Metale ciężkie zanieczyszczające glebę. Metale ciężkie w glebach. Niebezpieczeństwo skażenia metalami ciężkimi
Metale ciężkie (HM) zajmują już drugie miejsce pod względem zagrożenia, za pestycydami i znacznie wyprzedzając tak dobrze znane zanieczyszczenia, jak dwutlenek węgla i siarka. W przyszłości mogą stać się bardziej niebezpieczne niż odpady z elektrowni jądrowej i odpady stałe. Zanieczyszczenia HM są związane z ich powszechnym stosowaniem w produkcji przemysłowej. Z powodu niedoskonałych systemów oczyszczania HM przedostają się do środowiska, w tym do gleby, zanieczyszczając ją i zatruwając. HM to szczególne zanieczyszczenia, których monitorowanie jest obowiązkowe we wszystkich środowiskach.
Gleba jest głównym środowiskiem, do którego przedostają się HM, w tym z atmosfery i środowiska wodnego. Służy również jako źródło wtórnego zanieczyszczenia powietrza powierzchniowego i wód, które dostają się z niego do Oceanu Światowego.
HM są wchłaniane z gleby przez rośliny, które następnie dostają się do żywności.
Termin „metale ciężkie”, charakteryzujący szeroką grupę zanieczyszczeń, stał się ostatnio powszechnie używany. W różnych pracach naukowych i stosowanych autorzy różnie interpretują znaczenie tego pojęcia. Pod tym względem liczba pierwiastków przypisywanych do grupy metali ciężkich waha się w szerokim zakresie. Kryteriami członkostwa są liczne cechy: masa atomowa, gęstość, toksyczność, rozpowszechnienie w środowisku naturalnym, stopień zaangażowania w cykle naturalne i technogeniczne.
W pracach poświęconych problematyce zanieczyszczenia środowiska i monitoringu środowiska, dziś ponad 40 elementów D.I. Mendelejew o masie atomowej ponad 40 jednostek atomowych: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi itp. Zgodnie z klasyfikacją N. Reimersa , należy uwzględnić metale ciężkie o gęstości większej niż 8 g/cm3. Jednocześnie istotną rolę w kategoryzacji metali ciężkich odgrywają następujące uwarunkowania: wysoka toksyczność dla organizmów żywych w stosunkowo niskich stężeniach oraz zdolność do bioakumulacji i biomagnifikacji. Prawie wszystkie metale objęte tą definicją (z wyjątkiem ołowiu, rtęci, kadmu i bizmutu, których rola biologiczna nie jest obecnie jasna), są aktywnie zaangażowane w procesy biologiczne, są częścią wielu enzymów.
Najpotężniejszymi dostawcami odpadów wzbogaconych w metale są przedsiębiorstwa zajmujące się wytopem metali nieżelaznych (aluminium, tlenek glinu, miedź-cynk, wytapianie ołowiu, nikiel, tytan-magnez, rtęć itp.), A także przetwarzanie metali nieżelaznych ( inżynieria radiowa, elektrotechnika, budowa instrumentów, galwanizacja itp.).
W pyłach przemysłu metalurgicznego, zakładach przeróbki rud stężenie Pb, Zn, Bi, Sn może wzrosnąć w stosunku do litosfery o kilka rzędów wielkości (do 10-12), stężenie Cd, V, Sb - dziesiątki tysięcy razy, Cd, Mo, Pb, Sn, Zn, Bi, Ag - setki razy. Odpady z zakładów hutnictwa metali nieżelaznych, fabryk farb i lakierów oraz konstrukcji żelbetowych są wzbogacane rtęcią. Stężenia W, Cd i Pb są podwyższone w pyłach z zakładów budowy maszyn (tab. 1).
Tabela 1. Główne technogeniczne źródła metali ciężkich
Pod wpływem emisji wzbogaconych w metale powstają obszary zanieczyszczenia krajobrazu głównie na poziomie regionalnym i lokalnym. Wpływ przedsiębiorstw energetycznych na zanieczyszczenie środowiska nie wynika z koncentracji metali w odpadach, ale z ich ogromnej ilości. Masa odpadów np. w ośrodkach przemysłowych przekracza ich łączną ilość pochodzącą ze wszystkich innych źródeł zanieczyszczeń. Znaczna ilość Pb jest uwalniana do środowiska wraz ze spalinami samochodowymi, co przewyższa jego pobranie wraz z odpadami z zakładów metalurgicznych.
Gleby uprawne są zanieczyszczone pierwiastkami takimi jak Hg, As, Pb, Cu, Sn, Bi, które dostają się do gleby jako część pestycydów, biocydów, stymulatorów wzrostu roślin, strukturotwórców. Nietradycyjne nawozy wytwarzane z różnych produktów odpadowych często zawierają szeroką gamę zanieczyszczeń w wysokich stężeniach. Spośród tradycyjnych nawozów mineralnych nawozy fosforowe zawierają zanieczyszczenia Mn, Zn, Ni, Cr, Pb, Cu, Cd.
Rozmieszczenie w krajobrazie metali uwalnianych do atmosfery ze źródeł technogenicznych determinowane jest odległością od źródła zanieczyszczenia, warunkami klimatycznymi (siła i kierunek wiatrów), ukształtowaniem terenu oraz czynnikami technologicznymi (stan odpadów, sposób wprowadzania odpadów do środowisko, wysokość rur przedsiębiorstw).
