Тяжелые металлы как загрязнители окружающей среды


Загрязнение тяжелыми металлами: атмосферы, земли, воды

Серьезные экологические проблемы в городах вызывает загрязнение тяжелыми металлами, а это свыше 40 элементов таблицы Менделеева. В малых дозах они зачастую даже необходимы организму. Однако при превышении допустимых уровней эти вещества вызывают отравление, болезни и мутации.

Тяжелые металлы — загрязнители природной среды

Главный источник тяжелых металлов – промышленность. Выбросы проникают в водоемы, атмосферу, почву, а из нее – в сельхозкультуры. Самые токсичные – свинец, ртуть, мышьяк, кадмий и хром.

Ртуть

Ртути присвоен I класс опасности. Ее естественное состояние в земной коре – безвредные сульфидные остатки, но вследствие атмосферных процессов возникло загрязнение мирового океана. В нем было обнаружено 50 млн. т ртути. Если 5 000 т/год – естественный вынос, то еще столько же – результат деятельности человека.

В мире создается свыше 10 000 т ртути в год. В океане ртуть под воздействием анаэробов превращается в метилртуть и диметилртуть, опасные для всего живого. Метилртуть с кровью поступает в мозг, разрушая его, проникает в плаценту. При проглатывании и вдыхании паров металлической ртути чернеют и крошатся зубы. Ртутные соли просачиваются сквозь кожу, разъедая ее и слизистые.

Свинец

Свинцу присвоен I классу опасности. Он выделяется при выплавке из руды. Каждый год в мире используется до 180 000 т свинца, а наибольшее загрязнение наблюдается на автомобильных выхлопных газах. При движении машины в атмосферу выбрасывается свинец содержащийся в бензине. Основная масса оседает на землю, но часть остается в воздухе.

Еще свинцовая пыль покрывает почву в промышленных зонах. Другие источники загрязнения – угольные электростанции и бытовые печи, глиняная посуда с глазурью, красящие пигменты.

Неорганические соединения свинца расстраивают метаболизм, металл может замещать кальций в костях. Органические еще более токсичны.

Кадмий и цинк

1 млн. кг кадмия ежегодно выбрасывается в атмосферу вследствие его выплавки. Это 45% общего загрязнения. Другие 55% – следствие сжигания или переработки кадмийсодержащих изделий. Заводы по выплавке цинка – крупнейшие источники загрязнения данным металлом. Оба элемента проникают в водоемы, попадают в рыбу, скапливаются в печени и почках.

Значительные загрязнения цинком обнаруживаются вблизи автомагистралей. Источником загрязнения кадмием также являются удобрения. Элемент внедряется в растения, используемые в пищу, и отравляет организм. При этом кадмий намного токсичнее цинка, ему присвоен I класс опасности. Вдыхание воздуха, в котором его больше 5 мг/м3, в течение 8 ч. чревато смертью.

Сурьма, мышьяк, кобальт

Каждый год в мире производится около 70 т сурьмы. Она входит в состав сплавов, применяется для изготовления спичек, а в чистом виде идет на полупроводники. Хроническое отравление нарушает функции ЖКТ.

У мышьяка II класс опасности, он летучий и легко попадает в воздух. Сильнейшие источники загрязнения – гербициды, фунгициды и инсектициды. Элементарный мышьяк – слабый яд, но нарушает развитие плода. Отравление вызывает болезни ЦНС, изменения печени, атрофию костного мозга.

Кобальт задействуют в сталелитейном деле, изготовлении полимеров. Это элемент I класса опасности.

Медь и марганец

Медь относится ко II классу опасности. По воде и воздуху металл переносится на огромные расстояния. Аномальным содержание меди в почвах и растениях остается на расстоянии больше 8 км от плавильного завода. Ее излишки откладываются в тканях мозга, коже, печени, поджелудочной. Она провоцирует болезнь Вильсона.

У марганца тоже II класс опасности. Источники загрязнения – производства легированной стали, сплавов, электробатарей. Превышение нормы марганца в воздухе разрушает ЦНС.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами

Самые долгие последствия вызывает загрязнение почв тяжелыми металлами вследствие добычи, плавки руд, промышленных выбросов, применения удобрений. Особенно опасны кадмий, медь, свинец, цинк, поскольку они стойкие, биоаккумулятивные и токсичные.

Последствия загрязнения почвы

Из-за загрязнения почв металлами ухудшается рост и метаболизм почвенных микробов. Это может затруднить поглощение растениями питательных веществ из почвы. Плюс тяжелые металлы токсичны для растений. Все это приводят к замедлению роста, низкой урожайности.

Растения, накопившие токсиканты, могут поступать в пищу. Это опасно для здоровья. Еще они из почвы проникают в питьевую воду, вызывая болезни.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Перед рекультивацией земель, загрязненных тяжелыми металлами, важно выявить источник загрязнения, реализовать меры по его ликвидации и уменьшению выбросов. Только так достигается эффективность работ.

Рекультивация земельных участков проводится несколькими способами:

  1. Выращивание устойчивых к загрязнению растений (колосовые зерновые, капуста, картофель, хлопчатник, свекла).
  2. Фиторекультивация растениями, накапливающими металлы.
  3. Контроль подвижности токсикантов в почве.
  4. Регулирование соотношения элементов в почве.
  5. Организация рекультивационного слоя.

