И растениеводческой продукции
Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы (ТМ). В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы особый интерес и важное практическое значение имеет, с одной стороны, познание механизмов и закономерностей поведения и распределения ТМ в окружающей среде, с другой – тот факт, что свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связаны с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию. ТМ вызывают сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии, обладают эмбриотропным и канцерогенными свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия, проявляющимся в наследственных заболеваниях, умственных расстройствах и т.д.
К ТМ относятся свыше 40 элементов, плотность которых больше 6 г/см3, а атомная масса превышает 40 атомных единиц. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более 10 элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют ртуть, кадмий, свинец, медь, ванадий, олово, цинк, молибден, никель. Три элемента (ртуть, кадмий, свинец) считаются наиболее опасными.
Однако не все тяжелые металлы токсичны, так как в эту группу входят медь, цинк, молибден, кобальт, марганец, получившие название микроэлементов и имеющие важное биологическое значение в жизни теплокровных, растений и микроорганизмов. Поэтому справедливо использовать понятие “тяжелые металлы”, когда речь идет об опасных для живых организмов концентрациях элемента.
Основными источниками загрязнения почв тяжелыми металлами являются выбросы в атмосферу загрязняющих веществ. Значительный вклад при этом вносят автотранспорт, объекты энергетики и промышленные предприятия. В городах Беларуси ежегодно на очистных сооружениях образуется более 5 млн. м3 осадка, и его количество с каждым годом возрастает.
Главный источник атмосферного загрязнения – это тепловые электростанции (на их долю приходится 27% всех выбросов в атмосферу) и предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов (8,1%). От 10 до 30% поступивших в атмосферу тяжелых металлов оседает в радиусе 10 км от промышленного предприятия. В Беларуси в атмосферу ежегодно выбрасывается 400 т никеля, 290 – мышьяка, 230 – урана, 174 – кобальта, 58 т свинца.
На концентрацию загрязняющих веществ экосистемы республики определенную роль оказывают периодические их переносы воздушными массами с Запада.
Крупномасштабного картирования на содержание кадмия, свинца, хрома, никеля и других токсичных элементов в почвах сельскохозяйственных угодий не проводилось. Однако выборочные исследования возле крупных городов показали появление очагов загрязнения почв тяжелыми металлами.
Основным элементом – загрязнителем пригородных почв является свинец. Повышенное его содержание наблюдается в пригородных зонах Минска, Гомеля, Могилева. Загрязнение почв свинцом на уровне ПДК (32 мг/кг) и выше отмечено локально, небольшими участками, по направлению господствующих ветров. На отдельных полях Минской овощной фабрики, где на протяжении ряда лет применялись в качестве удобрений твердые бытовые отходы, содержание свинца достигает 40 – 57 мг/кг почвы. На этих же полях содержание подвижных форм цинка и меди в почве составляет соответственно 65 и 15 мг/кг при предельном допустимом уровне (ПДУ) для цинка 18 мг/кг и меди 12 мг/кг.
Вдоль автомагистралей почва сильно загрязнена свинцом и в меньшей степени кадмием. Загрязнение почв придорожных полос автомобильных дорог межгосударственного (Брест – Москва, Санкт-Петербург – Одесса), республиканского (Минск – Слуцк, Минск – Логойск) и местного (Заславль – Дзержинск, Жабинка – Б. Мотыкалы) значения наблюдается на расстоянии до 25 – 50 м от полотна дороги в зависимости от рельефа местности и наличия лесозащитных полос. Максимальное содержание свинца в почве отмечено на расстоянии 5 – 10 м от автотрассы. Оно выше фонового значения в среднем в 2 – 2,3 раза, но несколько ниже или близко к ПДК.
