Содержание страницы
1. Экологическая оценка агрохимических средств
Охрана природы – одна из важнейших задач сельского хозяйства. Агрономы, агрохимики, почвоведы, а в целом каждый работник сельского хозяйства является самым первым блюстителем порядка в природе, ее главным хранителем. Рациональное хозяйствование на земле – важнейшее условие ее процветания.
Нарушение научно обоснованной технологии применения удобрений является существенным источником их потерь и загрязнения окружающей среды. Интенсивное применение удобрений усиливает миграцию и потери кальция, магния, серы и других биогенных элементов.
Одним из недостатков минеральных удобрений является наличие в них балластных элементов (фтора, хлора, натрия), а также токсических тяжелых металлов (кадмия, свинца и др.), которые могут отрицательно влиять на свойства и плодородие почвы, урожай и его качество. Особую опасность представляют применяемые на удобрение отходы промышленности, осадки сточных вод (ОСВ), фосфогипс, а также сапропель и др., которые обычно применяют в высоких дозах. Они содержат значительное количество элементов загрязнителей.
Неправильное применение удобрений может ухудшить круговорот, баланс элементов питания, агрохимические свойства, плодородие почвы.
Нарушение оптимального питания растений макро- и микроэлементами приводит к различным заболеваниям растений, ухудшает фитосанитарное состояние почв и посевов.
Интенсивное использование средств химизации резко обострило проблемы охраны окружающей среды. Нарушение требований применения удобрений, в первую очередь азотных и бесподстилочного навоза, не только негативно воздействует на водоемы, водоисточники, растительность, но нередко приводит к повышенному содержанию в растениеводческой продукции соединений, вредных для человека и животных.
Грамотное применение удобрений повышает урожай сельскохозяйственных культур, улучшает баланс питательных элементов в земледелии, способствует расширенному воспроизводству плодородия почвы, замедляет, а иногда и прекращает эрозию почвы. По данным Института почвоведения и агрохимии, минеральные удобрения на 40–45 %
формируют продуктивность пахотных земель Беларуси. Однако эти достоинства минеральных удобрений проявляются только при условии их правильного изготовления, транспортировки, хранения, внесения в почву в нужных для растений сочетаниях и строго заданных количествах. Неравномерное внесение удобрений, неоправданно высокие их дозы снижают урожайность культур, ухудшают качество продукции, загрязняют окружающую среду.
При несбалансированном внесении минеральных удобрений снижается урожайность, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции, в ней накапливаются вредные для здоровья людей и животных вещества, возникают заболевания растений, растениеводческая продукция может стать причиной отравления людей и животных.
Неправильное применение удобрений ухудшает агрохимические свойства почв, снижает плодородие. Особенно значительны потери питательных элементов от эрозии, а также при поверхностном внесении удобрений.
В связи с негативными последствиями неправильного применения удобрений в качестве одного из возможных путей развития сельского хозяйства предлагается полный отказ от их использования – биологическое, или альтернативное, земледелие. В качестве удобрений сторонники биологического земледелия предлагают использовать растительные остатки, навоз, сидераты, различные органические отходы, широко практиковать возделывание бобовых трав, применять биологические методы защиты от болезней и вредителей.
Наибольшее распространение альтернативное земледелие получило в США, Швейцарии и Дании. Но и в этих странах его используют небольшое число ферм: в США – 0,9–1,3 %, в Швейцарии – 0,8, в Дании – 1,4 %. Как видим, альтернативное земледелие – не выход из положения, так как оно не может обеспечить человечество достаточным количеством продуктов питания. Однако в связи с возрастающей нагрузкой на окружающую среду при интенсивном применении средств химизации дальнейшее развитие комплексных агрохимических исследований с учетом экологизации и биологизации земледелия приобретает особую актуальность и значение.
Однако далеко не всегда продукция, выращенная при биологическом земледелии, более питательна и безопасна для здоровья. Так, в Швейцарии группа экспертов не смогла установить разницу в качестве овощей, выращенных при альтернативном земледелии и обычном, использующем минеральные удобрения и химические препараты.
В Германии общество потребителей в течение трех лет сравнивало продукты современного и альтернативного земледелия: яблоки, овощи (салат, морковь), картофель, хлеб. Определялись остаточные количества 45 ядохимикатов, 3 тяжелых металлов, нитратов и 13 веществ, имеющих питательную и вкусовую ценность. Установить какую-либо разницу в продуктах не удалось. Однако внешний вид биологических яблок был менее привлекателен, чем небиологических.
Больше всего химических средств (в расчете на единицу продукции) используется в Японии, где средняя продолжительность жизни самая высокая в мире.
Следует отметить, что продукция биологического земледелия значительно дороже, а отказ от минеральных удобрений приведет к катастрофическому сокращению производства продовольствия.
Применение химических средств в сельском хозяйстве – относительно небольшой источник загрязнения окружающей среды.
Огромный ущерб окружающей среде, в том числе сельскохозяйственным угодьям, наносит использование природных источников энергии (газа, нефти, угля), при сгорании которых в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ, мощное развитие транспорта. Ежегодно в мировом хозяйстве сжигается 2,4 млрд. т каменного угля и 0,9 млрд. т бурого, при этом рассеивается 280 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана. Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность Земли более 150 тыс. т меди, 120 тыс. т цинка, 90 тыс. т свинца, 12 тыс. т никеля. Радиус техногенного загрязнения металлами составляет от 2–3 км вокруг промышленных предприятий до 8–12 и даже 20–25 км вокруг крупных индустриальных комплексов.
