Тяжёлые металлы в водоёме

25.07.2014 | Автор: tehnolog

Здрасти! Скажите, пожалуйста, как томные металлы плохо оказывают влияние на гидрофауну и флору водоемов (опасность для флоры водоемов; воздействие томных металлов на гидрофауну). Заблаговременно спасибо! Рома

Здрасти, Роман.

Тяжёлые металлы — это элементы повторяющейся системы хим частей Д. И. Менделеева, с молекулярной массой выше 50 атомных единиц. Эта группа частей интенсивно участвует в био процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «томных металлов» почти во всем 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.

IIA

IIIB

IVB

VIB

VIIB

—-

VIIIB

—-

IIB

IIIA

IVA

VIA

VIIA

VIIIA

Период 1 1

2 3

3 11

4 19

5 37

(43)

6 55

(85)

7 87

(104)

(105)

(106)

(107)

(108)

(109)

(110)

(111)

(112)

(113)

Uut

(114)

Uuq

(115)

Uup

(116)

Uuh

(117)

Uus

(118)

Uuo

8 (119)

Uue

(120)

Ubn

Лантаноиды 57

(61)

Актиноиды 89

(93)

(94)

(95)

(96)

(97)

(98)

(99)

(100)

(101)

(102)

(103)

Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Лёгкие металлы Полуметаллы Неметаллы Галогены Инертные газы

Одним из наисильнейших по действию и более всераспространенным хим загрязнением является загрязнение среды томными металлами. Томные металлы, попадая в организм, остаются там навечно, вывести их можно только при помощи белков молока. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое гибельное воздействие — вызывают отравления, мутации. Не считая того, что сами они отравляют человеческий организм, они к тому же чисто механически засоряют его — ионы томных металлов оседают на стенах тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким макаром, снижая фильтрационную способность этих органов. Соответственно, это приводит к скоплению токсинов и товаров жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. конкретно печень отвечает за переработку ядов, попадающих в наш организм, и товаров жизнедеятельности организма, а почки — за их выведение из организма. Источники поступления томных металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка нужных ископаемых, сжигание горючего, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства).

Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значимые расстояния и вызывает глобальное загрязнение.

Другая часть поступает в бессточные водоемы, где томные металлы скапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования небезопасных загрязнений в процессе физико-химических процессов, идущих конкретно в среде (к примеру, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена).

Томные металлы скапливаются в почве, в особенности в верхних гумусовых горизонтах, и медлительно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции — выдувании почв. Период полуудаления либо удаления половины от исходной концентрации составляет длительное 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. В гумусовой части земли происходит первичная трансформация попавших в нее соединений.

Не считая того, томные металлы владеют высочайшей способностью к разнообразным хим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из их имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Томные металлы и их соединения, как и другие хим соединения, способны передвигаться и перераспределяться в средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений томных металлов происходит в значимой степени в виде органо-минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях «пищевой цепи». Мельчайшие организмы земли могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают железную ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некие водные растения, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клеточках.

Ртуть, свинец, кадмий входят в общий список более принципиальных загрязняющих веществ среды, согласованный странами, входящими в ООН.

В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высочайшая токсичность других томных металлов — кобальта, серебра, золота, урана и других. Вообщем, высочайшая токсичность для живых созданий — это свойственное свойство соединений и ионов томных металлов.

В ряду томных металлов одни очень нужны для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так именуемым биогенным элементам. Другие вызывают обратный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению либо смерти. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, другими словами чуждых живому. Спецами по охране среды посреди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как более небезопасные для здоровья человека и животных. Из их ртуть, свинец и кадмий более токсичны.

Токсическое действие тяжёлых металлов на организм усиливается тем, что многие томные металлы проявляют выраженные комплексообразующие характеристики. Так, в аква средах ионы этих металлов гидратированы и способны создавать разные гидроксокомплексы, состав которых находится в зависимости от кислотности раствора. Если в растворе находятся какие-либо анионы либо молекулы органических соединений, то ионы тяжёлых металлов образуют различные комплексы различного строения и стойкости.

В водоёмы томные металлы поступают обычно со стоками горнодобывающих и металлургических компаний, также компаний хим и легкой индустрии, где их соединения употребляют в разных технологических процессах. К примеру, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель употребляются для гальванического покрытия поверхностей изделий из металла. Соединения меди, цинка, кобальта, титана употребляются в качестве красителей и т.д.

Томные металлы имеют много общего в био действии и в загрязнении водоемов. Они все очень токсичны, хотя многие из их нужны в микроколичествах разным организмам /медь, марганец, хром, молибден, ванадий/.

Тяжёлые металлы, например ртуть просто образуют соединения и комплексы с органическими субстанциями в смесях и в организме, отлично усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи. По классу угрозы ртуть относится к первому классу (очень опасное хим вещество). Ртуть реагирует с SH-группами белковых молекул, посреди которых – важные для организма ферменты. Ртуть также реагирует с белковыми группами –СООН и NH2 с образованием крепких комплексов – металлопротеидов. А циркулирующие в крови ионы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение обычной работы белков-ферментов приводит к глубочайшим нарушениям в организме, и сначала – в центральной нервной системе, также в почках.

