Оценка содержания тяжелых металлов в торфяной низинной почве Мозырского Полесья Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

37

УДК 505.054

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ТОРФЯНОЙ НИЗИННОЙ ПОЧВЕ МОЗЫРСКОГО ПОЛЕСЬЯ

С. С. Позняк

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент,

проректор по научной работе УО «МГЭУ им. А. Д. Сахарова»

А. А. Шиманская

аспирант кафедры экологического мониторинга и менеджмента УО «МГЭУ им. А. Д. Сахарова»

Научный руководитель: С. С. Позняк

Проведенные исследования по оценке содержания тяжелых металлов в торфяной низинной почве Мозырского Полесья позволили выявить, что обследуемые почвы по валовому содержанию марганца, никеля, меди и цинка не превышают значения ПДК/ОДК, при этом в некоторых пробах почвы концентрации тяжелых металлов (меди и никеля) превышали среднереспубликанские региональные кларки для торфяных почв.

Введение

Торфяные низинные почвы занимают около 11% общей площади республики. Самые значительные площади находятся в районах Полесья и в центральной части Республики Беларусь, наименьшие - в районах Поозерья [1]. Способность этих почв накапливать большие массы органического вещества привлекает к себе особое внимание. В прошлом торфяные залежи использовались лишь как источник тепловой энергии, в последние десятилетия мелиорированные торфяные почвы стали занимать большую долю среди земель сельскохозяйственного назначения.

Низинные торфяные почвы являются наиболее ценными для сельского хозяйства. Осушенные и освоенные под пашню торфяно-болотные низинные почвы имеют значительное эффективное плодородие и являются первоочередным объектом мелиорации ввиду богатого органического вещества и азота. Балл их плодородия после осушения может достигать 80 пунктов по 100-бальной шкале [1].

Проблеме повышения плодородия почв уделяется все больше внимания, особенно при стремлении получать экологически чистую продукцию. Однако в последнее время загрязнение окружающей среды вызывает особое беспокойство во всем мире.

Человек стал основным «загрязнителем» природы. До нынешнего столетия развитие техногенного производства не оказывало заметного влияния на сбалансированную в процессе эволюции экологическую среду. В настоящее время в ряде регионов земного шара экологическое равновесие нарушено. Следствием стало увеличение объема отходов, сбрасываемых в воду, на поверхность почвы, в воздух, химическими и другими промышленными и сельскохозяйственными предприятиями [2].

Среди многочисленных веществ, загрязняющих биосферу, тяжелые металлы (ТМ) считаются самыми опасными. ТМ - группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/дм. Этот термин заимствован из технической литературы, в которой металлы делятся на легкие и тяжелые.

Многие из ТМ проявляют высокую токсичность и способны концентрироваться в живых организмах. Все основные циклы миграции ТМ в биосфере начинаются в почве. Миграция выступает как природный переносчик химических элементов в атмосферу, гидросферу, растения и пищу. Металлы сравнительно легко накапливаются в почве, но трудно и медленно из нее удаляются [3].

Цель настоящего исследования заключалась в изучении содержания тяжелых металлов (марганец, никель, медь, цинк) в торфяной низинной почве Мозырского Полесья.

38

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Объект исследования - почвенный покров торфяной низинной почвы Мозырского Полесья (Мозырский район, д. Боровики, 20 м от о. Гусиное). Предмет исследования -особенности распределения тяжелых металлов в торфяной низинной почве.

Методы исследования - полевые и лабораторные эксперименты, химический анализ, статистическая обработка экспериментальных данных.

Полевые исследования включали следующие мероприятия:

• обследование выбранного участка с уточнением его размера, типа почвы;

• отбор образцов.

