СВИНЕЦ И КАДМИЙ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА – РАСТЕНИЯ – УДОБРЕНИЯ - ЧЕЛОВЕК»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ
(МГОУ)
ГЕОГРАФО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ОБЩЕЙ И РЕГИОНАЛЬНОЙ ГЕОЭКОЛОГИИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема:
СВИНЕЦ И КАДМИЙ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА – РАСТЕНИЯ – УДОБРЕНИЯ - ЧЕЛОВЕК»
Исполнитель:
студентка 36 группы Маркова Лилия Владимировна
Научный руководитель:
доцент Новиков Анатолий Петрович
Допустить к защите
доцент Новиков Анатолий Петрович
Москва 2015
Оглавление
Введение…………………………………….……………………………………..3
Глава 1. Биогеохимические свойства свинца и кадмия………….……………..4
Глава 2. Свинец (Pb)……………………………………………………………....6
2.1. Свинец и почвы……………………………………………………………….6
2.2. Свинец и растения……………………………………………………………7
2.3. Свинец и удобрения………………………………………………………….8
2.4. Свинец и человек……………………………………………………………..8
Глава 3. Кадмий (Cd)…………………………………………………………….13
3.1. Кадмий и почвы………………………………………….………………….13
3.2. Кадмий и растения………………………………………………………….14
3.3. Кадмий и удобрения………………………………………………………..15
3.4. Кадмий и человек………………………………………………….………..15
Заключение…………………………………………………………………….…17
Словарь терминов………………………………………………………………..18
Список литературы……………………………………………………………....21
Введение
Хозяйственная деятельность человека приводит к загрязнению компонентов окружающей среды. Одним из таких компонентов является почва. Почвы – это не только важное составляющее ландшафтов и природы в целом, но и основа социально-экономического развития. На них сосредоточена сельскохозяйственная деятельность. С деградации почвы начинается деградация ландшафта и всего живущего в нем. Основными загрязнителями почвы выступают тяжелые металлы (ТМ).
Тяжелые металлы (ТМ) – это металлы со сравнительно большой атомной массой. Их главные источники – выхлопные газы автомобилей и других видов транспорта, промышленные предприятия (преимущественно металлургические и химические заводы), а также сельскохозяйственное производство.
Опасность попадания в почву тяжелых металлов чревата тем, что в дальнейшем происходит транслокация их в растения, а затем степень загрязнения может повышаться либо за счет химизации с/х производства (если речь идет о культурных растениях), либо за счет внешних источников загрязнения. ТМ содержатся в органических, фосфорных и азотных удобрениях, известковых материалах, пестицидах. При попадании в организм животных и человека ТМ могут привести к летальному исходу.
Данная работа посвящена двум представителям категории ТМ – свинцу (Pb) и кадмию (Cd). Включение свинца и кадмия в число приоритетных загрязнителей объясняется их высокой токсичностью, способностью накапливаться в организме человека, а также повсеместным присутствием в окружающей среде (Ревич, 2001).
Свинец (Pb) и кадмий (Cd) входят в группу химических элементов с наиболее высокой степенью токсичности (КТ=1,5, по Л.Л.Розанову). О характере связывания этих металлов можно судить по их содержанию в почвах и зависимости профильного распределения от свойств почв.
В почвы свинец и кадмий поступают в виде примесей в удобрениях, галогенидов и оксидов этих металлов, которые содержатся в выхлопных газах автомобилей, в составе отходов, образующихся при добыче и переработке отработанных аккумуляторных батарей.
Тему для своей курсовой работы я выбирала исходя из заинтересованности факторами и процессами загрязнения почв свинцом и кадмием, их миграцией в растения и организм человека, а также дальнейшими последствиями этого.
Цели курсовой работы – изучить поведение свинца (РЬ) и кадмия (Сd) в составе почв, рассмотреть их биологическую роль и токсичность; выявить факторы и последствия их транслокации в растения и организм человека.
Глава 1. Биогеохимические свойства свинца и кадмия.
Свинец – голубовато-серый, мягкий, но тяжелый металл. Среднее содержание свинца в земной коре составляет 1,6·10-3%, его количество в почве колеблется от 0,37·10-3% до 4,3·10-3%. Источники поступления его в почву – выплавка металлов (преимущественно цветная металлургия), а также двигатели внутреннего сгорания. Исключение составляет РЬ, который поступает в окружающую среду в большом количестве в составе выбросов автотранспорта, использующего этилированный бензин. Большая часть загрязнений, поступающих от предприятий цветной металлургии, представлена минеральными формами (например, PbS, PbO, PbS04, PbO, PbSO), тогда как в выхлопных газах автомобилей РЬ присутствует в виде галогенидных солей (PbBr, PbBrCl, Pb(OH)Br, (PbO)2PbBr). Содержащие Pb частицы выхлопных газов неустойчивы и легко превращаются в оксиды, карбонаты и сульфаты.
