Тяжелые металлы

ВВЕДЕНИЕ

Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами.

К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической  системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных  единиц.

Эта группа элементов активно участвует  в биологических процессах, входя  в состав многих ферментов. Группа "тяжелых  металлов" во многом совпадает с  понятием "микроэлементы". Отсюда свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами.

Источники поступления тяжелых металлов делятся  на природные (выветривание горных пород  и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих  в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение.

Другая  часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы  накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования  опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно  в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена).

К возможным источникам загрязнения  биосферы тяжелыми металлами относят  предприятия черной и цветной  металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные  воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке  аккумуляторных батарей, автомобильный  транспорт.

Кроме антропогенных источников загрязнения  среды обитания тяжелыми металлами  существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно  в продуктах извержения вулкана. Увеличение концентрации металлов-токсикантов  в поверхностных водах некоторых  озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению  минералов и пород, омываемых  этими озерами. Все эти источники  загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей  по сравнению с естественным, так  называемым фоновым уровнем. К сложной  и многогранной проблеме, которую  представляют собой химические загрязнения  окружающей среды тяжелыми металлами  и которая охватывает различные  дисциплины и уже превратилась в  самостоятельную междисциплинарную  область знаний, профессиональный интерес  проявляют не только химики-аналитики, биологи и экологи (их деятельность традиционно связана с этой проблемой), но и медики. В потоке научной  и научно-популярной информации, а  также в средствах массовой информации все чаще появляются материалы о  влиянии тяжелых металлов на состояние  здоровья человека.

1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В БИОСФЕРЕ

Районы, в которых концентрация химических элементов в силу природных причин оказывается выше или ниже фонового уровня называют биохимическими провинциями. Формирование биохимических провинций  обусловлено особенностями почвообразующих  пород, почвообразовательного процесса, а так же присутствием рудных аномалий. При загрязнении биосферы происходит образование техногенных аномалий, в которых содержание элементов  превышает в 10 раз и более фоновое.

К числу тяжелых металлов относят  хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьму, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут. Главными природными источниками тяжелых  металлов являются породы (магматические  и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве микропримеси в массу горных пород. Например минералы титана (брукит, ильменит). Породообразующие минералы содержат так же рассеянные элементы в качестве изоморфных примесей в структуре металлических решёток , замещая макроэлементы с близким  размером радиуса.

2. ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ  ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ  ВОДАХ

Важнейшим показателем качества среды обитания является степень  чистоты поверхностных вод. Металл-токсикант, попав в водоем или реку, распределяется между компонентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество металла  вызывает расстройство данной системы. При оценке способности экосистемы сопротивляться внешнему токсическому воздействию принято говорить о  буферной емкости экосистемы. Так, под  буферной емкостью пресноводных экосистем  по отношению к тяжелым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого существенно  не нарушает естественного характера  функционирования всей изучаемой экосистемы. В природных поверхностных водах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих в воду из почв. Остальная часть органических веществ, растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Все они, конечно, претерпевают различные превращения в водной среде. Но все они в то же время являются своего рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем самым токсичность вод. токсичность вод при загрязнении их тяжелыми металлами в основном определяется концентрацией либо акваионов металлов, либо простейших комплексов с неорганическими ионами. Присутствие других комплексообразующих веществ, и прежде всего органических, понижает токсичность.

3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ КАК ТОКСИКАНТЫ  В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ

Из  перечня приоритетных металлов-загрязнителей  рассмотрим ртуть, свинец и кадмий как  представляющие наибольшую опасность  для здоровья человека и животных.

3.1.Ртуть. В окружающей среде соединения ртути с различной степенью окисления металла могут реагировать между собой. Наибольшую опасность представляют собой органические, прежде всего алкильные, соединения. Около половины всей ртути в природную среду попадает по техногенным причинам.

Кислотность среды и ее окислительный потенциал  влияют на нахождение в водной среде  той или иной формы ртути.Ртуть  легко адсорбируется на взвешенных частицах вод. При этом так называемый фактор концентрирования достигает  порой 105, то есть на этих частицах сконцентрировано ртути в сто тысяч раз больше, чем находится в равновесии в  водной среде. Из антропогенных источников в водные системы ртуть попадает в виде преимущественно металлической  ртути, ионов и ацетата фенилртути. Из организма органические соединения ртути выводятся медленнее, чем  неорганические. Существующий стандарт на предельное содержание этого токсиканта (0,5 мкг/кг) используют при контроле качества пищевых продуктов. При  этом предполагают, что ртуть присутствует в виде метилированных соединений.

3.2.Свинец. Половина от общего количества этого токсиканта поступает в окружающую среду в результате сжигания этилированного бензина. В водных системах свинец в основном находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. В реках промышленных регионов отмечается более высокое содержание свинца. Снег способен в значительной степени аккумулировать этот токсикант.Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. В рыбе свинец накапливается незначительно, поэтому для человека в этом звене трофической цепи он относительно мало опасен. Метилированные соединения в рыбе в обычных условиях содержания водоемов обнаруживаются относительно редко.

3.3.Кадмий. По химическим свойствам этот металл подобен цинку. Он может замещать последний в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов.

