiesiogiai ir netiesiogiai veikiant komplekso susidarymo reakcijai. Vertinant aplinkos taršą, būtina atsižvelgti į dirvožemio savybes ir visų pirma į granulometrinę sudėtį, humuso kiekį ir buferiškumą. Buferinis pajėgumas suprantamas kaip dirvožemio gebėjimas palaikyti pastovų metalų koncentraciją dirvožemio tirpale.

Dirvožemyje sunkieji metalai yra dviejose fazėse – kietoje ir dirvos tirpale. Metalų egzistavimo formą lemia aplinkos reakcija, dirvožemio tirpalo cheminė ir medžiaginė sudėtis ir visų pirma organinių medžiagų kiekis. Elementai - kompleksinės medžiagos, teršiančios dirvožemį, daugiausia susitelkusios viršutiniame 10 cm sluoksnyje. Tačiau rūgštinant žemą buferinį dirvožemį, nemaža dalis metalų iš mainų sugertos būsenos patenka į dirvožemio tirpalą. Kadmis, varis, nikelis, kobaltas pasižymi stipriu migracijos gebėjimu rūgščioje aplinkoje. Sumažinus pH 1,8-2 vienetais, cinko mobilumas padidėja 3,8-5,4, kadmio - 4-8, vario - 2-3 kartus.

1 lentelė MPC (MAC) standartai, foninės cheminių elementų koncentracijos dirvožemyje (mg/kg)

Taigi, patekę į dirvą sunkieji metalai greitai sąveikauja su organiniais ligandais, sudarydami sudėtingus junginius. Taigi, esant mažoms koncentracijoms dirvožemyje (20-30 mg/kg), apie 30% švino yra kompleksų su organinėmis medžiagomis pavidalu. Švino kompleksinių junginių dalis didėja, kai jo koncentracija yra iki 400 mg/g, o vėliau mažėja. Metalai taip pat sorbuojami (keičiami arba nekeičiami) nusodinant geležies ir mangano hidroksidus, molio mineralus ir dirvožemio organines medžiagas. Augalams prieinami ir galintys išsiplauti metalai dirvožemio tirpale randami laisvųjų jonų, kompleksų ir chelatų pavidalu.

HM pasisavinimas dirvožemyje labiau priklauso nuo aplinkos reakcijos ir nuo to, kokie anijonai vyrauja dirvožemio tirpale. Rūgščioje aplinkoje labiau sorbuojasi varis, švinas ir cinkas, o šarminėje – kadmis ir kobaltas intensyviai. Varis pirmiausia jungiasi su organiniais ligandais ir geležies hidroksidais.

2 lentelė Mikroelementų mobilumas įvairiuose dirvožemiuose priklausomai nuo dirvožemio tirpalo pH

Dirvožemio-klimato veiksniai dažnai lemia HM migracijos ir transformacijos dirvožemyje kryptį ir greitį. Taigi miško stepių zonos dirvožemio ir vandens režimų sąlygos prisideda prie intensyvios vertikalios HM migracijos palei dirvožemio profilį, įskaitant galimą metalų perkėlimą vandens srautu išilgai plyšių, šaknų vagų ir kt.

Nikelis (Ni) yra periodinės sistemos VIII grupės elementas, kurio atominė masė yra 58,71. Nikelis kartu su Mn, Fe, Co ir Cu priklauso vadinamiesiems pereinamiesiems metalams, kurių junginiai yra labai biologiškai aktyvūs. Dėl elektronų orbitalių struktūros ypatumų minėti metalai, įskaitant nikelį, turi gerai išreikštą gebėjimą formuoti kompleksą. Nikelis gali sudaryti stabilius kompleksus, pavyzdžiui, su cisteinu ir citratu, taip pat su daugeliu organinių ir neorganinių ligandų. Geocheminė pirminių uolienų sudėtis daugiausia lemia nikelio kiekį dirvožemyje. Daugiausia nikelio yra dirvožemyje, susidariusiame iš bazinių ir ultrabazinių uolienų. Kai kurių autorių teigimu, daugumos rūšių nikelio pertekliaus ir toksiškumo ribos svyruoja nuo 10 iki 100 mg/kg. Didžioji nikelio dalis yra nejudinamai pritvirtinta dirvožemyje, o labai silpna migracija koloidinėje būsenoje ir mechaninių suspensijų sudėtyje neturi įtakos jų pasiskirstymui vertikaliame profilyje ir yra gana vienoda.

