Изучение методов снижения уровня загрязнения почв тяжелыми металлами

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Изучение методов снижения уровня загрязнения почв тяжелыми металлами

Скрипникова А.В. 1
1Назарбаев Интеллектуальная Школа химико-биологического направления г.Усть-Каменогорск (Республика Казахстан)
Попова М.В. 1
1Назарбаев Интеллектуальная Школа химико-биологического направления г.Усть-Каменогорск (Республика Казахстан)
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения природной среды и его влияния на здоровье человека тесно взаимосвязаны между собой, что наблюдается при анализе данных по уровню заболеваемости и выбросам загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников, сбросу загрязненных сточных вод в водоемы, образованию токсичных отходов, доступности населения к питьевой воде и качеству воды и пр.

В последнее время в связи с высоким уровнем развития промышленности во всем мире усилилось загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в масштабах, которые не свойственны природе.

Основные загрязнители городов c развитой металлургической инфраструктурой – тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий, цинк, медь, никель, ртуть[1].

Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов легко проникают в трофические цепи, накапливаясь в растительных и животных организмах; включаются в метаболические циклы и вызывают разнообраз­ные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требу­ется весьма продолжительный период времени при условии полного пре­кращения их поступления. Период полувыведения тяжелых металлов из организма человека обычно составляет многие месяцы.

Повышенные токсические концентрации неко­торых тяжелых металлов вызывают негативные воздействия в организме человека. Например, превышение концентрации свинца приводит к задержке синтеза протеина в крови, ане­мии, пораже­нию почек, головного мозга, снижению умственных спо­собностей, задержке роста, разрушению костных тканей, параличу, болям в суста­вах, снижению реак­ций иммунной системы, нарушению функций сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта, снижению репродуктивной функции. Избыточное содержание цинка приводит к интоксикации, анемии, а также к органическим изменениям в тканях.

Целью данной работы является определение уровня загрязнения почвы различных районов города Усть-Каменогорска тяжелыми металлами и рассмотрение способов снижения их концентрации в почве.

Задачами исследования являются:

литературный обзор по проблеме поведения тяжелых металлов в почве и методам снижения их концентрации;

отбор проб образцов для анализа и определение содержания свинца и цинка в почвах г. Усть-Каменогорска;

выявление закономерностей накопления тяжелых металлов в различных районах города Усть-Каменогорска;

определение способов снижения содержания тяжелых металлов в почве

Методы исследования: теоретические – методы анализа литературных источников; физико-химические методы анализа.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Тяжелые металлы как основной тип загрязнителей окружающей среды

Тяжелые металлы (ТМ) уже сейчас занимают второе место по степени опасности, уступая пестицидам и значительно опережая такие широко известные загрязнители, как диоксид углерода и серы. К тяжелым металлам относят химические элементы, имеющие плотность более 5 г/см3, атомную массу свыше 40 и обладающие металлическими свойствами[2]. К ним относятся Cu, Co, Pb, Hg, Cd, Cr, Mn, Zn и др. Тяжелые металлы по степени опасности подразделяются на классы (таблица 1)

Таблица 1 – Классы опасности тяжелых металлов [3]

Класс опасности

Тяжелые металлы

I

Кадмий (Cd), Мышьяк (As), Ртуть (Hg), Свинец (Pb), Селен (Se), Цинк ( Zn)

II

Кобальт (Co), Медь (Cu), Молибден (Mo), Никель (Ni), Хром (Cr)

III

Марганец (Mn), Ванадий (V)

Загрязнение тяжелыми металлами связано с их широким использованием в промышленном производстве. В связи с несовершенными системами очистки, они попадают в окружающую среду.

Город Усть-Каменогорск является промышленным центром, на территории которого размещены такие крупные металлургические предприятия как ТОО Kaзцинк, Ульбинский металлургический завод - ОАО «УМЗ», Усть-Каменогорский титано-магниевый комбинат, объекты теплоэнергетики и транспорта. 

К источникам, которые образуют загрязняющие вещества в результате сжигания топлива, можно отнести предприятия теплоэнергетики, железнодорожный и автомобильный транспорт.