Геохимические особенности свинца – малая подвижность и непродолжительное время жизни в атмосфере и фазе раствора природных вод. В поверхностных водах оно составляет несколько лет, а в глубинных – до 100 лет. Кларк Pb 1,6·10-3 %, в магматических процессах он рассеивается, несколько накапливается в гранитоидах. В основных породах 8·10-4 %, в ультраосновных - 1·10-5 %.
Особенно характерен свинец для гидротерм, в которых он образует различные растворимые комплексы и из которых осаждается вместе с Zn, Ag другими халькофилами. В гумидных ландшафтах свинец преимущественно мигрирует в бикарбонатной форме (Pb (HCO3))2 – сравнительно растворим), в органических комплексах, а также механическим путем с глинистыми частицами. Из почвы выносится слабее, чем Zn и Cu. Однако дефицит Pb неизвестен и вряд ли имеет место.
В степях и пустынях в почве и коре выветривания Pb малоподвижен. Свинец ядовит для большинства животных и человека, причем низшие животные менее чувствительны к нему, чем высшие.
Кадмий (Cd) – серебристо-белый мягкий металл. Кларк кадмия (Cd) 1,3·10 -5 %, в изверженных породах он рассеян. Концентрация этого металла связана с гидротермальными процессами, в которых он является аналогом цинка. Известны концентрации Cd в сланцах, песчаниках, в которых он также связан с Zn и другими халькофилами.
По химическим свойствам и специфике поведения в различных природных средах кадмий имеет определенную аналогию с цинком. Высокая токсичность и растворимость этого элемента обусловлены большим сродством к SН-группам. В отличие от ртути, сродство кадмия к кислороду выражено менее ярко, что объясняет образование его достаточно неустойчивых металлоорганических соединений и определенную инертность в окислительно-восстановительных реакциях. Кадмий склонен к активному биоконцентрированию, что приводит в довольно короткое время к его накоплению в избыточных концентрациях.
Закономерности распределения свинца и кадмия по профилю различны в зависимости от свойств почвы. Дерново-подзолистая почва имеет два максимума содержания металлов – гумусовый и иллювиальные горизонты. Для чернозема характерен один ярко выраженный максимум - верхняя часть гумусового горизонта. Закономерности распределения свинца и кадмия в красноземе различны в силу обогащенности красноцветной коры выветривания кадмием - она содержит около 1,0 мг/кг Cd. Поэтому для свинца прослеживается один максимум – в гумусовом горизонте, а для кадмия - два: гумусовый горизонт и нижняя часть профиля.
Таблица 1. Биогеохимические свойства свинца и кадмия (Роева Н.Н.).
|
Свойство
|
|
Cd.
|
|
Pb.
|
|
Биохимическая активность
|
|
В
|
|
В
|
|
|
|
|
|
|
|
Токсичность
|
|
В
|
|
В
|
|
Канцерогенность
|
|
—
|
|
—
|
|
Обогащение аэрозолей
|
|
В
|
|
В
|
|
Минеральная форма распространения
|
|
В
|
|
В
|
|
|
|
|
|
|
|
Органическая форма распространения
|
|
В
|
|
В
|
|
Подвижность
|
|
В
|
|
В
|
|
Тенденция к биоконцентрированию
|
|
В
|
|
В
|
|
Эффективность накопления
|
|
В
|
|
В
|
|
Комплексообразующая способность
|
|
У
|
|
Н
|
|
|
|
|
|
|
|
Склонность к гидролизу
|
|
У
|
|
У
|
|
|
|
|
|
|
|
Растворимость соединений
|
|
В
|
|
В
|
|
Время жизни
|
|
В
|
|
Н
|
|
|
В — высокая, У — умеренная, Н — низкая
Глава 2. Свинец (Pb)
2.1. Свинец и почвы
Из атмосферы в почву свинец попадает чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяется, переходя в гидроксиды, карбонаты или форму катионов. В поверхностном горизонте почвы содержание свинца чаще всего наиболее высокое. В резкоокислительной щелочной среде степей и пустынь возможно окисление Pb2+ до Pb4+ с образованием PbO2 – платтнерита. На рудных полях характерен избыток Pb в почвах (до 1%).
В промышленных и рудодобывающих районах высокую концентрацию Pb можно объяснить антропогенным воздействием. Однако почти в относительно чистых районах его очень много: в лесной подстилке, гумусовых горизонтах и особенно в корнеобитаемой зоне. Это объясняется тем, что свинец в почвообразующей породе перераспределяется под влиянием выноса его растениями и впоследствии накапливается в лесной подстилке и гумусовом горизонте (наиболее высокая концентрация). Содержание свинца и его распределение по почвенным профилям также связаны с доступностью растениям, возможностью выноса из почвы с поверхностным или грунтовым стоком.
В почве большая часть свинца находится в виде твёрдых соединений. В кислых почвах существует часть свинца (до 70%), способная обмениваться на другие ионы. В нейтральных почвах преобладают фракции, связанные с оксидами Fe и Mn и органическим веществом. В слабощелочных и щелочных условиях свинец распределён между карбонатной, органической и остаточной фракциями.