Dyssypacja HM zależy od wysokości źródła emisji do atmosfery. Jeśli chodzi o mnie. Berland, przy wysokich kominach, w powierzchniowej warstwie atmosfery w odległości 10-40 wysokości komina powstaje znaczna koncentracja emisji. Wokół takich źródeł zanieczyszczeń wyróżnia się sześć stref (tab. 2). Obszar wpływów poszczególnych przedsiębiorstw przemysłowych na sąsiednim terytorium może sięgać 1000 km2.
Tabela 2. Strefy zanieczyszczenia gleb wokół punktowych źródeł zanieczyszczeń
|
Odległość od źródła zanieczyszczenia w km |
Nadmiar zawartości HM w stosunku do tła |
||
|
Strefa bezpieczeństwa przedsiębiorstwa |
|||
Strefy zanieczyszczenia gleb i ich wielkość są ściśle związane z wektorami dominujących wiatrów. Rzeźba terenu, roślinność, zabudowa miejska mogą zmieniać kierunek i prędkość ruchu powierzchniowej warstwy powietrza. Podobnie jak w przypadku stref zanieczyszczenia gleby, można wyróżnić strefy zanieczyszczenia pokrywy roślinnej.
Gleba to powierzchnia ziemi, która posiada właściwości charakteryzujące zarówno przyrodę ożywioną, jak i nieożywioną.
Gleba jest wskaźnikiem całości. Zanieczyszczenia dostają się do gleby wraz z opadami atmosferycznymi, odpadami powierzchniowymi. Są również wprowadzane do warstwy gleby przez skały glebowe i wody gruntowe.
Do grupy metali ciężkich należą wszystkie, których gęstość przekracza gęstość żelaza. Paradoks tych pierwiastków polega na tym, że są one niezbędne w określonych ilościach do zapewnienia normalnego funkcjonowania roślin i organizmów.
Ale ich nadmiar może prowadzić do poważnych chorób, a nawet śmierci. Cykl pokarmowy powoduje, że szkodliwe związki dostają się do organizmu człowieka i często powodują ogromne szkody zdrowotne.
Źródłami zanieczyszczeń metalami ciężkimi są m.in. Istnieje metoda obliczania dopuszczalnej zawartości metalu. Uwzględnia to całkowitą wartość kilku metali Zc.
- dopuszczalny;
- średnio niebezpieczny;
- wysoce niebezpieczny;
- Ekstremalnie niebezpieczne.
Ochrona gleby jest bardzo ważna. Stała kontrola i monitoring nie pozwala na uprawę produktów rolnych i wypas zwierząt gospodarskich na zanieczyszczonych gruntach.
Metale ciężkie zanieczyszczające glebę
Istnieją trzy klasy zagrożenia metalami ciężkimi. Światowa Organizacja Zdrowia za najbardziej niebezpieczne uważa ołów, rtęć i kadm. Ale nie mniej szkodliwe jest wysokie stężenie innych pierwiastków.
Rtęć
Zanieczyszczenie gleby rtęcią następuje wraz z przedostawaniem się do niej pestycydów, różnych odpadów domowych, takich jak świetlówki i elementy uszkodzonych przyrządów pomiarowych.
Według oficjalnych danych roczne uwalnianie rtęci wynosi ponad pięć tysięcy ton. Rtęć może dostać się do organizmu człowieka z zanieczyszczonej gleby.
Jeśli dzieje się to regularnie, mogą wystąpić poważne zaburzenia pracy wielu narządów, w tym układu nerwowego.
Przy niewłaściwym leczeniu możliwy jest śmiertelny wynik.
Ołów
Ołów jest bardzo niebezpieczny dla ludzi i wszystkich żywych organizmów.
Jest niezwykle toksyczny. Podczas wydobywania jednej tony ołowiu do środowiska trafia dwadzieścia pięć kilogramów. Duża ilość ołowiu przedostaje się do gleby wraz z uwalnianiem gazów spalinowych. 
Strefa zanieczyszczenia gleby wzdłuż tras obejmuje ponad dwieście metrów wokół. Po przedostaniu się do gleby ołów jest wchłaniany przez rośliny spożywane przez ludzi i zwierzęta, w tym zwierzęta gospodarskie, których mięso również znajduje się w naszym jadłospisie. Nadmiar ołowiu wpływa na ośrodkowy układ nerwowy, mózg, wątrobę i nerki. Jest niebezpieczny ze względu na działanie rakotwórcze i mutagenne.
Kadm
Zanieczyszczenie gleby kadmem stanowi ogromne zagrożenie dla organizmu człowieka. Połknięty powoduje deformacje szkieletu, zahamowanie wzrostu u dzieci i silny ból pleców.
Miedź i cynk
Wysokie stężenie tych pierwiastków w glebie powoduje spowolnienie wzrostu i pogorszenie owocowania roślin, co ostatecznie prowadzi do gwałtownego spadku plonu. U ludzi zmiany zachodzą w mózgu, wątrobie i trzustce.
molibden
Nadmiar molibdenu powoduje dnę moczanową i uszkodzenie układu nerwowego.
Niebezpieczeństwo metali ciężkich polega na tym, że są słabo wydalane z organizmu, gromadzą się w nim. Mogą tworzyć bardzo toksyczne związki, łatwo przechodzą z jednego środowiska do drugiego, nie ulegają rozkładowi. Jednocześnie powodują ciężkie choroby, często prowadzące do nieodwracalnych skutków.Antymon
Obecny w niektórych rudach.
Jest częścią stopów stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu.
Jej nadmiar powoduje poważne zaburzenia odżywiania.