Почвенные образцы отбирали на глубине 5-20 см; 20-35 см; 35-50 см. Отбор почвенных образцов производился из 3 точечных проб на расстоянии 20 м от каждой. Объединенную почвенную пробу формировали из 3 точечных проб, что позволяло дать более объективную оценку степени накопления тяжелых металлов почвой. Объединенную пробу тщательно перемешивали, очищали от растительных остатков и вместе с этикеткой заворачивали в бумажный пакет. Таким образом, отобрано 9 почвенных образцов для лабораторных анализов.

Лабораторные исследования:

• химико-аналитическое исследование отобранных образцов почвы на содержание тяжелых металлов (никель, цинк, медь и марганец) с использованием рентгенофлуоресцентного метода;

• статистическая обработка результатов исследования.

Оценка загрязнения образцов почв проводилась в соответствии с требованиями технических нормативных правовых актов, устанавливающих значения предельно-или ориентировочно-допустимых концентраций загрязняющих веществ в почве [4]. Определение тяжелых металлов в почве проводили из трех параллельных навесок. Пробоподготовка и лабораторные исследования образцов проводилась в соответствии с методикой [5]. Образцы почвы измельчались в ступке и прессовались в таблетки, которые помещались в пакеты, маркировались и в дальнейшем анализировались на содержание тяжелых металлов (никель, цинк, медь и марганец) методом рентгено-флуоресцентного анализа с использованием методики МВИ.МН 4092-2011.

Статистическая обработка полученных результатов измерений проводилась с использованием прикладных программных пакетов «MatLab R2007b», «Statistika 6,0» и программного продукта «Microsoft Excel 2003».

Измерения количественных показателей массовой доли химических элементов в пробах почвы проводились с использованием методики выполнения измерений МВИ.МН 4092 -2011. Границы погрешности измерений (Р = 0,95) по данной методике составляют ±(0,5-30,0)%. Оценка погрешностей измерений, устанавливаемая в соответствии с утвержденной МВИ (методика выполнения измерений), осуществлялась автоматически в ходе выполнения измерений средствами программного обеспечения спектрометра энергий рентгеновского излучения СЕР-001. Показатели повторяемости и воспроизводимости настоящей МВИ получены в ходе эксперимента, организованного и подвергнутого анализу в соответствии с СТБ ИСО 5725-1-2002.

Результаты единичных измерений массовой доли химических элементов в пробе ю, статистическая погрешность, а также границы погрешности А выводились в цифровом виде на экран персонального компьютера.

Числовые значения результата измерения и погрешности А представлялись так, чтобы они оканчивались цифрами одного порядка.

Результаты исследования и их обсуждение

В настоящее время известно, что большинство металлов, в том числе и тяжелых, в определенных количествах необходимы для жизнедеятельности живых систем. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов разнообразно и зависит от степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека. Фитотоксическое действие ТМ проявляется на высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла [6].

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

39

Марганец (Mn) - атомная масса 54,9. Серебристо'-белый твердый металл. В почве основным состоянием марганца является катион Mn+ [7]. Одна из важнейших биохимических функций этого элемента - участие в окислительно-восстановительных реакциях в связи с его способностью легко менять валентность.

В растениях марганец участвует в дыхательном процессе, азотном обмене, биосинтезе белка, образовании хлорофилла, синтезе нуклеиновых кислот и передаче наследственной информации. Марганец является одним из элементов, которые способствуют избирательному поглощению ионов из питательных растворов, а также обеспечивает устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды. В животных организмах марганец выполняет аналогичные функции, что и в растениях, а также ряд специфических. Он необходим для нормальной секреции инсулина, воспроизводства, формирования скелета, работы центральной нервной системы и т. д.

Марганец, как и другие металлы переходной группы периодической системы (Fe, Zn, Cu) активизирует ферменты или входит в состав ферментов системы переноса электронов. По данным Диксона и Уэбба, он является составной частью более 10 ферментов, которые катализируют различные метаболические процессы. Нарушение поступления марганца в живые организмы, обусловленное его недостатком, избытком или дисбалансом с другими элементами, негативно сказывается на их росте и развитии.

