Контроль за накоплением тяжелых металлов в почве

Глава 16. Экологические проблемы агрохимии

Экологические проблемы, связанные с интенсификацией

Земледелия

Интенсивное использование средств химизации резко обострило проблемы охраны окружающей среды. Нарушение требований применения удобрений, в первую очередь азотных и бесподстилочного навоза, не только негативно воздействует на водоемы, водоисточники, растительность, но нередко приводит к повышенному содержанию в растениеводческой продукции соединений, вредных для человека и животных.

Грамотное применение удобрений повышает урожай сельскохозяйственных культур, улучшает баланс питательных элементов в земледелии, способствует расширенному воспроизводству плодородия почвы, замедляет, а иногда и прекращает эрозию почвы. По данным Института почвоведения и агрохимии, минеральные удобрения на 40–45 % формируют продуктивность пахотных земель Беларуси. Однако эти достоинства минеральных удобрений проявляются только при условии их правильного изготовления, транспортировки, хранения, внесения в почву в нужных для растений сочетаниях и строго заданных количествах. Неравномерное внесение удобрений, неоправданно высокие их дозы снижают урожайность культур, ухудшают качество продукции, загрязняют окружающую среду.

Неблагоприятное влияние на окружающую среду сельскохозяйственных источников загрязнения разнообразно. К самым острым экологическим проблемам в сельском хозяйстве относятся последствия увеличения производства и применения минеральных удобрений и функционирование крупных животноводческих комплексов. Загрязнение удобрениями водных источников вызывает эвтрофикацию природных вод – усиленное развитие водорослей и образование планктона.

Высказываются опасения, что соединения азота, выделяющиеся в воздух из внесенных в почву азотных удобрений, могут разрушать озоновый экран стратосферы, который защищает Землю от губительных прямых ультрафиолетовых лучей. Оксид азота, образующийся в результате денитрификации, присоединяясь к молекуле воды, образует азотную и азотистую кислоты, которые выпадают с атмосферными осадками на сушу и поверхность океана.

При несбалансированном внесении минеральных удобрений снижается урожайность, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции, в ней накапливаются вредные для здоровья людей и животных вещества, возникают заболевания растений, растениеводческая продукция может стать причиной отравления людей и животных.

Неправильное применение удобрений ухудшает агрохимические свойства почв, снижает плодородие. Особенно значительны потери питательных элементов от эрозии, а также при поверхностном внесении удобрений.

В связи с негативными последствиями неправильного применения удобрений в качестве одного из возможных путей развития сельского хозяйства предлагается полный отказ от их использования – «биологическое», или альтернативное, земледелие. В качестве удобрений сторонники «биологического» земледелия предлагают использовать растительные остатки, навоз, сидераты, различные органические отходы, широко практиковать возделывание бобовых трав, применять биологические методы защиты от болезней и вредителей.

Наибольшее распространение альтернативное земледелие получило в США, Швейцарии и Дании. Но и в этих странах его используют небольшое число ферм: в США – 0,9 – 1,3%, в Швейцарии – 0,8, в Дании – 1,4%. Как видим, альтернативное земледелие – не выход из положения, так как оно не может обеспечить человечество достаточным количеством продуктов питания. Однако в связи с возрастающей нагрузкой на окружающую среду при интенсивном применении средств химизации дальнейшее развитие комплексных агрохимических исследований с учетом экологизации и биологизации земледелия приобретает особую актуальность и значение.

Однако далеко не всегда продукция, выращенная при «биологическом» земледелии, более питательна и безопасна для здоровья. Так, в Швейцарии группа экспертов не смогла установить разницу в качестве овощей, выращенных при альтернативном земледелии и обычном, использующем минеральные удобрения и химические препараты. В Германии общество потребителей в течение трех лет сравнивало продукты современного и альтернативного земледелия: яблоки, овощи (салат, морковь), картофель, хлеб. Определялись остаточные количества 45 ядохимикатов, 3 тяжелых металлов, нитратов и 13 веществ, имеющих питательную и вкусовую ценность. Установить какую-либо разницу в продуктах не удалось. Однако внешний вид «биологических» яблок был менее привлекателен, чем «небиологических».