Arsen
Głównym źródłem zanieczyszczenia gleby arsenem są substancje stosowane do zwalczania szkodników roślin rolniczych, takie jak herbicydy, insektycydy. Arsen to skumulowana trucizna, która powoduje przewlekłe. Jego związki wywołują choroby układu nerwowego, mózgu i skóry.
Mangan
W glebie i roślinach obserwuje się wysoką zawartość tego pierwiastka.
Jeśli do gleby dostanie się dodatkowa ilość manganu, szybko powstaje jego niebezpieczny nadmiar. Wpływa to na organizm ludzki w postaci zniszczenia układu nerwowego.
Nie mniej niebezpieczny jest nadmiar innych ciężkich pierwiastków.
Z powyższego można wnioskować, że nagromadzenie metali ciężkich w glebie pociąga za sobą poważne konsekwencje dla zdrowia człowieka i całego środowiska.
Główne metody zwalczania zanieczyszczeń gleb metalami ciężkimi
Metody radzenia sobie z zanieczyszczeniem gleby metalami ciężkimi mogą być fizyczne, chemiczne i biologiczne. Wśród nich są następujące metody:
- Wzrost zakwaszenia gleby zwiększa prawdopodobieństwo, dlatego wprowadzanie materii organicznej i gliny, wapnowanie pomaga w pewnym stopniu w walce z zanieczyszczeniami.
- Wysiewanie, koszenie i usuwanie niektórych roślin, takich jak koniczyna, z powierzchni gleby znacznie zmniejsza stężenie metali ciężkich w glebie. Ponadto ta metoda jest całkowicie przyjazna dla środowiska.
- Detoksykacja wód podziemnych, ich pompowanie i oczyszczanie.
- Przewidywanie i eliminacja migracji rozpuszczalnych form metali ciężkich.
- W niektórych szczególnie ciężkich przypadkach wymagane jest całkowite usunięcie warstwy gleby i zastąpienie jej nową.
Metale ciężkie to pierwiastki aktywne biochemicznie, które wchodzą w obieg substancji organicznych i oddziałują głównie na organizmy żywe. Metale ciężkie obejmują pierwiastki takie jak ołów, miedź, cynk, kadm, nikiel, kobalt i szereg innych.
Migracja metali ciężkich w glebach zależy przede wszystkim od warunków zasadowo-kwaśnych i redoks, które determinują zróżnicowanie warunków geochemicznych gleby. Ważną rolę w migracji metali ciężkich w profilu glebowym odgrywają bariery geochemiczne, które w niektórych przypadkach wzmacniają, w innych osłabiają (dzięki zdolności konserwującej) odporność gleb na zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Przy każdej z barier geochemicznych zalega pewna grupa pierwiastków chemicznych o podobnych właściwościach geochemicznych.
Specyfika głównych procesów glebotwórczych i rodzaj reżimu wodnego determinują charakter dystrybucji metali ciężkich w glebach: akumulację, konserwację lub usuwanie. Wyodrębniono grupy gleb z akumulacją metali ciężkich w różnych częściach profilu glebowego: na powierzchni, w górnej i środkowej, z dwoma maksimami. Ponadto zidentyfikowano gleby w strefie, które charakteryzują się koncentracją metali ciężkich w wyniku wewnątrzprofilowej konserwacji kriogenicznej. Szczególną grupę stanowią gleby, w których w warunkach wymywania i reżimów wymywania okresowego następuje usuwanie z profilu metali ciężkich. Wewnątrzprofilowe rozmieszczenie metali ciężkich ma duże znaczenie dla oceny zanieczyszczenia gleb i prognozowania intensywności kumulacji w nich zanieczyszczeń. Charakterystykę wewnątrzprofilowego rozmieszczenia metali ciężkich uzupełnia grupowanie gleb według intensywności ich zaangażowania w cykl biologiczny. Łącznie wyróżnia się trzy gradacje: wysoką, umiarkowaną i słabą.
Szczególne jest środowisko geochemiczne migracji metali ciężkich w glebach terenów zalewowych rzek, gdzie przy wzmożonym nawodnieniu znacznie wzrasta mobilność pierwiastków i związków chemicznych. Specyfika procesów geochemicznych wynika tu przede wszystkim z wyraźnej sezonowości zmian warunków redoks. Wynika to ze specyfiki reżimu hydrologicznego rzek: czasu trwania powodzi wiosennych, obecności lub braku powodzi jesiennych oraz charakteru okresu niżowego. Czas trwania zalania teras zalewowych wód powodziowych determinuje dominację warunków oksydacyjnych (zalanie krótkotrwałe) lub redoks (zalanie długotrwałe).
Gleby uprawne podlegają największym oddziaływaniom technogenicznym o charakterze obszarowym. Głównym źródłem zanieczyszczeń, z którym do 50% ogólnej ilości metali ciężkich przedostaje się do gleb uprawnych, są nawozy fosforowe. W celu określenia stopnia potencjalnego zanieczyszczenia gleb uprawnych przeprowadzono sprzężoną analizę właściwości gleby i zanieczyszczeń: uwzględniono zawartość, skład próchniczy i rozkład granulometryczny gleb oraz warunki zasadowo-kwaśne. Dane dotyczące zawartości metali ciężkich w fosforytach osadów o różnej genezie pozwoliły na obliczenie ich średniej zawartości z uwzględnieniem orientacyjnych dawek nawozów stosowanych na glebach ornych w różnych regionach. Ocena właściwości gleby jest skorelowana z wartościami obciążenia agrogenicznego. Zbiorcza ocena integralna stanowiła podstawę do określenia stopnia potencjalnego zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi.
Najbardziej niebezpieczne pod względem stopnia zanieczyszczenia metalami ciężkimi są gleby wielopróchnicze, gliniasto-gliniaste o zasadowym odczynie środowiska: las ciemnoszary, kasztan ciemny – gleby o dużej zdolności akumulacyjnej. Obwody moskiewski i briański charakteryzują się również zwiększonym ryzykiem zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi. Sytuacja z glebami darniowo-bielicowymi nie sprzyja tu akumulacji metali ciężkich, jednak na tych terenach ładunek technogeniczny jest duży i gleby nie mają czasu na „samooczyszczenie”.
Ekologiczna i toksykologiczna ocena gleb pod kątem zawartości metali ciężkich wykazała, że 1,7% gruntów rolnych jest zanieczyszczonych substancjami I klasy zagrożenia (wysoce niebezpieczne), a 3,8% - II klasy zagrożenia (średnio niebezpieczne). Zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi i zawartością arsenu powyżej ustalonych norm wykryto w Republice Buriacji, Republice Dagestanu, Republice Mordowii, Republice Tywy, na Terytoriach Krasnojarskim i Nadmorskim, w Iwanowie, Irkucku, Kemerowie, Kostromie , Murmańsk, Nowogród, Orenburg, Sachalin, regiony Czita.
Lokalne zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi związane jest przede wszystkim z dużymi miastami i Ocenę zagrożenia skażenia gleby kompleksami metali ciężkich przeprowadzono według wskaźnika ogólnego Zc.
FEDERALNA AGENCJA TRANSPORTU MORSKIEGO I RZECZNEGO
FEDERALNA INSTYTUCJA EDUKACYJNA BUDŻETU
WYŻSZE WYKSZTAŁCENIE ZAWODOWE
PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA MORSKA
nazwany na cześć admirała G.I. Newelskoj
Departament Ochrony Środowiska
ABSTRAKCYJNY
w dyscyplinie „Procesy fizyczne i chemiczne”
Konsekwencje zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi i radionuklidami.
Sprawdzone przez nauczyciela:
Firsowa L.Yu.
Wykonywał uczeń gr. ___
Khodanova S.V.
Władywostok 2012
TREŚĆ
Wstęp
1 Metale ciężkie w glebach
Wniosek
Lista wykorzystanych źródeł
WSTĘP
Gleba to nie tylko obojętne środowisko, na powierzchni którego prowadzona jest działalność człowieka, ale dynamiczny, rozwijający się system, który obejmuje wiele składników organicznych i nieorganicznych, które mają sieć wnęk i porów, a te z kolei zawierają gazy i płyny. Rozmieszczenie przestrzenne tych składników determinuje główne typy gleb na kuli ziemskiej.
Ponadto gleby zawierają ogromną liczbę żywych organizmów, nazywanych fauną i florą: od bakterii i grzybów po robaki i gryzonie. Gleba powstaje na skałach macierzystych pod łącznym wpływem klimatu, roślinności, organizmów glebowych i czasu. Dlatego zmiana któregokolwiek z tych czynników może prowadzić do zmian w glebie. Tworzenie gleby to długi proces: utworzenie 30-centymetrowej warstwy gleby zajmuje od 1000 do 10 000 lat. W konsekwencji tempo formowania się gleby jest tak niskie, że glebę można uznać za zasób nieodnawialny.
Pokrywa glebowa Ziemi jest najważniejszym składnikiem biosfery Ziemi. To właśnie powłoka glebowa determinuje wiele procesów zachodzących w biosferze. Najważniejszym znaczeniem gleb jest akumulacja materii organicznej, różnych pierwiastków chemicznych, a także energii. Pokrywa glebowa pełni rolę biologicznego absorbera, niszczyciela i neutralizatora różnych zanieczyszczeń. Jeśli to ogniwo biosfery zostanie zniszczone, to dotychczasowe funkcjonowanie biosfery zostanie nieodwracalnie zakłócone. Dlatego niezwykle ważne jest badanie globalnego znaczenia biochemicznego pokrywy glebowej, jej aktualnego stanu oraz zmian pod wpływem działalności antropogenicznej.
1 Metale ciężkie w glebach
- Źródła metali ciężkich w glebie
Wśród HM znajduje się wiele pierwiastków śladowych, które są biologicznie ważne dla organizmów żywych. Są niezbędnymi i niezastąpionymi składnikami biokatalizatorów i bioregulatorów najważniejszych procesów fizjologicznych. Jednak nadmierna zawartość HM w różnych obiektach biosfery działa depresyjnie, a nawet toksycznie na organizmy żywe.
Źródła przedostawania się HM do gleby dzielą się na naturalne (wietrzenie skał i minerałów, procesy erozyjne, aktywność wulkaniczna) i technogeniczne (wydobycie i obróbka kopalin, spalanie paliw, oddziaływanie pojazdów, rolnictwo itp.) grunty rolne, oprócz zanieczyszczenia przez atmosferę, HM są również zanieczyszczane szczególnie podczas stosowania pestycydów, nawozów mineralnych i organicznych, wapnowania i ścieków. Ostatnio naukowcy zwrócili szczególną uwagę na gleby miejskie. Te ostatnie doświadczają znaczącego procesu technogenicznego, którego integralną częścią jest zanieczyszczenie HM.
HM docierają do powierzchni gleby w różnych formach. Są to tlenki i różne sole metali, zarówno rozpuszczalne, jak i praktycznie nierozpuszczalne w wodzie (siarczki, siarczany, arseniny itp.). W składzie emisji z zakładów przetwórstwa rud i zakładów hutnictwa metali nieżelaznych – głównego źródła zanieczyszczeń środowiska HM – większość metali (70-90%) występuje w postaci tlenków.
