Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Медь и цинк в почвах Среднеуральского промышленного района

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Медь и цинк в почвах Среднеуральского промышленного района"

Г 1 о им

1 з 1сг"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи ЛАДОНИН Дмитрий Вадимович

МЕДЬ И ЦИНК В ПОЧВАХ СРЕДНЕУРАЛЬСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО

РАЙОНА

Специальность 03.00.27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат биологических паук, старший научный сотрудник Садовникова Л. К.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Пинский Д. Л., кандидат биологических паук Горбатов В. С.

Ведущая организация — Почвенный институт им. В. В. Докучаева. с—

Защита состоится «оСус\ » ..-¿I1995 г. в 15.30 в аудитории М2 на заседании специализированного совета К 053.05.16. факультета почвоведения МГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан «_» _ 1995 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного совета. Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 119899, Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, ученый совет.

Ученый секретарь специализированного совета

Г. В. Мотузова

Актуальность проблемы

Техногенное загряшение окружающей ipe.ai » настоящее время окатывает существенное влияние на процессы функционирования жоспстем. Потоки загрязняющих ветсств различной природы включаются в естественный круговорот вешсства и »терши. Усиление внешнею вотдсйствня может привести к нарушению естественных процессов canopeiуляшш, чю, в свою очередь, может стать причиной необратимых изменений. Почва, являясь центральным звеном экосиосмы суши, принимает на себя большую часть потока загрязняющих веществ. Сложнойь ароення и мнотообраше функций, выполняемых почвой, обусловливаю! протекание ршлнчных процессов с участием поступивших в нее iai ря шяюших веществ и ее отельных компонентов. От способности почвы осуществляв такие ршнмоленствия, то есть от ее свойств, зависит дальнейшая судьба загрязняющих веществ, в том числе интенсивность их дальнейшего проникновения в лруше компоненты жоси-стемы - природные воды и живые opi аншмы.

Одним m наиболее опасных компонентов iatрязняюших веществ техногенной природы являются соединения тяжелых металлов (ТМ). Данный клнсс веществ, вследствие своих химических н фншко-химнчеекпх свойств, способен накапливаться в почве в различных формах, отличающихся как по способности к миграции в сопредельные сферы, так и по вотможноепт биоло-. ического поглощения.

Цель работы

Целью этой работы являлось изучение поведения меди и цинка, поступающих в почву с газо-пылевымн выбросами С'реднеуральскою медеплавильного завода (СУКИ), расположенного " г. Ревда Свердловской области.

Задачи исследования

]. Дать оценку масштабов атмосферного переноса загрязняющих веществ от источника и интенсивности их поступления на поверхность почвы.

2. Изучить взаимодействие поступивших в почву в процессе техногенного загрязнения меди к цинка с ее компонентами.

X Изучить изменение подвижности меди и цинка в зависимости от свойств почвы и уровня техногенного воздействия.

4. Изучить возможность дальнейшей миграции ТМ, находящихся в почвенном растворе.

5. Изучить поглощение медн и цинка растениями в зависимости от уровня техногенного за1рязнения.

Научная новизна

Исполыован новый вариант метла определения фракционного состава меди и щшка в почвах.

ПредлоАсн подход к опенке мрооранственного распределения тагрт-няюшик вещеав вокруг источника ^иряшеии* с помощью математической модели.

Практическая значимость I

Данные, полученные при аншипе фракшюнною состава ТМ в почвах, дают во)моанос1ь оцешпь влияние свойсш почвы и вклад отдельных почвенных компонент» в связывание тяжелых металлов, поступивших к почву при техно! енном затряшенпн.

Апробация работы

По основным материалам рабо1ы сделаны доклады на конференциях

молодых ученых факультета почвоведения МГУ (1491 н 1994 г г), на конференции молодыч ученых Мнснпут земледелия Украинской академии аграрных паук (1994 г), на заседаниях кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ (1992, 1993. 1994 п).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы

Диссертация состоит ш введения, восьми глав, выводов, методических рекомендации, списка использованной литературы и приложений. Основной материал изложен на 189 страницах машинописною текста н включает в себя 21 таблицу н 55 рисунков. Список литературы включает 129 работ. В приложениях помещены 2 таблицы.

Авюр благодари г за большую помощь, оказанную при выполнении данной работы, научною руководителя старшею научною сотрудника Л. К. Сшктникову, профессора Д. С. Ор.имч, а также научного сотрудника С. И. Решет/шкива.

