6. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, не смотря на очистные мероприятия содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс. т ртути, причем значительная часть – антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т/год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. Свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями предприятиями металлургической промышленности определяется спецификой их производственной деятельности: непосредственное производство свинца и его соединений; попутное извлечение свинца из других видов сырья, содержащих свинец в виде примеси; очистка получаемой продукции от примеси свинца и т.д.

В 1995 г. из общего выброса свинца металлургической промышленностью в атмосферу (671 т) около 98,4% приходилось на предприятия цветной металлургии. Из 640 кг в год свинца, сбрасываемого в водные объекты со сточными водами, 570 кг (89%) принадлежало предприятиям, производящим цветные металлы. Сравнительно небольшие выбросы свинца предприятиями черной металлургии Российской Федерации определяются отсутствием в сырье сколь-либо значительного содержания свинца, хотя в ряде развитых стран мира наличие в рудном сырье и скрапе свинца создает серьезные экологические проблемы в доменном, мартеновском и электроплавильном пределах.

99,86% выбрасываемого в атмосферу свинца приходится на долю 11 из 30 предприятий цветной металлургии, в том числе около 94% этого металла выбрасывают 5 предприятий: Среднеуральский медеплавильный завод (291 т/год); АО «Святогор» - Красноуральский медеплавильный комбинат (170 т/год); Кировградский медеплавильный комбинат (114 т/год); АО «Дальполиметалл» (28 т/год); завод «Электроцинк» (16 т/год).

Анализ источников выброса свинца показал:

57% свинца выбрасывается в атмосферу с большими объемами запыленных газов отражательной плавки медного (свинецсодержащего) сырья, которые на всех заводах, использующих эту технологию, направляют в дымовые трубы без пылеочистки;

37% свинца выбрасываетс с конвертными газами из-за отсутствия или недостаточности степени очистки их от богатой по содержанию свинца возгонной пыли;

существенным фактором является недостаточная эффективность существующих на предприятиях цветной металлургии средств пылеулавливания.

Загрязняя почву, цинк и фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение питательных веществ в почве. Растворимые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы разрушает почвенную структуру, снижает водопроницаемость почв и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности. Поскольку тяжелые металлы и в продуктах сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов.

Вблизи предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более разнообразными по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов. В лесных фитоценозах первыми реагируют на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное воздействие вызывает в нем сухостойкие явления.

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Эффективно также использование для этих целей ряд косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения и поведения видов – индикаторов среди растений, беспозвоночных и микроорганизмов.

Для выявления пространственных закономерностей проявления загрязнения почв используют сравнительно-географический метод, методы картирования структурных компонентов биогеоценозов, в том числе и почв. Такие карты не только регистрируют уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и соответствующие изменения в напочвенном покрове, но позволяют прогнозировать изменение состояния природной среды.

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время сотрудниками институтов гигиены предприняты попытки определить ПДК металлов в почве. В качестве тест-растений рекомендованы ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности на 5-10%. Предложены ПДК для ртути – 25 мг/кг, мышьяка – 12-15, кадмия – 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.).: свинец – 10, ртуть – 0,04, хром – 2, кадмий – 3, цинк и марганец – 300, медь – 150, кобальт – 5, молибден и никель – 3, ванадий – 2.

Защита почв от загрязнений тяжелыми металлами базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора при одной технологии расходуют 45 кг ртути, а при другой – 14-18 кг. В перспективе считают возможным снизить эту величину до 0,1 кг. Новая стратегия охраны почв от загрязнения тяжелыми металлами заключена также в создании замкнутых технологических систем, в организации безотходных производств.

7. Классификация твердых отходов черной металлургии, их характеристики

Классификация отходов производства возможна по различным признакам, среди которых основными можно считать следующие:

по отраслям промышленности – черная и цветная металлургия, рудо- и угледобывающая промышленность, нефтяная и газовая и т.д.;

по фазовому составу – твердые (пыли, шламы, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углерода, азота, соединение серы и др.);

по производственным циклам – при добыче сырья (вскрышные и овальные породы), при обогащении (хвосты, шламы, сливы), в пирометаллургии (шлаки, шламы, пыли, газы), в гидрометаллургии (растворы, осадки, газы).

