Загрязнение почв и грунтов тяжелыми металлами

Тяжелые металлы относятся к распространенным загрязняющим веществам, наблюдение за содержанием которых обязательно в почвах и грунтах. В качестве критериев принадлежности к тяжелым металлам используются разные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (висмут) или даже к металлоидам (мышьяк). В одних работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды, на сегодняшний день к тяжелым относят более 40 металлов с атомной массой свыше 50 атомных единиц, а в других считают металлы с плотностью более 8 г/см3 (Pb, Cu, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg).

Тяжелые металлы являются не только токсикантами, но и природными микрокомпонентами почв, содержание которых обусловлено механическим и химическим составом почвообразующих пород и характером почвообразовательных процессов. Фоновое содержание химических соединений и элементов в почвах — содержание, соответствующее их естественным концентрациям в почвах различных почвенно-климатических зон, не испытывающих заметного антропогенного воздействия.  Наша лаборатория проводит анализ cостава почв на загрязнение металлами и другими элементами.

Основным источником загрязнения почв тяжелыми металлами является сжигание ископаемого топлива. Ежегодно сгорает 5 млрд. тонн горючих ископаемых (за всю историю человечества, по оценкам специалистов, сожжено 130 млрд. т угля и 40 млрд. тонн нефти). В золе угля и нефти содержатся практически все металлы в суммарной концентрации до 500 г. на тонну топлива. В этом сущность аэрально-техногенного характера поступления тяжелых элементов в почву.

Заметную роль в загрязнении почв и грунтов играют и другие пути попадания тяжелых металлов в почву. Например, ежегодно от выхлопных газов автомобильных двигателей, работающих на этилированном бензине, выбрасывается на поверхность почв более 250 тыс. тонн свинца в год. Выбросы в атмосферу только от ремонтных предприятий железных дорог в виде пыли, оседающей на почву (в основном это оксиды металлов), составляет свыше 380 тыс. тонн в год. Тормозные колодки поездов, истираясь, также вносят в почвы вблизи железных дорог еще 200 тыс. тонн металлов в год. Таким образом, происходит неуклонное увеличение масштабов загрязнения почвы тяжелыми металлами. При этом наиболее опасно накопление в почве металлов с выраженным токсическим характером — ртути, свинца, кадмия.

Пагубное воздействие содержащихся в промышленных газовых выбросах тяжелых металлов может значительно усиливаться за счет влияния других вредных компонентов выбросов. Весьма опасными в этом отношении являются дымовые выбросы алюминиевых, керамических и некоторых других предприятий, содержащие значительные количества фторидов водорода и кремния, а также некоторых других соединений фтора.

Поступающие из атмосферы металлы в той или иной степени фиксируются почвой. Процесс фиксации включает адсорбцию, осаждение, коагуляцию, межпакетное поглощение глинистыми минералами. Поступающие в почвы соединения тяжелых металлов разрушаются почвенными органическими кислотами либо сорбируются компонентами ППК, либо — в зависимости от почвенных условий — осаждаются в виде нерастворимых солей. Но перед этим они проходят фазу раствора и в данном состоянии наиболее подвижны.

Основную роль в закреплении металлов в почве играют органическое вещество, глинистые минералы и гидрооксиды железа и марганца. Вначале металлы сорбируются в основном не специфически. Со временем происходит упрочение связи тяжелых металлов с почвенным поглощающим комплексом (ППК), что выражается в уменьшении содержания водорастворимых и непрочно связанных форм; в природных условиях этому способствует частая смена режимов увлажнения и высушивания почвы. В процессе сорбции тяжелых металлов почвой они иммобилизуются и переводятся в нетоксичные формы, некоторые входят в кристаллическую решетку алюмосиликатов. Например, техногенные свинец и медь трансформируются в почве в менее подвижные, a Zn и Cd — в более подвижные соединения.

При взаимодействии тяжелых металлов с глинистыми минералами возникают обменные и необменные формы. Техногенный цинк проявляет наибольшее, чем медь, свинец и кадмий, сродство к минеральным компонентам ППК. В связи с этим илистая фракция почв обогащена цинком и обеднена медью и свинцом по сравнению со всей почвенной массой.

В нижних почвенных горизонтах основная роль в закреплении тяжелых металлов принадлежит оксидам и гидроксидам Fe, Mn и А1. Наиболее прочно закрепляются и активно сорбируются медь, цинк, свинец. В почвах, богатых железом, многие тяжелые металлы становятся малоподвижными из-за процессов окклюзии.

Ртуть, свинец, кадмий и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) перегнойно-аккумулятивного (гумусового) горизонта различных типов почв суглинистого состава. Миграция их по профилю и вынос за пределы почвенного профиля незначительны. Однако в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Цинк и медь менее токсичны, но более подвижны, чем свинец и кадмий.

Поведение тяжелых металлов в почве зависит от ее окислительно-восстановительных условий и кислотности. Миграционная способность Сu, Ni, Со, Zn в восстановительной среде снижается на 1-2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижно. Наиболее неблагополучные условия в этой связи складываются в подзолистых и дерново-подзолистых почвах, имеющих неблагоприятные физические и химические свойства из-за повышенной кислотности и содержания в ППК ионов алюминия. Указанные условия способствуют переходу металлов в биологические ткани, повышенной миграции тяжелых элементов, ухудшению жизнедеятельности нитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий, часто вызывают снижение плодородия почв.

В летний период миграция тяжелых металлов в поверхностные воды связана с процессами эрозии и деятельностью почвенно-грунтовых вод. Даже в гумидных условиях почва является эффективным фильтром на пути атмотехногенного потока тяжелых металлов в природные воды. Минимальная интенсивность водной миграции тяжелых металлов отмечается в степных и лесостепных регионах. Если атмосферная влага, просачивающаяся за пределы почвенной толщи, не достигает грунтовых вод, техногенные вещества накапливаются ниже корнеобитаемого горизонта и исключаются из биокруговорота и дальнейшей водной миграции; происходит их естественное захоронение.

В процессе водной эрозии, например, при осадках ливневого характера, из почвы вымываются в основном илистая фракция и органика — наиболее обогащенные тяжелыми металлами почвенные компоненты, что является одной из причин более низкого содержания тяжелых металлов в почвах сельхозугодий по сравнению с нераспаханными почвами в условиях атмотехногенного загрязнения. В городских почвах накопление загрязняющих веществ происходит в большинстве случаев двадцатисантиметровом слое.

Глобальные, зональные и региональные оценки фона тяжелых металлов и металлоидов в почвах, мг/кг (Сает Ю.Е. и др., 1990)