При избыточном внесении удобрений, в первую очередь азотных, неправильном, несвоевременном их применении водоемы и грунтовые воды загрязняются нитратами, сульфатами, хлоридами и другими соединениями. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде водоемов представлены в табл. 1.
Повышение в водоемах концентрации питательных элементов вызывает эвтрофикацию водоемов.
Эвтрофикация – это обогащение вод питательными элементами, прежде всего азотом и фосфором, антропогенным или естественным путем. Наиболее нежелательное последствие эвтрофикации – чрезмерное развитие водорослей в водоемах – «цветение» и заболачивание из-за разрастания прибрежной флоры, что постепенно сокращает площадь водоема. Оптимальный рост водорослей происходит при концентрации фосфора 0,09–1,8 мг/л, нитратного азота – 0,9–3,5 мг/л, цветение воды – при повышении концентрации фосфора в ней 0,01 мг/л. Более низкие концентрации этих элементов ограничивают рост водорослей. Исследования показали, что за эвтрофикацию водоемов «ответственны» прежде всего азот и фосфор и фосфор в этом процессе более важен. Среди других веществ – органический углерод, микроэлементы и витамины. В то же время умеренная эвтрофикация повышает рыбную продуктивность водоемов.
Таблица 1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде водоемов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного использования, мг/л
| Вещества | Водоемы
хозяйственно-питьевые рыбохозяйственные |
|
| Бор | 0,5 | 0,1 |
| Медь | 1,0 | 0,004 |
| Молибден | 0,25 | 0,0012 к природному фону |
| Мышьяк | 0,05 | 0,05 |
| Нитраты | 45 | 40 |
| Нитриты | 3,3 | 0,08 |
| Сульфаты | 500 | 100 |
| Хлориды | 350 | 30 |
| Мочевина | 0,1 | 80 |
| Кадмий | 0,01 | – |
| Свинец | 0,1 | – |
| Ртуть | 0,001 | – |
| Селен | 0,01 | – |
Водоохранной зоной является территория, прилегающая к акваториям малых рек, на которой устанавливается специальный режим, предупреждающий загрязнение, засорение, истощение и заиление водоемов. В водоохранную зону могут включаться поймы рек, надпойменные террасы, бровки и крутые склоны берегов, а также балки и овраги, впадающие в речную долину.
Наименьшая ширина водоохранной зоны установлена в зависимости от среднемноголетнего уреза воды в летний период: для рек длиной до 50 км – 100 м; для рек длиной до 100 км – 200 м; для рек длиной свыше 100 км – 300 м. Для мелких рек и ручьев длиной до 10 км устанавливается водоохранная полоса шириной 15 м. В водоохранной зоне малых рек запрещается опыление сельскохозяйственных угодий пестицидами, размещение складов для хранения пестицидов и удобрений, в том числе навоза, ферм, животноводческих комплексов, взлетно-посадочных полос для сельскохозяйственной авиации.
Вместе с минеральными удобрениями в почву вносится фтор. Его содержат фосфорные и некоторые комплексные удобрения. С каждой тонной простого суперфосфата в почву попадает 6,2 кг фтора, двойного – 4 кг. В среднем на 10 единиц фосфора в почву вносится 1 единица фтора. Ежегодно в мире с фосфорными удобрениями в почву вносится около 3 млн. т фтора. Допустимое содержание фтора в почве – 3 мг/кг, при превышении этого уровня он накапливается в токсических количествах в кормах, а также мигрирует в грунтовые воды. Выдвигается гипотеза, что сильнее фтор накапливается в растениях, поступая из воздуха через надземные части.
Предельно допустимая концентрация фторида водорода – 0,02 мг/м3 воздуха. Сильное загрязнение фтором вблизи предприятий по производству фосфорных удобрений является причиной флюороза – хронического заболевания, выражающегося в изменении тканей зубов и других костных образований. Источниками загрязнения фтором являются также предприятия по производству стекла, алюминия, металлургические и кирпичные заводы.
Избыток фтора неблагоприятно действует на растения, угнетая ферменты, тормозя фотосинтез, процессы дыхания, рост. Больше всех накапливают фтор петрушка, щавель, лук. Суточная норма потребления фтора человеком – 3 мг.
Установлено, что если содержание фтора в воде больше 2 мг/л, у человека разрушается эмаль зубов, а если больше 8 мг/л, развивается остеосклероз или флюороз скелета. Повышенное содержание фтора в воде и кормах снижает продуктивность животных, угнетает их развитие, приводит к отравлению. Максимальное содержание фтора в дневном рационе кур составляет 150 мг/кг, коров – 30, свиней – 70 мг/кг.
С калийными удобрениями (калия хлорид, калийная соль и др.) в почву попадает хлор. В небольших количествах хлор необходим для нормального роста и развития растений. Суточная потребность в хлоре человека – 5–7 г. Большие его концентрации отрицательно влияют на урожай и качество картофеля, льна, гречихи, винограда и других культур.
2. Контроль за содержанием нитратов в растениеводческой продукции
Степень накопления нитратов в растениях зависит от особенностей сельскохозяйственных культур, условий минерального питания и почвенно-экологических факторов. Каждый из этих факторов может стать решающим в накоплении нитратов в растениях. Нитраты – непременный атрибут круговорота азота в растениях. Они были, есть и будут, даже если полностью отказаться от применения удобрений. Главное, чтобы содержание нитратов в воде, растениеводческой продукции, других продуктах питания не превышало допустимые пределы.