Švinas (Pb). Švino chemiją dirvožemyje lemia subtilus priešingai nukreiptų procesų balansas: sorbcija-desorbcija, tirpimas-perėjimas į kietą būseną. Į dirvožemį su emisijomis patekęs švinas įtraukiamas į fizikinių, cheminių ir fizikinių-cheminių virsmų ciklą. Iš pradžių vyrauja mechaninio poslinkio procesai (švino dalelės juda paviršiumi ir dirvožemyje išilgai plyšių) ir konvekcinė difuzija. Tada, tirpstant kietosios fazės švino junginiams, pradedami sudėtingesni fizikiniai ir cheminiai procesai (ypač jonų difuzijos procesai), kuriuos lydi švino junginių, gaunamų su dulkėmis, transformacija.

Nustatyta, kad švinas migruoja tiek vertikaliai, tiek horizontaliai, o antrasis procesas vyrauja prieš pirmąjį. Per 3 metus trukusių stebėjimų forbų pievoje švino dulkės, lokaliai užteptos ant dirvos paviršiaus, horizontalia kryptimi pasislinko 25–35 cm, o jų prasiskverbimo gylis į dirvos storį siekė 10–15 cm. Svarbų vaidmenį vaidina biologiniai veiksniai. švino migracija: augalų šaknys sugeria jonus metalus; auginimo sezono metu jie juda dirvožemio storiu; Kai augalai miršta ir suyra, švinas išsiskiria į aplinkinę dirvožemio masę.

Yra žinoma, kad dirva turi savybę surišti (sorbuoti) į ją patekusį technogeninį šviną. Manoma, kad sorbcija apima keletą procesų: visišką keitimąsi su absorbuojančio dirvožemio komplekso katijonais (nespecifinė adsorbcija) ir eilę švino kompleksavimo reakcijų su dirvožemio komponentų donorais (specifinė adsorbcija). Dirvožemyje švinas daugiausia siejamas su organinėmis medžiagomis, taip pat su molio mineralais, mangano oksidais, geležies ir aliuminio hidroksidais. Surišdamas šviną, humusas apsaugo nuo jo migracijos į gretimą aplinką ir riboja jo patekimą į augalus. Iš molio mineralų ilitai pasižymi polinkiu į švino sorbciją. Padidėjęs dirvožemio pH kalkinimo metu lemia dar didesnį švino surišimą su dirvožemiu, nes susidaro mažai tirpūs junginiai (hidroksidai, karbonatai ir kt.).

Švinas, esantis dirvožemyje judriomis formomis, laikui bėgant fiksuojamas dirvožemio komponentais ir tampa nebepasiekiamas augalams. Namų tyrinėtojų teigimu, švinas stipriausiai fiksuojamas chernozemo ir durpių-dumblo dirvožemiuose.

Kadmis (Cd) Kadmio ypatybė, išskirianti jį iš kitų HM, yra ta, kad dirvožemio tirpale jis daugiausia yra katijonų pavidalu (Cd 2+), nors dirvožemyje su neutralia aplinkos reakcija gali susidaryti mažai tirpus. kompleksai su sulfatais, fosfatais arba hidroksidais.

Turimais duomenimis, kadmio koncentracija foninių dirvožemių dirvožemio tirpaluose svyruoja nuo 0,2 iki 6 µg/l. Dirvožemio taršos židiniuose jis padidėja iki 300-400 µg/l.

