Загрязнение почвы , загрязнение почвы или загрязнение земли как часть деградации земли вызвано присутствием ксенобиотических (антропогенных) химикатов или другими изменениями в естественной почвенной среде. Обычно это вызвано промышленной деятельностью, сельскохозяйственными химикатами или неправильной утилизацией отходов . Наиболее распространенными химическими веществами являются нефтяные углеводороды , полициклические ароматические углеводороды (такие как нафталин и бензо(а)пирен ), растворители , пестициды, свинец и другие тяжелые металлы . [1] Загрязнение коррелирует со степенью индустриализации и интенсивностью химического вещества. Обеспокоенность по поводу загрязнения почвы в первую очередь связана с рисками для здоровья, прямым контактом с загрязненной почвой, парами загрязняющих веществ или вторичным загрязнением водных ресурсов внутри и под почвой. [2] Картографирование загрязненных участков почвы и последующая очистка являются трудоемкими и дорогостоящими задачами, требующими знаний в области геологии , гидрологии , химии , компьютерного моделирования и ГИС в области загрязнения окружающей среды , а также понимания истории промышленной химии. [3]
В Северной Америке и Западной Европе масштабы загрязненных земель известны лучше всего, и многие страны в этих регионах имеют правовую базу для выявления и решения этой экологической проблемы. Развивающиеся страны, как правило, менее жестко регулируются, несмотря на то, что некоторые из них прошли значительную индустриализацию .
Загрязнение почвы может быть вызвано следующими причинами (список неполный):
Наиболее распространенными химическими веществами являются нефтяные углеводороды , растворители , пестициды, свинец и другие тяжелые металлы .
Любая деятельность, которая приводит к другим формам деградации почвы ( эрозия , уплотнение и т. д.), может косвенно ухудшить последствия загрязнения, поскольку восстановление почвы становится более трудоемким.
Историческое отложение угольной золы, используемой для бытового, коммерческого и промышленного отопления, а также для промышленных процессов, таких как плавка руды , было распространенным источником загрязнения в районах, которые были индустриализированы примерно до 1960 года. Уголь естественным образом концентрирует свинец и цинк во время своего образования, а также другие тяжелые металлы в меньшей степени. Когда уголь сжигается, большинство этих металлов концентрируются в золе (главным исключением является ртуть). Угольная зола и шлак могут содержать достаточно свинца, чтобы квалифицироваться как «характерные опасные отходы », определяемые в США как содержащие более 5 мг/л извлекаемого свинца с использованием процедуры TCLP . Помимо свинца, угольная зола обычно содержит переменные, но значительные концентрации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ; например, бензо(а)антрацен, бензо(b)флуорантен, бензо(k)флуорантен, бензо(а)пирен, индено(cd)пирен, фенантрен, антрацен и другие). Эти ПАУ являются известными канцерогенами для человека , и их допустимые концентрации в почве обычно составляют около 1 мг/кг. Угольную золу и шлак можно распознать по наличию не совсем белых зерен в почве, серой неоднородной почве или (угольный шлак) пузырчатых, везикулярных зерен размером с гальку.
