geolike.ru

Токсичность сурьмы для организма человека из почвы

Изменение концентрации сурьмы в почве после единовременного применения средств химизации

Для определения изменения концентрации сурьмы в почве, приводится пример использования под картофель комплекса удобрений. Комплекс удобрений представлен аммиачной селитрой, сульфатом калия и простым суперфосфатом, который содержит в своем составе сурьму в количестве 20,0 мг/кг сухой массы. Почва в опыте дерново-подзолистая, её агрохимическая характеристика представлена далее.

Таблица 2. Агрохимическая характеристика дерново-подзолистой почвы (пахотный горизонт)

Представленную почву можно отнести к слабоокультуренной. Для неё характерно низкое содержание гумуса, общего азота и фосфора. По степени обменной кислотности она относится к сильнокислым почвам. В составе поглощенных катионов преобладают ионы H⁺ и Al³⁺. Гранулометрический состав – легкий суглинок. На данной почве необходимо применение комплекса минеральных удобрений, а также проведение известкования.

Используемая в опыте культура – картофель.

Картофель — многолетнее травянистое клубненосное растение, но в культуре используется как однолетнее, потому что весь жизненный цикл его, начиная от прорастания клубня и кончая образованием и формированием зрелых клубней, происходит за один вегетационный период.

Размножают картофель обычно вегетативным путем — клубнями. Его с успехом можно размножать и частями клубней, а также ростками и черенками.

Картофель относится к семейству Пасленовые (Solanaceae), роду Solanum, объединяющему десятки диких и культурных видов и среди них Solanum tuberosum L.— вид, получивший самое широкое распространение в культуре. Другие виды картофеля, отличающиеся многими ценными биологическими и хозяйственно-полезными признаками, часто используются в селекции при выведении новых сортов.

Стебли картофеля большей частью прямостоячие, реже — отклоняющиеся в сторону. Окраска стеблей зеленая. Стебли ребристые, трех- или четырехгранные, в различной степени опушенные. Куст чаще состоит из 4—8 облиственных стеблей. Листья, появляющиеся при прорастании клубней (или семян), простые, цельнокрайные. По мере роста растения образуются прерывисто-непарно-перисто-рассеченные листья. Цветки картофеля собраны в соцветия, представляющие собой расходящиеся завитки, расположенные на общем, различной длины цветоносе. Цветоножка сочленная. Цветки пятерного типа. Окраска венчика разнообразная: белая, синяя, темно-сине-фиолетовая, красно-фиолетовая с различными оттенками. Плод — двухгнездная многосемянная сочная зеленая ягода шаровидной или овальной формы. Корневая система картофеля, выращенного из клубня, мочковатая. Она представляет собой совокупность корневых систем отдельных стеблей. Имеет ростковые (глазковые), или первичные, корни, образующиеся в начале прорастания клубней, пристолонные корни, появляющиеся в течение всего периода вегетации и располагающиеся группами по 4—5 около каждого столона, и столонные корни, находящиеся на столонах. Корни проникают в почву сравнительно неглубоко. Около половины их расположено в пахотном слое, от 22 до 38% проникают глубже, отдельные корни уходят на глубину до 150 см.

Картофель – культура умеренного климата, плохо реагирует на температуру почвы ниже 7…8°С, в то же время сильно угнетается уже при температурах более 25°С. К влажности почвы эта культура очень требовательная. Потребность в ней изменяется по фазам роста. Критический период — начало цветения. Транспирационный коэффициент картофеля равен 400—550, хотя иногда изменяется от 167 до 659. По современной фотопериодической классификации растений культурные сорта картофеля относят к короткодневным растениям, т. е. к таким, для развития которых короткий день не является строго обязательным, но в условиях средних широт ускоряет их развитие.

В составе сухого вещества картофеля обнаружено 26 различных химических элементов. Однако в условиях большинства почвенно-климатических зон страны картофель наиболее часто испытывает потребность в трех основных элементах питания — азоте, фосфоре и калии. А. Г. Лорх на основании многих опытов установил, что в 1 т урожая клубней картофеля с соответствующим количеством ботвы (0,4 т) и корневых остатков содержится: N — 4,8 кг; P₂ Os — 2,2 кг и К2О— 10,3 кг.