Сами нитраты нужно расценивать как полезные питательные вещества для человека. Польза и вред любых веществ зависит от дозы. Это справедливо по отношению к витаминам, минералам и другим важным нутриентам (биологически значимым элементам). С нитратами такая же ситуация.
Установлено, что нитраты из овощей и фруктов в организме человека распадаются до окиси азота (NО) и повышают ее содержание. Американский биохимик Р. Ферчготт открыл, что окись азота очень полезна для сосудов. Она поддерживает их эластичность и расслабляет, препятствует развитию артериальной гипертонии и атеросклероза, образованию тромбов. За это открытие в 1998 г. он получил Нобелевскую премию. Что интересно, нитраты превращаются в окись азота только в растительных продуктах.
Превращение нитратов в канцерогенные нитрозамины блокируют витамин С, полифенолы и другие антиоксиданты овощей, зелени и фруктов. В воде и мясе нитраты вредны, так как превращаются в желудке в канцерогенное вещество нитрозамин. В связи с этим многие ученые считают, что установленные ВОЗ ПДК нитратов в овощах и фруктах полезны, а не опасны, и ПДК следует увеличить.
Обычно накопление нитратов в растениях является следствием внесения чрезмерно высоких доз азотных удобрений, а также органических при определенных условиях: при нарушении углеводного обмена из-за нехватки калия, а также синтеза белковых соединений из аминокислот при дефиците фосфора и молибдена. На плодородных почвах растения накапливают много нитратов и без внесения удобрений. Исследования показали, что на долю азотных удобрений в числе всех факторов, влияющих на накопление нитратов, приходится 47 %.
Факторами внешней среды, оказывающими существенное влияние на накопление нитратов, являются свет, влажность, температура воздуха и почвы. Нормальная обеспеченность светом – одно из решающих условий ассимиляции нитратов в растениях и снижения их концентрации.
К числу регулируемых факторов, влияющих на накопление нитратов в растениях, относится обеспеченность растений фосфором, калием, микроэлементами.
На накопление нитратов влияют видовые и сортовые различия. Больше их накапливается у растений с незавершенным циклом развития, главным образом в частях (корни, стебли, черешки, жилки), транспортирующих питательные вещества. Много нитратов накапливают листовые овощные культуры (салат, укроп, петрушка, сельдерей, зеленый лук и др.), корнеплоды (свекла столовая, редис, редька и др.).
Мало накапливается нитратов в плодах яблони, груши, вишни, сливы и других культур семейства розоцветных, так как в их корнях нитраты восстанавливаются благодаря высокой активности фермента нитратредуктазы.
Сортовые различия в отношении накопления нитратов у редиса достигают 55 %, у томатов – 200–300, у свеклы – 200 %.
Распределение нитратов в растении имеет свою специфику. Внешние листья кочана капусты в 2 раза богаче нитратами, чем внутренние, еще больше их в кочерыге. У картофеля в кожуре и сердцевине нитратов содержится в 1,1–1,3 раза больше, чем в остальной части клубня. В огурцах содержание NO3 возрастает от верхушки плода к его основанию, причем в кожуре их больше, чем в мякоти.
При избыточном поступлении нитратов в организм человек заболевает метгемоглобинемией (синюшность). Эта болезнь развивается вследствие окисления двухвалентного железа Fе2+ в трехвалентное Fе3+. Образующиеся под действием нитратов метгемоглобин и нитрогемоглобин не могут доставлять кислород к тканям организма. У здорового человека содержание метгемоглобина в крови не превышает 2 %. Легкая форма этого заболевания наблюдается при содержании в крови 10–20 % метгемоглобина, средняя – 20–40, тяжелая – свыше 40 %. Замещение 20 % гемоглобина метгемоглобином и нитрогемоглобином вызывает отравление, сопровождающееся сильной гипоксией, т. е. кислородной недостаточностью. При 80%-ном замещении гемоглобина наступает смерть от удушья.
Смертельные случаи отравления нитратами отмечаются крайне редко. Они были зафиксированы в США, европейских и других странах в основном при употреблении воды с повышенным содержанием нитратов, реже – овощей (шпината, огурцов и т. д.).
Хотя заболевания метгемоглобинемией встречаются и редко, но длительное употребление воды, пищи и кормов, богатых нитратами, может вызывать болезни обмена веществ, опорно-двигательной и нервной системы, генеративных органов и генетические нарушения. Нитраты атакуют иммунную систему и наследственный аппарат, усиливают восприимчивость к заболеваниям.
Образованию нитрозаминов препятствует аскорбиновая кислота. Исследованиями было установлено, что при соотношении витамина С к нитратам 2:1 и более нитрозамины не образуются.
Основными источниками нитратов для человека является питьевая вода и овощные культуры (зеленные культуры, свекла, капуста и др.), причем более опасны тепличные овощи. В среднем на овощи приходится 70–80 % нитратов, питьевую воду – 10–15 %, а остальные (от 5 до 20 %) – на молоко, мясопродукты и соки. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) установила допустимый предел поступления нитратов в организм человека – 3,5 мг на 1 кг веса. Однако лучше, если дневной «паек» нитратов не будет превышать 120–140 мг.
Допустимые пределы содержания нитратов в продуктах питания в различных странах далеко не одинаковы в силу различных факторов (климатических условий, особенностей питания и др.). Предельно допустимые концентрации нитратов в овощах, фруктах, картофеле приведены в табл. 2.