В рудных месторождениях кадмий, как  правило, присутствует вместе с цинком. В водных системах кадмий связывается  с растворенными органическими  веществами, особенно если в их структуре  присутствует сульфгидрильные группы. Кадмий образует также комплексы  с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Считают, однако, что само по себе присутствие высоких  концентраций этих лигандов, способных  связывать кадмий, еще недостаточно для понижения концентрации свободных  акваионов кадмия до уровня, безопасного  для живых организмов. Источников поступления кадмия в окружающую среду еще несколько лет назад  было достаточно много. После того как  была доказана его высокая токсичность, их число резко .Сейчас основной источник загрязнения окружающей среды этим токсикантом - места захоронения  никель-кадмиевых аккумуляторов. Кадмий обнаружен в продуктах извержения вулкана Этна. В дождевой воде концентрация кадмия может превышать 50 мкг/л.В  пресноводных водоемах и реках содержание кадмия колеблется в пределах 20-400 нг/л. Кадмий обычно проявляет меньшую  токсичность по отношению к растениям  в сравнении с метилртутью  и сопоставим по токсичности со свинцом.

4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ

Содержание  ТМ в почвах зависит, как установлено  многими исследователями, от состава  исходных горных пород, значительное разнообразие которых связано со сложной геологической  историей развития территорий. Химический состав почвообразующих пород, представленный продуктами выветривания горных пород, предопределен химическим составом исходных горных пород и зависит  от условий гипергенного преобразования.

Первый  этап трансформации оксидов тяжелых  металлов в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и  его компонентами. Процесс трансформации  поступивших в почву в процессе техногенеза ТМ включает следующие  стадии:

1)  преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);

2)  растворение гидроксидов тяжелых металлов

3)  образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Свинец (Pb). Приоритетный элемент-токсикант. Все  растворимые соединения свинца ядовиты. По сравнению с другими ТМ он наименее подвижен, причем степень подвижности  элемента сильно снижается при известковании  почв. Подвижный Pb присутствует в виде комплексов с органическим веществом. При высоких значениях  свинец закрепляется в почве химически  в виде гидроксида, фосфата, карбоната.

Кадмий.По химическим свойствам близок к цинку, но отличается от него большей подвижностью в кислых средах и лучшей доступностью для растений. В почвенном растворе металл присутствует и образовывает комплексные ионы и органические хелаты. Главный фактор, определяющий содержание элемента в почвах при  отсутствии антропогенного влияния, –  материнские породы. Подвижность  кадмия в почве зависит от среды  и окислительно-восстановительного потенциала. Загрязнение почвенного покрова кадмием считается одним  из наиболее опасных экологических  явлений, так как он накапливается  в растениях выше нормы даже при  слабом загрязнении почвы.

5. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В РАСТЕНИЯХ

Растительная  пища является основным источником поступления  ТМ в организм человека и животных..

Химический  состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление ТМ растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Механизмы устойчивости растений к избытку ТМ могут проявляться  по разным направлениям: одни виды способны накапливать высокие концентрации ТМ, но проявлять к ним толерантность; другие стремятся снизить их поступление  путем максимального использования  своих барьерных функций. Для  большинства растений первым барьерным  уровнем являются корни, где задерживается  наибольшее количество ТМ, следующий  – стебли и листья, и, наконец, последний  – органы и части растений, отвечающие за воспроизводительные функции (чаще всего семена и плоды, а также  корне- и клубнеплоды и др.)

Однако  не всегда эти закономерности повторяются, что, вероятно, связано с условиями  произрастания растений и их генетической спецификой.

Другой  путь поступления ТМ в растения –  некорневое поглощение из воздушных  потоков. Оно имеет место при  значительном выпадении металлов из атмосферы на листовой аппарат, чаще всего вблизи крупных промышленных предприятий. Поступление элементов  в растения через листья (или фолиарное  поглощение) происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения  через кутикулу. ТМ, поглощенные  листьями, могут переносится в  другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Не представляют опасности для человека металлы, осаждающиеся с пылевыми выбросами  на листьях и стеблях, если перед  употреблением в пищу растения тщательно  промываются. Однако животные, поедающие  такую растительность, могут получить большое количество ТМ.

По  мере роста растений элементы перераспределяются по их органам. При этом для меди и цинка устанавливается следующая  закономерность в их содержанию: корни > зерно > солома. Для свинца, кадмия и стронция она имеет другой вид: корни > солома > зерно. Известно, что  наряду с видовой специфичностью растений в отношении накопления ТМ существуют и определенные общие  закономерности. Например, наиболее высокое  содержание ТМ обнаружено в листовых овощах и силосных культурах, а наименьшее – в бобовых, злаковых и технических  культурах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Биосферу  можно рассматривать как обобщенный объект анализа. На практике специалист той или иной области науки  имеет дело с какой-либо одной  составной его частью. Однако каждый конкретный объект находится в постоянной динамике, во взаимной связи с другими  объектами и поэтому меняет не только свой состав, но и свойства. Порой  эти изменения невелики, чтобы  их можно было заметить, нужен некоторый  период времени, в течение которого эти изменения произойдут. Однако используемые методы наблюдения, то есть биомониторинг, должны быть и чувствительными, и точными. Сложность окружающей среды как объекта анализа, ее изменчивость заставляют периодически проводить ревизию данных, совершенствовать и методы определения, и отдельные  этапы анализа. Недавно такую  ревизию провели в отношении  данных по распространенности ртути  и меди в окружающей среде. Оказалось, что ранее этапы пробоотбора  и пробоподготовки были недостаточно совершенны и включали в себя систематическую  ошибку. Ее учет в итоге привел к  тому, что данные по содержанию ртути  в отдельных объектах окружающей среды были завышены порой на порядок. Хотя прогноз по содержанию ртути  в атмосферных выбросах на период до 2025 года предполагает удвоение количеств  этого токсиканта, уже сейчас установлено, что в действительности ее концентрация меньше почти на порядок. Подобный же критический анализ данных ожидается  и по оценке содержания меди.