Один из самых небезопасных загрязнителей среды — ртуть, в особенности небезопасны её выбросы в воду, так как в итоге деятельности населяющих дно микробов происходит образование растворимых в воде ядовитых органических соединений ртути. Органические соединения ртути в целом намного более токсичны, чем неорганические, сначала из-за их липофильности и возможности более отлично вести взаимодействие с элементами ферментативных систем организма. Эти очень ядовитые производные образуются в итоге так именуемого био метилирования. Оно происходит под действием микробов, к примеру, плесени и типично не только лишь для ртути, да и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые обширно употребляются на многих производствах, со сточными водами попадают на дно водоемов. Обитающие там мельчайшие организмы превращают их в диметилртуть (CH3)2Hg, которая относится к числу более ядов. Диметилртуть дальше просто перебегает в водорастворимый катион HgCH3+. Оба вещества поглощаются аква организмами и попадают в пищевую цепочку; поначалу они скапливаются в растениях и мелких организмах, потом – в рыбах. Метилированная ртуть очень медлительно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Потому концентрация ртути повдоль био цепочки безпрерывно возрастает, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути возможно окажется в тыщи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Конкретно этим разъясняется так именуемая «болезнь Минамата» – по наименованию приморского городка в Стране восходящего солнца, в каком за пару лет от отравления ртутью умерло 50 человек и многие родившиеся малыши имели прирожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в неких водоемах пришлось остановить лов рыбы – так она оказалась «нашпигованной» ртутью. Мучаются от поедания отравленной рыбы не только лишь люди, да и рыбы, тюлени.

К вероятным источникам загрязнения биосферы томными металлами относят предприятия темной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), фабрики по переработке аккумуляторных батарей, авто транспорт. Не считая антропогенных источников загрязнения сферы обитания томными металлами есть и другие, естественные, к примеру вулканические извержения: кадмий нашли сравнимо не так давно в продуктах извержения вулкана Этна на полуострове Сицилия в Средиземном море. Повышение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах неких озер может происходить в итоге кислотных дождиков, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере либо ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) повышение содержания металлов-загрязнителей по сопоставлению с естественным, так именуемым фоновым уровнем.

Тяжёлые металлы попадают в живой организм, в главном, через воду (исключением является ртуть, пары которой очень небезопасны). Попав в организм, тяжёлые металлы в большинстве случаев не подвергаются любым значимым превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они очень медлительно покидают его.

Важным показателем свойства сферы обитания является степень чистоты поверхностных вод. Металл-токсикант, попав в водоем либо реку, распределяется меж компонентами этой аква экосистемы. Но не всякое количество металла вызывает расстройство экосистемы. При оценке возможности экосистемы сопротивляться наружному токсическому воздействию принято гласить о буферной емкости экосистемы. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению к томным металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого значительно не нарушает естественного нрава функционирования всей изучаемой экосистемы. При всем этом сам металл-токсикант распределяется на последующие составляющие: 1) металл в растворенной форме; 2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном, другими словами растительными микробами; 3) удерживаемый донными отложениями в итоге седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из аква среды; 4) адсорбированный на поверхности донных отложений конкретно из аква среды в растворимой форме; 5) находящийся в адсорбированной форме на частичках взвеси.

На формы нахождения тяжёлых металлов в водах влияют гидробионты (к примеру, моллюски). Так, при исследовании поведения меди в поверхностных водах наблюдают сезонные колебания ее концентрации: в зимний период они максимальны, а летом вследствие активного роста биомассы понижаются. При осаждении взвешенных органических частиц, которые владеют способностью адсорбировать ионы меди, последние перебегают в донные отложения, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Следует также отметить, что интенсивность этого процесса находится в зависимости от скорости седиментации взвесей, другими словами косвенно от таких причин, как размеры и заряд адсорбирующих ионы меди частиц.

Не считая аккумулирования металлов за счет адсорбции и следующей седиментации в поверхностных водах происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такового рода загрязнителей. Более принципиальный из их состоит в связывании ионов металлов в аква среде растворенными органическими субстанциями. При всем этом общая концентрация токсиканта в воде не изменяется. Все же, принято считать, что большей токсичностью владеют гидратированные ионы металлов, а связанные в комплексы небезопасны в наименьшей мере или даже практически безобидны. Особые исследования проявили, что меж общей концентрацией металла-токсиканта в природных поверхностных водах и их токсичностью нет конкретной зависимости.

В природных поверхностных водах содержится огромное количество 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) либо же подобные по хим свойствам примеси антропогенного происхождения. Они все, естественно, претерпевают разные перевоплощения в аква среде. Но они все в то же время являются собственного рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем токсичность вод.