Yra žinoma, kad kadmis dirvožemyje yra labai judrus; gali dideliais kiekiais pereiti iš kietosios fazės į skystą ir atvirkščiai (dėl to sunku numatyti jo patekimą į augalą). Kadmio koncentraciją dirvožemio tirpale reguliuojančius mechanizmus lemia sorbcijos procesai (sorbcija turime omenyje adsorbciją, kritulius, kompleksų susidarymą). Kadmis dirvožemyje pasisavinamas mažesniais kiekiais nei kiti HM. Sunkiųjų metalų judrumui dirvožemyje apibūdinti naudojamas metalų koncentracijų kietojoje fazėje ir pusiausvyros tirpalo koncentracijų santykis. Didelės šio santykio reikšmės rodo, kad dėl sorbcijos reakcijos HM išlieka kietoje fazėje, o mažos – dėl to, kad metalai yra tirpale, iš kur jie gali migruoti į kitas terpes arba patekti į įvairios reakcijos (geocheminės ar biologinės). Yra žinoma, kad pagrindinis kadmio surišimo procesas yra molio adsorbcija. Naujausi tyrimai taip pat parodė didelį vaidmenį šiame hidroksilo grupių, geležies oksidų ir organinių medžiagų procese. Esant žemam užterštumo lygiui ir neutraliai reaguojant į terpę, kadmį daugiausia adsorbuoja geležies oksidai. O rūgščioje aplinkoje (pH = 5) organinės medžiagos pradeda veikti kaip galingas adsorbentas. Esant žemesniam pH (pH=4), adsorbcijos funkcijos pereina beveik vien tik į organines medžiagas. Mineraliniai komponentai šiuose procesuose nustoja atlikti bet kokį vaidmenį.

Yra žinoma, kad kadmis yra ne tik sorbuojamas dirvožemio paviršiuje, bet ir fiksuojamas dėl kritulių, koaguliacijos ir molio mineralų įsisavinimo tarp paketų. Jis difunduoja į dirvožemio daleles per mikroporas ir kitais būdais.

Įvairių tipų dirvožemiuose kadmis fiksuojamas skirtingai. Kol kas mažai žinoma apie kadmio konkurencinius ryšius su kitais metalais sorbcijos procesuose dirvožemį sugeriančiame komplekse. Kopenhagos technikos universiteto (Danija) specialistų atliktais tyrimais, esant nikeliui, kobaltui ir cinkui, kadmio pasisavinimas dirvožemyje buvo slopinamas. Kiti tyrimai parodė, kad kadmio sorbcijos procesai dirvožemyje suyra esant chlorido jonams. Dirvožemio prisotinimas Ca 2+ jonais padidino kadmio sorbcijos gebą. Daugelis kadmio ryšių su dirvožemio komponentais yra trapūs, tam tikromis sąlygomis (pavyzdžiui, rūgščios aplinkos reakcijos metu) jis išsiskiria ir vėl ištirpsta.

Atskleidžiamas mikroorganizmų vaidmuo kadmio tirpimo ir jo perėjimo į judrią būseną procese. Dėl jų gyvybinės veiklos susidaro arba vandenyje tirpūs metalų kompleksai, arba susidaro fizinės ir cheminės sąlygos, palankios kadmio perėjimui iš kietos fazės į skystą.

Procesai, vykstantys su kadmiu dirvožemyje (sorbcija-desorbcija, perėjimas į tirpalą ir kt.), yra tarpusavyje susiję ir priklausomi, šio metalo patekimas į augalus priklauso nuo jų krypties, intensyvumo ir gylio. Yra žinoma, kad kadmio sorbcijos dirvožemyje vertė priklauso nuo pH vertės: kuo dirvožemio pH didesnis, tuo jis labiau pasisavina kadmį. Taigi, turimais duomenimis, esant pH intervalui nuo 4 iki 7,7, padidėjus pH vienetui, dirvožemio sorbcijos geba kadmio atžvilgiu padidėjo maždaug tris kartus.

Cinkas (Zn). Cinko trūkumas gali pasireikšti tiek rūgščiose, stipriai podzolizuotose lengvose dirvose, tiek karbonatinėse, neturtingose ​​cinko ir labai humusingose ​​dirvose. Cinko trūkumo pasireiškimą sustiprina didelių fosfatinių trąšų dozių naudojimas ir stiprus podirvio arimas iki ariamo horizonto.

Didžiausias bendras cinko kiekis tundros (53-76 mg/kg) ir chernozemo (24-90 mg/kg) dirvožemiuose, mažiausias - velėniniuose-podzoliniuose (20-67 mg/kg). Cinko trūkumas dažniausiai pasireiškia neutraliuose ir silpnai šarminiuose kalkinguose dirvožemiuose. Rūgščioje dirvoje cinkas yra judresnis ir prieinamas augalams.