На металлургическом комбинате с замкнутым циклом (чугун-сталь-прокат) твердые отходы могут быть двух видов – пыли и шлаки. Довольно часто применяется мокрая газоочитска, тогда вместо пыли отходом является шла. Наиболее ценными для черной металлургии являются железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина), в то время как шлаки в основном используются в других отраслях промышленности.

При работе основных металлургических агрегатов образуется большое количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается газоочистными сооружениями и затем либо подается в шламонакопитель, либо направляется на последующую переработку.

Шламы можно разделить на:

шламы агломерационных фабрик;

шламы доменного производства:

1. газоочисток доменных печей;

б) подбункерных помещений доменных печей;

шламы газоочисток мартеновских печей;

шламы газоочисток конвертеров;

шламы газоочисток электросталеплавильных печей.

богатые (55-67%) – пыль и шлам газоочисток мартеновских печей и конвертеров;

б) относительно богатые (40-55%) – шламы и пыли аглодоменного производства;

в) бедные (30-40%) – шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства.

Основными характеристиками шламов являются химический и гранулометрический состав, однако при подготовке шламов к утилизации необходимо знать такие параметры, как плотность, влажность, удельный выход и др. Следует отметить, что пыли (шламы) металлургических предприятий по химическому составу отличаются друг от друга, поэтому эти характеристики представлены далее в усредненном виде.

Шламы пылеулавливающих устройств доменной печи образуются при очистке газов, выходящих из нее. Перед ними устанавливаются радиальные или тангенциальные сухие пылеуловители, в которых улавливается наиболее крупная пыль, которая возвращается в аглопроизводство как компонент шихты. Химический состав шламов по основным компонентам, %:Feобщ 30-50;СаО 5.0-8.5; SiO2 6.0-12%; MgО 1.5-2.0; Soбщ 0.2-0.9; Собщ 2.5-30; Al2О3 1.2-3.0; P 0.015-0.05; Zn 0.05-5.3. Плотность их колеблется в пределах 2.7-3.8 г/см, удельный выход в среднем составляет 2.75-3.84%. Коэффициент использования этих шламов изменяется (для разных предприятий) довольно значительно – от 0.1 до 0.8. Это довольно тонкодисперсный материал: фракции >0.063 мм до 10-13%, 0.016-0.032 мм от 16 до 50% и 1%), что требует предварительного обесцинкования шламов.

8. Перспективы развития

В обозримой перспективе должны произойти существенные изменения в техническом состоянии металлургического комплекса, в процессах природопользования, что позволит в значительной степени решить многие экологические проблемы. Только в цветной металлургии ожидается снижение количество вредных загрязняющих выбросов на 12 – 15% и на подавляющем большинстве предприятий будут достигнуты нормы предельно допустимых выбросов. Рост применения систем разработки с закладкой выработанного пространства в районах добычи сырья на 20%, предусмотренный программой развития металлургии в России, позволит наряду с улучшением технических показателей при добыче руд обеспечить сохранность земной поверхности в горном отводе, значительно снизить расход материалов на крепление, в том числе очень дорогостоящих металлов.

Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и месторождениях.

Список использованной литературы:

Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году» // Министерство природных ресурсов РФ, Москва, 2003 г.

Справочное пособие «Защита атмосферы от промышленных загрязнений» // Под редакцией С. Калверта и Г.М. Инглунда (перевод с английского), Москва «Металлургия», 1988 г.

Справочное пособие по географии «География хозяйства России», «Физическая география» // Пашканг К. В.

Анализ производственно-хозяйственной деятельности предприятий черной металлургии // Юзов О. В., Москва «Металлургия», 1980 г.

Загрязнение воды органическими веществами

Органические вещества поступают из бытовых, сельскохозяйственных или промышленных стоков. Их разложение происходит под действием микроорганизмов и сопровождается потреблением растворенного в воде кислорода.

Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей.

Во время сброса и прохождения органических отходов сквозь столб воды часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды - другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде, часто к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению металлов в растворённой форме, появлению сероводорода. Присутствие большого количества органических веществ создаёт в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый вид иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов. Воздействию сбрасываемых материалов в разной степени подвергаются организмы бентоса.

Загрязнение воды нефтью и нефтепродуктами

Одним из основных загрязнителей воды является нефть и нефтепродукты. Основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья.

Нефтяное загрязнение проходит в несколько стадий. Сначала нефтепродукты тонкой плёнкой покрывают поверхность воды. Затем через некоторое время образуется эмульсия нефти в воде или воды в нефти. Далее возникают комочки тяжёлой фракции нефти, нефтяные агрегаты, которые способны долго плавать на поверхности воды.

Все компоненты нефти токсичны для организмов. При нефтяном загрязнении изменяется соотношение видов и изменяется их разнообразие. Например, в большом количестве развиваются микроорганизмы, питающиеся нефтяными углеводородами, а биомасса этих организмов ядовита для многих морских обитателей. Ароматическая фракция нефти содержит вещества канцерогенной и мутагенной природы, например бензапирен. Поверхностные нефтяные плёнки нарушают газообмен между атмосферой и водой. Изменяются процессы растворения и выделения кислорода, углекислого газа, теплообмена воды.

Загрязнение воды тяжёлыми металлами

К основным тяжёлым металлам, загрязняющим гидросферу, необходимо отнести ртуть, свинец, цинк, хром, олово и марганец. Наибольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец, кадмий и их соединения.

По своему токсичному действию в морской среде особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в гораздо более токсичные органические формы ртути (например, метилртуть), которые накапливаются в рыбе или в моллюсках.

Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. Например, в 1977 г. в Японии в заливе Минамато в результате сброса в воды залива неочищенных сточных вод предприятиями по производству хлорвинила и ацетальдегида более 28000 человек погибло от отравления соединениями ртути, используемыми на заводах в качестве катализатора. Из-за большого числа жертв было даже предложено специальное название -- болезнь Минамото.

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

Тяжёлые металлы - это элементы периодической системы химических элементов, с молекулярной массой свыше 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «тяжелых металлов» во многом совпадает с группой микроэлементов. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения оказывают вредное воздействие на организм. К ним относятся: свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий.

Тяжелые металлы, попадая в организм, остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока.Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие - вызывают отравления, мутации. Кроме того, что сами они отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его - ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки - за их выведение из организма.

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).

В водоёмы тяжелые металлы поступают обычно со стоками горнодобывающих и металлургических предприятий, а также предприятий химической и легкой промышленности, где их соединения используют в различных технологических процессах. Например, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель используются для гальванического покрытия поверхностей металлических изделий. Соединения меди, цинка, кобальта, титана используются в качестве красителей и т.д.

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

Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения. 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.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет.

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах.

В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высокая токсичность и других тяжелых металлов - кобальта, серебра, золота, урана и других. Вообще, высокая токсичность для живых существ - это характерное свойство соединений и ионов тяжелых металлов.

В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. Среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа: кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны.

Токсическое действие тяжёлых металлов на организм усиливается тем, что многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так, в водных средах ионы этих металлов гидратированы и способны образовывать различные гидроксокомплексы, состав которых зависит от кислотности раствора. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы тяжёлых металлов образуют разнообразные комплексы различного строения и устойчивости.

К примеру ртуть, легко образуют соединения и комплексы с органическими веществами в растворах и в организме, хорошо усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи. По классу опасности ртуть относится к первому классу (чрезвычайно опасное химическое вещество). Ртуть реагирует с SH-группами белковых молекул, среди которых – важнейшие для организма ферменты. Ртуть также реагирует с белковыми группами - СООН и NH 2 с образованием прочных комплексов – металлопротеидов. А циркулирующие в крови ионы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение нормальной работы белков-ферментов приводит к глубоким нарушениям в организме, и прежде всего – в центральной нервной системе, а также в почках.

Особенно опасны выбросы в воду ртути, поскольку в результате деятельности населяющих дно микроорганизмов происходит образование растворимых в воде токсичных органических соединений ртути, которые намного более токсичны, чем неорганические. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH 3) 2 Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH 3 + . Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку; сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем – в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб.

