Загрязнение почв кислотными осадками

Особый интерес  представляют реакции восстановления сульфатов сульфатредуцирующими бактериями. Сульфаты неустойчивы в анаэробных условиях и при достаточном содержании органического вещества восстанавливаются  анаэробными бактериями, причем происходит подщелачивание среды: 
Na₂O₄+Fe(OH)₃+9H⁺->FeS+2NaOH+5H₂O 
Деятельность сульфатредуцирующих бактерий приводит к накоплению в почвах сульфидов железа и соды.                                                                                                                                 

В почвах с  непромывным водным режимом и  при аэробных условиях сера накапливается  в виде гипса или в составе  легкорастворимых солей. При умеренном  содержании гипс положительно влияет на свойства почв и даже используется для мелиорации солонцов. При высоких  уровнях накопления гипс образует плотные  скопления, что резко ухудшает физические свойства почв. 
В почвах, подверженных техногенному загрязнению, происходит значительное возрастание не только валового содержания серы, но также и водо-растворимых сульфатов. При загрязнении почв серой резко увеличивается число серо-окисляющих микроорганизмов и серо-окисляющих грибов, что служит хорошим индикатором загрязнения биосферы соединениями серы. 
Попадая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвеной среды. При pH равной 5 и ниже в почвах резко увеличивается растворимость минералов, из которых высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Результатом этого является ухудшение качества питьевой воды.

 

3. Поступление азота и его соединений в почву из атмосферы

Азот — важнейший элемент  питания, необходимый для нормального  развития растений. Он входит в состав белков (до 16—18 % их массы), нуклеиновых  кислот, нуклеопротеилов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую  роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова  и плодородия экосистем, в повышении  продуктивности земледелия и улучшении  белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод.

Основные запасы азота  на планете [(4—6) - 1013 т] приходятся на атмосферу. В осадочных породах земной коры, сформировавшихся при участии биологических  факторов, накопилось около 6 • 10*' т  азота, а в Мировом океане —  до 2 • I0,J т. Биомасса суши содержит 1 • 10 т азота, тогда как его запасы в биомассе океана достигают 2 • 10" т.

Главным источником азота  в почве является гумус. Планетарные  запасы азота в почвенном гумусе составляют 6 • 10 в 13 т, однако он находится  в недоступной растениям форме  и непосредственно для их питания  не используется. Азот гумуса переходит  в растворимые и доступные  формы лишь постепенно, в результате ряда сложных и длительных микробиологических превращений.

В биосфере азот присутствует в газообразной форме в виде соединений азотной и азотистой кислот (нитраты  и нитриты), солей аммония, а также  входит в состав разнообразных органических соединений.

Устойчивые соединения азота, присутствующие в почвах, представлены формами со степенями окисления  —3 и + 5.

Биофильность азота сравнима с биофильностью углерода. Вне  живых организмов азот в биосфере представлен молекулами N>, неорганическими  соединениями и органическими формами. В биоценозах на долю минеральных  соединений азота приходится не более 1—10 %.

В почвах в свободной форме  аммиак NH, практически не встречается. Обычно он продуцируется в небольших  количествах при разложении органических удобрений. Преобладающая часть  соединений азота в почвах относится  к органическим: в гумусовых горизонтах почв содержится до 93—99% азота в составе органических соединений. Минеральные соединения азота помимо аммонийных представлены нитратами и нитритами. Содержание нитритов в почве невелико и составляет десятые доли миллиграмма на 1 кг почвы. Несмотря на низкое содержание, нитратам принадлежит существенная роль в реакциях превращения соединений азота в почве. Они образуются как промежуточные соединения и при нитрификации в аэробных условиях, К при денитрификации — в анаэробных. В почвенных условиях нитриты обычно малоустойчивы. Большее значение отводится второй из этих реакций.

Азотсодержащие органические соединения почвы представлены следующими группами: аминокислотами, амидами, аминосахарами.

Перечисленные соединения азота входят как в состав неспецифических органических соединений почвы, так и в состав гумусовых кислот.

Соотношение различных соединений азота в разных по генезису почвах довольно постоянно. Taк ,  во всех почвах преобладают негидролизуемые соединения азота, причем в черноземе они составляют около 40—45 % всего запаса азота, в сероземе около 40 %, в дерново-подзолистой почве около 30 %. Такое соотношение обусловлено повышенной биологической активностью чернозема и серозема, в которых происходит преимущественное разложение лабильных соединений и накопление более устойчивых негидролиэуемых форм.

Перечисленные соединения азота входят как в состав неспецифических органических соединений почвы, так и в состав гумусовых кислот.

