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»

Источники загрязнения природной среды, влияние тяжелых металлов на физические и химические свойства экосистем. ЧАСТЬ 2.

Одним из наиболее опасных токсикантов, попадающих в почву с отходами промышленного производства, является ртуть. В различных сортах угля содержится от 0,012 до 33,0 частей ртути на 1 млн. частей угля, среднее значение близко к 1,0. В золе остается 10 % ртути, остальное переходит в парообразное состояние. Другой источник техногенной атмосферной ртути – цементное производство. Ртутные пары выделяются в воздух также при переработке полиметаллических руд – при производстве свинца, цинка, меди. Изучение миграции соединений ртути показывает, что верхний слой полноразвитого почвенного профиля обладает очень высокой сорбционной способностью и вымывание ртути из почв незначительно. Соединения ртути более подвижны в почвах кислых, легких по механическому составу, с невысоким содержанием гумуса. Органические соединения ртути летучи и способны быстро испаряться с поверхности. Это свойство наиболее ярки проявляется на почвах легкого механического состава.

Продукты сгорания угля, отходы медицинской и металлургической промышленности, предприятий по производству удобрений являются источниками поступления в почву одного из самых ядовитых элементов – мышьяка.

Наиболее активно мышьяк аккумулируется в почвах, содержащих активные формы железа, алюминия и кальция. Миграция мышьяка протекает более интенсивно, если элемент поступает на поверхность почвы в больших количествах.

Вблизи предприятий, выбрасывающих в атмосферу фтористые соединения, наибольшая адсорбция фтора наблюдается в почвах, богатых илистыми и коллоидными частицами. Растворимые фтористые соединения могут перемещаться по профилю с нисходящим током влаги и загрязнять при этом грунтовые воды. При насыщении почвы фтористыми соединениями отмечается разрушение структуры и снижение водопроницаемости почв. Вместе с минеральными удобрениями (суперфосфат) и фунгицидами в окружающей среде рассеивается кадмий, обладающий ярко выраженными канцерогенными свойствами. Но в отличие от других тяжелых металлов, которые, как правило, «специализируются» в том или ином виде рака, кадмий возбуждает все его формы. Один из сильных канцерогенов, губительно влияющих на живые организмы – свинец. При выплавке и очистке этого элемента на каждую тонну в атмосферу выбрасывается до 25 кг неиспользованного свинца. Установлена высокая адсорбционная способность гумусового горизонта почв по отношению к свинцу, максимальные концентрации которого зафиксированы в верхнем 15-сантиметровом слое почвенного профиля. В то же время отмечается возможность незначительной миграции свинца в дерново-подзолистых почвах и транзитный перенос его верхних горизонтов в нижние на почвах эродированных окислов. Главную роль в фиксации свинца играет органическое вещество. Основным механизмом фиксации является координационное связывание свинца группами, обладающими свободной парой электронов. Адсорбция свинца гумусом и устойчивость свинцово-гумусовых связей увеличивается при подщелачивании среды. Кроме гумуса в фиксации свинца почвой участвуют глинистые минералы, хотя и в меньшей степени. Механизм фиксации зависит от кислотности среды. В целом свинец достаточно прочно удерживается почвой.

Цинк, попадающий в окружающую среду с отходами металлургического производства, более мобилен, чем кадмий и свинец. Особенно интенсивно цинк мигрирует на эродированных почвах. Изучение миграции цинка на почвенных колонках показало, что этот элемент перемещается на большее расстояние в условиях повышенной влажности. Доказано, что цинк более подвижен на почвах легкого механического состава, чем на тяжелых почвах. Под действием органического вещества и кальция повышается фиксирующая способность почв по отношению к этому элементу. Миграция цинка тем интенсивнее, чем большее его количество приходится на единицу площади.

Путем прямого сброса сточных вод, из атмосферы и с грунтовыми водами тяжелые металлы попадают в речной сток. Соединения свинца и соединения других тяжелых металлов (особенно цинка, меди, ртути, никеля и кадмия) губительно действуют на ихтиофауну.

Механизмы и причины биоаккумуляции тяжелых металлов гидробионтами до конца не определены, однако существуют доказательства серьезных поражений организмов, содержащих высокие концентрации металлов. Это – патология кровяной плазмы у рыб, поражение жаберной мембраны, гистопатология тканей. Кроме того, присутствие в воде, а, значит и в тканях рыб высоких концентраций Сu и Zn снижает резистентность у рыб, что вызывает эпидемические заболевания. Некоторые токсичные металлы оказывают прямое воздействие на хромосомы, что обусловливает генетические повреждения гидробионтов.

Положение усугубляется еще и тем, что в промышленных районах, отличающихся значительным загрязнением природных вод, одновременно бывает также очень велика степень термального загрязнения. Токсичность же всех ядов возрастает при повышении температуры.

Вместе с речным стоком и через атмосферу распыляемые в ходе производственной деятельности человека металлы попадают в океан. Их концентрация в морях, омывающих густонаселенные индустриальные районы, заметно повышает естественную, фоновую концентрацию.

Присутствующие в морской воде тяжелые металлы оказывают угнетающее действие на рост фитопланктона в верхнем горизонте воды. Показано, что при концентрации ртути 50 мкг/л фотосинтез некоторых видов фитопланктона практически прекращается. При таких же концентрациях меди и кадмия интенсивность фотосинтеза равна соответственно 30 и 70 % по отношению к ее величине в незагрязненной воде. Фитопланктон – это начальное звено в цепи питания. Очевидно, что всякое неблагоприятное влияние на первичную морскую продуктивность неизбежно отразится на суммарной величине биологической продуктивности Мирового океана.

Другая проблема техногенного влияния на морские и пресноводные экосистемы заключается в том, что, в отличие от органического вещества, которое в большей или меньшей степени разлагается в природных водах, металлы лишь распределяются по экзотопам, включаясь в миграционные циклы и аккумулируясь в разных компонентах экосистем, в том числе – в гидробионтах. При этом их содержание увеличивается в пищевых цепях по мере перехода от планктона к рыбам и млекопитающим, создаются концентрации, опасные для человека.

Таким образом, с точки зрения осуществления экологического мониторинга водоемов и водотоков особенного интереса заслуживает изучение процессов поступления металлов в водоемы и их инкорпорирование гидробионтами.

В последнее время достаточно интенсивно и в различных аспектах наблюдается активное изучение влияние окружающей природной среды на живые организмы. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что элементный состав различных водных биосубстратов адекватно отражает суммарное поступление загрязняющих веществ в организмы.

Параллельное определение элементного состава органов и тканей живых организмов и компонентов окружающей природной среды дает возможность установить влияние загрязнения внешней среды и обнаружить чрезмерное накопление в организмах вредных для них элементов, а в ряде случаев – источники поступления загрязнений.