Таблица 1

Установлено, что наиболее опасными токсикантами, оказывающими непосредственное отрицательное влияние на человека и животного, а также вызывающими в их организме синергетические эффекты являются тяжелые металлы [1].

Основными загрязнителями среди тяжелых металлов являются кадмий, ртуть, свинец, мышьяк, хром. Они оказывают негативное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, ухудшают качество продукции, нарушают системы иммунных барьеров, что приво­дит к поражению растений болезнями и вредителями. Существенное ингибирование фермен­тов в почве вызывают также серебро, никель и цинк.

Принято считать действие тяжелых металлов на сельскохозяйственные культуры отри­цательным, если урожай достоверно снижается на 10% и более [2].

Тяжелые металлы - группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см³ или относительную атомную массу более 40. Однако имеется группа металлов, за которыми закрепилось только одно негативное понятие - «тяжелые» в смысле «токсичные». Эту груп­пу составляют ртуть, кадмий и свинец.

Тяжелые металлы принципиально изменяют поступление в растения микроэлементов, выполняющих важные биохимические функции, органически связанные с повышением ус­тойчивости организма к ионизирующему облучению. Это обстоятельство имеет принципи­альное значение для зон радиоактивного загрязнения. Принятые в настоящее время предель­но-допустимые концентрации (ПДК) содержания тяжелых металлов в почах не учитывают эти аспекты, и базируются лишь на санитарно-гигиенических критериях.

Ртуть оказывается в культурном ландшафте в результате использования ее соединений в качестве фунгицидов.

Поступление кадмия может быть связано с широким использованием в сельском хозяй­стве фосфатов.

Свинец поставляется в агросферу в основном с отработанными газами двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта.

Однако во всех случаях сельскохозяйственные территории подвергаются локальному загрязнению за счет автомобильного транспорта. При этом необходимо учитывать, что за­грязнение почвенного покрова происходит, как правило, полуэлементным составом токсиче­ских веществ.

Свинец аккумулируется почвой и растениями. Токсическое действие его на растения проявляется с концентрации порядка 5 мг/кг почвы и выше. Однако соединения свинца вредны для растений во всех концентрациях.

Кадмий характеризуется высокой токсичностью относительно к почвенной биоте и фитотоксичностью. Высокая фитотоксичность кадмия объясняется в первую очередь тем, что он может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу ферментов, связанных с дыханием и другими физиологическими процессами (карбоангидра-за, различные дегидрогеназы и фосфатозы), а также участвующих в белковом обмене (про-теиназа и пептидаза), ферментов нуклеинового обмена и др. Как химический аналог цинка, кадмий заменяет его в анаиматической системе, необходимой для фосфоритования глюкозы и сопровождающей процесс образования и потребления углеводов.

Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недоста­точности, что в свою очередь вызывает угнетение и гибель растений. Высокой чувствитель­ностью к недостатку цинка характеризуются большинство плодовых культур: вишня, груша, яблони; из сельскохозяйственных культур - луговые травы, морковь, редька, фасоль, горох, шпинат, кукуруза. Это обстоятельство необходимо учитывать для почв песчаных, малогуму-сированных, нуждающихся в микроэлементах [1].

Многие исследователи делают вывод, что предельная концентрация кадмия в почве, с учетом его токсического действия на микробиологические процессы и снижение уровня пло­дородия почв должна находиться, в зависимости от состояния естественного уровня плодо­родия, в пределах от 0,2 до 2,0 мг/кг почвы. При этом в одних и тех же условиях разные виды растений усваивают из почвы различные количества свинца и кадмия. Отмечается повышен­ное накопление свинца и кадмия зеленым луком, морковью, свеклой, капустой, картофелем, помидорами [9].

Изложенное выше указывает на необходимость проведения детального обследования сферы сельскохозяйственного производства на загрязненных радионуклидами почвах по со­держанию свинца и кадмия в продукции, производимой в этих условиях.

Тяжелые металлы поступают в сельскохозяйственные растения следующими путями:

С осадками сточных вод, сточными водами и бытовым мусором [1,2,3].

Основным источником атмосферного загрязнения, связанного с деятельностью челове­ка, являются тепловые и иные электростанции (27%) предприятия черной металлургии (24,3%), предприятия по добыче нефти (15,5%), транспорт (13,1), предприятия цветной ме­таллургии (10,5%), а также предприятия по добыче и изготовлению строительных материа­лов (8,1%) [1].

Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, со­держащимися в горнорудах. Наиболее существенными как по набору, так и по концентраци­ям примесей тяжелых металлов являются фосфорные удобрения. Среди элементов, содер­жащихся в простом суперфосфате, могут присутствовать кадмий, хром, кобальт, медь, сви­нец, никель, ванадий, цинк.

Пестициды представлены всеми химическими соединениями, преимущественно орга­ническими, некоторые из них являются органоминеральными или чисто минеральными ве­ществами. Отдельные пестициды содержат в своем составе тяжелые металлы, такие, как ртуть, медь, цинк, железо.

Очистка сточных вод канализаций крупных городов и районных центров с развитой промышленностью дает большое количество осадка, состоящего из органического вещества с различными минеральными включениями. Органическое вещество коммунальных стоков обладает способностью поглощать из воды катионы солей тяжелых металлов. В осадках сточных вод могут находиться такие элементы как: марганец, кобальт, молибден, ртуть, ба­рий, свинец, цинк, медь, никель, кадмий, хром, серебро, олово [1,3].

Из отходов промышленности, используемых в качестве удобрений, необходимо назвать различные шлаки, золу каменного угля и сланца, фосфогипс, цементную пыль. В отходах промышленности, в частности, в составах шлаков, содержатся такие тяжелые металлы, как стронций и хром.

Интенсивное использование минеральных, органических удобрений и мелиорантов (извести) изменяет химию элементов в почве, их подвижность. Так, физиологически кислые минеральные удобрения повышают подвижность кадмия и цинка в почвах, физиологически щелочные - снижают. Внесение в почву органических удобрений и извести уменьшает под­вижность тяжелых металлов из почвы. Обычно прирост биомассы растений определяет по­ступление металлов из почвы, в результате концентрации их в растениях уменьшается, а вы­нос из почвы увеличивается.

Минздравом России 27.12.1994 года были утверждены Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94 «Ориентировочно — допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах». Эти нормативы дифференцированы в разрезе типов почв. В таблице 2 представлена группировка песчаных и супесчаных почв.

Таблица 2

Группировка песчаных и супесчаных почв для агроэкологической оценки по содержанию валовых форм тяжелых металлов и мышьяка, мг/кг

(Максимов и др., 2002г).

Примечание: * - численное значение верхней границы 2-й группы соответствует ПДК (ОДК) элемента в почвах. ** - только для трехвалентного хрома.

Градация почв по содержанию валовых и подвижных форм тяжелых металлов включа­ет 5 групп. Первая группа соответствует концентрации элементов в почвах ниже 0,5 ПДК (ОДК), а численное значение верхней границы второй группы соответствует ПДК (ОДК) данного элемента в почве. Почвы, попавшие в третью группу, относятся к территории с не­удовлетворительной экологической ситуацией. Четвертая группа характеризует почвы с чрезвычайной экологической ситуацией, а пятая - к зоне экологического бедствия. Почвы, относящиеся к первым трем группам агроэкологической оценки пригодны для возделывания всех сельскохозяйственных культур., однако на почвах, отнесенных к третьей группе, вся продукция растениеводства должна систематически контролироваться на содержание тяже­лых металлов.

Почвы, относящиеся к зонам чрезвычайной и катастрофической экологической ситуа­ции, пригодны для возделывания только технических культур по специальной технологии [2].

По данным агрохимической службы Минсельхоза России объем обследованных пахот­ных земель на содержание тяжелых металлов по отношению к их общей площади на 01.01.2000 г. в целом по Брянской области составляет (тыс. га): свинец -24,5 (1,97%), кадмий -24,5 (1,97%), цинк -24,5 (1,97%), медь -24,5 (1,97%). Следует отметить, что к наиболее за­грязненным регионам имеющие загрязненные почвы относится Брянская область - по свин­цу (АЗ%). по кадмию П .8%Y

Для того, чтобы проследить, как влияет систематическое внесение удобрений на изме­нение содержания микроэлементов и тяжелых металлов в дерново-подзолистой песчаной почве, в 1988 г. после четырех ротаций 8-польного севооборота был проведен анализ поч­венных образцов на содержание подвижных форм микроэлементов (табл. 3).

Внесение удобрений не сказалось на содержание в почве железа, незначительно повы­сило содержание никеля и меди.