Содержание кадмия в почвах Беларуси находится на уровне фона. Превышение фона до 2,5 раз отмечено локально на расстоянии до 3 – 5 км от крупных городов и достигает 1,0 – 1,2 мг почвы при ОДК (ориентировочно допустимой концентрации) по содержанию валового кадмия в дерново-подзолистых суглинистых почвах более 0,6 мг, супесчаных более 0,4 мг и песчаных – более 0,3 мг/кг. Площадь почв в Беларуси от всех источников загрязнения свинцом в настоящее время ориентировочно оценивается в 100 тыс. га, кадмия – 45 тыс. га.
В настоящее время проводится агрохимическое картирование на содержание меди и цинка в почвах Беларуси, в результате которого было установлено, что в республике 260,3 тыс. га сельскохозяйственных земель загрязнены медью и 179,3 тыс. га цинком (табл. 16.3).
Среднее содержание подвижной меди в почвах пашни невелико и составляет 1,73 мг/кг, улучшенных сенокосных и пастбищных земель – 3,32 мг/кг. В целом по республике 50,9 % пахотных и 40,9 % сенокосных и пастбищных земель имеют очень низкую обеспеченность медью (менее 1,5 мг/кг) и остро нуждаются в применении медьсодержащих удобрений. На почвах с избыточным содержанием меди 1,5 % пахотных земель и 4,7 % улучшенных сенокосов использование любых форм удобрений, содержащих медь, должно быть исключено.
16.3. Сельскохозяйственные земли Беларуси, загрязненные медью, тыс. га
(И.М. Богдевич и др.)
| Области | Всего загрязнено | В том числе по содержанию Сu, мг/кг | |||
| 5,1–7,0 | 7,1–15,0 | 15,1–30,0 | более 30 | ||
| Брестская | 85,2 | 59,8 | 25,3 | 0,1 | – |
| Витебская | 15,9 | 11,7 | 3,9 | 0,2 | 0,1 |
| Гомельская | 60,8 | 38,3 | 20,1 | 2,4 | – |
| Гродненская | 43,9 | 26,3 | 16,0 | 1,4 | 0,2 |
| Минская | 37,0 | 22,6 | 13,3 | 1,1 | – |
| Могилевская | 17,5 | 10,4 | 7,1 | – | – |
| Всего по Беларуси | 260,3 | 169,1 | 85,7 | 5,2 | 0,3 |
С избыточным содержанием цинка выявлено в Беларуси 179 тыс. га сельскохозяйственных земель, в том числе в опасной степени загрязнено элементом (более 16 мг/кг почвы) 39 тыс. га, или 0,5%, главным образом в Гомельской, Минской и Могилевской областях (табл. 16.4). Наряду с загрязненными цинком в Беларуси большая часть сельскохозяйственных земель (68,4 % пахотных и 56,6 % улучшенных сенокосов и пастбищ) слабо обеспечены цинком (содержание Zn менее 3,0 мг/кг почвы).
16.4. Сельскохозяйственные земли Беларуси, загрязненные цинком, тыс. га
| Области | Всего загрязнено | В том числе по содержанию Zn, мг/кг | |||
| 10,1–16,0 | 16,1–30,0 | 30,1–50,0 | более 50 | ||
| Брестская | 35,1 | 34,4 | 0,7 | – | – |
| Витебская | 3,5 | 2,9 | 0,5 | 0,1 | – |
| Гомельская | 44,9 | 33,9 | 10,4 | 1,3 | 0,2 |
| Гродненская | 24,4 | 20,0 | 4,0 | 0,4 | – |
| Минская | 45,5 | 34,9 | 8,9 | 1,2 | 0,5 |
| Могилевская | 25,9 | 14,8 | 10,9 | 0,2 | – |
| Всего по Беларуси | 179,3 | 140,0 | 35,4 | 3,2 | 0,7 |
Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, содержащимися в агрорудах. Поэтому количество их в минеральных удобрениях зависит от исходного сырья и технологии переработки. Из химических элементов, содержащихся в фосфорных удобрениях, наиболее опасен кадмий, который является составной частью фосфорной руды. В зависимости от геологического происхождения и географического распространения фосфатные руды содержат разное количество кадмия, который переходит в удобрения, изготавливаемые из концентратов этих руд. В фосфатном сырье из России, которое используется в Беларуси, содержание кадмия минимально, оно значительно ниже, чем в фосфоритах Марокко, США и тем более в фосфатном сырье из Сенегала (табл. 16.5).
