Оценка качества состояния почв. Суммарный показатель химического загрязнения Zc Расчет загрязнения почвы zc если нет одк

Задание 2. Оценка качества природной среды по интегральным геохимическим показателям.

Определение гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ)

Гидрохимический ИЗВ является аддитивным показателем и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов и вычисляется по формуле:

где n – число показателей, используемых для расчета индекса; С i – концентрация химического вещества в воде, мг/л; ПДК i – предельно допустимая концентрация вещества в воде, мг/л.

При определении ИЗВ для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового видов водопользования расчет ведут по величине ПДК в для шести компонентов, имеющих наибольшую кратность превышения (С/ПДК в ), т.е. n = 6. В число шести основных, так называемых «лимитируемых» показателей, входят в обязательном порядке концентрация растворенного кислорода и значение БПК 5 .

Учитывая, что показатель биохимического потребления кислорода (БПК 5) является интегральным показателем наличия легкоокисляемых органических веществ (ПДК для БПК полн − 3 мг О 2 /л), а также то, что с увеличением содержания легкоокисляемых органических веществ (уменьшением содержания растворенного кислорода) качество вод снижается более резко, ПДК для этих показателей принимается по табл. 1.6.

Внимание! Для кислорода находится отношение ПДК i к C i .

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяются по качеству на 7 классов, представленных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация качества воды водоемов в зависимости от комплексного ИЗВ

Задание к работе

Река Т. используется по многоцелевому назначению. На различных участках реки вода используется для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения. Загрязнение воды может быть от недостаточно очищенных сбросов сточных вод различных предприятий, а также от смыва с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты. Необходимо определить экологическое состояние и пригодность водоема для указанных видов водопользования, а также предложить способы решения возникающих проблем.

1. Определить индекс загрязнения воды (ИЗВ):

1.1. Используя данные ГН 2.1.5.1315-03 заполнить таблицу 1.4

1.3. Выбрать шесть компонентов для расчета: концентрация растворенного кислорода, значение БПК 5 , а также значения 4 показателей, имеющих наибольшую кратность превышения.

1.5. Результаты расчетов представить в виде таблицы 1.5.

1.6. Указать качественное состояние воды в соответствии с данными таблицы 1.1

1.7. Дать характеристику 3 веществам, наиболее сильно загрязняющим воду (по превышению ПДК)

В табл. 1.2 приведены результаты стандартного анализа воды. В табл. 1.3 и 1.5 приведены данные химического анализа воды по содержанию в ней токсичных металлов и справочные данные для определения величины ИЗВ.

Таблица 1.2

Стандартный анализ воды

Таблица 1.3

Результаты химического анализа воды по содержанию в ней катионов токсичных металлов

Таблица 1.4

Предельно допустимые концентрации и класс опасности химических веществ в воде

Таблица 1.5

Индекс загрязнения воды

Таблица 1.6

Нормативные величины БПК5 и растворенного кислорода

Суммарный показатель химического загрязнения Zc

Химическое загрязнение грунтов и донных отложений оценивают по суммарному показателю химического загрязнения Zc, являющимся индикатором неблагоприятного воздействия на здоровье населения.

Суммарный показатель химического загрязнения Zc характеризует степень химического загрязнения грунтов, обследуемых участков металлов I-III классов опасности, и определяется как сумма коэффициентов концентрации Kc, отдельных компонентов загрязнения по формуле

Zс = Кci + … + Кcn - (n - 1), (2.1)

где: n - количество учитываемых химических элементов;
Кci - коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения, превышающий единицу.

Задание к работе

1.1. Используя данные СанПиН 2.1.7.1287-03, ГН 2.1.7.2041-06, ГН 2.1.7.2511-09 заполнить таблицу 2.2. В случае отсутствия установленного ПДК (ОДК), указать кларк элемента в городских почвах (по Алексеенко).

1.3. Выбрать для расчета компоненты, Кс которых превышает 1 .

1.5. Результаты расчетов представить в виде таблицы 2.3.

1.6. Сделать вывод об уровне суммарного загрязнения и привести рекомендации по использованию почв в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287–03.

1.7. Дать характеристику 3 веществам, наиболее сильно загрязняющим почву (по превышению ПДК)

Таблица 2.1

Результаты химического анализа почвы по содержанию в ней токсичных металлов

Таблица 2.2

Предельно допустимые концентрации и класс опасности элементов в почве

Таблица 2.3

Показатель химического загрязнения

Примечание:

1) Для Pb, Zn, Cu, Ni, As использовать ОДК. Тип почв – кислые (суглинистые и глинистые), рН КСl<5,5

6.1. Основным критерием гигиенической оценки загрязнения почв химическими веществами является предельно допустимая концентрация (ПДК), или ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) химических веществ в почве.

6.2. Оценка степени опасности загрязнения почвы химическими веществами проводится по каждому веществ с учетом следующих общих закономерностей:

Опасность загрязнения тем выше, чем больше фактическое содержание компонентов загрязнения почвы превышает ПДК, что может быть выражено коэффициентом К о = С/ПДК, т. е. опасность загрязнения тем выше, чем больше К о превышает единицу.

Опасность загрязнения тем выше, чем выше класс опасности контролируемого вещества, его персистентность, растворимость в воде и подвижность в почве и глубина загрязненного слоя.