Таблица 2. Предельно допустимые концентрации нитратов в картофеле, овощах и фруктах, мг/кг сырого продукта
| Виды продукции | Для открытого грунта | Для защищенного грунта |
| Картофель | 250 | – |
| Морковь ранняя | 400 | – |
| Морковь поздняя | 250 | – |
| Капуста поздняя | 500 | – |
| Капуста белокачанная ранняя | 900 | |
| Кабачки | 400 | – |
| Лук-перо | 600 | 800 |
| Лук-репка | 80 | – |
| Томаты | 150 | 300 |
| Огурцы | 150 | 400 |
| Листовые овощи (салат, щавель, укроп,
петрушка, шпинат и др.) |
2000 | 3500 |
| Свекла столовая | 1400 | – |
| Яблоки, груши, арбузы | 60 | – |
| Салат латук свежий | – | 3500 (с 1 апреля по
30 сентября) |
| Салат латук свежий | – | 4500 (с 1 октября по
31 марта) |
| Дыни | 90 | – |
| Салат латук айсбергового типа | – | 2000 |
Предельно допустимая концентрация нитратов для воды и молока – 45 мг/л. Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) установлена ПДК нитратного азота в питьевой воде для умеренных широт 22 мг/л, для тропиков 10 мг/л. Установлены также ограничения содержания нитратов в кормах для животных. Предельно допустимое содержание нитратов в силосе и сенаже, комбикормах, картофеле, зеленых кормах и зернофураже – 500 мг, сене – 1000, травяной муке – 2000, кормовой свекле – 1500 мг в 1 кг сырого продукта.
Содержание нитратов в растениеводческой продукции можно снизить различными приемами. Под все сельскохозяйственные культуры разработаны предельно допустимые дозы азотных удобрений, гарантирующие получение «чистой» продукции и исключающие загрязнение окружающей среды (см. табл. 3). Эти дозы были приведены при рассмотрении азотных удобрений. Экологически безопаснее медленнодействующие азотные удобрения, производство которых налаживается на ОАО «Гродно Азот». Во влажные холодные годы с большим количеством осадков дозы азота должны уменьшаться. Способствуют также снижению накопления нитратов в растениях ингибиторы нитрификации.
Локальное внесение аммонийных и амидных удобрений в некоторых случаях уменьшает содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции, что объясняется замедлением нитрификации в ленте удобрений. Однако локальное внесение удобрений и ингибиторы нитрификации не гарантируют получения продукции с низким содержанием нитратов, так как в разных почвенно-экологических условиях степень замедления нитрификации в почве различна.
Существенное влияние на накопление нитратов оказывают сортовые особенности сельскохозяйственных культур. В связи с этим значительно снизить содержание нитратов в овощных и других сельскохозяйственных культурах можно подбором сортов, накапливающих меньше нитратов.
3. Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду и способы снижения их накопления в растениеводческой продукции
Из большого количества разнообразных веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы (ТМ). Почему агрохимики изучают поведение их в окружающей среде? С одной стороны, это связано с тем, что тяжелые металлы содержатся в органических и минеральных удобрениях. Особую опасность представляет внесение бесподстилочного навоза в высоких дозах, что имеет место около животноводческих комплексов, внесение осадка сточных вод и т. д. С другой стороны, с помощью удобрений и известкования снижают поступление тяжелых металлов в растения.
К тяжелым металлам относятся свыше 40 элементов, плотность которых больше 6 г/см3, а атомная масса превышает 40 атомных единиц. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более 10 элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы. Среди них выделяют ртуть, кадмий, свинец, медь, ванадий, олово, цинк, молибден, никель. Три элемента (ртуть, кадмий, свинец) считаются наиболее опасными.
Главный источник атмосферного загрязнения – это тепловые электростанции (на их долю приходится 27 % всех выбросов в атмосферу) и предприятия по добыче и изготовлению строительных материалов (8,1 %). От 10 до 30 % поступивших в атмосферу тяжелых металлов оседает в радиусе 10 км от промышленного предприятия. В Беларуси в атмосферу ежегодно выбрасывается 400 т никеля, 290 т мышьяка, 230 т урана, 174 т кобальта, 58 т свинца.
Тяжелые металлы в окружающей среде играют двойную роль. Они являются неотъемлемым компонентом нормальных физиологических процессов, но в то же время токсичны при повышенных концентрациях, приводят к нарушению метаболизма и функционирования живых организмов на любой стадии онтогенеза. Во многих случаях эти нарушения являются необратимыми и смертельными. В токсичных концентрациях ТМ проявляют канцерогенные свойства, отрицательно воздействуют на генетическую мембранную, ферментно-белковую систему клетки, вызывают нарушение концентраций веществ, необходимых для энергетического метаболизма, изменяют активность ферментов, уровень содержания в клетках кальция и магния, необходимых для нормального функционирования организма.
Тяжелые металлы вызывают сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии, обладают эмбриотрогенным и канцерогенным действием, т. е. способствуют возникновению онкологических заболеваний.
Однако не все тяжелые металлы в одинаковой мере токсичны. В эту группу входят медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, получившие название микроэлементы, имеющие важное биологическое значение в жизни теплокровных, растений и микроорганизмов.
Поэтому справедливо использовать понятие тяжелые металлы, когда речь идет об опасных для живых организмов концентрациях элемента.