Больше всего химических средств (в расчете на единицу продукции) используется в Японии, где средняя продолжительность жизни самая высокая в мире.

Следует отметить, что продукция «биологического» земледелия значительно дороже, а отказ от минеральных удобрений приведет к катастрофическому сокращению производства продовольствия.

В прессе и научно-популярной литературе часто преувеличиваются негативные последствия применения удобрений и пестицидов. К тому же пестициды и минеральные удобрения нельзя ставить в один ряд, так как первые – это синтетические яды, а вторые – продукт природы. В результате многочисленных кампаний в прессе широко распространилось мнение, в том числе и среди специалистов, в первую очередь медиков, что вся сельскохозяйственная продукция, выращенная с использованием удобрений, вредна для здоровья. С этим нельзя согласиться, так как положительных последствий применения удобрений несравненно больше, чем отрицательных, вызванных неразумным их применением.

Поэтому единственно правильное решение проблемы минеральных удобрений – не отказ от их применения, а коренное улучшение технологии использования, внесение в оптимальных дозах и соотношениях, постоянный контроль качества растениеводческой продукции.

Применение химических средств в сельском хозяйстве – относительно небольшой источник загрязнения окружающей среды. Огромный ущерб окружающей среде, в том числе сельскохозяйственным угодьям, наносит использование природных источников энергии (газа, нефти, угля), при сгорании которых в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ, мощное развитие транспорта. Ежегодно в мировом хозяйстве сжигается 2,4 млрд. т каменного угля и 0,9 млрд. т бурого, при этом рассеивается 280 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана. Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность Земли более 150 тыс. т меди, 120 – цинка, 90 – свинца, 12 тыс. т – никеля. Радиус техногенного загрязнения металлами – от 2–3 км вокруг промышленных предприятий до 8–12 и даже 20–25 км вокруг крупных и индустриальных комплексов.

В минеральных удобрениях кроме основных элементов питания содержатся соли тяжелых металлов и другие вещества. Какое-то количество тяжелых металлов поступает в почву с навозом, а также при использовании в качестве удобрений отходов промышленности и осадков сточных вод. Один из источников загрязнения окружающей среды – потери при транспортировке, производстве, неправильном хранении удобрений, например потери незатаренного суперфосфата на пути к полю в 2,5 раза больше, чем затаренного.

При избыточном внесении удобрений, в первую очередь азотных, неправильном, несвоевременном их применении водоемы и грунтовые воды загрязняются нитратами, сульфатами, хлоридами и другими соединениями. Предельно допустимое содержание вредных веществ в воде водоемов приведено в табл. 16.1.

16.1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде водоемов

хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного использования, мг/л

Повышение в водоемах концентрации питательных элементов вызывает эвтрофикацию водоемов. Эвтрофикация – это обогащение вод питательными элементами, прежде всего азотом и фосфором, антропогенным или естественным путем. Наиболее нежелательное последствие эвтрофикации – чрезмерное развитие водорослей в водоемах – «цветение» и заболачивание из-за разрастания прибрежной флоры, что постепенно сокращает площадь водоема. Оптимальный рост водорослей происходит при концентрации фосфора 0,09–1,8 мг/л, нитратного азота – 0,9–3,5 мг/л, цветение воды – когда концентрация фосфора в ней превышает 0,01 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. Исследования показали, что «ответственны» за эвтрофикацию водоемов прежде всего азот и фосфор и что фосфор в этом процессе более важен. Среди других веществ – органический углерод, микроэлементы и витамины. В то же время умеренная эвтрофикация повышает рыбную продуктивность водоемов.

Кроме применения удобрений в неоправданно высоких дозах с нарушением технологии и сроков их внесения, потерь в результате неправильного хранения к сельскохозяйственным источникам загрязнения природных водоемов относятся животноводческие фермы и комплексы. Существует мнение, что в реки и водоемы питательные элементы поступают только из удобрений, однако исследования показали, что из запасов почвы их поступает больше. В загрязнение водоемов вносят большую долю и городские сточные воды.

Для предупреждения загрязнения водоемов и других природных объектов должно строго регламентироваться и соблюдаться правила использования средств химизации.

