Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений | Мышьяк

Мне бы хотелось обратить внимание на негативное действие Тяжелых металлов (ТМ): на почву, почвенную биоту (микрофлору и червей) и растения и ,самое главное, на основании понимания механизмов проникновения в растения обсудить какими приемами мы можем снизить риск негативного влияния на размер урожая и загрязнение сельскохозяйственной продукции. Этим сообщением я продолжаю серию «Как тяжелые металлы ухудшают здоровье почвы и растений». Мы с вами рассмотрим – мышьяк, никель, ртуть, свинец, стронций, фтор, цинк, хром.

Термин «тяжелые металлы» был впервые употреблен еще в 1817 г. немецким химиком Леопольдом Гмелиным , который разделил известные в то время химические элементы на три группы: неметаллы, легкие металлы и тяжелые металлы. К тяжелым металлам было отнесено 25 элементов с плотностью от 5,31 до 22,00 г/см3. Однако до сих пор не существует единого понимания, что же такое «тяжелые металлы». Более того, в техническом отчете IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry – Международный союз теоретической и прикладной химии) за 2002 г. отмечено, что термин «тяжелый металл» имеет неверное толкование из-за противоречивых определений. На сегодняшний день выделены лишь критерии, по которым определяется принадлежность того или иного химического элемента к данной группе. Среди них: плотность, атомный вес и атомное число.  Словосочетание «тяжелые металлы» часто рассматривается с природоохранной точки зрения , и тогда при включении элемента в эту группу учитываются не столько его физические и химические свойства, сколько биологическая активность, токсичность для живых организмов, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В соответствии с современными экотоксикологическими данными нидерландских экологов по степени опасности тяжелые металлы/металлоиды в почве образуют ряд: Se > Tl > Sb > Cd > V > Hg > Ni > Cu > Cr > As > Ba.

Наиболее распространенное определение, согласно которому к тяжелым металлам относят элементы, обладающие свойствами металлов или металлоидов, имеющие плотность более 5 г/см3, атомную массу свыше 40 Да, атомное число 23 и выше.

Сегодня поговорим о мышьяке

Мышьяк входит в группу особо опасных загрязняющих веществ и в повышенных концентрациях оказывает токсическое действие на живые организмы. Основными источниками загрязнения агроценозов мышьяком являются: переработка полиметаллических руд, сжигание угля и нефти, орошение, использование в сельском хозяйстве пестицидов, содержащих мышьяк.

Главный мышьяксодержащий минерал – арсенопирит. В качестве примеси он присутствует во всех рудопроявлениях олова, он установлен на всех участках, продуктивных на камнесамоцветное сырье, является примесью в кварце, молибдените, во флюорите, в пирите.

Агротехнические источники загрязнения почв мышьяком (мг/кг сухой массы):

• известняк –0,1–24
• орошение сточными водами-  2-26
• фосфорные удобрения – 1-200
• азотные удобрения 2.2-120

Мышьяк – поглощение в  растения

По степени накопления в растениях микроэлементы подразделяются на несколько группы:

1. Cd, Cs, Rb – интенсивно поглощаются;
2. Zn, Mo, Cu, Pb,Ag, As, Co – средняя степень поглощения;
3. Mn,Ni, Li, Cr, Be, Sb – слабо поглощаются;
4. Se, Fe,Ba, Te – труднодоступны растениям . 

Мышьяк – закономерности содержания в растениях. Биологическое значение мышьяка связано с его химической близостью к фосфору, способностью замещать этот элемент в биохимических реакциях . Мышьяк входит в состав многих растений. Содержание мышьяка в растениях повторяет его наличие в почве. Высокие концентрации этого элемента негативно сказываются на жизнедеятельности растений: замедляется их рост, происходит увядание листьев, снижается урожайность и ухудшаются качественные показатели растительной продукции. Наибольшие концентрации этого элемента характерны для листовых овощей и трав, наименьшие –для зерна злаковых культур. Среднее содержание мышьяка в пищевых и кормовых растениях, произрастающих на незагрязненных почвах, составляет 0,0003–1,5 мг/кг сухой массы . Нормальная концентрация мышьяка в растениях колеблется от 1,0 до 1,7 мг/кг, токсичная – в пределах 5,0–20,0 мг/кг. Среднее содержание мышьяка на территории России варьирует от 0,020 до 0,046 мг/кг .

Мышьяк характеризуется средней степенью поглощения растениями. На загрязненных почвах избыточные анионы мышьяка в основном задерживаются корнями растений. В результате аккумуляции мышьяка в корнях растений насыщенность тканей надземных органов этим элементом невысокая.

Мышьяк – нормы содержания в сельскохозяйственной продукции

Предельно допустимая концентрация мышьяка в продовольственном зерне составляет 0,2 мг/кг; в овощах, картофеле, грибах, плодовых и ягодных культурах – 0,2–0,5 мг/кг, в кормах для сельскохозяйственных животных – 0,5 мг/кг .

Мышьяк – нормы содержания в почве

 Предельно допустимые концентрации (ПДК):

• Валовое содержание, мг/кг  2,0

Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК):

• Валовое содержание, мг/кг
• песчаные и супесчаные 55,0  
• кислые суглинистые и глинистые 2,0
• с рН<5,5 5,0
• с рН>5,5 10,0

Мышьяк- влияние на червей

Загрязнение почв мышьяком вызывает гибель дождевых червей.

Мышьяк – распределение по почве

Химические элементы и их соединения, попадая на поверхность почв в ландшафтно-геохимические системы, претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Геохимические барьеры были определены А.И. Перельманом (1961) как участки зоны гипергенеза, на которых изменение условий миграции приводит к накоплению химических элементов. В основу классификации барьеров положены виды миграции элементов. А. И. Перельман выделяет четыре типа и несколько классов геохимических барьеров .