Cinkas dirvožemyje yra joninėje formoje, kur jis adsorbuojamas katijonų mainų mechanizmu rūgštinėje arba chemisorbcijos būdu šarminėje terpėje. Zn 2+ jonas yra pats judriausias. Cinko judrumui dirvožemyje daugiausia įtakos turi pH vertė ir molio mineralų kiekis. Esant pH<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.

Sunkieji metalai augaluose

Pasak A.P.Vinogradovo (1952), visi cheminiai elementai vienu ar kitu laipsniu dalyvauja augalų gyvenime, o jei daugelis jų laikomi fiziologiškai reikšmingais, tai tik todėl, kad tam dar nėra įrodymų. Nedideliu kiekiu patekęs į augalą ir tapęs juose esančių fermentų sudedamąja dalimi ar aktyvatoriais, mikroelementas atlieka aptarnavimo funkcijas medžiagų apykaitos procesuose. Kai į aplinką patenka neįprastai didelė elementų koncentracija, jie tampa toksiški augalams. Per didelis sunkiųjų metalų įsiskverbimas į augalų audinius sutrikdo normalią jų organų veiklą, o šis pažeidimas yra stipresnis, tuo didesnis toksinių medžiagų perteklius. Dėl to produktyvumas krenta. Toksinis HM poveikis pasireiškia nuo ankstyvųjų augalų vystymosi etapų, tačiau skirtingu laipsniu įvairiuose dirvožemiuose ir įvairiems augalams.

Augalų cheminių elementų įsisavinimas yra aktyvus procesas. Pasyvi difuzija sudaro tik 2-3% visos suvirškintų mineralinių komponentų masės. Kai metalų kiekis dirvožemyje yra fono lygyje, vyksta aktyvi jonų absorbcija, o jei atsižvelgsime į mažą šių elementų mobilumą dirvožemyje, tada prieš jų absorbciją turėtų būti mobilizuojami stipriai surišti metalai. Kai HM kiekis šaknies sluoksnyje gerokai viršija ribines koncentracijas, kuriose metalas gali fiksuotis vidinių dirvožemio išteklių sąskaita, į šaknis patenka toks metalų kiekis, kurio membranos nebegali išlaikyti. Dėl to jonų arba elementų junginių tiekimą nustoja reguliuoti ląstelių mechanizmai. HM intensyviau kaupiasi rūgščiose dirvose nei dirvose su neutralia arba artima neutralia aplinkos reakcija. Faktinio HM jonų dalyvavimo cheminėse reakcijose matas yra jų aktyvumas. Didelės koncentracijos HM toksinis poveikis augalams gali pasireikšti kitų cheminių elementų tiekimo ir paskirstymo sutrikimu. HM sąveikos su kitais elementais pobūdis skiriasi priklausomai nuo jų koncentracijos. Migracija ir patekimas į augalą vyksta sudėtingų junginių pavidalu.

Pradiniu aplinkos taršos sunkiaisiais metalais laikotarpiu dėl dirvožemio buferinių savybių, lemiančių toksinių medžiagų inaktyvavimą, augalai neigiamo poveikio praktiškai nepatirs. Tačiau apsauginės dirvožemio funkcijos nėra neribotos. Didėjant sunkiųjų metalų taršos lygiui, jų inaktyvacija tampa nepilna ir jonų srautas puola šaknis. Dalį jonų augalas sugeba pereiti į mažiau aktyvią būseną dar prieš jiems prasiskverbdamas į augalų šaknų sistemą. Tai, pavyzdžiui, chelatacija naudojant šaknų sekretus arba adsorbcija išoriniame šaknų paviršiuje, susidarant sudėtingiems junginiams. Be to, kaip parodė augalijos eksperimentai su akivaizdžiai toksiškomis cinko, nikelio, kadmio, kobalto, vario ir švino dozėmis, šaknys yra dirvos sluoksniuose, neužterštose HM, ir šiuose variantuose nėra jokių fototoksiškumo simptomų.

