УДК 631.421.1:[631.416.8+631.438] МЕРОПРИЯТИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЗАГРЯЗНЁННЫХ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И РАДИОНУКЛИДАМИ ПОЧВ

УДК 631.421.1:[631.416.8+631.438]
МЕРОПРИЯТИЯ ПО РАЦИОНАЛЬНОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЗАГРЯЗНЁННЫХ
ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И РАДИОНУКЛИДАМИ ПОЧВ
Н.Н. Бушуев – канд. биолог. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», г. Москва, Россия
Имеется опасность загрязнения растений тяжелыми металлами и радиоактивными
элементами. Рассмотрены мероприятия по детоксикации почв, загрязненных тяжелыми
металлами и радиоактивными элементами. Необходимо использовать в комплексе
мероприятия по рекультивации почв, загрязненных тяжелыми металлами и
радионуклидами.
It is danger plant contamination by heavy metal and radio-active element. Heavy metal and
radio-active element contaminated soil detoxication measures are counted. It is necessary to use
measure of contaminated heavy metal and radio-active element soils recultivation in complex.
В настоящее время загрязнение окружающей среды возрастает с каждым годом и
поэтому решение многих экологических вопросов становится не только актуально, но и
необходимо для сохранения жизни на Земле. Поступление тяжёлых металлов (ТМ) и
радионуклидов в окружающую среду оказывает негативное воздействие на почвы и
растения и представляет угрозу для здоровья человека. Вопросы, связанные с
загрязнением окружающей среды тяжелыми металлами, рассматривались в ранее
опубликованной работе [1]. Но многие тяжелые металлы содержат в своем составе не
только стабильные, но и радиоактивные изотопы, поэтому загрязнение окружающей
среды радионуклидами и тяжелыми металлами может иметь сходные закономерности.
Из химических элементов приоритетными загрязнителями являются Cd, Pb, As, Zn,
так как их накопление в окружающей среде идет высокими темпами. Многие ТМ
обладают большим сродством к физиологически важным органическим соединениям
(например, к ферментам) и способны их инактивировать. Избыточное поступление ТМ в
живые организмы нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие. В сельском
хозяйстве это отражается на качестве продукции и в снижении её выхода. В овощных и
кормовых культурах накопление ТМ нередко достигает опасного для людей и животных
уровня без заметных внешних проявлений. Поступившие в организм человека ТМ
выводятся очень медленно, и даже небольшие их поступления с пищей могут вызвать
кумулятивный эффект.
Источниками радионуклидов в почве являются испытания ядерного оружия,
исследовательские
и
промышленные
ядерные
реакторы,
горнодобывающая
промышленность (добыча урана и тория), предприятия по переработке и обогащению
урана, исследовательские лаборатории, промышленные предприятия и медицинские
учреждения, использующие радиоактивные изотопы, места захоронения радиоактивных
отходов. Особое место в загрязнении почв радиоактивными изотопами занимают аварии
на АЭС и предприятиях ядерного топливного цикла (например, Кыштымская авария в
1957 г. и катастрофа на Чернобыльской АЭС 1986 г.), в результате которых огромные
территории подверглись радиоактивному заражению.
Почва играет важную барьерную роль на пути проникновения ТМ и радионуклидов
в организмы растений, животных и человека. Однако эти загрязнители аккумулируются в
почве, затрудняя получение экологически безопасной продукции.
Наибольшую опасность загрязнения представляют те тяжелые металлы, которые при
нормальных условиях необходимы растениям как микроэлементы. К ним, в первую
очередь, относятся Zn, Cu, Mn, Co и др. Вследствие загрязнения ТМ происходит
замедление роста и снижение продуктивности многих сельскохозяйственных культур.
Следует отметить, что для растений опасны не все тяжелые металлы, которые опасны для
человека и животных, часто накопление ТМ происходит в растении без ущерба для его
роста и развития. Например, Sr для растений малотоксичен и может накапливаться в них в
больших количествах, но в то же время у человека и животных стронций вызывает
искривление и ломкость костей [2, 3].
