Поведение токсикантов в природных средах

В окружающей среде токсиканты подвергаются различным изменениям:

- рассеиванию;

- биотрансформации;

- переносу на большие расстояния;

- биоаккумуляции;

- миграции;

- гидролизу.

При этом степень опасности определяется рядом факторов, которые можно разделить на 4 группы:

1. Факторы, обусловленные свойствами загрязняющего вещества (элемента), такими как персистентность, растворимость, летучесть, способность сорбироваться почвой, мигрировать по профилю и т.д. Так, очень стойкие в окружающей среде пестициды могут переноситься ветром на большие расстояния, а также мигрировать по трофическим цепям. Некоторые токсиканты могут медленно сублимировать при комнатной температуре, т.е. переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое (пестициды из группы карбаматов).

2. Факторы, характеризующие территорию местности: площадь, вид и свойства почвы (тип, влагоемкость, рН, способность к самоочищению), покрытие растительностью, систему обработки почвы, рельеф местности и т.д. К примеру, на бедных подзолистых почвах с низкой биологической активностью опасность загрязнения значительно возрастает по сравнению, например, с черноземами, характеризующимися высокой буферной и самоочищающейся способностью. На равнинных территорих разрушающее действие дымовых газов в среднем меньше, чем на холмистых, где воздушный обмен затруднен.

3. Климатические условия, влияющие на скорость разложения (наличие и величина осадков, время и условия их выпадения, влажность воздуха и т.д.).

4. Факторы (применительно к пестицидам) – способы применения, объем, нагрузка на 1 га и уровень содержания в почве, кратность внесения, возможность кумуляции.

При воздушном (аэральном) загрязнении длительность пребывания токсиканта и возможность его перемещения зависят от скорости потока воздуха и турбулентности (смешивания) воздушных масс, а также направления и розы ветров. При аэральном загрязнении может иметь место фотохимический эффект (разложение под влиянием света). Этим эффектом объясняется более высокая концентрация некоторых пестицидов в лесных почвах по сравнению с почвами открытых участков, где разложение пестицидов идет быстрее под влиянием света. В воздушной среде некоторые токсиканты (например, диоксины) обладают способностью осаждаться на мелких частицах, нарпимер пыли, и прилипать к ней (явление адгезии), усиливая опасность загрязнения.

Особенность поведения токсикантов в водной среде заключается в их способности к высокой биоаккумуляции. К примеру, в каждом последующем звене пищевой цепи содержание ДДТ может увеличиваться примерно в 10 раз. Отношение содержания веществ в тканях гидробионтов к концентрации его в воде называется коэффициентом накопления. Например, в дафниях коэффициент накопления бензапирена составляет 13000, ДДТ – 23000, метилртути – 4000.

В водных объектах, как и в воздушной среде, токсиканты могут разлагаться под действием фотохимического эффекта (фотолиза). Важным фактором при этом выступает рН водной среды: чем выше рН, тем больше ускорение распада (за исключением диметинала). Однако фотолиз в очень мутной воде, куда проникновение солнечного света очень затруднено, является незначительным. Первичное воздействие ультрафиолетовой радиации вызывает разрыв эфирной связи с последующим образованием фенольного или гетероциклического энола из карбаматного эфира.

Особенно важное значение имеет поведение токсикантов в почве, так как почва – основное средство сельскохозяйственного производства и, таким образом, основной поставщик продуктов питания для человека и животных. От состояния почвы, ее буферной и самоочищающей способности зависит поведение токсиканта в системе «почва – растение – животное – человек – окружающая среда».

Токсические вещества в почве испытывают ряд превращений (рис. 1), определяющихся следующими факторами:

- летучестью;

- выщелачиванием;

- влажностью почвы;

- температурой;

- фоторазложением;

- микробным распадом;

- типом почвы.

Основная же роль в деградации токсикантов принадлежит микробной компоненте почвы. Именно биологическая активность почв определяет ее самоочищающую способность.

Например, в условиях высокой биологической активности период полураспада пестицидов составлял менее 6 месяцев, в то время как те же пестициды в условиях с умеренной биологической активностью разлагались в течение нескольких лет. Деградация пестицидов наиболее активно происходит с мая по октябрь. В почвах под сельскохозяйственными культурами интенсивность деградации увеличивается по сравнению с парующими почвами.

Рис.1. Схема круговорота тяжелых металлов в почве

Одна из особенностей поведения токсикантов в почве – исключительно длинное пребывание их в этой среде.

Так, период полувыведения тяжелых металлов из почв в условиях лизиметров варьирует в зависимости от вида металла:

- для Zn – от 70 до 510 лет;

- для Cd – от 13 до 1100 лет;

- для Cu – от 310 до 1500 лет;

- для Pb – от 740 до 5900 лет.

Другая особенность поведения токсикантов в почве обусловлена ее сорбционной способностью, что имеет важное значение в биологическом круговороте токсикантов.

Компонентами почв, учавствующими в сорбции тяжелых металлов, являются:

- оксиды, главным образом железо и марганец, в меньшей степени – алюминий и кремний;

- органические вещества и живые организмы;

- карбонаты, фосфаты, фосфиды и основные соли;

- глины.

К примеру, сорбционная емкость гуминовой кислоты в 500–900 раз выше, чем у кварца. Гуминовая кислота почвы, содержащей 4% гумуса, может сорбировать в расчете на 1 га:

- 4500 кг свинца;

- 17929 кг железа;

- 1517 кг меди;

- 1015 кг цинка;

- 913 кг марганца.

На сорбционную способность влияет и механический состав почвы, определяя площадь поверхности частиц. Накопление токсичных веществ характеризуется коэффициентом загрязнения – отношением содержания вещества (элемента) в почве к фоновой концентрации данного вещества (элемента).

Коэффициент активного загрязнения определяется отношением подвижных форм тяжелых металлов к фоновой концентрации.

Из почвы токсиканты поступают в растения, вызывая их загрязнение. Активность накопления веществ (элементов) в растительных организмах характеризуется коэффицентом биологического поглощения (КБП) или транслокационным показателем – отношением содержания веществ в растении к концентрации в почве.