Текст работы

Дальневосточный Федеральный Университет

Тема: Биогеохимические циклы тяжёлых металлов в ландшафтах

Выполнила:
студентка 3го курса
ШЕН группы Б8312
Громова К.Ю.

г. Владивосток - 2014 г.

Введение

Актуальность изучения биогеохимических циклов тяжёлых металлов в агроландшафтов заключается в том, что из-за малого багажа знаний большинство фермеров при чрезмерном использовании удобрении загрязняют почвы тяжёлыми металлами, которые частично попадают в растения, которые мы используем, как пищу, тем самым отравляем свой организм. Так же размещение земель сельскохозяйственного назначения рядом с железными, автомобильными дорогами, заводами и др. приносит большой вред человеку и почве.
Целью данной курсовой работы является получение знаний о биогеохимических циклах тяжелых металлов в агроландшафтах, что собой представляют тяжелые металлы.
Задачи:
)раскрыть понятия о тяжёлых металлах и агроландшафтах;
)показать причины появления металлов в больших концентрация в почвах, в результате чего они становятся губительными для окружающей среды;
)изучить биогеохимические циклы тяжёлых металлов.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40. Так сложилось, что термины "тяжелые металлы" и "токсичные металлы" стали синонимами.
На сегодняшний день безоговорочно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму. Деятельность значительной части остальных в живых организмах можно оценить только на "отлично". Действительно, металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co. Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации. Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы. [9].
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.[4]
При кажущейся ясности понятия "тяжелые металлы" его значение следует определить более четко из-за встречающихся в литературе неоднозначных оценок. Термин "тяжелые металлы" связан с высокой относительной атомной массой. Эта характеристика обычно отождествляется с представлением о высокой токсичности. Одним из признаков, которые позволяют относить металлы к тяжелым, является их плотность. В современной цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы - плотность 7,14-21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.) и легкие цветные металлы - плотность 0,53-3,5 г/см3 (литий, бериллий и др.). [8]
Согласно одной классификации, к группе тяжелых металлов принадлежит более 40 элементов с высокой относительной атомной массой и относительной плотностью больше 6. По другой классификации, в эту группу включают цветные металлы с плотностью большей, чем у железа (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, олово, сурьма, висмут, ртуть).
Согласно сведениям, представленным в "Справочнике по элементарной химии" под ред. А.Т.Пилипенко (1977), к тяжелым металлам отнесены элементы, плотность которых более 5 г/см3. Если исходить из этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов Периодической системы элементов. Среди этих 43 металлов 10 обладают наряду с металлическими свойствами признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической системы, являющиеся р-элементами), поэтому более строгим был бы термин "тяжелые элементы", но в данной публикации мы будем пользоваться общепринятым в литературе термином "тяжелые металлы".[5]
Таким образом, к тяжелым металлам относят более 40 химических элементов с относительной плотностью более 6. Число же опасных загрязнителей, если учитывать токсичность, стойкость и способность накапливаться во внешней среде, а также масштабы распространения указанных металлов, значительно меньше.

Таблица 1. Основные загрязнители окружающей среды и их источники

Загрязнитель	Источник
1. СО2	энергетика, промышленность, отопление
2. СО	металлургия, нефтеперерабатывающая промышленность, транспорт
3. SO2	энергетические и промышленные предприятия
4. NO2, NO	двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, домны, химическая промышленность
5. Фосфаты	химические моющие средства, удобрения, сельское хозяйство
6. Hg	отходы лакокрасочной промышленности, обогащение руд, целлюлозно-бумажная промышленность
7. Pb	химическая промышленность, горнодобывающая промышленность, двигатели внутреннего сгорания, пестициды
8. Нефть	нефтеперерабатывающая промышленность, перевозка по морю, сбросы
9. ДДТ и пестициды	сельское хозяйство
10. Радиация	производство ядерного топлива, атомная энергетика

Прежде всего, представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.[1]

Формы нахождения в окружающей среде

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной элементной форме (ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимущественно их субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли никеля и кобальта - из крупнодисперсных частиц (более 1 мкм), которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива. В водных средах металлы присутствуют в трех формах: взвешенные частицы, коллоидные частицы и растворенные соединения. Последние представлены свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими (гуминовые и фульвокислоты) и неорганическими (галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты) лигандами. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывает гидролиз, во многом определяющий форму нахождения элемента в водных средах. Значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии. [13]
Сорбция тяжелых металлов донными отложениями зависит от особенностей состава последних и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в донных отложениях и биоте. В почвах тяжелые металлы содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной формах. Водорастворимые формы, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическим комплексными соединениями. Кроме того, ионы тяжелых металлов могут быть связаны с минералами как часть кристаллической решетки. [12]

Таблица 2. Биогеохимические свойства тяжелых металлов

Свойство	Cd	Co	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
Биохимическая активность	В	В	В	В	В	В	В
Токсичность	В	У	У	В	У	В	У
Канцерогенность	-	B	-	-	B	-	-
Обогащение аэрозолей	B	H	B	B	H	B	B
Минеральная форма распространения	B	B	H	B	H	B	H
Органическая форма распространения	B	B	B	B	B	B	B
Подвижность	B	H	У	В	Н	В	У
Тенденция к биоконцентрированию	В	В	У	В	В	В	У
Эффективность накопления	В	У	В	В	У	В	В
Комплексообразующая способность	У	Н	В	У	Н	Н	В
Склонность к гидролизу	У	Н	В	У	У	У	В
Растворимость соединений	В	Н	В	В	Н	В	В
Время жизни	В	В	В	Н	В	Н	В
В- высокая, У - умеренная, Н - низкая

Агроландшафты

Преобладающими химическими элементами, как в биосфере, так и в любой слагающей ее экосистеме являются углерод, водород, кремний, кислород, азот, кальций, фосфор, железо и сера.