По данным опытов многих других ученых, в среднем можно считать, что картофель выносит из почвы на каждые 100 ц клубней и соответствующего количества ботвы 50 кг N, 20 Р2О5, 90 К2О, около 40 СаО и 20 кг MgO. Таким образом, из основных элементов питания он потребляет больше всего калия, затем азота и меньше фосфора, что необходимо учитывать при расчете норм удобрений.

Картофель — культура рыхлых почв. Интенсивность дыхания его корней составляет 7—12 мл кислорода за 1 ч на 1 г сухого вещества корней, что в 5 раз выше интенсивности дыхания корней подсолнечника и других культур. Этим объясняется высокая требовательность картофеля к пористости почвы. Корни у растений, выращиваемых в рыхлой почве (плотность 1,10 г/см³), хорошо ветвятся, пронизывают весь пахотный слой и уходят в подпахотный.

Дозы питательных веществ для получения максимального урожая картофеля на представленной дерново-подзолистой слабоокультуренной почве определяем по данным СЗНИИСХ.

Таблица 3. Количество питательных веществ, необходимое для получения максимального урожая картофеля.

Следующим важным этапом в проведении опыта является характеристика применяемых удобрений.

Аммиачная селитра NH₄ NO₃ – кристаллическая соль белого цвета с серовато-жёлтым оттенком, гранулированная, хорошо растворяется в воде, 34% действующего вещества. Сочетаются две формы азота, одна из которых легко подвижна, а другая менее. Физиологически кислое удобрение.

Суперфосфат простой Ca(H₂ PO₄ )₂ − представляет собой смесь тёмно-серых гранул с бурым оттенком, имеет много примесей, д.в. − 20%. Физиологически кислое удобрение.

Сернокислый калий Ka₂ SO₄ – белый кристаллический порошок, д.в. -46%.

В таблице 4 представлен пересчет удобрений на физическую массу.

Таблица 4. Характеристика применяемых удобрений

Массу пахотного слоя рассчитываем исходя из агрохимической характеристики почвы: 10000 м² * 0,20 м * 1,25 т/м³ = 2500 т/га.

Дозу извести определяем для полной нейтрализации гидролитической кислотности по формуле:

Д = Нг*500*Мп/1000 000 000, где

Д – доза СаСО₃, т/га;

500 – количество СаСО₃, необходимое для нейтрализации 1мг-экв Нг в 1 кг почвы;

Мп – масса пахотного слоя на 1 га, кг/га;

1000 000 000 – коэффициент для перевода мг СаСО₃ в т.

Д = 5*500*2500 000/1000 000 000 = 6,25 т/га.

В качестве известкового удобрения используем известковую муку, состоящую на 100% из СаСО₃. Содержание сурьмы составляет 0,10 мг/кг сухой массы.

Расчет изменения концентрации сурьмы в почве в результате единовременного внесения суммы удобрений и мелиорантов.

Определяем по формуле:

Сп = Со+ ∑ Муi ( Суi - Со)/Мп, где

Сп – концентрация химического элемента в почве после удобрения и мелиоранта, мг/кг;

Со – концентрация химического элемента в почве до внесения удобрений, мг/кг;

Муi – физическая масса удобрений, кг/га;

Суi – концентрация элемента в удобрении, мг/кг

Сп = 0,3 + 400 (20-3)/2500 000 + 6250 (0,1-0,3)/2500000 = 0,3 мг/100 г.

Таким образом, после применения простого суперфосфата и известняковой муки, содержащих в своем составе примесь сурьмы, на почве с концентрацией сурьмы 3мг/кг, концентрация сурьмы останется прежней.