Тяжелые металлы способны оказывать токсическое воздействие и на растения, которое может быть прямым и косвенным. Косвенное воздействие – это ухудшение свойств почвы, снижение плодородия, угнетение почвенной биоты, в результате чего ухудшается качество растительной продукции. Прямое влияние состоит в накоплении ТМ в растениях, что приводит к их отравлению. Наиболее общие симптомы фитотоксичности, характерные для большинства растений, – это угнетение роста, изменение окраски, хлороз, патология цветков, изменение формы листьев.
Рассмотрим действие на живые организмы тяжелых металлов.
Медь – биоэлемент, являющийся постоянным компонентом почв, растений. Медь имеется в тканях животных и участвует в метаболических процессах. Основная функция меди в организме человека и животных – участие в кроветворении и белковом обмене. Ю. В. Алексеев отмечает, что при недостаточности содержания меди у растений наблюдается задержка роста, хлороз листьев и потеря тургора, уменьшение урожая. Медь усиливает процесс фотосинтеза, углеводный обмен, образование витаминов В и Р, повышает устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды. Как указывает Ю. В. Алексеев, медь из почвы в растения мигрирует слабо. Активно поглощают ее картофель, морковь, гречиха. Обычно содержание меди в растениеводческой продукции составляет 1–10 мг/кг, но при применении медьсодержащих удобрений возрастает в 2–4 раза. По данным Р. Б. Сливинской, фитотоксичность меди выше, чем цинка, что особенно выражено на легких почвах.
Согласно М. Г. Опекуновой, существует антагонизм в накоплении меди и марганца в корнях и надземных растительных органах. В токсичных концентрациях медь ингибирует активность ферментов: щелочной фосфатазы, каталазы, оксидазы и рибонуклеазы. Соли меди в больших концентрациях оказывают на животные ткани прожигающее действие вследствие свертывания ими белков, а также нарушения проницаемости биомембран, что вызывает нарушение работы регуляторной системы клетки. Установлена связь между частотой болезней органов дыхания и валовыми выбросами сульфата меди.
Среднее содержание подвижной меди в почвах пашни Беларуси невелико и составляет 1,73 мг/кг, улучшенных сенокосных и пастбищных земель – 3,32 мг/кг. В целом по республике 50,9 % пахотных и 40,9 % сенокосных и пастбищных земель имеют очень низкую обеспеченность медью (менее 1,5 мг/кг) и остро нуждаются в применении медьсодержащих удобрений. На почвах с избыточным содержанием меди 1,5 % пахотных земель и 4,7 % улучшенных сенокосов использование любых форм удобрений, содержащих медь, должно быть исключено. В Беларуси 260,3 га сельскохозяйственных земель загрязнены медью (табл. 3).
Таблица 3. Сельскохозяйственные земли Беларуси, загрязненные медью, тыс. га (И. М. Богдевич и др.)
| Области | Всего загрязнено | В том числе по содержанию Сu, мг/кг | |||
| 5,1–7,0 | 7,1–15,0 | 15,1–30,0 | Более 30 | ||
| Брестская | 85,2 | 59,8 | 25,3 | 0,1 | – |
| Витебская | 15,9 | 11,7 | 3,9 | 0,2 | 0,1 |
| Гомельская | 60,8 | 38,3 | 20,1 | 2,4 | – |
| Гродненская | 43,9 | 26,3 | 16,0 | 1,4 | 0,2 |
| Минская | 37,0 | 22,6 | 13,3 | 1,1 | – |
| Могилевская | 17,5 | 10,4 | 7,1 | – | – |
| Всего по Беларуси | 260,3 | 169,1 | 85,7 | 5,2 | 0,3 |
Цинк в работах многих исследователей характеризуется как элемент, имеющий большое биологическое значение, и как участник многих биологических циклов, входящий в состав 80 ферментов. В растительных клетках цинк центрируется в ядре и митохондриях, накапливается в листьях, репродуктивных органах. В работе Ю. В. Алексеева показано, что цинк интенсивнее накапливается в злаках, чем в бобовых культурах. Считают, что динамика содержания цинка различна у разных растений. Цинк влияет на синтез белков и ауксинов, интенсифицирует процесс фотосинтеза. При недостатке цинка в растительных организмах наблюдается нарушение работы окислительных ферментов, углеводного и белкового обмена, уменьшение образования хлорофилла, витаминов С, Р и группы В. Симптомами недостаточности цинка являются хлороз и задержка роста.
В работах ряда исследователей указывается на слабую токсичность цинка для растений. Токсичные концентрации цинка вызывают ослабление роста и хлороз, снижают урожай зерновых, картофеля и свеклы. Многие растения обладают устойчивостью к избытку цинка в среде. В работе Е. И. Гончарук показано, что растения семейства крестоцветных и гвоздичных обладают способностью концентрировать цинк. Как отмечает К. Рейли, токсичные дозы цинка действуют негативно на желудочно-кишечный тракт человека, вызывают патологические изменения, связанные с дефицитом кальция.
С избыточным содержанием цинка выявлено в Беларуси 179 тыс. га сельскохозяйственных земель, в том числе в опасной степени загрязнено элементом (более 16 мг/кг почвы) 39 тыс. га, или 0,5 %, главным образом в Гомельской, Минской и Могилевской областях. Наряду с загрязненными цинком в Беларуси большая часть сельскохозяйственных земель (68,4 % пахотных и 56,6 % улучшенных сенокосов и пастбищ) слабо обеспечены цинком (содержание Zn менее 3,0 мг/кг почвы) (табл. 4).
