Актуальные аспекты мониторинга загрязнения почв тяжелыми металлами (обзор) Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 614.77+614.778

Н.К. КУЛДАНБАЕВ

Научно-производственное объединение «Профилактическая медицина» (г. Бишкек, Кыргызская Республика)

АКТУАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ОБЗОР)

В работе представлен обзор научных работ, где почва используется в качестве объекта исследования для мониторинга состояния окружающей среды, качества продуктов питания, оценки эффективности восстановительных мероприятий при очистке загрязненных территорий. Изучение химического состава почвы позволяет проследить пути распространения загрязнителей от их источника до конечного объекта исследований, провести текущий анализ и сделать прогноз ожидаемых последствий на будущее. Ключевые слова: окружающая среда, почва, тяжелые металлы, национальный парк, растения

Активная хозяйственная и промышленная деятельность человека на фоне природных и техногенных катаклизмов весьма негативно отражаются на состоянии окружающей среды. Многие красивые заповедные места потеряли свой первозданный вид, большое их количество уже безвозвратно утеряно, а новые тем временем интенсивно осваиваются людьми. При этом с каждым днем самому человеку все труднее найти для обитания «здоровое» чистое место, сегодня даже особо охраняемые зоны находятся под повышенной нагрузкой различных химических загрязнителей, которые поступают через воздух, атмосферные осадки и поверхностные воды [16, 20, 22, 24, 26-28, 30]. Биогеохимические процессы, промышленные отходы, сточные воды и твердые бытовые отходы являются источниками токсических веществ, в том числе тяжелых металлов, которые загрязняют сельскохозяйственные поля для выращивания продуктов питания [12, 14, 16, 23, 25]. Более 90% продуктов питания выращивается на почве, через растительную пищу в организм человека может поступать до 70-90% различных токсических веществ. Поэтому качество почвы является объектом повышенного внимания ученых. Текущие результаты многочисленных исследований по оценке качества объектов окружающей среды констатируют факт неуклонного роста количества загрязнителей в почве, воде, донных осадках, растительной биомассе [1, 6-9, 14, 19, 21, 26, 29-33].

Систематический контроль качества и свойств почвы позволяет выявлять изменения плодородия почвы, устанавливать возможное увеличение уровней загрязнителей, в том числе в результате неправильного землепользования. Это также дает возможность фермерам и управленцам на основе научных знаний использовать рекомендации по устойчивому управлению природными ресурсами и восстановлению плодородия почвы [4, 7, 23, 25, 27].

Особую значимость исследованию почвы на различные загрязнители придает тот факт, что почва является биокосным телом для ее микробного населения [18]. Согласно С. В. Шарковой (2007), почвенные микроорганизмы, будучи основными редуцентами, активно участвующими в процессах деструкции органического вещества, в первую очередь и в наибольшей степени претерпевают изменения, происходящие в почве под действием негативных факторов среды. При этом нарушается функционирование микробной компоненты и как следствие, образование микробных ядов, токсичность которых чрезвычайно высока [18].

Сочетанное негативное влияние тяжелых металлов почвы и кислотных дождей на экосистему показано в работе R. Venanzoni и W. Werner (1988), которые утверждают, что подкисление почвы приводит к изменению катион-обменного насыщения (Ca+Mg), Al и (Fe+H) и изменению буферной емкости. Кроме того, такие металлы как свинец и медь аккумулируются в верхних слоях почвы вдоль основной стволовой зоны дерева. Все это приводит к увеличению поступления тяжелых металлов в растение [33]. Аналогичные результаты получены в ходе экспериментальных исследований A. Kim и соавт. (2010). Авторы доказывают, что снижение рН почвы приводит к повышению доступности тяжелых металлов для прилегающей экосистемы, и, в первую очередь, для растений, что является результатом изменения катион-обменного процесса и частичного растворения минералов в окружающей среде [24].

