К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц массы (а.е.м.). Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др.
Среди ТМ много микроэлементов, биологически важных для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсичное действие на живые организмы.
Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т. д.) Сельскохозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и специфически, при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, известковании, использовании сточных вод. В последнее время особое внимание ученые уделяют городским почвам. Последние испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение ТМ.
В табл. 3.14 и 3.15 представлены распределение ТМ в различных объектах биосферы и источники поступления ТМ в окружающую среду.
Содержание ТМ в различных объектах биосферы, мг/кг сухой массы (по Войткевичу с соавт., 1990; по Торшину с соавт., 1990)
| Элемент | Почвы | Пресные воды | Морские воды | Растения | Животные (в мышечной ткани) |
| Mn | 1000 |
Источники загрязнения окружающей среды ТМ
| Элемент | Источник |
| Mn | Промышленность, сжигание угля |
| Zn | Промышленность, удобрения |
| Cu | Промышленность, сжигание угля, удобрения |
| Элемент | Источник |
| Pb | Автотранспорт, промышленность, сжигание угля, угольные отвалы, краски, удобрения |
| Cd | Промышленность, удобрения, курение |
| Hg | Промышленное сжигание угля, обжиг цементного сырья, протравливание зерна, удобрения |
| Ni | Сжигание угля, промышленность, удобрения, курение |
| Cr | Промышленность |
| V | Сжигание угля, нефти, промышленность |
На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов как растворимые, так и практически нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприятий цветной металлургии — основного источника загрязнения окружающей среды ТМ — основная масса металлов (70-90 %) находится в форме оксидов.
Попадая на поверхность почв, ТМ могут либо накапливаться, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории.
Большая часть ТМ, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах. ТМ сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы, в частности в виде элементно-органических соединений, аккумулируются в гидроксидах железа, входят в состав кристаллических решеток глинистых минералов, дают собственные минералы в результате изоморфного замещения, находятся в растворимом состоянии в почвенной влаге и газообразном состоянии в почвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты.
Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и уровня техногенного воздействия. Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию ТМ почвой.
Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве значительно больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почвы, особенно ТМ, практически вечно. Металлы, накапливаясь в почве, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Период полуудаления (или удаления половины от начальной концентрации) ТМ сильно варьирует для различных элементов, но составляет достаточно продолжительные периоды времени: для Zn — от 70 до 510 лет; для Cd — от 13 до 110 лет; для Cu — от 310 до 1500 лет и для Pb — 2 — от 740 до 5900 лет (Садовская, 1994).
Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Во-первых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ вызывают у них серьезные заболевания — росту заболеваемости населения и сокращению продолжительности жизни, а также к снижению количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции.
Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ способны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затрагивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изменяется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов и т. д. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, структура, pH среды и др. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия.
В природе встречаются территории с недостаточным или избыточным содержанием в почвах ТМ. Аномальное содержание ТМ в почвах обусловлено двумя группами причин: биогеохимическими особенностями экосистем и влиянием техногенных потоков вещества. В первом случае, районы, где концентрация химических элементов выше или ниже оптимального для живых организмов уровня, называются природными геохимическими аномалиями, или биогеохимическими провинциями. Здесь аномальное содержание элементов обусловлено естественными причинами — особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, присутствием рудных аномалий. Во втором случае, территории называются техногенными геохимическими аномалиями. В зависимости от масштаба они делятся на глобальные, региональные и локальные.
Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.
Различные растения, животные и человек требуют для жизнедеятельности определенного состава почвы, воды. В местах геохимических аномалий происходит, усугубляясь, передача отклонений от нормы минерального состава по всей пищевой цепи.
В результате нарушения минерального питания наблюдаются изменения видового состава фито-, зоо- и микробоценозов, заболевание дикорастущих форм растений, снижение количества и качества урожаев сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции, рост заболеваемости населения и снижение продолжительности жизни (табл. 3.15). Механизм токсического действия ТМ представлен в табл. 3.16.
