Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние экосистем в условиях антропогенного загрязнения. защита окружающей среды (состояние вопроса) 10
1.1. Экологические последствия хозяйственной деятельности человека . 10
1.2. Экомониторинговые исследования техногенных загрязнителей 13
1.3. Повышение безопасности природопользования 18
Выводы 22
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований 23
ГЛАВА 3. Изучение влияния техногенеза на биосистемы и природную среду РСО-А 31
3.1. Мутагенная активность, тканевое распределение ионов кадмия, цинка и их цианидных комплексов 31
3.2. Изучение кластогенных свойств соединений Fe(II) и Fe(III) с цианид- и роданид-ионами 39
3.3. Реакции антиоксидантной системы защиты на комплексное поступление ионов Cd(II) и Zn(II) в организм крыс линии Wistar 44
3.4. Математическое моделирование генотоксических эффектов ионов цинка и кадмия 52
3.5. Изучение распределения тяжелых металлов в педосфере 61
3.6. Экоаналитические исследования поверхностных вод на содержание техногенных загрязнителей 76
3.7. Повышение эффективности экомониторинга соединений мышьяка в промвыбросах предприятий цветной металлургии 80
3.7.1. Разработка методики экстракционно-полярографического определения As в атмосферном воздухе и пылегазовых выбросах 80
3.7.2. Анализ мышьяка в сточных водах 87
Выводы 94
ГЛАВА 4. Разработка инженерных методов защиты биоресурсов 95
4.1. Изучение сорбционной очистки промстоков от ионов тяжелых металлов 96
4.2. Изучение сорбции продуктов химических трансформаций ионов тяжелых металлов 102
Выводы 109
Заключение 110
Общие выводы 114
Список литературы 116
Приложения 129
- Экомониторинговые исследования техногенных загрязнителей
- Изучение кластогенных свойств соединений Fe(II) и Fe(III) с цианид- и роданид-ионами
- Экоаналитические исследования поверхностных вод на содержание техногенных загрязнителей
- Изучение сорбции продуктов химических трансформаций ионов тяжелых металлов
Введение к работе
Актуальность исследования. В условиях сложившейся неблагоприятной экологической ситуации проблема сохранения ресурсов биосферы стоит остро. Техногенные загрязнители в окружающей среде претерпевают химические превращения, в результате чего возникают новые соединения, токсичность которых может многократно превышать токсичность исходных веществ. Это требует проведения исследований, направленных на изучение биологической активности поллютантов и продуктов их трансформаций. Не менее важной является проблема комплексных экомониторинговых исследований, посвященных выявлению экотоксикантов в почвенном покрове, водных экосистемах, атмосферном воздухе. Для этого необходимы привлечение современных физико-химических методов анализа и разработка новой методической базы. Основу повышения безопасности природопользования составляют инженерные методы экологии, одним из ведущих компонентов которых является разработка технологий защиты водных систем.
Актуальность настоящей работы определяется сложной экологической обстановкой в Республике Северная Осетия, промышленный потенциал которой связан с добычей и переработкой руд цветных металлов, необходимостью научного обоснования практических рекомендаций и решений, направленных на уменьшение экологического риска для биосистем.
Цель работы заключается в экомониторинговых исследованиях техногенных загрязнителей, продуктов их химических трансформаций и защите окружающей среды.
Идея работы состоит в разработке научных основ оценки и прогнозирования биотоксичности химических загрязнителей, повышении эффективности экомониторинга, защите биоресурсов на базе экологически безопасной технологии очистки промстоков.
Задачи исследования:
1.Изучение экотоксикологических свойств загрязнителей окружающей среды и продуктов их химических трансформаций.
2.Построение эколого-математической модели, описывающей реакции организмов млекопитающих на ионы токсичных металлов.
3.Проведение импактных экомониторинговых исследований распределения тяжелых металлов в окружающей среде РСО-А.
4.Снижение негативного техногенного воздействия на водные экосистемы.
На защиту выносятся:
-результаты исследования биологической активности и тканевого распределения техногенных загрязнителей;
-построенная на основе данных цитогенетического анализа эколого-математическая модель, описывающая мутагенные эффекты ионов тяжелых металлов;
-данные локальных экомониторинговых исследований распределения тяжелых металлов в почве и водных системах РСО-Алания;
-созданная на базе экспериментальных исследований технология локальной очистки промстоков от ионов токсичных металлов и продуктов их реакций.