16.5. Среднее содержание кадмия в фосфатном сырье разных стран
| Страны | Р2О5, мг/кг | Cd, мг/кг |
| США | 32,5 | |
| Марокко | 31,7 | |
| Россия | 39,4 | |
| Сенегал | 33,0 | |
| Южная Африка | 36,5 | |
| Сирия | 30,6 |
Содержание примесей в фосфорсодержащих удобрениях, производимых в странах СНГ, приведено в табл. 16.6.
16.6. Содержание примесей в фосфорсодержащих удобрениях, мг/кг
(В.Г. Минеев и др.)
| Завод, производящий удобрения | Mn | Fe | Ni | Co | Cu | Zn | Pb | Cd |
| Аммофос | ||||||||
| Воскресенский | 5,0 | 8,0 | 9,0 | 13,0 | 5,0 | 0,06 | ||
| Кингисеппский | 7,5 | 9,8 | 28,0 | 38,0 | 5,5 | 0,65 | ||
| Уваровский | 5,0 | 12,5 | 46,0 | 90,0 | 5,0 | 1,0 | ||
| Череповецкий | 13,7 | 12,5 | 75,0 | 135,0 | 5,0 | 1,3 | ||
| Нитроаммофоска | ||||||||
| Череповецкий | 11,0 | 10,0 | 15,0 | 36,0 | 10,0 | 0,1 | ||
| Нововоскресенский | 1,6 | 7,5 | 4,0 | 6,0 | 7,5 | 0,03 |
Минимальное содержание кадмия отмечено в аммофосе произведенном Воскресенским заводом, а максимальное – Череповецким. Однако оно во всех удобрениях незначительно и не представляет опасности с точки зрения загрязнения окружающей среды.
Исследования А.А. Поповой по определению валового содержания тяжелых металлов в минеральных, органических и известковых удобрениях показали, что в аммонийной селитре в незначительных количествах содержится кадмий, медь, в несколько больших – цинк и свинец (табл. 16.7).
Более высокое содержание кадмия в фосфорных удобрениях и хлористом калии, цинка – в навозе. Потенциальными загрязнителями окружающей среды считаются удобрения, содержащие более 8 мг/кг кадмия. Кадмий в фосфорных удобрениях, которые производятся в странах СНГ, содержится в незначительных количествах и не представляет опасности для окружающей среды. Высокая концентрация кадмия отмечена в суперфосфате, произведенном в США (50 – 100 мг/кг). Среднее содержание тяжелых металлов в минеральных удобрениях приведено в табл. 16.8.
16.7. Среднее содержание тяжелых металлов в минеральных удобрениях, г/т д.в.
