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.

Изучение отечественной и зарубежной литературы показало, что основными источниками загрязнения компонентов экосистем тяжелыми металлами являются выбросы в окружающую среду отходов промышленного производства, продуктов сжигания топлива и средств химизации сельского хозяйства. Распространение промышленных выбросов по поверхности земли зависит в основном от метеорологических условий, топографии местности, специфических особенностей источников загрязнения и биохимической обстановки.

Тяжелые металлы отрицательно влияют на физико-химические свойства почвы, причем скорость самоочищения почвы крайне низка. Многообразие и сложность геохимических процессов, протекающих в природных ландшафтах и накладывающихся на тот или иной литогеохимический фон, обусловливают пространственную неоднородность естественного геохимического фона в содержании тяжелых металлов в различных компонентах ландшафта: почвообразующих породах, почвах, природных водах, донных образованиях и др. Эта неоднородность проявляется не только внутри ландшафтных зон областей, но и в пределах местных геохимических ландшафтов, характеризующих местные бассейны водного и гидрохимического стока.

Геохимия тяжелых металлов и элементов, с которыми они образуют геохимические ассоциации, определяются в природных ландшафтах совокупностью факторов, из которых наиболее существенными являются следующие:

1. Литогенная основа ландшафта, т.е. минеральный состав коренных пород, коры выветривания и различных генетических типов рыхлых отложений, с чем связаны минеральные фоны и уровни содержания тяжелых металлов и типоморфных макроэлементов, определяющих геохимическую обстановку миграции; существенное значение имеет также литологическая однородность или неоднородность территории, с которыми связана вариабельность литогеохимического фона.

2. Эндогенные геохимические факторы, обусловливающие повышеное содержание тяжелых металлов в природных ландшафтах: наличие рассеянной рудной минерализации и рудных месторождений, поступление в ландшафт глубоких подземных вод с повышенным содержанием и необычным соотношением тяжелых металлов и сопутствующих элементов, с чем связано появление природных геохимически аномальных ландшафтов.

3. Геохимическая история ландшафта, т.е. направление процессов выветривания, осадконакопления и почвообразования, связанных с историей развития рельефа, особенностями биоклиматических условий (их стабильностью или изменением во времени) и изменением гидрологических условий. С геохимической историей и абсолютным возрастом ландшафта связано формирование определенных типов ландшафтно—геохимических барьеров, зафиксированных в виде системы генетических почвенных горизонтов и горизонтов аккумуляции вторичных новообразований гидроокислов железа и марганца, карбонатов гипса, с которыми связаны аккумуляции определенных ассоциаций тяжелых металлов и сопутствующих им микроэлементов.

В ходе своей хозяйственной деятельности человек нарушает естественное распределение химических элементов в географической оболочке. Наиболее наглядно это видно на примере тяжелых металлов, которые почти все относятся к микроэлементам.

Основными источниками техногенного поступления в окружающую среду тяжелых металлов являются промышленные выбросы, продукты сгорания топлива и средства химизации сельского хозяйства.

Главным источником антропогенного поступления тяжелых металлов на земную поверхность являются промышленные выбросы, привнесение которых связано в основном с горнодобывающей, металлургической, химической промышленностью и энергетикой. Только в результате работы металлургических предприятий на поверхность земли ежегодно поступает свыше 150 тыс. т. меди, свыше 120 тыс. т. цинка, около 90 тыс. т. свинца, 12 тыс. т. никеля, 750 т. кобальта, 1500 т. молибдена, свыше 30 т. ртути.

Техногенное рассеивание тяжелых металлов происходит при сжигании минерального топлива. Зола угля и нефти содержит практически все металлы, причем иногда в таких концентрациях, которые делают экономически выгодным их извлечение (табл. 1).

Таблица 1. Среднее содержание некоторых металлов в угольной золе, г/т

Бериллий	45 - 300	Галлий	100	Кадмий	5
Скандий ИII	60	Германий	500	Уран	400
Кобальт	300	Мышьяк	500	Олово	200
Никель	700	Молибден	50 - 200	Свинец	100
Цинк	200	Серебро 1 — -* - ^Х-	2	Висмут	20

Что касается максимальных концентраций, то у стронция, ванадия, цинка, германия они могут достигать 10 кг на 1 т золы. Аналогичный состав имеет зола углистых сланцев, зола нефти содержит много ванадия (иногда до 6,5%), молибден и никель. В золе торфа содержится много урана, кобальта, меди, никеля, цинка, ванадия, свинца. Вследствие сжигания угля и нефти на поверхность земли поступает ежегодно 1600 т. ртути, 3600 т. свинца, 2100 т. меди, 7 тыс.т. цинка, 3700 т. никеля. С выхлопными газами транспорта на земную поверхность попадает 260 тыс. т. свинца в год, что почти в три раза превышает количество этого элемента, поступающее за счет действия металлургических предприятий.

Химическое загрязнение тяжелыми металлами приземной атмосферы вблизи промышленных центров и транспортных магистралей обусловливает формирование концентрических или линейных техногенных ореолов рассеяния в почвах, в растительном покрове, в поверхностных водах. Многочисленные исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, свидетельствуют о том, что загрязнение почв и растительного покрова за счет выпадения тяжелых металлов с атмосферными осадками и аэрозолями проявляются вокруг промышленных центров в радиусе до 100 км, с ослаблением степени загрязнения по мере удаления от источника по экспоненциальной кривой. Вдоль автострад формируются полосы геохимически аномальных ландшафтов шириной в десятки и сотни метров, в пределах которых почвы, растения и воды обогащены свинцом и тяжелыми углеводородами.