Возросло содержание цинка, марганца, стронция. Увеличение содержания цинка и мар­ганца связано с внесением торфонавозного компоста, а стронция с внесением фосфоритной муки. Наблюдается увеличение содержания в почве под влиянием удобрений свинца ( с 0,07 до 0,14 мг/кг), хрома (с 0,26 до 0,43 мг/кг), кобальта (с 0,20 до 0,56 мг/кг) и особенно кадмия (с 0,06 до 0,044 мг/кг).

Таблица 4

Влияние длительного применения удобрений на содержание микроэлементов в дерново-подзолистой песчаной почве (мг/кг).

На содержание микроэлементов в почве оказывает влияние вносимый торфонавозный компост. Повышенное содержание цинка, марганца, меди, никеля обусловлено внесением по­вышенной дозы компоста -80 т/га в год, хрома, кобальта, кадмия - внесение фосфоритной муки.

Следует отметить, что содержание микроэлементов в почве ниже оптимального и их применение дает положительный эффект, что подтверждено дополнительными исследова­ниями. Содержание тяжелых металлов не достигает предельно допустимых концентраций.

Для разработки способов нейтрализации негативного развития процессов загрязнения проведены экспериментальные исследования в 1988-1991 гг. в опытном хозяйстве ВНИИА «Волна революции» Новозыбковского района Брянской области на дерново-слабоподзолистой песчаной почве. Агрохимические показатели плодородия почвы пахотно­го слоя на опытном участке перед закладкой опыта были следующими: содержание гумуса 1,66%, рН сол-6,6, сумма поглощенных оснований 5,14 м. экв. на 100 г почвы, подвижных форм фосфора 250 мг/кг и обменного калия 200 мг/кг. Опыт был заложен по схеме, разрабо­танной В.Н. Перегудовым (1976,1983), на основе теории планирования многофакторного эксперимента, включает 32 варианта и представляет специальную выборку -1/8 часть полно­го факториального эксперимента 4x4x4x4. Каждый вид удобрений и их сочетаний изучали на двух фонах: естественный и сидеральный горчица белая, 15 т/га зеленой массы.

Размер делянок 60 м . Свинец и кадмий в пробах картофеля определяли после мокрого озоления на атомно-обсорбционном спектрометре.

Таблица 5

Влияние удобрений на содержание кадмия и свинца в клубнях картофеля, мг/ кг (в среднем за 1989-1991 гг.)

Как видно из данных таблицы 3 содержание кадмия в клубнях картофеля на естествен­ном фоне находятся в пределах 0,020-0,80 мг/кг, на сидеральном фоне 0,005 -0,100 мг/кг су­хой массы клубней.

В нескольких пробах концентрация кадмия была очень мала, что по вышеуказанной методике не определяли. При содержании абсолютно сухого вещества в клубнях картофеля 22,5% ПДК равняется 13,3 мг/кг. Следовательно, во всех вариантах практически все полу­ченные результаты по содержанию кадмия значительно ниже этого показателя. Существен­ного влияния разных доз, сочетаний и соотношений удобрений и фона на накопление кадмия в клубнях картофеля также не отмечено.

Содержание свинца в высушенных пробах клубней картофеля колебалось в пределах 0,55-1,10 мг/кг, составляя в среднем за два года по естественному фону 0,78 мг/кг и сидеральному -0,96 мг/кг, то есть по сидерату отмечали повышение содержания свинца в клуб­нях картофеля на 18%.

В среднем за годы исследований максимальное (1,07 мг/кг) содержание свинца по сидеральному фону выявлено в варианте при внесении калийных удобрений К:2о, а по естест­венному фону 1,10 мг/кг в варианте N120, то есть во всех вариантах с удобрениями накопле­ние свинца в клубнях картофеля было значительно ниже ПДК. Если рассматривать варианты опытов, то уменьшение содержания свинца в клубнях картофеля при применении удобрений на естественном фоне произошло в вариантах N₆₀P₆₀K₆₀N₆₀K₆₀.

На сидеральном фоне во всех вариантах от внесения бесподстилочного навоза в дозе 80 т/га увеличивало содержание свинца в клубнях картофеля на 11%, на остальных вариантах опыта содержание свинца в клубнях картофеля незначительно уменьшилось.

