Последствия загрязнения почвы тяжелыми металлами



Стремительная индустриализация и интенсивная сельскохозяйственная деятельность за последние несколько десятилетий привели к накоплению различных загрязняющих веществ в окружающей среде, в особенности — тяжёлых металлов. Негативные последствия загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами представляют реальную угрозу для биосферы.

Ключевые слова: тяжёлые металлы, металлоиды, почва, загрязнение, микроорганизмы, окружающая среда.

В последние десятилетия ведущим процессом, определяющим формирование эколого-геохимического состояния территории, стал техногенез. Интенсивное промышленное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения распределения некоторых химических элементов в поверхностном слое зоны аэрации. Прежде всего это касается тяжёлых металлов, накопление высоких концентраций которых в естественной среде связано с антропогенной деятельностью. Тяжёлые металлы, как особая группа элементов, выделяются в связи с токсическим действием на живые организмы при их высоких концентрациях, значительно превышающих фоновые величины. Выбросы и сбросы техногенных объектов, с высоким содержанием тяжёлых металлов, аккумулируются в почвах, которые в значительной степени подвержены влиянию, обусловленному промышленной деятельностью человека.

Почва — это сложная и динамичная система. Она состоит из нескольких слоёв, которые различаются по своему физическому, химическому, минералогическому и биологическому характеру, на которые влияет климат и активность живых организмов. Кроме того, способствуя сохранению всех форм жизни, образующихся на земной поверхности, почва играет важную роль в защите грунтовых вод, действующих как коллекторный фильтр органических и неорганических остатков, способствуя связыванию возможных токсичных соединений [10, с. 661–670].

В последние годы, с развитием мировой экономики, как тип, так и содержание тяжёлых металлов в почве, вызванные деятельностью человека, постепенно увеличивались, что приводило к ухудшению состояния окружающей среды [6, c. 62–67; 6].

В конце XX-го века люди стали осознавать значение почвы как экологического компонента и признали необходимость поддерживать или улучшать способность почвы к выполнению присущих ей различных функций. В то же время учёные доказали, что почва не является неисчерпаемым ресурсом и если её использовать ненадлежащим образом, она может утратить свои характеристики за очень короткий промежуток времени, иногда даже без возможности регенерации [9, с. 161].

В прошлом загрязнению почвы уделялось гораздо меньше значения, чем загрязнению, например, воды и воздуха. Однако в последние годы люди стали осознавать всю серьёзность ситуации, поэтому проблеме загрязнения почвы уделяется всё больше внимания и горячо обсуждается на саммитах по охране окружающей среды во всём мире.

Загрязнение тяжёлыми металлами является чрезмерным осаждением токсичных тяжелых металлов в почве в результате деятельности человека. Загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами связано с наличием различных источников техногенных эмиссий поллютантов: промышленные объекты горно-металлургического, химического, топливно-энергетического комплекса, машиностроительные предприятия, разветвленная транспортная система и т. д. Среди тяжёлых металлов в почве часто встречаются металлы высокой биологической токсичности, такие как ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), хром (Cr), мышьяк (As) и т. д. Также почву загрязняют такие металлы как цинк (Zn), медь (Cu), никель (Ni), олово (Sn), адид (V) и прочие.

В 2006–2015 гг. Росгидрометом проводились наблюдения за уровнем загрязнения почв токсикантами промышленного происхождения — тяжёлыми металлами, фтором, нефтью и нефтепродуктами, сульфатами, нитратами, бенз(а)пиреном. Основным источником загрязнения пахотных почв тяжёлыми металлами до (50 %) являются фосфорные удобрения. Наиболее опасны по степени загрязнения почв тяжёлыми металлами почвы многогумусовые, глинисто-суглинистые с щелочной реакцией среды: темно-серые лесные, черноземы и темно-каштановые — почвы, обладающие высокой аккумулятивной способностью [13, с. 118]. Геохимическая обстановка, присущая дерново-подзолистым почвам, не способствует аккумуляции тяжёлых металлов, однако в этих областях техногенная нагрузка настолько велика, что почвы не успевают «самоочищаться». Локальное загрязнение почв тяжелыми металлами связано, прежде всего, с крупными городами и промышленными центрами.