Твёрдые соединения свинца в почвах находятся во взаимодействии с почвенным раствором, через который происходит как поступление элемента в растения, так и внутрипочвенная миграция и трансформация его соединений. Характер связывания свинца в твёрдых составляющих, очевидно, и определяет его концентрацию в растворе, которая должна, таким образом, отражать свойства соединений, в которых находится свинец.
Если почва прочно связывает свинец, это предохраняет от загрязнения её грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более зараженной и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом свинца в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования.
Загрязнение почвенного покрова избыточными концентрациями свинца приводит к неблагоприятным экологическим последствиям.
2.2 Свинец и растения
По современным представлениям, свинец не является физиологически необходимым элементом для растений. Однако есть и другое мнение, согласно которому свинец следует относить к «условно» необходимым до тех пор, пока его роль для живых организмов до конца не изучена. Кроме того, в отдельных исследованиях приводятся данные, подтверждающие необходимость этого элемента для растений и животных.
В литературе приводится очень много данных о стимулирующем действии этого металла на рост и развитие растений при относительно невысоких его концентрациях в почвах. При этом остается неясным, следует ли считать такое стимулирование положительным влиянием свинца на растения. Стимулирующее воздействие проявляется чаще в экспериментах, проводимых на высоко-буферных почвах и субстратах. Скорее всего, это связано со способностью свинца при взаимодействии с компонентами почвы вытеснять из органо-минеральных комплексов биофильные элементы, улучшая тем самым питание растений. С другой стороны, есть также предположение, что слаботоксичные дозы свинца стимулируют механизмы увеличения биомассы растений для достижения так называемого эффекта «разбавления».
Токсичное влияние свинца на растения, по мнению ряда авторов, возникает при концентрации его в почве в количестве 1 000–2 000 мг/кг. Существенное влияние на степень токсичности металла оказывают свойства почв и растений. Растения накапливают металлы из загрязненных почв и воздуха и могут аккумулировать их.
В растительное сырье, в том числе зерно, овощи, плоды свинец попадает из почвы также с удобрениями, водой, частично вносится средствами химической защиты растений. Накопление РЬ в зерне идет постепенно, увеличиваясь с 0,55 до 1,40мг/кг. Как и в случае с медью (Cu), при совместном внесении в генеративных органах накапливается меньше (почти в 2 раза), а в вегетативных - больше (до 14,3мг/кг РЬ против 3,9мг/кг при раздельном внесении).
Ячмень, произраставший в интервале 80-120 суток после загрязнения почвы свинцом, содержит в два раза меньшее количество металла, чем высеянный сразу после внесения загрязнителя. На супесчаной почве в биомассе ячменя наблюдается на треть более высокое содержание свинца по сравнению с растениями на среднесуглинистой почве.
Характер аккумуляции элемента в зерне указывает на конкурентное взаимодействие РЬ с другими металлами при поступлении в зерно ячменя. При транслокации металла в солому имеет место синергическое взаимодействие с другими поллютантами. Барьерность зерна и соломы практически не выражена, между содержанием ТМ в почве и растениях наблюдается сильная зависимость (г = 0,86±0,26-0,94±0,17).
Свинец оказывает на растения токсическое действие в меньшей степени, чем кадмий, но его влияние проявляется на фоне внесения минеральных удобрений.
2.3. Свинец и удобрения
Свинец в минеральных удобрениях является естественной примесью, содержащейся в агрорудах, поэтому его содержание в удобрениях зависит от исходного сырья и технологии переработки. В таких органических удобрениях, как навоз и его производные, содержание свинца зависит от потребляемого животными сырья, а для торфа и компостов— от источника получения и характера переработки.
Внесение минеральных удобрений оказывает влияние на численность и соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов. Внесение азотно-калийного удобрения увеличивает численность актиномицетов, что, в свою очередь, повышает активность базального дыхания и микробный метаболический коэффициент. Это способствует устойчивости микробоценоза и почв. Негативные воздействия свинца особенно проявляются в пахотных почвах, что свидетельствует об их слабой устойчивости к агрогенным и техногенным нагрузкам в сравнении с целинной почвой. Внесение удобрений способствует повышению биохимических показателей устойчивости, особенно в пахотных почвах, что сказывается на развитии растений.
Наибольшую опасность из массово применяемых минеральных удобрений представляет суперфосфат, в котором содержится от 7 до 92 мг/кг свинца. Далее, в порядке убывания, следуют концентрированные калийные удобрения (хлористый калий, сульфат калия), сложные удобрения (азофоска, нитрофоска, карбофоска).
2.4. Свинец и человек
Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями во всем мире признается одной из главных проблем экологии и охраны здоровья населения. Свинец ядовит для большинства животных и человека, причем высшие животные, в том числе и человек, более чувствительны к нему, чем низшие.
