Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрений

растительностью. В результате получаются техногенные геохимические аномалии

тяжелых металлов (Добровольский В.В., 1980).

1.3. ОСВ как источник микроэлементов

Микроэлементами, как известно, называют химические вещества,

содержащиеся в организме человека, животных и растениях в ничтожно малых

количествах: бор, марганец, йод, медь, цинк, кобальт, молибден,

естественные радиоактивные элементы и др.

Указанные элементы, несмотря на их малое содержание, играют

чрезвычайно важную роль в живой природе.

Многочисленными точными физиологическими опытами, проведенными в нашей

стране (Школьник М.Я., 1950, Виноградов А.П., 1952, Пейве Я.В., 1954 и др.)

доказано, что растительные и животные организмы при отсутствии отдельных

микроэлементов не могут нормально развиваться, а при недостатке

подвергаются эндемическим (свойственным данной местности) заболеваниям.

Выдающаяся роль в этом отношении, как отмечает А.П. Виноградов (1952),

принадлежит великому естествоиспытателю нашего времени В.И. Вернадскому

(1863-1945), впервые обобщившему имеющиеся опытные данные о химическом

составе живых организмов и о роли в их функционировании микроэлементов. Он

показал, что из 92 известных ему природных химических элементов,

содержащихся в земной коре, более 60 тесно связаны с живыми организмами. К

ним относятся: H, Li, Be, B, C, N, D, F, No, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Co,

Se, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Gd, As, Sl, Br, Rb, Sr, Nb, Zr, Mo, Ag, Cd,

Sn, J, Ba, Ld, Au, Hg, Pb, Rn, U, Po, Ac и другие.

В.И. Вернадский впервые пришел к выводу, что несмотря на ничтожно

малое содержание многих химических элементов в окружающей среде, они

присутствуют в растительных и животных организмах постоянно и не случайно.

Особенно необходим для нормального развития и животных йод. При его

недостатке в пище нарушается обмен веществ и развивается заболевание,

получившее название зоба. Йод входит в состав гормона щитовидной железы-

тироксина.

При отсутствии другого элемента - бора, растения погибают, а при его

недостатке у них отмирают верхние точки роста, не образуются репродуктивные

органы, у свеклы появляется гниль сердечка, что резко снижает урожай и

качество корнеплодов.

Медь в одинаковой степени необходима для нормального развития и

растений и животных. При ее недостатке болеют и отмирают листья растений,

не образуются семена. Заболевание получило название белой чумы или болезни

обработки. Надежными способом борьбы с ним является внесение в почву

медесодержащих микроудобрений. Наиболее резко недостаток меди проявляется

на торфянистых почвах. Медь входит в состав ферментов - оксидаз,

полифелоноксидаз, лактазы и др. Животные при недостатке меди заболевают

лизухой. Добавление малых количеств меди в пищу излечивает болезнь.

Опытами доказано, что кобальт также является необходимым питательным

элементом для животных организмов. При недостатке кобальта в кормах

животные болеют злокачественной анемией или сухоткой. Наиболее часто этому

заболеванию подвергаются крупный рогатый скот, овцы и козы. Введение малых

количеств кобальта в пищу позволяет успешно вести борьбу с сухоткой.

Кобальт входит в состав витамина В12, который играет важную роль в

кроветворении и обрывает течение ряда анемий.

При дефиците марганца появляются светло-зеленые пятна,

поражающие в течение нескольких дней растения. Растения быстро

поправляются, если их подкормить препаратами, содержащими этот элемент. У

животных организмов в случае недостатка марганца наблюдается задержка в

формировании скелета и замедляется рост. Марганец входит в состав

окислительных ферментов - оксидаз, повышает активность ферментов-фосфатазы

и др.