Объекты исследования

Район исследований - Средний Урал - является регионом с высокоразвитой промышленностью различных направлений. Значительный вред окру-

•ЛИЮИЮ1 1|Ч*,.С I...Ü.4'!! ........\J4II РЧМ1» И|ч .|| lüllf.l. Ul tlH.I III tltp\hiMllltt.'l

па проитодсшг шччиыч чеиидои ni м-.ч im.i\ рул, iip.',[Ci.iíj..»s¡¡;n •„•, как правило, сульфидное o«»e ¡мнения, lleno 1ы>емме íexmummi выплавки металлом приводят к интенсивному спряжению прилег аюгиеи icppnгорни ТМ и мышлению кислых осадков. Наряду с высоким уровнем tcviioiohiioiо воздействия такие факторы, как оравшие паю высокий естественный фон многих тлемент», моли н пинка в юм числе, и ело i.'hi.iíí ре п,сф территории так'ке являюгеч причиной перераспределен]!;! ТМ в прос фансгве.

Диссертационная работа представачет собой nmpoii мал тнелетоваппи жологическоп обстановки вокруг СУМ"!, проводимых кафедрой химии ночи с 1981 гола.

В ходе работы были щучены пробы почв, отобранные щ 17 pa¡pcioa, сгруппированных в 6 катен, находящихся на ра¡личном расстоянии |ло 20 км и южном направлении) oí источника iai рч чтения. Почвы тлювпадьных и транзитных ландшафта были представлены дерново-по/иолиаымп, а аккумулятивных ландшафтов - аллювиально- терновыми почвами. Кроме того, были проатгппиров-лмл пробы ратных «л,-;,"» растении, почвенные растворы и пробы пыли, отобранные па выходе m труб металлургическою неха СУМ 1

Оцонкэ простринстпгнного рзСЛроД5ЛСН»П мели и цинка г.округ источника загрязнения

Нами было проведено оценочное исследование интенсивности поепп-лЬнпя приоритетных для данною нсючннка ¡aiряпшошнх веществ (мели и ■ пинка) на поверхность почвы с использованием полушппрпческои математической модели турбулентной лиф ¡iv шп. Модлль есноа.ша па подходе и математическом аппарате, описанных в paóoie К. Уорка п С. Уорнерд (Г)П)| ц реализована нами в виде про(раммы для ПК. Применение мотели породило оцепить масштабы загрязнения территории покруг СУМ'З и учесть влияние местных климатических условий, связанных также и с рельефом местности, на пространственное распределение тагр^чпяюшнх веществ вокруг источника.

Различия и пространственном распределении мели и цинка вьпваны неодинаковыми физическими и химическими свойствами вешеепш выбросов. Для мели .характерна большая плотность выпадения пблиш источника, чем для иштка, по по мере удаления от него интенсивность поступления обоих элементов па поверхность почвы приближается дру г к другу (рис. 1 и 2).

Общий вид изолиний толового поступления таг ряшяюшнх веществ на поверхность почвы, а именно некоторая их вытянутость в меридпана.п.ном направлении свидетельствует о том, что рельеф! района исследований окатывает влияние на пространственное распределение тат рятняюпшх веществ.

-ьом

-12000

-2О000

-2л)00 -16000 -12000 -ЕООО -4000 0 4000 6000 исоо 16000 20000 расстсянйс от источника, и

20000

Рис. I. Поступление меди нц поверхность почвы, гУм2 в год

Рис. 2. Поступление пинка на поверхноаь почвы, iIm - в год

Н часпюин, проникновение ли ря шян!щи\ веществ па большое расстояние и юлIюм о] источника направлении не булег сдерживаться возвышенными пометами рельефа, 1ак как и\ пуп. будет проходим, над Ревдин-ско-Шнпшмскон денресшей, лишониой таковых. Наибольшее количество ГМ, выпадаюшнч па северо-востоке 01 исючипка, скорее всего связано с преобладанием всфов северо-восточных направлении. Подымая ншенсии-иооь выпадения пи ря шикпши веществ в лом паиравлепни и, следовательно, сильное нч петатнпное влияние на почвенный покров и растительность подтверждаются визуальными наблюдениями (именно здесь наиболее развита "техногенная пустыня"). Распространение за! ря зияющих веществ в северо-восточном направлении на большое расстояние от источника моде! бич. следствием ныеоких скоростей ветра. Наибольшее количество меди и пинка !'. южном наирав.кпни от источника выпадает на расстоянии до 8 км о! нею, за 1 см происходи! резкое (по жсиоиенциалыюму закону) уменьшение количества выпадений. Ото хорошо согласуется с результатами химическою аиали за почв.

Фракционный состав меди и цинка а исследованных почвах

Нами был проведет! фракционный анализ меди и цинка путем последовательною извлечения их фракций из одной навески почвы. Определяли следующие фракции элементов: водорастворимую, обменную, специфически сорбированную, слабо связанную с органическим веществом, прочно связанную с органическим веществом, связанную с оксидами и тидроксидами железа и марганца. Условия извлечения из почвы фракций ТМ приведены в таблице 1. Результаты анализов приведены а таблицах 2 и 3.