Таблица 4. Сельскохозяйственные земли Беларуси, загрязненные цинком, тыс. га
| Области | Всего загрязнено | В том числе по содержанию Zn, мг/кг | |||
| 10,1–16,0 | 16,1–30,0 | 30,1–50,0 | Более 50 | ||
| Брестская | 35,1 | 34,4 | 0,7 | – | – |
| Витебская | 3,5 | 2,9 | 0,5 | 0,1 | – |
| Гомельская | 44,9 | 33,9 | 10,4 | 1,3 | 0,2 |
| Гродненская | 24,4 | 20,0 | 4,0 | 0,4 | – |
| Минская | 45,5 | 34,9 | 8,9 | 1,2 | 0,5 |
| Могилевская | 25,9 | 14,8 | 10,9 | 0,2 | – |
| Всего по Беларуси | 179,3 | 140,0 | 35,4 | 3,2 | 0,7 |
Содержание кадмия в почвах Беларуси находится на уровне фона. Превышение фона до 2,5 раз отмечено локально на расстоянии до 3– 5 км от крупных городов и достигает 1,0–1,2 мг почвы при ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) по содержанию валового кадмия в дерново-подзолистых суглинистых почвах более 0,6 мг, супесчаных более 0,4 мг и песчаных более 0,3 мг/кг.
Площадь почв в Беларуси от всех источников загрязнения свинцом в настоящее время ориентировочно оценивается в 100 тыс. га, кадмия – 45 тыс. га.
Кадмий – токсичный, тератогенный, канцерогенный тяжелый металл. Он негативно влияет на рост и развитие растений. Высокая токсичность кадмия объясняется его антагонизмом по отношению к цинку, т. е. кадмий способен замещать цинк в некоторых биохимических процессах и нарушать работу ферментов, связанных с дыханием, белковым обменом и другими физиологическими процессами.
Как отмечает в своей работе Л. М. Кузнецова, при содержании кадмия в почве более 5мг/кг наблюдается снижение урожая. По данным A. Kлоке, H. Schenke, загрязненные растения могут содержать более 400 мг/кг кадмия. Кадмий снижает количество каротина и хлорофилла в растениях. У человека избыток кадмия вызывает анемию, все формы рака.
Свинец при повышенных концентрациях является опасным токсикантом глобального значения. Биологическая роль свинца довольно мало установлена. Он входит в состав некоторых биологически активных соединений. Токсичность свинца невысока вследствие малой растворимости его соединений и наличие в растениях системы инактивации данного элемента. Основная часть свинца депонируется в корнях, и только 1–2 % переходят в надземные органы. При высокой концентрации в почве свинец угнетает ростовые процессы растений, вызывает нарушения в пигментных комплексах и уменьшает содержание хлорофилла в тканях, витамина и провитамина А. При свинцовых отравлениях человека наблюдается поражение центральной нервной системы, желудочно-кишечного тракта, половой системы человека и животных. Летальная доза свинца для человека – 100 мг/кг.
Тяжелые металлы в минеральных удобрениях являются естественными примесями, содержащимися в агрорудах. Поэтому количество их в минеральных удобрениях зависит от исходного сырья и технологии переработки. Из химических элементов, содержащихся в фосфорных удобрениях, наиболее опасен кадмий, который является составной частью фосфорной руды. В зависимости от геологического происхождения и географического распространения фосфатные руды содержат разное количество кадмия, который переходит в удобрения, изготавливаемые из концентратов этих руд. В фосфатном сырье из России, которое используется в Республике Беларусь, содержание кадмия минимально, оно значительно ниже, чем в фосфоритах Марокко, США и тем более в фосфатном сырье из Сенегала (табл. 5).
Таблица 5. Среднее содержание кадмия в фосфатном сырье разных стран
| Страны | Р2О5, мг/кг | Cd, мг/кг |
| США | 32,5 | 8 |
| Марокко | 31,7 | 22 |
| Россия | 39,4 | 1 |
| Сенегал | 33,0 | 75 |
| Южная Африка | 36,5 | 3 |
| Сирия | 30,6 | 8 |
Содержание примесей в фосфорсодержащих удобрениях, производимых в странах СНГ, приведено в табл. 6.
Таблица 6. Содержание примесей в фосфорсодержащих удобрениях, мг/кг (В. Г. Минеев и др.)
| Завод, производящий
удобрения |
Mn | Fe | Ni | Co | Cu | Zn | Pb | Cd |
| Аммофос | ||||||||
| Воскресенский | 250 | 3000 | 5,0 | 8,0 | 9,0 | 13,0 | 5,0 | 0,06 |
| Кингисеппский | 150 | 2500 | 7,5 | 9,8 | 28,0 | 38,0 | 5,5 | 0,65 |
| Уваровский | 250 | 5500 | 5,0 | 12,5 | 46,0 | 90,0 | 5,0 | 1,0 |
| Череповецкий | 204 | 5200 | 13,7 | 12,5 | 75,0 | 135,0 | 5,0 | 1,3 |
| Нитроаммофоска | ||||||||
| Череповецкий | 105 | 2500 | 11,0 | 10,0 | 15,0 | 36,0 | 10,0 | 0,1 |
| Нововоскресенский | 102 | 900 | 1,6 | 7,5 | 4,0 | 6,0 | 7,5 | 0,03 |
Минимальное содержание кадмия отмечено в аммофосе, произведенном Воскресенским заводом, а максимальное – Череповецким. Однако оно во всех удобрениях незначительно и не представляет опасности с точки зрения загрязнения окружающей среды.