Опасность поступления в окружающую среду тяжёлых металлов определяется тем, что в отличие от органических загрязнителей, они не разрушаются, а переходят из одной формы в другую, в частности, включаются в состав солей, оксидов, металлоорганических соединений.

Интересно, что тяжёлым металлам присуще антагонистическое и синергетическое поведение. Иными словами, наличие одного тяжёлого металла в почве может повлиять на наличие другого. Например, ингибирующее действие Mn на общее количество минерализованного C антагонизировалось Cd. Медь и цинк, а также никель и кадмий конкурируют за те же мембранные носители в растениях. Напротив, сообщалось, что медь увеличивает токсичность цинка в яровом ячмене. Это означает, что взаимосвязь между тяжёлыми металлами довольно сложна. Различные виды одного и того же металла могут также взаимодействовать друг с другом. Наличие арсенита сильно подавляет поглощение арсената рисовыми растениями, растущими на загрязнённой почве [8, с. 123].

Тяжёлые металлы оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека по трём путям воздействия: ингаляционное, оральное и через кожу. Многие тяжёлые металлы и металлоиды настолько токсичны, что могут вызывать нежелательные последствия и серьёзные проблемы даже при очень низких концентрациях [2, c. 32]. Тяжелые металлы вызывают процесс повреждения клетки в результате окисления, так называемый окислительный стресс [8]. Что касается их токсичности, наиболее опасными тяжёлыми металлами являются As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Sn и Zn [7]. Токсичные тяжёлые металлы могут вызывать различные проблемы со здоровьем в зависимости от вида металла и его концентрации. Например, потребление неорганического мышьяка в течение длительного периода может привести к хроническому отравлению мышьяком — арсеникозу, — в результате чего повреждаются желудочно-кишечный тракт, кожа, сердце, печень. Отравление мышьяком может вызвать развитие диабета, болезни костного мозга и крови, сердечно-сосудистые, онкологические заболевания. А вот органические соединения мышьяка менее вредны для здоровья и достаточно быстро выводятся из организма.

Функционирование урбоэкосистем производит дополнительное поступление в биогеохимических циклах целого ряда опасных токсикантов, среди которых особое место занимает кадмий — элемент первого класса токсичности, который способен оказывать тератогенные, мутагенные и канцерогенные действия на организм человека. Следует отметить, что благодаря своим буферным свойствам, даже антропогенно преобразованные почвы, среди которых ведущее место занимают урбаноземы, способны депонировать кадмий в течение длительного времени, частично исключая его избыток из кругооборота.

Интоксикация солями кадмия вызывает повреждение печени и почек, приводит к снижению плотности костной ткани, к нестерпимым болям в суставах и позвоночнике. Эти симптомы известны как болезнь итай-итай («ой как больно»). При ингаляционном воздействии кадмий чрезвычайно канцерогенен.

Отравление свинцом наносит неврологический ущерб, приводит к снижению уровня IQ, внимания, к нарушению координации рук, вызывает энцефалопатию, ухудшает состояние костей, гипертонию, болезнь почек.

Воздействие метилртути, наиболее вредной формы ртути, влияет на развитие мозга, что приводит к снижению уровня IQ. Ртуть приводит к повреждению центральной нервной и желудочной систем, влияет на координацию, зрение и чувство осязания, повреждает почки, сердце, печень. Интоксикация вызывает тревогу, беспокойство, депрессивное состояние, раздражительность, тремор [4].

Отравление медью вызывает повреждение головного мозга и почек; цирроз печени, хроническую анемию, желудочное и кишечное раздражение. Никель вызывает аллергический дерматит, при ингаляционном воздействии возникает угроза рака лёгких, носа, горла, желудка. Оказывает токсическое воздействие на иммунную, репродуктивную системы, кровь, имеет нейротоксическое и генотоксическое действие, повреждает печень, вызывает потерю волос. Избыток цинка приводит к головокружению и усталости.

