Дипломная работа: Изучение влияния соединений тяжёлых металлов на почву и растения (на примере соединений кадмия и свинца)

Таблица 6

Изменение агрохимических показателей почвы после внесения соли Cd(II) в разных концентрациях

3.2 Изучение подвижности соединений Pb2+ и Cd2+ в почвах

В работе решалась задача изучения степени подвижности ионов свинца (II) и кадмия (II) и, в частности, выявление доли кислоторастворимых форм ТМ в системе «почва-растение». Экспериментальные данные изучения подвижности ионов Pb (II), Cd (II) под влиянием различных концентраций их в почве и почвенном растворе в зависимости от кислотности почвы проводились с использованием солей Cd(NO3)2  и  Pb(CH3COO)2.

Ионы металлов вводили в почву в количествах, кратных 20 ПДК и 60 ПДК (ПДК Cd (II) = 3 мг/кг [18], ПДК Pb (II) = 1 мг/кг [13]) по схеме:

1.  контроль (почва-фон)

2.  фон + ТМ (Pb 2+ /Cd 2+) + биогумус

3.  фон + ТМ (Pb 2+ /Cd 2+) +известь

4.  фон + ТМ (Pb 2+ /Cd 2+) + ацетат натрия

Опыты были заложены в сосудах без дна размером 10*15*40 см.

После выращивания биокультуры в течение 30 суток почву подвергали химическому анализу на содержание валовых и подвижных форм Pb (II), Cd (II) методом атомно-абсорционной спектроскопии (методика 2.6.) с целью определения доли поглощения ТМ. Результаты представлены в таблицах 7, 8 и на диаграммах 1-4.

Таблица 7

Содержание валовых форм Pb (II), Cd (II), мг/кг в почве Минусинского района

Таблица 8

Содержание подвижных форм Pb (II), Cd (II), мг/кг в почве Минусинского района.

Рис. 1. Валовое содержание кадмия (II), мг/кг

Рис.2. Валовое содержание свинца (II), мг/кг

Условные обозначения к рисункам 7-8:

1-  почва + Ме2+

2-  почва + Ме2+ + СН3СООNa

3-  почва + Ме2+ + биогумус

4-  почва + Ме2+ + известь

Рис. 3. Содержание подвижных форм кадмия в почве (экстр. 1 н. СН3СООNН4), мг/кг почвы

Рис.4.Содержание подвижных форм свинца в почве (экстр. 1 н. СН3СООNН4), мг/кг почвы

Условные обозначения к рисункам 1-4:

1-  почва + Ме2+

2-  почва + Ме2+ + СН3СООNa

3-  почва + Ме2+ + биогумус

4-  почва + Ме2+ + известь

Подходы, рекомендуемые разными авторами [13] для характеристики соединений ионов ТМ в почве с позиции их подвижности, принципиально различаются. В почвах подавляющая часть Cd(II) и  Pb(II) находится в виде твёрдых соединений, которых может быть несколько. В процессе выделения фракций возможно перераспределение элементов между ними. Так, при определении содержания обменной фракции свинца следует иметь в виду, что однократной обработкой 1 н.  СН3СООNH4 из почвы не удаётся экстрагировать более 50% даже щелочноземельных обменных катионов, которые, безусловно, связаны значительно слабее, чем  Pb(II) [13].

   Полученные результаты указывают на то, что с ростом рН среды валовое количество свинца увеличивается. При внесении Pb2+ в почвенный раствор, в количествах, кратных 60 ПДК, наибольшее количество металла закрепляется почвой в случае применения биогумуса и извести, а так же в почве – контроле. Аномально высокое значение  Pb2+ с применением ацетата натрия объясняется, скорее всего, происходящим в системе процессом гидролиза, приводящему к накоплению ОН- ионов в почвенном растворе. Это продолжается до тех пор, пока в системе не установится равновесие между негидролизованными ацетат-ионами и гидроксид-ионами, появляющимися в результате гидролиза по аниону. В силу слабости уксусной кислоты как электролита (К дис = 1,74*10-5 ) глубина протекания гидролиза будет значительной, и в растворе будут накапливаться  ОН- ионы. Установлено что, рН 1 н. раствора СН3СООNa равен 9,4, что вполне согласуется с полученными экспериментальными данными.

Поведение Cd (II) заметно отличается от поведения других тяжёлых металлов. Его подвижность высока во всех средах, даже при внесении извести. Повышенная подвижность кадмия, и связанная с этим меньшая защищённость растительного организма от избыточных ионов этого элемента, является одной из причин сильной его токсичности.