Загрязнение водоемов тяжелыми металлами

Загрязнения нефтепродуктами и токсичными металлами ухудшают качество среды обитания водных биоресурсов. Они негативно влияют на кормовую базу рыб, выживаемость молоди и размножение взрослых особей.

Источники загрязнения водоемов – стоки горнодобывающих, металлургических заводов, химическая и легкая промышленность. Соли хрома сбрасывают фабрики по дублению кожи, хром с никелем используют для гальванического покрытия изделий из металла. Соединения цинка, кобальта, меди, титана – это красители.

Наибольшую опасность представляет загрязнение вод ртутью. При взаимодействии с микробами со дна образуются водорастворимые органические соединения высокой токсичности.

Некоторые металлы содержатся в пестицидах и удобрениях. Уровень загрязнения ими растет вследствие кислотных дождей, то есть закисления.

Предельно допустимые концентрации в воде

При оценке состояния экосистем учитывается загрязненность водных объектов токсичными веществами. Особенно опасны тяжелые металлы. Поэтому установлены их предельно допустимые концентрации, которые при ежедневном влиянии не допускают развития у людей патологий.

Металл ПДК в обычной воде ПДК в рыбохозяйственных прудах
Ртуть 0,5 мкг/л до 0,1 мкг/л
Свинец 0,03 мг/л 0,1 мг/л
Кадмий 1 мкг/л до 0,5 мг/л
Кобальт 0,1 мкг/л 0,01 мг/л
Марганец 0,1 мкг/л 0,1 мкг/л
Мышьяк 50 мкг/л 50 мкг/л
Медь 0,1 мкг/л 0,001 мг/л

Загрязнение атмосферы тяжелыми металлами

Техногенные выбросы металлов в виде аэрозолей поступают в атмосферу и переносятся на огромные расстояния, провоцируя глобальное загрязнение. С гидрохимическими стоками их часть попадает в бессточные водоемы, скапливается в воде и на дне. Это может вызвать вторичное загрязнение.

Металлы быстро распространяются в воде, выпадают в осадок в виде сульфатов и карбонатов и частично абсорбируются на органических осадках. При исчерпании абсорбционной способности осадков токсиканты проникают в воду, повышая ее кислотность, провоцируя зарастание водоемов и интенсивное выделение углекислого газа вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами

Пищевые цепочки – один из основных путей поступления токсикантов в организм. Они начинаются от сельхозугодий и заканчиваются человеком. Растения поглощают металлы из почвы, в продукты животноводства они поступают через антибиотики, гормоны для стимуляции роста животных. Как конечное звено пищевой цепи, человек может получать еду с концентрация токсикантов до 1000 раз выше, чем в почвах.

Загрязнение пищевых продуктов происходит при готовке еды, контакте сырья с посудой во время термообработки. При консервировании жестяные банки становятся источником загрязнения свинцом. Он попадает в состав продуктов питания из свинцового припоя в швах.

Воздействие тяжелых металлов на организм человека

В индустриально-развитых странах наблюдается рост профессиональных болезней вследствие вредных производственных факторов. Это шум, вибрация от движущихся механизмов, воздействие электромагнитного поля, химических веществ. Наиболее опасны тяжелые металлы. При превышении допустимого уровня они становятся токсичными, откладываются в почках и печени, приводят к мутациям.

Распространенные заболевания на фоне интоксикации металлами:

  1. Никель провоцирует астму, врожденные пороки.
  2. Кобальт – некроз почечных канальцев, болезни легких.
  3. Хром и бериллий – дерматиты.
  4. Мышьяк – белокровие.
  5. Кадмий – почечную дисфункцию, разрушение костей.
  6. Цинк – остеопороз, цинковую лихорадку.
  7. Медь – аутоиммунные нарушения, желтуху, гипертонический криз.
  8. Молибден – ломкость костей, прекращение роста у детей.
  9. Марганец – атеросклероз.
  10. Ртуть – нарушения ЦНС, уродства.
  11. Селен – выпадение волос и ногтей, внезапную смерть.
  12. Ванадий – астму, нервные расстройства, изменение состава крови.
  13. Таллий – нарушения метаболизма.

Мышьяк, бериллий, кобальт, никель, хром и кадмий – еще и канцерогенны. Большие концентрации этих металлов в организме могут вызывать рак.

Загрязнители воздуха: обзор тяжелых металлов

Тяжелые металлы (ТМ) встречаются в окружающей среде в естественных условиях, но в разной концентрации. Они также попадают в окружающую среду из ряда человеческих и природных источников. Тяжелые металлы обычно переносятся мелкими частицами.

Некоторые тяжелые металлы, наряду со стойкими органическими загрязнителями (СОЗ), составляют часть класса загрязнителей воздуха, называемых опасными загрязнителями воздуха (HAP).

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду и здоровье человека зависит от мобильности каждого металла в окружающей среде и путей, по которым металлы достигают человека и окружающей среды.Степень заботы о здоровье человека и окружающей среды зависит от каждого металла. Некоторые металлы токсичны. Другие известны как необходимые питательные микроэлементы для людей и животных.

Дыхание и проглатывание с пищей - два пути попадания многих металлов в организм человека.