Фитосоциологический анализ, проведенный на территории национального парка Альта Мургия (Южная Италия, провинция Апулия), показал, что на загрязненной почве тяжелыми металлами существенно сокращается биологическое разнообразие

растительности [28]. Схожие выводы, но уже относительно микрофлоры почвы, делают кыргызские ученые Т.Д. Доолоткельдиева и Ч.М. Омургазиевой (2009), которые в своей работе показывают ингибирующее действие ртути и свинца. Согласно результатам их исследований, повышение уровня тяжелых металлов в почве ведет к значительному сокращению численности почвенных микроорганизмов и изменению их видовой структуры, при этом действие микроэлемента ртути более выражено по сравнению с таковым других элементов [2].

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и их негативные последствия мотивируют ученых изучать процессы выноса и накопления химических элементов различными звеньями экосистемы и, в первую очередь, растениями. С одной стороны, растения рассматриваются в качестве биоиндикационных показателей степени загрязненности, как местности, так и самого объекта исследования. С другой стороны, интерес в научно-практическом плане представляет поиск таких видов растений, которые имеют хорошую способность накапливать токсические вещества и, тем самым, могут быть использованы для очистки и восстановления загрязненной среды [1, 9, 13, 15-17, 22, 25, 27].

В работе Л.В. Хынг и соавт. (2011) было изучено распределение микроэлементов в чайном дереве (Camellia sinensis), кукурузе (Zea Mays L), овощной

культуре (Sauropus androgynus) и траве ветивер (Vetiveria zizanioides L. Nash). Содержание 22 элементов в растениях было определено с помощью рентгенофлюоресцентного, гамма-активационного и трекового методов анализа. Результаты анализа показали, что аккумуляция цинка в овощной культуре Sauropus androgynus в 16 раз больше, чем в почве, на которой произрастало растение. При этом данный вид растения имел наибольшую депонирующую способность к элементу цинка, чем другие виды исследованных растений. На основе полученных результатов авторы предлагают использовать овощную культуру Sauropus androgynus в качестве биоиндикатора загрязнения почвы на цинк, а также применять его в качестве природного очистителя загрязненных территорий. Исследования А.М. Русанова и Д.М. Турлибековой (2011) показали существенное накопление тяжелых металлов в плодах шиповника, высаженных в пределах города Орск, который является промышленным центром Оренбургской области России, где развита нефтеперерабатывающая, химическая отрасли, машиностроение, цветная металлургия и энергетика [15]. В работе Z. Hseu и соавт. (2010) рассматриваются вопросы фито-восстановление рисовых полей, загрязненных тяжелыми металлами, а также способность разных сортов риса поглощать микроэлементы. Авторы отмечают, что тяжелые металлы, источниками которых являются сточные воды, аккумулируются не только вдоль ирригационных систем на глубине 0-30 см поверхности почвы, но далее широко распределяются по всей площади рисовых полей. Z. Hseu и соавт. предлагают для улучшения качества поливной воды удалять из каналов иловые осадки, где депонированы высокие концентрации тяжелых металлов. Исследователи указывают, что из всех тяжелых металлов кадмий и цинк обладают наибольшей способностью накапливаться в зернах риса, особенно в его индийском сорте. При этом поглощение Cd и Zn корневой системой риса является конкурентным: увеличение цинка в почве затормаживает поглощение кадмия. На Схеме 1. показана идентификация, транспорт и восстановление загрязненных тяжелыми металлами рисовых полей в Тайване [23].

Способность риса поглощать и аккумулировать в себе тяжелые металлы подтверждается в работе А. С. Шаназаровой и А. Т. Ахматовой (2012). Результаты их исследований показали, что содержание свинца в пробах риса сорта «Элита», ввозимого из Китая в Кыргызстан, превышало ПДК данного элемента, установленной для КР и России, в 2,4 раза - 1,2 мг/кг против 0,5 мг/кг [17]. Высокий уровень промышленной деятельности в городах обусловливает ухудшение экологического состояния окружающей экосистемы. Особенно это наглядно проявляется в отношении почв города, которые являются своеобразной депонирующей средой, накапливающей различные загрязняющие вещества [1, 3-6, 9-11, 31]. Согласно данным Л.В. Мосина и соавт. (1985), концентрация свинца в почве с начала прошлого столетия к концу 80-х годов возросла с 6 мг/кг до 140

мг/кг. В почвах крупных мегаполисов, как например Москва, концентрация свинца в почве в отдельных районах достигает 990 мг/кг и более, что превышает ПДК в 32 мг/кг в 30 раз и почти в 100 раз кларковое содержание этого элемента [9].