Опасность загрязнения тем больше, чем меньше буферная способность почвы, которая зависит от механического состава, содержания органического вещества, кислотности почвы. Чем ниже содержание гумуса, рН почвы и легче механический состав, тем опаснее ее загрязнение химическими веществами.

6.3. При загрязнении почвы одним веществом неорганической природы оценка степени загрязнения проводится в соответствии с таблицей 2 (27, 28) с учетом класса опасности компонента загрязнения, его ПДК и максимального значения допустимого уровня содержания элемента (К max) по одному из четырех показателей вредности (приложение 7).

Таблица 2

Критерии оценки степени загрязнения почв неорганическими веществами

При загрязнении почв одним веществом органического происхождения его опасность определяется исходя из его ПДК (13) и класса опасности (таблица 3).

Таблица 3

Критерии оценки степени загрязнения почв органическими веществами

6.6. При полноэлементном загрязнении оценка степени опасности загрязнения почвы допускается по наиболее токсичному элементу с максимальным содержанием почвы.

6.7. Оценка уровня химического загрязнения почв как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и геогигиенических исследованиях окружающей среды городов с действующими источниками загрязнения. Такими показателями являются: коэффициент концентрации химического вещества (К с). К с определяется отношением фактического содержания определяемого вещества в почве (С i) в мг/кг почвы к региональному фоновому (Сф i):

К с =С i /Cф i

и суммарный показатель загрязнения почвы (Z с). Суммарный показатель загрязнения равен сумме коэффициентов концентраций химических элементов – загрязнителей и выражен формулой:

Z с =(K ci + … + K cn) – (n – 1)

n – число определяемых суммируемых веществ;

K ci – коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения.

Анализ распределения геохимических показателей, полученных в результате апробирования почв по регулярной сети, дает пространственную структуру загрязнения селитебных территорий и воздушного бассейна, и позволяет выделить зоны риска для здоровья населения (7, 12).

6.8. Оценка степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по показателю Z с, отражающему дифференциацию загрязнения почвы городов как металлами, так и другими наиболее распространенными ингредиентами (пыль, окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид), проводится по оценочной шкале, приведенной в таблице 4.

Таблица 4

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв

по суммарному показателю загрязнения (Z c)

Определение химических веществ при оценке уровня загрязнения почв населенных пунктов по Z с проводят методом эмиссионного анализа в соответствии с методическими указаниями (7, 12).

6.9. Оценка неблагоприятных последствий загрязнения почв при их непосредственном воздействии на организм человека важная для случаев геофагии у детей при играх на загрязненных почвах. Такую оценку проводят по наиболее распространенному в населенных пунктах загрязняющему веществу свинцу, повышенное содержание которого в почвах города, как правило, сопровождается увеличением содержания и других элементов. При систематическом нахождении свинца в почве игровых площадок в пределах 300 мг/кг можно ожидать изменение психоневрологического статуса у детей (15). Безопасным считается загрязнение свинцом на уровне ПДК в почве.

6.10. Оценка почв сельскохозяйственного использования проводится в соответствии с принципиальной схемой, приведенной в приложении 6.

6.11. Для принятия административных решений о характере использования земель, в разной степени загрязненных химическими веществами рекомендуется руководствоваться РД «Порядок определения ущерба от загрязнения земель химическими веществами» (24) с учетом характера землепользования.

Задачей экологического мониторинга является оценка состояния окружающей среды на основе регулярных на­блюдений. «Ценой» при этом являются нормативы качества окружающей среды. Цель экологического нормирования - сохранение экосистемы, ее структуры и функционирования. Подходы к оценке качества окружающей среды (в том числе почв) разнятся. Одни имеют четкую антропоцентристскую направленность, то есть за «нормальную» принимается сре­да, обеспечивающая требуемое качество жизни человека. Согласно экосистемным подходам, «нормальной» следует считать такую экосистему, в которой значимые антропоген­ные нарушения отсутствуют во всех звеньях экосистемы. Это служит гарантией обеспечения сохранения живых организмов и жизни человека. Санитарно-гигиеническое нормирование состояния почв - яркий пример антропоцентристского подхода, экологическое нормирование - пример экосистемного подхода.

Санитарно-гигиеническое нормирование. При санитарно-гигиеническом нормировании состоя­ния окружающей среды под «нормой» понимается такое состояние окружающей среды, которое не оказывает от­рицательного влияния на здоровье человека. Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды служат предельно допустимые концентрации (ПДК) химиче­ских веществ в объектах окружающей среды. ПДК соответ­ствуют максимальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного) влияния на здоровье человека (включая отдаленные последствия). Гигиена - раздел прак­тической медицины, изучающей влияние внешней среды на здоровье человека. Санитария - практическая сторона гигиенического направления медицины.

Предполагается, что предельно допустимые количе­ства химических элементов в воде, воздухе, почве, кормах, сельскохозяйственных продуктах не представляют опасности для человека, а среда, отвечающая санитарно-гигиеническим нормам, не ухудшает здоровья человека, как одного из видов живых организмов.