Динамика концентрации экотоксиканта в почве в результате длительного применения средств химизации

Концентрация примесного элемента в почве рассчитывается на момент насыщения почвы макроэлементом после длительного применения удобрений. В связи с этим предлагается расчет времени, за которое концентрация фосфора (как наименее мигрирующего макроэлемента) достигнет оптимального для растений уровня в почве. Для картофеля на легкосуглинистой почве он равен 18 мг/100г почвы Р₂ О₅.

t = - 1/ λ*ln(1- λ(Сп-Со)Мп/(Cу-Со)Му,

где

t – время, за которое концентрация макроэлемента в почве достигнет заданной величины, года;

Со, Су – концентрация фосфора в почве до внесения удобрений и в удобрениях, мг/100г;

Сп – заданная оптимальная величина концентрации фосфора в почве, мг/100 г;

Мп, Му – масса почвы и физическая масса удобрений, кг/га;

λ – постоянная скорости выноса элемента из почвы, равная сумме λ_пв + λ_фв + λ_ур, обозначающие постоянные скоростей выноса элемента поверхностными водами, фильтрующими водами и урожаем соответственно.

t = -1/0,14*ln(1-0,14*(18-10)*2500 000/(20000-10)*400=3 года

При помощи экспонициальной модели накопления элементов в почве можно оценить концентрацию примесного элемента в почве после длительной эксплуатации сельскохозяйственных угодий, результатом которой явилось достижение оптимальной концентрации фосфора в пахотном слое почвы.

Cn = Co+1/λ(1-e^-λt) ∑((Суi-Co)Myi/Mo), где

Cn – концентрация примесного элемента в почве после эксплуатации сельскохозяйственных угодий в течение времени (t), мг/кг;

Со – концентрация примесного элемента до внесения удобрений, мг/100 г;

Суi – концентрация примесного элемента в каждом вносимом материале, мг/100 г;

λ – постоянная скорости выноса элемента из почвы;

t – период времени, в течение которого концентрация фосфора в почве достигла оптимального для растений значения, года.

Сп = 0,3+1/0,1(1-е^-0,1*3)*(2-0,3)400/2500 000 =0,3 мг/100 г.

Вывод – после длительного применения минеральных удобрений на сельскохозяйственных угодьях, при достижении оптимальной концентрации фосфора, концентрация сурьмы в почве не изменится.

Накопление примесного элемента в звеньях трофической цепи почва-растение-человек. Индекс риска

Важным параметром миграции химического элемента в системе почва-растение является коэффициент накопления. Знание коэффициента накопления позволяет определить его вынос урожаем, концентрацию в продукции растениеводства, т.е. оценить качество урожая, прогнозировать поступление экотоксиканта в организм человека.

Ср = Сп*КН, где

Ср – концентрация элемента в растении, мг/100 г;

Сп – концентрация элемента в почве, мг/100 г;

КН – коэффициент накопления, для картофеля равен 0,02.

Ср = 0,3 * 0,02 = 0,006 мг/100 г.

Определим удельное поступление сурьмы в организм человека I (мг/кг*день), усредненное к 70-летнему периоду жизни.

I = Ср*b_k *m_k *f_k *E*L/M_b *70*365, где

Ср – концентрация элемента в хозяйственной части растения;

b_k – коэффициент, учитывающий изменение концентрации элемента в результате технологической или кулинарной обработки растительной продукции;

m_k – масса продукта, потребляемого в течение дня;

f_k – безразмерная характеристика, определяющая усвоение продукта организмом человека;

E – частота потребления продукта, дней/год;

L – продолжительность потребления, лет;

M_b – усредненная масса тела (70 кг);

70*365 – средняя продолжительность жизни, дней.

I = 0,006*0,5*0,2*0,9*365*70/70*70*365 = 0,0000077 мг/кг сутки.

Индекс риска (hazard index – HI) находим согласно следующему выражению: HI = I/R_f D,

Где R_f D – доза, определяющая «пороговый эффект» воздействия загрязнителя на организм человека, т.е. тот безопасный уровень его воздействия, к которому, как предполагается, организм оказывается нечувствительным. Для сурьмы эта доза равна 0,0004 мг/кг сутки.

HI = 0,0000077/0,0004 = 0,019

Индекс риска намного меньше единицы. При таком поступлении сурьмы с пищей, человек вреда не получит.