ПЕДОСФЕРА – РЕГУЛЯТОР БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ

Формы нахождения тяжелых металлов (ТМ) в почвенном растворе очень разнообразны. Состояние ТМ в почвах определяется их способностью к образованию труднорастворимых солей, комплексных соединений, гидроксидов, участием в ионообменных реакциях. ТМ склонны к образованию гидроксидов. На этот процесс влияет рН среды. В целом на характер перераспределения ТМ в профиле почв оказывает влияние комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав, реакция среды, буферность, содержание органического вещества, катионообменная способность, сумма поглощенных оснований, наличие геохимических барьеров, дренаж, удельная поверхность и др. Обнаружено, что в кислой среде преимущественно сорбируются свинец, цинк, медь, в щелочной ≈ кадмий и кобальт [36].

Концентрация тяжелых металлов в почвах возрастает при увеличении содержания глинистых минералов и органического вещества в почве. Влияют также провинциальные геохимические особенности покровных отложений, на которых сформирована почва, и минералого-петрографическое разнообразие коренных пород, которые служат источником обломочных минералов, слагающих покровные отложения. Важным фактором является гидрологический режим и интенсивность промывания профиля почвы. Концентрация элементов в почвенном растворе поддерживается на определенном уровне за счет равновесия между элементами, которые присутствуют в жидкой и твердой фазе. Равновесное распределение элементов между этими фазами обусловливают процессы осаждения – растворения и адсорбции – десорбции.

Соединение, в той или иной мере растворимое в воде, при поступлении в почву растворяется в результате воздействия Н⁺, ОН^–, СО₃^2–, НСО₃^–, Н₂РО₄^–, водорастворимых гумусовых кислот и др. В то же время взаимодействие жидкой и твердой фазы приводит к уменьшению концентрации рассеянных элементов в растворе. Сохранение устойчивой концентрации металлов в многократных последовательных водных экстракциях говорит о том, что металлы, содержащиеся в твердой фазе и растворе, связаны равновесием.

Фосфат-ионы образуют наименее растворимые в воде соединения с тяжелыми металлами. Следовательно, присутствие фосфатов должно определять концентрацию тяжелых металлов в почвенных растворах или водных экстрактах. Содержание фосфатов металлов в твердой фазе почвы можно рассматривать как резерв для поддержания их концентрации в почвенном растворе. Содержание фосфат-ионов в почвенном растворе ничтожное и недостаточное для выведения всего количества растворенных металлов. В то же время при добавлении в водные экстракты твердого вещества почвы концентрация тяжелых металлов быстро снижается благодаря почвенному поглощению. В данном случае подразумеваются разные виды удаления тяжелых металлов путем связывания их с твердыми веществами без образования индивидуализированных химических соединений.

В гумусе сосредоточена существенная доля ТМ ≈ от 15 до 60% общего их содержания в почвах. На долю глинистых минералов приходится от 40 до 70% ТМ в почвах Сибири. В илистых частицах почв ТМ в 2-З раза больше, чем во фракциях пыли, и в 4-5 раз больше, чем во фракциях песка [36].Основная часть ТМ, связанная с органическим веществом почвы, сосредоточена в гуминовых и фульвокислотах. Насыщенность ТМ фульвовых кислот, обладающих повышенным числом функциональных групп, чаще оказывается больше, чем гуминовых. Комплексы металлов с гумусовым веществом и гидрооксидами трехвалентного железа, а также хемосорбционные образования, имеющие межмолекулярные связи, характеризуются высокой устойчивостью. Металлы, находящиеся в катионообменной форме, наиболее легко переходят в раствор. Следовательно, чем большая часть металла адсорбирована органическим веществом, тем прочнее он закреплен в почве. Из трех металлов, наиболее подвижным является кадмий, наименее подвижным – свинец. Металлы настолько прочно связаны в органическом веществе, что оказываются недоступными для растений. Катионообменная адсорбция в основном связана с высокодисперсными глинистыми минералами. Металлы способны мигрировать в почвах в виде комплексных соединений, но их токсические свойства не проявляются.

Тип поступления элементов в растения обусловлен концентрацией их в почвенном растворе. При низких концентрациях, характерных для рассеянных элементов в условиях «геохимического фона», основное значение имеет селективное поглощение элементов растениями. В случае аномально сильного обогащения раствора каким-либо элементом, который обычно содержится в ничтожном количестве, происходит его пассивное поступление в растения.

Установлено, что наиболее сильно подавляет азотфиксирующую активность почвы избыточное количество кадмия, в меньшей степени – меди, наименее заметное влияние оказывает свинец. Возможно, что степень токсичного воздействия металлов связана с прочностью их адсорбции твердой фазой почвы, которая соответствует ряду Pb > Cu > Cd. Эффект подавления азотфиксирующей деятельности почв избыточными дозами металлов, к которым микроорганизмы не адаптированы, можно использовать для оценки интенсивности техногенного загрязнения почв.

Таким образом, благодаря значительной сорбционной емкости и действию рассмотренных равновесий почва обладает замечательной способностью связывать массы тяжелых металлов и поддерживать их концентрацию в почвенном растворе на низком уровне, обеспечивающем селективное поглощение растениями необходимого количества металлов. Вместе с тем, при недостатке металла почва способна выделять его в раствор благодаря имеющемуся равновесию между твердой и жидкой фазами.

Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв неодинакова. Наиболее прочно закрепляется ртуть, прочно связывается свинец, менее прочно – медь, еще менее – цинк и кадмий. Почва поглощает и связывает избыточные массы рассеянных элементов, которые поступают на поверхность суши в активной растворимой форме, – тем самым педосфера выполняет функцию регулятора масс рассеянных элементов, поступающих в миграционные циклы. В процессах регулирования важную роль играют почвенное органическое вещество и гидрооксиды железа.

Техногенное поступление металлов в почву, закрепление их в гумусовых горизонтах в почвенном профиле в целом не может быть равномерным. Неравномерность его и контрастность, прежде всего, связана с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то 37, 3% всех металлов будет рассеяно всего лишь в 2% обитаемой суши.