Изучение содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах Челябинской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нефёдова Е.А. 1

---

1МАОУ "Гимназия № 26", г. Миасс

Игуменцева О.В. 1

---

1МАОУ "Гимназия № 26", г. Миасс

Работа в формате PDF

186.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В.В. Докучаев назвал почвы «зеркалом ландшафта», поскольку почвы являются самым главным выразителем особенностей природы данной территории. Почва определяет растительный покров и сама зависит от него. Взаимодействие этих двух компонентов в условиях данного рельефа и климата создаёт облик ландшафта.

Почва – колоссальное вечное природное богатство, неиссякаемый источник, обеспечивающий человека продуктами питания, животных – кормами, а промышленность сырьем. Веками и тысячелетиями создавалась она, но существует невидимая угроза, которая ставит под удар и почвы, и все то, что они могут дать.

Цель: изучить содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Челябинской области в летний период

Объект исследования: почвенные пробы.

Предмет исследования: анализ почвенных проб.

Задачи:

1) Дать общую характеристику почв и ознакомиться с основными ее функциями.

2) Изучить влияние тяжелых металлов на живые организмы.

3) Ознакомится с методиками отбора проб и проведения эксперимента.

4) Определить содержание подвижных форм свинца, цинка, меди и железа в почвах Челябинской области.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Почва и ее функции

Почва – это особое природное образование, сформировавшееся в результате преобразования горных пород растениями и животными, т. е. в результате почвообразовательного процесса.

Важнейшим свойством почвы является плодородие.

Плодородие – способность, давать растениям питательные вещества: минеральные и органический компоненты, воздух и вода.

Наука, изучающая почву, называется почвоведением. Она изучает многообразие почвы на земном шаре, их происхождение, состав, свойства, в том числе плодородие, распространение и рациональное использование. Современное почвоведение возникло в России в конце 19 века. Основателем его был В. В. Докучаев. Он впервые показал, что почва обладает особым свойством – плодородием и состоит из живой и неживой частей. Это и отличает почву от горной породы.

Основоположником почвоведения считается Василий Васильевич Докучаев (1846-1903) [10].

Глобальные функции почвы многогранны и их несколько.

Первая и главная из них — это обеспечение существования жизни на Земле. Именно из почвы растения, а через них и животные, и человек получают элементы минерального питания и воду для создания своей биомассы. В почве аккумулируются необходимые организмам биофильные элементы в доступных для них формах химических соединений. В почве укореняются наземные растения, в ней обитает огромная масса почвообитающих животных, она плотно населена микроорганизмами.

Вторая важнейшая глобальная функция почвы — это обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов (циклов) веществ на земной поверхности. Через почвенный покров суши – эту тончайшую её поверхностную оболочку – идут сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой, гидросферой и всеми живущими в почве организмами.

Третья глобальная функция почвы — регулирование химического состава атмосферы и гидросферы.

Четвертая глобальная функция почвы — регулирование биосферных процессов, в частности плотности жизни на Земле, путем динамичного воспроизводства почвенного плодородия.

Пятая глобальная функция почвы — это аккумуляция активного органического вещества и связанной с ним химической энергии на земной поверхности [7].

1.2 Образование почвы

Почва — это многофазное природное тело, вещество которого представлено следующими физическими фазами: твердая, жидкая, газовая и живое вещество населяющих почву организмов

Твёрдая часть – это минеральные и органические частицы. Они составляют 80-98% почвенной массы и состоят из песка, глины, илистых частиц, оставшихся от материнской породы в результате почвообразовательного процесса.

Жидкая часть почвы или почвенный раствор – вода с растворёнными в ней органическими и минеральными соединениями. Воды в почве содержится от долей процента до 40-60%. Жидкая часть участвует в снабжении растений водой и растворёнными элементами питания.

Газообразная часть, почвенный воздух, заполняет поры, не занятые водой. Почвенный воздух содержит больше углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный воздух, а также метан, летучие органические соединения и др.

Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов (бактерии, грибы, водоросли и др.), представителей беспозвоночных (простейших, червей, моллюсков, насекомых и их личинок). Они обитают в основном в верхнем слое почвы, около корней растений, где добывают себе пищу. Некоторые почвенные микроорганизмы могут жить только на корнях [10].

1.2.1 Содержание химических элементов в почве

Почва состоит из минеральных, органических и органо-минеральных веществ. Источником минеральных соединений почвы являются горные породы, из которых слагается твердая оболочка земной коры — литосфера. Органические вещества поступают в почву в результате деятельности живых организмов, ее населяющих. Взаимодействие минеральных и органических веществ создает сложный комплекс органо-минеральных соединений почв. Минеральная часть составляет 80—90% и более массы почв и только в органогенных почвах снижается до 10% и менее.