К числу основных загрязняющих веществ, содержащихся в выхлопных газах, относятся CO, NOx, CmHn, соединения свинца, полициклические ароматические углеводороды, пыль, сажа и др.С выхлопными газами на почву попадает 11 более 250 тыс. т свинца в год; это главный источник загрязнения почв свинцом [4].

Исследования Л.Н. Скипина и др. (2007) показали, что загрязнение свинцом и кадмием придорожных полос автомагистралей достигает 100 м [5].

Эмиссия тяжелых металлов в составе техногенных выбросов в окру­жающую среду происходит, чаще всего, в виде их комплексов. Токсиче­ское воздействие комплексов на организмы зависит от состава комплекса, чувствительности организмов (общей и поэлементной), химической формы соединений и других факторов, определяющими являются пропорции микроэлементов, входящих в комплекс[3]. Считается, что из различных соче­таний основных элементов в пыли, выбрасываемой заводами по выплавке цветных металлов, наиболее токсичным является сочетание Cd–Pb–Zn.

В отличие от других загрязнителей, способных разлагаться под действием физико-химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения. Период полувыведения тяжелых металлов из почв варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.

Почвенный мониторинг направлен на выявление изменений почв, которые могут нанести вред здоровью человека и других живых организмов. Особая роль почвенного мониторинга обусловлена тем, что все изменения состава и свойств почв отражаются на выполнении почвами их экологических функций. Огромное значение имеет то, что в почве в отличие от воздуха атмосферы и вод поверхностных водоемов экологические последствия антропогенного воздействия обычно проявляются позже, но они более устойчивы и сохраняются дольше. Поэтому существует необходимость оценивать и долговременные последствия этого воздействия на почвы.

Вредные химические вещества, попавшие в почву, поступают в организм человека в основном через контактирующие с почвой среды: воду (миграционный водный показатель вредности), растения (транслокационный показатель вредности).

Содержание тяжелых металлов в верхних слоях почвы определяется близостью к локальным источникам загрязнения и переносом загрязнителей нижними слоями атмосферы, что обусловливается региональными факторами, такими как климат, рельеф, а также растительный покров, тяжелые металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся.

Анализ информационных бюллетеней «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан» за 2018-2020 годы, показал превышение ПДК в почвах различных районах города Усть-Каменогорска по тяжелым металлам: свинцу, цинку и меди. Данные анализа сведены в таблицу 2.

Таблица 2 – Превышение ПДК по тяжелым металлам в почвах различных районов города Усть-Каменогорска за 2018-2020гг. (весенний период)[6-8].

Тяжелые металлы

Место отбора проб

Пересечение

улицы Тракторной и проспекта Абая

1 км от «Казцинк»

пересечение улиц

Бажова и Рабочая

в районе автомагистрали проспекта Н. Назарбаева (3 км на ЮЗ от ТОО "Казцинк")

Годы

Превышение ПДК

Превышение ПДК

Превышение ПДК

Свинец

2018

16,2

19,8

8,4

2019

12,1

7,7

6,5

2020

49,0

8,6

5,2

Цинк

2018

3,2

22,2

1,3

2019

36,5

21,9

9,9

2020

41,4

19,1

8,1

Как видно из данной таблицы, показатели превышения ПДК по свинцу, цинку и меди в 2020 году наиболее высокий показатель имеет в районе пересечения улицы Тракторной и проспекта Абая.

В районе пересечения улиц Бажова и Рабочая в 2020 году наблюдается тенденция снижения загрязнения свинцом и цинком, по сравнению с 2018 и 2019 годами.

В районе автомагистрали проспекта Н. Назарбаева (3 км на ЮЗ от ТОО "Казцинк") также наблюдается тенденция снижения загрязнения свинцом и по сравнению с 2018 и 2019 годами. Однако, показатель по превышению ПДК цинка наименьшее значение имел в 2018 году и составим 1,3ПДК.

Превышение ПДК по загрязнению медью имело наименьший показатель в 2019 году по всем районам.

