Важкі метали в грунтах
Важкі метали в грунтах
Зміст
На даний момент для позначення практично однаковою групи хімічних елементів широко застосовуються два різних терміна: мікроелементи і важкі метали.
Мікроелементи - поняття, що зародився в геохімії і нині активно використовується в сільськогосподарських науках, медицині, токсикології, санітарії. Воно позначає групу хімічних елементів, які містяться в природних об`єктах в дуже малих кількостях - менше 0,01%, як правило, 10-3-10-12 %. Формально в основу виділення покладена їх поширеність в природі, яка для різних природних середовищ і об`єктів (літосфера, педосфера, донні опади, гідросфера, рослини, тварини та ін.) Істотно різниться.
Термін `` важкі метали `` більшою мірою відображають ефект забруднення навколишнього середовища і токсичну дію елементів при їх вступі до біоту. Він запозичений з технічної літератури, де застосовується для позначення хімічних елементів з щільністю більше 5 г / см3. Якщо виходити з цього показника, важкими слід вважати 43 з 84 металів, що входять в Періодичну систему елементів Менделєєва. Однак при такому трактуванні під дане визначення не потрапляють Be - 1,85 г / см3, Al - 2,7, Sc - 3,0, Ti - 4,6, Rb - 1,5, Sr - 2,6, Y - 4,5, Cs - 1,9, Ba - 3,8 г / см3, які при надлишкових концентраціях також бувають небезпечними. Необхідність включення в цю групу легких металів-токсикантів була досягнута зміною критерію відбору, коли до цієї групи стали відносити елементи з атомною масою понад 40. При такому підході з токсикантів в неї не потрапили лише Be і Al.
Тому цілком обґрунтованим є включення в сучасне трактування терміна ldquo-важкі металлиrdquo- великої групи токсичних хімічних елементів, в тому числі і неметалів.
Всього налічується понад 40 важких металів. Пріоритетними забруднювачами вважаються Pb, Cd, Zn, Hg, As і Cu, так як їх техногенне накопичення в навколишньому середовищі йде дуже високими темпами. Ці елементи мають більшу спорідненість до фізіологічно важливим органічних сполук. Їх надлишкові кількості в організмі живих істот порушує всі процеси метаболізму і призводять до серйозних захворювання людини і тварин. У той же час, багато їх елементів (Co, Cu, Zn, Se, Mn) досить широко використовуються в народногосподарському виробництві (особливо в сільському господарстві, медицині та ін.) Під назвою мікроелементи, про що говорилося вище.
хром (Cr). Зміст елемента в грунтах залежить від його змісту в материнських породах.
Хром відрізняється широким розмаїттям станів окислення і здатністю формувати комплексні аніонні і катіонні іони (Cr(OH)2+, CrO42, CrO3-). У природних з`єднаннях він володіє валентністю +3 (хромові з`єднання) і +6 (хромати). Більша частина Cr3+ присутній в хроматі FeCr2O4 або інших мінералах шпінелевих ряду в яких він заміщає залізо і алюміній.
У грунтах велика частина хрому присутній у вигляді Cr3+ входить до складу мінералів або утворює різні Cr3+ і Fe3+ оксиди. Сполуки хрому в грунтах досить стабільні, так як в кислому середовищі він інертний (при рН 5,5 він майже повністю випадає в осад). Поведінка хрому залежить від рН і окислювально-відновного потенціалу грунтів.
На поведінку хрому в грунтах великий вплив мають і органічні комплекси. Важливим моментом в поведінці елемента, з яким пов`язана доступність хрому для рослин, є легкість, з якою розчинний Cr6 + при нормальних грунтових умовах переходить в нерозчинний Cr3+. В результаті окислюється здатності з`єднань марганцю в грунтах може спостерігатися окислення Cr3+.
Хром є важливим елементом живлення рослин. Зниження його рухливості хрому в грунтах може призводити до дефіциту в рослинах. Легко розчинний у грунтах Cr6 + токсичний для рослин і тварин.
Вапнування застосування фосфору і органічних речовин помітно знижує токсичність хрому в забруднених ґрунтах.
Свинець (Pb). Вміст свинцю в земній корі становить 1,6 10-3 вагових відсотка. Природний вміст свинцю в грунтах коливається від 3 до 189 мг / кг. У природних умовах його головна форма - галеніт PbS. Свинець присутній у вигляді Pb2+. При вивітрюванні сульфіди свинцю повільно окислюються.
За геохімічним властивостям свинець близький до групи двовалентних лужноземельних елементів, тому здатний заміщати К, Ва, Sr, Са як в мінералах, так і при процесі сорбції. Через широкомасштабного забруднення свинцем більшість грунтів, особливо верхні горизонти, збагачені цим елементом.
Серед важких металів він найменш рухливий. Свинець асоціюється головним чином з глинистими мінералами, оксидами марганцю, гидроксидами заліза і алюмінію, органічною речовиною. При високих рН свинець осідає в грунті у вигляді гідроксиду, фосфату, карбонату. Ці ж умови сприяють утворенню Pb-органічних комплексів.
