Биогеохимические циклы тяжёлых металлов в ландшафтах

Дальневосточный Федеральный Университет

Тема: Биогеохимические циклы тяжёлых металлов в ландшафтах

Выполнила:

студентка 3го курса

ШЕН группы Б8312

Громова К.Ю.

г. Владивосток - 2014 г.

Введение

Актуальность изучения биогеохимических циклов тяжёлых металлов в агроландшафтов заключается в том, что из-за малого багажа знаний большинство фермеров при чрезмерном использовании удобрении загрязняют почвы тяжёлыми металлами, которые частично попадают в растения, которые мы используем, как пищу, тем самым отравляем свой организм. Так же размещение земель сельскохозяйственного назначения рядом с железными, автомобильными дорогами, заводами и др. приносит большой вред человеку и почве.

Целью данной курсовой работы является получение знаний о биогеохимических циклах тяжелых металлов в агроландшафтах, что собой представляют тяжелые металлы.

Задачи:

)раскрыть понятия о тяжёлых металлах и агроландшафтах;

)показать причины появления металлов в больших концентрация в почвах, в результате чего они становятся губительными для окружающей среды;

)изучить биогеохимические циклы тяжёлых металлов.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40. Так сложилось, что термины "тяжелые металлы" и "токсичные металлы" стали синонимами.

На сегодняшний день безоговорочно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму. Деятельность значительной части остальных в живых организмах можно оценить только на "отлично". Действительно, металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co. Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации. Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы. [9].

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.[4]

При кажущейся ясности понятия "тяжелые металлы" его значение следует определить более четко из-за встречающихся в литературе неоднозначных оценок. Термин "тяжелые металлы" связан с высокой относительной атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В современной цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы - плотность 7,14-21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные металлы - плотность 0,53-3,5 г/см3 (литий, бериллий и др.). [8]

Согласно одной классификации, к группе тяжелых металлов принадлежит более 40 элементов с высокой относительной атомной массой и относительной плотностью больше 6. По другой классификации, в эту группу включают цветные металлы с плотностью большей, чем у железа (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, олово, сурьма, висмут, ртуть).

Согласно сведениям, представленным в "Справочнике по элементарной химии" под ред. А.Т.Пилипенко (1977), к тяжелым металлам отнесены элементы, плотность которых более 5 г/см3. Если исходить из этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов Периодической системы элементов. Среди этих 43 металлов 10 обладают наряду с металлическими свойствами признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической системы, являющиеся р-элементами), поэтому более строгим был бы термин "тяжелые элементы", но в данной публикации мы будем пользоваться общепринятым в литературе термином "тяжелые металлы".[5]

Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов с относительной плотностью более 6. Число же опасных загрязнителей, если учитывать токсичность, стойкость и способность накапливаться во внешней среде, а также масштабы распространения указанных металлов, значительно меньше.

Таблица 1. Основные загрязнители окружающей среды и их источники

ЗагрязнительИсточник1. СО2энергетика, промышленность, отопление2. СОметаллургия, нефтеперерабатывающая промышленность, транспорт3. SO2энергетические и промышленные предприятия4. NO2, NOдвигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, домны, химическая промышленность5. Фосфатыхимические моющие средства, удобрения, сельское хозяйство6. Hgотходы лакокрасочной промышленности, обогащение руд, целлюлозно-бумажная промышленность7. Pbхимическая промышленность, горнодобывающая промышленность, двигатели внутреннего сгорания, пестициды8. Нефтьнефтеперерабатывающая промышленность, перевозка по морю, сбросы9. ДДТ и пестицидысельское хозяйство10. Радиацияпроизводство ядерного топлива, атомная энергетика

Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.[1]

Формы нахождения в окружающей среде

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива. В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах. Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии. [13]

Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки. [12]

Таблица 2. Биогеохимические свойства тяжелых металлов

СвойствоCdCoCuHgNiPbZnБиохимическая активностьВВВВВВВТоксичностьВУУВУВУКанцерогенность-B--B--Обогащение аэрозолейBHBBHBBМинеральная форма распространенияBBHBHBHОрганическая форма распространенияBBBBBBBПодвижностьBHУВНВУТенденция к биоконцентрированиюВВУВВВУЭффективность накопленияВУВВУВВКомплексообразующая способностьУНВУННВСклонность к гидролизуУНВУУУВРастворимость соединенийВНВВНВВВремя жизниВВВНВНВВ- высокая, У - умеренная, Н - низкая

Агроландшафты

Преобладающими химическими элементами, как в биосфере, так и в любой слагающей ее экосистеме являются углерод, водород, кремний, кислород, азот, кальций, фосфор, железо и сера.