Зоны санитарной охраны источников водоснабжения для Минска, областных центров и населенных пунктов, расположенных в курортных зонах республиканского значения, устанавливаются местными Советами и утверждаются Советом Министров республики, для других населенных пунктов – областными Советами народных депутатов. Зона санитарной охраны подразделяется на три пояса. В пределах первого пояса защитные мероприятия выполняют организации городского коммунального хозяйства, второго и третьего поясов – владельцы объектов – потенциальных загрязнителей источников водоснабжения. В пределах второго и третьего поясов зоны запрещается строить склады топлива и смазочных материалов, пестицидов и минеральных удобрений, складировать под землей твердые отходы, размещать накопители промышленных стоков, шламохранилища и другие подобные объекты.

Водоохранной зоной является территория, прилегающая к акваториям малых рек, на которой устанавливается специальный режим, предупреждающий загрязнение, засорение, истощение и заиление водоемов. В водоохранную зону могут включаться поймы рек, надпойменные террасы, бровки и крутые склоны берегов, а также балки и овраги, впадающие в речную долину. Наименьшая ширина водоохранной зоны установлена в зависимости от среднемноголетнего уреза воды в летний период: для рек длиной до 50 км – 100 м; для рек длиной до 100 км – 200 м; для рек длиной свыше 100 км – 300 м. Для мелких рек и ручьев длиной до 10 км устанавливается водоохранная полоса шириной 15 м. В водоохранной зоне малых рек запрещается опыление сельскохозяйственных угодий пестицидами, размещение складов для хранения пестицидов и удобрений, в том числе навоза, ферм, животноводческих комплексов, взлетно-посадочных полос для сельскохозяйственной авиации.

Сравнительно недавно появились сообщения о загрязнении атмосферы образующимися при аммонификации, нитрификации и денитрификации соединениями азота (аммиаком, оксидом и двуоксидом азота), а также молекулярным азотом. Выдвигается предположение, что закись азота и молекулярный азот реагируют с озоном и разрушают озоновый экран, что приводит к прорыву ультрафиолетовой радиации в тропосферу и биосферу с губительными последствиями для жизни на Земле. Еще разрушительнее на озоновый экран атмосферы воздействуют фреоны, используемые в холодильниках, сжигание топлива, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет. Международные эксперты не подтвердили вредного влияния удобрений на озоновый слой атмосферы, однако эта проблема требует дальнейших глубоких исследований.

По данным В. А. Ковды, в атмосферу выбрасывается (5–10)∙10⁸ т кислот. Возвращаясь на землю с «кислотными» дождями, они выщелачивают калий, кальций, магний, подкисляют почву, мобилизуют алюминий, железо, марганец, повышают токсичность свинца, ртути. Кроме того, кислотные осадки повреждают растения, ухудшают биологическую азотфиксацию, ослабляют устойчивость растений к болезням и вредителям, т.е. в конечном итоге снижают урожай. По наблюдениям английских ученых, в некоторых районах Великобритании из-за кислотных дождей урожаи сельскохозяйственных культур уменьшались на 10%.

К загрязнению почв, т.е. содержанию в них токсических веществ выше предельно допустимых уровней, как и к загрязнению водоемов, причастны пестициды, отходы промышленности и коммунального хозяйства, используемые в сельском хозяйстве, минеральные удобрения, вносимые в избытке, особенно физиологически кислые, а также промышленные выбросы.

Вместе с минеральными удобрениями в почву вносится фтор. Его содержат фосфорные и некоторые комплексные удобрения. С каждой тонной простого суперфосфата в почву попадает 6,2 кг, двойного – 4 кг фтора. В среднем на 10 единиц фосфора в почву вносится 1 единица фтора. Ежегодно в мире с фосфорными удобрениями в почву вносится около 3 млн. т фтора. Допустимое содержание фтора в почве – 3 мг/кг, при превышении этого уровня он накапливается в токсических количествах в кормах, а также мигрирует в грунтовые воды. Выдвигается гипотеза, что сильнее фтор накапливается в растениях, поступая из воздуха через надземные части. Предельно допустимая концентрация фторида водорода – 0,02 мг/м³ воздуха. Сильное загрязнение фтором вблизи предприятий по производству фосфорных удобрений является причиной флюороза – хронического заболевания, выражающегося в изменении тканей зубов и других костных образований. Источниками загрязнения фтором являются также предприятия по производству стекла, алюминия, металлургические и кирпичные заводы.