Dostając się na powierzchnię gleby, HM mogą się gromadzić lub rozpraszać, w zależności od charakteru barier geochemicznych właściwych dla danego terytorium.
Większość HM, które przedostały się na powierzchnię gleby, jest utrwalona w górnych poziomach próchnicznych. HM są sorbowane na powierzchni cząstek gleby, wiążą się z glebową materią organiczną, w szczególności w postaci pierwiastkowych związków organicznych, gromadzą się w wodorotlenkach żelaza, wchodzą w skład sieci krystalicznych minerałów ilastych, wydzielają własne minerały w wyniku izomorficznych substytucyjne, aw stanie rozpuszczalnym w wilgoci glebowej i gazowym w powietrzu glebowym są integralną częścią fauny i flory glebowej.
Stopień ruchliwości HM zależy od środowiska geochemicznego i poziomu oddziaływania technogenicznego. Ciężki rozkład wielkości cząstek i wysoka zawartość materii organicznej prowadzą do wiązania HM przez glebę. Wzrost wartości pH nasila sorpcję metali kationotwórczych (miedź, cynk, nikiel, rtęć, ołów itp.) oraz zwiększa ruchliwość metali anionotwórczych (molibden, chrom, wanad itp.). Wzmocnienie warunków utleniających zwiększa zdolność migracji metali. W rezultacie, zgodnie ze zdolnością wiązania większości HM, gleby te tworzą następujące serie: gleba szara > czarnoziem > gleba sodowo-bielicowa.
- Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimi
Po drugie, gromadząc się w glebie w dużych ilościach, HM mogą zmienić wiele jej właściwości. Przede wszystkim zmiany wpływają na właściwości biologiczne gleby: zmniejsza się ogólna liczba mikroorganizmów, zawęża się ich skład gatunkowy (różnorodność), zmienia się struktura zbiorowisk drobnoustrojów, zmniejsza się intensywność głównych procesów mikrobiologicznych i aktywność enzymów glebowych itp. Silne zanieczyszczenie HM prowadzi również do zmian bardziej konserwatywnych cech gleby, takich jak stan próchniczy, struktura, odczyn podłoża itp. Powoduje to częściową, aw niektórych przypadkach całkowitą utratę żyzności gleby.
- Anomalie naturalne i sztuczne
Gleba, w przeciwieństwie do innych składników środowiska naturalnego, nie tylko geochemicznie akumuluje składniki zanieczyszczeń, ale pełni również funkcję naturalnego bufora kontrolującego przenoszenie pierwiastków i związków chemicznych do atmosfery, hydrosfery i materii ożywionej.
Różne rośliny, zwierzęta i ludzie wymagają do życia określonego składu gleby i wody. W miejscach anomalii geochemicznych dochodzi do nasilenia transmisji odchyleń od normy składu mineralnego w całym łańcuchu pokarmowym. W wyniku naruszeń żywienia mineralnego, zmian składu gatunkowego zbiorowisk fito-, zoo- i mikrobiologicznych, chorób dziko rosnących form roślin, spadku ilości i jakości plonów roślin rolniczych i produktów zwierzęcych, obserwuje się wzrost zachorowalności populacji i spadek średniej długości życia.
Toksyczne oddziaływanie HM na układy biologiczne wynika przede wszystkim z tego, że łatwo wiążą się one z grupami sulfhydrylowymi białek (w tym enzymów), hamując ich syntezę, a tym samym zaburzając metabolizm w organizmie.
Organizmy żywe wykształciły różne mechanizmy odporności na HM: od redukcji jonów HM do mniej toksycznych związków po aktywację systemów transportu jonów, które skutecznie i specyficznie usuwają toksyczne jony z komórki do środowiska zewnętrznego.
Najistotniejszą konsekwencją oddziaływania HM na organizmy żywe, która przejawia się na poziomie biogeocenotycznym i biosferycznym organizacji materii żywej, jest zablokowanie procesów utleniania materii organicznej. Prowadzi to do zmniejszenia tempa jego mineralizacji i akumulacji w ekosystemach. Jednocześnie wzrost stężenia materii organicznej powoduje wiązanie HM, co chwilowo usuwa obciążenie z ekosystemu. Za bierną reakcję ekosystemów na zanieczyszczenia HM uważa się spadek tempa rozkładu materii organicznej, spowodowany spadkiem liczby organizmów, ich biomasy i intensywności życiowej aktywności. Aktywny sprzeciw organizmów wobec obciążeń antropogenicznych objawia się dopiero podczas życiowej akumulacji metali w ciałach i szkieletach. Za ten proces odpowiadają najbardziej odporne gatunki.
Odporność organizmów żywych, przede wszystkim roślin, na podwyższone stężenia HM oraz ich zdolność do akumulacji wysokich stężeń metali mogą stanowić duże zagrożenie dla zdrowia człowieka, gdyż umożliwiają przenikanie zanieczyszczeń do łańcuchów pokarmowych.
