Гигиенические аспекты применения ОСВ

В последнее время в специальной научной и сельскохозяйственной литературе появился термин "тяжелые металлы", который сразу же приобрел негативной звучание. С ним связано представление о чем-то токсичном, опасном для живого, будь то животные или растения. Тяжелые металлы - группы химических элементов, имеющих плотность более 5 г /куб. см. Термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т.е. к тяжелым относить металлы с атомной массой более 40 (Алексеев Ю.В., 1987). Представление об обязательной токсичности тяжелых металлов является заблуждением, так как в эту же группу попадают медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, железо- элементы, большое позитивное биологическое значение которых давно обнаружено и доказано. Важны концентрации в которых они необходимы живым организмам. Справедливее использовать термин "тяжелый металл" в случае, когда речь идет об опасных для животных организмов концентрациях элемента с относительной массой более 40. Микроэлементом он становится тогда, когда находится в почве, растении, организме животных и человека в нетоксичных концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или минеральная добавка к корму. Однако, имеется группа металлов, за которыми закрепилось только одно негативное понятие - “тяжелые”, в смысле “токсичные”. Такая группа включает ртуть, кадмий и свинец. По общему мнению их считают наиболее вероятными и опасными загрязнителями окружающей среды, так как они широко используются в промышленности и на транспорте. В культурном ландшафте наибольшее распространение имеют цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром. Набор металлов, поступающих в ландшафт, зависит прежде всего от характера человеческой деятельности в данном регионе. При сильном развитии автомобильного транспорта и при наличии густой сети автомобильных дорог, реально ожидать обогащения ландшафта свинцом, поступающим в окружающую среду от двигателей внутреннего сгорания. Поступление в среду кадмия может быть связано с широким использованием в сельском хозяйстве фосфатов, содержащих указанный элемент в виде примеси. Ртуть в культурном ландшафте появляется в результате использования ее соединений в качестве фунгицидов и при производстве целлюлозы. Не исключено попадание ртути в почву с компостом из бытового мусора, содержащего использованные люминесцентные лампы. Хром оказывается в окружающей среде в результате применения в качестве удобрений осадков сточных вод канализации городов с развитой часовой, кожевенной и тяжелой промышленностью, а также при известковании почв шлаками металлургических производств, содержащих этот элемент. Обогащение ландшафта цинком может произойти при систематическом использовании в качестве органических удобрений осадков сточных вод городов, а также при сжигании на полях отходов резины. Уран, торий, радий могут поступать в растения из почвы за счет фосфатных минеральных удобрений, а также из атмосферы в местах, где в больших количествах сжигается каменный уголь. Стабильный стронций поступает в ландшафт с простым суперфосфатом и фосфогипсом, полученными из апатитов. Заметное загрязнение среды медью наблюдается в местах интенсивного виноградства, где этот элемент широко используется для борьбы с заболеваниями растений. В ландшафтах, практически не затронутых хозяйственной деятельностью, содержание тяжелых металлов незначительное. Кадмий сопутствует цинку и часто обнаруживается вместе с ним, образует многочисленные основные, двойные и комплексные соединения. В загрязненных почвах он содержится в количествах, равных десятым долям миллиграмма на килограмм. Ртуть относится к весьма редким элементам и в природе мигрирует преимущественно в газообразном состоянии и в водных растворах. В ландшафте, в основном, рассеивается и лишь в незначительном количестве может сорбироваться глинами и илами. В чистых почвах ее содержание составляет сотые доли миллиграмма на килограмм, а в почвах интенсивного хозяйственного использования достигает миллиграммов. Свинец является наиболее распространенным элементом. В агроландшафте он преимущественно мигрирует в бикарбонатной форме, а также в органических комплексах. Свинец легко адсорбируется глинами, и в них его содержание повышено. В условиях промывного типа водного режима (в таежных и других ландшафтах влажного климата) наблюдается некоторая подвижность свинца, но значительно меньшая, чем кадмия, цинка и меди. Знание природных концентраций тяжелых металлов в почвах и растениях дает возможность судить о состоянии чистоты или загрязненности и принимать меры, направленные на сохранение почвенного плодородия и качества растениеводческой продукции. В.