(В.Г. Минеев и др.,)
| Удобрения | Cu | Zn | Cd | Pb | Ni | Cr |
| Азотные | 1,23 | 6,8 | 0,38 | |||
| Фосфорные | 3,6 | |||||
| Калийные | 0,4 | 1,05 | 9,1 | 0,89 | ||
| Все минеральные | 1,62 |
16.8. Содержание тяжелых металлов в удобрениях и извести, г/т
( Н.А. Черных, В.Ф. Ладонин)
| Удобрения | Cd | Pb | Zn | Cu | Ni |
| Двойной суперфосфат | 3,70 | 39,0 | 48,0 | 14,4 | 29,0 |
| Фосфоритная мука | 5,40 | 16,0 | 183,0 | 27,0 | – |
| Хлористый калий | 3,90 | 14,0 | 11,0 | 3,6 | 21,0 |
| Мочевина | – | 1,3 | 6,0 | 0,8 | – |
| Аммонийная селитра | 0,20 | 18,0 | 7,1 | 1,0 | 8,0 |
| Известковая мука | 0,18 | 28,0 | 22,0 | 6,3 | 24,0 |
| Навоз | 0,20 | 4,0 | 112,0 | 22,0 | 7,2 |
Как показали исследования ВИУА, кафедры агрохимии БГСХА, Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, других научно-исследовательских учреждений, количество ТМ, поступающих в почву с минеральными и органическими удобрениями, заметно не меняет природных уровней содержания тяжелых металлов в почвах и не представляет опасности с точки зрения загрязнения ими. Экологически опасными могут быть фосфорные удобрения, полученные из сырья африканских стран (Марокко, Сенегал и др.), а также из фосфоритов США. Серьезного внимания заслуживают сточные воды, компосты из твердых бытовых отходов, отличающиеся повышенным содержанием ТМ. Так, в осадках сточных вод Могилева содержалось (в мг/кг сухого вещества): цинка – 300 – 1400, меди – 89 – 309, хрома – 142 – 264, никеля – 89 – 100, марганца – 640 – 961, свинца – 14 – 71, кобальта – 80 – 114, кадмия – 5 – 9. Присутствие ТМ в осадках сточных вод является главным препятствием их широкого использования в качестве удобрений.
Загрязнение тяжелыми металлами, как показали исследования Института почвоведения и агрохимии НАН Беларуси, обычно наблюдается вокруг крупных промышленных городов республики, а в радиусе 1 – 2 км от них оно значительно превышает фоновое. Повышено содержание тяжелых металлов также в почвах хозяйств, использующих осадок городских сточных вод в качестве удобрения, вокруг взлетно-посадочных полос сельскохозяйственной авиации, в почве придорожных полос.
В настоящее время проводится обследование почв республики на содержание свинца, кобальта, цинка и меди. Почвенные образцы будут отбираться на сельскохозяйственных угодьях с содержанием Р2О5 более 490 мг/кг почвы, вокруг промышленных центров и отдельно расположенных крупных предприятий, у животноводческих комплексов, в почве придорожных полос и на всех полях, где используются удобрения, приготовленные на основе осадков сточных вод и других промышленных отходов. В Беларуси для оценки опасности загрязнения почв тяжелыми металлами и избыточного накопления их в растениеводческой продукции, разработаны градации ориентировочно допустимых концентраций их в почвах (табл. 16.9).
16.9. Градация дерново-подзолистых почв по содержанию валового
и подвижных форм тяжелых металлов, мг/кг
| Группы по содержанию тяжелых металлов | Содержание, мг/кг почвы | ||
| Песчаные | Супесчаные | Суглинистые | |
| Валовое содержание | |||
| Cd | |||
| Фоновое | 0,07 и менее | 0,09 и менее | 0,12 и менее |
| Повышенное | 0,08 – 0,20 | 0,10 – 0,30 | 0,13 – 0,40 |
| Высокое | 0,21 – 0,30 | 0,31 – 0,40 | 0,41 – 0,60 |
| Очень высокое (ОДК) | более 0,30 | более 0,40 | более 0,60 |
| Pb | |||
| Фоновое | 7,0 и менее | 10,0 и менее | 15,0 и менее |
| Повышенное | 7,1 – 15,0 | 10,1 – 25,0 | 15,1 – 30,0 |
| Высокое | 15,1 – 25,0 | 25,1 – 35,0 | 30,1 – 60,0 |
| Очень высокое (ОДК) | более 25,0 | более 35,0 | более 60,0 |
| Cr | |||
| Фоновое | 18,0 и менее | 25,0 и менее | 50,0 и менее |
| Повышенное | 18,1 – 50,0 | 25,1 – 75,0 | 50,1 – 125,0 |
| Высокое | 50,1 – 80,0 | 75,1 – 150,0 | 125,1 – 200,0 |
| Очень высокое (ОДК) | более 80,0 | более 150,0 | более 200,0 |
| Подвижные формы (экстрагент 1 М HCl) | |||
| Cd | |||
| Фоновое | 0,02 и менее | 0,03 и менее | 0,04 и менее |
| Повышенное | 0,03 – 0,09 | 0,05 – 0,15 | 0,05 – 0,25 |
| Высокое | 0,10 – 0,20 | 0,16 – 0,30 | 0,25 – 0,40 |
| Очень высокое (ОДК) | более 0,20 | более 0,30 | более 0,40 |
| Pb | |||
| Фоновое | 2,0 и менее | 3,0 и менее | 5,0 и менее |
| Повышенное | 2,1 – 5,0 | 3,1 – 10,0 | 5,1 – 15,0 |
| Высокое | 5,1 – 10,0 | 10,1 – 15,0 | 15,0 – 25,0 |
| Очень высокое (ОДК) | более 10,0 | более 15,0 | более 25,0 |
Ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах зависит от гранулометрического состава почв.
Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения относительной атомной массы. Токсичность тяжелых металлов проявляется по-разному. Одни металлы в токсических концентрациях подавляют активность ферментов (медь, ртуть и др.), другие (алюминий, железо) способны образовывать преципитаты с РО43-, SО42- и другими анионами, а также хелатообразные комплексы с обычными метаболитами, что мешает дальнейшему их участию в обмене веществ, третьи (кадмий, медь) взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость и другие свойства, иногда вызывают разрыв клеточных мембран.
Установить пределы безопасного содержания того или иного элемента в почве сложно. Уровень токсичности элементов зависит от гранулометрического состава почвы, ее кислотности, содержания гумуса, вида растений и т.д. Если культура снижает урожайность из-за присутствия в почве того или иного элемента на 5 – 10 %, то уровень его содержания в почве считается токсичным.
В ряде случаев на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, урожайность зерновых снижалась на 20 – 30 %, сахарной свеклы – на 35, бобовых – на 40, картофеля – на 47 %. По данным Н. А. Черных, В. Ф. Ладонина, гибель зерновых культур наблюдается при содержании кадмия 20 мг/кг, цинка – 500, свинца – 500, меди – 350 мг/кг почвы.
Для оценки уровня загрязнения почв и возможности выращивания на них сельскохозяйственной продукции используют значения предельно допустимых уровней (ПДУ) тяжелых металлов (табл. 16.10).
16.10. Предельно-допустимые уровни (ПДУ) цинка и меди в дерново-подзолистых почвах, мг/кг почвы
| Группировка почв по содержанию тяжелых металлов | Глинистые и суглинистые | Супесчаные | Песчаные |
| Валовое содержание | |||
| Цинк | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 80,0 | 60,0 | 50,0 |
| рН < 5,5 | 60,0 | 50,0 | 40,0 |
| Медь | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 100,0 | 70,0 | 60,0 |
| рН < 5,5 | 80,0 | 60,0 | 50,0 |
| Подвижные формы (экстрагент 1 М HCl) | |||
| Цинк | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 18,0 | 16,0 | 14,0 |
| рН < 5,5 | 15,0 | 14,0 | 12,0 |
| Медь | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 15,0 | 12,0 | 10,0 |
| рН < 5,5 | 12,0 | 10,0 | 8,0 |
Предельно допустимые уровни (ПДУ) в дерново-подзолистых почвах зависят от рНKCl и гранулометрического состава почв. При рНKCl более 5,5 ПДУ подвижных форм для меди составляет на глинистых и суглинистых почвах 15,0, для песчаных – 10,0, а по цинку 18 и 14 мг/кг соответственно.
Очень важно не подвергать людей риску заболеть от превышения содержания тяжелых металлов в продуктах питания. По данным ВОЗ, предельно допустимые поступления с продуктами питания свинца – 3 мг в неделю, кадмия – 0,4, ртути – 0,3 мг. Обычно эти нормы не превышаются. Предельно допустимые концентрации некоторых тяжелых металлов в продуктах питания приведены в табл. 16.11.
