Общая экология. Природопользование. Раздел : воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества


№ 706

           МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

                   ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ
Технологический университет

МИСиС

Кафедра теплофизики и экологии металлургического производства


Т. В. Черненькова, А.М. Степанов








ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ
ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ


Раздел: Воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества


Курс лекций

для студентов специальностей 3301, 3302


Рекомендовано редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия












МОСКВА 2001

УДК 504.7.05 Ч 49


Ч 49 Т. В. Черненькова, А.М. Степанов. Общая экология. Природопользование. Раздел: Воздействие тяжелых металлов на растительные сообщества: Курс лекций - М: МИСиС, 2001. - 53с.







        В курсе лекций содержится обзорный материал по естественным и антропогенным источникам тяжелых металлов в биосфере, а также оригинальные данные по реакции растительности на атмосферные выбросы металлургических предприятий. Приведенные результаты по оценке воздействия загрязняющих веществ на лесные сообщества дают базовое представление о процессах их деградации.
        Пособие предназначено для студентов специальностей 3301 и 3302.




                              © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2001

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ..............................................4
1. Естественные и антропогенные источники тяжелых металлов в биосфере.............................................6
2. Реакция лесных сообществ на избыточное содержание тяжелых металлов в окружающей среде ............... 19
   2.1. Объекты исследования.........................20
   2.2. Методы исследования ........................ 20
   2.3. Оценка трансформации лесных сообществ в окрестностях металлургических комбинатов...................... 31
ВЫВОДЫ ............................................. 44
ЛИТЕРАТУРА...........................................48

3

                ВВЕДЕНИЕ




      В ряду важнейших экологических проблем, связанных с преобразованием поверхности Земли в результате антропогенной деятельности, стоит проблема предотвращения деградации лесных массивов в результате химического загрязнения атмосферы. На глобальном уровне, в пределах стран и целых континентов причиной повреждения лесов являются “кислотные дожди”¹, вызывающие снижение жизненного состояния древесных пород, сокращение видового разнообразия флоры и фауны, ухудшение плодородия почв. На импакт-ном уровне (зона максимального воздействия), в окрестностях локальных источников загрязнения повреждение экосистем проявляется более резко, вплоть до полной деградации природных комплексов и формирования “антропогенной пустыни”.
      Тяжелые металлы, входящие в группу основных типов загрязняющих веществ, представляют наибольшую опасность из-за высокой токсичности их избыточных количеств, пролонгированности и практической не выводимости из системы: почва - растения - животные - человек. Тяжелыми металлами называются цветные металлы с плотностью, большей чем у железа: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. Понятие «микроэлементы» более широкое и отражает в своем определении в основном биологический аспект. Они определяются как группа химических элементов, содержащихся в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже), и необходимых для нормальной жизнедеятельности живых объектов. Насчитывают свыше 30 металлов и неметаллов. Таким образом, понятие «тяжелые металлы» является более узкими, чем понятие «микроэлементы».
      В данной работе мы будем использовать в разных аспектах как термин «тяжелые металлы», так и термин «микроэлементы». Значение микроэлементов в жизни живых организмов и в частности растений, достаточно известно - это их участие в важнейших биохимических процессах фотосинтеза, образования органо-минеральных соединений, дыхания, трансформации вещества и т.д. Как недостаток, так и избыток микроэлементов в почвах приводит к различным ¹

         ¹ “Кислотные дожди” имеют рН < 5,0. Кислотность осадков обусловлена повышенным содержанием SO2-4, NOₓ и различных органических кислот в среднем до 60, 34 и 6%, соответственно [45]. Кислотность может быть повышена металлами, играющими роль катализаторов. Термин “кислотные дожди” традиционно употребляется также в случае общего загрязнения воздуха.