Отравление свинцом по-другому называется сатурнизмом. В организм человека этот тяжелый металл попадает с воздухом, водой и пищей. Свинец проникает в организм через желудочно-кишечный тракт или дыхательную систему и разносится затем кровью по всему организму. Существует опасность свинцовой интоксикации для людей, употребляющих придорожную растительную продукцию. Также немаловажно свинцовое заражение при поедании растительной пищи, выращенной на загрязненной почве.
Присутствие Pb в организме человека приводит к снижению активности ферментов, к нарушению обменных процессов, усиливает канцерогенное воздействие других соединений. При отравлении большими дозами наблюдается малокровие, болезни сердечно-сосудистой системы, нервные параличи, поражения почек, печени, головного мозга, ревматические явления. Свинец имеет свойство накапливаться в костях, частично замещая кальций в фосфате Са3(РО4)2. Также очень велико влияние свинца на нервную систему, особенно на детскую, поскольку их центральная нервная система еще в процессе формирования. Повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность для беременных женщин, поскольку свинец свободно проникает через плаценту, оказывая отравляющее действие на плод.
20 августа 2009 года агентство Рейтер со ссылкой на китайские СМИ сообщило об отравлении свинцом более 1,3 тысяч детей в китайской провинции Хунань. По данным китайского информационного агентства Синьхуа, повышенное содержание свинца в крови выявлено у 1354 детей. Все они жили возле предприятия по переработке марганца, расположенного в городе Вэньпин (http://ria.ru/Отравление свинцом (сатурнизм). Справка. 20.08.2009).
. Не лучшие статистические данные выдает промышленный шахтерский городок в Перу – Ла-Оройа, где с 1922 года функционирует полиметаллический завод, заражающий выбросами окружающую среду и влияющий на здоровье людей. У 99% детей, проживающих здесь, имеется повышенное содержание свинца в крови. Таких примеров можно привести достаточно много.
Рис.1. Перуанский плакат «Свинцовые дети». На заднем фоне – полиметаллический завод в г. Ла-Оройа.
В таблице 2 приведено руководство, разработанное Центром эпидемиологического контроля США (CDC, 1997), в связи с уровнем свинца в крови и необходимыми ответными действиями.
Концентрация выше 20 мкг/дл в России и в мире считается высокой, поскольку здоровью ребенка может быть нанесен значительный вред. Концентрация свинца в крови выше 45 мкг/дл может привести к перманентному повреждению головного мозга и даже летальному исходу, поэтому необходимо немедленное и интенсивное лечение (Грацианская, Розенцвит, 1961; Дрогичина, 1968; Ливанов и др., 1997; Чухловина, 1997; Huffman, 1998; WSDH, 2000; Hoekman, 2001; Toxic Dangers, 2001).
Поскольку индивидуальная восприимчивость к отравлению свинцом варьирует в широких пределах, то можно ожидать, что у некоторых детей могут наблюдаться худшие последствия при меньших дозах (ATSDR 1997a, CDC 1997). В Российской Федерации приняты аналогичные предписания по примеру США и в соответствии с отечественными стандартами (таблица 3).
Таблица 2. Предписания вторичной профилактики при определенном уровне содержания свинца в крови детей (CDC, 1997)
|
Концентрация свинца в крови (мкг/дл)
|
Необходимые действия
|
|
<10
|
Замерить уровень свинца через год. Никаких дополнительных действий не требуется, если не изменятся возможные источники свинца в среде.
|
|
10-14
|
Обеспечить информирование семьи о свинце, его вреде для здоровья и методах предотвращения попадания свинца в организм. Обеспечить последующее измерение свинца в крови. Если необходимо, связаться со службой социальной помощи.
|
|
15-19
|
Обеспечить информирование семьи о свинце, его вреде для здоровья и методах предотвращения попадания свинца в организм. Обеспечить последующее измерение свинца в крови. Если необходимо, связаться со службой социальной помощи. Если концентрация свинца в крови остается на прежнем уровне или повышается (например, при двух измерениях свинца в венозной крови за период не менее трех месяцев), тогда следовать указаниям для уровней 20-44 мкг/дл.
|
|
20-44
|
Обеспечить координацию [организацию] лечения (как отдельного случая), провести клиническое обследование, исследовать состояние среды и обеспечить контроль источников свинца.
|
|
45-69
|
В течение 48 часов организовать координацию лечения (как отдельного случая), провести клиническое обследование, исследовать состояние среды и обеспечить контроль источников свинца.
|
|
70
|
Немедленно госпитализировать и начать лечение. Провести полное клиническое обследование, исследовать состояние среды и обеспечить контроль источников свинца.
|
Таблица 3.Основные клинические проявления и объем медицинской помощи при различных концентрациях свинца в крови (Ливанов и др., 1997)
|
Pb,
мкг/дл
|
Основные клинические
проявления
|
Объем медицинской помощи
|
|
1
|
2
|
3
|
|
0-9
|
Это нормальный уровень свинца. Если степень специфического риска низка, контроль можно провести через год. При высоком специфическом риске контроль проводят 1 раз в 3 месяца
|
Необходимо иметь представление о факторах неспецифического риска и, исходя из них, планировать объем медицинской помощи
|
|
10-19
|
Повышенный уровень свинца может привести к проблемам в поведении ребенка и обучении, на рушению мелкой мотори ки
|
1.Обучить родителей гигиеническим правилам.
