„Zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi”
Monika Rutkowska
Gr. VII
Jednym z trzech elementów środowiska naturalnego, poza powietrzem i wodą jest gleba. W miarę postępującego rozwoju przemysłu, górnictwa i miast, zasoby glebowe ulegają postępującej degradacji. Przez to pojęcie rozumiemy niekorzystne zmiany środowiska glebowego, które obniżają jego aktywność biologiczną, co z kolei powoduje obniżenie urodzajności. Wyróżnia się cztery formy degradacji gleb, jedną z nich jest degradacja chemiczna, stanowiąca ważny problem współczesnego rolnictwa i ochrony środowiska. Zjawisko to spowodowane jest między innymi koncentracją w glebie metali ciężkich. Właśnie zagadnienie zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi chciałabym omówić.
Metale ciężkie i ich związki znajdują się w obiegu przyrodniczym i są obecne w każdym elemencie środowiska przyrodniczego. Największe znaczenie w obiegu przyrodniczym mają: arsen, mangan, cynk, chrom, żelazo, kadm, ołów, nikiel, miedź, rtęć, kobalt i molibden. Zaś w zależności od stężeń, w jakich występują mogą oddziaływać szkodliwie na gleby, a w konsekwencji także na roślinność, zwierzęta, wody i oczywiście życie ludzkie.
Źródłami bezpośredniego zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi są przede wszystkim: nawożenie gleb nawozami mineralnymi, osadami ściekowymi, oraz stosowanie środków ochrony roślin i odcieki z wysypisk odpadów. Poza tym metale ciężkie dostają się do gleby wraz z pyłami (najważniejszymi sektorami gospodarki odpowiedzialnymi za tę emisję są: energetyka, przemysł, transport) oraz aerozolami. Oprócz tego mogą być wnoszone przez wody. Natomiast wody powierzchniowe są zanieczyszczane przez nieoczyszczone lub częściowo oczyszczone ścieki przemysłowe i komunalne (w nich występują metale ciężkie).
Tak więc, największe zanieczyszczenie gleb metalami obserwuje się przede wszystkim na terenach dużych aglomeracji położonych blisko zakładów przemysłowych, hut, kopalń, cementowni, zakładów energetycznych, zwałowisk niektórych odpadów górniczych, hutniczych, paleniskowych, chemicznych oraz w pobliżu szlaków komunikacji samochodowej, stacji benzynowych jak również w glebach nawożonych (zwłaszcza nawozami fosforowymi i nawozami z wapnem nawozowym) oraz narażonymi na działanie pestycydów.
W Polsce największy udział w emisji metali ciężkich ma Górnośląski Okręg Przemysłowy, którego procentowy udział w emisji całkowitej większości metali ciężkich jest największy i wynosi od 13% do 23,5%. Poza tym, w wielu uprzemysłowionych rejonach kraju (min. byłe województwa: krakowskie, legnickie) nastąpiło już nadmierne zanieczyszczenie gleb najbardziej szkodliwymi dla środowiska przyrodniczego i zdrowia metalami ciężkimi, w tym głównie przez kadm, ołów i cynk.
Zaś w Europie największe źródła emisji metali ciężkich koncentrują się w jej zachodnich i centralnych obszarach. Jednak obserwuje się tendencję do przesuwania się lokalizacji z obszaru Europy Zachodniej na tereny Europy Środkowej. W ciągu ostatnich lat zauważa się także malejącą emisję całkowitą metali ciężkich do atmosfery. Jednak całkowita ilość metali w środowisku nie zmniejsza się, ze względu na występowanie tzw. efektu depozycji skumulowanej metali już znajdujących się w środowisku.
Metale ciężkie odznaczają się długim czasem trwania w przyrodzie. Cały proces przebywania ich w środowisku jest następujący: metale ciężkie dostają się do gleb i wód powierzchniowych, a także osadzają się na roślinności. Równocześnie gleby ulegają zanieczyszczeniu bezpośredniemu. W glebie większość z omawianych pierwiastków akumuluje się i jest wiązana w związkach organicznych i nieorganicznych, a część jest wymywana z gleby bezpośrednio do wód podziemnych, natomiast część metali ciężkich, nagromadzonych w powierzchniowych warstwach gleby dostaje się do wód powierzchniowych. Z powierzchniowych warstw gleby może też zachodzić wtórne pylenie do atmosfery.