Практическое определение ПДК химических веществ в почвах и других природных средах проводится в лабо­раторных условиях путем выявления взаимосвязи между состоянием живых организмов и содержанием химических веществ в окружающей их среде (воде, воздухе, пищи). Эксперимент ведется по типу: «доза - эффект», т. е. про­слеживается изменение состояния опытных растений и животных при меняющемся уровне содержания различ­ных химических веществ в среде. Установлен (Коваль­ский, 1974) общий вид зависимости между состоянием любых организмов (растения, животные) и концентрацией различных веществ в окружающей их среде. Всегда существует зона оптимального содержания химических веществ в окружающей среде, обеспечивающего наибо­лее благоприятные условия для живых организмов. При отклонении от этой оптимальной области содержания хи­мических веществ в сторону снижения содержания этих веществ (недостаточность элементов, обеднение ими сре­ды) или в сторону повышения (избыточность элементов, в том числе загрязнение ими среды) всегда наблюдается нарушение и ухудшение состояния организмов, вплоть до их гибели.

Основным токсикологичес­ким показателем является общий санитарный показатель, в качестве которого используется параметр ЛД 50 - доза химического вещества, которая вызывает гибель 50 % под­опытных животных. По полулетальной дозе вещества в воздухе, которым дышат животные, в воде и пище, кото­рую они потребляют, определяют допустимое для живых организмов содержание веществ соответственно в воде, воздухе, продуктах питания.

Но с почвой прямые контакты человека несущественны или не имеют места вообще. Контакт почвы с организ­мом человека происходит опосредо-ванно по цепочкам: почва - растение - человек; почва - растение - живот­ное - человек; почва - воздух - человек; почва - вода - че­ловек. Определение ПДК химических веществ в почвах фактически сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых организмов концентрацию веществ в контактиру­ющих с почвой воде, воздухе, растениях.

Именно поэтому ПДК химических веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю, как это принято для других природных сред, а еще и по трем другим показателям: транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному (таблица 4.1).

Таблица 4.1 - Предельно допустимые концентрации химических элементов в почвах

Транслокационный показатель определяют по способ­ности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях (тест культурами служат редис, салат, горох, фасоль, капуста и др.). Соответственно миграционный водный и миграционный воздушный - по способности обеспечивать содержание этих веществ в воде и в воздухе не выше ПДК (в качестве объекта лабораторного исследования использовали образец верхнего горизонта дерново-подзолистой почвы).

Норматив для почв устанавливается по наименьшему из всех экспериментально найденных показателей. Напри­мер, для общего содержания ванадия в почве установлен уровень ПДК, равный 150 мг/кг, в то время как этому уровню соответствует только общесанитарный показатель, а водный миграционный равен 350 мг/кг почвы. ПДК содер­жания подвижных соединений цинка в почве измеряется 23 мг/кг, этот уровень установлен по общесанитарному показателю, при этом миграционный водный показатель равен 200 мг/кг.

Уровни ПДК, установленные по разным показателям, отражают как токсичность химических веществ, так и до­минирующий механизм их распространения в природных средах. Например, для бенз(а)пирена и ртути лимитирую­щим показателем является общесанитарный, для мышья­ка - транслокационный, для хлористого калия - водный, для сероводорода - воздушный (таблица 4.2).

Таблица 4.2 - ПДК химических веществ в почвах и их лимитирующие показатели

Однако санитарно-гигиенические нормативы качества почв не лишены недостатков. Основной состоит в том, что условия модельного эксперимента определения ПДК и ес­тественные условия разнятся довольно существенно. Назовем некоторые из них.

1. Существует неопреде­ленность в определении понятия ПДК химических веществ для почв. Она характеризует ПДК как ту концентрацию вещества в почве, которая безопасна для живых организмов. Нокритерии отрицательного влияния на них химических веществ не определены.

2. Не учтено время воздействия поллютанта. Эксперимент цо определению ПДК длится, как правило, не более года, но этого срока недостаточно для того, чтобы оценить отдаленные последствия влияния химических веществ на живые организмы. Чем более долгим был контакт вещества с организмом, тем ниже будет отклик организма.

3. При установлении ПДК моделируется действие на живые организмы, как правило, одного фактора, в крайнем случае, двух или трех. Но в реальных условиях организм подвергается комплексному воздействию ряда факторов, совместное действие которых во внимание не принимается.

4. Выводы, полученные на основании опы­тов с животными, переносятся без полного основания на человека. Но низшие животные (особенно крысы, мыши) более устойчивы к факторам внешней среды, чем люди. Перенесение результатов, полученных на таких животных, на человека недостаточно обоснованно и неадекватно.

5. Как правило, не учитываются генетические последствия, возможность сохранения нарушений в живых организмах ПОД влиянием химических веществ. Не учитываются инди­видуальная, наследственная и видовая чувствительность организмов, их адаптационные возможности, биологиче­ские ритмы.

6. ПДК для почв несут в себе все погрешности определения ПДК для других природных сред. Например, при разработке ПДК для вод учитывается влияние только истинно растворимой фракции этих веществ, а не всех возможных форм их нахождения (взвеси, коллоиды).

7. Не учтено, что многие поллютанты, например, тяжелые металлы, пестициды, обладают кумулятивным эффектом. Не учитывается способность химических веществ концентрироваться в трофической цепи. Химические вещества концентрируются в организме человека в большей мере, чем в организме животных, а те, в свою очередь, в боль­шей мере, чем в растениях. А это значит, что в тех случаях, когда уровни ПДК химических веществ в низших звеньях трофической цепочки не достигнуты, не исключается возможность их накопления на более высоких уровнях (и соответственно превышение ПДК).

8. Не учитывается возможность трансформации химических веществ, их накопления на различных биогеохимических барьерах.