16.11. Гигиенические нормативы качества и безопасности
продовольственного сырья и пищевых продуктов по содержанию тяжелых металлов, (мг/кг) (СанПиН 11 – 63 РБ-98. – Мн., 2000)
| Продукты питания | Свинец | Мышьяк | Кадмий | Ртуть | Медь | Цинк |
| Зерно продовольственное (пшеница, рожь, тритикале, овес, ячмень, просо, гречиха, рис, кукуруза, сорго) | 0,5 | 0,2 | 0,10 | 0,03 | 10,0 15,0 (гречиха) | 50,0 |
| Семена зернобобовых (горох, фасоль, маш, чина, чечевица, нут, соя) | 0,5 | 0,3 | 0,10 | 0,02 | 10,0 | 50,0 |
| Крупа, толокно, хлопья | 0,5 | 0,2 | 0,10 | 0,03 | 10,0 15,0 (гречиха) | 50,0 |
| Мука всех видов, в т.ч. для макаронных изделий | 0,5 1,0 (соевая) | 0,1 0,2 (соевая) | 0,20 0,1 (соевая) | 0,03 0,02 (соевая) | 15,0 10,0 (гречиха) | 30,0 50,0 (соевая) |
| Хлеб, булочные и сдобные изделия | 0,35 | 0,1 | 0,05 | 0,01 | 5,0 | 25,0 |
| Свежие и свежемороженные овощи, картофель, бахчевые, фрукты, ягоды, грибы | 0,5 0,4 (ягоды, фрукты) | 0,2 0,5 (грибы) | 0,03 0,1 (грибы) | 0,05 0,05 (грибы) | 5,0 10,0 (грибы) | 10,0 20,0 (грибы) |
Снизить поступление тяжелых металлов в растения можно с помощью таких агротехнических приемов, как известкование, внесение органических и минеральных удобрений, применение природных цеолитов.
Для получения продукции растениеводства, отвечающей гигиеническим требованиям к качеству и безопасности продовольственного сырья, пищевых продуктов и кормов по содержанию тяжелых металлов, необходимо на сельскохозяйственных землях, загрязненных тяжелыми металлами, осуществлять комплекс мероприятий организационного и технологического характера основными из которых являются: подбор культур, менее всего накапливающих тяжелые металлы. Замена культур, аккумулирующих значительное количество тяжелых металлов на культуры с меньшей интенсивностью поглощения этих элементов способствующих снижению накопления их в растениеводческой продукции в 2 – 3 раза.
Почвы с высоким содержанием тяжелых металлов рекомендуется отводить под посевы рапса на маслосемена, озимую рожь, пшеницу, из многолетних трав – ежу сборную, тимофеевку луговую.
Известкование способствует снижению накопления тяжелых металлов в 1,4 – 2,1 раза. Для известкования целесообразно использовать как традиционные мелиоранты (доломитовую муку), так и кальцийсодержащие отходы (дефекат сахарных заводов), карбонатный сапропель и т. д.
Увеличение гумусированности почв путем применения органических удобрений позволяет снизить поступление в растениеводческую продукцию цинка и меди в 1,7 и 1,4 раза соответственно. В качестве органических удобрений можно использовать навоз, компосты на его основе, измельченную солому. Максимальный результат дает внесение на произвесткованную почву навоза или компостов на его основе.
На загрязненных тяжелыми металлами почвах не рекомендуется возделывать листовые овощи и корнеплоды, поглощающие по сравнению с другими культурами больше тяжелых металлов. На таких почвах лучше выращивать рапс на маслосемена, лен, коноплю, сахарную свеклу, а также картофель.
При сильном загрязнении почвы наиболее радикальным средством является снятие верхнего слоя почвы и замена его «чистой» почвой.