Концентрация промышленных выбросов в воздухе и поступление их на единицу поверхности земли зависит не только от количества выбрасываемого продукта, но и от высоты выброса. Чем выше производится выброс тем, при прочих равных условиях, меньшее количество вещества поступает на единицу поверхности. Считается, что зона максимального загрязнения находится в пределах расстояния, равного 10-40 – кратной высоте трубы при высоком и горячем выбросе, и 5-20 – кратной высоте трубы при низких промышленных выбросах.

Привнесение на земную поверхность продуктов техногенеза ведет к накоплению в почвах техногенных элементов, изменяет рН среды, разрушает почвенно-поглощающий комплекс. Нарушение химического равновесия природной системы влечет за собой целый ряд процессов, вследствие которых изменяются физические свойства почв. На участках интенсивного воздействия промышленного комплекса наблюдается изменение растительности, вплоть до ее полного исчезновения, в результате чего усиливаются процессы делювиального сноса и почвенной эрозии. В отдельных случаях под влиянием многолетнего загрязнения выбросами верхний слой почвы представляет собой смесь почвы с пылеватыми частицами аэрозолей, золы, шлака. Толщина этого слоя вблизи источника загрязнения достигает 65 см и уменьшается по мере удаления от него.

Загрязненная почва теряет четкую структуру, характеризуется уменьшением общей порозности. Разрушение структуры приводит к снижению водопроницаемости, что резко ухудшает водно-воздушный режим почв. На территориях, загрязненных тяжелыми металлами, с удалением от источника загрязнения отмечается постепенное уменьшение электропроводности почв.

Характер распределения продуктов техногенеза по поверхности определяется как влиянием ряда метеорологических, топографических, геохимических и гидрологических факторов, так и специфическими особенностями источников загрязнения.

Метеорологические факторы влияют на распространение элементов техногенеза, поскольку рассеивание выбросов происходит в результате переноса твердых частиц и аэрозолей воздушными массами.

В ряде исследований отмечается влияние промышленного комплекса на более дальние расстояния в направлении господствующих ветров. Степень разбавления выброса атмосферным воздухом находится в непосредственной зависимости от расстояния, которое этот выброс прошел. Снижение концентрации выбросов в атмосфере по мере удаления от промышленного загрязнителя влечет за собой уменьшение загрязнения почвенного покрова.

На рассеивание промышленных выбросов сильное влияние оказывает температурная инверсия. В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, в связи с чем ухудшаются условия рассеивания выбросов.

Большое значение имеет влажность воздуха. При высокой влажности в связи с утяжелением частиц за счет конденсации влаги выбросы концентрируются в более узком приземном слое и выпадают на поверхность почвы и водных бассейнов.

На распределение продуктов техногенеза по земной поверхности существенно влияет микро- и макрорельеф, поскольку он, во-первых, изменяет характер движения воздуха, что приводит к изменению полей концентраций загрязнителей, и, во-вторых, участвует в перераспределении продуктов техногенеза, уже попавших на земную поверхность. Известны случаи, когда почвы подчиненных ландшафтов, загрязненные низкими холодными выбросами, сдерживали большое количество загрязняющих элементов и в более высоких концентрациях, чем почва автономных ландшафтов. Но так как степень загрязнения земной поверхности является функцией целого ряда факторов (метеорологических условий, размера и характера выбросов), то в некоторых случаях влияние рельефа на перераспределение продуктов техногенеза может проявляться недостаточно ярко. Это связано с тем, что приток выбросов на более высокие участки поверхности превосходит размеры внутреннего перераспределения и поэтому почвы депрессий будут загрязнены значительно слабее, чем автономных ландшафтов.

Тяжелые металлы не представляют собой парагенетической ассоциации элементов, обладающей одинаковой направленностью процессов миграции и концентрации в различных природных условиях. Миграционная способность многих вовлекаемых в техногенез элементов, в том числе токсичных, существенно изменяется в зависимости от кислотно — щелочной и окислительно – восстановительной характеристики среды, в которую они попадают. В резко восстановительных условиях миграционная способность меди, никеля, цинка, кобальта уменьшается по сравнению с окислительными на 1 – 2 порядка. Существенно влияют на подвижность элементов и кислотно — щелочные условия. В кислой окислительной среде медь, цинк, никель, марганец и такие токсичные элементы, как свинец, ртуть более подвижны, чем в нейтральной или щелочной окислительной. Наоборот, молибден, ванадий, хром, селен более подвижны в щелочной среде, чем в кислой. Особенно сильно дифференцировано поведение этих групп элементов в аридных ландшафтах, для которых характерны контрастные геохимические условия миграции микроэлементов. Отдельные тяжелые металлы ассоциируются с некоторыми другими элементами. Поэтому в ряде исследований для установления общих особенностей миграции и концентрации, состава парагенетических ассоциаций элементов тяжелые металлы рассматриваются не изолированно, а в комплексе с другими микроэлементами. То есть поведение продуктов техногенеза определяется не только физико — химическими условиями среды, в которую они попадают, но и индивидуальными особенностями самих токсикантов.