Уникальность азота среди  других биогенных элементов заключается  в том, что источником его является атмосфера, а его преобразования и перенос в экосистемах обусловлены  почти исключительно круговоротом воды и биотическими процессами. Азот может поступать в лесные экосистемы в различных формах:

1) с жидкими осадками (выпадениями)  в форме аммония

2) в виде «сухих» аэрозолей,  содержащих выше перечисленные  соединения и пары азотной кислоты аммиак  и газообразные оксиды азота

3) в виде биологического  фиксированного газообразного азота N2

Поступление азота в экосистему из атмосферы начинается с его  контакта с древесным ярусом, где  он может потребляться как непосредственно  деревьями, так и населяющими  их живыми организмами. Азот, не использованный древесным ярусом, поступает в  растворах на поверхность почвы {стволовой сток), где в борьбу за него вступают растения, микроорганизмы-деструкторы, или нитрификаторы, превращающие NH в NO . В отличие от многих других элементов питания, представленных большими запасами неорганических форм, азот редко накапливается в почве в виде неорганических соединений.

Рассмотрим важнейшие  процессы, обусловливающие баланс азота  в биоценозе.

Аммонификация — процесс  разложения органических веществ, протекающий  с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к  образованию NH, или NH;. Ион аммония  может быть выщелочен или поглощен в почвенном комплексе или  необменно фиксирован трехслойными глинистыми минералами с расширяющейся  решеткой. Содержание фиксированного аммония в почвах меняется от 1—2 до 10—12ммоль/100гпочвы. Аммонификация  — первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений.

При участии бактерий Nitrobacier.

Нитрификация протекает  в почвах в окислительных условиях при величине окислительно-восстановительного потенциала Ел около 0,4— 0,5 В.

Леншпрификация осуществляется биологическим путем с помошью  бактерий-денитрификаторов Pseudomonas, Mkrococcus.

Денитрификация наиболее интенсивно протекает в плохо  дренированных почвах. Этот процесс, протекающий в корнеобитаемом слое, снижает обеспеченность растений азотом. Газообразные потери азота происходят не только в форме N,, но и в виде ряда оксидов азота. Ежедневная эмиссия N20 из почвы в атмосферу может  составлять от следовых количеств до 2—5 мг/м причем эмиссия увеличивается  во влажные, дождевые периоды при  теплой погоде. Общие потери азота  за счет денитрификации только в пахотных почвах составляют 1,5 млн т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Влияние кислых осадков на почву

 

Кислотные дожди оказывают  различное негативное влияние на окружающую среду урбанизированных территорий. В первую очередь отрицательному воздействию подвергаются почва и растительность (рисунок 2).На почвы кислые осадки оказывают наиболее ощутимое отрицательное воздействие в северных и тропических районах. В первом случае это связано с тем, что подкисляются и без того кислые (подзолистые и их разновидности) почвы. Эти почвы, как правило, не содержат природных соединений, нейтрализующих кислотность (карбонат кальция, доломит и др.).

 

Рисунок 3

Тропические почвы, хотя и  имеют нейтральную и щелочную реакцию, но также не содержат веществ  – нейтрализаторов кислотности  в силу интенсивного и постоянного  промывания дождями.

Попадая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание  катионов, снижают активность редуцентов, азотофиксаторов и других организмов почвенной среды. При pH равной 5, и ниже в почвах резко увеличивается растворимость минералов, из них высвобождается алюминий, который в свободной форме ядовит. Кислые осадки также повышают подвижность тяжелых металлов (кадмия, свинца, ртути). В ряде мест кислые осадки и продукты их действия (алюминий, тяжелые металлы, нитраты и др.) проникают в грунтовые воды, а затем в водоемы и водопроводную сеть, где также способствуют высвобождению из труб алюминия и других вредных веществ. Результатом этого является ухудшение качества питьевой воды.

Рисунок 4

 

 

2.1 Трансформации почвы и растительности под действием кислотных осадков 

 

Под действием кислотных осадков  процесс трансформации почвы и растительности в целом схематично можно представить как последовательность определенных стадий.