Прочность связывания количеств Pb (II), Cd (II) за счёт химического взаимодействия будет разной, как в силу неоднородности почвенных частиц и почвенного органического вещества, так и вследствие кооперативных эффектов (изменения прочности связи ионов в результате присоединения (или отщепления) другого иона к другой частице или функциональной группе молекулы).

Полученные данные позволили провести оценку доли различных форм соединений Pb (II), Cd (II) по подвижности в почве. Результаты представлены в таблице 9.

Таблица 9

Содержание подвижных форм ионов ТМ в почве, % района.

Исходя из этих данных, можно заключить, что с ростом содержания органического вещества в почве количество подвижных ионных форм как свинца так и кадмия в 2,7 раза уменьшается, а  внесение извести практически не отражается на количестве подвижных форм свинца, тогда как доля подвижных форм кадмия уменьшается их  2 раза.

Известь является менее эффективным способом снижения подвижных форм ТМ в данном случае.

Ни одна из имеющихся в литературе методик фракционирования элементов не даёт возможности определить их истинные формы. Доступность свинца и кадмия растениям должна зависеть от способности их соединений высвобождать металл в раствор, в том числе при взаимодействии с выделяемыми корнями ионами Н+ или анионами органических кислот, которые связывают металлы в комплексы.

В кислых почвах существенная часть Pb (II), Cd (II), вплоть до 10-70 %, действительно способна обмениваться на другие ионы; в нейтральных почвах преобладают фракции, «связанные» с «оксидами Fe – Mn» и органическим веществом, а в слабощелочных и щелочных условиях свинец и кадмий распределены между «карбонатной», «органической» и «остаточной» фракциями.

3.3 Изучение фитотоксичности ионов Cd(II) и Pb(II)

Содержание в почве тяжёлых металлов и сопряжённая с этим транслокация их в растения – сложный процесс, на который влияет множество различных факторов.

Чтобы понять механизм воздействия каждого из них, следует изучать влияние отдельных факторов на фитотоксические действия тяжёлых металлов в условиях эксперимента.

Выбор культуры овса в качестве объекта исследования не случаен, поскольку является своеобразным индикатором и легко «откликается» на поступление и накопление металлов. Определение поступления тяжёлых металлов в растение проводилось в течение 30 дней, при этом особое внимание обращалось на уровень развития корневой системы и наземной части растения.

В первые 10 дней наиболее благополучно выглядели всходы, в которых была добавлена смесь биогумуса и тяжёлых металлов (Pb2+иCd2+ ). Они отличались наиболее длинными листьями и ветвистой корневой системой. На их фоне также хорошо выглядели всходы контроля, а растения с ацетатом натрия были самыми низкорослыми. Данные опыта предоставлены на рисунках 5 и 6. На 13-15 сутки эксперимента отмечается интенсивный рост культуры овса на почве – контроле, а также в лотках с использованием извести и биогумуса с концентрацией тяжёлых металлов (Pb2+иCd2+ ), в 20 раз превышающей ПДК.

Растения с ацетатом натрия – пожелтевшие и увядшие, несмотря на систематический полив и уход. Данные развития растения на 20-е сутки представлены на рисунках 7 и 8.

При совместном присутствии в почве тяжёлых металлов и CH3COONa (для создания более кислой среды) рост корневой системы и наземной части визуально прекращается.

На 27-е сутки на общем фоне самыми благополучными выглядели растения, выращенные на почве – контроле. Сильно желтеет и сохнет культура, выращенная в системе “почва – тяжёлые металлы – известь”. Особенно ярко этот эффект проявляется при использовании соли Cd2+.

Овёс, выращенный в системе “почва – тяжёлые металлы – ацетат натрия” на 30-е сутки эксперимента погибает. Наблюдается частичная гибель растений в опытах с использованием солей тяжёлых металлов.

Об этом свидетельствуют данные, приведённые на рисунках 9 и 10. Высокая концентрация тяжёлых металлов в системе “почва – тяжёлые металлы – ацетат” вызывает резкое угнетение развития растений, что привело к формированию крайне низкой продуктивности продукции или полной гибели растений. В связи с этим данные роста и развития культуры овса в системе не приведены. Для этой модельной системы установлено наибольшее количество подвижных форм свинца и кадмия.

Таким образом, метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе «почва – растение». Показано, биогумус резко снижает количество подвижных форм Pb(II) и Cd(II) и, в связи с этим, их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность.

