География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

Полевич О.В.¹, Цымбал В.А.², Бочаров В.А.²

¹Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

²Национальный научный центр «Харьковский Физико-Технический институт»

Загрязнение почв и других компонентов экосистем

тяжелыми металлами.

Проблема охраны биосферы приобретает в настоящее время первостепенное значение.

Рост промышленности и химизации сельского хозяйства, загрязнение биосферы промышленными и выхлопными газами, сточными водами приводит к высокой, зачастую токсичной концентрации в почвах, природных и поливных водах, в приземном слое воздуха и растениях таких элементов, как Рb, Нg, Сd, Аs, Sе, Fe, V, Сr и др. Накопление тяжелых металлов в почве ведет к повышению их концентрации в растениях, к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, к частичной или полной утрате плодородия почв сельхозугодий. В отдельных случаях под действием высоких концентраций тяжелых металлов в почве большие территории превращаются в техногенную пустыню. Вместе с речным стоком и через атмосферу распыляемые в ходе производственной деятельности человека металлы попадают в океан, где оказывают угнетающее действие на рост фитопланктона, а также, включаясь в биологический круговорот, надолго удерживаются живым веществом и накапливаются в нем. При этом их содержание увеличивается в пищевых цепях по мере перехода от планктона к крупным представителям морской фауны и создаются концентрации, вредные для человека. Тяжелые металлы, попадая в организм человека по биологическим цепям, а также непосредственно из атмосферы, оказывают негативное воздействие на его здоровье, в том числе и на наследственность.

В последнее время возрос интерес к количественному определению редких и рассеянных элементов в почвах, растительном покрове, природных водах, тканях живых организмов и других компонентах экосистем.

Аналитические данные необходимы для изучения круговорота веществ в природном и земледельческом ландшафте, для контроля чистоты экосистемы, для прогноза положительного действия и установления причин токсичности повышенного количества элементов в окружающей среде, кормах и пищевых продуктах, а также для разработки мер по борьбе с загрязнением атмосферы.

Геохимия многих элементов, в том числе тяжелых металлов, негативно воздействующих на объекты природной среды, изучена еще недостаточно хорошо. Исследование закономерностей миграции тяжелых металлов в природных и техногенных ландшафтах может быть использовано в природоохранных целях, и, в частности, в системах контроля и защиты экосистем от загрязнения тяжелыми металлами.

В результатах количественного определения редких и рассеянных элементов в экосистемах нуждаются биологи и медики, почвоведы и агрохимики, ветеринары и животноводы, географы и геологи. Достижения аналитической химии быстро и широко внедряются в практику лабораторий. Однако многокомпонентные природные материалы представляют собой весьма сложные объекты для анализа. Для решения большинства экологических задач необходимы достаточно низкие пределы обнаружения (10^-5 – 10^-6%) при высокой точности анализа для весьма широкого круга элементов. Кроме того, требуется возможность анализа в чрезвычайно разнообразных матрицах - донные отложения, почвы, удобрения, растительный покров, природные воды. В то же время большинство рекомендуемых аналитических методов проверялось на относительно простых по составу растворах или пробах. Поэтому для получения достоверной информации о количественном элементном составе реальных природных объектов необходимо решить сложную задачу апробации и доработки методов анализа применительно к этим объектам.

По возрастающей сложности анализа природные материалы располагаются в таком порядке: воздух - природные воды - растения - почвы.

Анализы пробы воздуха и воды в принципе можно получить сравнительно легко, чего нельзя сказать о почвенном и растительном покрове. В то же время известно, что многие вредные компоненты попадают из почвы в растения, воздух, природные воды. Неизвестны даже фоновые содержания многих химических элементов в биосфере и фитоценозах, накопление их в отдельных видах растений. В ближайшие годы потребуется проведение большого количества анализов почв, растений, а также приземного воздуха и природных вод на содержание микро- и ультрамикроэлементов. При этом не следует забывать, что решение проблемы оптимизации питания растений, животных и человека нельзя основывать на анализе только общего содержания редких и рассеянных элементов в среде, необходимо изучение различных форм соединений, их активности, в частности, в почве. Подвижные же соединения элементов и отдельные формы составляют обычно не более 5% от их общего содержания. Выпадающие с метеоосадками на поверхность почв соединения свинца, ртути, ванадия и других элементов пополняют мобильные формы и могут обусловливать по пищевой цепи большое негативное влияние на состояние животного мира и здоровье людей. Таким образом, важное значение имеет изучение закономерностей пространственного варьирования и миграции тяжелых металлов в почвах, растениях и определенных средах. Без таких исследований невозможно достоверное выделение антропогенных изменений естественных природных процессов, оценка и прогноз состояния окружающей среды.

Современный этап развития учения о микроэлементах, контроль и охрана природной среды от загрязнений требуют увеличения числа определяемых элементов до 20 - 30 ( Li, Bе, В, Ti, V, Сr, Мn, Со, Ni, Cu, Zn, As, Se, Pb, Sr, Mo, Cd, Sn, Sb, I, Br, Cs, Ba, W, Hg, Bi, U), многие из которых содержатся в ультрамикроконцентрациях.

Неизбежно возникает вопрос о методах, которые можно использовать для этих целей.

Создание эффективной системы аналитического контроля состояния компонентов экосистем и, в частности, диагностика загрязнения почв, растительного покрова, донных отложений тяжелыми металлами, предполагает использование автоматизированных высокопроизводительных методов анализа химического элементного состава образцов природных объектов.

В исследовательских целях анализ природных объектов на содержание тяжелых металлов производится различными химическими, физико-химическими и физическими методами, среди которых наиболее широко в настоящее время используются колориметрические методы для определения общего содержания и подвижных форм меди, цинка, мышьяка, молибдена, кадмия, ртути, свинца, эмиссионный спектральный анализ при определении общего содержания бора, элементов семейства железа и некоторых щелочных и щелочноземельных металлов, атомно-абсорбционный спектрофотометрический метод для определения многих микроэлементов (Mn, Zn и др.) и ультрамикроэлементов (Hg, As, Cd и др.), наибольшее распространение получил фотометрический метод благодаря высокой чувствительности и точности, простоте операций, несложной и легкодоступной аппаратуре, люминесцентные и кинетические методы, электрохимические методы (кулонометрия, полярография и потенциометрия, в том числе – ион-селективные электроды) - для определения в почвах и растительности меди, цинка, марганца, свинца, никеля, кобальта, кадмия, молибдена, нейтронно-активационный и радиоактивационный методы, характеризующиеся высокой чувствительностью, точностью и селективностью определений, но плохо учитывающие влияние валового состава пробы при прямом анализе.

Таким образом, существуют многочисленные методы анализа почвенно - растительного покрова на содержание тяжелых металлов. Дать единые рекомендации по применению тех или иных методов для определения того или иного элемента или групп элементов не представляется возможным. Однако можно отметить перспективность использования физических методов единовременного многоэлементного анализа, таких как эмиссионный спектральный, и особенно рентгенофлуоресцентный, позволяющий создать унифицированные, метрологически обеспеченные системы для экспрессного массового анализа проб на содержание тяжелых металлов по единым методикам, что даст возможность получать сопоставимые результаты для различных регионов и типов ландшафтов.