В таблицах видна зависимость количества ТМ, относящихся к различным фракциям, от расстояния до источника загрязнения. Оно значительно выше в пробах сильно загрязненных почв, отобранных вблизи источника загрязнения (кагепы 1, 2 и 3). Это подтверждается результатам» проведенною нами дисперсионного анализа (табл. 4) и находится в соответствии с данными, полученными с использованием математической модели.

Наибольшее количество и меди п цинка приходится на фракции этих элементов, прочно связанные с органическим веществом. Однако можно сказать, что во взаимоотношения^ меди и цинка с орт аттическим веществом существуют как количественные, так и качественные различия. Так, почти во всех почвенных пробах количество меди, прочно связанной с органическим веществом, больше количества цинка в аналогичной фракции.

ТаГпицц I,

Условия извлечения фракций ТМ из почвы

№ Фракция ТМ Экстра! ент; концентрация Сношение почва: раствор Количество вытяжек Количество промывок полон Бремя центрифугирования при 1000 об/мин, мин

1 Водорастворимая п2о 1:10 3 20

2 Обменная Са(1^0з)2 0.05 пт 1:10 4 1 15

3 Специфически сорбированная СНзСООН 0.05 ш 1:10 4 1 15

4 Слабо связанная с орг. веществом ЕРТА 0,1 т 1:10 4 1 25

5 Прочно связанная с орг. веществом К4Р1О7 0.1 т + КаОП 0,1 т 1:10 5 3 35

6 Связанная с гидроксн-дами Ре и Мп Реактив Тамма 1:11) 3 1 20

Для цинка, в отличие от меди, характерно наличие большого количества обменных форм (до 17% от валового содержания). Так как содержание обменной фракции цинка является достаточно высоким во всех исследованных нами горизонтах, можно считать, что цинк вступает в ионообменные взаимодействия в основном с минеральными компонентами почвенного поглощающего комплекса, тогда как в случае меди содержание обменной фракции в гумусовых горизонтах значительно больше такового в нижележащих минеральных горизонтах исследованных нами почв. .

Для цинка характерно почти полное отсутствие фракции, слабо связанной с органическим веществом,- тогда как в случае меди содержание этой фракции может превышать 10% от валового содержания. Следовательно, можно предположить, что медь, в отличие от цинка, может образовывать с органическим веществом большее количество соединений различных типов.

Таблица 2.

Содержание фракций меди в исследованных почвах

Тип Го- Статис- Водорас- Обмен- Специфи- Фракция, Фракция, Фракция,

поч- ри- тические творимая ная чески слабо прочно связанная ■

вы зонт характе- фракция, фракция. сорбиро- связанная связанная с гидрок-

ристики ванная с орг. ве- с орг. ве- сидами

фракция, ществом, ществом, Ре и Мп,

мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг

Сильно загрязненные почвы (до 7 км от СУМЗ)