Внесение малых доз молибдена дополнительно к основным питательным

веществам резко повышает урожай бобовых и других растений, их устойчивость

к неблагоприятным условиям зимовки. Особенно богаты молибденом

развивающиеся на корнях бобовых клубеньки, которые играют важную роль в

усвоении атмосферного азота. Молибден принимает деятельное участие в

редукции нитратов и синтезе белков.

Для нормального развития растений и животных организмов необходим и

цинк. Дефицит его - причина таких заболеваний, как пятнистый хлороз,

крапчатость, мелколисточность цитрусовых, побеление верхушек кукурузы и др.

Цинк повышает морозостойкость растений, усиливает действие гормонов,

связанных с процессами размножения и роста животных, входит в состав

карбоногидразы, уреазы и некоторых других ферментов, играющих важную роль в

жизненных процессах.

Редкоземельные элементы - церий, лантан, неодим, празеодим, самарий, и

др. - постоянно содержатся в почвах, растениях и животных организмах. Они

имеются в количестве от 0,7 до 3,5% в виде примесей в фосфорнокислых

удобрениях. Значение редкоземельных элементов в жизни растительных и

животных организмов недостаточно изучено. Однако имеющиеся опытные данные

показывают, что от внесения малых количеств редких земель дополнительно к

основным питательным веществам заметно повышается урожай и улучшается

качество растений. Элементы редкоземельные у животных концентрируются

преимущественно в костях (Дробков А.А., 1958).

В почве много содержится титана, но он находится в ней в

труднорастворимой форме. В растениях его ничтожно мало. Титан обнаружен в

крови и костях человека и животных. Какую роль играет титан в жизни

организмов, выяснено также недостаточно.

Биологическая активность микроэлементов в организмах наиболее тесно

связана с такими органическими соединениями, которые играют важную роль в

обмене веществ и в регулировании жизненных процессов, как например,

ферментами, некоторыми витаминами, дыхательными пигментами, гормонами и

т.д. Указанные соединения тесно связаны в эндокринной системой органов:

щитовидной железой, гипофизом, поджелудочной железой и т.д. Развитие

исследований в этом направлении крайне необходимо. Весьма актуально также

изучение роли и значения таких мало изученных в биологии микроэлементов,

как стронций, кадмий, хром, цирконий, цезий, ванадий, мышьяк, олово,

висмут, теллур и др.

При возделывании сельскохозяйственных культур наряду с основными

элементами питания, происходит и вынос микроэлементов с урожаем. Г.Н. Попов

и др. (1984) установили, что в условиях Среднего Поволжья повышен вынос

микроэлементов сахарной свеклой, подсолнечником и бобовыми культурами.

Абсолютное содержание их в сахарной свекле в 4-8 раз больше, чем в урожае

яровой пшеницы. Подсолнечник потребляет особенно много бора, меди, цинка и

молибдена. Люцерна и горох выносят с 1 га из почвы 82-398 г бора и 4,5-7,3

г молибдена. Зерновые культуры накапливают эти элементы в гораздо меньших

количествах: 20-30 г/га бора, 0,9-1,7 г молибдена. Таким образом, по выносу

микроэлементов применительно к Среднему Поволжью установлены те же

закономерности, которые известны агрономической науке в отношении

макроэлементов: технические культуры поглощают их в гораздо больших

количествах, чем зерновые.

Общий вынос микроэлементов и расход их на единицу продукции могут

изменяться в значительных пределах в зависимости от урожайности

сельскохозяйственных культур, количества и соотношения питательных веществ

в почвенном растворе, влажности почвы и ее важнейших агрономических

свойств, уровня агротехники и других факторов.

Почвенный покров Поволжья неоднороден. По направлению с севера на юг

сменяются: дерново-подзолистые и серные лесные почвы, черноземы

оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные, темно-

каштановые, каштановые, светло-каштановые и бурые почвы. Среди каштановых и

бурых почв имеется много солонцов.