В настоящее время загрязнение почв тяжелыми металлами приобретает всё большие
размеры и получение экологически безопасной продукции на загрязненных территориях
становится всё более актуальным. Для достижения этой цели и обезвреживания ТМ
имеется много способов, которые можно объединить в следующие группы: механические,
химические и агротехнические [4].
К механическим способам обезвреживания ТМ относятся:
1) удаление верхнего, наиболее загрязнённого слоя почвы [4, 5] и его захоронение.
Японские исследователи рекомендуют проводить это мероприятие при загрязнении почвы
кадмием более 20 мг/кг [5].
2) перемешивание верхнего загрязнённого слоя с незагрязнённым грунтом[5].
3) нанесение на загрязненную почву слоя чистой плодородной земли мощностью до
10 см или грунта [4, 5]. Приём может быть эффективен в зоне промывного водного
режима. В почвах с непромывным водным режимом положительный эффект наблюдался
лишь первые 4…5 лет, а затем часто следует вторичное загрязнение почв в результате
вторичного засоления солями загрязняющих элементов. Положение исправляли
созданием двухслойного покрова: насыпали слой карбонатного суглинка мощностью
10…15 см для создания экрана и защиты вышележащего насыпного гумусированного слоя
[4].
Химические способы инактивации ТМ основаны на переводе этих элементов в
малоподвижные соединения. Чаще всего в качестве мелиоранта используется известь.
Известкование кислых почв дает положительный эффект для инактивации ТМ [2, 6,
7, 8], так как вследствие возрастания рН ТМ выпадают из почвенного раствора в осадок в
виде гидроксидов, карбонатов, фосфатов, уменьшается подвижность Hg, Cd, Zn, Cu, Ni и
т.д. Кроме того, Ca2+ является антагонистом многих ТМ и поэтому он снижает их
поступление в растения. Однако металлы, присутствующие в почве в форме
высокомолекулярных органических хелатов, могут оставаться достаточно растворимыми
даже после сильного известкования [8]. Также имеются данные об увеличении накопления
Cr в растениях гороха при известковании [2]. При загрязнении почв выбросами
металлургических предприятий применение даже очень высоких доз извести (130 т/га)
снизило содержание Cd, Zn и Cu в кормовых травах по сравнению с контролем, но оно
осталось выше ПДК [8]. Проведение известкования рекомендуется, если содержание
кадмия в почве меньше
20 мг/кг [5].
Дозы извести, обычно рекомендуемые при химической мелиорации кислых почв, для
загрязненных тяжелыми металлами земель малоэффективны. На загрязнённых почвах
необходимо вносить более высокие дозы извести, чем на обычных. В зависимости от
гранулометрического состава и кислотности почв дозы внесения извести для дерновоподзолистых и серых лесных почв изменяются в широких диапазонах (от 3 до 20 т/га ) [9].
В качестве мелиорантов также используются растворимые соли ортофосфорной
кислоты, сера, силикаты и гидросиликаты, меркапто-8-триазин, ионообменные смолы и
цеолиты [2, 4, 8]. Фосфаты многих ТМ малорастворимы и на этом основано применение
фосфорных удобрений для инактивации ТМ. Добавление серы в почву вело к связыванию
ртути. Эффективно внесение в почву ионообменных смол в виде гранулята или порошка,
содержащих карбоксильную и гидроксильную группы в H+, Ca2+, Mg2+, K+ формах [4].
Применение фосфорных удобрений в большинстве случаев приводит к снижению
подвижности ТМ и их доступности для растений вследствие образования
труднорастворимых соединений. Эффективность применения фосфорных удобрений
зависит от содержания ТМ в почве и реакции среды. Для нейтрализации ТМ фосфорные
удобрения вносятся в больших количествах, чем необходимо для обеспечения
планируемой урожайности. Так, фосфоритную муку целесообразно применять на почвах с
рН<5,8 в дозах от 300 до 1000 кг/га Р2О5, а суперфосфата – 120…150 кг/га с учетом
обеспеченности почвы фосфором, планируемых урожаев и выноса. Кроме того, внесение
минеральных (в том числе и фосфорных) удобрений ведет к созданию оптимального
состояния растений, увеличению их сопротивляемости неблагоприятным факторам
внешней среды и снижению токсического действия ТМ на растительные организмы.