Nepaisant apsauginių šaknų sistemos funkcijų, HM patenka į šaknį taršos sąlygomis. Tokiu atveju įsijungia apsaugos mechanizmai, dėl kurių atsiranda specifinis HM pasiskirstymas tarp augalų organų, leidžiantis kuo geriau užtikrinti jų augimą ir vystymąsi. Tuo pačiu metu, pavyzdžiui, HM kiekis šaknų ir sėklų audiniuose labai užterštos aplinkos sąlygomis gali skirtis 500–600 kartų, o tai rodo dideles šio požeminio augalo organo apsaugines galimybes.

Cheminių elementų perteklius sukelia augalų toksikozę. Didėjant HM koncentracijai, iš pradžių sulėtėja augalų augimas, vėliau prasideda lapų chlorozė, kurią pakeičia nekrozė, galiausiai pažeidžiama šaknų sistema. Toksinis HM poveikis gali pasireikšti tiesiogiai ir netiesiogiai. Tiesioginis HM pertekliaus poveikis augalų ląstelėse atsiranda dėl sudėtingų formavimosi reakcijų, dėl kurių blokuojami fermentai arba nusodinami baltymai. Fermentinės sistemos dezaktyvuojamos dėl metalo fermento pakeitimo metalo teršalu. Esant kritiniam toksinės medžiagos kiekiui, fermento katalizinis gebėjimas žymiai sumažėja arba visiškai blokuojamas.

Augalai yra sunkiųjų metalų hiperakumuliatoriai

AP Vinogradovas (1952) išskyrė augalus, gebančius koncentruoti elementus. Jis nurodė dviejų tipų augalus – koncentratorius: 1) augalus, koncentruojančius elementus masiškai; 2) selektyvinės (rūšinės) koncentracijos augalai. Pirmojo tipo augalai praturtinami cheminiais elementais, jei pastarųjų dirvožemyje yra didesnis kiekis. Koncentraciją šiuo atveju lemia aplinkos veiksnys. Antrojo tipo augalams būdingas nuolat didelis vienokių ar kitokių cheminių elementų kiekis, nepriklausomai nuo jo kiekio aplinkoje. Taip yra dėl genetiškai fiksuoto poreikio.

Atsižvelgiant į sunkiųjų metalų pasisavinimo iš dirvožemio į augalus mechanizmą, galima kalbėti apie barjerinį (nekoncentruojantį) ir bebarjerinį (koncentruojantį) elementų kaupimosi tipus. Barjerų kaupimasis būdingas daugumai aukštesnių augalų, o ne bryofitams ir kerpėms. Taigi M. A. Toikka ir L. N. Potekhinos darbuose (1980) sfagnas (2,66 mg/kg) buvo įvardytas kaip augalas-kobalto koncentratorius; varis (10,0 mg/kg) - beržas, kaulavaisis, pakalnutė; manganas (1100 mg / kg) - mėlynės. Lepp ir kt. (1987) nustatė didelę kadmio koncentraciją beržynuose augančio grybo Amanita muscaria sporoforuose. Grybelio sporoforuose kadmio buvo 29,9 mg/kg sausos masės, o dirvoje, kurioje jie augo, – 0,4 mg/kg. Yra nuomonė, kad augalai, kurie yra kobalto koncentratoriai, taip pat yra labai tolerantiški nikeliui ir gali jį kaupti dideliais kiekiais. Tai visų pirma Boraginaceae, Brassicaceae, Myrtaceae, Fabaceae, Caryophyllaceae šeimų augalai. Tarp vaistinių augalų taip pat yra nikelio koncentratorių ir superkoncentratorių. Superkoncentratoriai yra melionmedis, belladonna belladonna, geltonoji mache, motininės žolės širdis, mėsos raudonoji pasifloros gėlė ir lancetiška termopsis. Didelės koncentracijos cheminių elementų kaupimosi maistinėje terpėje tipas priklauso nuo augalų vegetacijos fazių. Bebarjerinis kaupimasis būdingas daigų fazei, kai augalams antžeminės dalys nediferencijuojamos į įvairius organus, o paskutinėse vegetacijos fazėse – po subrendimo, taip pat žiemos ramybės laikotarpiu, kai gali kauptis be kliūčių. lydi perteklinių cheminių elementų išsiskyrimas kietojoje fazėje (Kovalevsky, 1991).