Наиболее низким содержанием большинства микроэлементов

характеризуется дерново-подзолистые и серные лесные почвы. Как правило, в

них мало бора, меди, кобальта, молибдена. Марганца и цинка в этих почвах

больше, чем в обыкновенных и типичных черноземах.

В лесостепной зоне Поволжья низкая обеспеченность

микроэлементами характерна для черноземов оподзоленных, а в ряде случаев и

выщелоченных. Вместе с дерново-подзолистыми, серыми лесными почвами и

черноземами карбонатными они нуждаются в первоочередном применении

микроудобрений.

Одним из источников пополнения почв необходимыми

микроэлементами могут быть осадки городских сточных вод. По литературным

данным (Ильин В.Б. и др., 1991) содержание микроэлементов в ОСВ колеблется

в достаточно широких пределах: медь 50-4000, цинк 70-40000, марганец 60-

4000, кобальт 2-300 мг на 1 кг сухого вещества.

Установлено (Попов Г.П. и др., 1984), что с урожаями

сельскохозяйственных культур на уровне 30-35 ц зерновых, 200-300 ц

картофеля и 50-60 ц сена с 1га ежегодно выносится по 100-600 г цинка и

марганца, 30-200 г меди, 1-6 г кобальта, 3-15 г молибдена. Расчеты

показывают, что внесение 1-4 т сухого вещества ОСВ с содержанием указанных

элементов на уровне ПДК может на 8-10 лет обеспечить бездефицитный баланс

микроэлементов в севообороте. Это очень важно, поскольку почвы с низкой

обеспеченностью микроэлементами составляют в различных районах страны от 10

до 40% пашни, а промышленное производство микроудобрений весьма ограничено.

1.4. Гигиенические аспекты применения ОСВ

В последнее время в специальной научной и сельскохозяйственной

литературе появился термин "тяжелые металлы", который сразу же приобрел

негативной звучание. С ним связано представление о чем-то токсичном,

опасном для живого, будь то животные или растения. Тяжелые металлы - группы

химических элементов, имеющих плотность более 5 г /куб. см. Термин

заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на

легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее

руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т.е. к тяжелым относить

металлы с атомной массой более 40 (Алексеев Ю.В., 1987). Представление об

обязательной токсичности тяжелых металлов является заблуждением, так как в

эту же группу попадают медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, железо-

элементы, большое позитивное биологическое значение которых давно

обнаружено и доказано. Важны концентрации в которых они необходимы живым

организмам. Справедливее использовать термин "тяжелый металл" в случае,

когда речь идет об опасных для животных организмов концентрациях элемента с

относительной массой более 40. Микроэлементом он становится тогда, когда

находится в почве, растении, организме животных и человека в нетоксичных

концентрациях или используется в малых количествах как удобрение или

минеральная добавка к корму.

Однако, имеется группа металлов, за которыми закрепилось только одно

негативное понятие - «тяжелые», в смысле «токсичные». Такая группа включает

ртуть, кадмий и свинец. По общему мнению их считают наиболее вероятными и

опасными загрязнителями окружающей среды, так как они широко используются в

промышленности и на транспорте.

В культурном ландшафте наибольшее распространение имеют цинк, свинец,

ртуть, кадмий, хром. Набор металлов, поступающих в ландшафт, зависит прежде

всего от характера человеческой деятельности в данном регионе. При сильном

развитии автомобильного транспорта и при наличии густой сети автомобильных

дорог, реально ожидать обогащения ландшафта свинцом, поступающим в

окружающую среду от двигателей внутреннего сгорания.

Поступление в среду кадмия может быть связано с широким использованием

в сельском хозяйстве фосфатов, содержащих указанный элемент в виде примеси.

Ртуть в культурном ландшафте появляется в результате использования ее

соединений в качестве фунгицидов и при производстве целлюлозы. Не исключено

попадание ртути в почву с компостом из бытового мусора, содержащего

использованные люминесцентные лампы.