На Новозыбковской опытной станции, расположенной на дерново-подзолистой песча­ной почве с содержанием гумуса 1,4-1,7% (по Тюрину) рН_сол-6,2-6,3, фосфора и калия по Кирсанову 28-35 и 5-7 мг на 100 г почвы, обозначилась необходимость изучения влияния ор­ганических удобрений в виде возрастающих доз подстилочного, бесподстилочного навоза КРС и свиного сбалансированных по азоту на поступление тяжелых металлов в клубни кар­тофеля. В физическом весе одинарная доза подстилочного навоза -40 т/га, бесподстилочного навоза -35 т/га, свиного-32 т/га. Применяли все виды навоза в дозах от одной до трех под первую культуру севооборота картофель.

Тяжелые металлы особенно прочно фиксируются верхним горизонтом почвы богатым гу­мусом. Поэтому в детоксикации тяжелых металлов важная роль принадлежит органическим удобрениям, которые образуют с ними органо-минеральные соединения низкой растворимости.

В наших исследованиях увеличение органического вещества в почве, за счет высоких доз различных видов навоза, значительно в 2,4-7,0 раз уменьшило поступление тяжелых ме­таллов в клубни картофеля.

Применение двойной дозы 80т/га подстилочного навоза снизило 2,4 раза, содержание меди, в 4,6 раза цинка и в 3,0 раза свинца. От применения трех доз подстилочного навоза (120 т/га) эффект снижения возрос: меди уменьшилось в 7 раз, а цинка и свинца не обнару­жено по сравнению с вариантом без навоза (табл.5).

Таблица 5

Влияние видов и возрастающих доз навоза на содержание тяжелых металлов в клубнях картофеля, мг/кг (1996-2002гг).

Бесподстилочный и свиной навоз в применении тройной дозы проявили эффект дейст­вия на понижение меди в 1,8 раза, цинка - в 3,9 и 3,2 раза, наличие свинца в клубнях карто­феля не обнаружено.

Интенсивное использование минеральных, органических удобрений и особенно извес­ти изменяет химию тяжелых металлов в почве и их подвижность [4,6,7,8]. Поэтому изучение этой проблемы весьма актуально. В связи с этим нами были проведены экспериментальные исследования в 1993-2003 гг. в полевом стационарном опыте на дерново-слабоподзолистой почве. Агрохимическая характеристика пахотного слоя почвы была следующая: содержание гумуса 1,56-1,76%, рН_С0Л.-4,8-5,()6, содержание подвижных Р₂О₅ и К₂О, оответственно 259-281 и 33-64 мг на 1 кг почвы соответственно.

Результаты наших исследований, полученные в полевых опытах, показали, что ртути и кобальта в продукции не обнаружено.

Содержание меди в сухом веществе картофеля колебалось в пределах 0,59 -1,92 и не превышало допустимого уровня (ГОСТ -96-5 мг/кг) (табл.6).

Таблица 6

Влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в клубнях картофеля, мг/кг сухого вещества

Примечание. Пестициды: зенкор -1,0 кг/га, ридомил - 2,0 кг/га, актара -0,06 кг/га раундап -5,0 л/га.

Внесение подстилочного навоза КРС в дозе 80 т/га уменьшило поступление в клубни кар­тофеля меди и цинка, а содержание свинца увеличилось на 0,18 мг/ка по сравнению с контролем. Совместное внесение половинной дозы подстилочного навоза и минеральных удобрений в дозе N75P30K90 увеличило поступление в клубни картофеля меди, цинка, а свинца значительно

уменьшилось по сравнению с полной дозой подстилочного навоза. При внесении минеральных удобрений в дозе N75P30K.90 концентрация меди, свинца цинка повысилась по сравнению с орга-но-минеральными удобрениями. Применение тройной дозы минеральных удобрений увеличило содержание меди и свинца в клубнях картофеля по сравнению с двойной NPK, а содержание цинка уменьшилось. Применение пестицидов обеспечивало снижение в клубнях картофеля меди и цинка, а содержание свинца увеличивалось. Наибольшее содержание цинка отмечено в кон­троле (7мг/кг), но и здесь оно не превышало ПДК (10мг/кг).

Количество кадмия в продукции, также не превышало ПДК (мг/кг). Контрольный вари­ант давал самое низкое содержание кадмия в продукции (0,015 мг/кг).

ПДК содержания исследуемых тяжелых металлов в зерне овса не была превышена ни в одном из вариантов (табл.7). Содержание меди в зерне овса при применении удобрений и пестицидов понижалось по отношению к контролю в 1,7-2,9 раза, свинца в 1,7-5,6, цинка в 1,2-1,9 раза.

