Проблема техногенного рассеяния тяжелых металлов

Основные характеристики На сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. Роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

Природные источники Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брусит, ильменит, анатаз), хрома (FeCr2O4). Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.

Источники загрязнения Основной поставщик тяжелых металлов – предприятия цветной металлургии (выброс при высокотемпературных процессах ). Сильное загрязнение свинцом и другими тяжелыми металлами наблюдается вокруг автострад. Часть техногенных выбросов тяжелых металлов поступает в атмосферу в виде тонких аэрозолей и переносится на значительные расстояния, приводя к глобальному загрязнению. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий.

Особенность Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: для цинка от 70 до 510 лет; кадмия от 13 до 11О лет, меди от 310 до 1500 лет, свинца от 770 до 5900 лет.

Некоторые виды металлов Кадмий. В природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его накапливать. Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедеятельности животных и человека. В повышенных концентрациях токсичен, особенно в сочетании с другими токсичными веществами. В незагрязненном воздухе над океаном средняя концентрация кадмия составляет 0,005 мкг/м3, в сельских местностях - до 0,05 мкг/м3, а в районах размещения предприятий, в выбросах которых он содержится (цветная металлургия, ТЭЦ, работающие на угле и нефти, производство пластмасс и т.п.), и промышленных городах - до 0,3-0,6 мкг/м3. Наиболее интенсивные источники загрязнения окружающей среды кадмием - металлургия и гальванопокрытия, а также сжигание твердого и жидкого топлива.

Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность кадмия для человека, который чрезвычайно медленно выводится из человеческого организма. Хроническое отравление кадмием имеет следующие признаки: поражение почек, нервной системы, легких, нарушение функций половых органов, боли в костях скелета. Этот комплекс нарушений называют болезнью "итай-итай" (сильные боли, деформация скелета, переломы костей, повреждения почек). Имеются достоверные доказательства канцерогенной опасности кадмия.

Кобальт. В природные воды соединения кобальта попадают в результате процессов выщелачивания их из медноколчедановых и других руд, из почв при разложении организмов и растений, а также со сточными водами металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов. Кобальт относится к числу биологически активных элементов. С недостаточным содержанием кобальта связано развитие малокровия. Входя в состав витамина В12, кобальт весьма активно влияет на поступление азотистых веществ, увеличение содержания хлорофилла и аскорбиновой кислоты, активизирует биосинтез и повышает содержание белкового азота в растениях. Вместе с тем повышенные концентрации соединений кобальта являются токсичными. В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах его содержание колеблется от десятых до тысячных долей миллиграмма в 1 дм3, среднее содержание в морской воде 0.5 мкг/дм3.

Цинк. Попадает в природные воды в результате протекающих в природе процессов разрушения и растворения горных пород и минералов (сфалерит, цинкит, госларит, смитсонит, каламин), а также со сточными водами рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна и др. В речных водах концентрация цинка обычно колеблется от 3 до 120 мкг/дм 3, в морских - от 1.5 до 10 мкг/дм 3. Содержание в рудных и особенно в шахтных водах с низкими значениями рН может быть значительным. Цинк относится к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие организмов. В то же время многие соединения цинка токсичны, прежде всего его сульфат и хлорид.

Ртуть. Основными источниками загрязнения окружающей среды этим элементом являются: пирометаллургические процессы получения металла, сжигание органических видов топлива, сточные воды, производство цветных металлов, красок, фунгицидов и т.д. Наиболее опасным соединением ртути является метилртуть (болезнь Минамата: нарушение обмена веществ, органов чувств, поведения). Выбросы ртути в окружающую среду в результате деятельности человека весьма значительны. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 6000 тонн ежегодно, причем менее половины 2500 т составляют поступления от естественных источников. Соединения ртути попадают в водную среду, где активно аккумулируются планктонными организмами, представляющими пищу для ракообразных, а последние поедаются рыбами, которых поедают птицы, в печени которых ртуть обнаруживается в больших количествах.

Ртуть обладает широким спектром токсических эффектов на теплокровных: нарушение биосинтеза белков и окислительного фосфорилирования в митохондриях почек и печени; возникновение биохимических сдвигов в организме; нейротоксическое, гонадотоксическое, генотоксическое, эмбриотоксическое и тератогенное воздействие. Под действием токсических концентраций органических соединений ртути происходит нарастание интенсивности процессов свободнорадикального окисления. Особо чувствительными к действию ртути являются эмбрионы. Несмотря на достаточную изученность, экологическая опасность ртути и последствий ее действия представляет собой сегодня серьезную проблему в экотоксикологии.