9. Не учитывается взаимодействие химических веществ. При различных видах взаимовоздействия (аддитивность, антагонизм, синергизм) возможно образование структур более опасных, чем исходные соединения.

10. He оцени­вается в полной мере качество природных сред в целом, Например, при разработке нормативов для воды учитыва­ется воздействие любого вещества на воду, используемую в определенных целях (питьевых, рыбохозяйственных, тех­нических, рекреационных), но не рассматривается влияние этих веществ на воду как целостную природную систему, как природный ресурс.

11. Не учитываются свойства почвы. Но влияние сорбционной способности почв, содержания гумуса, кислотно-основных условий, грануло-метрического состава обусловливает способность почв к самоочище­нию. Следствием невнимания к свойствам почв является неприемлемый для использования уровень ПДК мышьяка в почвах. Этот показатель был установлен первым при разработке ПДК для почв, когда гигиенисты использовали в работе не образец почвы, а чистый песок, обладающий минимальной поглотительной способностью. В результате был установлен такой уровень ПДК мышьяка, который ниже уровня содержания элемента в большинстве почв.

Одним из этапов решения проблемы экологического нормирования был подход, основанный на определении допустимой нагрузки на почву с учетом ее буферных свойств, обеспечивающих способность почвы ограничивать подвижность поступающих извне химических веществ, способность к самоочищению. Такие подходы развиваются в России и в других странах.

Однако разработать ПДК для каждого типа почв не­возможно. Целесообразна разработка нормативов хими­ческих веществ для почвенно-геохимических ассоциаций, объединенных общностью основных физико-химических свойств, определяющих их устойчивость к химическому загрязнению.

На следующем этапе для ряда химических элементов были разработаны ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) этих элементов для почв, различающихся по важнейшим свойствам (по кислотности и гранулометри­ческому составу). Они были разработаны не на основе стандартизованного экспериментального метода, а на основе обобщения имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем нагрузки на почвы, состоянием почв и сопредельных сред.

В основу группировки почв по устойчивости к тяжелым металлам в первую очередь положены кислотно-щелочные условия, господствующие в тех или иных почвах. Для груп­пировки почв было принято во внимание распространение основных геохимических ассоциаций почв на территории России. Наибольшую площадь распространения имеют геохимические ассоциации почв с кислой и нейтральной реакцией среды с подразделением на две группы:

Почвы с очень кислой и кислой реакцией (рН водной вытяжки <5);

Почвы со слабокислой и нейтральной средой (рН 5-7).

В эти две ассоциации, занимающие 60-70 % площади России, войдут практически все подзолистые, дерново-под­золистые, серые лесные и часть черноземов, включая их окультуренные варианты. Важен учет гранулометрического состава почв, особенно для почв первой группы. Поэтому почвы этой группы были разбиты на две подгруппы по гранулометрическому составу:

Песчаные и супесчаные почвы, обладающие наимень­шей устойчи-востью к загрязнению;

Суглинистые и глинистые почвы, относительно более устойчивые к загрязнению химическими веществами.

По этому принципу в нашей стране были определены ориентировочно допустимые количества химических элементов в почвах (таблица 4.3). Отличие их от зарубежных в том, что они рассчитаны с учетом фонового содержания и дифференцированы в зависимости от реакции и грану­лометрического состава почв.

Таблица 4.3 - Ориентировочно допустимые концентрации тяжелых метал-лов в почвах (общее содержание,мг/кг)

Уровни ОДК для одного и того же элемента для почв с разными свойствами различаются в 4 -5 раз.

Наиболее опасны ксенобиотики - вещества искусст­венной природы. Отдаленные последствия их воздействия на живые организмы неизвестны. Характер влияния искус­ственных токсикантов на живые организмы отличается от действия веществ, являющихся естественными составляю­щими почв, тем, что при изменении концентрации таких веществ во внешней среде в живых организмах не обнару­живается области стимулирования. Любые концентрации этих веществ в окружающей среде ведут к патологии. Скорость синтеза и выпуска многих из таких веществ, например пестицидов, выше скорости их нормирования. Пестицидов используется в настоящее время свыше 1000 наименований, не для всех из них есть ПДК.

При несовершенстве санитарно-гигиенических нор­мативов для содержания химических элементов в почвах, следует признать, что подходы и методы их определения имеют экологическую направленность. Эти подходы опи­раются на роль и механизмы связи почвы с другими при­родными средами.

Биогеохимическое нормирование . В основе биогеохимического нормирования лежит медико-географический подход. Он основан на натурных наблюдениях в таких регионах, где самой природой созданы "условия избытка или недостатка тех или иных химических элементов естественного происхождения в природных средах. Эти регионы называются биогеохимическими про­винциями , и результаты регулярных наблюдений в них за состоянием живых организмов, в том числе и за здоровь­ем людей, позволяют установить связь их с содержанием элементов в природных средах.

Ценность этого подхода - в опоре на фактический, а не эксперименталь-ный материал. Теоретическая основа здесь совершенно иная, чем при санитарно-гигиеническом нормировании. Предполагается, что каждому биогеохимическому таксону (ландшафту, экотопу) соответствует четкая взаимосвязь и взаимообусловленность пищевых цепей, которая складывалась длительное время. Она адаптирована к природным специфическим условиям, с которыми связана миграция и аккумуляция любых хи­мических веществ. Живые организмы реализовали все природные механизмы сопротивления внешнему воздей­ствию, их состояние соответствует химическому составу окружающей среды.