Рис. 5. Динамика корневой системы под влиянием ионов Pb2+ Cd2+(10 сутки)

Рис. 6. Развитие наземной части овса на 10 –е сутки с внесением Cd2+, Pb2+

Рис. 7. Развитие корневой системы овса на 20 –е сутки эксперимента

Рис. 8. Развитие наземной части овса на 20-е сутки эксперимента

Рис. 9. Развитие корневой системы на 30-е сутки эксперимента

Рис. 10. Развитие наземной части овса на 30-е сутки эксперимента.

Выводы

1.  Установлено, что подвижность ионов Pb(II) и Cd(II) в выщелоченных чернозёмах и степень их фитотоксического действия на растения определяется количеством легко доступных растению подвижных форм ионов металлов, долей органического вещества в почвенном поглотительном комплексе и кислотностью почвенного раствора.

2.  Метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе «почва – растение». Показано, биогумус резко снижает количество подвижных форм Pb(II) и Cd(II) и, в связи с этим, их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность.

3.  Изучена поглотительная способность почв по отношению к ионам Cd(II) и Pb(II) под влиянием различных факторов:

- увеличение содержания органического вещества в почве приводит к возрастанию емкости поглощения почвы по отношению к ионам Pb(II) с 53,60 мг/кг по 20,01 мг/кг; по отношению к ионам  Cd(II)  - с 75,22 мг/кг   по 28,02 мг/кг;

- с ростом рН возрастает доля подвижных  форм ионов Pb(II) и Cd(II), легко доступных для растения.

4. Показано, что с ростом содержания органического вещества в почве количество подвижных ионных форм как свинца так и кадмия в 2,7 раза уменьшается, а  внесение извести практически не отражается на количестве подвижных форм свинца, тогда как доля подвижных форм кадмия уменьшается их  2 раза.

Литература

1.  Добровольский В.В., География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М:.Мысль,1983

2.  Понин М.С., Касымова Ж.С. Накопление биомассы и содержание цинка в проростках яровой пшеницы и тёмно – каштановой почве при внесении разных доз сульфата цинка //Агрохимия-1999-№3-с61-63

3.  Понизовский А.А., Студеникина Т.А. Поглощение ионов меди (II) почвой и влияние на него органических компонентов почвенных растворов //Почвоведение – 1997-№7 с 850-859

4.  Савич В.И., Оконская И.С. Определение уровня загрязнения почв и растений тяжёлыми металлами //Химизация сельского хозяйства 1992-№1-с 56-58

5.  Геохимия тяжёлых металлов в природных и техногенных ландшавтах /Под ред. Глазовской, М:.МГУ, 1983

6.  Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения. М:. РЭФИА, 1997

7.  Полянский Н.Г. Свинец. М:.Наука 1986

8.  Приходько Н.Н. Ванадий, хром, никель и свинец в почвах Притисской низменности и предгорий Закарпатья.//Агрохимия 1977-№4-с850-859

9.  Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах Европейской части СССР//Тенезис, плодородие и мелиорация почв. Пущино, - 1980 – с77-90

10.   Садовникова Л.К. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжёлых металлов // Химия в сельском хозяйстве – 1997-№2-с 37-40

11.   Кашин В.К., Иванов Б.М. Свинец в почвах юго – западного Забайкалья //Почвоведение –1998-№12-с 1502-1508

12.   Зырин Н.Г., Соколова Т.А. Сорбция свинца и состояние поглощённого элемента в почвах и почвенных компонентах // Почвоведение, 1986 - №4-с39-46

13.   Понизовский А.А., Мироненко Е.В. Механизмы поглощения свинца (II) почвами //Почвоведение – 2001-№4-с418-429

14.   Мироненко Е.В., Понизовский А.А. Математическая модель для описания химических равновесий в почвах  с участием тяжёлых металлов, низкомолекулярных органических и фульвокислот.//Сборник тезисов. Тяжёлые металлы в окружающей среде. Пущино 15-18 октября 1996г. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1996, с 153-154

15.   Волошин Е.И. Загрязнение почвы тяжёлыми металлами и продуктивность растений. // Земледелие – 1998 - №3 – с22

16.   Отраслевые стандарты. Методы агрохимических анализов почв. М:.1977

17.   Добровольский Г.В., Гришина Л.А. Загрязнение тяжёлыми металлами и охрана почв. М:. МГУ, 1985

18.   А.Кабата – Пендиас, Х. Пендиас. Микроэлементы в почвах и растениях /под ред. Саета, 1989

19.   Ильин Б.В., Степанова М.Д. Распределение свинца и кадмия в растениях пшеницы, произрастающей на загрязнённых этими металлами почвах. // Агрохимия, 1980, с 114

Страницы: 1, 2, 3, 4