Исследования по определению валового содержания тяжелых металлов в минеральных, органических и известковых удобрениях показали, что в аммонийной селитре в незначительных количествах содержится кадмий, медь, в несколько больших – цинк и свинец (табл. 7).
Таблица 7. Содержание тяжелых металлов в удобрениях и извести, г/т (Н. А. Черных, В. Ф. Ладонин)
| Удобрения | Cd | Pb | Zn | Cu | Ni |
| Двойной суперфосфат | 3,70 | 39,0 | 48,0 | 14,4 | 29,0 |
| Фосфоритная мука | 5,40 | 16,0 | 183,0 | 27,0 | – |
| Хлористый калий | 3,90 | 14,0 | 11,0 | 3,6 | 21,0 |
| Мочевина | – | 1,3 | 6,0 | 0,8 | – |
| Аммонийная селитра | 0,20 | 18,0 | 7,1 | 1,0 | 8,0 |
| Известковая мука | 0,18 | 28,0 | 22,0 | 6,3 | 24,0 |
| Навоз | 0,20 | 4,0 | 112,0 | 22,0 | 7,2 |
Более высокое содержание кадмия в фосфорных удобрениях и хлористом калии, цинка – в навозе. Потенциальными загрязнителями окружающей среды считаются удобрения, содержащие более 8 мг/кг кадмия. Кадмий в фосфорных удобрениях, которые производятся в странах СНГ, содержится в незначительных количествах и не представляет опасности для окружающей среды.
Высокая концентрация кадмия отмечена в суперфосфате, произведенном в США (50–100 мг/кг). Среднее содержание тяжелых металлов в минеральных удобрениях приведено в табл. 8.
Таблица 8. Среднее содержание тяжелых металлов в минеральных удобрениях, г/т д. в. (В. Г. Минеев и др.)
| Удобрения | Cu | Zn | Cd | Pb | Ni | Cr |
| Азотные | 51 | 63 | 1,23 | 21 | 6,8 | 0,38 |
| Фосфорные | 122 | 164 | 3,6 | 34 | 92 | 121 |
| Калийные | 0,4 | 20 | 1,05 | 28 | 9,1 | 0,89 |
| Все минеральные | 59 | 77 | 1,62 | 26 | 30 | 33 |
Как показали исследования ВИУА, кафедры агрохимии БГСХА, Института почвоведения и агрохимии НАН Республики Беларусь, других научно-исследовательских учреждений, количество ТМ, поступающих в почву с минеральными и органическими удобрениями, заметно не меняет природных уровней содержания тяжелых металлов в почвах и не представляет опасности с точки зрения загрязнения ими. Экологически опасными могут быть фосфорные удобрения, полученные из сырья африканских стран (Марокко, Сенегал и др.), а также из фосфоритов США.
Серьезного внимания заслуживают сточные воды, компосты из твердых бытовых отходов, отличающиеся повышенным содержанием ТМ. Так, в осадках сточных вод г. Могилева содержалось (в мг/кг сухого вещества): цинка – 300–1400, меди – 89–309, хрома – 142–264, никеля – 89–100, марганца – 640–961, свинца – 14–71, кобальта – 80–114, кадмия – 5–9. Присутствие ТМ в осадках сточных вод является главным препятствием их широкого использования в качестве удобрений.
Опасным загрязнителем тяжелыми металлами являются такие отходы промышленности, как фосфорогипс и пиритные огарки. Фосфорогипс на 1 кг содержит 42 мг Pb, 67,0 мг Zn, 49 мг Cu, 5 мг Cd, 9 мг Ni, 69 мг Cr, 130 мг As и 17 мг Hg. Пиритные огарки на 1 кг содержат 4500 мг Pb, 10000 мг Zn, 4000 мг Cu и 1500 мг As.
Загрязнение тяжелыми металлами, как показали исследования Института почвоведения и агрохимии НАН Республики Беларусь, обычно наблюдается вокруг крупных промышленных городов республики, а в радиусе 1–2 км от них оно значительно превышает фоновое. Повышено содержание тяжелых металлов также в почвах хозяйств, использующих осадок городских сточных вод в качестве удобрения, вокруг взлетно-посадочных полос сельскохозяйственной авиации, в почве придорожных полос.
В настоящее время проводится обследование почв республики на содержание свинца, кобальта, цинка и меди. Почвенные образцы будут отбираться на сельскохозяйственных угодьях с содержанием Р2О5 более 490 мг/кг почвы, вокруг промышленных центров и отдельно расположенных крупных предприятий, у животноводческих комплексов, в почве придорожных полос и на всех полях, где используются удобрения, приготовленные на основе осадков сточных вод и других промышленных отходов. В Республике Беларусь для оценки опасности загрязнения почв тяжелыми металлами и избыточного накопления их в растениеводческой продукции разработаны градации ориентировочно допустимых концентраций их в почвах.
Установить пределы безопасного содержания того или иного элемента в почве сложно. Уровень токсичности элементов зависит от гранулометрического состава почвы, ее кислотности, содержания гумуса, вида растений и т. д. Если культура снижает урожайность из-за присутствия в почве того или иного элемента на 5–10 %, то уровень его содержания в почве считается токсичным.