Хорошие результаты дает совместное применение органических и минеральных
удобрений [9].
Цеолиты как емкие катионообменники способны обменно поглотить наиболее
мобильную часть загрязнителей, предотвращая их поток в растения, и могут быть
использованы в качестве детоксикантов ТМ. Однако поступление в растения анионной
формы металлов не снижается [2, 4, 9].
Ценным мелиорантом на загрязненных ТМ почвах является органо-карбонатный
сапропель. Высокое содержание органического вещества, глинистых минералов и извести
позволяет перевести тяжелые металлы в недоступные для растений формы. Внесение
сапропеля в дозе 15 т/га снижало содержание ТМ в растениях в 2…3 раза [10].
Один из подходов по проблеме санации почв основан на закреплении тяжёлых
металлов в почвах при использовании реакции комплексообразования с гуминовыми
кислотами. Общеизвестно и использование для этих целей торфа, бурого угля, которые
одновременно являются источниками гуминовых кислот.
На загрязнённых тяжелыми металлами территориях необходимо также проведение
агротехнических мероприятий:
1) применение органических и минеральных удобрений.
2) подбор наиболее устойчивых к загрязнению тяжелыми металлами
сельскохозяйственных культур.
3) выявление сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязнению ТМ
и не накапливающих эти элементы в товарной продукции. Также целесообразно
проведение селекции новых сортов по этим признакам.
4) возделывание тех продовольственных культур, у которых в пищу используются
плоды и семена, так как в репродуктивных органах растений ТМ накапливаются меньше,
чем в вегетативных.
5) если по каким-либо причинам проведение мероприятий по инактивации ТМ
нецелесообразно, то на таких землях рекомендуется возделывать технические культуры:
лен, коноплю, клещевину, картофель для переработки на крахмал или спирт, сахарную
свеклу и т.д. Можно также использовать эти земли для семенных посевов овощных
культур [2].
Применение органических удобрений (торфонавозных компостов, навоза, сидератов,
соломы), увеличивающих буферность почвы, является эффективным средством снижения
подвижности большинства тяжелых металлов. Органическое вещество является хорошим
адсорбентом анионов и катионов и снижает концентрацию солей в почвенном растворе.
Всё это препятствует поступлению ТМ в растения [2]. Наибольший эффект дает
использование торфокомпостов. При загрязнении ТМ органические удобрения применяют
в максимально возможных дозах с учетом потребности сельскохозяйственных культур в
азоте, чтобы не происходило избыточного накопления нитратов в растительной
продукции [9]. Внесение минеральных удобрений ведет к созданию оптимального
состояния растений и снижению токсического действия ТМ на них [4].
Сельскохозяйственные культуры сильно различаются по устойчивости к
загрязнению почвы тяжелыми металлами. Наименее устойчивы к загрязнению почвы ТМ
зеленные овощные культуры: салат, шпинат, лук, укроп, петрушка. Более устойчивы к
загрязнению почвы ТМ огурцы, томаты и кабачки. Средней устойчивостью к загрязнению
отличаются свекла, морковь, капуста, лук-репка, турнепс и редис. К группе наиболее
устойчивых к загрязнению тяжёлыми металлами культур относятся картофель, пшеница,
кукуруза, ячмень, овес, рожь, бобы и горох [2, 4, 8, 9].
Существуют также способы, направленные на удаление ТМ из верхнего
корнеобитаемого слоя почвы. К ним относятся промывание загрязнённой почвы
различными экстрагентами, электромелиорация и фитомелиорация.