1. Биогеохимические барьеры — для всех элементов, которые перераспределяются и сортируются живыми организмами (О, С, Н, Са, К, N, Si, Мg, Р, S и др.);
2. Физико-химические барьеры: 1) окислительные – железный или железомарганцевый (Fе, Мn, Со), марганцевый (Мn), серный (S); 2) восстановительные – сульфидный (Fе, V, Zn, Ni, Сu, Со, Рb, U, As, Сd, Нg, Аg, Sе), глеевый (V, Сu, U, Ag, Se); 3) сульфатный и карбонатный (Ва, Са, Sr); 4) щелочной (Fe, Ca, Mg, Sr, Zr, Cu, Ni, Co, Pb, Cd); 5) кислый (SiO2); 6) испарительный (Са, Na, Hg, F, S, Sr, Cl, Pb, Ni, U); 7) адсорбционный (Са, К, Мg, Рb, V, Сr, Zn, Ni, Со, U, As, Hg, Ra); 8) термодинамический (Са, S);
3. Механические барьеры (Fe, Ti, Cz, Ni, Th, Sn, W, Hg, Pt, Pd);
4. Техногенные барьеры.

Мышьяк-внутрипрофильное поведение в почве

Наибольшая концентрация ТМ отмечается в верхнем почвенном горизонте. На такое распределение элементов в почвенном профиле влияют величина рН, содержание физической глины и ёмкость катионного обмена (ЕКО).

Приемы снижения  загрязнения почв и попадания в растения мышька

Все приемы по снижению опасности техногенного загрязнения почв можно разделить на две группы: агромелиоративные и биологические.

Агромелиоративные - основными методами, предназначенными для управления режимом обогащенных кадмием почв,  являются повышение рН и катионообменной емкости почвы.

Из биологических приемов можно практиковать фиторемедиацию:

Фиторемедиация техногенно загрязненных почв – технологический прием, отличающийся дешевизной применения. При фиторемедиации используется энергия солнца и по сравнению, например, с землеванием или удалением загрязненной почвы, разрабатываемая технология имеет значительно более высокую агроэкологическую, хозяйственную, экономическую и энергетическую эффективность. Экологическая эффективность, выраженная в скорости фитоэкстракции и сокращении сроков фитоочистки достигается при повторном пересеве фитомелиоративных растений. На протяжении периода «работы» растений ежегодно в конце вегетационного периода зеленая масса скашивается и отвозится на место захоронения. Эффективность фиторемедиации и скорость отчуждения мышьяка будет повышаться при повторном посеве предлагаемых для этих целей растений и их чередовании по схеме: люцерна – горец и эспарцет – свербига. Коэффициент фитоэкстракции 28-62%

В заключении хотелось бы обратить внимание на установленные факты : на почвах, загрязненных ТМ, урожайность зерновых ниже на 20–30%, сахарной свеклы – на 35, бобовых – на 40, картофеля – на 47%, чем на незагрязненных почвах.

 

При подготовке сообщения использовались литературные источники ,находящиеся в открытом доступе:

1. УДОБРЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ЦЕНТРАЛЬНОМ НЕЧЕРНОЗЕМЬЕ, Самсонова Н.Е., Смоленск 2014
2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, Водяницкий Ю.Н.,  Ладонин Д.В., А. Т. Савичев А.Т., Москва, 2012
3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И РАСТЕНИЯ, Титов А.Ф.,  Казнина Н.М., ТалановаВ.В., 2014
4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЭКОСИСТЕМАХ,  Медведев И. Ф.,Деревягин С.С.,2017
5. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ (ОБЗОР),  Побилат А.Е., Волошин Е.И., 2021
6. Минеральные удобрения как источник загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции тяжелыми металлами, Гладышев В.П., Пьяных Г.М.,2000
7. ОСОБЕННОСТИ ФИТОЭКСТРАКЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ЫШЬЯКА РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ РАСТЕНИЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ РЕМЕДИАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ ПРЕДБАЙКАЛЬЯ, Бутырин М, 2017
8. ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЫШЬЯКА В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ АГРОЛАНДШАФТОВ, Попова Л.Ф.
9. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 "Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения" (утв. постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г. N 46)
10. Фоновое содержание тяжёлых металлов, мышьяка и углеводородов в почвах Большеземельской тундры,  Дымов А.А.,  Лаптева Е.М.2010
11. Мышьяк в почвах техногенных ландшафтов Алтая, Бабошкина С.В. 2005
12. Биогеохимическое поведение мышьяка в почвах Алтая, Бабошкина С.В. 2005
13. ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ МЫШЬЯКА РАСТЕНИЯМИ  НА ТЕРРИТОРИИ ПРИРОДНОЙ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ АНОМАЛИИ ЧИТИНСКОЙ ОБЛАСТИ, Солодухина М.А.
14. ТРАНСЛОКАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В  АГРОЛАНДШАФТАХ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ ПОД  ВЛИЯНИЕМ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ, Троц Н.М., 2018

Буду благодарна за комментарии – при приобретении/выборе удобрений вы запрашиваете у поставщиков информацию о загрязнении  мышьяком? Учитываете л вы риск поступления мышьяка с удобрениями при определении нормы внесения удобрений? Какие значения загрязнения мышьяком вы фиксируете у себя в почве? Находятся ли ваши поля в непосредственной близости с предприятиями с выбросами мышьяка? Интересна ли затронутая тема?