Тяжёлые металлы проникают в живой организм, в основном, через воду (исключением является ртуть, пары которой очень опасны). Попав в организм, тяжёлые металлы чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его.

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 экосистемы.

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.

При этом сам металл-токсикант распределяется на следующие составляющие:

Металл в растворенной форме;

Сорбированный и аккумулированный фитопланктоном, то есть растительными микроорганизмами;

Удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды;

Адсорбированный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в растворимой форме;

Находящийся в адсорбированной форме на частицах взвеси.

Кроме аккумулирования металлов за счет адсорбции и последующей седиментации в поверхностных водах происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такого рода загрязнителей. Наиболее важный из них состоит в связывании ионов металлов в водной среде растворенными органическими веществами. При этом общая концентрация токсиканта в воде не меняется. Тем не менее, принято считать, что наибольшей токсичностью обладают гидратированные ионы металлов, а связанные в комплексы опасны в меньшей мере либо даже почти безвредны. Специальные исследования показали, что между общей концентрацией металла-токсиканта в природных поверхностных водах и их токсичностью нет однозначной зависимости.

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.

Различные поверхностные воды по-разному связывают ионы тяжёлых металлов, проявляя при этом различную буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор природных компонентов (гумусовые вещества, гуминовые кислоты и фульвокислоты) и их высокую концентрацию, способны к более эффективной природной детоксикации по сравнению с водами водоемов Севера и умеренной полосы. Поэтому токсичность вод, в которых оказались загрязнители, зависит и от климатических условий природной зоны. Следует отметить, что буферная емкость поверхностных вод по отношению к металлам-токсикантам определяется не только наличием растворенного органического вещества и взвесей, но и аккумулирующей способностью гидробионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими веществами. Все это говорит о сложности процессов, протекающих в поверхностных водах при попадании в них металлов-загрязнителей.

Что касается свинца, то половина от общего количества этого токсиканта поступает в окружающую среду в результате сжигания этилированного бензина. В водных системах свинец в основном связан адсорбционно со взвешенными частицами или находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. При биометилировании, как и в случае со ртутью, свинец в итоге образует тетраметилсвинец. В незагрязненных поверхностных водах суши содержание свинца обычно не превышает 3 мкг/л. В реках промышленных регионов отмечается более высокое содержание свинца. Снег способен в значительной степени аккумулировать этот токсикант: в окрестностях крупных городов его содержание может достигать почти 1 млн мкг/л, а на некотором удалении от них ~1-100 мкг/л.

Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. Иногда фитопланктон удерживает его с коэффициентом концентрирования до 105, как и ртуть. 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. В регионах с промышленными выбросами накопление тетраметилсвинца в тканях рыб протекает эффективно и быстро - острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1-0,5 мкг/л. В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций.

Другой важный загрязнитель водоёмов – 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.

Кадмий обычно проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям в сравнении с метилртутью и сопоставим по токсичности со свинцом. При содержании кадмия ~ 0,2-1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Интересен следующий зафиксированный эффект: токсичность кадмия заметно снижается в присутствии некоторых количеств цинка, что еще раз подтверждает предположение о возможности конкуренции ионов этих металлов в организме за участие в ферментативном процессе.

Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием. Известны случаи сильного отравления людей кадмием, попавшим в организм по трофическим цепям (болезнь итай-итай). Из организма кадмий выводится в течение длительного периода (около 30 лет).

В водных системах кадмий связывается с растворенными органическими веществами, особенно если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы SH. Кадмий образует также комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Как и в случае со ртутью и другими тяжёлыми металлами адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К МОДУЛЮ 3

1. Чем определяется роль Мирового океана как ключевого звена в биосфере?

2. Охарактеризуйте состав гидросферы.

3. Как взаимодействует гидросфера с другими оболочками Земли?

4. Каково значение водных растворов для живых организмов?

5. Перечислите наиболее распространенные химические элементы в составе гидросферы.

6. В каких единицах измеряется соленость морской воды?

7. На каких принципах построена классификация природных вод?

8. Химический состав природных вод.

9. Поверхностно-активные вещества в водоемах.

10. Изотопный состав воды.

11. Влияние кислотных дождей на объекты гидросферы.