Zachowanie się metali w glebie zależy od wielu parametrów. Są to: odczyn, pojemność wymienna, zawartość humusu oraz rodzaj i ilość składników mineralnych.
Omawiane metale ciężkie, spośród innych zanieczyszczeń, wyróżniają się tym że nie ulegają degradacji, a wysoka pojemność gleb pozwala na utrzymanie ich wysokich stężeń przez długi czas. Głównym problemem jest pobieranie metali przez rośliny, na co zasadniczy wpływ ma odczyn gleby. Przy zasadowym lub obojętnym odczynie większość metali jest trwale wiązana w glebach w formach trudno dostępnych dla roślin. Zaś na glebach bardzo kwaśnych głównie cynk i ołów pobierane są i przez korzenie roślin. Wtedy następuje wprowadzenie metali ciężkich do łańcucha biologicznego: gleba => roślina => zwierzę => człowiek. Przy czym ich stężenia wzrastają wraz ze wzrostem poziomu troficznego. Poziom zanieczyszczenia gleb metalami ciężkimi zależy także od ich składu mechanicznego. Gleby ciężkie mają większe zdolności zatrzymania metali przez kompleks sorpcyjny niż gleby lekkie. Te ostatnie nie mają takich możliwości pochłaniania tych metali i przy podobnym stanie zanieczyszczeń mogą zawierać metale w formie rozpuszczalnej, łatwo dostępnej dla roślin.
Stopień wpływu metali ciężkich na środowisko przyrodnicze jest różny. Niektóre z nich są zarówno niezbędne jak i toksyczne dla organizmów żywych, a o roli jaką odgrywają w funkcjonowaniu organizmów decyduje ich ilość w danym organizmie. Spośród metali ciężkich, do biopierwiastków spełniających istotne funkcje fizjologiczne w organizmach zwierzęcych i roślinnych zalicza się: kobalt (Co), mangan (Mn), miedź (Cu), cynk (Zn), żelazo (Fe), chrom (Cr) i molibden (Mo). Ich nadmiar ma zaś działanie toksyczne. Natomiast wyjątkowo szkodliwe dla organizmu człowieka są : arsen (As), chrom(VI), kadm (Cd), nikiel (Ni), ołów (Pb) i rtęć (Hg).
Ogólnie mówiąc o skutkach szkodliwego działania omawianych przeze mnie metali, u roślin należy wymienić min.: zaburzenia wzrostu, nieprawidłowości w rozwoju systemu korzeniowego, plamy chlorotyczne lub brunatne, zasychanie brzegów liści lub obniżenie plonów. Natomiast jeśli chodzi o organizmy ludzi i zwierząt są one niebezpieczne dla ich zdrowia ponieważ są w nich akumulowane. Często są to związki o właściwościach kancerogennych lub mutagennych. Powodują wymianę jonów pożytecznych na toksyczne oraz blokowanie aktywności enzymów. Szczególnie niebezpieczne są wtedy, gdy działając w sposób wypierający, ograniczają organizmom pobieranie niezbędnych im do życia pierwiastków śladowych.
Prowadzone są badania dotyczące szkodliwości metali ciężkich, określa się również wartości stężeń granicznych tych pierwiastków w środowisku. Według mnie, warto jednak wziąć pod uwagę zalecenia WHO, która za szczególnie toksyczne uznaje As, Cd, Pb, Cr, Mn, Hg, i Ni. Natomiast do pierwiastków działających na środowisko toksycznie w każdym stężeniu zalicza się tylko: Pb, Hg i Cd. W związku z tym poniżej omówię szkodliwe działanie tych metali, wynikające z zanieczyszczenia nimi gleb.