Хром оказывается в окружающей среде в результате применения в качестве

удобрений осадков сточных вод канализации городов с развитой часовой,

кожевенной и тяжелой промышленностью, а также при известковании почв

шлаками металлургических производств, содержащих этот элемент.

Обогащение ландшафта цинком может произойти при

систематическом использовании в качестве органических удобрений осадков

сточных вод городов, а также при сжигании на полях отходов резины.

Уран, торий, радий могут поступать в растения из почвы за счет

фосфатных минеральных удобрений, а также из атмосферы в местах, где в

больших количествах сжигается каменный уголь. Стабильный стронций поступает

в ландшафт с простым суперфосфатом и фосфогипсом, полученными из апатитов.

Заметное загрязнение среды медью наблюдается в местах

интенсивного виноградства, где этот элемент широко используется для борьбы

с заболеваниями растений. В ландшафтах, практически не затронутых

хозяйственной деятельностью, содержание тяжелых металлов незначительное.

Кадмий сопутствует цинку и часто обнаруживается вместе с ним, образует

многочисленные основные, двойные и комплексные соединения. В загрязненных

почвах он содержится в количествах, равных десятым долям миллиграмма на

килограмм.

Ртуть относится к весьма редким элементам и в природе мигрирует

преимущественно в газообразном состоянии и в водных растворах. В ландшафте,

в основном, рассеивается и лишь в незначительном количестве может

сорбироваться глинами и илами. В чистых почвах ее содержание составляет

сотые доли миллиграмма на килограмм, а в почвах интенсивного хозяйственного

использования достигает миллиграммов.

Свинец является наиболее распространенным элементом. В

агроландшафте он преимущественно мигрирует в бикарбонатной форме, а также в

органических комплексах. Свинец легко адсорбируется глинами, и в них его

содержание повышено. В условиях промывного типа водного режима (в таежных и

других ландшафтах влажного климата) наблюдается некоторая подвижность

свинца, но значительно меньшая, чем кадмия, цинка и меди.

Знание природных концентраций тяжелых металлов в почвах и растениях

дает возможность судить о состоянии чистоты или загрязненности и принимать

меры, направленные на сохранение почвенного плодородия и качества

растениеводческой продукции. В.П. Цемко с соавторами (1980) предлагает

следующую группировку почв по степени загрязнения: к слабо загрязненным

относятся почвы с содержанием элемента от 2 до 10 кларков, к средне - от 10

до 30 кларков, к сильно - свыше 30 кларков.

Известно, что техногенное загрязнение оказывает влияние не только на

биоту почв, но и на их физические, физико-химические и химические свойства.

Почвы в неодинаковой степени инактивируют поступающие элементы -

токсиканты, а наличие разных форм токсикантов в почве затрудняет выбор той

из них, которая была бы наиболее пригодной для целей нормирования (Ильин

В.Б., 1985; Важенин И.Г., 1985; Зырин Н.Г., Каплунова Е.В., 1985; Кочуров

Б.И., Зайцев В.Я., 1987).

По мнению Н.Г. Зырина (1985), в условиях кислой неокультуренной

дерново-подзолистой почвы уровень кадмия в 2,5 мг/кг (10 раз больше

фонового), цинка - 125 мг/кг (5раз больше фонового) уже можно считать

опасным. Этими авторами выявлено также пороговое значение содержания

тяжелых металлов в почве, приводящее к их накоплению в растениях, в

количестве выше, чем ПДК. Для свинца - 150, кадмия - 0,2, цинка - 85 мг/кг

для неокультуренной дерново-подзолистой почвы.