Из-за атмосферного переноса и других путей арктический регион, включая канадскую Арктику, является основным рецептором некоторых тяжелых металлов, таких как ртуть, кадмий и свинец, выбрасываемых из источников в других регионах мира.

.

Ретроспективный обзор загрязнения воды, почвы и овощей тяжелыми металлами

Следы тяжелых металлов, таких как мышьяк, кадмий, свинец, хром, никель и ртуть, являются важными загрязнителями окружающей среды, особенно в районах с высокой антропогенной нагрузкой. Помимо этих металлов, важными микроэлементами в следовых количествах являются медь, марганец, железо и цинк. Присутствие следов тяжелых металлов в атмосфере, почве и воде может вызвать серьезные проблемы для всех организмов, а повсеместная биодоступность этого тяжелого металла может привести к биоаккумуляции в пищевой цепи, что особенно опасно для здоровья человека.В этом исследовании рассматривается загрязнение тяжелыми металлами в нескольких районах Пакистана за последние несколько лет, в частности, для оценки загрязнения тяжелыми металлами воды (грунтовые воды, поверхностные воды и сточные воды), почвы, донных отложений, твердых частиц и овощей. Перечисленные загрязнения влияют на качество питьевой воды, экологическую среду и пищевую цепочку. Более того, токсичность, вызванная загрязненной водой, почвой и овощами, представляет серьезную угрозу для здоровья человека.

1. Введение

Те элементы, которые требуются живым существам в небольшом количестве, были определены в литературе как микроэлементы, микроэлементы или микронутриенты.Эти элементы необходимы живым существам для продолжения жизни, но лишь в незначительных количествах (например, витамины и минералы). Специфические потребности живого организма в питании удовлетворяются за счет комбинации всех типов макро- и микроэлементов [1]. Микроэлементы играют важную роль в химических, биологических, биохимических, метаболических, катаболических и ферментативных реакциях в живых клетках растений, животных и человека. Эти элементы присутствуют в организме человека, в продуктах питания и в различных средах в широком диапазоне концентраций от естественных сверхследей на уровне ppt, а иногда и ниже до часто повышенных из-за антропогенного загрязнения уровня ppm [1, 2].Некоторые из тяжелых металлов считаются ксенобиотиками, потому что они не играют полезной роли в функционировании организма и даже очень вредны в небольших концентрациях. Кадмий, бериллий, алюминий, уран, ртуть, свинец, висмут, барий, сурьма, мышьяк и т. Д. Входят в состав токсичных металлов. Более высокие уровни этих ионов металлов очень токсичны для животных, включая людей и растения, и их растворимость в воде считается одной из основных экологических проблем [3–5]. Экологические проблемы Пакистана в первую очередь связаны с несбалансированным экономическим и социальным развитием в последние десятилетия.Все крупные города Пакистана сталкиваются с беспорядочным, незапланированным расширением из-за перемещения населения из сельских в городские районы, что ухудшает ситуацию, чтобы справиться с этой проблемой. Поскольку муниципальные власти или другие поставщики коммунальных услуг имеют ограниченные ресурсы, случайные городские заторы являются основной причиной ухудшения природных ресурсов (воздуха, воды и качества почвы). Доступ к чистой питьевой воде в развивающихся странах ограничен, поэтому люди могут потреблять загрязненную воду [6, 7].В Азад Джамму и Кашмир (AJ&K) более 80% всех болезней связаны с потреблением воды плохого качества [8]. Подсчитано, что болезни, связанные с водой, вызывают ежегодную потерю национального дохода в размере рупий. 25–58 миллиардов и более 250 000 детей в Пакистане умирают каждый год только из-за диарейных заболеваний, а 20-40% больничных коек в Пакистане заняты пациентами, страдающими заболеваниями, связанными с водой, что является причиной одной трети всех смертей. [6, 7]. Только 25,61% (село 23.5% и 30% городского населения) в Пакистане имеют доступ к безопасной и питьевой воде [7].

Грунтовые воды составляют около одной трети общих водных ресурсов Пакистана и являются единственным источником водоснабжения в крупных муниципалитетах [6, 9]. В Пакистане основными источниками загрязнения поверхностных и подземных вод являются побочные продукты различных отраслей, таких как текстильная, металлургическая, красящие химикаты, удобрения, пестициды, цемент, нефтехимия, энергия и энергия, кожа, переработка сахара, строительство, сталь, машиностроение, пищевая, горнодобывающая и др. [7].Сброс промышленных сточных вод, городских сточных вод, сельскохозяйственных и городских сточных вод, выносимых по дренажам и каналам в реки, ухудшает и увеличивает загрязнение воды [10, 11].