Избыток марганца опасен также для растений: он нарушает нормальное соотношение Fe/Mn, вызывает депрессию в нуклеиновом обмене. Токсичное действие марганца на растения обычно наблюдается на богатых им почвах с кислой реакцией среды (при рН 5,5 и ниже). Избыток марганца возможен и при высоком значении рН на плохо дренируемых (плохо аэрируемых) почвах - солонцах, луговых и болотных.

Региональный кларк марганца составляет 247 мг/кг [8], среднее содержание марганца в торфе - 363 мг/кг [7], ПДК (предельно допустимая концентрация) валового Mn в почве составляет 1500 мг/кг [4].

В пределах Мозырской гряды могут встречаться ситуации с природным недостатком и избытком марганца. Антропогенное воздействие на почвы может усиливать как дефицит, так и избыток микроэлементов в звеньях пищевой цепи.

Содержание валового марганца в почвах отобранных образцов на 1-м уровне (5-20 см) составило 60,9 мг/кг, на 2-м уровне (20-35 см) - 157,9, на 3-м (35-50 см) - 255,9 мг/кг. Анализ данных, полученных в результате лабораторного исследования, свидетельствует о том, концентрация марганца ниже ПДК и не превышает региональный кларк в торфе (рисунок 1).

мг/кг

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

■ Рег. Кларк ■ПДК

■ Mn

5-20

20-35

35-50

см

Рисунок 1 - ПДК, региональный кларк и фактическое содержание Mn в торфяной низинной почве, мг/кг

40

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

В результате эксперимента установлено, что марганец мигрирует вглубь по почвенному горизонту, что должно вызывать определенную озабоченность. Несмотря на то, что его содержание в торфяных почвах ниже регионального кларка и существующих значений ПДК, при накоплении элемента в корнедоступном для сельскохозяйственных растений горизонте почвы возрастает опасность загрязнения растениеводческой продукции, поскольку химические реакции с участием марганца в почвах зависят от рН среды [9]. В более кислых условиях марганец становится более подвижным и, соответственно, более токсичным.

Никель (Ni) - атомная масса 58,7. Очень твердый металл желтовато-белого цвета. Характеризуется высокой коррозионной устойчивостью. В верхних горизонтах почв никель присутствует в связанных с органическим веществом формах, часть которых находится в виде легкорастворимых хелатов. Распределение Ni в почвенном профиле определяется содержанием органического вещества, аморфных оксидов и количеством глинистой фракции [2].

Доля загрязненных никелем почв в ряду других ТМ (Pb, Cd, Zn, Cr, Co, As и др.) является фактически самой значительной и уступает только землям, загрязненным медью (3,8%) [10]. В почвах Республики Беларусь в среднем содержится 20,0 мг/кг никеля [8], среднее содержание никеля в торфе составляет 4 мг/кг [2].

Гигиенические нормативы для концентраций никеля следующие: ПДК рабочей

зоны - 0,005 мг/м2, атмосферного воздуха - 0,002 мг/м2, воды водоисточников - 0,1 мг/л, ОДК для песчаных и супесчаных почв - 20 мг/кг [4].

Необходимость данного элемента для живых организмов доказана сравнительно недавно. По механизму биологического действия никель схож с железом и кобальтом. Основное биологическое назначение никеля в животных организмах - участие в структурной организации и функционировании ДНК, РНК и белков [11].

При техногенном загрязнении почв в пищевой цепочке может появиться опасная для здоровья животных и человека концентрация рассматриваемого элемента [12].

Среднее содержание никеля в отобранных образцах на 1-м уровне составляет 2,3 мг/кг, на 2-м уровне - 3,3 мг/кг, на 3-м - 5,9 мг/кг. Анализ содержания никеля в торфяной почве показал, что его количество ниже существующего ОДК, при этом на 3-м уровне концентрация элемента превышает региональный кларк в торфе (рисунок 2).