На вероятностной основе определяются верхние и нижние границы, в рамках которых состояние большинства живых организмов (животных, растений, человека) в зонах биогеохимических провинций не отклоняются от нормы, то есть где осуществляется саморегуляция системы. Но, как правило,

5 - 20 % людей или животных в эндемических райо­нах оказываются пора-женными. Чем больше содержание химических элементов превышает пороговые уровни, тем выше число пострадавших. Процесс естественного отбора при этом обостряется.

Выявлена связь между недостатком или избытком ряда элементов в природных средах и состоянием живых организмов, например, кобальтом и синтезом витамина В 12 и, как следствие, анемией при акобальтозе; Pb, Нg, Мо - и интоксикацией; F - флюорозом и другими кост­ными заболеваниями; Сu, Zn, Мn, В - и хлорозом многих видов растений; Сu - и суховершинностью растений, В - и эндемическими энтеритами; I - и эндемическим зобом; Sr - и особыми формами рахита; Ni - и кожными забо­леваниями; Se - и мышечной болезнью животных. Таким образом, состояние живых организмов в зоне биогеохими­ческих провинций служит индикатором уровня содержания химических элементов в окружающей среде.

На основе этой концепции разработаны методы био­геохимического экологического нормирования. Проведено районирование биогеохимических эндемий на принципах почвенно-географического и биогеохимического районирова­ния.

На основе биогеохимического районирования В.B. Ковальским установлены пороговые концентрации ряда хи­мических элёментов в почвах (таблица 4.4).

Таблица 4.4 - Пороговые концентрации некоторых химических элементов в почвах, мг/кг (по Ковальскому, 1964)

Проверкой эффективности используемого подхода может быть реакция живых организмов на исправление установленного дефицита добавкой дефицитного элемента. Например, введение селенита животным из биогеохими­ческой провинции не вызывало никаких отрицательных последствий, а введение животным из фоновых районов вело к нарушениям их состояния.

Статистическое нормирование. Статистический прием определения уровней допусти­мых концентраций химических веществ впочвах состоит в определении усредненных (наиболее распространенных) уровней содержания химических элементов в природных средах в естественных условиях. Теоретическая основа та­кого подхода заключается в том, что среднее содержание химических элементов в природных средах в естественных условиях соответствует условиям нормального состояния живых организмов.

К этой группе нормативов качества почв может быть от­несен показатель суммарного загрязнения почв Z с (таблица 4.5). Рассчитывают его по формуле, предложенной Ю.Е. Саетом:

Z c = (С i /C ф) - (n - 1) (4)

Таблица 4.5 - Показатель суммарного загрязнения почв Z c

Нормирование состояния загрязненных почв на основе концепции экологического риска. В связи с повышением числа катастроф природного и техногенного характера во всем мире повышается внимание к оценке риска, угрозы жизни человека, в том числе эколо­гического риска. Определение понятия дано в Федеральном законе РФ об охране окружающей среды (2002): риск от химического загрязнения почв - это нежелательные для человека и почв последствия антропогенной деятельности, «вторые могут произойти с определенной долей вероят­ности». Понятие экологического риска связано с понятием опасности, крайней степенью проявления которой является экологическая катастрофа.

Оценка экологического риска для определенного ланд­шафта вследствие загрязнения почв любыми химическими веществами проводится на основе сведений о реальной нагрузке загрязняющих веществ на почвы, их миграции в ландшафте и учете устойчивости почв к загрязнению.

При этом принимаются во внимание следующие факто­ры, характеризующие исследуемый ландшафт:

1) тип почв - характеризует кислотно-щелочные условия, содержание и тип гумуса, численность и видовой состав микрофлоры;

2) гранулометрический состав - характеризует почвенную поглотительную способность, содержание физической гли­ны и песка;

3) положение в рельефе - характеризует сте­пень геохимической подчиненности почв в ландшафте, т. е. интенсивность и направленность процессов рассеивания и аккумуляции загрязняющих веществ;

4) водный режим почв - характеризует соотношение количества осадков и испаряемости;

5) тип растительности - характеризует биологический фактор, оказывающий влияние на степень подвижности загрязняющих веществ;

6) почвообразующие породы - характеризует направление и скорость почво­образовательного процесса.

Негативный эффект влияния повышенной нагрузки на почвы оценивается по реакции чувствительных живых организмов. Чаще всего это проводится по реакции чув­ствительных микроорганизмов почвы.

Для нахождения ориентировочного показателя эколо­гического риска для почвы нужны два показателя: общей химической нагрузки загрязняющего вещества (или загряз­няющих веществ) на почвенный покров и критической нагрузки этих же поллютантов на эту территорию. Общую химическую нагрузку (кг/га или т/га) находят по массе всех потоков вещества на данную территорию. Основными источниками их на пахотных почвах чаще всего являются атмосферные выпадения и средства химизации.

Под критической нагрузкой понимается максимально безопасное для данного ландшафта количество загрязняю­щего вещества. Критическую нагрузку находят, принимая во внимание все механизмы трансформации и перераспре­деления исследуемых веществ на данной территории (вынос из верхнего слоя за счет внутрипочвенной биогенной и абиогенной миграции, поверхностный сток в сопредельные среды), а также механизмы устойчивости почв данной территории (основываясь на поглотительной способности почв, что справедливо для загрязняющих веществ любой природы, на биотической и абиотической деструкции, что справедливо для органических поллютантов).