Аналогичные заключения делают американские ученые, которые изучали содержание тяжелых металлов в почве, листве и хвое деревьев лесов, расположенных вблизи городов. Результаты их исследований показали высокий уровень металлов в пробах, взятых вдоль шоссе внутри лесов. Пробы, отобранные в глубине леса вдали от дорожных магистралей, содержали значительно меньшее количество тяжелых металлов. При этом уровень металлов в сосновых иглах был больше, чем в листве деревьев, что свидетельствует о большей аккумулирующей способности хвои [31]. Тревожное заключение относительно состояния городской среды Бишкека и Оша Кыргызской Республики (КР) дается В. В. Ермаковым и соавт. (2002). Авторы указывают, что если раньше в крупных городах Кыргызстана приоритетными источниками загрязнения окружающей среды были промышленные предприятия, то сегодня ведущими источниками стали выхлопные газы автотранспорта, выбросы ТЭЦ и малых котельных, а также печи индивидуального сектора. При этом проблема усугубляется тем, что по причине дороговизны качественного угля и газа, частный сектор вынужден использовать уголь с низкой калорийностью и высокой зольностью. Согласно авторам, содержание химических элементов в почвенном покрове, отобранных в центральной части г. Бишкек, превышало фоновые показатели в 10-15 раз по ртути, в 2-5 раза по цинку и меди, в 2-3 раза по селену и в 6 раз по кобальту. Для г. Ош также были установлены высокие уровни тяжелых металлов в пробах почвы, отобранных вблизи промышленных объектов и местах интенсивного движения транспортных средств: по цинку превышение составило от 2 до 4 раз, по ртути - от 2 до 3 раз [3]. Таким образом, на основе анализа данных литературы можно сделать заключение, что почва является одним из наиболее часто используемых материалов, дающих ясное представление о текущем экологическом состоянии объекта исследования. Популярность почвы для аналитических целей объясняется ее чувствительностью к изменениям окружающей среды, способностью хорошо аккумулировать различные поллютанты и, поэтому, служить достоверным индикатором загрязнения.

Дополнительно, почва является удобным материалом для отбора, обработки и химического анализа, проведения экспериментальных исследований, мониторинга эффективности восстановительных мероприятий при очистке загрязненных территорий. Изучение химического состава почвы позволяет хорошо проследить пути распространения загрязнения от источника до конечного объекта исследований, провести текущий анализ и сделать прогноз ожидаемых последствий на будущее.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Гладков, Е. А. Влияние комплексного взаимодействия тяжелых металлов на растения мегаполисов [Текст] / Е. А. Гладков // Экология. - 2007. - №1. - С. 71-74.

2 Доолоткельдиева, Т. Роль почвенных микроорганизмов в биоиндикации и биоремедиации загрязнения тяжелыми металлами [Текст] / Т. Доолоткельдиева, Ч. Омургазиева. - Бишкек : Аят, 2009. - 170 с.

3 Ермаков, В. В. Эколого-геохимические особенности городской среды (на примере г. Бишкек, г. Ош) [Текст] / В. В. Ермаков, Б. М., Дженбаев, Н. Маматов // Manas journal of engineering. - 2002. - Vol. 1, #3. - P. 36-49.

4 Королева, Ю. В. Новые данные о биоконцентрировании ТМ на территории Балтийского региона [Текст] / Ю. В.Королева, И. А. Пухлова // Вестник БФУ им. И. Канта. - 2012. - №1. - С. 99-106.

5 Лепнева, О. М. Влияние антропогенных факторов на химическое состояние почв города (на примере г. Москвы) [Текст]: автореф. дис. ... канд. биол. наук / О. М. Лепнева. - М., МГУ, 1987. - 22 с.