Рисунок 2 - ОДК, региональный кларк и фактическое содержание Ni в торфяной низинной почве, мг/кг

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

41

Никель мигрирует вглубь по почвенному горизонту, накапливаясь, в основном в илистых, богатых органическим веществом фракциях. В целом, по содержанию элемента почвы классифицируются как незагрязненные. Однако, при планировании размещения сельскохозяйственных культур в севообороте следует иметь ввиду, что элемент никель, слабо подвижный в кислых почвах, в щелочной среде перходит в растворимые, подвижные и крайне токсичные формы [9].

Медь (Си) - атомная масса 63,5. Чистая медь это тягучий металл светло-розового цвета. Отличается высокой тепло- и электропроводностью. В химическом отношении является малоактивным. В почве катионы меди взаимодействуют с органическими и минеральными соединениями и могут осаждаться такими анионами, как сульфид, карбонат и гидроксид. Поэтому медь является малоподвижным элементом в почвах, представленным, главным образом, валовой формой. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. В связи с этим торф обладает способностью к прочной фиксации этого элемента [2].

Медь играет важную роль во многих физиологических процессах. В растениях -это фотосинтез, синтез гемоглобина, дыхание, перераспределение углеводов, восстановление и фиксация азота и т. д. Животным медь необходима для синтеза гемоглобина и участия во многих биологических процессах, аналогичных вышеописанным для растений. У животных и человека дефицит меди (гипокупероз) приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы, при острой нехватке металла (менее 2-3 мг/сут.) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба. Причина дефицита - низкое содержание меди в кормах и продуктах питания, а также неблагоприятное ее соотношение с другими элементами - Ca, Zn, Mn, Pb и др. Избыток этих элементов-антагонистов снижает поступление меди в организм и ее усвоение [12].

В почвах Беларуси содержание меди составляет 13,0 мг/кг [8], среднее содержание меди в торфе - 5мг/кг [9]. ОДК в песчаных и супесчаных почвах для меди составляет 33,0 мг/кг [4].

Среднее содержание меди в отобранных образцах на 1-м уровне составляет 2,1 мг/кг, на 2-м - 3,7 мг/кг, на 3-м - 5,8 мг/кг. Анализ данных свидетельствует о том, что содержание меди в торфяной почве ниже существующего ОДК (ориентировочно допустимая концентрация), на 3-м уровне превышен региональный кларк меди в торфе (рисунок 3).

30

25

20

15

10

Рег. Кларк ІОДК I Cu

5-20

20-35

35-50

мг

5

0

Рисунок 3 - ОДК, региональный кларк и фактическое содержание Cu в торфяной низинной почве, мг/кг

Содержание меди в торфяных почвах Мозырского Полесья следует рассматривать как один из источников повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий. В основном, полученные результаты соответствуют общей тенденции содержания элемента в торфяных почвах республики. Следует иметь ввиду, что даже при высоком содержании подвижной формы элемента в почве, медь является малоактивным слабомигрирующим элементом, наибольшее количество

42

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

которого в почве связано с окидами железа и марганца, гидрооксидами железа и алюминия [9]. Гуминовые и фульвокислоты торфяных почв способны образовывать устойчивые комплексы с медью, поэтому на торфяных почвах требуется дополнительное внесение медьсодержащих удобрений для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Цинк (Zn) - атомная масса 65,4. Голубовато-серебристый металл. На воздухе покрывается тонким слоем оксида, предохраняющим его от дальнейшего окисления. С органическим веществом образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса и в торфе [2].

Недостаток цинка в почве - распространенное явление на Земле. Он может быть обусловлен как низким содержанием элемента, так и малой его подвижностью. Обычно дефицит в растениях возникает на легких и малогумусных почвах при высоком содержании карбонатов и рН более 7 [9].

Среднее содержание цинка в почвах Беларуси составляет 35,0 мг/кг [9], среднее содержание цинка в торфе - 87 мг/кг [8].

