15265 (Изучение влияния соединений тяжёлых металлов на почву и растения (на примере соединений кадмия и свинца)), страница 2

Оксиды Mn так же связывают растворённый свинец, рН влияет на этот процесс в существенно меньшей степени. Практически не оказывает на него влияния и изменения поверхности твёрдой фазы. От 20 до 93% свинца, поглощённого свежеосаждёнными оксидами марганца, не удавалось экстрагировать 25% уксусной кислотой, а после «состаривания» в течение 28 недель для доля этой неэкстрагируемой фракции возросла до 37 – 100% поглощения Pd (II). Для свежеосаждённого и «состаренного» гетита доля экстрагируемого такой кислотой свинца составляла, соответственно, 10 – 44 и 19 – 62%. Можно сделать вывод о том, что при взаимодействии свинца даже с простыми сорбентами часть его оказывается более прочно связанной, а часть менее, то есть, проявляется неоднородность «сорбционных центров».

Чтобы заряд поверхности частиц оставался неизменным, поглощение свинца почвами и их составляющими должно сопровождаться вытеснением в раствор каких то других ионов. Связывание 1 моль Pb (II) гидроксидами Mn при рН 4, по данным [11], приводит к вытеснению H⁺ в количестве 1 моль для бирнессита и 1,3 моль для криптомелона. Для гидроксидов железа (гематита и петита) это отношение составило соответственно 1,3 и 2 моль. Авторами работы [11], выдвинуто предположение о том, что поглощение свинца из кислых растворов происходит в соответствии с уравнением:

SOH⁰ + Pb²⁺ = [SO – Pb ²⁺] + H⁺, (1)

где SOH⁰ – незаряженный участок поверхности, а формула в квадратных скобках отражает поглощенную форму катиона свинца.

С ростом рН можно ожидать поглощение моногидроксокомплекса:

SOH⁰ + Pb ²⁺ + Н2О = [SO^- - Pb(OH)2] + 2Н⁺ (2)

С дальнейшим поверхностно - индуцированным межфазным осаждением гидроксида металла в соответствии с выражением:

S + Pb ²⁺ + 2 Н2О = [S - Pb(OH)2] + 2Н⁺ (3)

Для оксидов железа резкое увеличение поглощения в узком диапазоне рН автор приписывает достижению уровня рН, при котором становится возможным поглощение PbOH⁺. Соединения в составе которых есть свинец на поверхности оксидов – гидроксидов, относят к поверхностным внутрисферным комплексам.

Почвы с большим содержанием гумуса не проявляли большей селективности по отношению к Pb ²⁺. Наиболее селективными сорбентами оказались оксиды железа.

«Сверх – эквивалентное» поглощение обнаружено, согласно [13], при связывании почвами других катионов, например катионов меди. В соответствии с данными исследований [14], поглощение катионов почвами принято подразделять на «неспецифическое» и «специфическое». Под «неспецифическим» обычно понимают связывание катионов за счёт действия электростатических сил в двойном электрическом слое, а «специфическое» относят за счёт формирования координационных связей с поверхностью через атомы кислорода или группы – ОН. «Сверх – эквивалентное» поглощение происходит именно за счёт механизма, неселективного поглощения по отношению к ионам Pb ²⁺.

Об особенностях механизма связывания свинца почвами, подтверждающих гипотезу [14], можно судить по тому, что его величина не пропорциональна ёмкости катионного обмена.

Предложены и другие гипотезы механизма поглощения свинца в почвах. В частности, другим типом взаимодействия может быть образование комплексов свинца с органическим веществом, сорбированными на поверхности глинистых частиц. Высказывается мнение о том [3,12], что роль глинистой фракции в поглощении свинца незначительна по сравнению с ролью органического вещества.

Роль органического вещества неоднозначна и с другой точки зрения [12]: выделенные из почв гуминовые кислоты прочно связывали часть свинца, но 65% удержанного ими свинца оказывались в обменной фракции.

Выделяемая 1н. HNO₃ фракция свинца, по мнению авторов [12] , входит в состав комплексных соединений с гуминовыми кислотами. Катионы Pb ²⁺ могут быть связаны с гуминовыми кислотами либо через карбоксильные, либо через гидроксильные группы.

Недиссоциированные слабокислые ОН – группы сахаров и фенолов также, возможно, участвуют в образовании таких комплексов.

Итак, на основе приведённых данных подтверждённые и гипотетические механизмы поглощения свинца можно представить в виде схемы, показанной в таблице 2.

Таким образом, на современном этапе исследования механизмов поглощения металла можно утверждать, что, во-первых, существуют некоторые условные фракции свинца в почвах, которые нельзя отнести к тем или иным химическим соединениям. Во-вторых, в зависимости от свойств почв металл можно сделать практически полностью недоступным для растений и иммобильным.

Таблица 2

Механизмы поглощения Рb(II) в почвах

1.1.2 Содержание кадмия в почвенных растворах

В почвы кадмий поступает в составе отходов, образующихся, при добыче и переработке цинковых, свинцово-цинковых, медно-цинковых руд, а также в виде примесей оксидов, сульфидов и иных галогенидов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, попадает с суперфосфатом, как примесь, и входит в состав фунгицидов. Он добавляется для прочности в пластмассу и при её сжигании в мусоре попадает в биосферу. Основной источник загрязнения почвы кадием -–добыча и металлургия цинка, а также производство красок и электротехнической продукции. Распространенность Сd в магматических и осадочных породах не превышает 0,3 мг/кг. Этот элемент, по-видимому, концентрируется в глинистых осадках и сланцах. Геохимия Сd тесно связана с геохимией Zn, но кадмий обнаруживает большую, чем Zn, подвижность в кислых средах. При выветривании Cd легко переходит в раствор, где присутствует в виде Cd²⁺. Он может образовывать также комплексные ионы (CdCl,⁺ CdOH,⁺ CdHCO_3,⁺CdCl₃^-, CdCl₄^2-,Cd(OH)₃^-, и Cd(OH)₄^2-) и органические хелаты. Главное валентное состояние Cd+2 в природных средах, и наиболее важные факторы, контролирующие подвижность ионов Cd, - это pH и окислительно-восстановительный потенциал. В сильно окислительных условиях Cd способен образовывать собственные минералы (CdO, CdCO₃ ), а также накапливаться в фосфатах и биогенных осадках.