1.2 Отбор проб и анализ содержания тяжелых металлов в почве

Для определения содержания тяжелых металлов в почве использованы физико-химические методы анализа, такие как атомно-абсорбционный, потенциометрический, спектрофотометрический, вольтамперометрический и др.

Мониторинг загрязнения тяжелыми металлами проведен для районов, находящихся на расстоянии 1-3км от ТОО Казцинк. Для оценки загрязненности более отдаленных районов нами были отобраны образцы почвы следующих районов: КШТ, Согра, Стрелка и Защита в мае 2020 года.

Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме.

На поведение тяжелых металлов в почве оказывает влияние тип почвы, кислотность, содержание органического вещества, механический и минералогический состав почвы, сорбционная емкость почвенно-поглощающего комплекса (ППК), буферность и рН почв.

Отбор проб почвы для лабораторного анализа выполняли в 5 точках участка на расстоянии 5 метров от центральной дороги в приповерхностном слое на глубине 5 см и затем усредняли пробу. 

На первом этапе была подготовлена водная вытяжка почв и определено значение рН.

Приготовление водной вытяжки использовалась следующая методика: Пробы почвы массой 30 г, взвешенные с погрешностью не более 0,1 г, помещают в конические колбы объемом 250 см3. К пробам приливают цилиндром по 150 см3 бидистиллированной воды. Почву с водой перемешивают в течение 3 минут и оставляют для отстаивания. Полученную вытяжку сливают в химический стакан вместимостью 50 см3 и используют для измерения рН [9-10].

Таблица 3 – рН водной вытяжки различных районов города Усть-Каменогорска

Район

КШТ

Согра

Стрелка

Защита

рН

7,81

7,24

7,14

6,74

Для определения содержания тяжелых металлов был использован метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Для определения содержания тяжелых металлов в пробе для анализа необходимо распылить в пламени отдельно холостую раствор и пробу для анализа и измерить оптическую плотность для каждого элемента.

По полученному градуированному графику определяли концентрацию элемента, соответствующую оптическим плотностям пробы для анализа и холостого раствора.

Содержание тяжелых металлов (Х, мг/кг) рассчитывали по формуле:

   

где С – содержание металла, найденное по графику, мг

V0 – объѐм исходной вытяжки, см3

V1 – объем вытяжки, взятый для анализа, см3

m – навеска почвы, г

Таблица 4 – Концентрация тяжелых металлов в образцах почв г. Усть-Каменогорска

Район

Содержание тяжелых металлов в пробе

Свинец, мг/кг

Цинк, мг/кг

КШТ

74,03

81,29

Согра

72,76

91,13

Стрелка

63,81

77,02

Защита

138,34

126,42

Как видно из таблицы, наиболее загрязнённым районом по тяжелым металлам является Защита, наименьшие показатели по содержанию тяжелых металлов имеет район Стрелки. В Согре, по сравнению с районом КШТ, идет превышение концентрации цинка и меди, вместе с тем, показатель по свинцу для КШТ имеет значение немного выше.

По данным мониторинга окружающей среды уровни загрязнения превышают санитарно-гигиенические нормы, что сказывается на здоровье населения.

В связи с чем, необходимо разработать методы по снижению уровня загрязнения.

1.3 Способы снижения концентрации тяжелых металлов в почве 

На сегодняшний день существуют различные методы снижения концентрации тяжелых металлов в почве. К одному из них относится фиторемедиация, которая представляет собой высадку растений-аккумуляторов с последующим их удалением. Данный способ обуславливается способностями растений к фитостабилизации загрязняющих почву веществ в форму, которая будет недоступна для живых организмов; фитоэкстракции и аккумуляции загрязняющих веществ в надземных органах растений.

Сорбция тяжёлых металлов зависит от вида растений, химической характеристики металлов и характеристики почвы. Исследования показали, что представители растений-аккумуляторов принадлежат к различным семействам, таким как Asteraceae, Brassicaceae, Cunouniaceae, Fabaceae, Flacourtiaceae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae, Amarantháceae, Amarantháceae, Boraginaceae, Boraginaceae; большая группа растений-гипераккумуляторов так же принадлежит семейству Злаков Poaceae [11-12].