Гигиенические нормативы имеются как для цинковых соединений, так и для цинка. Так, в воздухе рабочей зоны ПДК магнида цинка должна составлять 6,0 мг/м2, для оксида цинка -0,5 мг/м2, для сульфата цинка - 5,0 мг/м2. В воде водоисточников ПДК цинка составляет

1.0 мг/л по общесанитарному показателю вредности, а в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей - 0,01 мг/л. В песчаных и супесчаных почвах ОДК для цинка равна

55.0 мг/кг [4].

Среднее содержание цинка в отобранных образцах почвы на 1-м уровне - 17 мг/кг, на 2-м - 17 мг/кг, на 3-м - 40 мг/кг. В результате эксперимента установлено, что содержание цинка в торфяной почве ниже существующего ОДК и не превышает региональный кларк (рисунок 4).

мг/кг— 100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

I Рег. Кларк ІОДК I Zn

5-20

20-35

35-50

см

Рисунок 4 - ОДК, региональный кларк и фактическое содержание Zn в торфяной низинной почве, мг/кг

В результате эксперимента установлено, что цинк мигрирует вглубь по почвенному горизонту. Несмотря на то, что его содержание в торфяных почвах ниже регионального кларка и существующих значений ПДК, при накоплении элемента в корнедоступном для сельскохозяйственных растений горизонте почвы возрастает опасность загрязнения растениеводческой продукции, поскольку основными факторами, влияющими на подвижность цинка в опчвах, являются содержание глинистых минералов и величина рН [9]. Только при повышении рН элемент переходит в органические комплексы и образует устойчивые формы.

Проведенные исследования содержания тяжелых металлов в торфяных почвах Мозырского Полесья показали, что почву по уровню валового содержания тяжелых металлов (марганец, никель, медь, цинк) можно квалифицировать как условно загрязненную.

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

43

Из таблицы 1 видно, что валовое содержание тяжелых металлов (марганец, никель, медь и цинк) в торфяных низинных почвах Мозырского Полесья не превышает значения ПДК/ОДК, но в некоторых пробах почвы концентрация меди и никеля превышает значения региональных кларков для торфа.

Таблица 1 - Валовое содержание марганца, никеля, меди и цинка в торфяных почвах Мозырского Полесья, мг/кг

Элемент Уровень, см Среднее значение, мг/кг Ст. откл. ПДК/ОДК, мг/кг Рег. кларк, мг/кг

Mn 5-20 60,9 ±2,6 1500 363

20-35 157,9 ±13,4

35-50 255,9 ±12,0

Ni 5-20 2,3 ±2,7 20 4

20-35 3,3 ±0,0

35-50 5,9 ±1,8

Cu 5-20 2,1 ±0,3 33 5

20-35 3,7 ±0,5

35-50 5,8 ±1,5

Zn 5-20 17,0 ±2,6 55 87

20-35 17,0 ±4,9

35-50 40,0 ±17,1

Выводы

В сфере охраны окружающей среды одной из главных является проблема снижения уровня загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами, поскольку в современных условиях из-за возрастающей техногенной нагрузки на окружающую среду прогнозируется тенденция увеличения их концентрации.

Тяжелые металлы имеют особое экологическое, биологическое и природоохранное значение, так как поступление их в живые организмы, даже в невысоких концентрациях, уменьшает их иммунологический статус и может иметь нежелательные последствия, в том числе и генетические.

Для оценки содержания тяжелых металлов в почве использовали рентгено-флуоресцентный метод. В результате проведенного исследования сделаны следующие выводы:

1. Тяжелые металлы в условиях воздействия техногенной эмиссии накапливаются в почве и при достижении уровня, значительно превышающего геохимический фон, к которому приспособлены растения, оказывают угнетающее воздействие на урожайность.

2. Валовое содержание тяжелых металлов (марганец, никель, медь и цинк) в торфяных низинных почвах Мозырского Полесья не превышает значения ПДК/ОДК, что связано с удаленностью территории от источников загрязнения и интенсивного промышленного производства. Почвы по уровню загрязнения классифицируются как незагрязненные до условно загрязненных.