2.Дать рекомендации по питанию.
3.Провести неврологический осмотр с определением показателей теста Озерецкого.
4.Определить неспецифические пока затели интоксикации.
5.Назначить энтеросорбенты на 3 месяца.
6.Назначить препараты селена, витамины А, Е в возрастных дозах. Лечение возможно проводить в амбулаторных условиях
|
|
20-44
|
Возможны нейродинамические нарушения, нарушения мочевого обмена, снижение интеллекта
|
1.Проведение, педиатрического, и неврологического обследования.
2.Немедленно начать применение селективных энтеросорбентов в максимальных дозах.
3.При отсутствии противопоказаний начать хелатную терапию.
4.Провести ЯМР-исследование для ис ключения депонирования в костях.
5.Контролировать концентрацию свинца не реже раза в месяц.
6.Установить диспансерное наблюдение на период не менее 1,5 лет.
|
|
45-69
|
Уровень свинца опасен для жизни при отсутствии своевременного вмеша тельства
|
1.Госпитализация в стационар: в. течение 3-х дней с момента получения резуль татов анализа крови на свинец.
2.Назначение максимальных доз энтеросорбентов со дня постановки диагноза.
3.Проведение хелатной терапии в стационаре. Реабилитационные мероприятия начинают в максимально ранние сроки и проводят в течение 1,5 лет для коррекции моторныx нарушений.
|
|
Более 70
|
Moгут возникнуть эпилептические припадки, кома, смерть.
|
1.Срочная госпитализация в многопро фильный стационар.
2.Проведение хелатной терапии.
3.Расширенное педиатрическое и неврологическое обследования.
4.Контроль содержания свинца не реже 1 раза в месяц.
|
Глава 3. Кадмий (Cd)
3.1. Кадмий и почвы
В почвы кадмий поступает в составе отходов, образующихся при добыче и переработке цинковых, свинцово-цинковых, медно-цинковых руд; в виде примесей оксидов, сульфидов и иных галогенидов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, попадает с суперфосфатом и входит в состав фунгицидов. Основной источник загрязнения почвы кадием - добыча и металлургия цинка, а также производство красок и электротехнической продукции.
Кадмий относится к редким рассеянным элементам, он содержится в минералах с большим содержанием цинка. Содержание кадмия в почвах невелико: в черноземе составляет 1·10-5%, что на порядок меньше, чем его содержание в растениях. Почвы, которые подстилают граниты и гнейсы, содержат кадмия больше, чем известняки. Содержание кадмия в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а период его полувыведения из почвы один из самых больших (около 1100 лет).
Определить содержание Cd в почвах помогает химический состав материнских пород, а его подвижность в почве - уровень реакции среды в почве и окислительно-восстановительный потенциал. Адсорбция кадмия глинами имеет существенное значение в кислом диапазоне. При кислотности (pH) выше 7,5 сорбированный почвой Cd перестает быть легко подвижным.
В любой почве активность Cd определяется величиной кислотности (pH), кроме кислых почв, где органическое вещество и полуторные окислы могут контролировать подвижность его соединений. В условиях промывного режима увлажнения имеет место миграция кадмия с инфильтрационными водами в нижние горизонты почвы, хотя наибольшее содержание этого металла характерно для верхнего пахотного слоя почв. В почвах лёгкого механического состава и обеднённых гумусом процессы миграции кадмия усиливаются.
Поведение кадмия в почве и степень его опасности определяется, помимо всего, формой нахождения, то есть геохимической ассоциацией элементов с почвенными компонентами. Форма нахождения кадмия в почве определяет его мобильность и биологическую доступность.
Выделяют три основных формы нахождения кадмия в почве:
– подвижную (включая водорастворимые, обменные, непрочно сорбированные) – наиболее доступные для поглощения корнями растений фракции;
– фиксированную (кислоторастворимую) – более труднодоступная форма, но может стать более подвижной формой при изменении почвенных условий (например, ее рН);
– прочнофиксированную – недоступная для корневой системы растений при реально существующих в почве условиях.
Загрязнение почвы кадмием - одно из наиболее опасных экологических явлений. Для снижения подвижности Cd используют повышение pH почвы путем известкования, не для всех почв и растений пригоден данный способ.
3.2. Кадмий и растения
Кадмий поступает в растения, в основном, за счет почвы. Значительная доля Cd, попадающего в почву, связывается с почвенными химическими комплексами, усваиваемыми растениями. В процессах образования кадмийорганических соединений участвует и почвенная микрофлора. В отличие от других токсических элементов, кадмий легко поглощается корнями растений, поскольку находится в подвижных формах. Кадмий наиболее подвижен в кислых почвах при кислотности (рН), равной 4,5-5,5. Для растительного организма кадмий очень токсичен. Он легко всасывается из почвы через корневую систему, а также из атмосферы. Накапливается в большей степени в корнях и в меньшей – в стеблях, черешках и главных жилках листьев.