Табл.3.Среднее содержание некоторых химических элементов в земной коре, почвах и организмах (% по массе, данные на 1968).[12]

Химические элементыЗемна кора (осадочные породы)Почвенный покровОрганизмы (растения)В1*10-21*10-31*10-4С1,02,018,0N6*10-21*10-13*10-1O52,849,070F5*10-22*10-21*10-5Na0,660,632*10-2Mg1,340,637*10-2Mg1,340,637*10-2Si23,833,01,5*10-1P7*10-28*10-27*10-2S3*10-18*10-25*10-2Cl1,6*10-21*10-210-2К2,281,363,10-2Ca2,531,373´10-1Ti0,454,6*10-11*10-4Mn6,7*10-28*10-21*10-3Fe3,33,82*10-2Cu5,7*10-32*10-32*10-4Sr4,5*10-23*10-210-4Zr2*10-23*10-210-4I1*10-45*10-41*10-5Ba8*10-25*10-210-4U3*10-45*10-55*10-7

Агроландшафты - это техногенная ландшафтно-геохимическая система, основу которой составляют земледельческие площади и искусственно созданные биотические сообщества.

Агроландшафты представляют особый отряд техногенных ландшафтов, важнейшей геохимической характеристикой которого, как и в большинстве природных ландшафтов, служит биологический круговорот атомов, отличающийся от исходных биогенных ландшафтов: запасы и структура фитомассы полностью трансформируются, сильно трансформируется круговорот азота и других биогенных элементов.

Главное назначение агроландшафта - производить максимум сельскохозяйственной продукции - вступает в противоречие с загрязнением среды, возникающим в результате химизации и других видов агротехногенеза. Так, основным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафты являются нестандартизованные удобрения, отличающиеся высоким уровнем содержания комплекса металлов. Тяжелые металлы включаются в местные миграционные циклы и частично выносятся за пределы агроландшафтов. Данные указывают на селективную концентрацию в растениях приоритетных токсикантов (Hg, Cd, Pb). В то же время растения обладают защитным механизмом против высоких концентраций тяжелых металлов. Поэтому при экологических оценках агроландшафтов необходимо учитывать видовую биогеохимическую специализацию сельскохозяйственных культур.

Методика агроэкологической группировки земель и оценки экологического состояния почв. [11].

На основе материалов специальных обследований и изысканий (почвенных, геоботанических, гидрогеологических, агрохимических и др.), земельно-учетных и земельно-оценочных данных, фактического использования каждого участка все земли объединяют в группы. При этом руководствуются двумя принципами: множество почвенных разновидностей должно быть сведено в возможно меньшее число внутренне однородных групп; эти группы должны существенно различаться между собой в агрономическом отношении.

В основу агроэкологической группировки земель положены условия расположения почв по рельефу; энергетическая близость объединяемых почв; однородность геоморфологических и гидрологических условий; сходство по гранулометрическому составу; однородность водных, воздушных и тепловых режимов; близость показателей, определяющих питательный режим; однородность физико-химических свойств; сходство показателей, определяющих особенности обработки почв.

С учетом вышеизложенного все пахотные и пахотнопригодные почвы. Нечерноземной зоны целесообразно объединить в 5 групп:

.группа - пахотные земли универсального назначения. К ним относятся неэродированные земли, расположенные на дренированных водоразделах и на склонах крутизной до 3. Эта группа объединяет супесчаные, легко- и среднесуглинистые почвы на карбонатных и бескарбонатных отложениях. Рельеф и почвенноагрохимическая характеристика почв дают возможность возделывать все районированные культуры;

.группа - пахотные земли, имеющие агрофизические и физико-химические свойства, которые исключают возделывание отдельных районированных культур. Эта группа объединяет тяжелосуглинистые и глинистые почвы, включая слабодренированные, кратковременно переувлажняемые, каменистые;

. группа - пахотные земли, расположенные на склонах с уклонами 3-5, преимущественно со слабо- и среднесмытыми почвами. На них исключается возможность выращивания пропашных культур и размещения паров. На этих землях размещают группы культур, обладающих почвозащитными свойствами (культуры сплошного посева: озимые и яровые зерновые, зерновые бобовые, однолетние травы, смешанные посевы зерновых культур, пожнивные посевы озимых культур и др.);

. группа - пахотные земли ограниченного использования. В эту группу объединяют земли, расположенные на склонах с уклонами 5-8, преимущественно со средне- и сильносмытыми почвами. На них выращивают группы культур, обладающих средними и высокими почвозащитными свойствами (зерновые, однолетние и многолетние травы), и применяют специальные приемы почвозащитной технологии обработки;

. группа - малопригодные пахотные земли, расположенные на склонах с уклоном свыше 8, это в основном средне- и сильносмытые почвы и комплексы смыто-намытых почв, а также почвы с неудовлетворительными физико-механическими и агрохимическими свойствами для большинства районированных культур, имеющие неблагоприятный водный режим и технологические свойства.