6 Ляпкало, А. А. Эколого-гигиенические аспекты загрязнения почвы Рязани тяжелыми металлами [Текст] / А. А.Ляпкало, С. В. Гальченко // Гигиена и санитария. - 2005. - №1. - С. 8-11.

7 Мамытов, А. М. Почвенные ресурсы и вопросы земельного кадастра Кыргызской Республики [Текст] / А. М. Мамытов; -Бишкек: Кыргызстан, 1996. - 240 с.

8 Мосина, Л. В. Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) [Текст] / Л. В. Мосина, Э. А. Довлетярова, С. Ю. Ефремова и др. // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. - 2012. - №29. - С. 383-386.

9 Мосина, Л. В. Влияние антропогенных факторов на накопление тяжелых металлов в почвах некоторых насаждений ЛОД ТСХА [Текст] / Л. В. Мосина, В. В. Паракин, Н. М. Грачева и др. // Лесные экосистемы и вопросы моделирования. М.: Изд-во МСХА, 1985. - С. 42-44.

10 Мудрый, И. В. Эколого-гигиеническая оценка микробиологических процессов в почве при загрязнении анионными поверхностно-активными веществами и тяжелыми металлами [Текст] / И. В. Мудрый // Гигиена и санитария. - 2002. -№1. - С. 22-25.

11 Неверова, О. А. Биогеохимическая оценка городских почв (на примере Кемерово) [Текст] / О. А. Неверова // Гигиена и санитария. - 2004. - №2. - С. 18-21.

12 Олигер Т. А., Юрьев В. С. Применение эколого-геохимического картирования в области гигиены окружающей среды //Гигиена и санитария. 1994. - №1. - С.23-25.

13 Отмахов, В. И. Атомно-эмиссионная методика анализа грибов на содержание тяжелых металлов и использование ее для целей экомониторинга [Текст] / В. И. Отмахов, Е. В. Петрова, Т. Н. Пушкарева и др. // Известия ТПУ. - 2004. - №6. - С. 44-48.

14 Романенко, Н. А. Методология оценки качества почвы для социально-гигиенического мониторинга [Текст] / Н. А. Романенко, И. А. Крятов, Н. И. Тонкопий // Гигиена и санитария. -2004. - №5. - С. 17 - 18.

15 Русанов, А.М. Тяжелые металлы в плодах шиповника города Орска [Текст] / А. М. Русанов, Д. М. Турлибекова // Вестник ОГУ. - Оренбург, 2011. - №12. - С. 299 - 300.

16 Степанова, Л. П. Оценка состояния природной среды для выявления зон экологического неблагополучия [Текст] / Л. П. Степанова, А. И. Мышкин, Е. А. Коренькова // Вестник ОрелГАУ. - 2009. - №4. - С.50-52.

17 Шаназарова, А. С. Содержание солей тяжелых металлов в различных сортах риса, выращиваемого в Кыргызстане и ввозимого из зарубежья [Текст] / А. С. Шаназарова, А. Т. Ахматова // Вестник КРСУ. - 2012. - Т. 12, №7. - С. 164-167.

18 Шаркова, С. Ю. Воздействие ТМ на почвенную микрофлору [Текст] / С. Ю. Шаркова, Е. В. Надежкина // Плодородие. -2007. - №8. - С. 40.

19 Хынг, Л. В. Определение распределения микроэлементов по компонентам растительных экосистем [Текст] / Л. В. Хынг, О. Д. Маслов, М. В. Густова и др. // Письма в ЭЧАЯ. - 2011. - Т. 8, №7 (167). - С. 690-697.

20 Brunetti, G., Farrag, K., Soler-Rovira, P., Ferrara, M., Nigro., F. & Senesi, N. (2012). Heavy metals accumulation and distribution in durum wheat and barley grown in contaminated soils under Mediterranean field conditions. Journal of Plant Interactions, 7(2), 160-174.