12. Буферная емкость естественных водоемов.

13. Бионакопление тяжелых металлов, пестицидов, радионуклидов в организмах, обитающих в водной среде.

14. Горизонтальные и вертикальные перемещения водных масс.

15. Апвеллинг.

16. Круговорот природных вод.

17. Процессы окисления и восстановления в природных водоемах.

18. Нефтяные загрязнения природных вод.

19. Антропогенные загрязнения гидросферы.

20. Факты, характеризующие ухудшение состояния водного бассейна?

21. Приведите характеристики показателей качества воды.

22. Окисляемость грунтовых вод.

23. Основные физические свойства воды.

24. Аномалии физических свойств воды.

25. Поясните схему глобального круговорота воды?

26. Перечислите основные виды загрязнённых сточных вод.

27. Принципы оценки качества воды?

нарушение численности, возрастных и половых отличий внутривидовых популяций;

нарушение генетических отличий популяций;

нарушение трофических цепей и пирамид;

нарушение состава и структуры сообществ;

нарушение круговорота химических элементов и соединений в природе. Необходимо отметить, что нарушения, вызванные пестицидами, как,

впрочем, и другими химическими веществами, в большинстве случаев необратимы.

Таким образом, многочисленные факты свидетельствуют о том, что повреждающее действие пестицидов на окружающую среду весьма разнообразно и разнонаправленно. Теперь уже очевидно, что загрязнение биосферы в нашей стране является не только следствием научно-технического прогресса, в том числе химизации сельского хозяйства, но и представляет собой результат нерационального использования ресурсов природы.

5.2.3. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

В последнее время в литературе широко обсуждается загрязнение окружающей среды суперэкотоксикантами: кадмием, ртутью, свинцом.

Свинец . Известны случаи тяжёлых отравлений свинцом при употреблении водопроводной воды в странах Западной Европы. Высокие концентрации свинца в воде (0,6 –2,0 мг/л) были обусловлены применением свинцовых труб и резервуаров в системах водопровода. В нашей стране использование свинца в водопроводной практике запрещено.

В незагрязнённых озёрных и речных водах природное содержание свинца не превышает 0,01 мг/л, но может повышаться при поступлении сточных вод. Значительное количество свинца (от 50 до 70%) задерживается на очистных сооружениях водопровода при использовании обычных методов водоподготовки.

В настоящее время ни в производственных, ни в бытовых условиях не наблюдается тяжёлых свинцовых отравлений. Однако, накапливаясь в костях, свинец способен вызывать нарушения эритропоэза, поражать нервную систему, почки, приводить к раннему атеросклерозу. При концентрации свинца в питьевой воде 0,1 мг/л в организме кумулируется 50% поглощённого свинца, и его содержание в крови составляет 0,025 мг/л. Такое содержание свинца в

крови считается предельным, так как при небольшом его превышении нарушается образование эритроцитов. ПДК свинца в воде составляет 0,03 мг/л. Особенно важен контроль содержания свинца в пищевом сырье и воде для производства детского питания. Детский организм усваивает свинец в 3–4 раза интенсивнее, чем взрослый.

Кадмий – высокотоксичный элемент. В природных средах встречается, как правило, в невысоких концентрациях, не дающих биологических эффектов. В нормальных геохимических условиях содержание кадмия в природных условиях не превышает 0,05–1 мкг/л, хотя в техногенных кадмиевых геохимических провинциях достигает 10 мкг/л.

Источником более высоких концентраций (несколько десятков микрограммов на 1 л) кадмия в воде водных объектов служат неочищенные стоки промышленных предприятий. За рубежом применение металлических труб и резервуаров с гальваническим покрытием и некачественных пластмассовых труб для подачи и хранения воды в ряде случаев сопровождались повышением уровня кадмия в воде до 0,2–4 мг/л (ПДК кадмия в воде 0,001 мг/л). В водоёмах кадмий сорбируется взвешенными частицами и с ними оседает на дно. При повышении pH воды кадмий снова переходит в воду.

Опасность загрязнения окружающей среды и пищевых продуктов кадмием возникла лишь с конца XIX века, когда началась техногенная концентрация кадмия в природной среде обитания человека, особенно проявившаяся во второй половине XX века в связи с развитием электронной промышленности и производства люминофоров. Кадмий используется в атомной и ракетной технике, производстве щелочных аккумуляторов, входит в состав полимеров (в качестве стабилизатора), специальных сплавов и антикоррозийных покрытий, используемых в пищевой промышленности и водопроводной практике.

Токсичность низких доз кадмия, поступающих с водой (десятки микрограммов в 1 л), проявляется в тяжёлом поражении почек и связанной с этим гипертонической болезни. Имеются указания на гонадотоксическое действие кадмия. Доказательства того, что кадмий может оказывать канцерогенное влияние на организм человека, малоубедительны.

Ртуть широко распространена во всех элементах окружающей среды изза высокой летучести её паров, но гигиеническое значение имеют локальные очаги антропогенного загрязнения, к сожалению, часто встречающиеся как на урбанизированных территориях, так и в сельской местности.

Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжёлые металлы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк) и их соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью, многие из них - также способностью к накоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошая растворимость этих комплексов способствует миграции тяжелых металлов в природных водах. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, но при учете токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют значительно меньшее число элементов.

Загрязнение океана

Помимо сточных вод, большие массы соединений тяжелых металлов поступают в океан через атмосферу и с захоронением разнообразных отходов в Мировом океане. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий.

Ртуть

Ртуть переносится в океан с материковым стоком (прежде всего - из стока промышленных вод) и через атмосферу. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути. До трети от этого количества образуется при выветривании пород, содержащих ртуть (киноварь). Ртуть антропогенного происхождения попадает в атмосферу в первую очередь при сжигании угля на электростанциях. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. тонн) попадает в океан. Некоторые бактерии переводят токсичныехлориды ртути в еще более токсичную метилртуть. Соединения ртути накапливается многими морскими и пресноводными организмами в концентрациях, во много раз превышающих содержание ее в воде.

Употребление в пищу рыбы и морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению населения. Так, к 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Минамата, причиной которой послужило поступление в залив Минамата со сточными водами отходов предприятий, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Соединения ртути высокотоксичны для человека.

Свинец

Свинец - рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Помимо того, свинец поступает в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человека, в том числе с выхлопными газами поступает используемый в топливе тетраэтилсвинец. Через атмосферу океан получает 20-30 тысяч тонн свинца в год с континентальной пылью.

В организм человека свинец попадает как с пищей и водой, так и из воздуха. Свинец может выводиться из организма, однако малая скорость выведения может приводить к накоплению в костях, печени и почках.

Кадмий

Кадмий является относительно редким и рассеянным элементом, в природе концентрируется в минералах цинка. Поступает в природные воды в результате смыва почв, выветривания полиметаллических и медных руд, и со сточными водами рудообогатительных, металлургических и химических производств. Кадмий в норме присутствует в организме человека в микроскопических количествах. При накоплении организмом соединений кадмия поражается нервная система, нарушается фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.

Одним из распространенных, но еще недостаточно изученных видов ухудшения качества подземных вод является загрязнение органическими синтетическими веществами, входящими в состав многочисленных химических веществ, широко применяемых в про­мышленности, сельском хозяйстве и быту. Присутствие этих ве­ществ уже в очень малых количествах делает воду непригодной для питья. Трудность быстрого выявления и идентификации орга­нических загрязнителей обусловлена необходимостью применения специальных очень чувствительных методов исследований, которые при выборе источника водоснабжения и оценке качества питьевых вод ранее обычно не применялись.

Биоаккумуляция . Концентрация вещества организмом выше уровней, в которых это вещество присутствует в окружающей среде. Некоторые формы тяжелых металлов и хлорированных пестицидов, например ДДТ, могут биоаккумулироваться.

Факторы, влияющие на биоаккумуляцию. Склонность экотоксикантов к биоаккумуляции зависит от ряда факторов. Первый – персистирование ксенобиотика в среде. Степень накопления вещества в организме, в конечном счете, определяется его содержанием в среде. Вещества, быстро элиминирующиеся, в целом плохо накапливаются в организме. Исключением являются условия, при которых поллютант постоянно привносится в окружающую среду (регионы близ производств и т.д.).