Формы химических элементов в почве:

Углерод, азот, фосфор. Эти элементы принадлежат к числу важнейших органогенов. Присутствие их в почве (первых двух практически целиком) обязано воздействию живого вещества и процессам почвообразования [10].

Железо. Этот элемент присутствует в почвах в составе как первичных, так и вторичных минералов, являясь компонентом магнетита, хлоритов, глинистых минералов, минералов группы оксидов железа [7].

Наряду с перечисленными макроэлементами в почве в очень небольших количествах присутствуют рассеянные элементы и микроэлементы, чрезвычайно, однако, важные для жизнедеятельности растений. Валовое содержание этих элементов в основном связано с содержанием в почве первичных минералов, отчасти глинистых минералов и органического вещества.

Наблюдается следующая приуроченность важнейших микроэлементов и рассеянных элементов к первичным минералам: Ni, Со, Zn — авгит, биотит, ильменит, магнетит, роговая обманка; Сu — авгит, апатит, биотит, гранаты, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы; V — авгит, биотит, ильменит, мусковит, роговая обманка, сфен; РЬ — авгит, апатит, биотит, калиевые полевые шпаты, мусковит [3].

1.3 Химическое воздействие на почву

Химический состав почвы – это элементный состав минеральной части почвы, а также содержание в ней гумуса (верхний, плодородный слой земли), азота, углекислого газа и химически связанной воды.

Одним из видов антропогенного воздействия на почву является загрязнение почв. Основные загрязнители почв:

пестициды;

минеральные удобрения;

тяжелые металлы;

нефть и нефтепродукты.

Пестициды – химические препараты для борьбы с сорняками, вредителями и с болезнями растений.

Пестициды, попадая в почву при внесении, а также при обработке растений наземной и авиационной аппаратурой, уничтожают почвообитающих вредителей. Кроме того, они могут смываться с поверхности растений дождем.

Находясь в почве, пестициды могут отрицательно влиять на жизнедеятельность населяющих ее организмов, микробиологические процессы, а также на способность биосферы к самоочищению. В зависимости от условий почвенной среды, физико-химических свойств пестициды могут оставаться в неизмененном состоянии и сохранять свою токсичность в течение более или менее продолжительного времени [4].

Минеральные удобрения – неорганические соединения, содержащие необходимые для растений элементы питания в виде различных минеральных солей.

Минеральные удобрения провоцируют вымывание из почвы кальция, магния, цинка, меди, марганца и т.д., это влияет на процессы фотосинтеза, снижает устойчивость растений к заболеваниям. Применение минеральных удобрений ведёт к уплотнению почвы, снижению её пористости, к уменьшению доли зернистых агрегатов [7].

В ходе исследования ученые установили, что тяжелые металлы негативно влияют на свойства почв, потому что связываются с определенными группами белков и блокируют синтез ферментов почвенными микроорганизмами, растениями, животными. Особенно чувствителен к таким загрязнениям фермент уреаза — важный участник превращений азота в почве. Тяжелые металлы также подавляют активность дегидрогеназ, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции в ходе распада органических веществ. Именно поэтому на исследуемых участках с особенно сильным загрязнением цинком и медью ученые обнаружили высокую концентрацию водорастворимых органических веществ, ведь процесс их разложения нарушен [3].

Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.

Также, свинец не дает предшественникам фотосинтезирующих клеток правильно развиваться, из-за чего угнетается и рост растений.

Было обнаружено, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют некоторые вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг.

У человека и животных свинец откладывается в костях, волосах, печени, приводит к нарушениям обменов веществ, к функциональным и органическим изменениям в центральной и вегетативной нервной системы

В СанПин введено классификационное деление тяжелых металлов на 3 класса опасности (таблица 1) [2]

Таблица 1. Классы опасности химических загрязняющих веществ

ГЛАВА ΙΙ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальное исследование проводилось на базе природоохранного научно-исследовательского учреждения Российской академии наук «Ильменский государственный заповедник им. В.И. Ленина Уральского отделения РАН».

2.1 Подготовка и отбор проб

Для отбора проб мне понадобилось следующее оборудование: линейка, ёмкости (стаканчики 0,3 литра), лопатка и чёрный маркер. Для начала, я откапывала 5-7 см от поверхности земли, потом лопаткой набирала в стаканчик и маркировала. До исследования проб в лаборатории, образцы земли хранились в морозилке.

