Педосфера — регулятор

Биогеохимических циклов тяжелых

Металлов

Функционирование многокомпонентной системы почвы основано на непрерывном обмене вещества и энергии между компонентами. Процессы массообмена химических элементов поддерживаются разнообразными межкомпонентными равновесиями, среди которых особая роль принадлежит равновесиям между твердой и жидкой фазами почвы. Это связано с тем, что именно из почвенных растворов поступают многие химические элементы, необходимые высшим растениям для синтеза ежегодной продукции. Вместе с тем почвенные растворы служат питательной средой для микроорганизмов, разлагающих мертвое органическое вещество. Процессы, протекающие между твердой фазой почвы и почвенными растворами, являются важной частью механизма биогеохимических циклов массообмена химических элементов.

Концентрация элементов в почвенном растворе поддерживается на определенном уровне благодаря равновесию между элементами, находящимися в жидкой и твердой фазах почвы. Равновесное распределение элементов между этими фазами обусловлено процессами осаждения — растворения и адсорбции — десорбции. При поступлении в почву соединения, способного в той или иной мере растворяться в воде, оно растворяется в результате воздействия Н⁺, ОН^-, СО₃^2-, НСО₃, Н₃РО4, водорастворимых гумусовых кислот и др. В то же время взаимодействие раствора и твердой фазы почвы сопровождается уменьшением концентрации рассеянных элементов в растворе. Устойчивая концентрация металлов в многократных последовательных водных экстракциях свидетельствует о том, что металлы, содержащиеся в твердой фазе и растворе, связаны равновесием.

Согласно теории химического равновесия, состав раствора регулируется процессом, происходящим при наименьшей концентрации элемента в растворе. По мнению Л. А. Воробьевой и соавторов (1980), определяющее значение имеет процесс осаждения — растворения самого малорастворимого соединения. Авторы предполагают, что, во-первых, природные растворы являются насыщенными по отношению к наиболее малорастворимым соединениям металлов, которые находятся в равновесии с твердой фазой почвы. Во-вторых, в соответствии с принципом Ле Шателье уровень концентрации в растворе должен ограничиваться тем соединением, которое в данных условиях выпадает в осадок при наименьшей концентрации.

Наименее растворимые в воде соединения с тяжелыми металлами образуют фосфат-ионы. Следовательно, присутствие фосфатов должно определять концентрацию тяжелых металлов в почвенных растворах или водных экстрактах. Содержание фосфатов металлов в твердой фазе почвы можно рассматривать как резерв для поддержания их концентрации в почвенном растворе. В качестве примера в табл. 5.9 приведены данные о соотношении общего содержания свинца, фосфатов свинца и его концентрации в водных экстрактах в разных типах почв.

Таблица 5.9

Содержание свинца в твердой фазе почв и водных экстрактах

(составлено автором по данным Е.А.Лобановой, 1983)

Примечание. В скобках указан процент от общего содержания

Содержание фосфат-ионов в почвенном растворе ничтожное и недостаточное для выведения всего количества растворенных металлов. В то же время при добавлении в водные экстракты твердого вещества почвы концентрация тяжелых металлов быстро снижается благодаря адсорбции. В данном случае под адсорбцией подразумевают разные виды удаления тяжелых металлов путем связывания их с твердым веществом без образования индивидуализированных химических соединений.

Экспериментальные данные по адсорбции тяжелых металлов и близких им элементов из растворов твердой фазой удовлетворительно описываются уравнением изотермы адсорбции Фрейндлиха:

х/т = КС^1/m,

где х/т — количество адсорбируемого металла;

С — равновесная концентрация металла в растворе;

K и 1/n — константы.

Полученные разными авторами результаты показывают, что изотермы металлов делятся на две части: первая расположена под большим углом к оси абсцисс, вторая — более пологая. Такое разделение объясняется тем, что при низких концентрациях в растворе тяжелые металлы в первую очередь занимают на поверхности твердого тела места с высокой энергией связи (специфическая адсорбция металлов почвой) и лишь затем — с более низкой энергией (неспецифическая адсорбция). Специфически адсорбированные катионы связаны с твердой фазой почвы преимущественно ковалентными или координационными связями, неспецифически адсорбированные — ионообменными.

Специфическая адсорбция обусловлена гумусом почв и гидроксидами железа, образующими тончайшие пленки на глинистых частицах. Поэтому после разрушения гумуса пероксидом водорода и удаления пленок гидроксидов железа методом Мира — Джексона (1960) сорбционная способность почвы уменьшается. Тяжелые металлы специфически адсорбируются селективно: Pb > Zn > Cd. При этом свинец преимущественно связан с гидроксидами железа, а цинк — с гумусом. В катионообменной форме находится примерно '/з цинка и большая часть кадмия (табл. 5.10).

Таблица 5.10