Hiperakumuliaciniai augalai buvo rasti Brassicaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae ir Scrophulariaceae šeimose (Baker 1995). Geriausiai žinomas ir ištirtas iš jų yra Brassica juncea (Indijos garstyčios) – augalas, išvystantis didelę biomasę ir galintis kaupti Pb, Cr (VI), Cd, Cu, Ni, Zn, 90Sr, B ir Se (Nanda Kumar). ir kt., 1995; Salt ir kt., 1995; Raskin ir kt., 1994). Iš įvairių tirtų augalų rūšių B. juncea turėjo ryškiausią savybę pernešti šviną į oro dalis, o oro organuose sukaupė daugiau nei 1,8 % šio elemento (sausos masės atžvilgiu). Išskyrus saulėgrąžas (Helianthus annuus) ir tabaką (Nicotiana tabacum), kitų augalų rūšių, nepriklausančių Brassicaceae šeimai, biologinio prieinamumo koeficientas buvo mažesnis nei 1.

Pagal daugelio užsienio autorių naudojamą augalų klasifikaciją pagal reakciją į sunkiųjų metalų buvimą auginimo terpėje augalai turi tris pagrindines strategijas augti metalais užterštoje dirvoje:

Metalo išskyrikliai. Tokie augalai išlaiko pastovią mažą metalo koncentraciją, nepaisant didelių jo koncentracijos skirtumų dirvožemyje, daugiausia išlaikant metalą šaknyse. Išskirtiniai augalai gali pakeisti membranos pralaidumą ir ląstelių sienelių metalo surišimo gebą arba išskirti didelius kompleksonų kiekius.

Metaliniai indikatoriai. Tai apima augalų rūšis, kurios aktyviai kaupia metalą antžeminėse dalyse ir paprastai atspindi metalo kiekį dirvožemyje. Jie yra tolerantiški esamam metalo koncentracijos lygiui dėl tarpląstelinių metalą rišančių junginių (chelatorių) susidarymo arba pakeičia metalo skyriaus pobūdį, laikydami jį metalui nejautriose vietose. Augalų rūšys, kaupiančios metalus. Šiai grupei priklausantys augalai gali kaupti metalą antžeminėje biomasėje daug didesnėmis koncentracijomis nei dirvožemyje. Baker ir Brooks apibrėžė metalinius hiperakumuliatorius kaip augalus, kuriuose yra daugiau nei 0,1 proc., t.y. daugiau kaip 1000 mg/g vario, kadmio, chromo, švino, nikelio, kobalto arba 1 % (daugiau kaip 10 000 mg/g) cinko ir mangano sausos masės. Retiesiems metalams ši vertė yra didesnė nei 0,01 % sausos masės. Tyrėjai nustato hiperakumuliacines rūšis rinkdami augalus iš vietovių, kuriose dirvožemyje yra metalų, viršijančių foninę koncentraciją, pavyzdžiui, užterštose vietose ar rūdos kūnų atodangose. Hiperakumuliacijos fenomenas tyrinėtojams kelia daug klausimų. Pavyzdžiui, kokią reikšmę augalams turi metalo kaupimasis labai toksiškomis koncentracijomis. Galutinis atsakymas į šį klausimą dar negautas, tačiau yra kelios pagrindinės hipotezės. Manoma, kad tokie augalai turi sustiprintą jonų įsisavinimo sistemą ("netyčinio" įsisavinimo hipotezę), kad galėtų atlikti tam tikras fiziologines funkcijas, kurios dar nebuvo ištirtos. Taip pat manoma, kad hiperakumuliacija yra viena iš augalų tolerancijos dideliam metalų kiekiui augančioje aplinkoje rūšių.

Pagrindiniai sunkiųjų metalų šaltiniai yra pramonės įmonių, įvairių tipų elektrinių, kasybos ir perdirbimo pramonės įmonių atliekos, taip pat automobilių ir kai kurių kitų įrenginių išmetamosios dujos. Dažniausiai sunkieji metalai į aplinką patenka aerozolių arba cheminių junginių, tokių kaip sulfatai, sulfidai, karbonatai, oksidai ir kt., pavidalu.