21 Chon, H.T., Lee, J.S., & Lee, J.U. (2011). Heavy Metal Contamination of Soil, Its Risk Assessment and Bioremediation. Geosystem Engineering, 14(4), 191-206.

22 Gonzalez, M.J., Fernandez, M. & Hernandez, L.M. (1990). Influence of acid mine water in the distribution of heavy metal in soils of Donana national park. Application of multivariate analysis. Environmental Technology, 33(11), 1027-1038.

23 Hseu, Z.Y., Su, S.W., Lai, H.Y. et al. (2010). Remediation techniques and heavy metal uptake by different rice varieties in metal-contaminated soils of Taiwan: New aspects for food safety regulation and sustainable agriculture. Soil Science and Plant Nutrition, 56, 31-52.

24 Kim, A.Y., Kim, J.Y., Ko, M.S., & Kim, K.W. (2010). Acid Rain Impact on Phytoavailability of Heavy Metals in Soils. Geosystem Engineering, 33(4), 133-138.

25 Mazeikyte, R., & Balciauskas, L. (2003). Heavy Metal Concentrations in Bank Voles (Clethrionomys Glareolus) from Protected and Agricultural Territories of Lithuania. Acta Zoologica Lituanica, 33(1), 48-60.

26 Moles, R. (1992). Trampling Damage to Vegetation and Soil Cover at Paths within the Burren National Park, Mullach Mor, Co. Clare. Irish Geography, 25(2), 129-137.

27 Ogbonna, P.C., Odukaesieme C., & Teixeira da Silva, J.A. (2013). Distribution of heavy metals in soil and accumulation in plants at an agricultural area of Umudike, Nigeria. Chemistry and Ecology, 29(7), 595-603.

28 Perrino, E.V., Brunetti, G. & Farrag, K. (2012). Plant Communities in Multi-Metal Contaminated Soils: A Case Study in the National Park of Alta Murgia (Apulia Region - Southern Italy). International Journal of Phytoremediation, 16(9), 871-888.

29 Reimann, C., Arnoldussen, A., Englmaier, P., et al. (2007). Element concentrations and variations along a 120-km transect in southern Norway - Anthropogenic vs. geogenic vs. biogenic element sources and cycles. Applied Geochemistry, 22, 851-871.

30 Shepard Jr., G.H., Rummenhoeller, K., Ohl-Schacherer, J. & Yu, D.W. (2010). Trouble in Paradise: Indigenous Populations, Anthropological Policies, and Biodiversity Conservation in Manu National Park, Peru. Journal of Sustainable Forestry, 29(2-4), 252-301.

31 Tong, S.T.Y., & Farrell, P.M. (1991). The concentration profile of heavy metals in an urban forest. Environmental Technology, 32(1), 79-85.

32 Vassileva, E., Velev, V., Daiev, C., et al. (2000). Assessment of Heavy Metals Air Pollution in Urban and Industrial Environments Using OAK Leaves as Bioindicators. International Journal of Environmental Analytical Chemistry, 78(2), 159-173.

33 Venanzoni, R., & Werner, W. (1988). Monitoring effects of air pollution with the aid of trunk base phenomena in Italian beech forests soil. Giornale botanico italiano, 322(3-4), 167-178.

34 Zhang, Z., Abuduwaili, J., & Jiang, F. (2013). Determination of Occurrence Characteristics of Heavy Metals in Soil and Water Environments in Tian-Shan Mountains, Central Asia. Analytical Letters, 46(13), 2122-2131.

N.K. KULDANBAEV

Scientific and Production Center for Preventive Medicine (Bishkek, the Kyrgyz Republic)

CURRENT ASPECTS OF THE SOIL MONITORING CONTAMINATED BY HEAVY METALS (REVIEW)

Resume: The paper presents an overview of scientific papers, where the soil is used as an object of study for environmental monitoring, food quality, estimation of efficiency of remediation activities at cleaning contaminated areas. The chemical composition of the soil allows to track the spread of pollutants from their source to the final object of study, conduct ongoing analysis and to predict the expected consequences for the future. Keywords: environment, soil, heavy metals, national park, plant