Для промывки загрязнённых ТМ почв используются слабые растворы серной
кислоты, хлоридов алюминия и железа и ЭДТА [5, 11, 12, 13]. ТМ были более подвижны
при вымывании раствором солей алюминия и железа, чем при использовании раствора
серной кислоты. При промывке почв вышеуказанными реагентами наблюдалась миграция
ТМ с промывными водами и подкисление почв [11]. Высокая степень извлечения ТМ из
почвы (до 90% и более) отмечена при промывке ЭДТА [12, 13], но при использовании
этого экстрагента следует учитывать содержание карбонатов, так как на растворение
кальцита может расходоваться до 90 % внесенной ЭДТА. Увеличение концентрации
ЭДТА повышает эффективность удаления ТМ [13]. Однако при использовании этого
способа существует опасность загрязнения грунтовых вод.
В последнее время был разработан новый способ очистки почв от ТМ–
электромелиорация. Он основан на осаждении соединений ТМ, находящихся в
проводящем растворе на катоде или аноде (в зависимости от знака заряда иона).
Экспериментальные результаты показали, что Zn, Cu, Cr, Cd, Pb могут быть удалены из
искусственно загрязнённого песка с эффективностью более 90%. Эффективность очистки
зависит от длительности обработки. Кроме того, на эффективность очистки влияет
реакция среды и локальные условия (расстояние от анионообменной мембраны и
количество металла, высвобождаемое различными фракциями почвы). Однако
электромелиорация является весьма дорогостоящим способом и предпочтение отдается
фитомелиорации [13].
Фитомелиорация основана на использовании выноса химических элементов
растениями. Для этой цели используются растения, способные накапливать ТМ в больших
количествах (гипераккумулянты). В качестве таких растений зарубежными
исследователями [14, 15] рекомендуются Thlaspi caerulescens, Cardaminopsis halleri,
Alyssum tenium, A. lesbiacum, A. murale. Для вышеупомянутых растений вынос цинка с 1
га составил, соответственно, 24…43 кг, 7,8; 4,7; 4,0; 3,6 кг, тогда как для рапса масличного
эта величина составляет 0,5 кг, а у редиса 0,2 кг [15]. Thlaspi caerulescens также способен
накапливать большое количество кадмия [14].
На практике вышеперечисленные способы обезвреживания ТМ применяются, как
правило, в комплексе. Так, после промывки загрязнённых почв целесообразно
производить внесение мелиорантов (например, извести), снижающих подвижность ТМ.
Также при использовании механических и химических способов инактивации ТМ
рекомендуется проведение агротехнических мероприятий. При проведении мероприятий
по очистке загрязнённых тяжёлыми металлами почв необходимо, прежде всего, выбрать
наименее затратные в данной конкретной ситуации способы обезвреживания
загрязнителей, сопоставить расходы на проведение мелиоративных мероприятий с
возможными доходами от сельскохозяйственного использования земельного участка,
выбрать культуры, выращивание которых даст наилучший результат, рассчитать
рентабельность производства и срок окупаемости мероприятий по санации почв. Следует
иметь в виду, что механические и химические способы обезвреживания ТМ намного
дороже, чем агротехнические. Если проведение мероприятий по очистке загрязнённых
тяжёлыми металлами почв экономически нецелесообразно, то нужно использовать
данную территорию для промышленных целей.
При разработке агротехнических мероприятий по снижению загрязнения
сельскохозяйственной продукции радионуклидами необходимо учитывать почвенноклиматические условия, систему земледелия и особенности поведения радионуклидов.
Подбор культур в севооборотах – одно из наиболее эффективных агротехнических
мероприятий в условиях радиоактивного загрязнения. Рекомендуется высевать культуры,
обладающие малыми коэффициентами накопления радионуклидов: зернобобовые,
крупяные, кукуруза на зерно, картофель, корнеплоды. Целесообразно также заменять
позднеспелые сорта на раннеспелые [16].