Анализы отложений играют решающую роль в оценке степени загрязнения тяжелыми металлами и связанного с этим риска для здоровья, связанного с пищевой цепочкой [12]. На прибрежных территориях сосредоточено более 60% промышленных предприятий города Карачи (Пакистан), включая более 6000 различных промышленных предприятий, таких как химическая промышленность, текстильная, фармацевтическая, металлургическая промышленность, нефтеперерабатывающие заводы, нефтехимическая промышленность и кожевенные заводы [13].Огромные количества промышленных и бытовых сточных вод, составляющие более 300 миллионов галлонов в день, сбрасываются непосредственно в прибрежные районы через реки Ляри и Малир (Карачи) и многие открытые стоки [14]. Это, в сочетании с постоянно растущим демографическим давлением, урбанизацией и индустриализацией прибрежных районов, не только способствует сбросу огромных объемов сточных вод, но также имеет чрезвычайно важное значение, поскольку большинство из них не регулируются и не обрабатываются (менее 20%).Следовательно, есть опасения, что прибрежная морская среда подвергнется значительному давлению из-за загрязнения металлами [15]. Вывоз сточных вод и промышленных отходов - большая проблема. Часто его осушают на сельскохозяйственных угодьях, где используют для выращивания сельскохозяйственных культур, в том числе овощей [16, 17]. Орошение сточными водами представляет несколько угроз для окружающей среды из-за загрязнения тяжелыми металлами. Он также представляет ряд потенциальных рисков для здоровья человека из-за потребления или воздействия патогенных микроорганизмов и тяжелых металлов [18].

2. Состояние загрязнения тяжелыми металлами в Пакистане

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду и здоровье человека зависит от мобильности каждого металла в окружающей среде и от путей, по которым металлы достигают человека и окружающей среды. Состояние загрязнения тяжелыми металлами в Пакистане вызывает большую озабоченность и отражается в количестве исследований, представленных в виде таблиц 1–3 вместе с картами, показывающими некоторые представляющие интерес регионы (рисунки 1–4). В следующем абзаце показано текущее состояние загрязнения тяжелыми металлами из различных источников, таких как вода, почва, отложения, твердые частицы и овощи.


S. номер Тип и расположение образца (вода) Диапазон содержания цинка (мг / л)
(среднее значение)
Диапазон содержания меди (мг / л) (среднее) Fe (мг / л) диапазон (среднее) Mn (мг / л) диапазон (среднее) Cd (мг / л) диапазон (среднее) Cr (мг / л) диапазон (среднее ) Ni (мг / л) диапазон (средний) Pb (мг / л) диапазон (средний) As (мг / л) диапазон (средний) Ref.