Некоторые тяжёлые металлы, такие как As, Cd, Hg, Pb не оказывают существенное влияние на рост растений, поскольку им не присуща какая-либо известная физиологическая функция в жизненном цикле растений, но такие металлы как Cu, Fe, Mn, Mo, Ni и Zn являются важными элементами, необходимыми для нормального роста и метаболизма растений. Но избыток этих веществ может привести к существенному отравлению растения.

Поглощение тяжёлых металлов растениями и последующее накопление вдоль пищевой цепи представляет собой потенциальную угрозу для здоровья животных и человека. Поглощение корнями растений является одним из основных путей поступления тяжёлых металлов в пищевую цепь. Поглощение и накопление тяжёлых металлов в растительной ткани зависит от многих факторов: температуры, влажности, органического вещества, PH, питательных веществ и т. д. [5].

Загрязнение грунта сопряжено также с ухудшением качества воды, потому что тяжёлые металлы могут попадать в питьевую воду и становиться источником заболеваний для человека и животных.

Накопление тяжёлых металлов в растениях происходит также в зависимости от вида растений. Повышенный уровень свинца в почве может снизить её продуктивность, а очень низкая концентрация может ингибировать некоторые жизненно важные процессы, такие как фотосинтез, митоз и водопоглощение [3]. Тяжёлые металлы потенциально токсичны для растений, их концентрация приводит к хлорозу, слабому росту растений, снижению урожайности и может даже сопровождаться снижением поглощения питательных веществ, нарушением в метаболизме растений и снижением способности фиксировать молекулярный азот в бобовых растениях.

Повышение общего содержания тяжёлых металлов в почве сопряжено с увеличением относительного содержания более подвижных соединений металлов, что свидетельствует о снижении способности почвы защищать сопредельные среды от загрязнения.

Загрязнение металлами влияет на фауну и микрофауну почвы. При повреждении лесного покрова в лесной подстилке падает численность насекомых (клещей, бескрылых насекомых), при этом количество пауков и многоножек может оставаться стабильным. Страдают и почвенные беспозвоночные, часто наблюдается гибель дождевых червей. Дикие виды древесных растений на загрязнённых территориях формируют листовую пластинку меньшей площади, большей толщины, с меньшим содержанием хлорофиллов, кратно снижается в них активность клеточных ферментов.

Как уже было отмечено, в загрязнённых металлами почвах существенно меняются важнейшие микробиологические и химические свойства. Ухудшается состояние микробоценоза. Концентрации тяжёлых металлов оказывают влияние на биологическую активность почвенных микроорганизмов. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами оказывает давление на чувствительные микроорганизмы, изменяя разнообразие почвенной микрофлоры, которая представляет собой трофические группы микроорганизмов. Самую высокую чувствительность к загрязнению тяжёлыми металлами проявляют олиготрофные бактерии, что указывает на то, что ограничение бактериального сообщества более выражено в почвах, состояние которых неудовлетворительное по органическому веществу и содержанию питательных веществ.

Почвенные микроорганизмы, как свободноживущие, так и симбиотические почвенные микробы в ризосфере растений, растущих на загрязнённых тяжёлыми металлами почвах, могут увеличить производство биомассы растений и усилить процесс фиторемедиации. Однако тяжёлые металлы влияют на рост, морфологию и метаболизм почвенных микроорганизмов через функциональные нарушения, денатурацию белка или разрушение целостности клеточных мембран. Почвенные микроорганизмы необходимы для разложения органического вещества почвы; любое уменьшение микробного разнообразия или обилия может отрицательно повлиять на способность растений поглощать питательные вещества из почвы. Повышенные уровни тяжёлых металлов в почвах оказывают значительное влияние на численность популяции и общую активность почвенных микробных сообществ. Несколько исследований, в зависимости от используемых методов изоляции, показали, что загрязнение тяжелыми металлами привело к сдвигам в микробных популяциях.

Также была замечена корреляция между повышенными уровнями никеля и хрома в почве и амплитудой землетрясений. Землетрясения связаны с конкретными геологическими особенностями и границами плиток.