Очищенный ил сточных вод , известный в отрасли как биотвердые вещества , стал предметом споров как « удобрение ». Поскольку он является побочным продуктом очистки сточных вод, он обычно содержит больше загрязняющих веществ, таких как организмы, пестициды и тяжелые металлы, чем другая почва. [4]
В Европейском союзе Директива по очистке городских сточных вод разрешает распылять канализационный ил на землю. Ожидается, что объем удвоится до 185 000 тонн сухих твердых веществ в 2005 году. Это имеет хорошие сельскохозяйственные свойства из-за высокого содержания азота и фосфата . В 1990/1991 годах 13% влажного веса распылялось на 0,13% земли; однако ожидается, что к 2005 году это количество увеличится в 15 раз. [ требуется обновление ] Сторонники [ кто? ] говорят, что необходимо контролировать это, чтобы патогенные микроорганизмы не попадали в водотоки и чтобы гарантировать отсутствие накопления тяжелых металлов в верхнем слое почвы. [5]
Пестицид — это вещество , используемое для уничтожения вредителя. Пестицид может быть химическим веществом, биологическим агентом (таким как вирус или бактерия), антимикробным, дезинфицирующим средством или устройством, используемым против любого вредителя. К вредителям относятся насекомые, патогены растений, сорняки, моллюски, птицы, млекопитающие, рыбы, нематоды (круглые черви) и микробы, которые конкурируют с людьми за еду, уничтожают имущество, распространяют или являются переносчиками болезней или вызывают неприятности. Хотя использование пестицидов имеет свои преимущества, есть и недостатки, такие как потенциальная токсичность для людей и других организмов. [6] [7]
Гербициды используются для уничтожения сорняков, особенно на тротуарах и железных дорогах. Они похожи на ауксины, и большинство из них биоразлагаемы почвенными бактериями. Однако одна группа, полученная из тринитротолуола (2:4 D и 2:4:5 T), имеет примесь диоксина, которая очень токсична и приводит к летальному исходу даже в низких концентрациях. Другой гербицид — паракват . Он очень токсичен, но быстро разлагается в почве из-за действия бактерий и не убивает почвенную фауну. [8]
Инсектициды используются для избавления ферм от вредителей, которые повреждают урожай. Насекомые повреждают не только урожай на корню, но и хранящийся, а в тропиках считается, что треть всего урожая теряется во время хранения продуктов. Как и в случае с фунгицидами , первые инсектициды, использовавшиеся в девятнадцатом веке, были неорганическими, например, парижская зелень и другие соединения мышьяка . Никотин также использовался с 1690 года. [9]
В настоящее время существует две основные группы синтетических инсектицидов:
1. Хлорорганические соединения включают ДДТ , альдрин , дильдрин и БХК. Они дешевы в производстве, эффективны и стойки. ДДТ использовался в больших масштабах с 1930-х годов, пик в 72 000 тонн пришелся на 1970 год. Затем его использование снизилось, поскольку были осознаны его вредные воздействия на окружающую среду . Он был обнаружен во всем мире у рыб и птиц и даже был обнаружен в снегу в Антарктике . Он слабо растворим в воде, но хорошо растворим в кровотоке. Он влияет на нервную и эндокринную системы и вызывает недостаток кальция в яичной скорлупе птиц, из-за чего они становятся легко ломающимися. Считается, что он ответственен за снижение численности хищных птиц, таких как скопы и сапсаны, в 1950-х годах — сейчас они восстанавливаются. [10] Помимо увеличения концентрации через пищевую цепь, известно, что он проникает через проницаемые мембраны, поэтому рыбы получают его через жабры. Поскольку он имеет низкую растворимость в воде, он имеет тенденцию оставаться на поверхности воды, поэтому организмы, которые там живут, страдают больше всего. ДДТ, обнаруженный в рыбе, которая является частью пищевой цепи человека, вызвал беспокойство, но уровни, обнаруженные в тканях печени, почек и мозга, были менее 1 ppm, а в жире - 10 ppm, что ниже уровня, который может причинить вред. Однако ДДТ был запрещен в Великобритании и Соединенных Штатах, чтобы остановить его дальнейшее накопление в пищевой цепи. Американские производители продолжали продавать ДДТ развивающимся странам, которые не могли позволить себе дорогостоящие заменяющие химикаты и у которых не было таких строгих правил, регулирующих использование пестицидов. [11]
2. Органофосфаты , например , паратион , метилпаратион и около 40 других инсектицидов доступны на национальном уровне. Паратион очень токсичен, метилпаратион менее токсичен, а малатион , как правило, считается безопасным, поскольку он малотоксичен и быстро расщепляется в печени млекопитающих. Эта группа работает, предотвращая нормальную нервную передачу, поскольку холинэстераза не может расщепить вещество-трансмиттер ацетилхолин, что приводит к неконтролируемым мышечным движениям. [12]
Утилизация боеприпасов и отсутствие заботы при производстве боеприпасов, вызванное срочностью производства, могут загрязнять почву на длительные периоды. Существует мало опубликованных свидетельств этого типа загрязнения, в основном из-за ограничений, наложенных правительствами многих стран на публикацию материалов, связанных с военными действиями. Однако горчичный газ, хранившийся во время Второй мировой войны, загрязнял некоторые участки до 50 лет [13] , а испытания сибирской язвы как потенциального биологического оружия загрязнили весь остров Грюнард . [14]
Загрязненная или загрязненная почва напрямую влияет на здоровье человека через прямой контакт с почвой или через вдыхание испаряющихся загрязняющих веществ почвы; потенциально большую угрозу представляет инфильтрация загрязнения почвы в водоносные горизонты грунтовых вод , используемые для потребления человеком, иногда в районах, которые, по-видимому, далеки от любого очевидного источника надземного загрязнения. Токсичные металлы также могут проникать вверх по пищевой цепочке через растения, которые находятся в почвах, содержащих высокие концентрации тяжелых металлов. [15] Это, как правило, приводит к развитию заболеваний, связанных с загрязнением .