Kurie iš sunkiųjų metalų dažniausiai teršia dirvožemį? Pramoninėse atliekose dažniausiai pasitaikantys sunkieji metalai yra gyvsidabris, švinas ir kadmis. Arsenas, cinkas, geležis, varis ir manganas taip pat dažnai randami tarp kenksmingų išmetamųjų teršalų.

Sunkieji metalai į aplinką gali patekti netirpiomis ir tirpiomis formomis.

Dirvožemio užteršimo sunkiaisiais metalais būdai

Pirmas dirvožemio užteršimo sunkiaisiais metalais būdas – patekti į vandenį ir tolesnis šio vandens pasklidimas dirvožemyje.

Kitas variantas – sunkieji metalai patekti į atmosferą ir nusodinti nuosėdų per sausą arba šlapią nusodinimą.

Dirvožemio sąveika su sunkiaisiais metalais

Dirvožemis yra įvairių cheminių elementų, įskaitant sunkiuosius metalus, adsorbentas. Ilgą laiką jie yra žemėje, palaipsniui nukenksminami. Kai kurių sunkiųjų metalų atveju šie laikotarpiai gali būti keli šimtai ar net tūkstančiai metų.

Sunkiųjų ir kitų metalų jonai gali reaguoti su dirvožemio komponentais, panaudoti išplaunant, per eroziją, defliaciją ir per augalus.

Kokie yra sunkiųjų metalų nustatymo dirvožemyje metodai?

Visų pirma, reikia suprasti, kad dirvožemio sudėtis yra nevienalytė, todėl net ir tame pačiame žemės sklype dirvožemio rodikliai įvairiose jo dalyse gali labai skirtis. Todėl reikia paimti kelis mėginius ir arba tirti kiekvieną atskirai, arba sumaišyti į vieną masę ir iš ten paimti mėginį analizei.

Metalų nustatymo dirvožemyje metodų skaičius yra gana didelis, pavyzdžiui, kai kurie iš jų:

• kilnojamųjų formų nustatymo metodas.
• mainų formų nustatymo metodas.
• rūgštyje tirpių (technogeninių) formų nustatymo metodas.
• bruto turinio metodas.

Naudojant šiuos metodus, atliekamas metalų išgavimo iš dirvožemio procesas. Vėliau būtina nustatyti tam tikrų metalų procentą pačiame ekstrakte, kuriam naudojamos trys pagrindinės technologijos:

2) Masių spektrometrija su induktyviai sujungta plazma.

3) Elektrocheminiai metodai.

Atitinkamai technologijai skirtas prietaisas parenkamas priklausomai nuo to, kuris elementas tiriamas ir kokios jo koncentracijos tikimasi dirvožemio ekstrakte.

Spektrometriniai sunkiųjų metalų dirvožemyje tyrimo metodai

1) Atominės absorbcijos spektrometrija.

Dirvožemio mėginys ištirpinamas specialiame tirpiklyje, po to reagentas susijungia su tam tikru metalu, nusėda, išdžiūsta ir užsidega, kad masė būtų pastovi. Tada sveriama naudojant analitines svarstykles.

Šio metodo trūkumai apima daug laiko, reikalingo analizei, ir aukštą tyrėjo kvalifikacijos lygį.

2) Atominės absorbcijos spektrometrija su plazmos purškimu.

Tai labiau paplitęs metodas, leidžiantis vienu metu nustatyti kelis skirtingus metalus. Jis taip pat skiriasi tikslumu. Metodo esmė tokia: mėginys turi būti perkeltas į dujinę atominę būseną, tada analizuojamas spinduliuotės sugerties laipsnis dujų atomais – ultravioletiniu arba matomu.

Elektrocheminiai sunkiųjų metalų dirvožemyje tyrimo metodai

Parengiamasis etapas susideda iš dirvožemio mėginio ištirpinimo vandeniniame tirpale. Ateityje bus naudojamos tokios sunkiųjų metalų nustatymo technologijos:

• potenciometrija.
• voltammetrija.
• konduktometrija.
• kulonometrija.