В присутствии ацетата кадмия (Cd(CH3COO)2) в высоких концентрациях рост и развитие однолетних злаков уже на начальных этапах онтогенеза прекращается. Закладки и формирования новых органов не происходит. Скорее всего, при воздействии таких высоких концентраций нарушается процесс избирательного поглощения ионов, поток токсичных ионов кадмия беспрепятственно поступает в растения, и механизмы детоксикации уже не могут справиться с ним. В результате останавливается деление клеток, наблюдается нарушение основных физиологических процессов, вследствие чего, очевидно, происходит перераспределение пластических и энергетических ресурсов в растении. Рост и развитие злаков прекращается и в дальнейшем наступает их гибель.
Проводятся исследования по влиянию различных уровней загрязнения почв кадмием на рост растений. Выявлены различия в устойчивости растений к кадмию в зависимости от их видовой принадлежности. Рост чувствительных к кадмию растений (шпинат) обычно снижается по мере возрастания уровня этого металла в почве от 5 до 15 мкг/г, у устойчивых растений (томат) рост не ухудшается до концентрации 100 мкг/г. Неодинаково проходит и процесс накопления кадмия в тканях растений. В опытах по выращиванию кукурузы, свеклы, фасоли и томатов на питательном растворе с содержанием кадмия 0,1 мкг/мл растения фасоли способны накапливать 9, свеклы - 200 мкг/г кадмия. Возможность накопления кадмия в почве сельскохозяйственными культурами до фитотоксичного уровня невелика, однако при существующем уровне загрязнения почв имеется реальная опасность накопления кадмия в продовольственных культурах до уровней, представляющих опасность для здоровья человека. Для растений, способных накапливать кадмий, эта опасность возникает при концентрации его в почвенном растворе 0,05 мкг/мл или при содержании в почве в количестве 5 мкг/г.
3.3. Кадмий и удобрения
В зависимости от доз и наличия фосфорных удобрений, кадмий в почве накапливается в разных количествах. Опасным накоплением кадмия считается 3 мг/кг, в почвах с фоновым содержанием - 0,5 мг/кг при ежегодном внесении фосфорных удобрений. Кадмий фосфатов близок по свойствам кальцию и трудно (и дорого) выделяется из фосфатных руд.
Содержание кадмия в суперфосфате 720 мкг в 100 граммах, фосфате калия – 471 мкг, селитре - до 66 мкг. Естественно, что при внесении в почву больших количеств удобрений, повышается риск попадания кадмия в организм животных через растения.
Поскольку Cd в удобрениях находится в подвижном состоянии, он легкодоступен возделываемым культурам. Именно этим и объясняется небольшое повышение содержания его в почве при существенном повышении количества кадмия в растениях. С фосфорными удобрениями в течение года в почву вносится кадмия в 2-3 раза больше, чем потребляется растениями, поэтому ежегодный прирост содержания кадмия в почвах за счет применения фосфорных удобрений составляет 0,15%.
Таким образом, растения до 70% кадмия поглощают из почвы и лишь 30% из воздуха, следовательно, основной источник кадмиевой интоксикации живых организмов – растительная пища.
3.4. Кадмий и человек
Основным источником отравлений Cd является работа в промышленности. Виды деятельности, при которых повышается риск отравления кадмием, таковы:
• производство аккумуляторов;
• пайка электронных деталей;
• горнодобывающая промышленность;
• сварочные работы;
• производство красок;
• производство пластика;
• производство цветного стекла;
• текстильное производство;
• ювелирное дело;
• переработка мусора.
Кадмий в больших дозах очень опасен для здоровья. Люди отравляются кадмием, употребляя воду и зерновые, овощи, растущие на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Появляются невыносимая боль в мышцах, непроизвольные переломы костей (кадмий способен вымывать кальций из организма), деформация скелета, нарушения функций легких, почек и других органов. Излишек кадмия может вызывать злокачественные опухоли.
Канцерогенное действие никотина, находящегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия.
Считается, что главным механизмом токсического действия кадмия является индукция окислительного стресса. В связи с этим весьма перспективной представляется оценка проантиоксидантного баланса организма в условиях экологического неблагополучия с целью ранней диагностики и патогенетически обоснованного лечения заболеваний. Одной из основных антиоксидантных систем клетки является глутатионовая система, представляющая собой трипептид глутатион и группу ферментов, катализирующих реакции с его участием. В многочисленных работах зарубежных ученых показано влияние кадмия на глутатионовую систему детоксикации. Тем не менее, в литературе отсутствуют сведения об активности этой системы и интенсивности процессов перекисного окисления у потомства при воздействии соединений кадмия в период беременности и лактации.
Исследования в Китае показывают, что 10% риса в стране содержит токсичный тяжелый металл - кадмий. Власти КНР отрицают существование проблемы (Le Nouvel Observateur со ссылкой на журнал Nouveau sicle).