Связывание тяжелых металлов в комплексные соединения предохраняет от загрязнения не только растения, а также грунтовые и питьевые воды.

В садовых обществах для снижения уровня содержания тяжелых металлов можно использовать гуминовые кислоты или гуматы, которые являются также и удобрениями.

В молекулах гуминовых кислот представлены различные по природе функциональные группы: карбоксильные, карбонильные, фенольные и спиртовые, которые характеризует их реакционную спо­собность.

Механизм взаимодействия гуминовых кислот с катионами тяжелых металлов определяется как сорбционными процессами, так и процессами хелатного комплексообразования.

Обменная емкость поглощения является важной характеристи­кой гуминовых кислот в реакциях ионного обмена и определяется содержанием кар­боксильных и фенольных гидроксильных групп.

Известно, что карбоксильные ионы имеют более легкую поляризуемость, чем молекулы воды. Поэтому, при оценке избирательности поглощения ионов берут во внимание радиусы негидратированных катионов. Чем ниже коэффициент активности противоионов в фазе твердых гуминовых кислот, тем избирательней будет поглощение ионов. При этом поглощаются преимущественно двухвалентные катионы по сравне­нию с одновалентными.

Рисунок 1. Формула гуминовой кислоты по Драгунову [13]

Помимо реакций ионного обмена, при которых образуются растворимые и нерастворимые гуматы металлов, за счет водорода карбоксильных групп и фенольных гидроксилов, воз­можно одновременное протекание реакций, ведущих к образованию внутрикомплексных соединений с координационной связью между противоионом и карбоксильным остатком.

Проблемам, связанным с использованием гуминовых кислот в качестве комплексообразователя посвящено множество работ.

В данной работе рассматривается возможность уменьшения свинца в виде образования комплексов с тиомочевиной.

Тиомочевина в сельском хозяйстве активно применяется как неорганическое удобрение и фунгицид.

Атом серы тиокарбонильной группы находится в состоянии sp2-гибридизации и имеет на гибридных орбиталях две не поделённые электронные пары, что дает возможность тиомочевине обра­зовывать как моно – так и димерные комплексы с тяжелыми металлами[14]. В качестве примера, приведем комплекс свинца с тиомочевиной.

Рисунок 2. Ком
плекс свинца с тиомочевиной

1.4Влияние концентрации тиомочевины на снижение уровня тяжелых металлов

Эксперимент проводился на почвах садовых участков в районе «Защита» в июне 2020 года. Отбор проб осуществлялся на глубине 10 - 20 см. Проба усреднялась.

Таблица 5 – Анализ почвенного покрова в районе Защиты

Место отбора проб

Содержание свинца в почве/ мг/кг

Содержание цинка в почве/ мг/кг

Район Защиты

38,89

49,17

Как видно из таблицы, концентрация свинца зависит от места отбора проб, от расположения источника загрязнения (от промышленных предприятий и автомобильных дорог). Кроме того, использование удобрений и обработка почвы также влияют на содержание тяжелых металлов в почве.

Поэтому в почвах, находящихся на садовых участках, концентрация свинца и цинка имеет значение ниже, чем на придорожных участках.

При внесении тиомочевины различных концентраций в почву наблюдается изменение содержания тяжелых металлов. Один раз в неделю почву обрабатывали растворами тиомочевины с различной концентрацией. Эксперимент длился на протяжении 3-х месяцев. По окончанию эксперимента, в почвах было определено содержание металлов. В таблице 6 представлены результаты проведенного анализа.

Таблица 6 – Результаты эксперимента

Содержание тяжелых металлов в почве/ мг/кг в образце почвы после эксперимента / мг/кг

Концентрация тиомочевины, г/л

0,10

0,50

1,0

Pb

35,14

34,67

32,02

Zn

47,58

46,49

45,13

Из таблицы видно, что при использовании растворов тиомочевины наблюдается незначительное снижение концентрации тяжелых металлов в почве. С увеличением концентрации тиомочевины, происходит умение концентрации тяжелых металлов в почве. Вместе с тем, из таблицы 6 видно, что свинец в большей степени связывается, чем цинк. Вероятно, свинец обладает лучшей способностью образовывать комплексные соединения с тиомочевиной.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является огромной экологической проблемой современности. При этом особую опасность представляет загрязнение почв. Для снижения пагубного влияния накопления тяжелых металлов и других загрязнителей ведется контроль состояния почвенного покрова.