- Racjonowanie zawartości metali ciężkich w glebie i oczyszczanie gleb
Istnieją dwa główne podejścia do kwestii sanitacji gleb zanieczyszczonych HM. Pierwszy ma na celu oczyszczenie gleby z HM. Oczyszczanie można przeprowadzić poprzez wypłukiwanie, ekstrakcję HM z gleby za pomocą roślin, usuwanie wierzchniej zanieczyszczonej warstwy gleby itp. Drugie podejście opiera się na wiązaniu HM w glebie, przekształcaniu ich w formy nierozpuszczalne w wodzie i niedostępne dla organizmów żywych. W tym celu proponuje się wprowadzić do gleby materię organiczną, fosforowe nawozy mineralne, żywice jonowymienne, naturalne zeolity, węgiel brunatny, wapnowanie gleby itp. Jednak każda metoda mocowania HM w gruncie ma swój okres ważności. Prędzej czy później część HM ponownie zacznie przedostawać się do roztworu glebowego, a stamtąd do żywych organizmów.
- Radionuklidy w glebach. Zanieczyszczenie jądrowe
Gleby zawierają prawie wszystkie pierwiastki chemiczne znane w przyrodzie, w tym radionuklidy.
Radionuklidy to pierwiastki chemiczne zdolne do spontanicznego rozpadu z tworzeniem nowych pierwiastków, a także utworzone izotopy dowolnych pierwiastków chemicznych. Konsekwencją rozpadu jądrowego jest promieniowanie jonizujące w postaci strumienia cząstek alfa (strumień jąder helu, protonów) i cząstek beta (strumień elektronów), neutronów, promieniowania gamma i rentgenowskiego. Zjawisko to nazywa się radioaktywnością. Pierwiastki chemiczne zdolne do samorzutnego rozpadu nazywane są promieniotwórczymi. Najczęściej używanym synonimem promieniowania jonizującego jest promieniowanie radioaktywne.
Promieniowanie jonizujące to strumień cząstek naładowanych lub obojętnych oraz kwantów elektromagnetycznych, których oddziaływanie z ośrodkiem prowadzi do jonizacji i wzbudzenia jego atomów i cząsteczek. Promieniowanie jonizujące ma charakter elektromagnetyczny (promieniowanie gamma i rentgenowskie) oraz korpuskularny (promieniowanie alfa, promieniowanie beta, promieniowanie neutronowe).
Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne wywołane przez promienie gamma (dyskretne wiązki lub kwanty, zwane fotonami), jeśli po rozpadzie alfa lub beta jądro pozostaje w stanie wzbudzonym. Promienie gamma w powietrzu mogą przemieszczać się na znaczne odległości. Foton wysokoenergetycznych promieni gamma może przejść przez ludzkie ciało. Intensywne promieniowanie gamma może uszkodzić nie tylko skórę, ale także narządy wewnętrzne. Chroń przed tym promieniowaniem gęste i ciężkie materiały, żelazo, ołów. Promieniowanie gamma można sztucznie wytworzyć w zanieczyszczonych akceleratorach cząstek (mikrotronach), na przykład w wyniku hamowania szybkich elektronów akceleratora, gdy uderzają one w cel.
Promienie rentgenowskie są podobne do promieni gamma. Kosmiczne promieniowanie rentgenowskie jest pochłaniane przez atmosferę. Promienie rentgenowskie uzyskuje się sztucznie, padają one na dolną część widma energetycznego promieniowania elektromagnetycznego.
Promieniowanie radioaktywne jest naturalnym czynnikiem w biosferze dla wszystkich organizmów żywych, a same organizmy żywe mają określoną radioaktywność. Gleby mają najwyższy naturalny stopień radioaktywności wśród obiektów biosferycznych. W tych warunkach przyroda prosperowała przez wiele milionów lat, z wyjątkiem wyjątkowych przypadków anomalii geochemicznych związanych ze złożami radioaktywnych skał, na przykład rud uranu.
Jednak w XX wieku ludzkość została skonfrontowana z promieniotwórczością wykraczającą poza granice naturalnej, a więc biologicznie nienormalnej. Pierwszymi ofiarami nadmiernych dawek promieniowania byli wielcy naukowcy, którzy odkryli pierwiastki promieniotwórcze (rad, polon) małżonkowie Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie. A potem: Hiroszima i Nagasaki, testy broni atomowej i nuklearnej, wiele katastrof, w tym Czarnobyl itp.
Najbardziej znaczącymi obiektami biosfery, które decydują o biologicznych funkcjach wszystkich istot żywych, są gleby.
Radioaktywność gleb wynika z zawartości w nich radionuklidów. Wyróżnia się radioaktywność naturalną i sztuczną.
Naturalna promieniotwórczość gleb spowodowana jest naturalnymi izotopami promieniotwórczymi, które zawsze występują w różnych ilościach w glebach i skałach glebotwórczych. Naturalne radionuklidy dzielą się na 3 grupy.
Pierwsza grupa obejmuje pierwiastki promieniotwórcze - pierwiastki, których wszystkie izotopy są promieniotwórcze: uran (238
itp.................
S. Donahue - Zanieczyszczenie gleby metalami ciężkimiGleby są jednym z najważniejszych elementów środowiska rolniczego i miejskiego, aw obu przypadkach właściwe gospodarowanie jest kluczem do jakości gleby. Ta seria not technicznych dotyczy działalności człowieka, która powoduje degradację gleby, a także praktyk gospodarowania, które chronią gleby miejskie. Niniejsza nota techniczna koncentruje się na zanieczyszczeniu gleby metalami ciężkimi
Metale w glebie
Wydobywanie, produkcja i stosowanie substancji syntetycznych (np. pestycydów, farb, odpadów przemysłowych, wód gospodarczych i przemysłowych) może powodować zanieczyszczenie terenów miejskich i rolniczych metalami ciężkimi. Metale ciężkie również występują naturalnie, ale rzadko w toksycznych ilościach. Potencjalne zanieczyszczenie gleby może wystąpić na starych składowiskach odpadów (zwłaszcza tych wykorzystywanych jako odpady przemysłowe), w starych sadach, w których stosowano pestycydy zawierające arsen jako substancję czynną, na polach, na których w przeszłości odprowadzano ścieki lub osady komunalne, na wysypiskach lub w ich pobliżu i odpady poflotacyjne, obszary przemysłowe, gdzie chemikalia mogły zostać zrzucone na ziemię w obszarach zawietrznych obiektów przemysłowych.