Ołów i jego związki organiczne oraz nieorganiczne są silnie toksyczne. Do gleby bezpośrednio przedostaje się z wysypisk odpadów. Pośrednio ze spalania paliw płynnych w silnikach samochodowych, z procesów spalania paliw kopalnych w energetyce, z przemysłu (głównie metalurgicznego) oraz przez wprowadzanie ścieków do wód powierzchniowych. Emitowany do powietrza pozostaje w nim przez ok. 10 dni, a następnie dostaje się do gleby.
Szczególnie duża jest akumulacja Pb w warzywach pochodzących z upraw na zanieczyszczonych glebach. W rejonach silnego zanieczyszczenia powietrza ołowiem wykorzystuje się rośliny pobierające ołów ( np. brzoza, topola, klon ostrolistny) jako naturalne filtry. Do organizmu człowieka Pb przedostaje się przede wszystkim przez drogi oddechowe i układ pokarmowy ( z pożywieniem pochodzącym z terenów o zanieczyszczonych ołowiem glebach - mleko, warzywa). W Polsce największym zagrożeniem są ilości Pb w glebie w silnie uprzemysłowionych obszarach oraz w otoczeniu hut miedzi i hut cynku.
Większe jednak zagrożenie od ołowiu stwarza kadm, ze względu na jego najwyższą toksyczność oraz łatwość przechodzenia do łańcucha pokarmowego roślin i zwierząt. Kadm przenika do gleb w wyniku nawożenia nawozami fosforowymi i osadami ściekowymi, a także z wodami odciekowymi z wysypisk odpadów. Jest aktywnie pochłaniany przez korzenie roślin i łatwo transportowany wewnątrz rośliny do wszystkich jej organów. Biorąc więc pod uwagę wysoką toksyczność tego metalu, stwarza duże zagrożenie dla zdrowia ludzi spożywających żywność uprawianą na zanieczyszczonych glebach. Największa akumulacja Cd zachodzi w ziarnach zbóż, sałacie, tytoniu, burakach, ziemniakach, marchwi, szpinaku i ogórkach.
Ciekła rtęć, jej pary i związki są silnie trujące. Metal ten bezpośrednio przenika do gleby w wyniku stosowania środków ochrony roślin, nawożenia osadami ściekowymi, a także z wodami odciekowymi z wysypisk odpadów. Rtęć nie akumuluje się w dużych ilościach w glebach, gdyż podlega ługowaniu i przemianom chemicznym, a formy metaliczne ulegają wyparowywaniu. Dlatego bardziej niż gleby, narażone na skażenie rtęcią są ekosystemy wodne.
Reasumując omawiane przeze mnie powyżej problemy, należy stwierdzić, że zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi to jedna z przyczyn ich silnej degradacji chemicznej. Początkowe zmniejszenie się plonów roślin uprawnych oraz aktywności biologicznej środowiska glebowego, z biegiem czasu przyczynia się do powiększenia obszarów rolniczo nieprodukcyjnych. Dlatego na glebach zanieczyszczonych należy wykonywać specjalne zabiegi po to, aby odtworzyć ich pierwotną zasobność, żyzność i urodzajność., a także ograniczyć negatywne skutki zdrowotne. Przykładami takich zabiegów rekultywacyjnych są min.: stosowanie intensywnego wapniowania zanieczyszczonych gleb oraz uprawa roślin zdolnych do pobierania z gleby metali ciężkich.
Literatura:
Cieśliński Z., Jaworowski P., Szczepańska E., 1994, Problemy ochrony i rekultywacji środowiska, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń.
Gleboznawstwo. Podręcznik dla studentów, 1999, red. S. Zawadzki, PWRiL, , Warszawa.
Juda-Rezler., 2000, Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na środowisko, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
Kozak D., Chmiel B., Niecko J., 2001, Ochrona środowiska. podręcznik do ćwiczeń terenowych - chemiczne aspekty ochrony środowiska, Warszawa.
Maciak F., 2003, Ochrona i rekultywacja środowiska, Wyd.SGGW, Warszawa.