Главный фактор, определяющий содержание Cd в почвах, - это химический состав материнских пород. Среднее содержание кадмия в почвах, по данным [17,19], лежат между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах, по-видимому, не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание металла в верхнем слое почв.

Кадмий, подобно ванадию и цинку, аккумулируется в гумусовой толще почв. Вынос его за пределы почвенного профиля невелик. Характер распределения в почвенном профиле и ландшафте, видимо, имеет много общего с другими металлами, в частности, с ходом распределения свинца. Однако кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец. Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой ёмкостью поглощения.

В почвах лёгкого механического состава и обеднённых гумусом процессы миграции кадмия усиливаются.

В последние годы широко исследовалась сорбция различных форм Cd компонентами почв. Было установлено[18, 23, 24], что в связывании кадмия ведящим процессом является конкурирующая адсорбция на глинах. Данные ряда авторов [18] подтверждают мнение, что именно адсорбция, а не осаждение контролируют концентрацию Cd в почвенных растворах до тех пор, пока не будет превышена некоторая предельная величина рН при рН выше 7,5 сорбированный почвой Cd перестаёт быть легкоподвижным, поэтому контролировать его подвижность в почве будут растворимость CdCO₃ и, возможно, Cd₃(PO₄)₂.

Растворимость Cd, по-видимому, сильно зависит от рН, однако важное значение имеет также природа сорбирующих поверхностей и органических лигандов. Адсорбция Cd на органическом веществе, а также оксидах Fe и Мп была детально изучена рядом исследователей[18].Все полученные данные приводят к выводу, что в любой почве активность Cd сильно зависит от рН. В кислых почвах органическое вещество и полуторные оксиды могут в значительной степени контролировать растворимость Cd, а в щелочных почвах при рассмотрении равновесий с участием Cd надо, по-видимому, учитывать осаждение кадмиевых соединений.

Концентрация Cd в почвенных растворах относительно низкая и, по имеющимся данным [18], составляет 0.2-6 мкг/л. Гораздо более высокое значение (300мкг/л) вероятно, указывает на заражение почвы. В почвах, развивающихся в условиях гумидного климата миграция Cd вниз по профилю более вероятна, чем его накопление в поверхностном горизонте почв, поэтому часто наблюдаемое обогащение кадмием поверхностных слоёв должно быть связано с загрязнением. Загрязнение почв кадмием рассматривается как наиболее серьёзная опасность для здоровья и поэтому для охраны окружающей среды было проведено изучение ряда методов, предназначенных для управления режимом обогащенных Cd сельхоз. угодий. Как и в случае цинкового заражения почв, эти методы основаны на повышении рН и катионообменной емкости почв. Известкование в целом рассчитано на ослабление поглощения Cd при увеличении рН почвы, но оно эффективно не для всех почв и растений. Наиболее надежные результаты по снижению биодоступности Cd были получены при насыпке поверх загрязненной почвы слоя незаражённой почвы толщиной до 30 см.

1.1.3 Поглощение соединений Cd (II) и перенос их растениями

Считается, что Cd не входит в число необходимых для растений элементов, однако он эффективно поглощается как корневой системой, так и листьями. Растворимые формы Cd в почве всегда легко доступны растениям. Заметная доля Cd поглощается корнями пассивно, но поглощаться может также и метаболическим путём [18, 25, 27]. Усиление обработки кадмием постепенно снижает его долю, перемещающуюся в поверхностные части молодых листьев. При этом Cd локализуется главным образом в корнях, и, в меньших количествах, - в узлах стеблей, черенках и главных жилках листьев.

Известно, что большая часть Cd аккумулируется в тканях корней, даже если он попадает в растения через листья. Перенос кадмия в растении может иметь ограниченные масштабы из-за того, что он легко захватывает большинство обменных позиций в активных веществах, расположенных на клеточных стенках.

Кадмий считается токсичным элементом для растений, и основная причина токсичности связана с нарушением энзиматической активности. Подавляется образование и хлорофилловых пигментов у растений, обработанных кадмием. Видимые симптомы заражения – это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев, красно-бурая окраска их краёв или прожилков. Фитотоксичность кадмия проявляется в тормозящем действии на фотосинтез, нарушение транспирации и фиксации СО₂, изменении проницаемости клеточных мембран.

Содержащийся в растениях кадмий представляет наибольшую опасность, так как может служить источником поступления в организмы человека и животных. Поэтому толерантность и адаптация некоторых растительных видов к повышенным содержаниям кадмия, хотя они и возможны с точки зрения охраны окружающей среды, представляют угрозу для здоровья человека.

Таким образом, представленные в литературе сведения указывают на недостаточную изученность химических форм Cd в почве и почвенном растворе. Предполагается, что доминирующей формой Cd в почвенном растворе в широком диапазоне рН является ионная и гидратированная форма, связанная с минеральными частицами почвы.

1. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжёлых металлов

В настоящее время существует два главных подхода к изучению соединений ТМ и, соответственно, две группы методов, позволяющих оценить их содержание в почвах.