4

отклонениям в развитии растений [19]. Таким образом, с одной стороны загрязнение среды устраняет ограничение в потреблении растениями необходимых металлов, а с другой - при повышенном поступлении металлов могут быть достигнуты токсические уровни.
       Понятие “токсичность” в экологическом контексте относится к химическому влиянию веществ, которые понижают жизнедеятельность видов и популяции, а также изменяют взаимоотношения между популяциями. Главный интерес при изучении токсичности традиционно был сконцентрирован на возможном летальном эффекте. Однако для того чтобы понять долговременные последствия загрязнения экосистем, важно определить и сублетальные эффекты. Их различают по следующим признакам: морфологическим изменениям; скорости роста организма и репродуктивной скорости; изменению способности эффективно конкурировать с другими организмами, генетическим модификациям и т.д.
       В настоящее время инструментальные методы определения химического состава среды достаточно развиты и применяются особенно успешно при работе с такими компонентами биосферы, как атмосферный воздух, воды, снег. Однако при анализе изменения биологических объектов использование лишь аналитических методов не достаточно, так как состояние живых организмов и целых сообществ не всегда адекватно уровню загрязнения среды, к тому же оно варьирует у различных таксонов. Поэтому только средствами биологического мониторинга может быть получена ответная реакция живых организмов на изменение среды обитания, в данном случае на изменение ее химического состава. Мы разделяем мнение Х.Х.Трасса [35] выделяющего следующие три преимущества экологического (биологического) мониторинга по сравнению с физико-химическими методами исследования:
       -   не требует дорогостоящего оборудования;
       -   позволяет получить интегральные оценки;
       -   дает возможность характеризовать большие территории.
       В данном пособии обобщены различные методы биомониторинга растительных сообществ, подверженных техногенной нагрузки, и предложен собственный подход к изучению растительных систем, находящихся в условиях экстремального химического воздействия, основанный на получении комплексных количественных данных, характеризующих степень деградации растительных сообществ с учетом ценотических связей различных групп растений.
       Данная работа выполнена при поддержке научнотехнической программы “Биоразнообразие” (2.20.06).

5

                1.         ЕСТЕСТВЕННЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОСФЕРЕ




      Общая картина загрязнения воздушного бассейна Земли выглядит достаточно серьезно. Всего, по оценкам экспертов, ежегодно в воздух выбрасывается от 9 до 16. млрд. т газов и пыли [57]. По данным, представленным на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Женейро в 1992 г. (Программа действий, 1993), выбросы в атмосферу на текущее десятилетие таких загрязняющих веществ, как CO, SOx, NOx, взвешенных частиц составляют по 180, 100, 70 и 60 млн. т./год соответственно. Общий выброс от стационарных источников на территории РФ, согласно имеющимся данным [12], составляет 30 380 тыс. т/год (твердые вещества 14518 тыс. т, остальные - газообразные вещества). Ежегодно выбросы от одного автотранспорта на территории РФ 13714 тыс. т.
      В большинстве стран определены объем выбросов токсических соединений и размеры вклада различных источников в общий уровень загрязнения. Среди основных источников можно выделить следующие четыре: автотранспорт, промышленность, ТЭЦ и коммунальное хозяйство. При этом автотранспорт и промышленность являются главными источниками загрязнения окружающей среды. Токсичность выбрасываемых в воздух соединений различна и увеличивается в ряду основных ингредиентов: оксды углерода, азота, серы, тяжелые металлы [45]. Учитывая относительную локализацию выбросов автотранспорта в урбанизированных центрах и, напротив, возможность загрязняющих веществ, поступающих из труб промышленных предприятий, рассеиваться на многие десятки и сотни километров, следует заключить, что именно промышленные предприятия определяют уровень загрязнения атмосферного воздуха. В нашей стране среди промышленных предприятий - черная и цветная металлургия являются самыми загрязняющими природную среду отраслями (второе место занимает энергетика). На долю металлургии приходится ~ 40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам ~ 26% и по газообразным ~ 34%. Среди этих видов химических загрязнений особое внимание следует