Показатель критической нагрузки можно получить разными способами:

Экспериментально (при полевых наблюдениях, лабораторных опытах), определив парамет­ры всех процессов, влияющих на поведение исследуемых веществ в данных почвах или привлекая необходимые сведения из различных источников;

Используя суще­ствующие программы, предназначенные для вычисления критических нагрузок конкретных загрязняющих веществ по вышеназванным показателям;

По критическому со­держанию исследуемых веществ в продуктах растениевод­ства, выращенных на данных почвах;

Опираясь на ПДК химических веществ в почвах, переведя их величины из мг/кг массы вещества в кг/га площади исследуемых почв (Овчинникова, 2003).

Ориентировочный показатель экологического риска для почв можно найти как отношение общей химической нагрузки на почвенный покров к критической нагрузке этих веществ на эту же территорию.

Уровни показателя экологического риска загрязнения почв измеряются величинами, превышающими единицу. 0ни могут быть классифицированы. Один из примеров такой классификации приведен в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Классификация риска загрязнения почв (по Овчинниковой, 2003)

Нормирование на основе концепции экологического риска имеет прямой выход в практику, так как позволяет учитывать опасность загрязнения почвы при расчете ка­дастровой стоимости, при этом, чем выше риск загрязнения земель, тем ниже ее стоимость.

Широко применяется ПХЗ-10 - формализованный суммарный показатель химического загрязнения вод. Он рассчитывается как сумма значений концентраций, нормированных на ПДК рыбохозяйственных водоемов, для 10 загрязняющих веществ с максимальным превышением ПДК.

Расчет ПХЗ-10 проводится по 10 соединениям, максимально превышающим ПДК, по формуле:

ПХЗ-10 = С 1 /ПДК 1 + С 2 /ПДК 2 + С 3 /ПДК 3 + ...+ С 10 /ПДК 10 ,

где С i - концентрация i-го химического вещества в воде;

ПДК, - норматив для рыбохозяйственных водоемов;

Коэффициент донной аккумуляции (КДА) определяют по формуле:

КДА = Сдо/Св,

где Сдо, Св - концентрации загрязняющих веществ соответственно в донных отложениях и воде.

Коэффициент накопления в гидробионтах Кн рассчитывают по формуле:

К н = С г /С в,

где С г - концентрация загрязняющих веществ в гидробионтах.

Усредненные значения критической концентрации (мг/л) некоторых загрязняющих веществ составляют:

медь 0,001 -0,003

кадмий 0,008 - 0,02

цинк 0,05 - 0,1

хлорированные углеводороды:

полихлорбензолы 0,005

бенз(а)пирен 0,0005

При оценке состояния водных экосистем достаточно надежными показателями являются характеристики состояния и развития всех экологических групп водного сообщества. На практике оценка этих индикаторов представляет значительные сложности из-за нарушения рядов наблюдений и малого числа точек наблюдений. Основные показатели по фито- и зоопланктону, а также по зообентосу, характеризующие степень деградации пресноводных экосистем, представлены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Критерии оценки состояния пресноводных экосистем*

В системе Роскомгидромета для оценки состояния поверхностных водных объектов применяют индекс загрязнения воды (ИЗВ). С его помощью сравнивают водные объекты между собой, характеризуют изменения качества воды.

Индекс загрязнения воды есть сумма нормированных к ПДК значений концентрации шести главных поллютантов: в качестве обязательных - биологическое потребление кислорода (БПК5) и растворенный кислород, а также четыре ингредиента с максимальными значениями. Оценка качества воды базируется на сравнении со шкалой из семи градаций: от «очень чистая» (ИЗВ < 0,3) до «чрезвычайно грязная» (ИЗВ > 10,0). Она дополняется санитарными показателями (коли-индекс, патогенные микроорганизмы).

Сокращение ресурсов поверхностных вод. В качестве основного показателя степени истощения водных ресурсов принята норма безвозвратного изъятия поверхностного стока - предельно допустимый объем безвозвратного изъятия, составляющий 10 -20 % среднемноголетнего значения естественного стока. Она включает безвозвратное водопотребление в коммунальном хозяйстве, промышленности, теплоэнергетике, сельхозводоснабжении, орошении и промышленном рыбоводстве с учетом потерь на испарение, межбассейновой переброски стока рек и др. Оценка объема безвозвратного изъятия стока проводится для замыкающих створов рек.

Загрязнение подземных вод. Побочно загрязнение хозяйственных объектов характеризуют концентрацией загрязняющих веществ и площадью области загрязнения подземных вод на участках зоны влияния. Оценивают содержание нитратов, фенолов, тяжелых металлов, нефтепродуктов, хлорорганики, бенз(а)пирена.

Загрязнение и деградация почв. Выбор критериев экологической оценки состояния почв определяется спецификой их местоположения, генезисом, буферностью, а также разнообразием их использования. В оценке экологического состояния почв основными показателями степени экологического неблагополучия являются критерии физической деградации, химического и биологического загрязнения, площадь выведенных из землепользования угодий в результате деградации почв (эрозия, дефляция, вторичное засоление, заболачивание). За комплексный показатель загрязнения почвы принимают фитотоксичность.