A Грунтовые воды
NSDWQ-Pak (питьевая вода) 5,0 2,0 - 0,5 0,01 0,05 0,02 0,05 0,05 [19]
ВОЗ (питьевая вода) - 2.0 - - 0,003 0,05 0,07 0,01 0,01 [20]
1 Бассейн реки Жоб, Белуджистан.
Вода из открытых и глубоких скважин
0,03–0,75 0,07–0,25 0,5–1,1 0,06–0,25 - 0,06–0,35 - 0,02–0,06 - [21]
2 Район Калаланвала недалеко от Лахора, Пенджаб (мелкие трубчатые скважины) - - - - - - - - 0.02–1,889 [22]
3 Вода из трубчатых колодцев, Хасан Абдал, Пенджаб (0,009) (0,02) (0,07) (0,02) (0,001) (0,04) (0,03) (0,03) - [23]
4 Калаланвала, Пенджаб () - - - - - - - - 0.032–1.90 [24]
5 Вода из колодцев, деревни возле Калаланвала, Пенджаб () - - - - - - - - 0,001–2,40 (123) [25]
6 Вода из скважин, район Мултан, Пенджаб () - - 0,07–2,7 0,06–1,0 - - - - 0.06–1.0 [26]
Вода из колодца, район Музаффаргарх, Пенджаб () 0,0–1,65 0,0–0,69 0,0–0,40
7 Вода из скважины из жилого района, Касур, Пенджаб () 0,01–1,08 - 0,02–11,8
(2,57)
0,01–0,17 0,001–0,027 0.05–9,80
(2,12)
0,001–0,24 0,003–0,26 - [27]
8 Восемь районов Пенджаба (= 4547) - - - - - - - - 0,006–0,012 (0,0085) [28]
9 Дера Гази Хан, Пенджаб (= 32) - - - - - - - - 0.001–0,029 [29]
10 Сиалкот, Пенджаб () 0–0,81 (0,16) 0,01–0,17 (0,06) 0–0,83 (0,30) 0–0,09
(0,03)
- 0–0,30 (0,03) 0,01–0,22 (0,10) 0,11–0,81 (0,49) - [30]
11 Городские районы Лахора, Пенджаб - - 0,01–2,32 (0,77) - - - - 0–0.007
(0,002)
0,024–0,0716 (0,036) [31]
12 Затонувшие трубчатые колодцы, Хана, Лахор, Пенджаб - - - - - - - - (0,071) [32]
13 Мелкие скважины в окрестностях Палози, Пешавара, КПК (= 13) 0,047–0,34 0,26– 0,34 0,0–0,30 0.071–0,21 0,0–0,04 - 0,0–0,68 0,27–0,38 - [33]
Глубокие скважины в районе дренажа Палози Пешавар (= 3) 0,0– 0,082 0,558–0,598 0,46–0,99 0,0–0,306 0,0–0,056 - 0,0–0,52 0,0–0,49 -
14 Скважинная вода, Чарсадда и Рисалпур, КПК (= 8) 0.002–0,27 0,004–0,67 0,01–0,43 0,08–2,56 0,01–0,07 0,01–0,30 0,002–3,66 0,02–0,73 - [10]
Вода из скважин, Коранги, Карачи, Синд (= 8) 0,04–0,52 0,01–0,21 0,51–2,39 0,07–0,12 0,02–0,04 0,003–0,07 0,01–2,19 0,10 –0,24
15 Водопроводная вода, промзона, Хаттар, КПК 0.050 0,030 0,50 0,15 - - - 0,001 - [34]
16 Трубный колодец и колодец, промзона Хаятабад, Пешавар, КПК (0,10) (0,36) (0,08) (0,12) (0,03) (0,09) (0,88) (0,66) - [11]
17 Вода возле сточных вод кожевенного завода (), Пешавар, КПК 0.001–0,559 (0,131) - 0,003–1,097 (0,143) 0,001–0,740 (0,087) 0,003–0,043 (0,014) 0,012–0,145 (0,089) 0,004–0,454 (0,136) 0,004–0,407 (0,080) - [35]
18 Hattar Industrial Estate, КПК () 0,007–1,340 (0,18) - 0,005–1,070 (0,110) 0,004–0,18 (0,04) 0,001–0,21 (0.02) 0,010–0,940 (0,22) 0,009–0,585 (0,08) 0,001–2,34 (0,26) - [36]
19 Питьевая вода, промышленный район Пешавара, КПК, Зона загрязнения - - - - - - - - 0,004–0,059 [37]
Зона контроля 0.009–0,038
20 Ручной насос, Хайрпур / Матиари, Синд () - - - - - - - - (0,25 ) [38]
21 Вода из трубчатых колодцев, Коранги, Карачи, Синд (= 4) (0,048) (0,032) (2,39) (0,124) (0,041) ) (0,3) (0,656) (0.24) - [39]
22 Ручная перекачка воды в районе озера Манчар, Синд (= 1944) - - - - - - - - 0,0233–0,096 [40]
23 Джамшоро, Синд () - - 0,09–4,28 (0,79) - - - - - 0.0013–0,106 (0,040) [41]
24 Талукадаур, район Навабшах, Синд () 0–0,228 0–0,099 0,075–1,35 0,001–0,517 0,002– 0,017 - 0,013–0,09 0,006–0,053 - [42]
25 Промышленная зона, Карачи, Синд - (0,049) - - - - - - - [43]
26 Синд () - - - - - - - - 0.0087–0,352 [44]
27 Город Хайдарабад, Синд - - - - - - - - 0,0045–0,010 (0,0087) [45]
Tharimirwa, Синд 0,014–0,057 (0,0284)
Гамбат, Синд 0.0388–0,362 (0,112)
28 Водопроводная вода, Карачи, Синд - (0,121) (0,106) (0,081) - (0,012) ( 0,037) (0,006) - [46]
29 18 районов Карачи, Синд () - - - - - - - (0,146) - [47]
30 Район Джамшоро, Синд - - 0.09–4,3 (0,87) - - - - - 0,013–0,106 (0,040) [48]
31 Подрайон Дипло и Чачро Тарпаркара, Синд - - 0,1–0,32 - - - - - 0,0001–0,002 (0,0011) [49]
32 Район Мити и Нагарпаркар Тарпаркар, Синд - - 0.076–0,27 - - - - - 0,0001–0,003 (0,0011) [50]
33 Питьевая вода, Жемчужная долина, Азад Джамму и Кашмир (18 местоположений) <0,009–4,6 <0,0001–2,8 - <0,002–4,7 - - <0,002–2,96 <0,03–4,7 - [8]
34 Область Кохистан, Северный Пакистан
()
- - (0.28–0,42) - - - - - (0,0001–0,006) [51]
35 Область Кохистан, Северный Пакистан - - - - - - - - -
Область Джиджал-Дубайр () 0,029 –2,881 (0,651) 0,035–0,133 (0,738) 0.023–0,009 (0,005) 0–0,001 (0,001) 0,002–0,035 (0,021) 0–0,014 (0,005) 0–0,005 (0,002) [52]
Бешам () 0,165–3,387 (1,376) 0,015–0,102 (0,042) 0,002–0,066 (0,019) 0–0,004 (0,002) 0–0,004 (0,001) 0–0,006 ( 0,002) 0,001–0,043 (0,002)
Альпури () 0.032–2,414 (0,827) 0,033–0,043 (0,0391) 0,002–0,025 (0,012) 0–0,0004 0–0,0022 (0,001) 0,002–0,010 (0,005) 0,002–0,003 (0,002)

