Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах
Покупка
Тематика:
Почвоведение
Автор:
Ладонин Дмитрий Вадимович
Год издания: 2019
Кол-во страниц: 312
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-19-011302-0
Артикул: 734783.01.99
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину
В монографии рассмотрены методы определения форм соединений тяжелых металлов (ТМ) в почвах, испытывающих техногенное воздействие. Описаны особенности использования метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, методы определения валового содержания и последовательного фракционирования большого набора ТМ. Проведено исследование фракционного состава ТМ в зависимости от формы поступления техногенных соединений ТМ. Рассмотрены закономерности изменения состава форм соединений большого набора ТМ, включая лантаноиды и элементы платиновой группы, связанные с техногенным загрязнением. Выявлено изменение изотопного состава различных форм соединений свинца в почвах, связанное с техногенным загрязнением. Для почвоведов, экологов, специалистов в области охраны окружающей среды.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 502: Природа. Изучение и охрана природы
- 574: Общая экология. Биоценология. Гидробиология. Биогеография
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 05.04.06: Экология и природопользование
- 06.04.01: Биология
- 06.04.02: Почвоведение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах д. в. ладонин издательство московского университета 2019 московский государственный университет имени м. в. ломоносова
ISBN 978-5-19-011302-0 © Ладонин Д.В., 2019 © Издательство Московского университета, 2019 Ладонин Д. В. Л15 Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах. — М.: Издательство Московского университета, 2019. — 312 с. ISBN 978-5-19-011302-0 В монографии рассмотрены методы определения форм соединений тяжелых металлов (ТМ) в почвах, испытывающих техногенное воздействие. Описаны особенности использования метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, методы определения валового содержания и последовательного фракционирования большого набора ТМ. Проведено исследование фракционного состава ТМ в зависимости от формы поступления техногенных соединений ТМ. Рассмотрены закономерности изменения состава форм соединений большого набора ТМ, включая лантаноиды и элементы платиновой группы, связанные с техногенным загрязнением. Выявлено изменение изотопного состава различных форм соединений свинца в почвах, связанное с техногенным загрязнением. Для почвоведов, экологов, специалистов в области охраны окружающей среды. УДК 502.521:504.5-03 ББК 40.3 Ladonin D. V. Forms of compounds of heavy metals in polluted soils. Moscow: Moscow University Press; 2019. 312 p. This monograph provides a new approach and a set of methods for determining the forms of compounds of heavy metals (HM) in soils facing technogenic impact. A study has been conducted in order to categorize the various features of using the method of inductively coupled plasma mass spectrometry, methods for determining the total content and sequential fractionation of a large set of HM. The present research aims at highlighting the issues and challenges in fractional composition of HM, depending on the form of technogenic compounds of HM introduced to the soil. The regularities of changes in the composition of the forms of a large set of HM, including lanthanides and platinum group elements associated with industrial pollution, have been reported. The focus is the identification of the possible changes in the isotopic composition of various forms of lead compounds in soils caused by technogenic pollution. For soil scientists, ecologists, environmental experts. УДК 502.521:504.5-03 ББК 40.3 Л 15 Издание осуществлено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 18-14-00030, не подлежит продаже
Оглавление Список используемых сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 Глава 1. Использование масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой для определения ТМ в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1 .1 . История развития инструментальных методов атомной спектрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 1 .2 . Сравнение современных инструментальных методов атомной спектрометрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 1 .3 . Устройство и принцип работы масс-спектрометра с индуктивносвязанной плазмой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 1 .4 . Помехи и причины возникновения ошибок в масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и способы их устранения . . . . . . . . . .19 1 .5 . Оптимизация и настройка масс-спектрометра для анализа вытяжек из почв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 1 .6 . Особенности определения методом ИСП-МС некоторых элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Глава 2. Объекты исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 2 .1 . Изучение способов разложения почв для дальнейшего определения содержания ТМ методом ИСП-МС . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 2 .2 . Изучение влияния формы поступления ТМ на фракционный состав Ni, Cu, Zn и Pb в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 2 .3 . Почвы ЮВАО г . Москвы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 2 .4 . Почвы зоны воздействия Череповецкого металлургического комбината . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 2 .5 . Почвы, не подверженные локальному техногенному воздействию . . . .57 Глава 3. Методы определения валового содержания и форм соединений ТМ в почвах с использованием ИСП-МС . . . . . . . . . . . .64 3 .1 . Методы определения валового содержания ТМ в почвах . . . . . . . . . . . .64 3 .2 . Методы определения форм соединений ТМ в почвах . . . . . . . . . . . . . . .79
Оглавление Глава 4. Фракционный состав ТМ в почвах, загрязненных оксидами и легкорастворимыми солями в модельном эксперименте . . . . . . .123 4 .1 . Особенности загрязнения почв соединениями ТМ разной степени растворимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 4 .2 . Результаты и их обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 4 .3 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 Глава 5. Формы соединений ТМ в почвах ЮВАО г. Москвы . . . . . . . . . . . . .147 5 .1 . Особенности загрязнения ТМ почв крупных городов . . . . . . . . . . . . . .147 5 .2 . Тяжелые металлы в почвах ЮВАО . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 5 .3 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166 Глава 6. Формы соединений ТМ в почвах зоны воздействия Череповецкого металлургического комбината . . . . . . . . . . . . . . . . .168 6 .1 . Особенности загрязнения ТМ почв исследуемой территории . . . . . . .168 6 .2 . ТМ в почвах зоны воздействия ЧерМК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169 6 .3 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185 Глава 7. Изотопный состав свинца в почвах и его использование для изучения техногенного загрязнения почв свинцом . . . . . . . . . .187 7 .1 . Стабильные изотопы свинца в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 7 .2 . Изучение изотопного состава свинца в почвах, не испытывающих локального техногенного воздействия . . . . . . . . . .194 7 .3 . Изучение изотопного состава свинца в техногенно- загрязненных почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213 7 .4 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229 Глава 8. Лантаноиды в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 8 .1 . Использование лантаноидов в промышленности . . . . . . . . . . . . . . . . . .231 8 .2 . Химические свойства РЗЭ и их распространенность . . . . . . . . . . . . . .232 8 .3 . Лантаноиды в исследованных почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238 8 .4 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265 Глава 9. Элементы платиновой группы в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268 9 .1 . Фоновое содержание ЭПГ в почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .268 9 .2 . Загрязнение почв ЭПГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270 9 .3 . ЭПГ в исследованных почвах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282 9 .4 . Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .294 Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .296 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .299
Список используемых сокращений a .m .u . – atomic mass unit – единица атомной массы BCR – Community Bureau of Reference – Бюро эталонов ЕС CRM – Certified Reference Material – аттестованный стандартный образец Cорг . – углерод органических соединений cps – counts per second – количество импульсов в секунду EF – Enrichment Factor – коэффициент обогащения EPA – US Environmental Protection Agency – Агентство США по охране окружающей среды IRRM – EC Joint Research Centre Institute for Reference Materials and Measurements – Объединенный исследовательский центр Еврокомиссии по стандартным образцам и измерениям ISIS – Integrated Sample Introduction System – встроенная система ввода проб Kc – коэффициент концентрации LDH – layered double hydroxide – см . СДГ M/Z – отношение атомной массы иона к его заряду NIST – National Institute of Standards and Technology – Национальный институт стандартов и технологий, США SRM – Standard Reference Material – аттестованный стандартный образец Zc – см . СПЗ ААБ – ацетатно-аммонийный буферный раствор с pH 4,8 ААС – атомно-абсорбционная спектрометрия ААС-ЭТА – атомно-абсорбционная спектрометрия с электротермической атомизацией ВС – внутренний стандарт ВНИИА – Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии ГК – гуминовые кислоты ГН – гигиенический норматив ГПЗ – государственный природный заповедник ДИ – доверительный интервал ЕКО – емкость катионного обмена