3. Марганец, никель, медь и цинк мигрирует вглубь по почвенному горизонту, накапливаясь, в основном, в илистых, богатых органическим веществом фракциях.

4. Содержание тяжелых металлов (медь и никель) в торфяных почвах исследуемой территории выше значений среднереспубликанских региональных кларков, что может быть связано с повышенным значением рН среды, поскольку в кислых почвах подвижность элементов существенно возрастает.

5. При планировании размещения сельскохозяйственных культур в севообороте следует учитывать содержание тяжелых металлов в корнеобитаемом слое почвы, а также рН среды и содержание органического вещества в почве, которые являются важнейшими условиями подвижности тяжелых металлов в системе почва-растение.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при подборе сельскохозяйственных культур, выращиваемых на торфяных низинных почвах Мозырского Полесья, а также в качестве рекомендаций для совершенствования агроэкологического мониторинга.

44

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Литература

1. География почв Беларуси : учеб. пособие / Н. В. Клебанович [и др.]. - Минск : БГУ, 2009. - 198 с.

2. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение / М. М. Овчаренко [и др.] ; под общ. ред. М. М. Овчаренко. - М. : Пролетарский светоч, 1997. - 291 с.

3. Убугунов, В. Л. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях г. Улан-Удэ : монография / В. Л. Убугунов, В. К. Кашин. - Улан-Удэ : изд-во БНЦ СО РАН, 2004. - 128 с.

4. Гигиенические нормативы 2.1.7.12-01-2004. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических веществ в почве / М-во здравоохранения Респ. Беларусь. - Минск, 2004. - 45 с.

5. Ринкис, Г. Я. Оптимизация минерального питания растений / Г. Я. Ринкис. - Рига : Зинатне, 1972. - 352 с.

6. Амосова, Н. В. О комбинированном действии алюминия и железа на проростки ячменя и пшеницы / Н. В. Амосова, Б. И. Сынзыныс // Сельскохозяйственная биология. - 2005. - № 1. - С. 85-87.

7. Матвеев, Ю. М. Проблемы содержания химических соединений в почвах / Ю. М. Матвеев, И. В. Попова, О. В. Чернова // Агрохимия. - 2001. - № 12. - С. 54-60.

8. Петухова, Н. Н. К кларкам микроэлементов в почвенном покрове Беларуси / Н. Н. Петухова,

B. А. Кузнецов // Докл. АН Беларуси. - 1992. - Т 26, № 5. - С. 461-465.

9. Позняк, С. С. Экологическое состояние сельскохозяйственных земель в зоне воздействия крупных промышленных центров : монография / С. С. Позняк. - Минск : МГЭУ им. А. Д.Сахарова, 2010. - 211 с.

10. Аристархов, А. Н. Характеристика состояния и подходы к прогнозированию загрязнения агроэкосистем тяжелыми металлами / А. Н. Аристархов, А. Ф. Харитонов // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде : II Междунар. науч.-практ. конф. - Семипалатинск, 2002. - Т. 1. -

C. 192-200.

11. Зименко, Т. Г. Деятельность микроорганизмов и минерализация органического вещества в торфяных почвах с разным уровнем грунтовых вод / Т. Г. Зименко // Изв. АН СССР. Сер. биол. - 1972. - № 6. - С. 38-49.

12. Ильин, В. Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В. Б. Ильин, А. И. Сысо. - Новосибирск : изд-во СО РАН, 2001. - 229 с.

Summary

Evalnation study of the content of the heavy metals in the peat lowland soil of Mozyr Polesie revealed that the gross content of manganess, copper, nickel and zinc doesn’t exceed the MPC/UEC in the investigated soils, while in some samples of soil the consentration of heavy metals of copper and nickel exceeded the average regional clark for peat soils.

Поступила в редакцию 05.09.12.