Исследование подвижности тяжелых металлов в грунтах ландшафтов в районе отвалов фосфогипса

После поступления тяжелых металлов в почву дальнейшее их преобразование определяется специфическими факторами: они адсорбируются на поверхности грунтовых частичек, входят в состав кристаллических решеток глинистых минералов, создают собственные минералы в результате изоморфного замещения, находятся в растворенном состоянии в почвенной влаге и в газообразном состоянии в поверхностном воздухе, входят в состав органических решеток, связываются с органическим веществом, являются составной частью почвенной биоты, распределяются по грунтовому профилю [3, 4].

Рисунок 1 - Результаты измерения содержания свинца в пробах почв, отобранных в районе спецотвалов фосфогипса

Известно, что тяжелые металлы в почве могут находиться в различных по растворимости и подвижности формах, а именно: в нерастворимой, входящей в состав грунтовых минералов, в обменной, пребывающей в динамическом равновесии с ионами данного металла в почвенном растворе. Между ними существует не только тесная взаимосвязь, а и возможное превращение одних форм в другие. Подвижные формы металлов могут собираться в почве до больших концентраций, и тем самым оказывать вредное воздействие на почвенную биоту и растения.

Попадая в почву, тяжелые металлы распределяются по горизонтам в соответствии со своей миграционной способностью [1, 3]. Максимальное техногенное влияниеt получают, в первую очередь, верхние гумусовые горизонты почв и подстилка. В поверхностном слое грунта 0 - 10-20 см задерживается основная часть металлов [4]. Здесь возникает первичная трансформация соединений, поступивших в грунт. Соединения существуют в форме обменных ионов, входят в состав гумусовых веществ, карбонатов, оксидов алюминия, железа и марганца [2].

Рисунок 2 - Результаты измерения содержания кадмия в пробах почв, отобранных в районе спецотвалов фосфогипса

Часть тяжелых металлов, иногда до 40%, включается в обменной форме в состав катионов почвенного вбирающего комплекса [5], другая часть (20-39%) удерживается оксидами железа и марганца [6]. Большая часть металлов связывается органическим веществом грунта - гуминовыми и фульвокислотами. Почвы, имеющие большую емкость катионного обмена и значительное количество органического вещества, способны накапливать намного больше тяжелых металлов, чем песчаные или бедные на гумус [4].

Катионообменная способность обусловлена содержанием и минералогическим составом илистой фракции, а также содержанием органического вещества. Чем выше емкость катионного обмена, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжелым металлам, что снижает их доступность растениям и живым организмам.

Избыток влаги в почве способствует появлению тяжелых металлов в низкой степени окисления и в более растворимых формах. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям.

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии, дефляции. Первый период полуудаления (т.е. сокращение начальной концентрации вдвое) тяжелых металлов сильно варьирует: для свинца - от 740 до 5900 лет, кадмия - от 13 до 1100 лет, для меди - от 310 до 1500 лет, для цинка - от 70 до 510 лет.

Определения форм тяжелых металлов - трудоемкая и аналитически сложная задача, поскольку элементы могут присутствовать в грунте в виде как минеральных, так и не минеральных соединений.

За последние годы предложен целый ряд методов определения форм пребывания элементов: химических, биологических и микробиологических. Химические методы, благодаря простоте анализа, используются чаще всего.

Привлекают внимание разработки экологических шкал грунтов по содержанию в них подвижной формы (экстрагент -- аммонийно-ацетатный буфер) и по ПДК для кислотно-растворимой формы тяжелых металлов [3]. Однако эти материалы охватывают небольшое число химических элементов и пригодные лишь для некоторых типов почв.

Перед нами стояла задача оценить влияние отвала фосфогипса на экологическое состояние окружающей среды. Объектом изучения были дерново-подзолистые грунты южной части Сумской области.

Главным заданием являлось изучение поверхностного и вертикального распределения тяжелых металлов в грунтах в районе отвалов фосфогипса. Среди тяжелых металлов наиболее токсичными являются кадмий и свинец, а также никель, медь, цинк и др.

Валовое содержание металлов в почве определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии с испарением в пламени растворов проб. Соединения этих металлов, образующиеся при высыхании капель аэрозоля, термически нестойки, полностью разрушаются и диссоциируют в воздушно-ацетиленовом пламени [5]. Потенциалы ионизации атомов свинца и кадмия достаточно высоки, и поэтому ионизация их в таком пламени незначительна. Это обеспечивает высокую степень атомизации свинца и кадмия, которая по данным В. Прайса (Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. - М., 1974) составляет 80-90%, и достаточно низкие пределы обнаружения при испарении водных растворов проб в воздушно-ацетиленовом пламени: в расчете на исходный материал пробы для кадмия n•10^-5%, для свинца n•10^-3%.

Результаты измерения содержания кадмия и свинца в пробах грунта, отобранных на территории производственной деятельности ОАО "Сумыхимпром": непосредственно на законсервированном отвале фосфогипса первой очереди и в радиусе 400 метров от действующего отвала второй серии на сельскохозяйственном поле представлены на рисунках 1 и 2 на примере кадмия и свинца.

В результате исследования выявлено, что содержание подвижных форм металлов (Pb, Cd, Zn, Ni, Mn, Cu, Cr) в дерново-подзолистых почвах исследуемого района Сумской области значительно ниже предельно и ориентировочно допустимых концентраций (ПДК и ОДК) этих элементов, за исключением кадмия. Наибольшее его концентрация наблюдается в почве в 50 м южнее законсервированного и действующего отвалов фосфогипса и превышает ОДК почти в 1,5 раза (согласно СанП и Н 42-128-4433-87).

Однако среди исследуемых металлов наиболее интенсивным мигрантом на основании экспериментальных данных по профилю дерново-подзолистой почвы оказался свинец. Наиболее наглядно это видно на графике второй очереди отвала фосфогипса.

Приведенные результаты исследований закономерностей накопления различных форм тяжелых металлов в дерново-подзолистых грунтах и особенности их миграции в ландшафтной сфере показали, что их валовое содержание в районе отвалов фосфогипса не превышает фоновые значения за исключением самого токсичного из металлов - кадмия.

Список литературы

1. Лысенко Л.Л., Пономарев М. И., Корнилович Б.Ю. Перспективы решения проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001.- №4.

2. Гринь С.А. Мероприятия по защите окружающей среды от токсичных соединений ванадия: Автореферат дис. канд. техн. Наук. - Харьков, 2000.

3. Трунова І.О., Андрієнко Н.І. Вплив виробництва мінеральних добрив на навколишнє середовище (на прикладі ВАТ «Сумихімпром») // Екологічні проблеми міст і промислових зон: шляхи їх вирішення: Матеріали Міжнародної конференції студентів і молодих вчених - Львів: СПОЛОМ, 2003. - 246 с.

4. Трунова І.О. Забруднення грунтів важкими металами в районі відвалів фосфогіпсу // Межрегиональные проблеммы экологической безопасности «МПЭБ-2003»: Сборник тезисов трудов симпозиума. - Сумы, Довкілля, 2003. - 114 с.

5. Бабейова Н.О., Главати О.Л. Экологические последствия загрязнения кадмием грунтов и почвенных вод// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - №1.

6. Балюк С.А., Ладних В. Я., Мошник Л.І. Оцінка забруднення зрошувальної води и ґрунтів важкими металами // Вісник аграрної науки. - 2003. - №1.