пд А Ср. 2,74 7,00 4,70 19,39 52,19 6,21

Ст. рткл. 3,01 8,10 4,53 10.09 22,57 2,45

л . 6 6 6 6 6 6-

пд Е Ср. 0,73 2,69 3,17 4,72 30,22 3,22

Ст. ОТ УМ. 0,83 3,84 5,93 6,72 10,30 0,62

п 6 6 6 6 6 6

пд В Ср. о.н! 1,13 1,07 2,47 29,27 2,09

Ст. откл. 0.52 0,87 0,35 0,95 8,99 0,62

л 6 6 6 6 6 6

АД А Ср. 0,84 7,22 4.09 14,82 48,54 5,78

Ст. откл. 0,58 10,86 2,03 1,17 5,69 3.56

л 3 3 3 3 3 3

АД АВ Ср. 0,56 0.51 0,76 1,30 . 31,54 1.18

Ст. откл. 0,32 0,33 0,30 0.24 2,13 0,19

л 3 3 3 3 3 3

АД В Ср. 0,63 0,66 1.08 2,31 19,98 1.18

Ст. откл. 0£7 0,11 0,19 0,74 14,33 0,20

л 3 3 3 3 3 3

Слабо загрязненные и фоновые почвы

ПД А Ср. 0,62 0,65 0,96 5,70 25,20 2,13

Ст. откл. 0,38 0,42 0,56 3,16 6,20 1,07

л 5 5 5 5 5 5

ПД Е Ср. 0,33 0,38 0,47 1,62 19,14 1,47

Ст. откл. 0,18 0,17 0,29 . 1,60 5,90 0,61

л 5 5 5 5 5 5

(1Д В Ср. 0,42 0,36 0,52 1,27 18,42 . 1,05

Ст. откл. 0,07 0,16 0,19 0,60 6,36 0,50

п 5 5 5 5 5 5

АД А Ср. 0,45 р,54 0,70 6,18 24,34 2,86

Ст. откл. 0,15 0,41 0,35 7,99 3,11 2,12

л 3 3 3 3 3 3

АД АВ Ср. 0,54 • 0,66 6,43' МЗ 17,90 0,86

Ст. откл. 0;П 9,378 0Д6 1,00 4,93 0,53

п 3 3 3 3 3 3

АД В Ср. 0,50 0,57 0,62 1.01 18,02 1.21

Ст. откл. 0,19 0,13 0.-22 0,57 7,40 0,30

л 3' 3 3 3 3 3

Примечание: Ср. - средние величины;

Ст. отел. - стандартные отклонения; п - количество проб.

Таблица 3.

Содержание фракций цинка в исследованных почвах

Тип Го- Статис- Водорас- Обмен- Специфи- Фракция. Фракция, Фракция,

поч- ри- тические творимая ная чески слабо прочно связанная

вы зонт характе- фракция. фракция. сорбиро- связанная связанная с гидрок-

ристики ванная фракция, с орг. веществом, с орг. веществом. сидами Ре и Мл,

мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг

Сильно загрязненные почвы (до 7 км от СУМ!)

пд А Ср. 2,48 13,80 0,40 0.33 32.96 • 0.46

Ст. откл. 2,53 9,74 0,35 0,32 14,34 0.23

л 6 6 А 6 6 6

Г1Д Е Ср. 1.45 5,55 0.44 0,26 20,16 0.45

Ст. откл. 0,81 2,87 0,41 0,27 12,90 0,44

л 6 6 6 6 6 6

пд В Ср. 1.46 9,24 0,36 0.23 14,53 0,55

Ст. откл. 1,03 5,93 0,37 0.30 6,46 0,44

я 6 6 6 6 6 6

АД А Ср. 1,29 13,66 0,08 0,05 36,68 0,79

Ст. откл. 0,95 11,93 0,07 0,04 3,52 0,57

л 3 3 3 3 3 3

АД АВ Ср. 1,17 7,32 0,07 0,13 20,21 ■ 0,53

Ст. откл. 0,59 1,11 0,05 0,18 12,43 0.32

п 3 3 3 3 3 3

АД В Ср. 1.28 5,25 0,14 0,11 25.68 0.39

Ст. откл. 0,46 3,92 0,13 0,09 9,48. 0,28

л 3 3 ' 3 "3 3 3

Слабо загрязненные и фоновые почвы

пд А Ср. 0,58 2.18 0,04 0,04 28,14 0,28

Ст. откл. 0,54 2,26 0,04 0,02 9,78 0,34

л 5 5 5 5 5 5

ПД Е Ср. 0,57 2.13 0,02 0.01 17.03 0,31

Ст. откл. 0,68 1,96 0.03 0,01 4,32 0,30

л б 5 5 5 5 5

пд В Ср. 0,52 2.17 0,03 0,02 17,74 0,31

Ст. откл. 0,55 2,20 0,02 0.02 4,32 0.44

" л 5 5 5 5 5 5

АД А Ср. 0.53 3.48 0,06 0,06 30,77 0,17

Ст. откл. 0,44 3.23 0,05 0,02 12,17 0,15

л 3 3 3 3 3 3

АД АВ Ср. 0,57 1,84 0,04 0.02 15,51 0.19

Ст. откл. 0,42 1,48 0.01 0.01 3.30 0,05

л 3 3 3 3 . 3 3

АД В Ср. 0.37 1,39 0.06 0,04 14.21 0,21

Ст. откл. 0,29 1,10 0.04 0.02 4.31 0.16

л 3 3 3 3 3 3

Примечание; Ср. - средние величины:

Ст. огкл. - стандартные отклонения: I л - количество проб.

Таблица 4.

Значимость различий между содержанием фракций меди и цинка в пробах почвы, сгруппированных'по определенным признакам (по результатам многофакторного дисперсионного анализа)

Элемент Оцениваемый при 1нак Воде • раствори мая фракция Об-' мешыя фракция 2 Специфически сорбированная фракция 3 Фракция, слабо связанная с opt аничес- ким веществом 4 Фракция, прочно связанная с ор!аничес- ким веществом 5 Фракция, связанная с оксидами игидрок-сидами Ге иМп 6

Си Расстояние от источника - + + + + +

Си Ландшафт

Си Гори к>нт + + + + +

Zn Расстояние от источника + + + + +

Zn Ландшафт

-Zn Гориюнт + _ + _

Ирили-'шни^- + - различия значимы при 95чо доверн гельном интервале;

--различия незицчнмы при 95° и доверительном интервале.