П. Цемко с соавторами (1980) предлагает следующую группировку почв по степени загрязнения: к слабо загрязненным относятся почвы с содержанием элемента от 2 до 10 кларков, к средне - от 10 до 30 кларков, к сильно - свыше 30 кларков. Известно, что техногенное загрязнение оказывает влияние не только на биоту почв, но и на их физические, физико-химические и химические свойства. Почвы в неодинаковой степени инактивируют поступающие элементы - токсиканты, а наличие разных форм токсикантов в почве затрудняет выбор той из них, которая была бы наиболее пригодной для целей нормирования (Ильин В.Б., 1985; Важенин И.Г., 1985; Зырин Н.Г., Каплунова Е.В., 1985; Кочуров Б.И., Зайцев В.Я., 1987). По мнению Н.Г. Зырина (1985), в условиях кислой неокультуренной дерново-подзолистой почвы уровень кадмия в 2,5 мг/кг (10 раз больше фонового), цинка - 125 мг/кг (5раз больше фонового) уже можно считать опасным. Этими авторами выявлено также пороговое значение содержания тяжелых металлов в почве, приводящее к их накоплению в растениях, в количестве выше, чем ПДК. Для свинца - 150, кадмия - 0,2, цинка - 85 мг/кг для неокультуренной дерново-подзолистой почвы. Соответственно, для дерново-подзолистой окультуренной - свинца -650, кобальта - 2,5, цинка - 80; для типичного чернозема: кобальта - 5,0, цинка - 115 мг/кг. В исследованиях Р.И. Первухиной (1983) была дана оценка трансформации соединений техногенных металлов в почве и доступность их для растений. Результаты эксперимента показали, что внесение кадмия в составе пыли металлургического предприятия снижает урожайность ячменя на дерново-подзолистой неокультуренной почве при содержании кадмия 10 мг/кг, на слабоокультуренной - 20 мг/кг. Экспериментальными исследованиями, проведенными на кафедре коммунальной гигиены Днепропетровского медицинского института установлено, что повышенное содержание химических веществ в почве существенно влияет на самоочищение почвы. Уровень предельной концентрации по железу - до 5000 мг/кг, марганцу - 1000 мг/кг. В растениях, выращенных в зоне действия промышленных выбросов, содержание железа в зерне - до 300 мг/кг или в 2 раза больше; содержание железа в свекле колебалось от 465 до 705 мг/кг, это в 8,2-12,4% больше, чем в контроле (Шелюг М.Я., 1983). На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же концентрациях оказывают на растения различное действие. Это обусловлено разной кинетикой и превращением этих веществ в почве. В опытах с суглинистой почвой, торфом и черноземом внесение ртути в дозе 10 мг/кг практически не вызывало изменений в элементном составе зерновых. Внесение той же дозы в песчаную почву и супесчаный суглинок привело к накоплению ртути в соломе пшеницы до 5,7 мг/кг сухой массы и невызреванию овса (Покровская С.Ф., 1987). Работами Зимакова И.Е. (1979) было исследовано действие нитрата ртути на опесчаненной дерново-подзолистой почве на горох, кукурузу, овес, рожь и пшеницу, доза внесения в расчете на металл 0,1; 1; 10 мг/кг почвы. Наибольшая концентрация ртути наблюдалась через 30 дней, затем несколько снизилась, оставаясь в среднем постоянной, но при этом превышала фон в 5...10 раз. Закономерное накопление кадмия растениями в зависимости от основных почвенных факторов характеризуется схемой, предложенной в работе (Рэуце К., Кырстя С., 1986). Низкое Содержание кадмия Увеличение PH Снижение Высокое содержание кадмия Увеличение Содержание глины Снижение Увеличение Содержание гумуса Снижение Увеличение Щелочные удобрения физиологически кислые Снижение Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием складывается из нескольких составляющих. Во-первых, это атмосферное поступление. В промышленно-развитых районах в среднем в год выпадает 0,2...9кг/км2 кадмия (Петрухин В.А., 1986). Второй источник поступлений - осадки городских сточных вод. Обширная информация по данному вопросу предоставлена в ряде работ (Покровская С.Ф., 1981; Гольдфарб Л.Л., Туровский Н.С., Беляев С.Д., 1983; Касатиков В.А., 1984; Алексеев Ю.В, 1987). И, наконец, третий источник - это минеральные удобрения. Так, в ФРГ со средними дозами фосфорных удобрений в год поступает 3...5 г кадмия на 1га (Sauerbeck D., 1980). В связи с этим фермы-производители приняли решение о введении нормы на содержание кадмия в удобрениях, которая составляет 90 мг/кг (Stadelmann F.X., 1983). Однако, оценивая минеральные фосфорные удобрения и ОСВ как потенциальный источник загрязнения тяжелыми металлами Г.А. Соловьев и А.В. Голубев (1981) подчеркивали, что необходимо исходить из их мобильности и доступности растениям. Она зависит как от рН почвы, содержания органического вещества и сопутствующих элементов, в частности, кальция, цинка, формы кадмия. Среди процессов, играющих важную роль в поступлении кадмия в растения, является диффузия. Чем ниже рН почвенного раствора, тем выше коэффициент диффузии кадмия. Насыщение почв ионами H+ приводит к увеличению диффузии по сравнению с естественными почвами, но внесение кальция снижает подвижность его в почвах (Алексеев А.