Признаком биологической деградации почв является снижение жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, о котором можно судить по уменьшению уровня активной микробной биомассы, а также по более распространенному, но менее точному показателю - дыханию почвы. Кратность превышения предельно допустимых норм загрязняющих веществ в почве оценивают по их подвижным (растворимым) формам. Радиоактивное загрязнение оценивают по мощности экспозиционной дозы (мкР/ч) и степени радиоактивного заражения (Бк/м2).

Для оценки химического загрязнения широко используют показатель суммарного загрязнения почв Zc. Значения этого показателя табулированы для восьми элементов: Си, Zn, Pb, Cd, Ni, Fe, Со, Hg, а категории загрязнения, сопоставленные с показателями здоровья населения, были утверждены в 1989 г. Главным санитарным врачом СССР в качестве нормативного документа. С тех пор оценка загрязнения почв по значениям Zc выполняется некорректно (для произвольного набора поллютантов).

Изменения геологической среды. Геодинамические показатели деформации геологической среды с экологическими последствиями могут быть представлены в форме интенсивности и масштаба проявления современного напряженно-деформированного состояния верхних частей литосферы. Эти показатели определяются параметрами критических скоростей деформации и масштабом ожидаемого сейсмического эффекта. При оценке аномальных техногенных деформаций в качестве предельного критического уровня геодинамического воздействия объектов используют значение относительной деформации 0,00001. Этот уровень деформации может быть достигнут в локальных зонах в течение 15 - 30 лет, что соизмеримо с минимальными сроками эксплуатации особо ответственных объектов и сооружений. Нарушение их функционирования может привести к критическим экологическим последствиям. Уровень деформации 0,0001 приводит к таким нарушениям геологической среды, которые можно отнести к зонам геологического бедствия.

Деградация наземных экосистем. Оценка степени деградации наземной экосистемы проводится по критериям, которые определяют негативные изменения в структуре и функционировании экосистем и учитывают их пространственную дифференциацию по степени нарушенности, а также динамику процессов деградации. При оценке экологического состояния территории учитывают как площадь проявления негативных изменений (так как при равной степени деградации участка возможность восстановления обратно пропорциональна его площади), так и пространственную неоднородность распределения участков разной степени деградации на исследуемой территории. Скорость деградации экосистем рассчитывается по рядам наблюдений за 5 - 10 лет.

Фитоценозы и флора. Растительность как биотический компонент любой природной экосистемы играет решающую роль в структурно-функциональной организации экосистемы и определении ее границ. Фитоценоз не только весьма чувствителен к нарушениям окружающей среды, но и наиболее наглядно отражает изменение экологической обстановки территории в результате антропогенного воздействия. Индикаторы оценки состояния растительности различаются в зависимости от географических условий и типов экосистем. При этом учитывают негативные изменения как в структуре растительного покрова (уменьшение площади коренных ассоциаций, изменение лесистости), так и на уровне растительных сообществ и отдельных видов (популяций): изменение видового состава, ухудшение ассоциированности и возрастного спектра ценопопуляций.

Плотность популяции видов-индикаторов - один из важнейших показателей состояния экосистемы, высокочувствительный к основным антропогенным факторам. В результате антропогенного воздействия плотность популяции «отрицательных» видов- индикаторов снижается, а «положительных» видов-индикаторов - возрастает. Пороговым значением антропогенной нагрузки следует считать снижение (или повышение) плотности популяции вида-индикатора на 20 %, а критическим значением - на 50 %.

Одним из существенных параметров популяции является возрастной аспект - доля участия особей разных возрастных состояний. Возрастные состояния устанавливают на основании комплекса морфологических признаков или абсолютного возраста в тех случаях, когда его определение не представляет особых затруднений.

Состояние растительности можно рассматривать как индикатор уровня антропогенной нагрузки на природную среду обитания (повреждение древостоев или хвои техногенными выбросами, уменьшение проективного покрытия и продуктивности пастбищной растительности). Изменение проективного покрытия происходит в результате антропогенного воздействия на растительность разных типов, главными из которых являются механическое нарушение фитоценоза (выпас, рекреация и т.д.) и химическое воздействие, приводящее к изменению жизненного состояния видовых популяций через изменение процессов метаболизма и водного баланса.

Уменьшение запаса древесины основных лесообразующих пород свидетельствует о процессе деградации лесных экосистем в результате неудовлетворительной лесохозяйственной деятельности. Лесные пожары приводят к деградации значительных площадей лесных экосистем. Обширные гари, на которых лес не восстанавливается в течение как минимум 10 лет, являются признаком необратимых изменений в экосистеме.

Изменения качественных и количественных характеристик растительного покрова могут быть объективно интерпретированы только в сравнении с естественным состоянием растительных сообществ. При этом под фоновыми понимают относительно ненарушенные участки, аналогичные по своим природно-ландшафтным характеристикам исследуемой территории.

Зооценозы. Критерии и индикаторы состояния животного мира рассматривают на уровне зооценоза или отдельных популяций животных. При расчете изменений разнообразия как критерия оценок состояния зооценоза в целом необходимо учитывать, что данный критерий связан с оценкой обилия, а численность многих животных подвержена циклическим изменениям. За временной шаг для оценки принимают десятилетние периоды сравнения. Индикатором могут быть как массово гнездящиеся птицы, так и, напротив, относительно редкий вид, имеющий экотопически узкий диапазон условий обитания (например, черный коршун). При оценке изменения плотности популяции видов - индикаторов антропогенной нагрузки необходимо учитывать их различную реакцию на воздействие: популяции устойчивых видов будут увеличивать свою численность, а популяции видов, чувствительных к антропогенной нагрузке, - уменьшать ее.