6

обратить на тяжелые металлы они оказывать острое токсическое воздействие, и плохо выводятся из биогеохимического цикла.
       Тяжелые металлы составляют группу техногенных металлов, в которую условно включают элементы с атомной массой >50, обладающие свойствами металлов или металлоидов. Элементы этой группы в большом количестве содержатся в промышленных отходах и характеризуются высокой токсичностью. Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы.
       Источники и пути техногенного рассеивания тяжелых металлов разнообразны. Наиболее значительными являются выбросы в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургическое производство, сжигание мазута, масел, каменного угля и т.д.) В разных странах структура выбросов металлосодержащих соединений выражена по-разному в зависимости от специфики промышленного комплекса. Так, в Германии, количество взвешенных частиц², выбрасываемое промышленностью, составляет 64% (464 тыс.т/год). На долю ТЭЦ таких выбросов приходится втрое меньше. В Австрии выбросы пыли в атмосферу промышленностью и ТЭЦ примерно одинаковые. В целом количество тяжелых металлов, выбрасываемое только за счет сжигания каменного угля, являющегося одним из основных источников энергии, представляет собой значительную величину. На рисунке приведен график роста поступлений тяжелых металлов в течение 100 лет в окружающую среду в результате сжигания каменного угля [15,40].

        ² В состав твердых частиц аэрозолей воздуха входят несгоревшие частицы угля, золы, сульфатов, сульфитов, хлоридов, металлов, кремнеземов и т.д.

7

1600

0

$ 1400

и 1200

5 1000
S

800


600


400



200

1970           1980
Годы



Динамика поступления тяжелых металлов в окружающую среду от сжигания каменного угля


       Табл. 1.1. дает представление о размерах глобального поступления от антропогенных источников наиболее токсичных для живых организмов металлов. Заметно многократное превышение (за исключением ртути) выбросов от антропогенных источников над природными [29].


8

Таблица 1.1

Глобальное поступление загрязняющих веществ в атмосферу, тыс.т/год [29]

  Источник    Pb  Cd  As   Hg    Газообразные  
                                соединения серы
Антропогенный 420 9,5 40  6,4        90000     
Природный     35  6,8 19 10-100      70000     

       Существенным является вопрос общего баланса, соотношения между поступившим и поглощенным количеством металлов в процессе глобального круговорота веществ. Общее представление о глобальных природных миграционных потоках тяжелых металлов в биосфере представлено в табл. 1.2, из которой видны различия в объемах миграционных потоков на суше и на море. В таблице также даны общие объемы континентального сноса металлов речными водами в океан и пылевой вынос с континентов.
Таблица 1.2

Глобальные миграционные потоки тяжелых металлов в биосфере, млн. т/год [15]

         Биологический   Континентальный сток  Пылевой вы- 
          круговорот                           нос с контиМеталлы на суше в океане растворимые в составе    нентов   
                                      твердых              
                                      взвесей              
Fe      34,0      32,0      0,25        705         65     
Mn      41,0      6,0       0,37       43,0         4      
V         2,6     0,4       0,083       2,7        0,25    
Cr      0,31      0,28      0,037       2,7        0,25    
Ni      0,35      2,9       0,074       1,9        0,18    
Co      0,17      0,4       0,011      0,41        0,38    
Zn      8,6       10,0      0,74        1,6        0,15    
Cu      1,7       16,0      0,26        1,2        0,11    
Pb      0,43      0,4       0,037      0,41       0,038    
Mo        0,1     0,08      0,037      0,041      0,0038   
Ag      0,0069   0,022      0,011      0,002     0,00019   
Hg      0,0021   0,0024    0,0026      0,008     0,00076   
Cd      0,00086  0,032     0,0074     0,0061     0,00057   

9

       В табл. 1.3. представлен блок миграционных процессов только на суше, где указан вклад антропогенных источников в загрязнение атмосферы. Видно, что поток антропогенных выбросов в атмосферу составляет примерно десятую часть от указанных объемов миграционных потоков естественного происхождения. Эта величина дополнительных примесей воздуха пока еще вполне может быть поглощена и переработана живым веществом биосферы. Однако тенденция увеличения объемов выбросов в целом, а также неравномерность поступления тяжелых металлов, обладающих высокой токсичностью в избыточных концентрациях, вызывает на локальных уровнях прямые отравляющие эффекты и деградацию сообществ, на региональном - структурные и функциональные перестройки природных экосистем. Некоторые исследователи полагают, что когда скорость добычи элемента превысит естественную скорость его переноса в геохимическом цикле в 10 раз и более, этот элемент следует считать потенциально загрязняющим веществом. В таком случае потенциально наиболее опасными для биосферы металлами могут быть Ag, Au, Cd, Cr, Hg, Mn, Pb, Sn, Sb, Te, W и Zn.