Избыток фтора неблагоприятно действует на растения, угнетая ферменты, тормозя фотосинтез, процессы дыхания, рост. Больше всех накапливают фтор петрушка, щавель, лук. Суточная норма потребления фтора человеком – 3 мг. При недостатке фтора развивается кариес зубов. В Беларуси в воде содержится мало фтора и это заболевание широко распространено, поэтому фосфорные удобрения можно рассматривать также как источник фтора. Однако избыток фтора не менее вреден, чем его недостаток. Как уже отмечалось, при избытке фтора развивается флюороз и другие заболевания. Установлено, что если содержание фтора в воде больше 2 мг/л, у человека разрушается эмаль зубов, а если больше 8 мг/л, развивается остеосклероз или флюороз скелета. Повышенное содержание фтора в воде и кормах снижает продуктивность животных, угнетает их развитие, приводит к отравлению. Максимальное содержание фтора в дневном рационе кур – 150 мг/кг, коров – 30, свиней – 70 мг/кг.

С калийными удобрениями (хлористый калий, калийная соль и др.) в почву попадает хлор. В небольших количествах хлор необходим для нормального роста и развития растений. Суточная потребность в хлоре человека – 5–7 г. Большие его концентрации отрицательно влияют на урожай и качество картофеля, льна, гречихи, винограда и других культур.

При высоком содержании хлора в растениях нарушаются процессы окисления – восстановления, угнетается или прекращается активность окислительных ферментов пироксидазы, полифенолоксидазы и цитохромоксидазы. Избыточное накопление растениями хлора снижает содержание крахмала в клубнях картофеля, эфирных масел в эфироносных растениях (розе, лаванде и др.), углеводов – в плодовых и ягодных культурах и винограде. Растительная продукция, содержащая в сухом веществе растений больше 0,1% хлора, считается второсортной. Предельно допустимое содержание хлоридов в воде водоемов хозяйственно-бытового пользования – 350 мг/л.

Контроль за содержанием нитратов в растениеводческой продукции

Степень накопления нитратов в растениях зависит от особенностей сельскохозяйственных культур, условий минерального питания и почвенно-экологических факторов. Каждый из этих факторов может стать решающим в накоплении нитратов в растениях. Нитраты – непременный атрибут круговорота азота в растениях. Они были, есть и будут, даже если полностью отказаться от применения удобрений. Главное, чтобы содержание нитратов в воде, растениеводческой продукции, других продуктах питания не превышало допустимые пределы.

Обычно накопление нитратов в растениях является следствием внесения чрезмерно высоких доз азотных удобрений, а также органических при определенных условиях: при нарушении углеводного обмена из-за нехватки калия, а также синтеза белковых соединений из аминокислот при дефиците фосфора и молибдена. На плодородных почвах растения накапливают много нитратов и без внесения удобрений. Исследования показали, что на долю азотных удобрений в числе всех факторов, влияющих на накопление нитратов, приходится 47%.

Среди факторов внешней среды, оказывающих существенное влияние на накопление нитратов, являются свет, влажность, температура воздуха и почвы. Нормальная обеспеченность светом – одно из решающих условий ассимиляции нитратов в растениях и снижения их концентрации.

Исследования М.Э. Ярван показали, что в прохладные дождливые годы с большим количеством пасмурных дней уровень содержания нитратов повышается примерно в три раза по сравнению с нормальными.

Следует также избегать загущения посевов, выращивать одни культуры под покровом других. Из других факторов накоплению нитратов способствует засуха и застойное переувлажнение, уплотнение почвы, поражение вредителями и болезнями, угнетение растений при неправильном применении средств защиты растений и др.

К числу регулируемых факторов, влияющих на накопление нитратов в растениях, относится обеспеченность растений фосфором, калием, микроэлементами.