Табл.3.Среднее содержание некоторых химических элементов в земной коре, почвах и организмах (% по массе, данные на 1968).[12]

Химические элементы	Земна кора (осадочные породы)	Почвенный покров	Организмы (растения)
В	1*10-2	1*10-3	1*10-4
С	1,0	2,0	18,0
N	6*10-2	1*10-1	3*10-1
O	52,8	49,0	70
F	5*10-2	2*10-2	1*10-5
Na	0,66	0,63	2*10-2
Mg	1,34	0,63	7*10-2
Mg	1,34	0,63	7*10-2
Si	23,8	33,0	1,5*10-1
P	7*10-2	8*10-2	7*10-2
S	3*10-1	8*10-2	5*10-2
Cl	1,6*10-2	1*10-2	10-2
К	2,28	1,36	3,10-2
Ca	2,53	1,37	3´10-1
Ti	0,45	4,6*10-1	1*10-4
Mn	6,7*10-2	8*10-2	1*10-3
Fe	3,3	3,8	2*10-2
Cu	5,7*10-3	2*10-3	2*10-4
Sr	4,5*10-2	3*10-2	10-4
Zr	2*10-2	3*10-2	10-4
I	1*10-4	5*10-4	1*10-5
Ba	8*10-2	5*10-2	10-4
U	3*10-4	5*10-5	5*10-7

Агроландшафты - это техногенная ландшафтно-геохимическая система, основу которой составляют земледельческие площади и искусственно созданные биотические сообщества.
Агроландшафты представляют особый отряд техногенных ландшафтов, важнейшей геохимической характеристикой которого, как и в большинстве природных ландшафтов, служит биологический круговорот атомов, отличающийся от исходных биогенных ландшафтов: запасы и структура фитомассы полностью трансформируются, сильно трансформируется круговорот азота и других биогенных элементов.
Главное назначение агроландшафта - производить максимум сельскохозяйственной продукции - вступает в противоречие с загрязнением среды, возникающим в результате химизации и других видов агротехногенеза. Так, основным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафты являются нестандартизованные удобрения, отличающиеся высоким уровнем содержания комплекса металлов. Тяжелые металлы включаются в местные миграционные циклы и частично выносятся за пределы агроландшафтов. Данные указывают на селективную концентрацию в растениях приоритетных токсикантов (Hg, Cd, Pb). В то же время растения обладают защитным механизмом против высоких концентраций тяжелых металлов. Поэтому при экологических оценках агроландшафтов необходимо учитывать видовую биогеохимическую специализацию сельскохозяйственных культур.
Методика агроэкологической группировки земель и оценки экологического состояния почв. [11].
На основе материалов специальных обследований и изысканий (почвенных, геоботанических, гидрогеологических, агрохимических и др.), земельно-учетных и земельно-оценочных данных, фактического использования каждого участка все земли объединяют в группы. При этом руководствуются двумя принципами: множество почвенных разновидностей должно быть сведено в возможно меньшее число внутренне однородных групп; эти группы должны существенно различаться между собой в агрономическом отношении.
В основу агроэкологической группировки земель положены условия расположения почв по рельефу; энергетическая близость объединяемых почв; однородность геоморфологических и гидрологических условий; сходство по гранулометрическому составу; однородность водных, воздушных и тепловых режимов; близость показателей, определяющих питательный режим; однородность физико-химических свойств; сходство показателей, определяющих особенности обработки почв.
С учетом вышеизложенного все пахотные и пахотнопригодные почвы. Нечерноземной зоны целесообразно объединить в 5 групп:
.группа - пахотные земли универсального назначения. К ним относятся неэродированные земли, расположенные на дренированных водоразделах и на склонах крутизной до 3. Эта группа объединяет супесчаные, легко- и среднесуглинистые почвы на карбонатных и бескарбонатных отложениях. Рельеф и почвенноагрохимическая характеристика почв дают возможность возделывать все районированные культуры;
.группа - пахотные земли, имеющие агрофизические и физико-химические свойства, которые исключают возделывание отдельных районированных культур. Эта группа объединяет тяжелосуглинистые и глинистые почвы, включая слабодренированные, кратковременно переувлажняемые, каменистые;
. группа - пахотные земли, расположенные на склонах с уклонами 3-5, преимущественно со слабо- и среднесмытыми почвами. На них исключается возможность выращивания пропашных культур и размещения паров. На этих землях размещают группы культур, обладающих почвозащитными свойствами (культуры сплошного посева: озимые и яровые зерновые, зерновые бобовые, однолетние травы, смешанные посевы зерновых культур, пожнивные посевы озимых культур и др.);
. группа - пахотные земли ограниченного использования. В эту группу объединяют земли, расположенные на склонах с уклонами 5-8, преимущественно со средне- и сильносмытыми почвами. На них выращивают группы культур, обладающих средними и высокими почвозащитными свойствами (зерновые, однолетние и многолетние травы), и применяют специальные приемы почвозащитной технологии обработки;
. группа - малопригодные пахотные земли, расположенные на склонах с уклоном свыше 8, это в основном средне- и сильносмытые почвы и комплексы смыто-намытых почв, а также почвы с неудовлетворительными физико-механическими и агрохимическими свойствами для большинства районированных культур, имеющие неблагоприятный водный режим и технологические свойства.