Отбор проб проводился в следующих пунктах отбора (п.о.) в период с 09.07.2021 г. по 27.08.2021 г.:

Таблица 1. Пункты отбора проб

Продолжение таблицы 1

2.2 Методика исследования (М 01-35-2000 от НПФ «Люмекс»)

Методика выполнения измерений массовой концентрации металлов в пробах вод, почв и донных отложений флуориметрическим методом с использованием анализатора жидкости «Флюорат – 02»

Методика, М 01-35-2000 от НПФ «Люмекс» Санкт-Петербург 2000 г., основана на измерении флуоресценции комплексного соединения металла, в частности цинка, свинца (и т.д.) при помощи анализатора жидкости «Флюорат-02».

Метод основан на образовании в сильнощелочной среде флуоресцирующего комплексного соединения металла с морином в присутствии маскирующих реагентов. Для выделения и концентрирования металла используют его сорбцию силикагелем при рН 6,0 с последующей десорбцией раствором соляной кислоты при нагревании.

Я наливала в кювету автоматической пробиркой уже подготовленную пробу (которую в свою очередь отстаивали 2-3 суток в дистиллированной воде).

Также, кювету до анализа и после, я ополаскивала дистиллированной водой. Дистиллированная вода — вода, очищенная от растворённых в ней минеральных солей, органических веществ и других примесей путём дистилляции.

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Предельно допустимая концентрация (или ПДК) – величина, характеризующая максимальное количество вещества, которое может находиться в объекте измерений в момент времени без вреда для живых организмов, и являющаяся основной величиной экологического нормирования содержания токсических веществ в природной среде.

Подвижная форма элементов характеризует количество вещества, которое легко переходит из почвы в воду, а также в растения через корневую систему. Именно с подвижными формами тяжелых металлов связаны отрицательные экологические последствия.

Содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов представляет собой важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническое состояние почвы и определяющий необходимость проведения мероприятий по ремедиации загрязненной почвы [8].

3.1 Результаты исследования содержания свинца в пунктах отбора проб

Свинец относится к особо токсичным тяжелым металлам. Наряду с мышьяком, кадмием и ртутью, свинец отнесен к классу высокоопасных для живых организмов веществ.

Результаты анализа почв на содержание свинца представлены в таблице 2.

Таблица 2. Содержание свинца в точках обора проб

Продолжение таблицы 2

Из таблицы мы видим, что ни одна из проб не превышает значение ПДК равное 6,0 мг/ дм³.

Но при этом следует отметить, что в черте городов, где наблюдается наибольшая антропогенная нагрузка, содержание свинца выше, чем в районах с низкой антропогенной нагрузкой.

Максимальное содержание свинца наблюдается в г. Карабаш – 2,45 мг/кг, на втором месте по загрязненности свинцом г. Челябинск – 1,25 мг/кг, на третьем месте г. Миасс (р-н Машгородок) – мг/кг. Минимальное содержание свинца фиксировалось в п.о. №1 – пос. Ленинск (рис.1). Эта точка отбора находится на максимальном удалении от жилой застройки и автомобильных дорог.

Рисунок 1. Содержание свинца в пунктах отбора проб

3.2 Результаты исследования содержания меди в пунктах отбора проб

Медь и цинк относятся к тяжелым металлам. Большая концентрация этих металлов (как и свинца, ртути) в почве негативно влияет на свойства её (почвы).

Результаты анализа почв на содержание меди представлены в таблице 3.

Таблица 3. Содержание меди в точках обора проб

Из таблицы мы видим, что ни одна из проб не превышает значение ПДК равное 3,0 мг/ кг.

Нужно отметить, что в зонах с низкой антропогенной нагрузкой наблюдается содержание меди выше, чем в зонах с высокой антропогенной нагрузкой. В п.о. № 1 (пос. Ленинск), находящемся вдали от автомобильных дорого содержание меди выше, чем в п.о. № 6 (г. Челябинск). Причиной такого явления могут быть, как считает В.Б. Ильин (1991 г.), генетические особенности почв, прежде всего специфика гранулометрического и минералогического составов, уровень гумусированности, реакция среды [].

Максимальное содержание меди в г. Карабаш – 0,9721 мг/кг, на втором месте – г. Миасс (р-н Машгородок) – 0,6080 мг/кг.

Минимальное содержание свинца зарегистрировано в п.о. №4 –

с. Кундравы (рисунок 2).

Рисунок 2. Содержание меди в пунктах отбора проб

3.3 Результаты исследования содержания цинка в пунктах отбора проб

Результаты анализа почв на содержание цинка представлены в таблице 4.

