Токсикологічні аспекти накопичення та росподілу важких металів у ґрунтах промислових агломераций

УДК 502.56/.568

Г. А. Кроїк

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, Дніпропетровськ, Укарїна

TOXICOLOGICAL ASPECTS OF ACCUMULATION
AND DISTRIBUTION OF HEAVY METALS
IN INDUSTRIAL AGGLOMERATIONS’ SOILS

A. А. Kroik

Oles’ Honchar Dnipropetrovs’k National University, Dnipropetrovs’k, Ukraine

Особливостями розвитку антропогенних процесів у промислових регіонах є формування якісно нових біохімічних провінций. Це супроводжується комплексною поліелементною металізацією за наступною ланкою: джерела забруднення (викиди, відходи, стік) – депонування (ґрунт, донні виклади) та головні життєзабезпечуючі середовища (повітря, вода, продукти харчування) – организм людини. Обсяги надходження удовкилля важких металів унаслідок техногенного навантаження у сотні та тисячі разів перевищують їх фонові концентрації, що у глобальному масштабі дорівнює або перевищує їх промисловий видобуток.

Важлива роль у циркуляції важких металів у довкіллі належить ґрунтам. Вони – ключове середовище наземних екосистем, яке має універсальні адсорбційні властивості. Безперечно, саме ґрунт відображає рівень багаторічного антропогенного впливу на довкілля в цілому. При насиченні ґрунту хімічними компонентами, а саме ксенобіотиками, ґрунт може стати джерелом вторинного забруднення для води, водойм, атмосферного повітря, для кормів тварин і продуктів харчування людини. На відміну від інших середовищ (наприклад, повітря, де переважають процеси розсіювання), у ґрунтів відсутня можливість їх швидкого очищення. Тому хімічні забруднювачі можуть зберігатися в ньому довгі роки і, включаючись до екологічних ланцюгів, обумовлювати тривалу дію токсикантів. Це підвищує ризик виникнення хронічних інтоксикацій. Тому ґрунти потребують тривалого екологічного обстеження (моніторингу).

Ця теза підтверджується даними еколого-геохімічного картування Донецько-Макіївського району (більше 1000 км2). Встановлено, що майже на 50 % площі цього регіону хімічне забруднення ґрунту досягає середнього, високого та надзвичайно високого ступеня. Це пов’язано з тим, що в Україні накопичено понад 25 млрд. т відходів і вторинних мінеральних ресурсів, які займають близько 160 га. До таких крупніших гірничо-промислових регіонів відноситься і Дніпропетровська область. Це підтверджу­ється оцінкою фахівців медиків та гігієністів, їх висновками щодо підвищеної кількості хворих людей, які проживають у таких промислових регіонах порівняно з умовно чистими за рахунок накопичення важких металів в органах і тканинах.

Великі, індустріально розвинені агломерації – потужні джерела забруднення всіх компонентів довкілля. При забрудненні екосистем відбуваються якісні зміни у хімічному складі ґрунтів. Важливий показник ступеня техногенного впливу на ґрунти – вміст важких металів, які нині займають провідне місце серед техногенних полютантів. Сполуки важких металів належать до токсикантів, які, більшою мірою, викидаються у повітря на територіях індустріальних агломерацій.

Ґрунтів суттєво відрізняється від інших компонентів біосфери як за рівнем організації та складністю будови, так і за функціями. Напрямок процесів, які відбуваються у ґрунті в кожний конкретний момент часу, контролюється багатьма факторами, у тому числі, температурою, вологістю, станом кислотно-лужної та окисно-відновної рівноваги. Проте, навіть при однакових величинах рН і Еh екологічна поведінка різних важких металів у процесі ґрунтоутворення може суттєво відрізнятися.

Важкі метали надходять у ґрунт у формі оксидів і солей (як розчинних, так і практично нерозчинних у воді – сульфатів і сульфідів). Існує припущення, що оксиди важких металів закріплюються, головним чином, у твердій фазі ґрунту, особливо при нейтральному або лужному рН. Вважають, що вони рівномірно розподілені у ґрунті, у результаті чого їх токсична дія не проявляється у повній мірі. Треба зауважити, що це у повній мірі залежить від таких чинників, як тип ґрунту та рН порового розчину. Поведінка важких металів у ґрунтах значною мірою відрізняється від поведінки більшості катіонів макроелементів. Мета даної роботи – оцінити накопичення, розподіл та іммобілізацію важких металів у ґрунтах промислових агломерацій.

Об’єкти досліджень – ґрунти на територіях із високим рівнем техногенного навантаження, зокрема міста Дніпропетровської області: Жовті води, Вільногірськ, Павлоград, Нікополь. Для вирішення поставленої задачі розроблена комплексна методика, яка включала дослідження вмісту різних геохімічних форм важких металів і моделювання поглинальної здатності ґрунту у нейтральних і кислих розчинах.

Результати досліджень вказують на розбіжність ступеня концентрування важких металі у ґрунтах. Це можна пояснити специфікою виробництва, яка притаманна для кожного з досліджуваних промислових центрів. На території м. Нікополь пріоритет­ними метали у ґрунтах – марганець і цинк. У м. Жовті Води відмічено найбільший вміст марганцю, цинку, нікелю та міді. Для м. Павлоград пріоритетні забруднювачи – цинк і хром. У м. Вільногірськ – хром, кадмій і нікель.

Для оцінки ступеня забруднення ґрунтів важкими металами порівнювали фактичні концентрації металів у досліджуваних зразках із ГДК. Аналіз отриманих даних вказує на те, що на території м. Жовті Води перевищення концентрації над ГДК складає для цинку – 2,28, марганцю – 1,43, хрому – 1,67 раза. У м. Нікополь відмічено перевищення вмісту над ГДК для цинку – у 1,30 раза, марганцю – у 2,50 раза. Необхідно відмітити, що у селітебній зоні м. Вільногірськ виявлено перевищення вмісту марганцю у ґрунті над ГДК у 1,60 раза.

Оскільки вміст важких металів у досліджуваних пробах ґрунту має незначне перевищення над ГДК, для визначення рівня забрудненості ґрунтів важкими металами проведене зіставлення концентрацій металів із фоновими концентраціями. Найбільше перевищення над фоновими спостерігалося для кадмію на території промислової зони м. Вільногірськ. Також значне перевищення для цього металу (в 16–20 разів) відповідає м. Жовті Води та Павлоград. Досить високе забруднення спостерігається для таких елементів, як хром і цинк. Найменше забруднена досліджувана територія кобальтом. Таким чином, у ґрунті відбувається інтенсивне накопичення важких металів у кількостях, які значно перевищують їх природний кларк, що створює реальну загрозу існуванню живих організмів.

При надходженні токсикантів у біосферу деяка частка їх при взаємодії з різними компонентами природних систем (у першу чергу із ґрунтами) утворює слабкорухомі сполуки і, таким чином, на якийсь період виключається з хімічних циклів. Одним із важливих як у теоретичному, так і у практичному відношенні питань хімії важких металів у ґрунтах є вивчення процесів трансформації їх сполук і виявлення факторів, якими ці процеси керуються.

Вивчення закономірностей фазових переходів важких металів у ґрунтах – теоретична база для регулювання цих процесів із метою мобілізації елементів, необхідних рослинам і виведення зі сфери біологічного поглинання рослинами важких металів, які мають токсичні властивості. Важкі метали, які надійшли у ґрунт (передусім їх мобільні форми), підлягають різним трансформаціям. Одним із таких процесів є зв’язування металу гумусовими речовинами. Закріплення металу здійснюється також у результаті утворення комплексних сполук між металами та органічними кислотами. Можлива адсорбція іонів металів на поверхні органічних колоїдних систем. Міграційна здатність металів за рахунок цих процесів знижується. Іншим можливим процесом зв’язування металів є їх адсорбція на поверхні мінеральних часток. Можливе їх проникнення в міжпакетний простір глинистих мінералів або ізоморфне заміщення іонів інших елементів у кристалічній решітці. Несхідній міграції металів можуть перешкоджати гідроксиди та оксиди заліза та марганцю, які зазвичай концентруються у верхній частині профілю ґрунтів. Тому необхідна не тільки якісна, а і кількісна оцінка цих процесів.