А., Зырин Н.Г., 1980). Исследованиями (Klein-Landenkoff U., 1986) было доказано, что внесение ОСВ в качестве органического удобрения показало защитные механизмы почвы. Этому способствовало внесение известковых удобрений. Доза 85-170 ц/га снижала поступление кадмия в растения на 20-30%. Другие авторы (Bidwell A.M., Dowdy R.H., 1987) отмечали, что внесение в 15 см слой почвы до 25,2 кг/га кадмия в составе осадков сточных вод (в течение 3-х лет) повысило содержание данного элемента в зерне до 5,18 мг/кг. Однако, другими исследователями не отмечалось негативное действие кадмия, содержащегося в осадках сточных вод. Так, 39-летние исследования не выявили существенных изменений в химическом составе растений (Wedder M.D., 1987). Тяжелые металлы находятся в почве в различной форме. Они могут включаться в твердую фазу почвы, находиться в виде свободных ионов в почвенных растворах, в виде растворимых органоминеральных комплексов или адсорбированными на коллоидных частицах. Сульфокислоты образуют растворимые хелаты металлов в широком диапазоне рН, увеличивая, таким образом, их растворимость. Эти комплексы, обычно, более стабильны, чем аналогичные комплексы гуминовых кислот (Kieken L., 1983), которые также играют роль депонента тяжелых металлов. Поступление тяжелых металлов в растения зависит от многих факторов. Имеются данные, позволяющие вывести определенную закономерность между накоплением и принадлежностью к семейству, биологическими особенностями вида, сорта. По данным Kuboi T., Noguchi A. (1986), наиболее устойчивыми к накоплению кадмия оказались бобовые. Умеренно накапливали этот ион злаковые, лилейные, тыквенные и зонтичные. Большие концентрации кадмия отмечались у крестоцветных, пасленовых, сложноцветных, маревых. Однако, такое деление оказалось довольно условным. Испытание разных доз кадмия (от 1 до 300 мг/кг субстрата) показало, что внутри каждой группы каждого семейства наблюдается устойчивость к данному элементу. Турнепс не проявлял признаков токсикоза даже при максимальной дозе, в то время как репа уже при 30 мг/кг проявляла признаки токсикоза. М.С. Паниным (1980) предложен несколько иной подход к данной проблеме, но основывающийся опять-таки на способности накопления того или иного элемента растениями. По его данным, по среднему уровню накопления определенного элемента в теле растения по отношению к разным ионам разные семейства можно расположить так: Со сложноцветные, злаковые, лебедовые, розоцветные, бобовые; Си сложноцветные, злаковые, лебедовые, бобовые, розоцветные, крестоцветные; Mo - бобовые, злаки, сложноцветные, крестоцветные, гречишные. По реакции сельскохозяйственных растений к различным металлам существует также и сортовая специфичность, которая закреплена генетически. Исследованиями Brune H. (1984) было показано, что 10 сортов салата, выращиваемых в песке при одинаковой концентрации кадмия в питательной среде, равной 0,1 мг/л, накапливали разное количество кадмия - 0,4 до 26 мг/кг. У растений в условиях загрязнения интенсивно работают механизмы защиты, которые предохраняют до определенного момента надземные органы от поступления избыточного количества тяжелых металлов (Ильин В.Б., Степанова М.Д., 1980). При всем этом действие токсикантов при высокой их концентрации может все же усиленно проникать в растения. Однако степень накопления в различных частях растений будет различная (Ильин В.Б., Гармаш Г.А.,1981). Наиболее сильно идет накопление свинца в корневой системе, причем количество ионов металла может превышать контроль более, чем в 7 раз. В меньшей степени его накапливают листья и репродуктивные части растений. Это объяснимо тем, что в процессах метаболизма в растениях образуются разнообразные органические соединения с хелатирующими свойствами. При проникновении ионов тяжелых металлов в корни происходит их связывание и, как следствие, снижение подвижности. Таким образом, имеющиеся научные материалы отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, насколько сложна данная проблема. В мире идет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества осадков городских сточных вод – продуктов жизнедеятельности человека, а так же других видов отходов городского коммунального хозяйства. Имеющиеся литературные данные по вопросам использования ОСВ в качестве удобрений нельзя автоматически переносить не наши почвенно-климатические условия, а по отдельным разделам, например, влияние ОСВ на состав почвенных растворов и т.д. материалов практически не имеется. С учетом вышеизложенного, целью наших исследований было изучить возможности использования осадков сточных вод г. Курска в качестве удобрений.