Природные и техногенные источники загрязнений почвы

Введение

Взаимодействие общества и природы - узловая проблема политического и социально-экономического развития общества. Расширяя и усиливая антропогенное техногенное давление на природу, общество сталкивается с многократно воспроизведенным «эффектом бумеранга»: разрушение природы, оборачивается экономическим ущербом и социальным уроном. Процессы экологической деградации приобретают характер глубокого экологического кризиса. Вопрос о сохранении природы превращается в вопрос выживания человечества.

Многие экологические проблемы взаимоотношений в системе «общество-природа» сейчас перешагнули рамки национальных хозяйств и приобрели глобальное измерение. В настоящее время возникла острая необходимость в изучении глобальных изменений, вызываемые накоплением в окружающей среде химических веществ, значительная часть которых является канцерогенами, эффект которых связан с поражением структуры клеток всех микроорганизмов, растений, животных и человека.

Существуют разные методы контроля показателей экологической безопасности природных объектов. На данный момент широко используются методы биологического тестирования, позволяющие оценить всю совокупность свойств исследуемой среды с позиции восприятия ее живыми тест-объектами, выступающими в роли биодатчиков.

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений, а так же  почве отведена важнейшая роль в жизни общества, так как она представляет собой источник продовольствия, обеспечивающий 95-97 % продовольственных ресурсов для населения планеты. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности, так как эффективная защита окружающей среды от опасных химических реагентов невозможна без достоверной информации о степени загрязнения почв.

Оценку способностей почвы выполнять функции, обеспечивающие стабильность отдельных биоценозов и биосферы в целом получают при помощи специальных методов исследования загрязненных почв.

Объект: почва

Предмет: токсичность почвенного покрова техногенных зон

Цель: определение наиболее чувствительной тест-системы к содержанию тяжелых металлов в почве

Для достижения поставленной цели, потребовалось решение следующих  задач:

1. Изучить источники и виды загрязнения почв.

     2. Выбор  методов биотестирования токсичности почвенного покрова техногенных зон с различным по интенсивности автотранспортным и промышленным воздействием с помощью растительных тест-систем

Глава 1  Природные и техногенные источники загрязнений почвы

1.1. Классификация почвенных  загрязнений 

В современных условиях природная среда подвержена комбинированному техногенному загрязнению. Известно, что в связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в окружающую среду сотни тысяч новых химических соединений с невыясненными токсикологическими характеристиками. Так, разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения накапливаясь в почве, обусловливают ее загрязненность и токсичность. Источники загрязнения   почвы делятся: на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность), и антропогенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т.д.)

Исходя, из вышесказанного можно разделить по источнику поступления этих загрязнений в почву:

• С атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и  с осадками выпадают в почву. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер.
• Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твёрдые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, вносят значительную лепту в пополнение почвенных загрязнений.

Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

• Мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. В эту группу входят различные по характеру загрязнения смешанного характера, включающие как твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.
• Тяжёлыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространённое автомобильное топливо - бензин - содержит очень ядовитое соединение - тетраэтилсвинец, содержащее тяжёлый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжёлых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Cd (кадмий), Cu (медь), Cr (хром), Ni (никель), Co (кобальт), Hg (ртуть), As (мышьяк), Mn (марганец).
• Пестицидами. Эти химические вещества в настоящее время широко используются в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений и поэтому могут находиться в почве в значительных количествах.
• Радиоактивными веществами. Радиоактивные соединения стоят несколько обособленно по своей опасности, прежде всего потому, что по своим химическим свойствам они практически не отличаются от аналогичных не радиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы. 
  

1.2  Загрязнение почв тяжёлыми  металлами

В последнее время, особое внимание ученые уделяют почвам, испытывающим техногенное влияние. Почвы, испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение ТМ.

Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, т.к. к ТМ часто относят элементы – неметаллы, например: As(мышьяк),, Se (селен) , а иногда даже F (фтор), Be(бериллий) и другие элементы, атомная масса которых меньше 50

Среди ТМ много микроэлементов, биологически важные 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.