Поглинальну здатність ґрунту щодо свинцю, міді, цинку та кадмію вивчали у нейтральних і кислих розчинах. Встановлено, що при рН = 2 поглинальна здатність ґрунту дуже низька, потім вона різко зростає у діапазоні рН від 3 до 4. У цьому діапазоні величина поглинальної здатності ґрунту підвищується учетверо. Подальше підвищення рН порового розчину не викликає суттєвої зміни поглинальної здатності ґрунту. Як інтегральну характеристику сорбції використовували криву розподілу (ізотерму) поглинальної здатності ґрунту. Для достовірної оцінки максимальної можливої здатності ґрунту до сорбції важких металів додатково вивчали динаміку та кінетику цього процесу. Швидкість процесу поглинання металу залежить не тільки від часу, а і від концентрації металу у поровому розчині. У кінетиці даного процесу можливо виділити дві стадії механізму поглинання: швидка (декілька хвилин – катіонний обмін на поверхні глинистих часток) і повільна (години, доби – дифузія катіонів у міжшаровому просторі).

Ообливість поглинальної здатності дослідженого ґрунту – те, що до 90 % свинцю, внесеного у ґрунт у вигляді легкорозчинних солей, переходить у поглинутий стан уже через декілька годин після внесення. Це пояснюється тим, що свинець здатний утворювати важкорозчинні осади основних карбонатів, фосфатів або гідроксидів. Таку геохімічну поведінку свинцю можно трактувати як здатність геохімічних форм свинцю утворювати термодинамічно малостійкі сполуки, і у процесі сорбції відбувається трансформація іонів свинцю до малорозчинних стійкіших форм.

Особливість поглинання чорноземом міді – перебіг процессів утворення малорозчинних сполук у вигляді гідроксиду або карбонату міді. За ступенем сорбціїних властивостей малокарбонатного чернозема досліджені метали можна розташувати у наступний ряд: Pb > Zn > Cd > Cu.

Таким чином, на територіях промислових агломерацій відбуваються процеси накопичення важких металів у ґрунтах, причому найбільше перевищення фонових значень вмісту кадмію спостерігається на території Вільногірська, Жовтих Вод і Павлограду. У цих містах також є значне перевищення фонових концентрацій свинцю, міді, хрому, цинку, нікелю. Оскільки ці метали відносяться до І та ІІ класу токсичності і характеризуються високими величинами коефіцієнтів транслокації, можливо одночасно забруднення і рослин. Останнє унеможливлює їх включення до харчового раціону.
Позитивний момент – те, що баланс накопичення вивчених металів може зсуватися у бік зниження за рахунок процесів сорбції їх у системі «ґрунт – техногенний розчин».
Тому, для достовірної оцінки екологічного стану територій промислових агломерацій необхідне проведення досліджень розподілу важких металів у ґрунтах: уніфікація методології досліджень важких металів у ґрунтах; виділення приоритетних забруднювачів для окремих промислових агломерацій; встановлення кількісної залежності між рівнями забруднення ґрунту та вмістом важких металів у біооб’єктах; створення моделі міграції важких металів у ґрунтах з урахуванням процесів сорбції.


Zoocenosis — 2011
Біорізноманіття та роль тварин в екосистемах: Матеріали VІ Міжнародної наукової конфе­ренції. – Дніпропетровськ: Вид-во ДНУ, 2011. – С. 15-18.

Розповісти колегам:

Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники