Тяжелые металлы в почве

добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве

аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального

стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и

др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности

таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает

угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и прежде

всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.

С сожалением надо отметить, что в России отсутствует

государственная политика по правовому, нормативному и экономическому

регулированию влияния свинца на состояние окружающей среды и здоровье

населения, по снижению выбросов (сбросов, отходов) свинца и его соединений

в окружающую среду, полному прекращению производства свинецсодержащих

бензинов.

Вследствие чрезвычайно неудовлетворительной просветительной работы

по разъяснению населению степени опасности воздействия тяжелых металлов на

организм человека, в России не снижается, а постепенно увеличивается

численность контингентов, имеющих профессиональный контакт со свинцом.

Случаи хронической свинцовой интоксикации зафиксированы в 14 отраслях

промышленности России. Ведущими являются электротехническая промышленность

(производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия и цветная

металлургия, в них интоксикация обусловлена превышением в 20 и более раз

предельно допустимой концентрации (ПДК) свинца в воздухе рабочей зоны.

Значительным источником свинца являются автомобильные выхлопные

газы, так как половина России все еще использует этилированный бензин.

Однако металлургические заводы, в частности медеплавильные, остаются

главным источником загрязнений окружающей среды. И здесь есть свои лидеры.

На территории Свердловской области находятся 3 самых крупных источника

выбросов свинца в стране: в городах Красноуральск, Кировград и Ревда.

Дымовые трубы Красноуральского медеплавильного завода, построенного еще

в годы сталинской индустриализации и использующего оборудование 1932 года,

ежегодно извергают на 34-тысячный город 150 -170 тонн свинца, покрывая все

свинцовой пылью.

Концентрация свинца в почве Красноуральска варьируется от 42,9 до 790,8

мг/кг при предельно допустимой концентрации ПДК=130 мк/кг. Пробы воды в

водопроводе соседнего пос. Октябрьский, питаемого подземным водоисточником,

фиксировали превышение ПДК до двух раз.

Загрязнение окружающей среды свинцом оказывает влияние на

состояние здоровья людей. Воздействие свинца нарушает женскую и мужскую

репродуктивную систему. Для женщин беременных и детородного возраста

повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность, так как под

действием свинца нарушается менструальная функция, чаще бывают

преждевременные роды, выкидыши и смерть плода вследствие проникновения

свинца через плацентарный барьер. У новорожденных детей высока смертность.

Отравление свинцом чрезвычайно опасно для маленьких детей - он

действует на развитие мозга и нервной системы. Проведенное тестирование 165

красноуральских детей от 4 лет выявило существенную задержку психического

развития у 75,7%, а у 6,8% обследованных детей обнаружена умственная

отсталость, включая олигофрению.

Дети дошкольного возраста наиболее восприимчивы к вредному

воздействию свинца, поскольку их нервная система находится в стадии

формирования. Даже при низких дозах свинцовое отравление вызывает снижение

интеллектуального развития, внимания и умения сосредоточиться, отставание в

чтении, ведет к развитию агрессивности, гиперактивности и другим проблемам

в поведении ребенка. Эти отклонения в развитии могут носить длительный

характер и быть необратимыми. Низкий вес при рождении, отставание в росте и

потеря слуха также являются результатом свинцового отравления. Высокие дозы

интоксикации ведут к умственной отсталости, вызывают кому, конвульсии и

смерть.

Белая книга, опубликованная российскими специалистами, сообщает,

что свинцовое загрязнение покрывает всю страну и является одним из

многочисленных экологических бедствий в бывшем Советском Союзе, которые

стали известны в последние годы. Большая часть территории России испытывает

нагрузку от выпадения свинца, превышающую критическую для нормального

функционирования экосистемы. В десятках городов отмечается превышение

концентраций свинца в воздухе и почве выше величин, соответствующих ПДК.

Наибольший уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий ПДК,

отмечался в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш,

Владимир, Владивосток.

Максимальные нагрузки выпадения свинца, ведущие к деградации наземных

экосистем, наблюдаются в Московской, Владимирской, Нижегородской,

Рязанской, Тульской, Ростовской и Ленинградской областях.

Стационарные источники ответственны за сброс более 50 тонн свинца

в виде различных соединений в водные объекты. При этом 7 аккумуляторных

заводов сбрасывают ежегодно 35 тонн свинца через канализационную систему.

Анализ распределения сбросов свинца в водные объекты на территории России

показывает, что по этому виду нагрузки лидируют Ленинградская, Ярославская,

Пермская, Самарская, Пензенская и Орловская области.

В стране необходимы срочные меры по снижению свинцового загрязнения,

однако пока экономический кризис России затмевает экологические проблемы. В

затянувшейся промышленной депрессии Россия испытывает недостаток средств

для ликвидации прежних загрязнений, но если экономика начнет

восстанавливаться, а заводы вернутся к работе, загрязнение может только

усилиться.

10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР

(Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного

города)

|1. Рудная Пристань |свинец, цинк, медь, марганец+ванадий,|

|(Примор. край) |марганец. |

|2. Белово (Кемеровская область) |цинк, свинец, медь, никель. |

|3. Ревда (Свердловская область) |медь, цинк, свинец. |

|4. Магнитогорск |никель, цинк, свинец. |

|5. Глубокое (Белоруссия) |медь, свинец, цинк. |

|6. Усть-Каменогорск (Казахстан) |цинк, медь, никель. |

|7. Дальнегорск |свинец, цинк. |

|(Приморский край) | |

|8. Мончегорск (Мурманская обл.) |никель. |

|9. Алаверди (Армения) |медь, никель, свинец. |

|10. Константиновка (Украина) |свинец, ртуть. |

3.4. Понятие "тяжелые металлы".

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам,

наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих

веществ, получил в последнее время значительное распространение. В

различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение

этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе

тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев

принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса,

плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень

вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под

определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким

(например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды

и экологического мониторинга, 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. При этом немаловажную 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.

Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество

элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической

деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и

загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не

равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит

сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями

приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в

ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических

веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в

биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd,

As. С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых

металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и

занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в

европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым

металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят

благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn,

Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов

чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В

зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал,

наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в

состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений,

которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить

в состав минеральных и органических взвесей.

Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма

разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической

полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и

комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как

каталитические свойства металлов, так и доступность для водных

микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти

комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных

водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и

являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями

железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых

металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной,

слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы

способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния.

Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь

поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в

природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую

доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание,

но и долю свободных и связанных форм металла.

Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три

следствия:

1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за

счет перехода его в раствор из донных отложений;

2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться

от проницаемости гидратированных ионов;

3. Токсичность металла в результате комплексообразования может сильно

измениться.

Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы.

Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных

водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и

токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю

связанных и свободных форм [34].

Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды

гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной

металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав

удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с

сельскохозяйственных угодий.

Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано

с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных

осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из

сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в

свободное.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые в наибольшей

степени загрязняют атмосферу ввиду использования их в значительных объемах

в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде

представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности

и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут,

кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и

мышьяк.

Биогеохимические свойства тяжелых металлов

|Свойство |.Cd.|.Co.|.Cu.|.Hg.|.Ni.|.Pb.|.Zn .|

|Биохимическая активность|В |В |В |В |В |В |В |

|Токсичность |В |У |У |В |У |В |У |

|Канцерогенность |— |В |— |— |В |— |— |

|Обогащение аэрозолей |В |Н |В |В |Н |В |В |

|Минеральная форма |В |В |Н |В |Н |В |Н |

|распространения | | | | | | | |

|Органическая форма |В |В |В |В |В |В |В |

|распространения | | | | | | | |

|Подвижность |В |Н |У |В |Н |В |У |

|Тенденция к |В |В |У |В |В |В |У |

|биоконцентрированию | | | | | | | |

|Эффективность накопления|В |У |В |В |У |В |В |

|Комплексообразующая |У |Н |В |У |Н |Н |В |

|способность | | | | | | | |

|Склонность к гидролизу |У |Н |В |У |У |У |В |

|Растворимость соединений|В |Н |В |В |Н |В |В |

|Время жизни |В |В |В |Н |В |Н |В |

В — высокая, У — умеренная, Н — низкая

Ванадий.

Ванадий находится преимущественно в рассеянном состоянии и

обнаруживается в железных рудах, нефтях, асфальтах, битумах, горючих

сланцах, углях и др. Одним из главных источников загрязнения природных вод

ванадием являются нефть и продукты ее переработки.

В природных водах встречается в очень малой концентрации: в воде рек

0.2 - 4.5 мкг/дм3, в морской воде - в среднем 2 мкг/дм3

В воде образует устойчивые анионные комплексы (V4O12)4- и (V10O26)6-. В

миграции ванадия существенна роль растворенных комплексных соединений его с

органическими веществами, особенно с гумусовыми кислотами.

Повышенные концентрации ванадия вредны для здоровья человека. ПДКв

ванадия составляет 0.1 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности —

санитарно-токсикологический), ПДКвр - 0.001 мг/дм3.

Висмут

Естественными источниками поступления висмута в природные воды являются

процессы выщелачивания висмутсодержащих минералов. Источником поступления в

природные воды могут быть также сточные воды фармацевтических и парфюмерных

производств, некоторых предприятий стекольной промышленности.

В незагрязненных поверхностных водах содержится в субмикрограммовых

концентрациях. Наиболее высокая концентрация обнаружена в подземных водах и

составляет 20 мкг/дм3, в морских водах - 0.02 мкг/дм3. ПДКв составляет 0.1

мг/дм3

Железо

Главными источниками соединений железа в поверхностных водах являются

процессы химического выветривания горных пород, сопровождающиеся их

механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с

содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами

образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в

растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества

железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий

металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной

промышленности и с сельскохозяйственными стоками.

Фазовые равновесия зависят от химического состава вод, рН, Eh и в

некоторой степени от температуры. В рутинном анализе во взвешенную форму

выделяют частицы с размером более 0.45 мк. Она представляет собой

преимущественно железосодержащие минералы, гидрат оксида железа и

соединения железа, сорбированные на взвесях. Истинно растворенную и

коллоидную форму обычно рассматривают совместно. Растворенное железо

представлено соединениями, находящимися в ионной форме, в виде

гидроксокомплекса и комплексов с растворенными неорганическими и

органическими веществами природных вод. В ионной форме мигрирует главным

образом Fe(II), а Fe(III) в отсутствие комплексообразующих веществне может

в значительных количествах находиться в растворенном состоянии.

Железо обнаруживается в основном в водах с низкими значениями Eh.

В результате химического и биохимического (при участии железобактерий)

окисления Fe(II) переходит в Fe(III), который, гидролизуясь, выпадает в

осадок в виде Fe(OH)3. Как для Fе(II), так и для Fe(III) характерна

склонность к образованию гидроксокомплексов типа [Fe(OH)2]+, [Fe2(OH)2]4+,

[Fe(OH)3]+, [Fe2(OH)3]3+, [Fe(OH)3]- и других, сосуществующих в растворе в

разных концентрациях в зависимости от рН и в целом определяющих состояние

системы железо-гидроксил. Основной формой нахождения Fe(III) в

поверхностных водах являются комплексные соединения его с растворенными

неорганическими и органическими соединениями, главным образом гумусовыми

веществами. При рН = 8.0 основной формой является Fe(OH)3 .Коллоидная форма

железа наименее изучена, она представляет собой гидрат оксида железа

Fe(OH)3 и комплексы с органическими веществами.

Содержание железа в поверхностных водах суши составляет десятые доли

миллиграмма, вблизи болот - единицы миллиграммов. Повышенное содержание

железа наблюдается в болотных водах, в которых оно находится в виде

комплексов с солями гуминовых кислот - гуматами. Наибольшие концентрации

железа (до нескольких десятков и сотен миллиграммов в 1 дм3) наблюдаются в

подземных водах с низкими значениями рН.

Являясь биологически активным элементом, железо в определенной степени

влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав

микрофлоры в водоеме.

Концентрация железа подвержена заметным сезонным колебаниям. Обычно в

водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней

стагнации заметно увеличение концентрации железа в придонных слоях воды.

Осенне-весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается

окислением Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3.

Содержание железа в воде выше 1-2 мг Fe/л значительно ухудшает

органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает

воду малопригодной для использования в технических целях. ПДКв железа

составляет 0.3 мг Fe/дм3 (лимитирующий показатель вредности —

органолептический), ПДКвр для железа - 0.1 мг/дм3

Кадмий

В природные воды поступает при выщелачивании почв, полиметаллических и

медных руд, в результате разложения водных организмов, способных его

накапливать. Соединения кадмия выносятся в поверхностные воды со сточными

водами свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда

химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического

производства, а также с шахтными водами. Понижение концентрации

растворенных соединений кадмия происходит за счет процессов сорбции,

выпадения в осадок гидроксида и карбоната кадмия и потребления их водными

организмами.

Растворенные формы кадмия в природных водах представляют собой главным

образом минеральные и органо-минеральные комплексы. Основной взвешенной

формой кадмия являются его сорбированные соединения. Значительная часть

кадмия может мигрировать в составе клеток гидробионтов.

В речных незагрязненных и слабозагрязненных водах кадмий содержится в

субмикрограммовых концентрациях, в загрязненных и сточных водах

концентрация кадмия может достигать десятков микрограммов в 1 дм3.

Соединения кадмия играют важную роль в процессе жизнедеятельности

животных и человека. В повышенных концентрациях токсичен, особенно в

сочетании с другими токсичными веществами.

ПДКв составляет 0.001 мг/дм3, ПДКвр — 0.0005 мг/дм3 (лимитирующий

признак вредности — токсикологический).

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. Некоторые количества кобальта

Страницы: 1, 2, 3, 4