Список используемых сокращений ИМГРЭ – Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов ИСП-МС – масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой ИСП-ОЭС – оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой КЧ – координационное число м . ч . – массовое число МВИ – методика выполнения измерений МУП – муниципальное унитарное предприятие ОАО – открытое акционерное общество ОДК – ориентировочно допустимая концентрация ООПТ – особо охраняемая природная территория ОСО – отраслевой стандартный образец ОЭС – оптическая эмиссионная спектрометрия ПДК – предельно допустимая концентрация ППК – почвенный поглощающий комплекс ПР – произведение растворимости РЗЭ – редкоземельные элементы СДГ – слоистые двойные гидроксиды СО – стандартный образец СПЗ – суммарный показатель загрязнения ТИМС – термоионизационная масс-спектрометрия ТМ – тяжелые металлы ТЭЦ – теплоэлектроцентраль УФИ – ультрафиолетовое излучение УФО – ультрафиолетовое облучение ФК – фульвокислоты ЦИНАО – Центральный институт агрохимического обслуживания ЦВ – царская водка ЧерМК – Череповецкий металлургический комбинат ЭПГ – элементы платиновой группы ЮВАО – Юго-Восточный административный округ
Введение Изучение техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) имеет многолетнюю историю . Первые работы по этой теме в нашей стране были выполнены еще в 70-е гг . XX в . С тех пор изменилось очень многое — масштабы воздействия человека на окружающую среду, набор химических элементов и веществ, загрязняющих почвы, методы химического анализа, представления о поведении загрязняющих веществ в почве . Неизменными остаются только подходы к изучению загрязнения почв ТМ, основанные на аналитических методах пятидесятилетней давности . Несоответствие широких возможностей, предоставляемых современными высокочувствительными многоэлементными методами анализа, и устаревшей нормативно-методической базы мешает получению объективной картины состояния окружающей среды в условиях усиливающегося и изменяющегося техногенного воздействия . Техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) начиная с 50-х гг . XX в . стало привычным явлением нашей жизни (Водяницкий, 2014) . Никого не удивишь результатами исследований, демонстрирующими высокое содержание ТМ в почвах вокруг металлургических предприятий или в почвах городов . Все большее число научных исследований посвящено загрязнению почв не ТМ, а другими веществами . Говорит ли это о том, что проблема изучения загрязнения почв ТМ благополучно решена или потеряла свою актуальность? Что требует пристального внимания сегодня и чего можно ожидать в ближайшем будущем? Являются ли существующие подходы к изучению загрязнения почв ТМ научнообоснованными? Как максимально использовать возможности современной аналитической техники для эффективного изучения загрязнения почв ТМ? Ответить на эти вопросы мы попытаемся в данной работе . Сегодня является очевидным, что загрязнение почв ТМ носит ярко выраженный полиэлементный характер . В составе атмосферных выпадений современными аналитическими методами идентифицируется большинство элементов таблицы Менделеева . Однако за прошедшие десятилетия в подходах к оценке загрязнения почв ТМ мало что изменилось . Действующие
Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах в России величины ПДК и ОДК загрязняющих веществ в почвах включают в себя лишь 8 из более чем пяти десятков ТМ (ГН 2 .1 .7 .2041-06, ГН 2 .1 .7 .2511-09) . В Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» рассматривается загрязнение почв только 13 ТМ . Такое малое число элементов обусловлено не только веществами, преобладавшими в атмосферных выпадениях середины XX в ., когда нормирование разрабатывалось, но и возможностями и доступностью аналитических методов, существовавших в то время . Можно назвать три фактора, определивших направления развития химии ТМ в почвах в нашей стране и внесших огромный вклад в изучение форм соединений ТМ . 1 . В середине 50-х гг . XX в . Алан Уолш (Walsh, 1980) разработал метод атомно-абсорбционной спектрометрии, который дал первый толчок к изучению ТМ в природных объектах . Сегодня, несмотря на то что метод ААС, обладающий сильно ограниченными многоэлементными возможностями и не всегда высокой чувствительностью, морально устарел и не отвечает современным требованиям в области изучения окружающей среды, он продолжает оставаться основным методом анализа ТМ в большинстве российских лабораторий . 2 . Сотрудники факультета почвоведения МГУ под руководством проф . Н .