Контроль состояния почв в той или иной мере зависит от химического анализа. Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется развитию уже имеющихся методов анализа, разработке новых, а так же изучению вопроса химической очистки почвенных покровов без нанесения вреда окружающей среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы проведен литературный обзор, рассмотрены основные источники загрязнения окружающей среды города Усть-Каменогорска, проанализированы информационные бюллетени «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан» за 2018-2020 годы, отобраны образцы и определено содержание тяжелых металлов в почвах различных районах города Усть-Каменогорска, проведен сравнительный анализ данных по загрязнению города Усть-Каменогорска тяжелыми металлами.

Установлено, что наиболее загрязненным районом, из рассмотренных, по превышению содержания тяжелых металлов, является Защита, наименее загрязненным – Стрелка. Содержание свинца колеблется в пределах 63,81-138,34 мг/кг; цинка 77,02-126, 42мг/кг.

С целью снижения содержания тяжелых металлов в почве и растениях, в садовых обществах на загрязненных территориях города можно использовать гуминовые кислоты, гумины, а также тиомочевину, которые могут связывать тяжелые металлы в устойчивые комплексы.

В работе рассматривается способность различных концентраций тиомочевины изменять содержание тяжелых металлов в почве.Свинец в большей степени связывается, чем цинк, что обусловлено лучшей способностью к комплексообразованию с тиомочевиной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Середа Л.О. Эколого-геохимическая оценка техногенного загрязнения почвенного покрова промышленных городов / Л.О. Середа, С.А. Куролап, Л.А. Яблонских. - Воронеж: Издательство «Научная книга», 2018. – 196 с.

Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. -2014.- 194 с

Джувеликян Х. А., Щеглов Д. И., Горбунова Н. С. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв. Учебно-методическое пособие для вузов: Издательство: Воронежский государственный университет.- Воронеж.-2009.-22c.

Медведев И.Ф., Деревягин С.С. Тяжелые металлы в экосистемах: Издательство: Ракурс.- Саратов.- 2017. – 178 с.

Скипин Л.Н. Загрязнение кадмием и свинцом почв в зоне автомагистрали // Плодородие. 2007 №3. С. 18-21.

Информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан».Департамент экологического мониторинга РГП «Казгидромет» -Астана. -2018.-409с.

Информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан».Департамент экологического мониторинга РГП «Казгидромет» - Астана, 2019-372с.

Информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Республики Казахстан».Департамент экологического мониторинга РГП «Казгидромет» - Астана, 2020-316с.

9. Пименова Е.В., Леснов А.Е. Химические методы в агроэкологическом мониторинге почвы: Учебное пособие / Е.В. Пименова, А.Е. Леснов, ФГОУ ВПО Пермская ГСХА.- Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2008.- 145 с

10. Воробьева Л.А. Химический анализ почв: Учебник. — М.: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.

11. Андреева И. В., Байбеков Р. Ф., Злобина М. В. Фиторемедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами. Электронный ресурс. Режим доступа: [https://cyberleninka.ru/article/n/fitoremediatsiya-pochv-zagryaznennyh-tyazhelymi-metallami-1]

12. Коротченко И.С. Фиторемедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами (Co, Ni). Электронный ресурс. Режим доступа: [http://www.kgau.ru/new/all/konferenc/konferenc/2013/b5.pdf]

13. Кухаренко Т.А. О молекулярной структуре гуминовых кислот.// Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993.-36-43с.

Поликарпова Ю.С.Комплексообразование кадмия и свинца (II) с тиомочевиной, состав и свойства гидрохимически осажденных пленок на пористом стекле. Автореферат диисертации. Екатеринбург, 2006.- 24с.

Просмотров работы: 47