Рівні змістів, при якому елемент стає токсичним, коливаються в межах 100-500 мг / кг. Свинцеві забруднення від підприємств кольорової металургії представлені мінеральними формами, від вихлопних газів автотранспорту - галогенідними солей. містять Pb частинки вихлопних газів нестійкі і легко перетворюються в оксиди, карбонати, сульфати. Забруднення грунтів свинцем носить незворотній характер, тому накопичення мікроелемента в верхньому горизонті грунтів буде йти навіть в умовах його невеликого привноса.Забруднення грунтів свинцем в даний час не викликає великого занепокоєння через нерастворимости адсорбованих і обложених іонів Pb в грунтах. Однак вміст свинцю в коренях рослин корелює з його змістом в грунтах, що вказує на поглинання елемента рослинами. Накопичення свинцю в верхньому горизонті грунтів має також велике екологічне значення, так як він сильно впливає на біологічну активність грунтів і грунтову біоту. Його високі концентрації можуть гальмувати мікробіологічні процеси особливо в грунтах з низьким значенням катіонообменной ємності.
Кадмій (Cd). Кадмій є розсіяним елементом. Поширеність кадмію в земній корі становить 5 10-5 вагових відсотка. Геохімія Cd тісно пов`язана з геохимией цинку, він виявляє велику рухливість в кислих середовищах.
При вивітрюванні кадмій легко переходить в розчин де присутня у вигляді Cd2+. Він може утворювати комплексні іони CdCl+, CdOH+, CdHCO3+, Cd(OH)3-, Cd(OH)42, а також органічні хелати. Головне валентний стан кадмію в природних середовищах +2. Найбільш важливими факторами, які контролюють рухливість іонів кадмію, є рН середовища і окислювально-відновний потенціал. У сільноокіслітельних умовах Cd здатний утворювати власне мінерали, а також накопичуватися в фосфатах і біогенних опадах.
Головний фактор, що визначає зміст елемента в грунтах - склад материнських порід. Середній вміст кадмію в грунтах - від 0,07 до 1,1 мг / кг. При цьому фонові рівні не перевищують 0,5 мг / кг, більш високі значення є результатом антропогенної діяльності.
У зв`язуванні кадмію різними компонентами грунту провідним процесом є конкуруюча адсорбція на глинах. У будь-якому грунті активність кадмію сильно залежить від рН. Елемент найбільш рухливий в кислих грунтах в інтервалі рН 4,5-5,5, в лужних він щодо нерухомий. При зростанні рН до лужних значень з`являється одновалентних гидроксокомплекс CdВІН+, який не може легко замінити позиції в іонообмінному комплексі.
Відео: Брудна грунт в саратовских парках
Для кадмію найбільш характерна міграція вниз за профілем, ніж накопичення в верхніх горизонтах грунтів, тому збагачення елементом верхніх шарів свідчить про забруднення ґрунтів. забруднення грунтів Cd небезпечно для біоти. В умовах техногенного навантаження максимальні рівні кадмію в грунтах характерні для районів свинцево-цинкових рудників, поблизу підприємств кольорової металургії, на сільськогосподарських угіддях, де використовуються стічні води і фосфатні добрива.
Для зменшення токсичності Cd в грунтах використовуються методи, спрямовані на підвищення рН і катіонообменной ємності грунтів.
Відео: ТОП 5 найбільш ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У СВІТІ - Застосування найважчих металів
Ртуть (Hg). Ртуть і її сульфід (кіновар) відомі людині з давніх часів. Це єдиний метал, який при звичайній температурі знаходиться в рідкому вигляді. Алхіміки вважали ртуть носієм металевих властивостей і розглядали її як загальну складову частину всіх металів.
Вміст ртуті в земній корі становить 1 10-6%. Відомі в природі сполуки ртуті складають близько 20 самостійних мінералів. Основний мінерал - кіновар. В процесі міграції утворюються також самородна ртуть, амальгами ртуті з золотом, сріблом, ртутно-сурм`яні, галоїдні і інші мінерали ртуті.
Важливими геохімічними властивостями ртуті є: утворення сильних зв`язків із сіркою, освіта органо-металевих з`єднань, порівняно стійких у водному середовищі, летючість елементарної ртуті. Ртуть малорухливі при вивітрюванні, затримується ґрунтом головним чином у формі слабоподвіжние органічних комплексів.
сорбція Hg2+ в грунті змінюється в залежності від величини рН, будучи максимальної при рН 4-5. Середні концентрації ртуті в поверхневому шарі грунту не перевищують 400 мкг / кг. Фонові рівні елемента можна оцінити як 0,n мг / кг, однак точні кількості визначити важко через широкого забруднення грунтів цим металом. Забруднення грунтів ртуттю пов`язано з підприємствами, що виробляють важкі метали, з хімічним виробництвом, із застосуванням фунгіцидів.
Забруднення грунтів ртуттю само по собі не є серйозною проблемою, проте навіть прості солі Hgабо металева ртуть створюють небезпеку для рослин і ґрунтової біоти через отруйних властивостей парів ртуті. Споживання елемента корінням рослин може бути зведене до мінімуму шляхом внесення вапна, серусодержащих з`єднань і твердих фосфатів.