Свинец широко используется в производстве кабелей, для защитных экранов от гамма-излучения, при производстве электрических аккумуляторов, красок и пигментов, в химическом машиностроении, пиротехнике, полиграфии, сельском хозяйстве. Еще один источник попадания свинца в организм человека свинцовая посуда. Основными источниками загрязнения биосферы этим элементом являются: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературные технологические процессы, добыча и переработка металла. Перенос свинца в окружающей среде и его распространение в объектах окружающей среды происходит главным образом через атмосферу. Свинец является канцерогенным элементом. Токсичность его неорганические соединения неоднородна и убывает в зависимости от вида соединения: нитрат > хлорид > оксид > карбонат > ортофосфат. Люди подвергаются воздействию свинца при потреблении загрязненных пищи и воды, а также и при дыхании. Концентрация свинца в костях современного человека в раз превышает его содержание в скелетах людей живших 1600 лет назад.

Мышьяк является одним из самых опасных тяжелых металлов, поскольку имеет широкое распространение в объектах окружающей среды и вызывает тяжелые последствия в живых системах. Разнообразные соединения мышьяка находят широкое применение в сельском и лесном хозяйстве как пестициды и гербициды, применяются в медицине и ветеринарии, стекольной, керамической, текстильной и кожевенной промышленности, электронике, электротехнике, оптике, при производстве красителей, зеркал и в других областях. Ежегодно в мире промышленно производится более тонн соединений As. Мышьяк является одним из самых опасных тяжелых металлов, поскольку имеет широкое распространение в объектах окружающей среды и вызывает тяжелые последствия в живых системах. Разнообразные соединения мышьяка находят широкое применение в сельском и лесном хозяйстве как пестициды и гербициды, применяются в медицине и ветеринарии, стекольной, керамической, текстильной и кожевенной промышленности, электронике, электротехнике, оптике, при производстве красителей, зеркал и в других областях. Ежегодно в мире промышленно производится более тонн соединений As. Антропогенные источники поступления мышьяка в окружающую среду – добыча и переработка мышьяксодержащих руд, пиррометаллургия, сжигание природных видов топлива – каменного угля, сланцев, нефти, торфа, а также производство и использование суперфосфатов, содержащих мышьяк ядохимикатов, препаратов и антисептиков. Токсические эффекты соединений мышьяка хорошо и давно известны.

Избирательность накопления Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайниов. Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по- разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость. Особый интерес представляет изучение животных, являющихся чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязения экосистем. Располагая сведениями о содержании тяжелых металлов у млекопитающих, можно прогнозировать их влияние на организм человека.

Избирательное накопление некоторых химических элементов в органах человека Предстательная железа Zn, Sr Предстательная железа Zn, Sr Кишечник Sn Кишечник Sn Ногти, волосы As, V, Tl, Hg, Al Ногти, волосы As, V, Tl, Hg, Al Мозг Cu Слизистая оболочка глаз Ba Слизистая оболочка глаз Ba Почки Cd, Hg, Mg Почки Cd, Hg, Mg

Биогеохимические свойства тяжелых металлов СвойствоCdCoCuHgNiPbZn Биохимическая активностьВВВВВВВ ТоксичностьВУУВУВУ Канцерогенность-B--B-- Обогащение аэрозолейBHBBHBB Минеральная форма распространенияBBHBHBH Органическая форма распространенияBBBBBBB ПодвижностьBHУВНВУ Тенденция к биоконцентрированиюВВУВВВУ Эффективность накопленияВУВВУВВ Комплексообразующая способностьУНВУННВ Склонность к гидролизуУНВУУУВ Растворимость соединенийВНВВНВВ Время жизниВВВНВНВ В- высокая, У - умеренная, Н - низкая

Заключение Все компоненты биосферы тесно связаны и взаимообусловлены, и бесконтрольное загрязнение почв и других сопредельных сред чужеродными для живых организмов компонентами может угрожать существованию жизни на Земле, так как тяжелые металлы и радиоактивные элементы накапливаются в костях, тканях, крови человека, отравляя организм и вызывая мутационные изменения с непредвиденными последствиями.