Физиологические нарушения в растениях при избытке и недостатке содержания в них ТМ (по Ковалевскому, андриановой, 1970; Кабата-пендиас,
| Элемент | Физиологические нарушения | |
| при недостатке | при избытке | |
| Cu | Хлороз, вилт, меланизм, белые скрученные макушки, ослабление образования метелок, нарушение одревеснения, суховершинность деревьев | Темно-зеленые листья, как при Fe- индуцированном хлорозе; толстые, короткие или похожие на колючую проволоку корни, |
Механизм действия токсичности ТМ (по Торшину с соавт., 1990)
| Элемент | Действие |
| Cu, Zn, Cd, Hg, Pb | Влияние на проницаемость мембран, реакция с SH — группами цистеина и метионина |
| Pb | Изменение трехмерной структуры белков |
| Cu, Zn, Hg, Ni | Образование комплексов с фосфолипидами |
| Ni | Образование комплексов с альбуминами |
| Ингибирование ферментов: | |
| Hg2+ | щелочной фосфатазы, глюко-6-фосфотазы, лактатдегидрогеназы |
| Cd2+ | аденозинтрифосфотазы, алкогольдегидрогеназы, амилазы, карбоангидразы, карбоксипептидазы (пентидазы), глутаматоксалоацетаттранаминазы |
| Pb2+ | ацетилхолинэстеразы, щелочной фосфатазы, АТФазы |
| Ni2+ | карбоангидразы, цитохромоксидазы, бензопиренгидроксилазы |
Токсическое воздействие ТМ на биологические системы в первую очередь обусловлено тем, что они легко связываются с сульф- гидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подавляя их синтез и, тем самым нарушая обмен веществ в организме.
Живые организмы выработали разнообразные механизмы устойчивости к ТМ: от восстановления ионов ТМ в менее токсичные соединения до активации систем ионного транспорта, осуществляющих эффективное и специфическое удаление токсических ионов из клетки во внешнюю среду.
Наиболее существенное последствие воздействия ТМ на живые организмы, проявляющееся на биогеоценотическом и биосферном уровнях организации живого вещества, заключается в блокировании процессов окисления органического вещества. Это приводит к снижению скорости его минерализации и накоплению в экосистемах. В то же время увеличение концентрации органического вещества вызывает связывание им ТМ, что временно снимает нагрузку с экосистемы. Снижение скорости разложения органического вещества за счет снижения численности организмов, их биомассы и интенсивности жизнедеятельности считают пассивной реакцией экосистем на загрязнение ТМ. Активное противостояние организмов антропогенным нагрузкам проявляется лишь в ходе прижизненной аккумуляции металлов в телах и скелетах. Ответственными за этот процесс являются наиболее устойчивые виды.
Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи. В зависимости от геохимических условий производства пища человека как растительного, так и животного происхождения может удовлетворять потребности человека в минеральных элементах, быть дефицитной или содержать превышающее их количество, становясь более токсичной, вызывая заболевания и даже смерть (табл. 3.17).
Действие ТМ на организм человека (Ковальский, 1974; Краткая медицинская энциклопедия, 1989; Торшин с соавт., 1990; Воздействие на организм . 1997; Справочник по токсикологии . 1999)
| Элемент | Физиологические отклонения | |
| при недостатке | при избытке | |
| Mn | Заболевания костной системы | Лихорадка, пневмония, поражение центральной нервной системы (марганцевый паркинсонизм), эндемическая подагра, нарушение кровообращения, желудочно-кишечных функций, бесплодие |
| Cu | Слабость, анемия, белокровие, заболевания костной системы, нарушение координации движений | Профессиональные заболевания, гепатит, болезнь Вильсона. |
Разные ТМ представляют опасность для здоровья человека в различной степени. Наиболее опасными являются Hg, Cd, Pb (табл. 3.18).
Классы загрязняющих веществ по степени их опасности (гоСТ 17.4.1.02-83)
| Номер класса | Класс | Элемент |
| I | Высоко опасные | Hg, Cd, Pb, Zn, As, Se, F |
| II | Умеренно опасные | Cu, Co, Ni, Mo, Cr, B, Sb |
| III | Мало опасные | V, W, Mn, Sr, Ba |
Очень сложен вопрос нормирования содержания ТМ в почве. В основе его решения должно лежать признание полифункциональности почвы. В процессе нормирования почва может рассматриваться с различных позиций: как естественное природное тело; как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов; как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства; как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы. Нормирование содержания ТМ в почве необходимо проводить на основе почвенно-экологических принципов, которые отрицают возможность нахождения единых значений для всех почв.
По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение может производиться путем промывок, путем извлечения ТМ из почвы с помощью растений, путем удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т. п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т. д. Однако любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда в живые организмы.
Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, масса атомов которых составляет свыше 50 а. е.м. Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др. Среди ТМ много микроэлементов, являющихся необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.
Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т. д.).
На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практически нерастворимые в воде.
Экологические последствия загрязнения почв ТМ зависят от параметров загрязнения, геохимической обстановки и устойчивости почв. К параметрам загрязнения относятся природа металла, т. е. его химические и токсические свойства, содержание металла в почве, форма химического соединения, срок от момента загрязнения и т. д. Устойчивость почв к загрязнению зависит от гранулометрического состава, содержания органического вещества, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, активности микробиологических и биохимических процессов и т. д.
Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи.
При нормировании содержания ТМ в почве должна учитываться полифункциональность почвы. Почва может рассматриваться как естественное природное тело, как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства, как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы, как часть наземного биогеоценоза и биосферы в целом.