Внесение в почву, загрязненную радионуклидами, минеральных и органических
удобрений влияет на вынос радионуклидов растениями. Применение калийных удобрений
способствует снижению поступления 90Sr и 137Cs в растения вследствие неизотопного
разбавления этих радионуклидов. Это в особенности относится к 137Cs, который является
близким химическим аналогом калия. Использование фосфорных удобрений приводит к
соосаждению 90Sr при кислотности почвы, близкой к нейтральной. Азотные удобрения в
различных условиях могут оказать неодинаковое действие на поступление радионуклидов
в растения. Применять их следует, в первую очередь, для повышения урожайности [16].
Внесение извести на кислых почвах приводит к уменьшению концентрации 90Sr в
урожае не только за счет его осаждения и неизотопного разбавления кальцием, но и за
счет увеличения урожайности [16].
Внесение органических удобрений, особенно на легких по гранулометрическому
составу почвах, приводит к усилению закрепления 90Sr и других радионуклидов в
катионной форме за счет повышения катионообменной емкости поглощения почв и
отчасти за счет комплексообразовательной сорбции с органическими веществами. На
кислых дерново-подзолистых почвах наилучшие результаты дает совместное применение
органических удобрений и извести [16].
При значительном загрязнении почвы радионуклидами рекомендуется возделывать
технические культуры (сахарную свеклу, картофель на крахмал), т.к. современные
технологии переработки позволяют получить радиационно безопасную продукцию.
Библиографический список
1. Бушуев Н.Н. Накопление тяжёлых металлов растениями и мероприятия по
рациональному использованию загрязнённых тяжёлыми металлами почв. //Материалы
международной научно-практической конференции «Роль природообустройства
сельских территорий в обеспечении устойчивого развития АПК». – М.: ФГОУ ВПО
МГУП, 2007. С. 22-27.
2. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. – Л.: Агропромиздат, 1987.
Ч. I. 142 с.
3. Бондарева Л.Г. Ландшафты, металлы и человек. –М.: Мысль, 1976. 75 с.
4. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. /Под ред. Д.С. Орлова и В.Д.
Васильевской. – М.: Изд-во МГУ, 1994. С. 105-125.
5. Kitagishi K., Yamane I., Eds. Heavy Metal Pollution in Soil of Japan, Japan Science Society
Press, Tokyo, 1981, 302 p.
6. Зырин Н.Г. Задачи и перспективы развития учения о микроэлементах в почвоведении.
//Биологическая роль микроэлементов в почвах. – М.: Наука, 1983. С. 149-154.
7. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. – Новосибирск: Наука, 1991.
150 с.
8. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. – М.: Мир,
1989. 439 с.
9. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение. /Под ред. М.М. Овчаренко.
– М., 1997. 290 с.
10. Максимов П.Г., Кузнецов А.В., Платонов И.Г. Результаты агроэкологической оценки
сапропелевых месторождений. – М., 2000. 110 с.
11. Fuller W.H. et al. Contribution of the Soil to the Migration of Certain and Trace Elements.//
Soil Sci., 1976, v. 122, N 3, p. 223-236.
12. Lo Irene M.C., Yang X.Y. EDTA extraction of heavy metals from different soil fractions and
synthetic soils.// Water, Air and Soil Pollut.–1999, v.109, N 1-4, p. 219-236.
13. Papassiori N., Tambouris S., Kontopoulos A. Removal of heavy metals from calcareous
contaminated soils by EDTA leaching.// Water, Air and Soil Pollut.–1999, v.109, N 1-4, p. 115.
14. Brown S.L., Chaney R.L., Angle J.S., Baker A.J.M. Phitoremediation potential of Thlaspi
caerulescens and bladder campion for zinc- and cadmium-contaminated soil.// J. Environ.
Qual.–1994, v.23, N 6, p. 1151-1157.
15. McGrath S.P., Sidoli C.M., Baker A.J.M., Reeves R.D. Using plants to clean up heavy metal
in soils.// 15 th World Congr. Soil Sci., Acapulco, July, 1994: Trans. Vol. 4a Commiss. 3
Symp.–Mexico, 1994, p. 362-363.