Nadmierna akumulacja metali ciężkich w glebie jest toksyczna dla ludzi i zwierząt. Akumulacja metali ciężkich jest zwykle przewlekła (narażenie przez długi czas) wraz z pożywieniem. Ostre (natychmiastowe) zatrucie metalami ciężkimi następuje przez połknięcie lub kontakt ze skórą. Przewlekłe problemy związane z długotrwałym narażeniem na metale ciężkie obejmują:
- Ołów - zaburzenia psychiczne.
- Kadm – wpływa szkodliwie na nerki, wątrobę i przewód pokarmowy.
- Arsen - choroby skóry, wpływa na nerki i ośrodkowy układ nerwowy.
Najbardziej powszechnymi pierwiastkami kationowymi są rtęć, kadm, ołów, nikiel, miedź, cynk, chrom i mangan. Najbardziej powszechnymi pierwiastkami anionowymi są arsen, molibden, selen i bor.
Tradycyjne metody remediacji gleb zanieczyszczonych
Praktyki rekultywacji gleby i upraw mogą pomóc zapobiegać przedostawaniu się zanieczyszczeń do roślin poprzez pozostawianie ich w glebie. Te metody rekultywacji nie spowodują usunięcia zanieczyszczeń metalami ciężkimi, ale pomogą unieruchomić je w glebie i zmniejszą prawdopodobieństwo negatywnego oddziaływania metali. Należy pamiętać, że należy wziąć pod uwagę rodzaj metalu (kation lub anion):
- Zwiększenie pH gleby do 6,5 lub więcej. Metale kationowe są lepiej rozpuszczalne przy niższych poziomach pH, więc podniesienie pH czyni je mniej dostępnymi dla roślin, a tym samym mniejsze prawdopodobieństwo ich włączenia do tkanek roślinnych i spożycia przez ludzi. Podwyższenie pH ma odwrotny wpływ na pierwiastki anionowe.
- Drenaż w wilgotnych glebach. Drenaż poprawia napowietrzanie gleby i umożliwia utlenianie metali, czyniąc je mniej rozpuszczalnymi i dostępnymi. W przypadku chromu, który jest łatwiej dostępny w postaci utlenionej, będzie można zaobserwować odwrotną sytuację. Aktywność materii organicznej skutecznie ogranicza dostępność chromu.
- . Stosowanie fosforanów. Aplikacje fosforanów mogą zmniejszyć dostępność metali kationowych, ale mają odwrotny wpływ na związki anionowe, takie jak arsen. Fosforany należy stosować rozważnie, ponieważ wysoki poziom fosforu w glebie może prowadzić do zanieczyszczenia wody.
- Staranny dobór roślin do stosowania w glebach zanieczyszczonych metalami Rośliny przenoszą więcej metali w liściach niż w owocach lub nasionach. Największym ryzykiem zanieczyszczenia żywności w łańcuchu są warzywa liściaste (sałata czy szpinak). Innym niebezpieczeństwem jest zjadanie tych roślin przez zwierzęta gospodarskie.
Oczyszczalnie środowiska
Badania wykazały, że rośliny skutecznie oczyszczają zanieczyszczoną glebę (Wentzel i in., 1999). Fitoremediacja to ogólne określenie wykorzystania roślin do usuwania metali ciężkich lub utrzymywania gleby w czystości, wolnej od zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie, pestycydy, rozpuszczalniki, ropa naftowa, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Na przykład trawa stepowa może stymulować rozkład produktów ropopochodnych. Polne kwiaty były ostatnio używane do degradacji węglowodorów z wycieku ropy w Kuwejcie. Hybrydowe gatunki topoli mogą usuwać substancje chemiczne, takie jak trotyl, a także wysokie poziomy azotanów i pestycydów (Brady i Weil, 1999).
Rośliny do przetwarzania gleb zanieczyszczonych metalami
Rośliny były wykorzystywane do stabilizacji i usuwania metali z gleby i wody. Stosowane są trzy mechanizmy: fitoekstrakcja, ryzofiltracja i fitostabilizacja.
Ten artykuł mówi o ryzofiltracji i fitostabilizacji, ale główny nacisk zostanie położony na fitoekstrakcję.
Ryzofiltracja to adsorpcja na korzeniach roślin lub absorpcja przez korzenie roślin zanieczyszczeń znajdujących się w roztworach otaczających strefę korzeniową (ryzosferę).
Ryzofiltracja służy do dezynfekcji wód gruntowych. Rośliny uprawiane w szklarniach. Zanieczyszczona woda służy do aklimatyzacji roślin w środowisku. Następnie rośliny te sadzi się w miejscu zanieczyszczonych wód gruntowych, gdzie korzenie filtrują wodę i zanieczyszczenia. Gdy korzenie zostaną nasycone zanieczyszczeniami, rośliny są zbierane. W Czarnobylu słoneczniki wykorzystano w ten sposób do usuwania substancji radioaktywnych z wód gruntowych (EPA, 1998)
Fitostabilizacja to wykorzystanie roślin wieloletnich do stabilizacji lub immobilizacji szkodliwych substancji w glebie i wodach gruntowych. Metale są wchłaniane i gromadzone w korzeniach, adsorbowane na korzeniach lub osadzane w ryzosferze. Rośliny te można również wykorzystać do odnowienia roślinności tam, gdzie brakuje naturalnej roślinności, zmniejszając w ten sposób ryzyko erozji wodnej i wietrznej oraz wymywania. Fitostabilizacja ogranicza mobilność zanieczyszczeń i zapobiega dalszemu przemieszczaniu się zanieczyszczeń do wód gruntowych lub powietrza oraz ogranicza ich przedostawanie się do łańcucha pokarmowego.