Большая часть воздействия является случайной и может произойти через: [16]
Однако некоторые исследования показывают, что 90% случаев заражения происходит через употребление загрязненной пищи. [16]
Последствия для здоровья от воздействия загрязнения почвы сильно различаются в зависимости от типа загрязнителя, пути атаки и уязвимости населения, подвергшегося воздействию. Исследователи предполагают, что пестициды и тяжелые металлы в почве могут нанести вред сердечно-сосудистому здоровью, включая воспаление и изменение внутренних часов организма. [17]
Хроническое воздействие хрома , свинца и других металлов, нефти, растворителей и многих пестицидных и гербицидных формул может быть канцерогенным, может вызывать врожденные нарушения или вызывать другие хронические заболевания. Промышленные или антропогенные концентрации природных веществ, таких как нитрат и аммиак, связанные с навозом скота от сельскохозяйственных операций, также были определены как опасные для здоровья в почве и грунтовых водах. [ необходима цитата ]
Известно, что хроническое воздействие бензола в достаточных концентрациях связано с более высокой частотой лейкемии. Известно, что ртуть и циклодиены вызывают более высокую частоту повреждений почек и некоторых необратимых заболеваний. ПХБ и циклодиены связаны с токсичностью для печени. Органофосфаты и карбонаты могут вызывать цепочку реакций, приводящих к нервно-мышечной блокаде . Многие хлорированные растворители вызывают изменения печени, изменения почек и угнетение центральной нервной системы. Существует целый спектр дополнительных последствий для здоровья, таких как головная боль, тошнота, усталость, раздражение глаз и кожная сыпь для вышеупомянутых и других химических веществ. При достаточных дозах большое количество загрязнителей почвы может вызвать смерть в результате воздействия через прямой контакт, вдыхание или проглатывание загрязняющих веществ в грунтовых водах, загрязненных через почву. [ необходима ссылка ]
Правительство Шотландии поручило Институту медицины труда провести обзор методов оценки риска для здоровья человека от загрязненных земель. Общая цель проекта заключается в разработке руководства, которое должно быть полезным для местных властей Шотландии при оценке того, представляют ли участки значительную возможность нанесения значительного вреда (SPOSH) здоровью человека. Предполагается, что результатом проекта станет краткий документ, содержащий высокоуровневое руководство по оценке риска для здоровья со ссылкой на существующие опубликованные руководства и методологии, которые были определены как особенно актуальные и полезные. Проект рассмотрит, как разрабатывались руководящие принципы политики для определения приемлемости рисков для здоровья человека, и предложит подход к оценке того, что представляет собой неприемлемый риск в соответствии с критериями SPOSH, как определено в законодательстве и шотландском статутном руководстве. [ необходима ссылка ]
Неудивительно, что загрязнители почвы могут иметь значительные пагубные последствия для экосистем. [18] Существуют радикальные изменения химии почвы, которые могут возникнуть из-за присутствия многих опасных химических веществ даже при низкой концентрации видов загрязнителей. Эти изменения могут проявляться в изменении метаболизма эндемичных микроорганизмов и членистоногих , обитающих в данной почвенной среде. Результатом может быть фактическое уничтожение некоторых из основных пищевых цепей, что, в свою очередь, может иметь серьезные последствия для видов хищников или потребителей. Даже если химическое воздействие на низшие формы жизни невелико, нижние уровни пирамиды пищевой цепи могут поглощать чужеродные химические вещества, которые обычно становятся более концентрированными для каждой потребляемой ступени пищевой цепи. Многие из этих эффектов теперь хорошо известны, например, концентрация стойких материалов ДДТ для потребителей птиц, приводящая к ослаблению яичной скорлупы, увеличению смертности цыплят и потенциальному вымиранию видов. [19]
Эффекты возникают на сельскохозяйственных землях, которые имеют определенные типы загрязнения почвы. Загрязнители обычно изменяют метаболизм растений, часто вызывая снижение урожайности. Это имеет вторичное воздействие на сохранение почвы , поскольку чахнущие культуры не могут защитить почву Земли от эрозии . Некоторые из этих химических загрязнителей имеют длительный период полураспада , а в других случаях производные химикаты образуются в результате распада первичных загрязнителей почвы. [20]
Тяжелые металлы и другие загрязнители почвы могут отрицательно влиять на активность, видовой состав и численность микроорганизмов почвы, тем самым угрожая функциям почвы, таким как биохимический цикл углерода и азота. [21] Однако загрязнители почвы также могут со временем стать менее биодоступными, а микроорганизмы и экосистемы могут адаптироваться к измененным условиям. Такие свойства почвы, как pH, содержание органического вещества и текстура, очень важны и изменяют подвижность, биодоступность и токсичность загрязняющих веществ в загрязненных почвах. [22] Одно и то же количество загрязняющего вещества может быть токсичным в одной почве, но совершенно безвредным в другой. Это подчеркивает необходимость оценки и мер риска, специфичных для почвы.