Данные таблицы -I дают нам информацию о дальнейшей судьбе меди и цинка, выпадающих на поверхность почвы в результате техногенного загрязнения. Отсутствие статистически значимой зависимости содержания водорастворимой меди от расстояния до источника, а также вообще,достаточно низкое ее содержание может говорить о том, что медь, поступающая на поверхность почвы с газо-пылевыми выбросами СУМЗ, достаточно быстро взаимодействует с почвенными компонентами и какое-либо значительное количество меди в почвенном растворе просто не успевает образоваться. Цинк, в отличие ог меди, не обладает столь сильной способностью закрепляться в почве, что приводит к статистически значимому увеличению содержания его водорастворимой фракции в почвах, расположенных вблизи источника загрязнения.

Распределение меди и цинка по фракциям в зависимости от уровня техногенного воздействия на почву в условиях модельного эксперимента

В связи с тем, что исследованные нами пробы почв имеют некоторые различия в свойствах, определяющих поведение в них ТМ, не представляется возможным четко разграничить процессы, проходящие с участием ионов ТМ,

как унаследованных почвой от материнской породы, так и поступивших на ее поверхность с гам-пылевыми выбросами СУМЗ. Позгому нами был заложен модельный эксперимент, который включал взаимодействие проб фоновой дерново-подзолистой пахотной почвы (горизонты Л, Е и В) с пылыо, отобранной на выходе из трубы медеплавильного цеха СУМ'}. Количество вносимой пыли СУМЗ соответствовало количеству меди и цинка, выпадающих на поверхность почвы на расстоянии от 2 до 20 км от источника загрязнения в течение 10 лет (без учета дальнейшего выноса вещества), рассчитанному с использованием упомянутой выше математической модели. После взаимодействия пыли с почвои.з течение 100 суток проводили определение фракций меди и цинка так же, как и ранее.

На рисунках 3 - 5 приведены данные по изменению содержания в почве фракций меди н цинка в зависимости от количества этих элементов, поступивших в почву. Имеются существенные различия в процессах связывания этих элементов почвой. В гумусовом горизонте медь преимущественно ассоциируется с органическим веществом, причем но мерс усиления уровня загрязнения возрастает процентное содержание слабо связанной с органическим веществом фракции. Только при поступлении меди в количестве более 50 г/м2 начинается заметное увеличение содержания специфически сорбированной фракции. В горизонтах Е и В существенные изменения в распределении меди по фракциям наблюдаются уже при уровне поступления меди 25 г/м2, что выражается в достаточно резком увеличении относительного содержания наиболее подвижных фракции (подорастворнмой, обменной и специфически сорбированной).

Для цинка в горизонте А при слабом уровне техног енного загрязнения характерно возрастание долзг специфически сорбированной фракции, затем резко увеличивается содержание обменного, и при максимальном уровне поступления техногенного цинка - 200 г/м^ - водорастворимого цинка. В горизонтах Е и В наблюдается еше более интенсивный переход цинка в легкоподвижные фракции - водорастворимую и обменную. Это еще раз подтверждает вывод о том, что на территории, подверженной воздействию газопылевых выбросов СУМЗ, потенциальная опасность загрязнения природных вод, растительности и микроорганизмов цинком выше, чем медыо. При сопоставимых уровнях поступления этих элементов на поверхность почвы цинк закрепляется значительно слабее и, вследствие этою, способен к более интенсивной миграции в геохимическом ландшафте, чем медь.

Поступление Си в почву с пылью СУМЗ, г/м*

Фракции:

I 11 [ПЬ Шз ЕПи ИЗ 5 ■(

Названия фракций: 1: водорастворимая; 2: обменная; Э: специфически сорбированная; 4: слабо связанная с органическим веществом; 5: прочно связанная с органическим веществом; 6; связанная с оксидами/гидроксидами Г в и Мп

100%

Zn, % от суммы выделенных фракций

75% -

50%

Рис. 3.

шмшш

uirnnr

Bfflffl

ааиа

о. 2 А 8 20 10 80, 200 Поступление Zn в почву с пылью СУМЗ, г/м

Фракции:

□ i ПЗг Bj EHSU Шь Ше Распределение Си и Zn по фракциям в зависимости от уровня техногенного воздействия на почву

Дерново—подзолистая почва, горизонт А

Поступление Си в почву с пылью СУМЗ, г/м*

Фракции:

I I 1 аг' Шз ЕЛ) < ЕЛ? ШШ в

Названия фракций: 1: водорастворимая; 2: обменная; 3' специфически сорбироеаимая; А: слабо связанной с оргонинеским вешвстэом, 5 прочно связанная с органическим вешвством; 6: связанной с оксидами/гидроксидами р« и Мп

)

Zn, % от суммы выделенных фракций

■ 75%

Рис. 4.