Из всех зерновых рис наиболее восприимчив к кадмию, который содержится в воде, проходящей через шахты, где добывается свинец, олово и медь, пишет журнал. Согласно исследованиям, проводимым в Китае с 2007 года, примерно 10% риса, выращиваемого в стране, заражено кадмием, причем уровень загрязнения значительно превышает норму, что представляет потенциальную угрозу для здоровья.
Заключение
Неконтролируемое загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) угрожает здоровью людей. В данной работе были представлены сведения о двух тяжелых металлах повышенной опасности – свинце (Pb) и кадмии (Cd), рассмотрены их негативные воздействия на почву, а также механизмы и последствия проникновения их в растения и организм человека.
Как выяснилось, в почвах встречается естественное допустимое содержание данных металлов, однако деятельность человека повышает их ПДК.
В связи с опасностью для здоровья человека отравлением тяжелыми металлами необходимо снизить уровень их поступления в организм путем получения продукции растениеводства свободной от загрязнения свинцом и кадмием. Следовательно, необходимо проводить химический анализ почв на содержание этих металлов.
В Нидерландах разработана нормативная база концентрации тяжелых металлов. Установлено три уровня содержания их в почве: А – фоновые концентрации; В – концентрации, указывающие на необходимость проведения дополнительных исследований и мероприятий; С – пороговые концентрации, свидетельствующие о необходимости проведения срочных мер по очистке почв. В таблице представлены уровни содержания свинца и кадмия в почве:
Таблица 4. Нормативная концентрация ТМ (свинца и кадмия).
|
Металл
|
Концентрация (мг/кг)
|
|
|
Фоновая (А)
|
Повышенная (В)
|
Пороговая (С)
|
|
Кадмий
|
1
|
5
|
20
|
|
свинец
|
50
|
150
|
600
|
Таким образом, поступление свинца и кадмия в почву осуществляется благодаря хозяйственной деятельности человека. Только от него самого зависит, продолжать загрязнять почву или же задуматься о дальнейших последствиях, поскольку с различными видами загрязнения (в том числе и минеральными удобрениями) внесение свинца и кадмия влечет за собой дальнейшую миграцию в растения. Пострадавшие растения и животные, потребляющие растительную продукцию, являются экспортерами этих металлов в организм человека с пищей.
Словарь терминов
ATSDR (Agency for Toxic Substances and Disease Registry) - Агентство по токсическим веществам и регистрации заболеваний. Основано в Атланте, штат Джорджия, является Федеральным агентством здравоохранения США. Департамент здравоохранения и социальных служб. ATSDR служит общественности, используя науку, принимая ответные действия общественного здравоохранения, а также предоставляет информацию о здоровье для предотвращения вредных воздействий и заболеваний, связанных с токсическими веществами.
CDC (Centers for Disease Control and Prevention) - Центры по контролю и профилактике заболеваний США. Это агентство министерства здравоохранения США, созданное в 1946 году и расположенное в штате Джорджия. Его роль заключается в здравоохранении и безопасности с помощью предоставления информации для улучшения решения в области здравоохранения.
Агрономические руды (или просто агроруды) – это такие горные породы и продукты их переработки, которые применяются в сельском хозяйстве для улучшения плодородия почв и повышения урожайности различных сельскохозяйственных культур.
Хорошо растворяются в воде, легко усваиваются растениями. Наиболее широко распространена натриевая (или чилийская) селитра (NaNO3).
Адсорбция - процесс поглощения газов, паров, веществ из раствора или газовой смеси поверхностным слоем жидкости или твердого тела — адсорбентом (активированным углем и др.), используемый в химической технике для разделения и очистки веществ.
Актиномицеты - особая группа микроорганизмов с морфологическими особенностями бактерий и низших грибов, широко распространенная в природе.
Биоконцентрирование - обогащение химическим соединением организма в результате прямого восприятия из окружающей среды, без учета загрязнения питания.
Биофильные элементы - поглощаемые из геохимической среды (почвы, воды) организмами и используемые в процессах жизнедеятельности. К ним относятся: макроэлементы — N, С, О, Н, Са, Mg, Na, К, Р, S, Cl, Si, Fe и микроэлементы — Сu, Со, Mn, Zn, V, Ni, Mo, Sr, В, Se, F, Br, I.
Галогениды - это соединения галогенов фтора, хлора, брома и йода, главным образом с щелочными и щелочноземельными элементами. Галогениды можно разделить на три класса: 1. Хлориды с бромидами и иодидами. 2. Оксигалогениды и гидроксигалогениды. 3. Фториды.
Гидротермы – источники высокотемпературных вод, поступающих из недр Земли. Встречаются как на суше, так и на океаническом дне.
Гранитоиды – по Левинсон-Лессингу, совокупность гранитов, гранодиоритов, плагиогранитов и их разновидностей, переходных к кварцевым диоритам.
Детоксикация - разрушение и обезвреживание различных токсических веществ химическими, физическими или биологическими методами.