Так, синильная кислота, хотя и токсичное соединение, в силу высокой летучести не является, по мнению многих специалистов, потенциально опасным экополлютантом. Правда, до настоящего времени не удалось полностью исключить, что некоторые виды заболеваний, нарушения беременности у женщин, проживающих близ золотодобывающих предприятий, где цианиды используются в огромных количествах, не связаны с хроническим действием вещества.

После поступления веществ в организм их судьба определяется токсикокинетическими процессами. Наибольшей способностью к биоаккумуляции обладают жирорастворимые (липофильные) вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как правило, основное место длительного депонирования ксенобиотиков. Так, спустя много лет после воздействия, высокое содержание ТХДД обнаруживали в жировой ткани и плазме крови ветеранов армии США, участников вьетнамской войны.

Многие липофильные вещества склонны к сорбции на поверхностях различных частиц, осаждающихся из воды и воздуха, что снижает их биодоступность. Например, сорбция бензапирена гуминовыми кислотами снижает способность токсиканта к биоаккумуляции тканями рыб в три раза. Рыбы из водоемов с низким содержанием взвешенных частиц в воде аккумулируют большее количество ДДТ, чем рыбы из эвтрофических водоемов с высоким содержанием взвеси.

Вещества, метаболизирующие в организме, накапливаются в меньшем количестве, чем можно было бы ожидать, исходя из их физико-химических свойств. Межвидовые различия значений факторов биоаккумуляции ксенобиотиков во многом определяются видовыми особенностями их метаболизма

Значение биоаккумуляции. Биоаккумуляция может лежать в основе не только хронических, но и отсроченных острых токсических эффектов. Так, быстрая потеря жира, в котором накоплено большое количество вещества, приводит к выходу токсиканта в кровь. Мобилизация жировой ткани у животных нередко отмечается в период размножения. В экологически неблагополучных регионах это может сопровождаться массовой гибелью животных при достижении ими половой зрелости. Стойкие поллютанты могут также передаваться потомству, у птиц и рыб – с содержимым желточного мешка, у млекопитающих – с молоком кормящей матери. При этом у потомства возможно развитие эффектов, не проявляющихся у родителей.

Биоконцентрация возникает при транспорте или миграции загрязнителей по пищевой цепи. Например, водоросль кладофора за три дня извлекает из воды столько ДДТ, что его концентрация увеличивается при этом в 3000 раз. Асцидии при поглощении ДДТ из воды концентрируют его в 1 000 000 раз.

Миграция по пищевым цепям определяется физико-химическими характеристиками вещества и биологическими потребностями организмов. Миграции по пищевым цепям приводят к таким явлениям, как биоаккумуляция и биоконцентрация . Термин биоаккумуляция используется, когда вещество концентрируется в определенном органе или типе ткани. Иод, например, аккумулируется в щитовидной железе.

Среднее пребывание продуктов взрыва в атмосфере - 1 - 2 года, после чего они оседают на землю. После прекращения испытаний в атмосфере радиоактивный фон территорий, попавших в ареал эмиссии продуктов взрыва, через 5 - 7 лет приближается к безопасному, хотя на Новой Земле в результате биоконцентрации радиоактивных изотопов мхами и особенно лишайниками опасный уровень радиоактивности сохраняется в мясе северных оленей.

Высокие концентрации меди и цинка угнетают рост плодовых и других культур. Салат способен накапливать большое количество тяжелых металлов. Картофель и морковь обладают меньшей способностью кбиоконцентрации , и эти культуры надо рекомендовать на почвах с высоким содержанием тяжелых металлов. В целом овощные культуры более чувствительны к тяжелым металлам, чем зерновые.

^ СИНЕРГИЗМ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ, взаимодействие первичных загрязнителей, в результате к-рого образуются вторичные загрязнители, более опасные для живых организмов. Напр., окись азота и углеводороды выхлопных газов, соединяясь в присутствии солнечного света, образуют новые, более ядовитые вещества, известные под названием “смога фотохимического”; токсичность фтора в воде увеличивается в присутствии меди; диоксид серы (SO 2) становится токсичнее в 2-3 раза при поступлении в атмосферу промышленной пыли и др.

Похожая информация.