Высокий уровень техногенной нагрузки на геологическую среду обусловил комплексные изменения геохимических условий. Эти изменения привели к устойчивому ухудшению природной обстановки и получили трансграничный характер. Техногенез вызвал значительные изменения элементного состава компонентов биосферы. Наиболее ярко это проявляется в загрязнении почвы тяжёлыми металлами, которые являются наиболее опасными токсикантами с экоцидными свойствами.

Загрязнение тяжёлыми металлами может повлиять на всю окружающую среду, но серьёзная экологическая проблема и самые длительные последствия человеческой деятельности — загрязнение почв. Накопление тяжёлых металлов в почве происходит в результате добычи, плавки металлических руд, промышленных выбросов и применения пестицидов, гербицидов и удобрений. Металлы, такие как Cd, Cu, Pb, Zn и металлоиды (например, As), считаются загрязнителями окружающей среды ввиду их стойкости, биоаккумулятивности и способности оказывать серьёзное негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Литература:

1. A New Strategy for Heavy Metal Polluted Environments: A Review of Microbial Biosorbents / Ayansina Segun Ayangbenro, Olubukola Oluranti Babalola // Int J Environ Res Public Health. 2017 Jan; 14(1): 94.
2. Asfa Rizvi and Mohammad Saghir Khan. “Cellular Damage, Plant Growth Promoting Activity and Chromium Reducing Ability of Metal Tolerant Pseudomonas aeruginosa CPSB1 Recovered from Metal Polluted Chilli (Capsicum annuum) Rhizosphere”. cta Scientific Agriculture 1.2 (2017): 36–46.
3. Dixit R., Malaviya D., Pandiyan K., Singh U. B., Sahu A., Shukla R., Singh B. P., Rai J. P., Sharma P. K., Lade H. Bioremediation of heavy metals from soil and aquatic environment: An overview of principles and criteria of fundamental processes. Sustainability. 2015;7:2189–2212. doi: 10.3390/su7022189.
4. Finally, a global agreement on mercury Elaine Baker, Kristina Thygesen & Charles Roche. — September 26, 2017. Available at: https://news.grida.no/finally-a-global-agreement-on-mercury
5. Gaur N., Flora G., Yadav M., Tiwari A. A review with recent advancements on bioremediation-based abolition of heavy metals. Environ. Sci. Process. Impacts. 2014;16:180–193. doi: 10.1039/C3EM00491K.
6. Grain size fraction of heavy metals in soil and their relationship with land use / M. H. Sayadi1, A. Rezaei, M. R. G. Sayyed // Proceedings of the International Academy of Ecology and Environmental Sciences, 2017, 7(1): 1–11. Available at: http://www.iaees.org/publications/journals/piaees/articles/2017–7(1)/grain-size-fraction-of-heavy-metals-in-soil.pdf
7. Heavy Metal Toxicity & Contamination: What You Need To Know. — Jun 28, 2017. Available at: https://www.hydroviv.com/blogs/water-smarts/heavy-metal-toxicity
8. M. J. Abedin, J. Feldmann, and A. A. Meharg, “Uptake kinetics of arsenic species in rice plants,” Plant Physiology, vol. 128, no. 3, pp. 1120–1128, 2002.
9. Nortcliff S. Standardisation of soil quality attributes. Agriculture, Ecosystems and Environment 2002.
10. Sousa A, Pereira R, Antunes SC, Cachada A, Pereira E, Duarte AC, Gonçalves F. Validation of avoidance assays for the screening assessment of soils under different anthropogenic disturbances. Ecotoxicology and Environmental Safety 2008. 661–670.
11. US EPA 2017. How does mercury threaten our health? Available at: https://www.epa.gov/international-cooperation/mercury-emissions-global-context#health
12. Zojaji F, Hassani AH, Sayadi MH. 2014. Bioaccumulation of chromium by Zea mays in wastewater-irrigated soil: An experimental study. Proceedings of the International Academy of Ecology and Environmental Sciences, 4.
13. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году». — М.: Минприроды России; НИА-Природа. — 2016. — 639 с.