Методы исследования включают цитогенетический и биохимический анализ, микроскопию, математическое моделирование, дифференциальную импульсную полярографию (ДИП), спектрофотометрию (СФ), масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), потенциометрию.
Объектами исследования являются беспородные белые крысы и крысы линии Wistar (109 животных), образцы почвы, водных объектов и воздушные пробы, отобранные в экологически неблагоприятных районах РСО-А.
Научная новизна:
-выявлены закономерности распределения и биоконцентрирования ионов
7 Cd(II), Zn(II) и их цианидных комплексов в органах млекопитающих; мутагенный эффект Cd2+, Zn2+ и координационных соединений, отвечающих системам: Fe3+-CN~; Fe2+-CN~; Fe3+-SCN~; Fe2+-SCN~; Cd2+-CN~; Zn2+- CN~ их влияние на процесс эритропоэза; реакции ферментов антиоксидантной системы защиты: каталазы и церулоплазмина на совместное поступление ионов кадмия (II) и цинка
(И);
-построена математическая модель, описывающая генотоксическое действие ионов тяжелых металлов;
-разработаны оригинальные высокочувствительные методики избирательного вольтамперометрического определения микропримесей мышьяка в пылегазовых выбросах промышленных предприятий и атмосферном воздухе; сурьмы, свинца и меди в почве; ионов свинца, меди, кадмия, цинка, мышьяка в поверхностных водах и промстоках;
-показана эффективность использования полиакрилонитрильных сорбентов для глубокой очистки промстоков и рудничных вод от ионов Hg2+, Zn2+, Cd2+, Pb , Cu , Ni , Co и координационных соединений в системах: Си - Ру; Ni -Ру; Ni2+-Tm; Ni2+-SCN~; Ni2+-CN~; Co2+-Tm; Co2+-SCN"; Co2+-CN~; Cd2+-CN~ где Ру - пиридин, Tm - тиомочевина.
Научное значение работы состоит в изучении широкого спектра биологической активности техногенных загрязнителей и продуктов их химических трансформаций, разработке теоретических основ и методической базы контроля экотоксикантов в окружающей среде, построении эколого-математической модели, описывающей воздействие тяжелых металлов на организм, теоретическом и экспериментальном обосновании методов глубокой сорбционной очистки промстоков от ионов тяжелых металлов и их координационных соединений с помощью хемосорбентов.
8 Практическая значимость:
1.Выявленные в ходе экотоксикологических исследований зависимости найдут применение для прогнозирования негативного действия на организм млекопитающих тяжелых металлов и продуктов их химических трансформаций в окружающей среде.
2.Внедрение в природоохранную практику Отдела охраны окружающей среды (ОООС) завода «Электроцинк» (г. Владикавказ) разработанной методики контроля мышьяка в атмосферном воздухе способствует снижению загрязнения и улучшению условий труда рабочих.
3.Полученные в результате экомониторинговых исследований данные о локальных распределениях тяжелых металлов в почве и водных системах РСО-А, а также разработанные методики контроля экотоксикантов могут быть использованы при разработке стратегии реабилитации нарушенных экосистем республики.
4.Внедрение разработанной технологии локальной сорбционной очистки рудничных и сточных вод позволит снизить концентрацию экотоксикантов в промстоках до уровня ПДК и сохранить качество биоресурсов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокой сходимостью экспериментальных данных, полученных различными (независимыми) методами анализа; результатами лабораторных исследований и испытаний, обработанными с применением методов математической статистики и теории ошибок.
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на IV Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» (г. Владикавказ, 2003 г.); Пленуме «Современные проблемы медицины окружающей среды» (г. Москва, 2004 г.); II и VII Всероссийских научно-практических конференциях «Химическое загрязнение среды обитания и проблемы реабилитации нарушенных экосистем», «Новые химические технологии:
9 производство и применение» и «Окружающая среда и здоровье» (г. Пенза 2004, 2005 гг.).
Внедрение результатов исследования. В ОООС завода «Электроцинк» внедрена методика контроля мышьяка в атмосфере и промышленном воздухе. Полученные в работе результаты исследований внедрены в учебный процесс Северо-Осетинского госуниверситета им. К.Л. Хетагурова.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, отражающих основные результаты.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 149 источников, в том числе 14 на иностранных языках, и приложения. Основное содержание изложено на 128 страницах машинописного текста, иллюстрированного 23 таблицами и 31 рисунком.
Экомониторинговые исследования техногенных загрязнителей
Существование и устойчивое развитие общества предполагает не только процесс воспроизводства материальных благ, но и увеличение их разнообразия, улучшение их качественного состояния. Это является движущей силой расширения спектра использования природных, материальных и энергетических ресурсов. При этом последние преобразуются путем применения различных технологий в конечный продукт потребления. На стадии производства образуется множество побочных веществ, которые зачастую представляют угрозу сохранению качества, жизнеспособности и воспроизводству биосистем [1].
Процесс обмена материей и энергией человеческого общества с природной средой имеет постоянную тенденцию к росту. В ходе такого обмена общество оказывает большей частью негативное воздействие на окружающую среду, так как все используемые вещества и виды энергии являются взаимосвязанными компонентами, взаимодействуют друг с другом и формируют целостную природную среду [2]. Извлечение любого из них не только затрагивает всю систему, но и вызывает в ней возмущения различной значимости, последствия которых могут проявляться сразу или в отдаленном будущем. Для оценки локального, регионального и глобального уровней таких последствий необходимы комплексные исследования с привлечением различных наук, интегрируемых экологической составляющей [3; 4]. Одно из ведущих мест в изучении последствий антропогенного преобразования окружающей среды принадлежит биологическим наукам, позволяющим устанавливать закономерности развития биологических ресурсов, их взаимодействие с абиогенными факторами [5; 6].
Наиболее существенными преобразованиями природной среды, вызванными хозяйственной деятельностью человека, являются изменение состава объектов окружающей среды, происходящего в процессах добычи и переработки полезных ископаемых, появление новых, неизвестных химических соединений, загрязняющих продукты питания, среду обитания и живые организмы, ее населяющие. Последнее обстоятельство приводит к изменению связей в природных системах между структурами и компонентами, их образующими, включая видовое разнообразие флоры и фауны [7].
Уже в 1927 году В.И. Вернадский приходит к важному выводу о том, что антропогенные процессы преобразования окружающей среды становятся более мощными, чем все природные, вместе взятые [8]. В дальнейшем он обосновывает учение о биосфере. Впервые о химической составляющей биосферы антропогенного генезиса писал А.Е. Ферсман, назвав ее техносферой, под которой он понимал совокупность геохимических и минералогических процессов, вызываемых инженерной, горно-технической, химической, сельскохозяйственной деятельностью человека [9]. Данное обстоятельство со всей необходимостью ставит проблему детального изучения всех изменений, проходящих в природной среде под влиянием человеческого вмешательства [10].
В результате антропогенного воздействия на верхнюю часть литосферы происходят нарушение ее целостности, фильтрация техногенных растворов, химическое взаимодействие их с литогенной основой и преобразование минерального состава [11], что отражается на свойствах биосферы (рис. 1.1).
Как видно, неотъемлемыми признаками структурных блоков являются взаимосвязь и взаимопроникновение. Это приводит к тому, что судьба химических элементов определяется не геохимическими свойствами исходных минералов-носителей, а формами их поступления от вторичных источников загрязнений: промышленных и бытовых свалок, хвостохранилищ и т.д. Отсюда техногенные вещества разносятся ветром, трансформируются поверхностными и подземными водами, распределяются в педосфере, вовлекаются в природный массообмен на элементном уровне растительностью и животными. При таком состоянии распределение и эколого-токсикологические свойства химических элементов, например, тяжелых металлов, будут зависеть от характера взаимодействия природных, антропогенных факторов и эмерджентных свойств географической среды [12; 13].
Усугубление экологических проблем связано, прежде всего, с нарушением процессов самоочищения и саморегуляции природы, значительным сокращением всех видов ресурсов, их принципиальной ограниченностью, несовершенством большинства используемых, так называемых грязных технологий в промышленности, что объясняется низким уровнем научно-технического прогресса. Это побуждает проводить многоплановые исследования, включающие разработку и развитие методов биологического и химического мониторинга, моделировать процессы химических трансформаций экотоксикантов в окружающей среде, изучать их экотоксикологические свойства и создавать экологически безопасные технологии очистки промсбросов [14].
В основе экомониторинга лежит система регулярных наблюдений за состоянием окружающей природной среды с целью предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных и опасных для здоровья людей и других живых организмов. При этом различают химический, биологический, физический и другие виды экомониторинга.
В основе изучения процессов химического загрязнения окружающей среды лежат физико-химические методы анализа. Наиболее общими и важными техническими и экономическими критериями являются чувствительность, точность единичного анализа пробы и время, затрачиваемое на анализ [15].
Для оценки правильности результатов необходимо сопоставление различных аналитических методов с учетом их точностных характеристик, интервалов и нижних границ определяемых компонентов, а также селективности [16]. Особенное внимание следует уделять интенсивности аналитического сигнала по сравнению с фоновой составляющей. Первая должна быть как минимум в два раза выше второй [17].
Современные технические средства позволяют определять практически все техногенные загрязнители. С помощью методов эмиссионной спектрофотометрии и масспектрометрии можно определять неорганические вещества [18; 19], а с помощью хроматографических - органические [20]. Основным ограничивающим фактором для широкого внедрения их в аналитическую практику является высокая стоимость. Поэтому в химических лабораториях природоохранных органов повсеместно распространены более доступные физико-химические методы анализа: фотометрические (в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра), потенциометрические, кондуктометрические, полярографические и другие [21-24].
К числу физико-химических методов анализа, имеющих наибольшие перспективы для экомониторинга объектов окружающей среды, относится вольтамперометрия. С ее помощью можно проводить анализ простых элементов, органических веществ, комплексных соединений. Вольтамперометрия в полной мере отвечает всем основным критериям, предъявляемым в экоаналитике: имеет высокую чувствительность, избирательность, экспрессность, возможность одновременного определения нескольких ионных компонентов. Ее выгодно отличает простота пробоподготовки, высокая воспроизводимость результатов измерений, низкая стоимость и легкость эксплуатации измерительного оборудования, широкие возможности компьютеризации приборов и автоматизации анализа.
Изучение кластогенных свойств соединений Fe(II) и Fe(III) с цианид- и роданид-ионами
Равновесные процессы характеризуются ступенчатой диссоциацией координационных соединений в растворе, в результате чего происходит отщепление лигандов. Кислая среда желудка способствует сдвигу равновесия вправо, то есть в сторону образования простых форм. Ввиду того что цианид-ионы обладают большей токсичностью, железо-роданистые комплексы дают меньший выход поврежденных эритроцитов.
Если сравнивать эффекты Fe(II)-L и Fe(III)-L, то можно видеть, что низшая степень окисления характеризуется большим кластогенным эффектом. Так как речь идет о центральном ионе в разной степени окисления, плотно экранированном в составе октаэдрического комплекса, контакт с окислителем или восстановителем возможен, по Б.Н. Некрасову, за счет обратимого отрыва одного из координированных заместителей с образованием «дырки» [75]. Последующее взаимодействие с окислителями и восстановителями может в отдельных случаях проходить через стадию образования промежуточных продуктов присоединения, а также через образование свободных радикалов. Соединения железа (III) характеризуются большей устойчивостью, следовательно, образование реакционно-способных частиц для них менее вероятно.
Как показывает общий анализ эритроцитов (табл. 3.3), тестируемые соединения не вызывают особых изменений в активности костного мозга, восстанавливающего популяцию эритроцитов. Число полихроматофильных клеток (ретикулоцитов) вполне соответствует норме [76]. Данный факт может быть объяснен низкой биодоступностью железа, связанного в координационные соединения.
Таким образом, установлено, что комплексные формы железа (II) и (III) с цианид- и роданид-ионами обладают слабовыраженной биологической активностью. Однако хроническое поступление их в организм нежелательно, так как значительно возрастает вероятность индуцированного мутагенеза.
В результате процессов метаболизма образуется множество реакционноспособных веществ. К числу наиболее опасных относятся активные формы кислорода (АФК) и перекись водорода. Образование АФК связано с переносом электронов в митохондриальной дыхательной цепи, реакциями микросомального окисления при обезвреживании веществ с участием цитохромов Р-450, самопроизвольным окислением гемоглобина, ферредоксинов, адреналина, катехоламинов, тиолов и др. [77; 78].
В балансе тканевого дыхания 93-95% процессов заканчиваются образованием воды, остальные - перекиси водорода. Другим источником эндогенной Н2Ог является ферментативное окисление АФК [79].
Действие АФК и гидроксильных радикалов, образуемых при расщеплении Н2О2, направлено, в первую очередь, на инициирование перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), формирующих структуру клетки и, в частности, мембран [80-82]. Возникающие перекиси липидов лучше растворяются в воде, чем ПНЖК, из которых они образуются, и поэтому легче вымываются из мембран [83; 84]. Действием свободных радикалов объясняются также многие мутационные изменения, которые лежат в основе канцерогенеза.
Антирадикальная защита клеток складывается из двух составляющих: ферментативной системы (супероксиддисмутаза, каталаза, пероксидазы, глютатионредуктаза, церулоплазмин и др.) и природных биоантиокидантов (токоферолы, каротины, аскорбиновая кислота, глютатион и др.) [85-87]. Нарушение одного из указанных звеньев ведет к тяжелым патологиям, связанным с инактивацией или трансформацией ферментов, подавлением деления клеток, накоплением в них инертных продуктов полимеризации, что ведет в конечном счете к развитию синдрома пероксидации или оксидативного стресса [88-90]. Данное состояние особенно характерно для организмов, находящихся в условиях неблагоприятной экологической обстановки, так как ксенобиотики, например, ионы тяжелых металлов переменной валентности, инициируют многие процессы свободнорадикального окисления [91; 92]. Таким образом, изменение активности антиоксидантных ферментов в крови является важным показателем неспецифической резистентности организма и может использоваться в прогностических и диагностических исследованиях [93; 94].
Целью данной работы служило выявление степени инактивации каталазы (КТ) и церулоплазмина (ЦП) под действием ионов кадмия и цинка, а также изменений функциональных свойств крови на примере гемоглобина.
Эксперимент проводился на крысах линии Wistar. Тридцать животных были разделены на пять равных групп. Затравки растворов тяжелых металлов вводились внутрижелудочно: первой группе - по 8 мг/кг Zn(II) + 4 мг/кг Cd(II); второй - 8 мг/кг Zn(II) + 12 мг/кг Cd(II); третьей - 16 мг/кг Zn(II) + 4 мг/кг Cd(II); четвертой - 16 мг/кг Zn(II) + 12 мг/кг Cd(II); пятой - дистиллированная вода. Через 30 часов производился забой крыс.
Каталаза является гемопротеидом и катализирует реакцию разложения перекиси водорода: 2Н2О2 — 2Н2О + ( [95]. В клетках фермент локализован в пероксисомах. Физиологическая роль заключается в разрушении пероксида водорода, поступающего из цитозоля, митохондрий, микросом. Способствует предотвращению окисления гемоглобина в оксигемоглобин [96]. При определенных условиях участвует в окислении метаболитов и ксенобиотиков. В таблице 3.4. приведены результаты проведенных анализов.
Экоаналитические исследования поверхностных вод на содержание техногенных загрязнителей
Из представленных данных видно, что поступление тяжелых металлов в организм вызывает быстрые и глубокие патологические изменения. Низкие дозы ионов кадмия и цинка (группы I и II) приводят к инактивации ферментной активности церулоплазмина. Это может объясняться образованием прочных комплексов белкового компонента с поллютантами. Повышение активности в группах III и IV может быть объяснено адаптивным ответом организма, находящимся в кризисных условиях. Известно, что ЦП относится к белкам острой фазы и его концентрация резко возрастает в период максимальной выраженности анемии различного генезиса, что подтверждается данными рис. 3.10, иллюстрирующими снижение уровня гемоглобина в крови. Возрастание концентрации ЦП фиксируется также при деструктивных и некротических процессах в тканях, которые могут иметь место при введении высоких концентраций солей тяжелых металлов.
Таким образом, показано, что поступление экотоксикантов в организм приводит к множественным нарушениям. Полученные данные изменения ферментативной активности можно экстраполировать на другие белковые молекулы, составляющие основу живых организмов. Прежде чем выключиться из метаболического цикла (образование металлотионеиновых комплексов), ионы тяжелых металлов вступают в различные реакции, нарушают каталитические процессы, регулируемые ферментами, приводят к изменению проницаемости мембран. Это может приводить к проникновению в клетку повреждающих факторов абиотической и биотической природы, падению резистентности организма, индуцированию мутагенеза и канцерогенеза. Речь идет о возможной деградации биологических и генетических ресурсов, составляющих их основу.
Математическое моделирование генотоксических эффектов ионов цинка и кадмия Поступление загрязняющих веществ в окружающую среду и накопление их до опасных уровней может быть выявлено в ходе экоаналитического мониторинга. Для этого необходимы быстрые, эффективные и экономичные методы.
Выявление тренда требует проведения большого числа дорогостоящих анализов, поэтому в обнаружении и оценке риска важную роль играют математические методы моделирования [98; 99].
Объектом математического моделирования в данной работе служили млекопитающие - крысы линии Wistar, биохимические реакции которых сходны с homo sapiens. В зоне действия источников потенциальной угрозы здоровью человека, например, промышленных предприятий, качественно экологический риск можно выразить через природу неблагоприятных факторов, а количественно - через вероятность их возникновения. Поэтому он может быть представлен и оценен как произведение: При проведении экспериментов с целью сбора данных для построения математической модели экспозиция животных осуществлялась солями цинка и кадмия. Мишенью служил геном. Эффект оценивался нарушением его целостности.
Математические методы планирования экспериментов, представляющие собой развитие идеи многофакторного анализа, являются наиболее эффективными при изучении биологических объектов как сложных систем [100]. Они позволяют произвести оптимизацию параметров, входящих в математическую модель, отражающую взаимодействие различных факторов; обработать экспериментальный массив данных; осуществить проверку гипотез и уточнение констант. Основные положения данного статистического подхода изложены в работах [101-103].
В качестве результативного признака (функции отклика Y), выбрана частота возникновения мутаций: появление микроядер в полихроматофильных эритроцитах. При построении экспериментальной факторной модели объект моделирования представляется в виде «черного ящика», на вход которого подаются некоторые переменные X и Z, а на выходе наблюдают и регистрируют переменные 7 (рис. 3.11). При проведении физического эксперимента в качестве контролируемых и управляемых параметров выступали X=(xj,X2); в качестве контролируемых, но неуправляемых - Z=(z\,Z2, ...,z„); переменные Е=(є],Є2, ...,ej) - неконтролируемые и неуправляемые. Детерминированными факторными признаками лгу, Х2 служили вводимые Zn(II) и Cd(II). Для того чтобы нивелировать случайные процессы Z и упростить модель, все животные содержались в одинаковых условиях и получали однообразный рацион. Таким образом, факторное пространство включало X. Переменная Е действует в процессе эксперимента бесконтрольно и характеризует возникновение случайных помех, обладающих вероятностными свойствами. Поэтому при построении экспериментальной факторной модели осуществлялись рандомизация опытов и статистический анализ при получении и обработке информации (анализировалось по 24 000 эритроциотов из каждой серии). В активном эксперименте факторы отвечали определенным требованиям и были: 1) управляемыми: устанавливались определенные концентрации вводимых веществ; 2) совместными: отсутствие синергетического эффекта цинка с кадмием не вызывало скачкообразно изменения в геноме; 3) независимыми: уровень каждого фактора устанавливался отдельно; 4) непосредственно влияющими на выходные параметры. Функция отклика также соответствовала необходимым правилам и была: 1) численно измеряемой: подсчитывался процент клеток с микроядрами; 2) имела четкий физический смысл; 3) однозначной, то есть характеризовала только одно свойство; 4) статистически эффективной. Эксперимент проводился согласно ортогональному плану первого порядка, при котором уровни факторов задаются симметрично относительно центра плана лj. Координаты этой точки выбирались из соотношения.
Изучение сорбции продуктов химических трансформаций ионов тяжелых металлов
Республика Северная Осетия является малоземельной, так как на душу населения приходится менее 0,30 га пашни (при среднем федеральном показателе 0,96 га). Проблема усугубляется тем обстоятельством, что доля нарушенных земель составляет 36% от общей площади. При этом, как отмечается в Государственном докладе о состоянии окружающей среды РСО-А, данная ситуация выявляется на фоне слабо развитой системы экомониторинговых наблюдений [105].
В материалах доклада отражен средний уровень загрязнения гидросферы и педосферы республики такими поллютантами, как цинк, медь, кадмий, свинец и др. Однако в местах с повышенной антропогенной нагрузкой содержание указанных металлов может многократно превышать приведенные данные, что делает актуальным проведение локальных экомониторинговых исследований с целью выявления районов с повышенным экологическим риском.
К числу основных причин, связанных с загрязнением почвы тяжелыми металлами, следует отнести автомобильный транспорт, промышленные предприятия, применение в качестве нетрадиционных удобрений и мелиорантов различных промышленных отходов, а также накопление осадков сточных вод, использование минеральных удобрений и в меньшей мере фунгицидов и пестицидов [106-108].
Особенностью почвы как объекта экомониторинговых исследований является сложный состав. Один и тот же элемент в почве может входить в состав разнообразных соединений: легкорастворимых солей, сложных алюмосиликатов, органоминеральных веществ. Эти компоненты обладают разными свойствами, от которых, в частности, зависит способность вещества переходить из твердых фаз в жидкую, мигрировать в профиле почвы, потребляться растениями [109; НО]. Поступая в почву, тяжелые металлы вступают в различные реакции, адсорбируются почвенными коллоидами, образуют труднорастворимые соединения со свободными анионами, инкорпорируются окклюдирующими полуторными оксидами железа и марганца, поглощаются микроорганизмами и растениями [111-114]. Их вынос из почвы в большой степени зависит от реакции среды и от того, какие анионы преобладают в почвенном растворе. В кислой среде лучше поглощаются и задерживаются медь, свинец и цинк; в щелочной -кадмий и кобальт. Большое значение имеют также органическое вещество почв и оксиды (гидроксиды) железа, алюминия и марганца. По способности адсорбироваться гидроксидами железа и алюминия поллютанты образуют ряд селективности: Pb Zn Cd. Си преимущественно связывается с органическими лигандами [115; 116]. Особую роль в адсорбции тяжелых металлов играет илистая фракция почвы, представленная в основном глинистыми минералами.
Так, в октаэдрических слоях Zn(II) способен изоморфно замещать А1(Ш), Мп(П), Fe(II), Fe(III), внедряясь в кристаллическую решетку [117].
Тяжелые металлы фиксируются, как правило, в верхних, пахотных слоях. Однако при подкислении малобуферной почвы значительная доля металлов из обменно-поглощенного состояния переходит в почвенный раствор. Высокой миграционной способностью обладают в кислой среде кадмий, медь, никель, кобальт. Уменьшение величины рН на 1,8-2,0 единицы приводит к увеличению подвижности ионов цинка в 4-6 раз, кадмия в 4-8, меди в 2-3 раза [118].
Простым способом определения содержания подвижных форм микроэлементов является извлечение их из почв химическими экстрагентами, обладающими различной экстрагирующей способностью. К числу наиболее широко применяемых относятся ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8; 0,1 М раствор соляной кислоты; 0,02 М ЭДТА + 1 М CH3COONH4 и другие [119-121].
Использование ацетатно-аммонийного буферного раствора дает хорошие результаты для кислых дерново-подзолистых, карбонатных, засоленных и для почв с высоким содержанием элементов в условиях техногенного загрязнения [122]. Применение соляной кислоты целесообразнее в случае черноземов, поскольку позволяет извлечь в несколько раз больше тяжелых металлов, чем при использовании ацетатно-аммонийного буфера [123].
В настоящее время для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами широко используются как официально одобренные, так и не имеющие официального статуса нормативы [124; 125].
Анализ почв осуществляется при помощи разнообразных химических и физико-химических методов [126; 127]. Известно, что в состав почв входят практически все встречающиеся в природе химические элементы, причем их содержание колеблется в широких пределах (табл. 3.9). Как видно из таблицы, для эффективного определения экотоксикантов необходимо привлечение современных физико-химических методов анализа. Среди них наибольшее распространение получили электрохимические, систематизация и некоторые особенности которых представлены в [128].
Объектами анализа в данной работе служили образцы почвы, отобранные в местах с повышенной антропогенной нагрузкой. Определение проводилось методом дифференциальной импульсной полярографии.
Основным ограничением применения метода инверсионной дифференциально-импульсной вольтамперометрии (ИДИВ) при контроле сурьмы, меди и свинца в почве является низкая селективность. Как показали проведенные исследования, при вольтамперометрическом анализе растворов (кислотных вытяжек), полученных из почвенных проб, отобранных на территории завода «Электроцинк» и содержащих значительные количества меди, последняя маскирует аналитический сигнал сурьмы (рис. 3.12, кривая 3) и приводит к существенному искажению ДИП пиков свинца (рис. 3.13, кривая 3).