Почва

i Химические соединения, содержащиеся в почве, разделяют на естественные и посторонние .

К веществам, всегда имеющимся в естественной почве, но концентрация, которых может возрастать в результате антропогенной деятельности, относятся, например металлы – свинец, ртуть, кадмий, медь и др. Повышенное содержание свинца может быть вызвано поглощением из атмосферы за счет выхлопных газов автотранспорта, в результате внесения удобрений, пестицидов и т.п. Мышьяк содержится во многих естественных почвах в концентрации примерно 100 млн -1 , однако его содержание может увеличиваться до 500 млн -1 . Ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га; за счет средств протравливания зерна ежегодно ее содержание может увеличиваться на 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем.

Качественные и количественные изменения при длительном пребывании в почве посторонних органических химических веществ и механизмы их перераспределения в почве до настоящего времени не изучены ни для одного из таких веществ.

В процессе превращения органических веществ (рисунок 2) в почве большую роль играют как абиотические, так и биотические реакции, протекающие под воздействием, находящихся в почве живых организмов, а также свободных ферментов.

Образование неэкстрагируемых или связанных остатков чужеродных веществ в почве в значительной мере определяет ее качество на длительный период времени.

В соответствии с современным уровнем знаний возможны следующие виды связи в неэкстрагируемых остатках ксенобиотиков, находящихся в почве:

¨ включение в слоистую структуру глинистых материалов;

¨ нековалентное включение в пустоты гуминовых макромолекул; то же при участии водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил, взаимодействием с переносом заряда;

¨ ковалентное включение за счет связей с мономерами и встраиванием в гуминовую макромолекулу.

Ковалентные связи наиболее вероятны для веществ с реакционноспособными группами, подобными мономерами гуминовых веществ, в частности для фенолов и ароматических аминов.

Связанные остатки химических веществ в почве в процессе микробиологического разложения и длительного превращения гуминовых материалов могут снова освобождаться и тем самым становиться биологически активными по отношению к растениям. До тех пор пока они не минерализуются или каким-либо образом не будут участвовать в углеродном обмене, их рассматривают как посторонние для окружающей среды вещества.

Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения Z c , отражающий эффект воздействия группы элементов:

где К сi - коэффициент концентрации i -ого элемента в пробе; n - число учитываемых элементов.

Суммарный показатель загрязнения может быть определен как для всех элементов в одной пробе, так и для участка территории по геохимической выборке.

Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементов по показателю Z c проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв (таблица 9).

Таблица 9 - Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв

Одним из основных источников загрязнения почв являются кислотные дожди. В течение десятилетий кислотные загрязнения действуют на буферную емкость почвы. В отношении многих почв отмечается вымывание катионов, важных для питания растений, сорбционно-связанных с коллоидными частицами почвы, и в результате они мигрируют в глубинные слои, становясь недосягаемыми для корней растений. Поэтому, даже если рН почвы остается постоянным, плодородие почвы падает. Продолжающееся закисление почвы можно определить, например, по понижению концентрации ионов Fe 2+ и Mg 2+ , а также алюминия Al 3+ .

Независимо от выделения ионов Al 3+ и других катионов, в том числе и тяжелых металлов, изменение рН почвы может приводить и к другим изменениям. Так, снижение рН препятствует развитию микроорганизмов так же, как это происходит в несозревших гумусовых почвах. К подобным организмам относятся, в частности, грибы Mykorrhiza , которые способствуют усвоению минеральных веществ корнями растений. Ощутимым результатом разрушения микроорганизмов почвы является нарушения ее нормального дыхания. Низкие значения рН способствуют присоединению анионов к железосодержащим коллоидным частицам в почве, так как протоны сообщают комплексам положительный заряд. У фосфатов возможен обмен их кислотных остатков с ОН –группами на поверхности коллоидных частиц, при этом фосфатные остатки связываются и дальнейшее усвоение фосфора растениями становится невозможным.

Закисление почвы оказывает большое влияние на многие, но не все металлы. При увеличении кислотности становятся подвижными кадмий, свинец и цинк, и наиболее легко усваиваются растениями и животными. Наряду с закислением почв и увеличением содержания в них тяжелых металлов и пестицидов, почвы могут содержать полихлорированные бифенилы в концентрациях до 100 мг на 1 кг сухой массы. Они очень медленно распадаются в почве, и по этой причине в ней накапливаются.

& Примером такого загрязнения является выращивание зерновых культур с высоким естественным содержанием селена. В этом случае сера в таких аминокислотах как цистеин, метионин, замещается селеном. Образовавшиеся "селеновые" аминокислоты могут привести к отравлению животных и человека. Недостаток молибдена в почве приводит к накоплению в растениях нитратов; в присутствии природных вторичных аминов начинается последовательность реакций, которые могут инициировать у теплокровных организмов развитие онкологических заболеваний.

❐ Таким образом, антропогенные химические вещества, попадающие в окружающую среду – воздух, воду, почву могут быть индифферентными, нежелательными или токсичными.

5.2 Классификация чужеродных загрязнителей – ксенобиотиков

☞ Чужеродные вещества, поступающие в человеческий организм с пищевыми продуктами и имеющие высокую токсичность, называют ксенобиотиками или загрязнителями . К ним относятся:

1) металлические загрязнения (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, олово, цинк, медь и др.);