Таблица 1.3

Сравнительная оценка значений потоков микроэлементов в естественных условиях и в результате антропогенной деятельности, тыс.т/год [14, 40, 46]

Элемент Горно-    Антропо-    Захват годовым  Дожде-  Речной
        рудная генные выбро-  приростом рас- вой сток  сток 
        добыча сы в атмосферу  тительности                  
Zn       5000       730            8600        1000   370   
Pb       3000       400            430         310    180   
Cr       2000        50            310         120      7   
  As      60         50             60         190      15  
Cd        14         4              1          ---      40  
  Hg      9          10             2           1       3   

       На всех этапах перехода металлов из одной среды в другую происходит изменение их состава и соотношения между растворимыми и взвешенными формами. В системе миграционных потоков суша - атмосфера - суша обмен металлами осуществляется посредством твердых частиц аэрозолей, присутствующих в нижней тропосфере. Известно [15], что в 1 км³ приземного слоя воздуха содержится в сред-10

нем до нескольких десятков грамм каждого из упомянутых здесь элементов. Часть металлов в мелкодисперсном состоянии (например свинец, диаметр большей части которого < 0,5 мкм), попадающие в атмосферу, проникают буквально во все уголки земного шара. Есть многочисленные данные повышенного содержания металлов, в том числе свинца, в снеге и льдах Гренландии и Шпицбергена.
       В тропосфере в процессе физико-химических реакций частицы металлов становятся ядрами конденсации воды с растворенными в ней сульфат-, нитрат- и хлорид-ионами. При этом возможно продолжение химических реакций по растворению частиц металла в воздухе. В осадках над континентами находится примерно равное количество растворимых и нерастворимых форм, при этом медь выпадает почти целиком в водорастворимом состоянии (80%), свинец же большей частью в нерастворимой форме (60%) [15].
       Поступление тяжелых металлов из атмосферы на растительный и почвенный покровы осуществляется в виде сухих и влажных выпадений. Последние включают в себя осадки в виде дождя и снега, а также туманы и росы. Осаждение металлов из туманов и облаков может быть значительным для местообитаний, расположенных высоко над уровнем моря. В буковых лесах Австрии, например, величина вклада металлов, выпадающих на лесной покров из туманов, составляет 43% Cd, 24% Pb и Ni, 15% Cu [29].
       Скорость оседания частиц разных размеров существенно различается. В спокойном воздухе частицы диаметром 0,5 мкм, принадлежащие к тонкой фракции, оседают со скоростью 0,0007 см/с; частицы средних размеров - 1,5, 10 мкм, со скоростью 0,003, 0,07 и 0,3 см/с, соответственно, а частицы крупных размеров - 50, 100 и 200 мкм со скоростью 7, 30 и 120 см/с [17]. В табл. 1.4. указаны основные параметры процесса удаления частиц из атмосферы.
       Попадающие на поверхность почвы или растительности соединения металлов поглощаются и частично перерабатываются в процессе естественного круговорота веществ. Некоторые металлы обладают большей подвижностью и быстро выносятся из почвы в ходе вертикальной и горизонтальной миграции, другие, менее подвижные, способны к длительной аккумуляции в почве. Свинец, выбросы в атмосферу которого, по мнению ряда специалистов [54], на 96.. .99% определяются антропогенными источниками, очень сильно связывается органическими сорбентами почвы и может сохраняться в поверхностных гумусовых горизонтах более 5 000 лет [42]. Макси
11