На накопление нитратов влияют видовые и сортовые различия. Больше их накапливается у растений с незавершенным циклом развития, главным образом в частях, транспортирующих питательные вещества (корнях, стеблях, черешках, жилках). Много нитратов накапливают листовые овощные культуры (салат, укроп, петрушка, сельдерей, зеленый лук и др.), корнеплоды (свекла столовая, редис, редька и др.).

Мало накапливается нитратов в плодах яблони, груши, вишни, сливы и других культур семейства розоцветных, так как в их корнях нитраты восстанавливаются благодаря высокой активности фермента нитратредуктазы.

Сортовые различия в отношении накопления нитратов у редиса достигают 55%, у томатов – 200 – 300, у свеклы – 200%.

Распределение нитратов в растении имеет свою специфику. Внешние листья кочана капусты в два раза богаче нитратами, чем внутренние, еще больше их в кочерыге. У картофеля в кожуре и сердцевине нитратов содержится в 1,1 – 1,3 раза больше, чем в остальной части клубня. В огурцах содержание NO₃ возрастает от верхушки плода к его основанию, причем в кожуре их больше, чем в мякоти.

На концентрацию нитратов влияют также сроки и условия хранения некоторых видов овощей. После 6-месячного хранения в корнеплодах свеклы и моркови содержание нитратов снижается в 1,5 – 2,0 раза.

Значительно больше нитратов накапливается при выращивании овощей в защищенном грунте. Как показали исследования, при уменьшении освещенности содержание нитратов в растениях может увеличиться в 2 – 10 раз. Поэтому при выращивании овощей в защищенном грунте необходимо следить, чтобы была хорошая освещенность, оптимальная температура и влажность. Снижению накопления нитратов в продукции способствуют сборы овощей в солнечную погоду во второй половине дня.

В защищенном грунте питательные элементы должны применяться в сбалансированных дозах. При обнаружении недостатка микроэлементов (в первую очередь молибдена, бора, кобальта) необходимо внести их с удобрениями.

Повышенное содержание нитратов и нитритов в воде, пище и корме вызывает острые желудочно-кишечные расстройства, отравления и хронические заболевания. Токсичность нитратов относительно низкая, но при участии микрофлоры пищеварительного тракта и тканевых ферментов они восстанавливаются до нитритов, степень токсичности которых в 10 – 20 раз выше, чем нитратов (В.Ф. Журавлев и М.М. Цапков).

При избыточном поступлении нитратов в организм человек заболевает метгемоглобинемией (синюшность). Эта болезнь развивается вследствие окисления двухвалентного железа Fе²⁺ в трехвалентное Fе³⁺. Образующиеся под действием нитратов метгемоглобин и нитрогемоглобин не могут доставлять кислород к тканям организма. У здорового человека содержание метгемоглобина в крови не превышает 2 %. Легкая форма этого заболевания наблюдается при содержании в крови 10 – 20 % метгемоглобина, средняя – 20 – 40, тяжелая – свыше 40 %. Замещение 20 % гемоглобина метгемоглобином и нитрогемоглобином вызывает отравление, сопровождающееся сильной гипоксией, т.е. кислородной недостаточностью. При 80%-ном замещении гемоглобина наступает смерть от удушья.

До недавнего времени считалось, что заболеванию метгемоглобинемией подвержены дети только в возрасте до 1 года. Однако впоследствии было доказано, что дети старших возрастов и даже взрослые могут поражаться асимптоматической (без клинических признаков) формой метгемоглобинемии. При этом нарушается работа сердца и поражается центральная нервная система.

Смертельные случаи отравления нитратами отмечаются крайне редко. Случаи отравления нитратами со смертельным исходом отмечены в США, Европейских и других странах в основном при употреблении воды с повышенным содержанием нитратов, реже – овощей (шпината, огурцов и т.д.).

Хотя заболевания метгемоглобинемией встречаются и редко, но длительное употребление воды, пищи и кормов, богатых нитратами, может вызывать болезни обмена веществ, опорно-двигательной и нервной системы, генеративных органов и генетические нарушения. Нитраты атакуют иммунную систему и наследственный аппарат, усиливают восприимчивость к заболеваниям.