Очистка или экологическая реабилитация анализируются учеными-экологами , которые используют полевые измерения почвенных химикатов , а также применяют компьютерные модели ( ГИС в загрязнении окружающей среды ) для анализа переноса [23] и судьбы почвенных химикатов. Были разработаны различные технологии для рекультивации загрязненных нефтью почв и отложений [24]. Существует несколько основных стратегий рекультивации:
Различные национальные стандарты концентраций определенных загрязняющих веществ включают Предварительные цели по рекультивации Агентства по охране окружающей среды США для региона 9 (US PRGs), Концентрации, основанные на рисках Агентства по охране окружающей среды США для региона 3 (US EPA RBCs) и Руководство Национального совета по охране окружающей среды Австралии по уровням исследования в почве и грунтовых водах.
Огромный и устойчивый рост Китайской Народной Республики с 1970-х годов потребовал от земли увеличения загрязнения почвы. Министерство экологии и охраны окружающей среды считает, что это представляет угрозу окружающей среде, безопасности пищевых продуктов и устойчивому сельскому хозяйству. Согласно научным данным, 150 миллионов му (100 000 квадратных километров) обрабатываемых земель Китая были загрязнены, а загрязненная вода использовалась для орошения еще 32,5 миллионов му (21 670 квадратных километров), а еще 2 миллиона му (1300 квадратных километров) были покрыты или уничтожены твердыми отходами. В общей сложности эта территория составляет одну десятую часть обрабатываемых земель Китая и в основном находится в экономически развитых районах. По оценкам, 12 миллионов тонн зерна ежегодно загрязняются тяжелыми металлами, что приводит к прямым потерям в размере 20 миллиардов юаней (2,57 миллиарда долларов США ). [27] Недавнее исследование показывает, что 19% сельскохозяйственных почв загрязнены тяжелыми металлами и металлоидами. И уровень этих тяжелых металлов в почве резко возрос. [28]
Согласно полученным данным от государств-членов, в Европейском союзе количество предполагаемых потенциально загрязненных участков составляет более 2,5 миллионов [29] , а выявленных загрязненных участков — около 342 тысяч. Муниципальные и промышленные отходы вносят наибольший вклад в загрязнение почвы (38%), за ними следует промышленный/коммерческий сектор (34%). Минеральные масла и тяжелые металлы являются основными загрязнителями, вносящими около 60% в загрязнение почвы. С точки зрения бюджета, управление загрязненными участками оценивается примерно в 6 миллиардов евро (€) в год. [29]
Общие рекомендации, обычно используемые в Соединенном Королевстве, — это значения рекомендаций по почвам, опубликованные Министерством окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (DEFRA) и Агентством по охране окружающей среды . Это контрольные значения, которые показывают минимально допустимый уровень вещества. Выше этого значения не может быть никаких гарантий относительно значительного риска нанесения вреда здоровью человека. Они были получены с использованием Модели оценки воздействия загрязненных земель (CLEA UK). Определенные входные параметры, такие как значения критериев здоровья, возраст и использование земли, вводятся в CLEA UK для получения вероятностного вывода. [30]
Руководство Межведомственного комитета по рекультивации загрязненных земель (ICRCL) [31] было официально отозвано Министерством окружающей среды, природных ресурсов и сельского хозяйства (DEFRA) для использования в качестве предписывающего документа для определения потенциальной необходимости рекультивации или дальнейшей оценки.