Миш`як (As). Миш`як відомий з давніх-давен. Ще Аристотель і Теофраст згадують про природні сірчистих з`єднаннях миш`яку, які застосовувались в якості лікарських засобів і фарб. Середній вміст елемента в земній корі - 5 10-4 вагових відсотка. Характеризується однорідним розподілом в головних типах гірських порід. Утворює власні мінерали і входить до складу інших. Елемент пов`язаний з родовищами інших мінералах і виступає як індикатор при пошукових геохімічних роботах. Мінерали миш`яку добре розчинні. Однак інтенсивність його міграції невелика внаслідок активної сорбції глинистими частинками, гідроксидами, органічною речовиною.
Звичайні стану окислення As- -3, 0, +3, +5. Комплексні аніони AsО2-, AsО43, НAsО42, As2Про3- є найбільш поширеними рухливими формами миш`яку. За особливостями поведінки AsО43 близький до фосфатів. Найбільш поширена форма миш`яку в умовах навколишнього середовища - As5+.
Миш`як, адсорбований грунтом, насилу піддається десорбції, а міцність зв`язування елемента грунтом з роками збільшується. Найбільш низькі рівні вмісту миш`яку характерні для піщаних грунтів. Його максимальні концентрації пов`язані з алювіальними грунтами і грунтами, збагаченими органічною речовиною.
Токсичність миш`яку в ґрунтах може бути знижена різними способами в залежності від джерела забруднення і властивостей ґрунтів. Збільшення окисного стану грунтів, застосування речовин, що сприяють осадженню і зв`язування елемента (сульфату заліза, карбонату кальцію), обмежує біодоступність миш`яку. Внесення фосфатних добрив також знижує надходження елемента в біоту.
нікель (Ni). Вміст нікелю в земній корі становить 8 10-3 вагових відсотка. У поширенні нікелю в земній корі спостерігається схожість з кобальтом і залізом. У континентальних відкладеннях він присутній у вигляді сульфідів і арсенидів і часто заміщає залізо в железомагнезіальних з`єднаннях. У з`єднаннях нікель головним чином двох-і трехвалентен.
При вивітрюванні гірських порід елемент легко вивільняється, а потім осідає з оксидами заліза і марганцю. Він відносно стабільний у водних розчинах і може мігрувати на великі відстані.
У грунтах нікель тісно пов`язаний з оксидами марганцю і заліза, і в цій формі найбільш доступний для рослин. У верхніх горизонтах грунтів нікель присутній в органічно пов`язаних формах, частина з яких представлена легко розчинними хелатами. Найвищі змісту Ni спостерігаються в глинистих і суглинних грунтах, в грунтах на основних і вулканічних породах і в грунтах, багатих органікою.
В даний час нікель вважається серйозним забруднювачем. Антропогенні джерела нікелю призводять до його суттєвого збільшення в ґрунтах. В опадах стічних вод Ni присутній у формі легкодоступних органічних хелатов і може бути фітотоксичність. Зниженню його доступності для рослин сприяють внесення фосфатів або органічної речовини.
Розрахунки, проведені в Білорусі, свідчать про те, що в атмосферу республіки тільки від стаціонарних джерел спалювання палива потрапляє 72% миш`яку, 57% ртуті, близько 99% нікелю, 27% кадмію, 33% хрому, 27% міді, 15% свинцю, 11% цинку. Цементне виробництво привносить значні кількості кадмію, свинцю, хрому. Пересувні джерела в основному забруднюють атмосферу цинком і міддю.
Крім атмосферних випадінь, значна кількість металів привноситься в грунт при використанні добрив, в тому числі на основі осадів стічних вод і побутових відходів. У складі домішок в добривах знаходиться кадмій, хром, мідь свинець, уран, ванадій і цинк, з відходами інтенсивного тваринництва і птахівництва - мідь і миш`як, з компостом і гноєм - кадмій, мідь, нікель, цинк і миш`як, з пестицидами - кадмій, миш`як, ртуть, свинець, марганець і цинк.
Складність складу грунтів, великий набір хімічних сполук обумовлюють можливість одночасного протікання різних хімічних реакцій і здатність твердих фаз грунтів підтримувати порівняно постійним склад ґрунтового розчину, звідки рослини безпосередньо черпають хімічні елементи. Цю здатність підтримувати постійним склад ґрунтового розчину називають буферностью грунтів. У природній обстановці буферність грунтів виражається в тому, що при споживанні будь-якого елементу з ґрунтового розчину відбувається часткове розчинення твердих фаз і концентрація розчину відновлюється. Якщо в грунтовий розчин ззовні потрапляють зайві кількості будь-яких з`єднань, то тверді фази грунтів пов`язують такі речовини, знову підтримуючи сталість складу ґрунтового розчину. Отже, діє загальне правило: буферність грунтів обумовлена великим набором одночасно протікають хімічних реакцій між грунтовим розчином і твердими частинами грунту. Хімічне різноманітність робить грунт стійкою в умовах, що змінюються природного середовища або при антропогенної діяльності.