Таблица 4. Содержание цинка в точках обора проб

В г. Челябинске зафиксировано максимальное содержание цинка – 0,728 мг/кг, г. Миасс (р-н Машгородок) на втором месте – 0,205 мг/кг, пос. Ленинск занимает третье место по содержанию цинка в почве – 0,202 мг/кг.

В г. Карабаш минимальная концентрация цинка в почве – 0,007 мг/кг.

Рисунок 3. Содержание цинка в пунктах отбора проб

Ни одна из проб не превышает значение ПДК равное 23,0 мг/кг.

3.4 Результаты исследования содержания железа в пунктах отбора проб

Железо – это макроэлемент, содержащийся во многих минералах, который жизненно необходим растениям в большом количестве.

Результаты анализа почв на содержание железа представлены в таблице 5.

Таблица 5. Содержание железа в точках обора проб

Самая большая концентрация железа выделяется в пробе №8 – 4,3179 мг/кг. Далее, второе место занимает с. Кундравы – 2,0463 мг/кг. На третье место приходится г. Карабаш – 1,4702 мг/кг (рисунок 4).

Рисунок 4. Содержание железа в пунктах отбора проб

Если обратить внимание на данные таблицы 5, то мы увидим, что наибольшие концентрации железа наблюдаются в лесных районах, где практически нет антропогенного воздействия на почву. Но это также можно объяснить генетическими особенностями этих почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Почва – это особое природное образование, сформировавшееся в результате преобразования горных пород растениями и животными, т. е. в результате почвообразовательного процесса. Через нее идут сложнейшие процессы обмена веществом и энергией между земной корой, атмосферой, гидросферой и всеми живущими в почве организмами.

Содержание в почве подвижных форм тяжелых металлов представляет собой важнейший показатель, характеризующий санитарно-гигиеническое состояние почвы и определяющий необходимость проведения мероприятий по ремедиации загрязненной почвы.

Свинец относится к особо токсичным тяжелым металлам. Наряду с мышьяком, кадмием и ртутью, свинец отнесен к классу высокоопасных для живых организмов веществ.

Растения слабо усваивают свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что он находится в виде малорастворимых соединений. Но при этом он способен аккумулироваться в организмах животных и оказывать негативное воздействие на них.

Большая концентрация меди и цинка в почве негативно влияют на ее свойства. Но в то же время они являются микроэлементами, и жизненно необходимы растениям в небольших концентрациях.

Железо играет ведущую роль среди всех содержащихся в растениях тяжелых металлов. Оно необходимо для нормального функционирования и жизнедеятельности живых организмов, в том числе и растений. Однако при повышенных содержаниях в растениях может стать опасным.

В результате исследования содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах Челябинской области было выяснено, что ни один показатель не превысил ПДК.

При этом было отмечено, что наибольшая концентрация тяжелых металлов наблюдается в пунктах с высокой антропогенной нагрузкой

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) ГОСТ Р 58595 – 2019 Почвы. Отбор проб

2) СанПиН 2.1.7.1287-03. Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы и грунтов

3) Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. В 16 Почвоведение: Учебник для вузов. — Москва: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. — 496 с. (Серия «Учебный курс»)

4) Влияние пестицидов на окружающую среду [Электронный ресурс]: дата обращения 16.02.2022 https://agromage.com/stat_id.php?id=982#:~:text

5) Высоцкая Е.А., Барышникова О.С. Анализ подвижных форм тяжелых металлов в почвах придорожных агроценозов подсолнечника [Электрон. ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. – 2021. – №3.

6) Минеральные удобрения: польза и вред [Электронный ресурс]: дата обращения 16.02.2022 https://soz.bio/mineralnye-udobreniya-polza-i-vred/

7) Почвоведение. Учеб. для ун-тов. В 2 ч./Под П65 ред. В. А. Ковды, Б. Г. Розанова. Ч. 1. Почва и почвообразование/Г. Д. Белицина, В. Д. Васильевская, Л. А. Гришина и др. — М.: Высш. шк., 1988. — 400 с: ил

8) Подвижные формы тяжелых металлов в почве. Строительный портал.

[Электронный ресурс]: дата обращения 16.03.2022 http://industry-portal24.ru/tyazhelye-metally/4440-podvizhnye-formy-tyazhelyh-metallov-v-pochve.html

9) Семенова И.Н., Биктимерова Г.Я., Ильбулова Г.Р., Исанбаева Г.Т., Семенова И.Н. Содержание тяжелых металлов в почве окрестностей карьеров челябинской области // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-1.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18973 (дата обращения: 17.03.2022).

10) Энциклопедический словарь юного землевладельца/ Э 61 Сост. А. Д. Джахангиров, В. П. Кузьмищев.– М.: Педагогика, 1983-368 с., ил.