B Поверхностные воды
1 Река Кабул, Пешавар, КПК - (0.07) (1,1) - (0,03) - (0,2) (0,52) - [17]
2 Сток Палози, Пешавар, КПК ( = 4) 0,0–0,239 - 0,37–0,75 0,017–0,24 0,0–0,004 - 0,0–0,18 0,0–0,34 - [33]
3 Поверхностная вода из разных точек КПК (= 16) 0.003–0,08 0,01–0,77 0,01–1,29 0,01–1,11 0,002–0,09 0,01–0,12 0,01–1,52 0,02–0,38 - [10]
Река Малир, Карачи, Синд (= 8) 0,06–0,29 (0,16) 0,01–0,84 (0,31) 0,13–2,91 (0,78) 0,05–0,57 (0,33) 0,002–0,07 (0,04) 0,03–0,29 (0,10) 0,02–1,06 (0,59) 0,09–0,32 (0.19)
4 Промышленный район Пешавара, КПК - - - - - - - - 0,016–0,071
Загрязненная территория 0,0395–0,038 [37]
Зона контроля 900
5 Река Бара, Новшера, КПК (= 9) 0.02–0.06 0,90–1,20 1,29–1,75 0,77–0,85 0,15–0,20 0,16–0,29 0,53–0,72 0,43–0,62 - [53]
6 Плотина Варсак, КПК (0,087) (0,042) - - - (0,051) (0,012) (0,009) - [54]
7 Канал Пхулали, Хайдарабад, Синд () (0.167) (0,063) (1,451) (0,596) (0,004) (0,0082) (0,005) (0,026) - [55]
8 Озеро Манчар, Джамшоро, Синд (= 9) (0,016) (0,009) (0,012) - (0,001) - (0,004) (0,009) - [56]
9 Озеро Манчар, Джамшоро, Синд () - - - - - - - - 0.0035–0,157 (0,097) [40]
10 Джамшоро, Синд
()
- - 0,08–0,38 (0,19) - - - - - 0,003–0,037
(0,015)
[41]
11 Синд () - - - - - - - - 0.003–0,018 [44]
12 18 округов Карачи, Синд (
.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами и производными нефти: влияние на эдафическую фауну и стратегии восстановления

1. Введение

Почва характеризуется как сложная и динамичная система. Он состоит из нескольких слоев, которые различаются по своей физической, химической, минералогической и биологической природе, на которые влияют климат и деятельность живых организмов. Помимо вклада в поддержание всех форм жизни, встречающихся на поверхности земли, почва играет важную роль в защите грунтовых вод, действуя как фильтр-коллектор органических и неорганических остатков, помогая изолировать возможные токсичные соединения [1].

В течение последних десятилетий двадцатого века было осознание важности почвы как компонента окружающей среды и признание необходимости поддерживать или улучшать ее способность выполнять свои различные функции. В то же время было подтверждено, что почва не является неисчерпаемым ресурсом и при неправильном или плохом использовании ее характеристики могут быть потеряны за короткий период времени с ограниченными возможностями для восстановления [2].

Однако окончательное удаление потенциально токсичных остатков в почве стало практичной и недорогой альтернативой, которая может вызвать изменения в сообществе членистоногих [3, 4].Эти виды могут иметь индивидуальные биологические изменения (физиологические, морфологические и поведенческие), которые могут быть экстраполированы на полевые исследования для анализа экологических аспектов, таких как динамика популяции и богатство разнообразия на загрязненных территориях. Таким образом, сбор данных о биологических исследованиях, как лабораторных, так и полевых, в сочетании с химическим анализом загрязнителей дает реальный сценарий последствий, которые токсичные вещества могут вызвать в экосистеме.

Среди веществ, попадающих в почву, можно выделить нефтепродукты и тяжелые металлы [5].В почвах, загрязненных нефтью и ее производными, некоторые загрязняющие вещества выделяются по сравнению с другими, например, бензол, толуол, этилбензол и ксилолы, известные как BTEX, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и общие углеводороды нефти (TPH) [6, 7]. Загрязнение тяжелыми металлами происходит в результате антропогенной деятельности, в основном связанной с промышленными процессами и естественными источниками, такими как извержения вулканов [8].

Несмотря на то, что исследования качества почвы сталкиваются с серьезной технологической проблемой, когда необходимо предпринять несколько действий для оценки, исправления и снижения рисков загрязнения почвы, стандартизованный мониторинг в сочетании со стратегиями восстановления все еще необходим [5].

Таким образом, во всем мире было проведено несколько исследований, направленных на устранение последствий загрязнения почвы. Восстановление загрязненной зоны включает применение одного или нескольких методов, направленных на удаление или сдерживание вредных веществ, чтобы позволить повторное использование территории с приемлемыми пределами риска для здоровья человека и окружающей среды. С этой целью идеальный процесс восстановления должен удалить все загрязнители почвы или, по крайней мере, снизить процент загрязнения окружающей среды до приемлемых пределов; также следует избегать миграции загрязнителей в другие районы.

Для восстановления почв, загрязненных нефтью и тяжелыми металлами, было разработано несколько физических, химических и биологических методов удаления или разложения in situ или ex situ загрязнителя [6, 9]. В этом контексте цель главы состоит в том, чтобы обеспечить тщательный пересмотр методов удаления или разложения загрязнителей, а также обсуждение применения таких методов для разработки стратегий и политики восстановления.

2. Динамика загрязняющих веществ в почве

Геосфера, или земной слой, - это та часть земли, на которой люди живут и извлекают максимум своих ресурсов. Раньше считалось, что Земля обладает неограниченной способностью поглощать удары человечества. В настоящее время геосфера считается очень хрупкой и уязвимой для травм в результате антропогенной деятельности. Согласно Манахану [10] определение загрязнителя может быть описано как увеличение концентрации определенного вещества до более высоких уровней, чем они возникают в природе, возникающее из внешнего источника, обычно связанного с деятельностью человека.