В ряде случаев на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, урожайность зерновых снижалась на 20–30 %, сахарной свеклы – на 35, бобовых – на 40, картофеля – на 47 %. По данным Н. А. Черных, В. Ф. Ладонина, гибель зерновых культур наблюдается при содержании кадмия 20 мг/кг, цинка – 500, свинца – 500, меди – 350 мг/кг почвы.
Для оценки уровня загрязнения почв и возможности выращивания на них сельскохозяйственной продукции используют значения предельно допустимых уровней (ПДУ) тяжелых металлов (табл. 9).
Предельно допустимые уровни (ПДУ) в дерново-подзолистых почвах зависят от рНKCl и гранулометрического состава почв. При рНKCl более 5,5 ПДУ подвижных форм для меди составляет на глинистых и суглинистых почвах 15,0 мг/кг, для песчаных – 10,0 мг/кг, а для цинка – 18 и 14 мг/кг соответственно.
Таблица 9. Предельно-допустимые уровни (ПДУ) цинка и меди в дерново-подзолистых почвах, мг/кг почвы
| Группировка почв
по содержанию тяжелых металлов |
Глинистые и суглинистые | Супесчаные | Песчаные |
| Валовое содержание | |||
| Цинк | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 80,0 | 60,0 | 50,0 |
| рН < 5,5 | 60,0 | 50,0 | 40,0 |
| Медь | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 100,0 | 70,0 | 60,0 |
| рН < 5,5 | 80,0 | 60,0 | 50,0 |
| Подвижные формы (экстрагент 1 М HCl) | |||
| Цинк | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 18,0 | 16,0 | 14,0 |
| рН < 5,5 | 15,0 | 14,0 | 12,0 |
| Медь | |||
| ПДУ рН > 5,5 | 15,0 | 12,0 | 10,0 |
| рН < 5,5 | 12,0 | 10,0 | 8,0 |
Очень важно не подвергать людей риску заболеть от превышения содержания тяжелых металлов в продуктах питания. По данным ВОЗ, предельно допустимые поступления с продуктами питания свинца – 3 мг в неделю, кадмия – 0,4, ртути – 0,3 мг. Обычно эти нормы не превышаются. Предельно допустимые концентрации некоторых тяжелых металлов в продуктах питания приведены в табл. 10.
Снизить поступление тяжелых металлов в растения можно с помощью таких агротехнических приемов, как известкование, внесение органических и минеральных удобрений, применение природных цеолитов.
Для получения продукции растениеводства, отвечающей гигиеническим требованиям к качеству и безопасности продовольственного сырья, пищевых продуктов и кормов по содержанию тяжелых металлов, необходимо на сельскохозяйственных землях, загрязненных тяжелыми металлами, осуществлять комплекс мероприятий организационного и технологического характера, основными из которых являются: подбор культур, менее всего накапливающих тяжелые металлы; замена культур, аккумулирующих значительное количество тяжелых металлов, на культуры с меньшей интенсивностью поглощения этих элементов, способствующих снижению накопления их в растениеводческой продукции в 2–3 раза.
Известкование способствует снижению накопления тяжелых металлов в 1,4–2,1 раза. Для известкования целесообразно использовать как традиционные мелиоранты (доломитовую муку), так и кальцийсодержащие отходы (дефекат сахарных заводов), карбонатный сапропель и т. д. Увеличение гумусированности почв путем применения органических удобрений позволяет снизить поступление в растениеводческую продукцию цинка и меди в 1,7 и 1,4 раза соответственно. В качестве органических удобрений можно использовать навоз, компосты на его основе, измельченную солому. Максимальный результат дает внесение на произвесткованную почву навоза или компостов на его основе.
Таблица 10. Гигиенические нормативы качества и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов по содержанию тяжелых металлов, мг/кг (постановление Минздрава Республики Беларусь от 21 июня 2013 г. № 52)
| Продукты питания | Свинец | Мышьяк | Кадмий | Ртуть | Медь* | Цинк* |
| Зерно продовольственное (пшеница, рожь, тритикале, овес, ячмень, просо, гречиха, рис, кукуруза, сорго) | 0,5 | 0,2 | 0,10 | 0,03 | 10,0
15,0 (гречиха) |
50,0 |
| Семена зернобобовых (горох, фасоль, маш, чина, чечевица, нут, соя) | 0,5 | 0,3 | 0,10 | 0,02 | 10,0 | 50,0 |
| Крупа, толокно, хлопья | 0,5 | 0,2 | 0,10 | 0,03 | 10,0
15,0 (гречиха) |
50,0 |
| Мука всех видов, в т. ч. для макаронных изделий | 0,5
1,0 (соевая) |
0,2
0,2 (соевая) |
0,1
0,1 (соевая) |
0,03
0,02 (соевая) |
15,0
10,0 (гречиха) |
30,0
50,0 (соевая) |
| Хлеб, булочные и сдобные изделия | 0,35 | 0,15 | 0,07 | 0,015 | 5,0 | 25,0 |
| Свежие и свежемороженные овощи, картофель, бахчевые, фрукты, ягоды, грибы | 0,5
0,4 (ягоды, фрукты) |
0,2
0,5 (грибы) |
0,03
0,1 (грибы) |
0,02
0,05 (грибы) |
5,0
10,0 (грибы) |
10,0
20,0 (грибы) |
*СанПиН 11-63 РБ 98. – Минск, 2000.
При сильном загрязнении почвы наиболее радикальным средством является снятие верхнего слоя почвы и замена его «чистой» почвой.