1. Выпадения чувствительных видов (лишайников) при сохранении основных параметров экосистемы (фоновая нагрузка превышена в 1,5-2 раза).
2. Структурная перестройка экосистемы (превышение фоновой нагрузки в 2,7-4 раза). Регистрируется ухудшение санитарного состояния деревьев, но плотность древостоя и его запас не изменяются. Происходят изменения в травяно-кустарничковом ярусе (выпадают чувствительные виды лесного разнотравья). Замедлены процессы, осуществляемые почвенными микроорганизмами. Незначительно увеличивается толщина подстилки. Существенно уменьшается разнообразие и обилие эпифитных лишайников. Параметры населения и мелких млекопитающих остаются на уровне фона.    
3. Стадия частичного разрушения экосистемы (превышение фона в 6,0-7 раз). Древесный ярус угнетен и изрежен, значительно уменьшены его запас и полнота, нарушено возобновление. В травяном ярусе почти отсутствуют лесные виды, которые заменены луговыми и вида- ми-эксплерентами. Повышена кислотность верхних почвенных горизонтов, из них выносится обменный кальций и магний. Активизируются эрозионные процессы. Биологическая активность почвы резко снижена. Крупные почвенные сапрофаги отсутствуют. Уменьшена скорость деструкции листового опада, который накапливается в виде толстого слоя подстилки. Лишайниковый покров сохраняется только у самого основания стволов, представлен одним-тремя устойчивыми видами. Происходит элиминация крупных лесных видов птиц, меньше общая плотность орнитонаселения. Наблюдается вселение синантропных видов и видов, приуроченных к открытым местообитаниям (характерно для населения птиц, мелких млекопитающих и муравьев).
4. Стадия полного разрушения (коллапса) экосистемы (превышение фоновой нагрузки в 10 раз и более). Переход к ней означает для экосистемы полную гибель. Древесный ярус полностью разрушен, сохраняются лишь отдельные, сильно угнетенные экземпляры деревьев. Травяной ярус представлен одним-двумя видами злаков, в увлажненных местах встречается хвощ. В понижениях - одновидовой моховой покров и захоронения неразложившегося опада. Лишайниковый покров отсутствует. Полностью смыты подстилка и верхние горизонты почвы. Биологическая активность почвы снижена до нуля. Почвенные животные отсутствуют

                                             

2.2 Оценка экологических нагрузок на почву через атмосферу

 

Техногенная сукцессия сопровождается снижением биоразнообразия, падением продуктивности и упрощением структуры, замедлением и разрывом круговорота биогенов. Тормозятся как продукционные, так и деструкционные процессы, нарушается баланс между ними. Ряд структурных элементов полностью элиминируется (лесное разнотравье, почвенные сапрофаги, эпифитные лишайники). Две последние стадии патологичны и переход к ним означает для экосистемы полную потерю устойчивости как способности возвращаться в исходное состояние. Оценку экологических нагрузок на почву через атмосферу можно провести через дифференциальные и интегральные параметры системы улиц промышленного города «УПГ» по трем разным схемам:

1)По абсолютной нагрузке на почву отдельной i-й примеси (N_i);

2)По абсолютной суммарной нагрузке на почву всех примесей, выделяющихся из атмосферного воздуха (^N_cyM);

3)По относительной суммарной нагрузке на почву, отнесенной к фоновой нагрузке (А).Поэтому должны проводиться исследования по определению экологических нагрузок, формирующиеся через степени загрязнения снежного покрова и дождевой воды в придорожной территории соединениями серы и азота, а также взвешенными частицами.

Экологическую нагрузку на почву можно представить через  концентрационные характеристики промежуточных сред (воздуха и осадков) в виде

N = C*Q (2)

где С - концентрация i-ой примеси в осадках;

Q - количество выпавших осадков в сезон.

Следовательно, уравнение (2) может быть использовано для ретроспективных  и прогнозных оценок процессов вымывания примеси осадками. При этом эталонами должны служить нормированные нагрузки по отдельным примесям (таблица 1)

Для комплексной оценки качества урбанизированной территории следует применять суммарные экологические нагрузки по всем загрязняющим веществам, которые рассчитываются по формуле

При этом оценка воздействия  загрязнения на придорожные территории осуществляется из следующих соображений (таблица 2)

 

 

ъ

Таблица 1

Таблица 2

3. Снижение негативного влияния кислотных осадков                                                    

Кислотные дожди могут  оказывать как прямое, так и  косвенное воздействие на живую  и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению  ущерба или предотвращению дальнейшего  разрушения окружающей среды могут  быть различными. Наиболее эффективным  способом защиты следует считать  значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно  достичь несколькими методами, в  том числе путем сокращения использования  энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса  загрязнений в атмосферу - удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения  и другие технологические решения. Снижение содержания серы в различных видах топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0, 5%. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами. Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержанием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей угля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%. Таким образом, энергоносители с низким содержанием серы у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее удаления. Во время переработки (дистилляции) нефти остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута - процесс очень сложный, а в результате удается освободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капитальных вложений. Сера в угле находится частично в неорганической, а частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие соединения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо дороже предыдущего. Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.