Предсказать поведение ксенобиотика в почве очень сложно, поскольку его состав является полностью сложным и неоднородным. Следовательно, знание физико-химических характеристик загрязняющих соединений и окружающей среды является фундаментальным для прогнозирования их динамики [11].

Следует отметить, что некоторые почвы обладают способностью ассимилировать и нейтрализовать такие загрязнители, поскольку химические и биохимические явления способны ослабить вредную природу загрязнителей.Эти явления включают процессы окисления, гидролиза, кислотно-основных реакций, осаждения, адсорбции и биохимического разложения. Некоторые опасные органические химические продукты могут разлагаться на почве до безвредных продуктов, а тяжелые металлы могут сорбироваться, иммобилизоваться или минерализоваться. В общем, следует проявлять большую осторожность при удалении остатков, отходов и других потенциально опасных материалов для почвы, особенно там, где существует возможность загрязнения существующей воды.

Когда загрязнитель достигает почвы, намеренно или случайно, он подвергается воздействию геохимических и биологических явлений и распространяется по недрам в парообразной, остаточной или адсорбированной фазах, свободной фазе и растворенной фазе. Распределение таких фаз будет зависеть от их физико-химических характеристик, а также от типа почвы [12]. Таким образом, подвижность загрязняющих веществ и, следовательно, их токсичность напрямую связаны со способностью почвы поддерживать их в твердой фазе, делая их недоступными для поглощения растениями, эрозии и / или выщелачивания [13].Среди факторов, определяющих связывание загрязняющих веществ с почвой, есть доступная площадь поверхности частиц (м² / г). Кроме того, электрические заряды частиц матрицы почвы также влияют на адсорбцию загрязняющих веществ в окружающей среде. Примечательно, что по своим физико-химическим свойствам загрязнители классифицируются как плотная жидкость в неводной фазе (DNAPL), когда вещество более плотное, чем вода, и как легкая неводная фаза жидкости (LNAPL), когда она менее плотный [14].

Основными процессами взаимодействия органических соединений или металлов с окружающей средой являются удерживание путем адсорбции, абсорбции или осаждения; биотические и абиотические преобразования и перенос в результате улетучивания, вымывания или стока [15]. Существуют соединения, обладающие высокой устойчивостью к разложению, которые могут сильно обратимо или необратимо взаимодействовать с коллоидными компонентами почвы. Этот процесс называется сорбцией как для адсорбции, так и для абсорбции. Адсорбция характеризуется как межфазный процесс, в то время как абсорбция отличается тем, что включает проникновение соединения в частицы почвы и может накапливаться внутри абсорбирующей системы [11].

В общем, динамику загрязняющих веществ в почве можно смоделировать с помощью трех механизмов массопереноса, а именно: адвекции, рассеивания и ослабления.

  1. Advection - состоит в механизме, в котором загрязняющие вещества случайно следуют векторам потока и поддерживают прямую связь со скоростью просачивания в почву. Это механизм, ответственный за образование и мобилизацию свободной фазы углеводородов.

  2. Дисперсия - Состоит в механизме, отвечающем за снижение концентрации загрязняющих веществ в просачивании жидкости и который может происходить за счет двух процессов: гидродинамического диспергирования и молекулярной диффузии.Гидродинамическое диспергирование происходит за счет ограничения потока в порах почвы, что вызывает снижение скорости просачивания более вязких компонентов, в то время как молекулярная диффузия, по сути, является явлением разбавления более растворимых соединений и является основным процессом образования. растворенной фазы, ответственной за большую подвижность загрязняющих веществ. В случае эмульсий, таких как углеводороды, диспергирование может происходить по более сложному механизму из-за явления гистерезиса (задержки) уноса загрязнителей, особенно на фронтах насыщения и капиллярной кайме.Этот процесс связан с образованием адсорбированной фазы, а также с образованием фракции эмульсий, которые могут составлять растворенную фазу.

  3. Затухание - Заключает в себе уменьшение содержания загрязняющих веществ, переносимых адвекцией или разбавлением посредством химических или физико-химических реакций. Химическое ослабление более интенсивно в почвах с более высокой катионообменной способностью и действует на восстановление соединений в свободной и адсорбированной фазах. Также в списке реакций есть реакции биоконверсии, в которых часть углеводородов превращается или полностью окисляется в органические кислоты.Химическое ослабление более интенсивно в области с большей доступностью кислорода.

Физико-химическое ослабление отвечает за образование адсорбированной фазы и заключается в задержании загрязняющих веществ, которые прилипают к зернам почвы, особенно к глыбам глины с более высокой активностью. Однако, связанный с механизмами химического ослабления, он ответственен за образование растворенной фазы (чему способствует снижение pH) [16].

3. Загрязнение почвы и его воздействие на почвенную фауну

Почвенная экосистема таит в себе огромное биоразнообразие, и все чаще признается, что это разнообразие имеет важное значение для поддержания функции других экосистем [17], поскольку деятельность беспозвоночные имеют существенное влияние на его организацию и структуру, динамику органического вещества и рост растений [18]. Несмотря на эту важность, почва стала практичной и дешевой альтернативой для окончательной утилизации нескольких токсичных остатков, что привело к негативным последствиям [4].