Кишечная микрофлора может восстанавливать нитраты до нитритов и образовывать канцерогенные, даже в ничтожных количествах, нитрозамины. Нитрозамины образуются также при применении некоторых лекарств. Исследования, проведенные в США и Нидерландах, показали, что рост раковых заболеваний статистически достоверен из-за образования нитрозаминов в моркови, столовой свекле, пиве и других продуктах при избыточном применении азотных удобрений.

Образованию нитрозаминов препятствует аскорбиновая кислота. Исследованиями было установлено, что при соотношении витамина С к нитратам 2:1 и более нитрозамины не образуются. Поскольку витамин С в большинстве овощных культур содержится именно в таком количестве, опасность их образования невелика. Подобным же действием обладают токоферол (витамин Е), полифенолы, танин и пектиновые вещества, содержащиеся в овощах. Важным положительным свойством овощей является наличие в них клетчатки, которая подавляет всасывание нитрозаминов.

Основным источником нитратов для человека является питьевая вода и овощные культуры (зеленные культуры, свекла, капуста и др.), причем более опасны тепличные овощи. В среднем на овощи приходится 70 – 80% нитратов, питьевую воду – 10 – 15%, а остальные (от 5 до 20%) – на молоко, мясопродукты и соки. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила допустимый предел поступления нитратов в организм человека – 3,5 мг на 1 кг веса. Однако лучше, если дневной “паек” нитратов не будет превышать 120 – 140 мг.

Допустимые пределы содержания нитратов в продуктах питания в различных странах далеко не одинаковы в силу различных факторов (климатических условий, особенностей питания и др.). Главным санитарным врачом Беларуси утверждены предельно допустимые концентрации нитратов для фруктов и овощей открытого и защищенного грунта (табл. 16.2).

16.2. Предельно допустимые концентрации нитратов в картофеле, овощах

и фруктах, мг/кг сырого продукта

ПДК нитратов для воды и молока – 45 мг/л. Установлены также ограничения содержания нитратов в кормах для животных. Предельно допустимое содержание нитратов в силосе и сенаже, комбикормах, картофеле, зеленых кормах и зернофураже – 500, сене – 1000, травяной муке – 2000. кормовой свекле – 1500 мг в 1 кг сырого продукта.

Снизить содержание нитратов в растениеводческой продукции можно с помощью следующих приемов. Под все сельскохозяйственные культуры разработаны предельно допустимые дозы азотных удобрений, гарантирующие получение “чистой” продукции и исключающие загрязнение окружающей среды. Эти дозы были приведены при рассмотрении системы удобрения сельскохозяйственных культур. Экологически безопаснее медленнодействующие азотные удобрения, производство которых налаживается на ОАО «Гродно-Азот». Во влажные холодные годы с большим количеством осадков дозы азота должны уменьшаться. Способствуют также снижению накопления нитратов в растениях ингибиторы нитрификации.

Локальное внесение аммонийных и амидных удобрений в некоторых случаях уменьшает содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции, что объясняется замедлением нитрификации в ленте удобрений. Однако локальное внесение удобрений и ингибиторы нитрификации не гарантируют получение продукции с низким содержанием нитратов, так как в разных почвенно-экологических условиях степень замедления нитрификации в почве различна.

Регулировать азотное питание и содержание нитратов в кормовых и овощных культурах можно дробным внесением азотных удобрений. Поэтому очень важно правильно выбрать сроки подкормок, чтобы растения могли ассимилировать поглощенный нитратный азот. Последнюю подкормку рекомендуется проводить под овощные культуры не позднее, чем за 4 – 6 недель до уборки урожая, а на посевах культур, используемых свежими (морковь, редис, петрушка и др.), их не проводить вовсе. Следует учитывать также, что при использовании азотных удобрений в аммонийной и амидной форме накопление нитратов ниже, чем при внесении аммонийной селитры.

Существенное влияние на накопление нитратов оказывают сортовые особенности сельскохозяйственных культур. В связи с этим значительно снизить содержание нитратов в овощных и других сельскохозяйственных культурах можно подбором сортов, накапливающих меньше нитратов.

Контроль за накоплением тяжелых металлов в почве