Соответственно, для дерново-подзолистой окультуренной - свинца -650,

кобальта - 2,5, цинка - 80; для типичного чернозема: кобальта - 5,0, цинка

- 115 мг/кг. В исследованиях Р.И. Первухиной (1983) была дана оценка

трансформации соединений техногенных металлов в почве и доступность их для

растений. Результаты эксперимента показали, что внесение кадмия в составе

пыли металлургического предприятия снижает урожайность ячменя на дерново-

подзолистой неокультуренной почве при содержании кадмия 10 мг/кг, на

слабоокультуренной - 20 мг/кг.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на кафедре

коммунальной гигиены Днепропетровского медицинского института

установлено, что повышенное содержание химических веществ в почве

существенно влияет на самоочищение почвы. Уровень предельной концентрации

по железу - до 5000 мг/кг, марганцу - 1000 мг/кг.

В растениях, выращенных в зоне действия промышленных выбросов,

содержание железа в зерне - до 300 мг/кг или в 2 раза больше;

содержание железа в свекле колебалось от 465 до 705 мг/кг, это в 8,2-

12,4% больше, чем в контроле (Шелюг М.Я., 1983).

На почвах разного типа тяжелые металлы при одних и тех же

концентрациях оказывают на растения различное действие. Это обусловлено

разной кинетикой и превращением этих веществ в почве. В опытах с

суглинистой почвой, торфом и черноземом внесение ртути в дозе 10 мг/кг

практически не вызывало изменений в элементном составе зерновых. Внесение

той же дозы в песчаную почву и супесчаный суглинок привело к накоплению

ртути в соломе пшеницы до 5,7 мг/кг сухой массы и невызреванию овса

(Покровская С.Ф., 1987).

Работами Зимакова И.Е. (1979) было исследовано действие нитрата ртути

на опесчаненной дерново-подзолистой почве на горох, кукурузу, овес, рожь и

пшеницу, доза внесения в расчете на металл 0,1; 1; 10 мг/кг почвы.

Наибольшая концентрация ртути наблюдалась через 30 дней, затем несколько

снизилась, оставаясь в среднем постоянной, но при этом превышала фон в

5...10 раз.

Закономерное накопление кадмия растениями в зависимости от основных

почвенных факторов характеризуется схемой, предложенной в работе (Рэуце К.,

Кырстя С., 1986).

|Низкое |Увеличение |PH |Снижение |Высокое |

|Содержание | | | |содержание |

|кадмия | | | |кадмия |

| |Увеличение |Содержание глины|Снижение | |

| |Увеличение |Содержание |Снижение | |

| | |гумуса | | |

| |Увеличение |Щелочные |Снижение | |

| | |удобрения | | |

| | |физиологически | | |

| | |кислые | | |

Загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием складывается из

нескольких составляющих. Во-первых, это атмосферное поступление. В

промышленно-развитых районах в среднем в год выпадает 0,2...9кг/км2

кадмия (Петрухин В.А., 1986).

Второй источник поступлений - осадки городских сточных вод. Обширная

информация по данному вопросу предоставлена в ряде работ (Покровская С.Ф.,

1981; Гольдфарб Л.Л., Туровский Н.С., Беляев С.Д., 1983; Касатиков В.А.,

1984; Алексеев Ю.В, 1987).

И, наконец, третий источник - это минеральные удобрения. Так, в ФРГ со

средними дозами фосфорных удобрений в год поступает 3...5 г кадмия на 1га

(Sauerbeck D., 1980). В связи с этим фермы-производители приняли решение о

введении нормы на содержание кадмия в удобрениях, которая составляет 90

мг/кг (Stadelmann F.X., 1983).

Однако, оценивая минеральные фосфорные удобрения и ОСВ как

потенциальный источник загрязнения тяжелыми металлами Г.А. Соловьев и А.В.

Голубев (1981) подчеркивали, что необходимо исходить из их мобильности и

доступности растениям. Она зависит как от рН почвы, содержания

органического вещества и сопутствующих элементов, в частности, кальция,

цинка, формы кадмия. Среди процессов, играющих важную роль в поступлении

кадмия в растения, является диффузия. Чем ниже рН почвенного раствора, тем

выше коэффициент диффузии кадмия.

Страницы: 1, 2, 3, 4