О г 4 8 20 40 80 200

Поступление Zn в почву с пылью СУМЗ, г/м

Фракции:

„ С31 СИ г Шз ЕШЗ 4 Ш5 Е23 в Распределение Си и Zn по фракциям & зависимости от уровня техногенного воздействия на почву Дерново-подзолистая почва, горизонт Е

Поступление Си в почву с пылью СУМЗ, г/м*

Фрокиии:

ш 1 Ог Шз ЕЛИ* ка5 шт6

Названия фралиил 1: водорастворимая; 2 обменная, 3. спеиифически сорбированная, 4 слабо со и з они оя с оргомичеоим веществом, 5: прочно связанная с органическим веществом, 6 связанная с оксидсми/гидроксидами и Мп

Zn, % от суммы выделенных фракций

2 4. 8 20 40 80 200

Поступление Zn в почву с пылью СУМЗ, г/м2

фракции:

сть сиг Шз шиз* ш5 ш6

Рис. 5. Распределение Си и 2п пр фракциям в зависимости от уровня техногенного воздействия на почву

Дорноыо-подэо/шстая почва, горизонт В

Ли;:.¡тируя слепень извлечения элементов мри фракционировании, можно тамсгшь, чю но мере увеличении количества внесение.й а. ¡нем,у ци.ш СУМЧ происходит интенсивное увеличение ю ¡ер :.шн.1 о. ионами фракции мели »о всех грех юримитах иепол:><■'"''I"; .а нами в молельном жспсрпмсп-[е почвы.

Для пинка, » отличие 01 мели, в трйютах Г; и В наблюгается ие и ¡ачи тельное увеличение содержания ней ¡в текаемо! о остатка липа, в вариантах с максимальным уровнем технот епною воиействня, а в тори темпе Л содержание остаточной фракции пинка остается постоянной во всех вариантах эксперимента. ')ю может бы и. свяишо с 1ем, чю в торпюше Л поверхность минеральных почвенных частиц покрыта пленками пмуса, который препятствует образованию нинком прочных святей с минеральными почвеиными компонентами. I) случае мели остаток' после фракционирования .может прсвь!ша1 т. сумму аылелеиных фракций, чю свидетельствует о сохранении почвой способности прочно удерживать достаточно бо напое количество -и01 о элемента даже после удаления ор! аническот о вещества

Специфическая сорбция модп и цинка некоторыми минеряг.ьиыми почвенными компонентами

Изучение конкурентных взаимоотношении меди и цинка ¡а реакционные центры почвенных компонентов проводили на примере специфической сорбции них элементов ит раствора, содержащею их в жвпиалетных количествах, некоторыми глинистыми минералами, а также оксидами железа и марганца. На рисунке 6 показано отношение количества поглощенной меди к количеству поглощенного цинка.

При совместном присутствии в исходном растворе меди и пипка хлорит, вермикулит, бейделлнг пр'н малых и средних исходных концентрациях поглотают оба элемента практически в равных количествах, н только при высоких концентрациях ТМ п растворе поглощение меди начинает несколько преобладать над поглощением цинка. Это можем юворгнь о юм, чю данные минералы сорбируют медь и цинк на'одном или нескольких типах сорбцион-ных центров, слабо селективных к определенному нону ТМ.

Для монтмориллонита и каолинита вид зависимости количества поглощенного цинка от поглощенной меди существенно усложняется. Можно предположить, что в процессе сорбции этих элементов при их разной концентрации в исходном растворе принимают участие сорбционные центры разной природы, одни их которых более селективны по отношению к цинку, а другие - к меди.

Оксиды желета и марганца при всех уровнях концентрации тлементов в исходном растворе преимущественно сорбируют медь.

100

10

Поглощенный цинк, ммоль/кг

0.1

0.01

J_I_I_1-4-11111

0.01

Беяделлит ■ Вермикулит

0.1 1 10 Поглощенная медь, ммоль/кг

Почвенные компоненты 1 Хлорит —^ Каолинит &

Ге20Ъ Мп02

I ! ! I ! I

100

Монтмориллонит

Рис. 6. Зависимость количества поглощенного 2п от поглощенной Си

/

>

Медь □ почвенных растворах

В целях изучения возможности мшрлши ТМ с почвенным раепюром нами был проведен модельный эксперимент по выделению растворов ит монолитов ненарушенного сложения дерпово-подю.шетых затришейной и фоновой почв. Монолиты насыщали дистиллированной подои, а также растворами серной кислоты с рН 4 и 2 и откачивали растворы с помощью вакуумного насоса. В отобранных растворах определяли активность ионов меди ион-селективным электродом, концентрацию меди атомно-абсорбиионным методом, рН, а также концентрацию водорастворимого ортаничеекчио вещества. '

Гаплица У

Факторы, влияющие на активность меди в почвенных растворах (по результатам регрессионного анализа)

Монолит рН насы- R2

№ щающею Уравнение мнолес! пегнон регрессии

раствора

Член Значение Нижним Мертнин

уравнения предел 95% предел 95"„

доиери [Сль- довершель-

ного HUI о

им гервала нигервала

1 7 рСи = 2,2 3 + <),22рН + 0,17(-1еС('и) 0,45

Со пы. 2,23 1.5* 2 ,89

pll 0.22 0.10 0,34

0.17 0.05 0.10

1 4 pCu = -5,55 + 2,2?pll -O.I4(-liCr.,)pH 0.92

Cons!. -5,55 -10,71 -0.39

pll 2.23 1,16 3.30

<-lBCru)pH -0,14 -0,27 -0,02

1 2 pCu = 5,lil + 0,2t>(-li',C<-.11)pll 0 39

Const 5,IS 4,37 5.99

<-tpCc„>pH 0,21) 0,04 0,37

2 7 pCu = 4.15 0.00

Const. 4.15 4,(1« 4,23

2 4 pCu = 3,50 + TI.XSpH - 0.7()(-lcCrn) 0.Х5

Const. 3,50 1,45 5,55

pH 0.H5 0,54 1,17

-ificr„ ' -0.70 -0,97 -0.43

2 2 pCu =0,60 + 3.INpH -0,41рЦ2- 0.99

- 3,37(-1>!Сг„) + 1,0()(-1кСГи)рН

Const. 0,60 -1.34 2,54

pll 3.IK 2,511 3,87

рЦ2 -0.41 -0,52 -0,30

-It'fCu -3.37 -5,43 -1.31

1 (-IpCc.tpH 1,00 0.54 1.47 -

В таблице 5 представлены результаты мнотофакторного ретрссспотшого анализа, показывающие влияние различных факторов на активность ионов

мели » paciBope. Видно, 'по и каждом случае набор переменных и шачеиня коэффициентов не остаются нетмсинымн. Ото моих г свидетельствовать о том, что активность ионов меди r. расiворе контролируется различными ме-хашпмамн как в зависимости oi уровня гс.хнотепното вотдействкя, так и от стенсип кислотности насыщающею раствора,

Y монолита 2 (фоновою) при насыщении сю водой акшвноезь ионов меди остается посюяпноп, чю говорит о способности данной почвы противостоять тменешио своих cboîîcib. В отличие oi лот, в почвенных растворах из монолит I Отряженною), даже при отсутствии дополнительною подмк'леппи, шачитслытое влияние на активность ионов меди оказывают как общая концентрация мели в растворе, так и уровень ею кислотности. Это влияние является прямым следствием техиогеннот о загря шения почвы.

Г1о мере усиления кислотною во)действия на почву усиливается и зависимость активности меди от рН, что видно по щмененшо ко)ффнцнешов. При этом в фоновой почве эта зависимости выражена слабее, чем в загрязненной. Снижение рН инициирует различные процессы, в том числе растворение и десорбцию, что приводит как к увеличению общей концентрации меди п растворе, так и к повышению ее активности.

Содержание меди и цинка в растениях

Нами 1акжс было определено содержание меди и цинка в пробах растительности. отобранных на участках террнюрни вокруг' СУМЗ с ратным уровнем le.xHoicinioi о воздействия. В таблице 6 приведены отношения содержания меди к содержанию цинка в листьях растений.

Таблица 6.

Отношение Cu/Zn (по данным анализа растительных проб)

Рас кнне Злгря шенные почни 1 кплгря 1ненные почпы

Картофель 11.1) 8,0

Гль К.5 1,0

Мать-и-мачеха 6.6 3,7

Берега 5,5 • 0.8

Иван-чай 4.6 1,1

По литературным данным, для болышшва видов высших растений при нормальных условиях развития (при отсутствии техногенного загрязнения) зга отношение колеблется от 0,18 до 0,2. Сопоставив эти значения с данными ¡аблнцы 6, можно принт к выводу о том, что в условиях поступления в почву большою количества затрятняющнх веществ, вызванного работой СУМЗ и повышенного естественного фона ТМ, растения в меньшей степени мот ут управлять пот лощением меди корневыми системами, чем поглощением цинка. Не смотря на го, что, циик в почвах зоны воздействия газо-пылевых

выбросов СУМ'З является более подвижным и, следовательно, потенциально более доступным для растений элементом, чем мель, поступление его в растения ограничено н, вероятно, о большей степени контролируется метаболическими процессами, чем поглощение меди.

Выводы

1. С помощью полуэмиирической математической модели покатано, что можно ожидать максимальное поступление меди и цинка на поверхность почвы с атмосферными выпадениями в северо-восточном и южном направлениях от СУМЧ на расстоянии до 7-10 км от него.

2. Медь, содержание которой в частицах крупною размера ныли СУМЗ больше содержания цинка, более интенсивно выпадает на поверхность почвы вблизи источника затрязнения; поступление цинка на поверхность почвы преобладает над поступлением меди на больших расстояниях от источника.

3. Обнаружено статистически достоверное увеличение содержания обменных, специфически сорбированных, слабо спя тайных с оритническнм веществом, прочно связанных с ор|аничсским веществом, связанных с оксидами / гидроксндами железа и марганца фракций меди и цинка, а также водорастворимой фракции цинка в почвах, находящихся на расстоянии до 7 км от источника загрязнения. В гори зонтах А дерново-подзолистых и алдювиаль-но-дерновых почв, по сравнению с нижележащими юритонтами, выявлено Повышенное содержание всех фракций меди, кроме водорастворимой, а также обменной и прочно связанной с орт аттическим веществом фракций цинка.

4. В условиях модельного эксперимента показано, что исследованная почва способна влиять на степень подвижности меди (снижая ее) значительно сильнее, чем на подвижность цинка. При одинаковом уровне поступления техногенных соединений медн и цинка в почву потенциальная опасность проникновения цинка в трунтовые воды или поглощения растениями и микроорганизмами значительно выше, чем меди.

3, Эксперименты по специфической сорбции меди и цинка при их совместном присутствии в растворе некоторыми минеральными почвенными компонентами показали, что хлорит, вермикулит и бейделлиг поглощают оба элемента практически в равных количествах. Оксиды железа и марганца при всех уровнях концентраций Си и 7.п в исходном растворе преимущественно сорбируют медь. Для монтмориллонита и каолинита зависимость количеств^ поглощенною цинка от поглощенной меди имеет сложный характер с преобладанием в разных диапазонах концентраций йот лощения либо одною, либо другого элемента.

6. В растворах, выделенных из тсхнотенно-тл ряженной почвы, активность ионов медн зависит от уровня кислотности и концентрации меди в рас-

6. В pacißopax, выделенных in lexnoiенно-затрязненнон почвы, активность ионов меди зависит от уровня кислотности и копией■ рации меди в растворе, тогда как в растворах их фоновой почвы она не имеет статистически значимой связи с этими химическими свойствами растворов.

7, Поглощение растениями меди в несколько раз превосходит поглощение цинка, особенно тш наиболее загрязненных участках территории. Вероятно, поглощение цинка растениями а большей степени контролируется метаболическими процессами, чем поглощение меди.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Лидонин Д. В. Устойчивость почв но отношению к их загрязнению тяжелыми металлами: буферные свойства почвенных растворов. В кн.: "Современные проблемы почвоведения и экологии". Тешсы докладов школы-семинара молодых ученых факультета почвоведения МГУ. М., 1993.

2. Ладонин Д. В. Активность ионов меди в растворах ит загрязненных н фоновых почв в условиях модельного эксперимента. Почвоведение, 1994, №8. (в соавторстве).

3. ЛиЛиншД. В. Формы нахождения меди и цинка в почвах в зоне влття-чшя газо-иылевых выбросов металлургического предприятия. В кн.: "Современные проблемы почвоведения и экологии". Тезисы докладов конференции молодых ученых МГУ. М., 1994. •

4. Лчдопип Д. В. О способности минеральных почвенных компонентов к специфической сорбции меди и цинка. В кн.: "Современные проблемы почвоведения и экологии". Тезисы докладов конференции молодых ученых МГУ. М.. 1994.

5. ЛиАшин Д. В. Влияние техногенного загрязнения на содержание в почве различных форм меди и цинка. В кн.: Тези доповией конференци мо-лоднх вчених та сттещал1стш "Пауков! основи ведения стльского господарства Украттш в суч1-сни\ умовах" Ч. 3. Чабани, 1994.

6. ЛшнтииД. В. Метод изучения соединений цинка в фоновых и загрязненных почвах. В кн. "Физические и химические методы исследования почв" под ред. А. Д. Воронина и Д. С. Орлова. М., нзд-во МГУ, 1994 (в соавторстве).

7. I.jJnriiri 1) V. The influence of metallurgical plant on the forms of copper and ¿inc in soils. In: Abstracts of the 3rd International Symposium on Environmental Geochemistry. Krakow, 1994, 220 (в соавторстве).

8. UiJunin D. Г. The use of a mathematical model to evaluate an extent of soil pollution by heavy metals uilhin a /one of impact of gas and dust emissions from industrial plant. In, Abstracts of the 3rd International Symposium on Environmental Geochemistry. Krakow, 1994, 218.