Загрязняющие вещества могут быть устойчивыми к процессам разложения и, следовательно, могут накапливаться в почве [19]. Беспозвоночные легко подвергаются воздействию таких загрязнителей, которые могут влиять на их экологические функции [20] и косвенно влиять на экосистему, изменять соотношение хищник / жертва и влиять на сложную пищевую цепь [21]. Чтобы оценить экологические последствия этого загрязнения, разработаны тесты, нацеленные на количественное определение численности, смертности и воспроизводства подвергшихся воздействию организмов [20].

В этом смысле в следующей теме будут рассмотрены эффекты, вызываемые эдафической фауной из-за загрязнения почвы тяжелыми металлами и нефтепродуктами.

3.1. Нефть и ее производные

По словам Леблона [22], ожидается, что производство будет 95 миллионов баррелей нефти в день, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос на этот ресурс. Сырая нефть представляет собой сложную смесь, состоящую, в основном, из углеводородов, органических соединений серы, азота и кислорода [23].Хотя около 80% от общего объема добычи сырой нефти производится на земных месторождениях, имеется мало исследований о ее воздействии на почву [24].

Исследования токсичности нефти показали, что некоторые виды более чувствительны к этим загрязнителям. Выживаемость дождевых червей ( Eisenia andrei и E. fetida ) и энхитреидов ( Enchytraeus crypticus ) может быть уменьшена в почве, содержащей сырую нефть [25, 26], в то время как численность Isopoda и Hymenoptera в районах, загрязненных сложными смесями. производимые с нефтеперерабатывающих заводов могут быть выше по сравнению с незагрязненными территориями [27].

Среди производных нефти видную роль играют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Химически они представляют собой ароматические соединения, образованные двумя или более бензольными кольцами, состоящими исключительно из атомов углерода и водорода, расположенных в линейной, угловой или сгруппированной форме [28], и представляют собой остатки сгорания, нефтепереработки и других промышленных процессов высокой температура [29]. В окружающей среде есть тысячи этих веществ, каждое из которых отличается числом и положением ароматического кольца [30], но только 16 веществ вызывают экологическую озабоченность: аценафтен, аценафтилен, антрацен, бензо (а) антрацен, бензо (а) пирен, бензо (b) флуорантен, бензо (ghi) перилен, бензо (k) флуорантен, хризен, дибензо (a, h) антрацен, фенантрен, фуорантено, фуорено, индено (1,2,3-cd) пирен, нафталин и пирен [31].

Хотя van Brummelen et al. [19] утверждали, что воздействие ПАУ, накопленных в почве, на беспозвоночных может влиять на экологическую функцию этих организмов, мало что известно об их эффектах [32, 33]. Однако известно, что наземные беспозвоночные не обладают способностью метаболизировать ароматические соединения, за исключением некоторых видов, у которых есть микроорганизмы, связанные с кишечником [34], что подразумевает более широкую проблему, поскольку они генерируют биоаккумуляцию в организме, увеличивая возможность заражения своих хищников через пищевую цепочку [35].

Небольшой обзор, выполненный Souza et al. [7] обсуждает основные экотоксикологические анализы, которые могут применяться в почвах, загрязненных нефтяными углеводородами. В этом обзоре авторы подтверждают, что биотесты с беспозвоночными были эффективными благодаря той важной роли, которую эти животные играют в экологических процессах почвы, таких как круговорот и разложение.

Исследования с использованием дождевых червей в качестве организмов-биоиндикаторов загрязнения почвы ПАУ показали, что воздействие на эти организмы ограничено.Показатели выживаемости и воспроизводства не изменились, а концентрации этих веществ у особей были низкими, что свидетельствует о низком поглощении ими [36]. Шауб и Ахази [apud 36] наблюдали, что ПАУ не влияли на выживаемость и рост дождевого червя E. fetida в концентрации 100,8 мг / кг, но на воспроизводство влияли при концентрации 1,008 мг / кг. Chrysene не повлиял на выживаемость E. fetida в исследовании, проведенном Bowmer [37].

Нетоксичность ПАУ для дождевых червей можно объяснить тем, что между ними существует взаимное влияние [38, 39]. Дождевые черви несут ответственность за содействие устранению ПАУ в почве за счет улучшения естественных условий биоразложения, способствуя увеличению его насыщения кислородом из-за тесного контакта микроорганизмов, присутствующих в их кишечнике, с почвой [36].

В отношении Collembola, Sverdrup et al. [33] подтверждают, что они более чувствительны к ПАУ по сравнению с другими организмами, такими как дождевые черви, поэтому являются хорошими моделями токсичности для этого класса загрязнителей.Чтобы прийти к такому выводу, авторы протестировали 16 различных ЛАГ, восемь из которых повлияли на репродуктивную способность и выживаемость коллембол. Eom et al. [40] подтверждают тот факт, что коллемболы более чувствительны к ПАУ. Isopoda не оказалась более чувствительной к загрязнению ПАУ. Вид Oniscus asellus показал небольшое изменение численности после воздействия бензо (а) антрацена и отсутствие эффекта после воздействия бензо (а) пирена. Вид Porcellio scaber не обнаружил изменений ни в одном из двух веществ [19].

ПАУ могут также опосредованно действовать на организмы и вызывать изменения в популяциях, начиная с увеличения th

.

Смотрите также