Наибольшее накопление меди, свинца и цинка отмечено в контроле 4,68, 0,28 и 14,2 мг/кг. Пестициды увеличили содержание меди в зерне овса в 1,1 раза, а цинка в 1,3-1,6 раза. Содержание кадмия под действием средств химизации почти не изменялось.

Таблица 7 Влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в зерне овса, мг/кг

Пестициды: Диален -1,5 л/га, Байлетон -1,0 кг/га, Децис-0,3 л/га.

Примечание. Согласно ГОСТ-96, ПДК тяжелых металлов в зерне овса следующая: медь -10 мг/кг, свинец -0,5 мг/кг, цинк -50 мг/кг.

Как и на овсе, содержание меди в зерне озимой ржи было наибольшим в контрольном ва­рианте (2,45 мг/кг). Применение средств химизации способствовало его снижению (табл. 8).

Внесение удобрений понижало содержание цинка в зерне, по отношению к контролю, в 1,4-3 раза, наибольшее снижение отмечено в варианте N210P90K180 (на 7,4 мг/кг). Обработка посевов пестицидами увеличивала переход цинка в продукцию и самое высокое его содер­жание в зерне, наблюдалось в варианте с последействием 40 т/га навоза + ,2 мг/кг).

Таблица 8

Влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в зерне озимой ржи, мг/кг

Пестициды: кампозан -4,0 л/га, диален -1,5 л/га, децис -0,3 л/га, байлетон -1,0 кг/га.

Примечание. Согласно ГОСТ -96, ПДК тяжелых металлов в зерне озимой ржи следующая: медь-10 мг/кг, свинец 0,5 -мг/кг, цинк -50 мг/кг.

Пестициды. Кампозан - 4,0 л/га, диален -1,5 л/га, децис -0,3 л/га, байлетон -1,0 кг/га.

Исследования накопления тяжелых металлов в урожае сельскохозяйственных культур показали, что их содержание было весьма незначительным или обнаруживались их следы.

Установлено, что органическое вещество почв при внесении подстилочного навоза в дозе 80 т/га снижает поступление меди, цинка в клубни картофеля, снижая их токсичность, а от внесения 3-х доз подстилочного навоза (120 т/га) содержание меди уменьшилось в 7 раз.

Содержание меди в зерне овса от применения удобрений и пестицидов понижалось по отношению к контролю в 1,7-2,9 раза, свинца в 1,7-5,6, цинка в 1,2-1,9 раза.

В зерне озимой ржи содержание меди от применения удобрений и пестицидов понижа­лось в 1,1-1,8 раза, цинке в 1,3-2,9 раза.

Следовательно, комплексное научно-обоснованное применение средств химизации яв­ляется одним из важнейших приемов снижения негативного действия указанных тяжелых металлов.

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л. Агропромиздат, 1987,142 с.

2. Максимов П.Г., Васильев Н.М., Кузнецов А.В., Аристархов А.Н., Лобас Н.В., Курга­нова Е.В., Гавриленко А.П., Аристархова Г.Г., Кузнецова И.А. Агроэкологическая характе­ристика пахотных почв Российской Федерации по содержанию тяжелых металлов, мышьяка и фтора. - М.: Агроконсальт, 2002.-50 с.

3. Минеев ВТ. Агрохимия М.: Колос, 2004-720 с.

4. Графская Г.А., Хостанцева Н.В. Проблема рекультивации почв, загрязненных тяже­лыми металлами. // Бюллетень ВИУА, № 114. М.: Агроконсальт, 2001.с.80.

5. Панова А. А. Влияние минеральных и органических удобрений на содержание тяже­лых металлов в почве. // Агрохимия. 1991, № 3, с.62-69.

6. Белоус Н.М., Моисеенко Ф.В., Ратников А.Н. Влияние удобрений на содержание кадмия и свинца в клубнях картофеля. // Химия в сельском хозяйстве. 1995, №5. с.31-33.

7. Моисеенко Ф.В. Влияние длительного применения удобрений на содержание микро­элементов и тяжелых металлов в дерново-подзолистой песчаной почве. // Бюллетень ВНИ-ИА, № 114. М: Агроконсальт, 2001. С.131.

8. Гришина А.В. Агроэкологическая оценка уровней содержания тяжелых металлов в экосистемах Владимирской области. // Автореферат дисс. канд. с.-х. наук. М.: 2001. с. 21.

9. Черных Н.А., Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. М.: Агроконсальт, 2002. с. 200.