Детоксикация (мед.) — естественное и искусственное удаление токсинов из организма.
Иллювиальный горизонт - горизонт, в котором происходит накопление веществ, вынесенных из вышележащих (элювиальных) горизонтов. Иллювиальные горизонты подразделяются по характеру аккумулирующихся в них веществ.
Инфильтрационные воды – подземные воды, образовавшиеся путем просачивания атмосферных вод через поры и трещины горных пород.
Кларк – среднее содержание элементов в земной коре (по Ферсману).
Микробоценоз - совокупность популяций разных видов микроорганизмов, обитающих в определенном биотопе.
Окислительный стресс - процесс повреждения клетки в результате окисления.
Онтогенез - индивидуальное развитие организма, совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом, от оплодотворения (при половом размножении) или от момента отделения от материнской особи (при бесполом размножении) до конца жизни.
Платтнерит - минерал, простой оксид свинца из группы рутила.
Промывной режим увлажнения - тип увлажнения, характеризующийся ежегодным промачиванием атмосферными осадками всей почвенной толщи до грунтовых вод. Этот тип водного режима свойствен почвам таежно-лесной зоны, влажных субтропиков и тропиков, где осадков выпадает больше, чем испаряется влаги из почвы (рис.2).
Рис. 2. Схема водного баланса при водном режиме промывного типа (по А. А. Роде):
1 — влага осадков, задерживаемая кронами; 2— поверхностный сток; 3 — физическое испарение и транспирация травяно-моховым покровом; 4— внутрипочвенный сток; 5—транспирация древесным пологом; 6— грунтовый сток; в скобках приведены примерные численные характеристики расходных статей водного баланса.
Периодически промывной тип присущ почвам лесостепной зоны и характеризуется промыванием почвы до грунтовых вод в годы, когда сумма осадков превышает испаряемость.
Суперфосфат – смесь Ca(H2PO4)2·H2O и CaSO4. Наиболее распространённое простое минеральное фосфорное удобрение. Фосфор в суперфосфате присутствует в основном в виде монокальцийфосфата и свободной фосфорной кислоты. Удобрение содержит гипс и др. примеси (фосфаты железа и алюминия, кремнезём, соединения фтора и др.). Получают простой суперфосфат из фосфоритов, обрабатывая их серной кислотой, по реакции:
Са3(РО4)2 + 2H2SO4 = Са(H2PO4)2 + 2CaSO4.
Транслокация - тип хромосомных мутаций, при которых происходит перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому.
Халькофилы – элементы, имеющие большое сродство к сере.
Хелатная терапия – терапия, которая заключается во введении препаратов, связывающих и выводящих из организма ионы тяжелых металлов, и одобрена к применению при отравлении ими.
Энтеросорбенты - лекарственные средства различной структуры, осуществляющие связывание экзо- и эндогенных веществ в ЖКТ путем адсорбции, абсорбции, ионообмена, комплексообразования.
Список литературы
- Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почве и растениях. – Л.: Наука, 1997. – 201 с.
- Белозубова Н.Ю. Эколого-геохимическая оценка почв и особенности миграции токсичных элементов в агроценозах Волгоградской области//Автореферат – М.: 2011.
- Гончарук Е.И., Соколов М.С. Применение модели «растение-почва» для нормирования химических веществ в почве // Гиг. и сан. – 1977. - № 2. – с.73-78.
- Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах Европейской части СССР//Тенезис, плодородие и мелиорация почв. Пущино, - 1980 - с77-90.
- Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва–растение. Новосибирск: Пролетарский светоч, 1991. 150 с.
- Лебедовский И.А., Яковлева Е.А. Минеральные удобрения как фактор трансформации тяжелых металлов в системе почва–растение на примере чернозема выщелоченного Кубани//Научный журнал КубГАУ, №77(03), 2012.
- Минеев В.Г. Тяжелые металлы и окружающая среда в условиях современной интенсивной химизации. Сообщение 1. Кадмий /В.Г. Минеев, А.И. Макарова, Т.А. Тришина //Агрохимия. 1981. - №5. - с. 145-155.
- Минкина Т.М. Транслокация цинка и свинца на техногенно-загрязненной почве//Вестник Южного научного центра РАН, Том 2. №4, 2006, с. 60-67.
- Перельман А.И. Геохимия: Учеб. Для геол. Спец. Вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1989. – 528 с.: илл.
- Практикум по агрохимии: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп../Под ред. академика РАСХН В.Г. Минеева. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 689 с. – ISBN 5-211-04265-4.
- Роева Н.Н. Экология. Учебно-практическое пособие. – М., МГУТУ, 2005.
- Убугунов В.Л, Доржонова В.О. Оценка фитотоксичности свинца в дерново-подбуре. - УДК 631.416.8.631.445.4.
PAGE \* MERGEFORMAT1
СВИНЕЦ И КАДМИЙ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА – РАСТЕНИЯ – УДОБРЕНИЯ - ЧЕЛОВЕК»