Модель CLEA, опубликованная DEFRA и Агентством по охране окружающей среды (EA) в марте 2002 года, устанавливает рамки для надлежащей оценки рисков для здоровья человека от загрязненных земель, как того требует Часть IIA Закона об охране окружающей среды 1990 года . В рамках этих рамок в настоящее время были выведены общие значения нормативов для почвы (SGV) для десяти загрязняющих веществ, которые следует использовать в качестве «значений вмешательства». [32] Эти значения не следует рассматривать как целевые показатели исправления, а значения, выше которых следует рассматривать дальнейшую детальную оценку; см. голландские стандарты .
Было произведено три комплекта CLEA SGV для трех различных видов землепользования, а именно:
Предполагается, что значения SGV заменят прежние значения ICRCL. Значения SGV CLEA относятся к оценке хронических (долгосрочных) рисков для здоровья человека и не применяются к защите рабочих на земле во время строительства или других потенциальных рецепторов, таких как грунтовые воды, здания, растения или другие экосистемы. Значения SGV CLEA не применимы напрямую к участку, полностью покрытому твердым покрытием, поскольку нет прямого пути воздействия загрязненных почв. [33]
На сегодняшний день опубликованы первые десять из пятидесяти пяти загрязняющих веществ SGV для следующих веществ: мышьяк, кадмий , хром, свинец, неорганическая ртуть, никель, селен, этилбензол, фенол и толуол. Проекты SGV для бензола, нафталина и ксилена были подготовлены, но их публикация приостановлена. Токсикологические данные (Tox) были опубликованы для каждого из этих загрязняющих веществ, а также для бензо[a]пирена, бензола, диоксинов, фуранов и диоксиноподобных ПХБ, нафталина, винилхлорида, 1,1,2,2 тетрахлорэтана и 1,1,1,2 тетрахлорэтана, 1,1,1 трихлорэтана, тетрахлорэтена, четыреххлористого углерода, 1,2-дихлорэтана, трихлорэтена и ксилена. SGV для этилбензола, фенола и толуола зависят от содержания органического вещества почвы (SOM) (которое можно рассчитать из содержания общего органического углерода (TOC)). В качестве первоначального скрининга SGV для 1% SOM считаются подходящими. [34]
По состоянию на февраль 2021 года в Канаде насчитывается более 2500 загрязненных участков . [35] Один из печально известных загрязненных участков расположен недалеко от места выплавки никеля и меди в Садбери, Онтарио . Исследование загрязнения тяжелыми металлами в непосредственной близости от плавильного завода показывает, что в почве были обнаружены повышенные уровни никеля и меди; значения достигали 5104 частей на миллион Ni и 2892 частей на миллион Cu в радиусе 1,1 км от места расположения плавильного завода. В почве были обнаружены и другие металлы; к таким металлам относятся железо, кобальт и серебро. Кроме того, при изучении различной растительности вокруг плавильного завода стало очевидно, что они тоже были затронуты; результаты показывают, что растения содержали никель, медь и алюминий в результате загрязнения почвы. [36]
В марте 2009 года проблема отравления ураном в Пенджабе привлекла внимание прессы. Предполагалось, что причиной стали пруды с летучей золой тепловых электростанций , которые, как сообщается, приводят к серьезным врожденным дефектам у детей в округах Фаридкот и Бхатинда в Пенджабе . В новостных сообщениях утверждалось, что уровни урана более чем в 60 раз превышают максимально допустимый безопасный предел. [37] [38] В 2012 году правительство Индии подтвердило [39] , что в грунтовых водах пояса Малва в Пенджабе содержится металлический уран, который на 50% превышает следовые пределы, установленные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) ООН. Научные исследования, основанные на более чем 1000 образцах из различных точек отбора проб, не смогли отследить источник до летучей золы и каких-либо источников от тепловых электростанций или промышленности, как первоначально предполагалось. Исследование также показало, что концентрация урана в грунтовых водах округа Малва не в 60 раз превышает пределы ВОЗ, а всего на 50% превышает предел ВОЗ в 3 местах. Эта самая высокая концентрация, обнаруженная в образцах, была ниже, чем та, которая естественным образом обнаруживается в грунтовых водах, которые в настоящее время используются для нужд человека в других местах, например, в Финляндии . [40] В настоящее время ведутся исследования по выявлению природных или других источников урана.