Fitoekstrakcja
Fitoekstrakcja to proces uprawy roślin w glebie zanieczyszczonej metalami. Korzenie transportują metale do nadziemnych części roślin, po czym rośliny te są zbierane i spalane lub kompostowane w celu recyklingu metali. Może być konieczne kilka cykli wzrostu upraw, aby obniżyć poziom zanieczyszczeń do akceptowalnych limitów. Jeśli rośliny są spalane, popioły muszą być usuwane na wysypiska śmieci.
Rośliny uprawiane w celu fitoekstrakcji nazywane są hiperakumulatorami. Pochłaniają niezwykle dużą ilość metalu w porównaniu do innych roślin. Hiperakumulatory mogą zawierać około 1000 miligramów na kilogram kobaltu, miedzi, chromu, ołowiu, niklu, a nawet 10 000 miligramów na kilogram (1%) manganu i cynku w suchej masie (Baker i Brooks, 1989).
Fitoekstrakcja jest łatwiejsza w przypadku metali takich jak nikiel, cynk, miedź, ponieważ metale te są preferowane przez większość z 400 roślin hiperakumulacyjnych. Wiadomo, że niektóre rośliny z rodzaju Thlaspi (pennycress) zawierają około 3% cynku w tkankach. Rośliny te mogą być wykorzystywane jako ruda ze względu na wysokie stężenie metalu (Brady i Weil, 1999).
Ze wszystkich metali ołów jest najczęstszym zanieczyszczeniem gleby (EPA, 1993). Niestety rośliny w warunkach naturalnych nie kumulują ołowiu. Do gleby należy dodać chelatory, takie jak EDTA (kwas etylenodiaminotetraoctowy). EDTA umożliwia roślinom ekstrakcję ołowiu. Najczęstszą rośliną używaną do ekstrakcji ołowiu jest gorczyca indyjska (Brassisa juncea). Phytotech (prywatna firma badawcza) poinformowała, że oczyściła plantacje w New Jersey, zgodnie ze standardami przemysłowymi 1 do 2, musztardą indyjską (Wantanabe, 1997).
Rośliny mogą usuwać cynk, kadm, ołów, selen i nikiel z gleby w projektach średnio- i długoterminowych.
Tradycyjne oczyszczanie terenu może kosztować od 10,00 do 100,00 USD za metr sześcienny (m3), podczas gdy usuwanie skażonych materiałów może kosztować od 30,00 do 300 USD/m3. Dla porównania, fitoekstrakcja może kosztować 0,05 USD/m3 (Watanabe, 1997).
Perspektywy na przyszłość
Fitoremediacja była badana w procesie badania zastosowań na małą i dużą skalę. Fitoremediacja może wejść w sferę komercjalizacji (Watanabe, 1997). Przewiduje się, że rynek fitoremediacji osiągnie wartość od 214 do 370 milionów dolarów do 2005 roku (Environmental Science & Technology, 1998). Biorąc pod uwagę obecną skuteczność fitoremediacji, najlepiej nadaje się do oczyszczania większych obszarów, na których zanieczyszczenia występują w niskich lub umiarkowanych stężeniach. Przed pełną komercjalizacją fitoremediacji potrzebne są dalsze badania, aby upewnić się, że tkanki roślinne wykorzystywane do fitoremediacji nie mają negatywnego wpływu na środowisko, dziką przyrodę lub ludzi (EPA, 1998). Potrzebne są również badania, aby znaleźć bardziej wydajne bioakumulatory, które produkują więcej biomasy. Istnieje potrzeba komercyjnego odzyskiwania metali z biomasy roślinnej, aby można je było poddać recyklingowi. Fitoremediacja jest wolniejsza niż tradycyjne metody usuwania metali ciężkich z gleby, ale znacznie tańsza. Zapobieganie zanieczyszczeniom gleb jest znacznie tańsze niż usuwanie katastrofalnych skutków.
Spis wykorzystanej literatury
1 Baker, AJM i R.R. Brooksa. 1989. Rośliny lądowe hiperakumulujące pierwiastki metaliczne - przegląd ich rozmieszczenia, ekologii i fitochemii. Odzyskiwanie biologiczne 1:81:126.
2. Brady, Karolina Północna i R.R. Weil. 1999. Charakter i właściwości gleb. 12 wyd. Sala Prentice'a. Upper Saddle River, NJ.
3. Nauka o środowisku i technologia. 1998 Fitoremediacja; prognozowanie. Nauka o środowisku i technologia. Tom. 32, wydanie 17, s. 399A.
4. McGrath, SP. 1998. Fitoekstrakcja do remediacji gleb. P. 261-287. W R. Brooks (red.) Rola roślin hiperakumulujących metale ciężkie w fitoremediacji, mikrobiologii, archeologii, eksploracji minerałów i fitominingu. CAB International, Nowy Jork, NY.
5. Fitotechnologia. 2000. Technologia fitoremediacji.