В природе встречаются территории с недостаточным или избыточным содержанием в почвах ТМ. Аномальное содержание ТМ в почвах обусловлено двумя группами причин: биохимическими 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. На поверхности 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 – большая часть 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, закрепляются,  в верхних гумусовых горизонтах сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы. Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и уровня технического воздействия. Тяжелый гранулометрический состав и высокое содержание органического вещества приводят к связыванию ТМ с почвой. Рост значений pH усиливает сорбированность катионообразующих металлов (медь, цинк, никель, ртуть,  свинец и др.) и увеличивает подвижность анионообразующих (молибден, хром, ванадий и пр.). Усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов. В итоге по способности связывать большинство ТМ, почвы образуют следующий ряд: серозем>чернозем>дерново-подзолистая почва.

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.

Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Во-первых, поступая по пищевым цепям в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ вызывают снижения количества и качество урожая сельскохозяйственных растений и животноводческой продукции, рост заболеваемости населения и сокращения продолжительности жизни.

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 микробиоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более консервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, структура, pH среды. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия.

В современных условиях природная среда подвергается комбинированному техногенному действию. В связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в окружающую среду новые химические соединения с невыясненными токсикологическими характеристиками. Разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, накапливаясь в почве, обуславливают ее токсичность и загрязненность. Эти понятия следует различать.

Загрязнение – привнесение в какую-либо среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических или биотехнических агентов. Превышение, рассматриваемое естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде.

Токсичность – (toxicity) – ядовитость, способность некоторых химических веществ оказать вредное влияние на организмы, поражать их свойство химических веществ проявлять или оказывать  летальное действие на живые организмы .

Исходя из этих определений, почва может быть сильно загрязненной, но не токсичной или слаботоксичной или наоборот, слабозагрязненной, но сильно токсичной. При этом огромную роль играют тяжелые металлы.

Глава 2 Метод Биотестирование как показатель токсичности почв

2.1. Понятие Биотестирование окружающей среды

В выявлении антропогенного загрязнения среды наряду с химико-аналитическими методами находят применение приемы, основанные на оценке состояния отдельных особей, подвергающихся воздействию загрязненной среды, а также их органов, тканей и клеток. Их применение вызвано технической усложненностью и ограниченностью информации, которую могут предоставить химические методы. Кроме того, гидрохимические и химико-аналитические методы могут оказаться неэффективными из-за недостаточно высокой их чувствительности. Живые организмы способны воспринимать более низкие концентрации веществ, чем любой аналитический датчик, в связи, с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемым техническими средствами.

Биотестирование – один из приемов исследования в области токсикологии, используемых с целью установления степени токсического действия химических, физических и биологических неблагоприятных факторов среды, потенциально опасных для живых компонентов экосистемы. Биотестирование не отменяет систему аналитических и аппаратурных методов контроля природной среды, а лишь дополняет ее качественно новыми биологическими показателями, так как с экологической точки зрения сами по себе результаты определения концентрации токсинов имеют относительную ценность. Важно знать не уровни загрязнения, а вызываемые ими биологические эффекты Биотестирование дает возможность получить интегральную токсикологическую характеристику природных сред независимо от качественного и количественного состава загрязняющих веществ. Для биотестирования использовала разработанную методику А.С. Багдасаряна (2007) и Р.Р. Кабирова (1997). Почвенные образцы следует отбирать тщательно, так как все последующие результаты будут определяться тем, насколько правильно они были отобраны. В основном придерживаются требований, предъявляемых к почвенно-микробиологическим исследованиям.

Кроме выбора биотеста существенную роль играет выбор тест-реакции – того параметра организма, который измеряется при тестировании.

Суть методологии биотестирования.

Предлагаемая система биомониторинга представляет собой комплекс разных подходов для оценки состояния разных организмов, находящихся под воздействием комплекса как естественных, так и антропогенных факторов. Фундаментальным показателем их состояния является эффективность физиологических процессов, обеспечивающих нормальное развитие организма. В оптимальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов. Эти механизмы поддерживают оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий механизмы поддержания гомеостаза могут быть нарушены, что приводит к состоянию стресса. Такие нарушения могут происходить до появления изменений обычно используемых параметров жизнеспособности. Таким образом, методология биотестирования позволяет уловить присутствие стрессирующего воздействия раньше, чем многие обычно используемые методы.

Требования к методам биотестирования.

Для того чтобы быть пригодными для решения комплекса современных задач, методы биотестирования, используемые для оценки среды, должны соответствовать следующим требованиям: быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов; характеризовать наиболее общие и важные параметры жизнедеятельности биоты; быть достаточно чувствительными для выявления даже начальных обратимых экологических изменений; быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия; быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также и для исследований в природе; быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования.