Загрязнение почв

Содержание

Введение

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в накоплении органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.

Загрязнение почв - содержание в почвах химических соединений, радиоактивных элементов, патогенных организмов в количествах, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека, окружающую природную среду, плодородие сельскохозяйственного назначения (закон "О государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения").

Охрана почв от загрязнений является важной задачей человека, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека.

Во-первых, происходит постоянное вымывание загрязнений в открытые водоёмы и грунтовые воды, которые могут использоваться человеком для питья и других нужд.

Во-вторых, эти загрязнения  из почвенной влаги, грунтовых вод  и открытых водоёмов попадают в организмы  животных и растений, употребляющих  эту воду, а затем по пищевым  цепочкам опять-таки попадают в организм человека.

В-третьих, многие вредные  для человеческого организма  соединения имеют способность накапливаться  в тканях, и, прежде всего, в костях.

По оценкам исследователей, в биосферу поступает ежегодно около 20-30 млрд. т. твёрдых отходов, из них 50-60 % органических соединений, а в виде кислотных аргентов газового или аэрозольного характера – около 1 млрд. т.

Различные почвенные  загрязнения, большинство из которых  антропогенного характера, можно разделить  по источнику их поступления в  почву.

1) 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. Это, в основном, газы – оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер. Таким образом и образуются кислотные дожди.

2) При непосредственном  поглощении почвой газообразных  соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

3) С растительным  опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву.

Загрязнения почвы можно классифицировать:

1) Мусором, выбросами,  отвалами, отстойными породами. В 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.

2) Тяжёлыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других животных организмов, так как тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к накоплению 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).

3) 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. По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Именно по этой причине был запрещён для использования препарат ДДТ (дихлор-дифенил-трихлорметилметан), который является не только высокотоксичным соединением, но, также, он обладает значительной химической стойкостью, не разлагается в течение десятков лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде. Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, антиномицеты, грибы, водоросли.

4) Микотоксинами. Данные явления не являются антропогенными, потому что они выделяются некоторыми грибами, однако, по своей вредности для организма они стоят в одном ряду с перечисленными загрязнениями почвы.

5) 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, встраиваясь в пищевые цепочки. Из радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один наиболее опасный – ⁹⁰ Sr (стронций-90). Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2-8 %), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а, значит, способность откладываться в костных тканях животных и человека, относительно высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. ¹³⁴Cs (цезий-134), ¹⁴⁰ Ce (церий-140) и ³⁶ Сl (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами. Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путём: в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы и т. д.

Наибольшей способностью снижать  негативное влияние загрязняющих веществ  на растительные и животные организмы  обладают почвы с высоким содержанием  гумуса, с тяжелым гранулометрическим составом, высокой емкостью поглощения, обогащенные известковыми материалами (карбонатами). К таким почвам относятся наиболее плодородные черноземы, некоторые рендзины, пойменные земли. Это придает почвам естественную устойчивость к воздействию химических загрязняющих веществ и позволяет получать высокие и качественно полноценные урожаи важнейших сельскохозяйственных культур даже в промышленно развитых регионах.

Природная сопротивляемость почв не беспредельна. Согласно Б. Г. Розанову и другим ученым по разным причинам в мире было потеряно около двух миллиардов гектаров сельскохозяйственных почв. Потери земель, вызванные только ирригацией, за последние триста лет составили около ста млн. га, и примерно такая же площадь сейчас занята почвами с пониженной продуктивностью, вследствие засоления. Очень велики потери гумуса, от которого зависят практически все важнейшие свойства почв и их устойчивость к неблагоприятным ситуациям. За период земледельческой культуры почвенный покров утратил до 15% исходного запаса органических веществ. Причем эти негативные явления особенно быстро протекают в последние десятилетия. Так, скорость потерь гумуса за последние пятьдесят лет примерно в два с половиной раза превышала таковую на протяжении последних трехсот лет, а среднеисторическую скорость потерь гумуса – примерно в двадцать четыре раза.

Особенно сильное техногенное  давление испытывают почвы в районах  расположения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспортных артерий. Нередким стало образование  техногенных пустынь на территориях, непосредственно примыкающих к  промышленным зонам различных предприятий, особенно химической и металлургической промышленности. В ближайшей к предприятию зоне содержание тяжелых металлов часто значительно превышает ПДК; вследствие суммарного воздействия кислотных дождей и выпадений тяжелых металлов гибнет растительность, поверхность почвы обнажается; незащищенная растительным покровом почва подвергается усиленной эрозии и дефляции, почвенный покров разрушается практически необратимо, и его восстановление требует уже очень крупных материальных и трудовых затрат.

При характеристике почв очень трудно использовать широко применяемые при  оценке воды, воздуха, продуктов питания  и кормов понятия, например, ПДК тех  или иных загрязняющих веществ. В  числе главных причин – многообразие форм соединений любых элементов и веществ в почвах, от которых зависит доступность этих компонентов растениям и, следовательно, их возможный токсический эффект. Поэтому при разработке принципов и организации почвенно-химического мониторинга приходится учитывать состав почвы, все ее составляющие, обладающие высокой сорбционной способностью, влияние условий на подвижность и доступность химических веществ растениям. Наиболее значительное влияние оказывает кислотность и щелочность почв, окислительно-восстановительный режим, содержание гумуса, легкорастворимые соли.

Сопротивляемость почв химическому загрязнению также  зависит от водного режима, водопроницаемости, преобладания нисходящих или восходящих токов влаги и т.п. Эти показатели наряду с уровнем сорбционной  способности почв, отражаются на защитных функциях почвы по отношению к гидросфере и атмосфере, влияют на прогрессирующие накопления в почвах химических загрязняющих веществ

Биологическое загрязнение почв

Биологическое загрязнение  почв. Биологическое загрязнение  почв чужеродными микроорганизмами происходит в результате попадания  в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, а также  за счет аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы патогенные и токсикогенные, способные вызывать кишечные инфекции и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений.

В санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях определяют содержание в почвах бактерий группы кишечной палочки (E.coli) и патогенных клостридий и бацилл: возбудителей столбняка (Сl. tetani), сибирской язвы (Вас. апthrаcis), газовой гангрены (Сl. реrfringens) и др. Бактериальные энтомопатогенные препараты (энтомобактерин, дендробациллин, боверин, мускардин) содержат споры бацилл (Вас. Сеrеиs, Вас. thuringiensis), которые в течение многих лет сохраняются и размножаются в почве. При применении этих препаратов методами аэрораспыления происходит массовое обсеменение растительности и почвы спорами этих бактерий, что может привести к нарушению природного равновесия в микробных сообществах.

Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроорганизмов. Механизмы, лежащие в основе самоочищения почв, пока остаются непознанными. Они могут быть разной природы. В первую очередь это связано с отсутствием в почвенной среде условий, необходимых для развития попадающих извне микроорганизмов, а также неблагоприятного действия физических и химических факторов (кислотности, низких значений температур, высушивания, солнечной радиации и т. д.).

Другой механизм элиминации микроорганизмов взаимодействие с  членами почвенной биоты: выедание, лизис и др. В некоторых случаях при загрязнении небольших территорий рекомендуется применять для очистки почв химические дезинфектанты (формалин, окись этилена, тиазол и др.) или специфические препараты пестицидов. Нарушение экологической среды под влиянием разного рода токсикантов одна из важнейших проблем современности, поэтому разработка принципов и методов ранней диагностики повреждения почвенной биоты под воздействием пестицидов, тяжелых металлов, нефти и отходов ее переработки, минеральных удобрений в высоких дозах и других загрязнителей представляет собой одну из самых насущных задач биологии почв.

Изучение реакции на различные антропогенные воздействия  активно функционирующих в почве  микробных сообществ позволило  сформулировать положение о том, что независимо от природы загрязняющего агента изменения микробиоты почвы в ответ на возрастающие антропогенные нагрузки выражаются в последовательной смене четырех адаптивных зон. Под адаптивной зоной понимается интервал концентраций изучаемого агента, определяющих совокупность изменений активно функционирующего в почве микробного сообщества. Эти изменения обеспечивают приспособление сообщества к данным условиям. Каждая из выделенных зон соответствует определенному уровню антропогенной нагрузки.

Первая адаптивная зона, характеризующая низкий уровень нагрузки, зона гомеостаза микробной системы почвы. На примере действия кадмия показано, что от 0 до 7 мг кадмия на один килограмм дерново-подзолистой почвы изменяется только общая биомасса активно функционирующего сообщества микроорганизмов. Вторая адаптивная зона, которая характеризует средний уровень нагрузки, зона стресса микробной системы почвы. В этой зоне происходит перераспределение степени доминирования членов микробного сообщества при внесении минеральных удобрений, некоторых гербицидов и отдельных тяжелых металлов. Наблюдается преимущественное развитие токсинообразующих микроорганизмов (грибы рода Penicillium).

Третья адаптивная зона микробной системы почвы зона резистентности. Она характеризует  высокий уровень нагрузки и проявляется  при высоких дозах всех изученных загрязнителей независимо от их природы. На примере действия нефти эта зона обнаружена в интервале концентраций вещества от 10 до 100 л/м2 почвы. Видовое разнообразие резко сокращается, а преимущественное развитие получают устойчивые к данному фактору популяции микроорганизмов. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к полному элиминированию роста и развития микроорганизмов в почве. Это свидетельствует о переходе в следующую, четвертую зону, зону репрессии микробной системы почвы, которая характеризует очень высокий уровень антропогенной нагрузки.

Адаптационные свойства микробной системы почвы могут  быть в общем виде охарактеризованы четырьмя типами изменений в сообществе активно функционирующих в почве  микроорганизмов. Последовательность этих изменений в градиенте антропогенной нагрузки выглядит следующим образом: сохранение стабильности состава сообщества (зона гомеостаза), перераспределение доминантных популяций (зона стресса), преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности), полное подавление роста и развития микроорганизмов в почве (зона репрессии). Для биоиндикации различных уровней загрязнения почвы при антропогенных воздействиях предлагается следующее.

Низкий уровень загрязнения  следует устанавливать по превышению фоновых концентраций поллютантов с помощью химических методов анализа. Для индикации среднего уровня загрязнения в наибольшей степени подходят микробиологические показатели. В этом интервале загрязнения происходит перераспределение доминирования среди активно функционирующих в почве микроорганизмов. В качестве дополнительных индикаторных признаков среднего уровня загрязнения можно использовать снижение вариабельности показателей биохимических процессов в почве, сокращение видового богатства и разнообразия комплекса почвенных микроорганизмов, а также увеличение в нем доли токсинообразующих форм микроорганизмов. Для индикации высокого уровня загрязнения почв экзогенными химическими веществами подходят многие микробиологические показатели, например широкое распространение в микробном сообществе почвы высокоустойчивых форм микроорганизмов. Однако более целесообразно для этого использовать другие тесты. Поскольку почвы при данном уровне загрязнения будут обладать общей высокой токсичностью, более удобно, наглядно и просто определять наличие этого уровня с использованием реакции высших организмов.

Устойчивость почвенной  системы по отношению к загрязняющим агентам оценивается по величине зоны гомеостаза, которая для разных почв может варьировать в больших  пределах. Таким образом, если за норму принять равновесное состояние биоты (в зоне гомеостаза), то степень повреждения оценивается по появлению изменений в сообществе на уровне последующих зон. Одна и та же доза загрязнителя может вызвать разной степени повреждения, поэтому при нормировании следует учитывать, что единого значения ПДК (предельно допустимой концентрации) для различных почв быть не может. При разработке системы мониторинга состояния почвенного покрова в связи с антропогенными нагрузками используются все показатели, характеризующие биологическую активность почв.

Заключение

Почвенный покров Земли  играет решающую роль в обеспечении  человечества продуктами питания и  сырьем для жизненноважных отраслей промышленности. Использование с  этой целью продукции океана, гидропоники или искусственно синтезируемых веществ не может, по крайней мере в обозримом будущем, заменить продукцию наземных экосистем (продуктивность почв). Поэтому непрерывный контроль за состоянием почв и почвенного покрова – обязательное условие получения планируемой продукции сельского и лесного хозяйства.

Вместе с тем почвенный  покров является естественной базой  для поселения людей, служит основой  для создания рекреационных зон. Он позволяет создать оптимальную  экологическую обстановку для жизни, труда и отдыха людей. От характера почвенного покрова, свойств почвы, протекающих в почвах химических и биохимических процессов зависят чистота и состав атмосферы, наземных и подземных вод. Почвенный покров – один из наиболее мощных регуляторов химического состава атмосферы и гидросферы. Почва была и остается главным условием жизнеобеспечения наций и человечества в целом. Сохранение и улучшение почвенного покрова, а, следовательно, и основных жизненных ресурсов в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства, развития промышленности, бурного роста городов и транспорта возможно только при хорошо налаженном контроле за использованием всех видов почвенных и земельных ресурсов.

Почва является наиболее чувствительной к антропогенному воздействию. Из всех оболочек Земли почвенный покров – самая тонкая оболочка, мощность наиболее плодородного гумусированного слоя даже в черноземах не превышает, как правило, 80-100 см, а во многих почвах большинства природных зон она составляет всего лишь 15-20 см. Рыхлое почвенное тело при уничтожении многолетней растительности и распашке легко подвергается эрозии и дефляции.

При недостаточно продуманном  антропогенном воздействии и  нарушении сбалансированных природных  экологических связей в почвах быстро развиваются нежелательные процессы минерализации гумуса, повышается кислотность или щелочность, усиливается соленакопление, развиваются восстановительные процессы – все это резко ухудшает свойства почвы, а в предельных случаях приводит к локальному разрушению почвенного покрова. Высокая чувствительность, уязвимость почвенного покрова обусловлены ограниченной буферностью и устойчивостью почв к воздействию сил, не свойственных ему в экологическом отношении.

Даже чернозем потерпел за последние 100 лет весьма существенные изменения, вызывающие тревогу и обоснованные опасения за его дальнейшую судьбу. Все в более широких масштабах проявляется загрязнение почвы тяжелыми металлами, нефтепродуктами, детергентами, усиливается влияние азотной и серной кислот техногенного происхождения, ведущие к формированию техногенных пустынь в окрестностях некоторых промышленных предприятий.

Восстановление нарушенного  почвенного покрова требует длительного  времени и больших капиталовложений.

Литература

1. Протасов В.Н. «Экология, здоровье и природопользование в России» - М.: Финансы и статистика, 2007 г.
2. «Советский энциклопедический словарь» - M.: 1985 г.
1. Д.П. Никитин, Ю.В. Новиков «Окружающая среда и человек», издательство «Высшая школа», 1986 г.
2. А.И. Воронцов, Н.Г. Николаевская «Вопросы экологии и охраны окружающей среды», Москва, 1986 г.
3. А.И. Воронцов, Е.А. Щетинский, И.Д. Никодимов «Охрана природы», Москва ВО «АГРОПРОМИЗДАТ», 1989 г.
4. Ю. Одум «Экология» в 2-х томах
5. Ю. Одум «Основы экологии»
6. Г.В. Добровольский «Почва. Город. Экология», Москва, 1997 г.
7. М.Бигон, Дж.Харпер, К.Таунсенд «Экология особи популяции и сообщества» в 2-х томах, Изд-во «Мир»,1989
8. Г.В. Стадницкий «Экология», Санкт-Петербург Химиздат, 1999 г.
9. Т.А.Демина «Экология, природопользование, охрана окружающей среды», Изд-во Аспект-пресс Москва, 1995 г.
10. А.А.Голуб, Е.Б.Струкова «Экономика природопользования», Изд-во Аспект-пресс Москва, 1995 г.