Г . Зырина в 70-х гг . XX в . одними из первых начали проведение широкомасштабных исследований по изучению загрязнения ТМ территории СССР . В то время появилось понимание того, что определения только лишь валового содержания ТМ недостаточно для того, чтобы изучить особенности взаимодействия и прочность закрепления ТМ почвами, оценить возможности миграции и биологической доступности соединений ТМ в почве (Минкина, Мотузова, Назаренко, 2009) . В результате проведенных работ в 1981 г . появились «Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами», где впервые было рекомендовано при изучении загрязнения почв определять кислоторастворимые и подвижные формы ТМ . Однако детального изучения особенностей взаимодействия ТМ с предложенными для этого экстрагирующими растворами не проводилось, а количество элементов, формы соединений которых изучались, было весьма ограничено . 3 . В 1973 г . Р .Г . Макларен и Д .В . Крауфорд предложили первую науч но-обоснованную методику определения форм соединений меди с помощью последовательного химического фракционирования . Несмотря на заложенную в ней универсальность, эта методика не была опробована на большом числе ТМ, что сильно ограничило ее популярность . В последующие годы, в начавшуюся эпоху всеобщей стандартизации и регулирования, предпочтение многих исследователей было отдано «формально-химическим» мето
Введение дам фракционирования, менее трудоемким и лучше воспроизводимым, но не обоснованным с точки зрения химии ТМ в почвах . Ограничивая себя в наборе изучаемых элементов, мы не видим истинной картины загрязнения почв и состояния окружающей среды в целом . Возможность выйти за рамки привычного ограниченного набора ТМ и определять в почве не те элементы, которые позволяет имеющееся оборудование, а те, которыми данная почва на самом деле загрязнена, появилась в конце XX в . и связана с развитием аналитической техники . Масс-спектрометры с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и системы микроволнового разложения проб позволили проводить действительно многоэлементный анализ почв . С 90-х гг . XX в . в изучении загрязнения почв ТМ возник кризис . В основе которого следующие причины . 1 . Несоответствие действующих нормативов (ПДК и ОДК) реальному набору элементов, загрязняющих почву вокруг конкретных источников . На появление в ближайшем будущем новых научно обоснованных ПДК, учитывающих особенности взаимодействие ТМ с почвой и охватывающих гораздо более широкий набор элементов, рассчитывать не приходится . Подходы к изучению загрязнения почв ТМ, не связанные с использованием несовершенных «жестких» ПДК, не получили до сих пор широкого распространения и не приводятся в нормативных документах . 2 . Медленное внедрение в научно-практическую работу современных аналитических методов определения и пробоподготовки, уже доказавших свою высокую эффективность при определении содержания любых ТМ в объектах окружающей среды . Это прежде всего ИСП-МС и микроволновое разложение проб . Недостаточная адаптация этих методов применительно к анализу почв, загрязненных ТМ . 3 . Отсутствие общепринятых методов изучения форм соединений ТМ, опирающихся на современные представления о химии ТМ в почвах . В данной работе мы предприняли поиск путей, направленных на решение указанных выше проблем . Предложены и обоснованы методические подходы к изучению загрязнения почв с большим набором химических элементов, включающие определение различных форм нахождения ТМ в почвах и не требующие нормирования по ПДК . В числе изученных ТМ — традиционные и редко изучаемые p- и d-элементы, редкоземельные элементы (РЗЭ), элементы платиновой группы (ЭПГ) и стабильные изотопы свинца . Для успешного проведения исследований были всесторонне изучены возможности использования метода ИСП-МС для химического анализа почв и разработана методика количественного химического анализа ТМ в почвах этим методом . Изучены закономерности формирования фракционного состава ТМ в почвах в зависимости от формы их поступления при загрязнении .
Формы соединений тяжелых металлов в техногенно-загрязненных почвах Полученные методические подходы были апробированы при изучении почв территорий, испытывающих различные виды техногенного воздействия — мегаполиса и зоны воздействия металлургического комбината . В результате проведенных исследований выявлен состав техногенных ассоциаций ТМ в почвах, изучено изменение распределения ТМ по формам соединений, установлены источники загрязнения ТМ почв исследованных территорий . Работа выполнена на кафедре химии почв факультета почвоведения МГУ . Автор выражает глубокую благодарность всем, без помощи и поддержки которых написание этой монографии было бы невозможно: профессору д-ру с .-х . наук Ю .Н . Водяницкому, канд . географ . наук Н .Н . Ладониной, канд . биолог . наук О .В . Пляскиной, а также всем своим студентам .
Доступ онлайн
300 ₽
В корзину