Разные поверхностные воды по-разному связывают ионы тяжёлых металлов, проявляя при всем этом различную буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор природных компонент (гумусовые вещества, гуминовые кислоты и фульвокислоты) и их высшую концентрацию, способны к более действенной природной детоксикации по сопоставлению с водами водоемов Севера и умеренной полосы. Потому токсичность вод, в каких оказались загрязнители, зависит и от погодных критерий природной зоны. Необходимо подчеркнуть, что буферная емкость поверхностных вод по отношению к металлам-токсикантам определяется не только лишь наличием растворенного органического вещества и взвесей, да и аккумулирующей способностью гидробионтов, также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими субстанциями. Все это гласит о трудности процессов, протекающих в поверхностных водах при попадании в их металлов-загрязнителей.

Любопытно отметить, что гуминовые кислоты, эти специальные природные высокомолекулярные соединения, образующиеся при превращении растительных остатков в почвах под воздействием микробов, способны, видимо, в большей степени связывать ионы томных металлов в крепкие комплексы. Так, константы стойкости соответственных гуматов (комплексов ионов томных металлов с гуминовыми кислотами) имеют значения в границах 105-1012 зависимо от природы металла. А устойчивость самих гуматов находится в зависимости от кислотности аква среды.

Также важным фактором при загрязнении воды тяжёлыми металлами является процесс аккумуляции (включая биоаккумуляцию). Любознательным оказался случай обнаружения залежей киновари (сульфида ртути) в одном из районов Карпат. Для геологов эта находка стала неожиданностью. Оказалось, что в средние века в селениях, расположенных в горах выше по течению реки, систематически применяли продукт ртути для исцеления неких болезней. Шли годы, река собирала этот металл, переносила его вниз по течению и аккумулировала в одной из природных ловушек в виде донных отложений. Предстоящая его трансформация отдала в конечном итоге киноварь. Этот пример указывает, что в природе происходят непрерывное перемещение, миграция и скопление токсикантов антропогенного происхождения, при всем этом они, не считая того, подвергаются хим превращению в более устойчивые формы.

Из главных металлов-загрязнителей более небезопасны для здоровья человека и животных ртуть, свинец и кадмий как представляющие самую большую опасность для здоровья человека и животных. По классу угрозы эти тяжёлые металлы относятся к первому классу (очень опасное хим вещество).

На нахождение в аква среде той либо другой формы ртути огромное воздействие оказывают кислотность среды и ее окислительный потенциал. Так, в отлично аэрированных водоемах преобладают соединения Hg(II). Ионы ртути просто связываются в крепкие комплексы с разными органическими субстанциями, находящимися в водах и выступающими в качестве лигандов. В особенности крепкие комплексы образуются с серосодержащими соединениями. Ртуть реагирует с SH-группами белковых молекул, посреди которых – важные для организма ферменты. Ртуть также реагирует с белковыми группами –СООН и NH2 с образованием крепких комплексов – металлопротеидов. А циркулирующие в крови ионы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение обычной работы белков-ферментов приводит к глубочайшим нарушениям в организме, и сначала – в центральной нервной системе, также в почках.

Не считая этого, ртуть просто адсорбируется на взвешенных частичках вод. При всем этом фактор концентрирования добивается иногда 105, другими словами на этих частичках сконцентрировано ртути в 100 тыщ раз больше, чем находится в равновесии в аква среде. Десорбция ртути из донных отложений происходит медлительно, потому повторное загрязнение поверхностных вод после того, как источник загрязнения установлен и ликвидирован, также имеет заторможенную кинетику.

Выбросы ртути в воду небезопасны и тем, что так как в итоге деятельности населяющих дно микробов происходит образование растворимых в воде ядовитых органических соединений ртути. Органические соединения ртути в целом намного более токсичны, чем неорганические, сначала из-за их липофильности и возможности более отлично вести взаимодействие с элементами ферментативных систем организма. Эти очень ядовитые производные образуются в итоге так именуемого био метилирования. Оно происходит под действием микробов, к примеру, плесени и типично не только лишь для ртути, да и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые обширно употребляются на многих производствах, со сточными водами попадают на дно водоемов. Обитающие там мельчайшие организмы превращают их в диметилртуть (CH3)2Hg, которая относится к числу более ядов. Диметилртуть дальше просто перебегает в водорастворимый катион HgCH3+. Оба вещества поглощаются аква организмами и попадают в пищевую цепочку; поначалу они скапливаются в растениях и мелких организмах, потом – в рыбах. Метилированная ртуть очень медлительно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Потому концентрация ртути повдоль био цепочки безпрерывно возрастает, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути возможно окажется в тыщи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Конкретно этим разъясняется так именуемая «болезнь Минамата» – по наименованию приморского городка в Стране восходящего солнца, в каком за пару лет от отравления ртутью умерло 50 человек и многие родившиеся малыши имели прирожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в неких водоемах пришлось остановить лов рыбы – так она оказалась «нашпигованной» ртутью. Мучаются от поедания отравленной рыбы не только лишь люди, да и рыбы, тюлени. При всем этом наибольший аккумулятор соединений ртути (до 97%) — поверхностные воды. Около половины всей ртути в природную среду попадает по техногенным причинам. В незагрязненных поверхностных водах содержание ртути колеблется в границах 0,2-0,1 мкг/л, в морских — втрое меньше. Водоросли также поглощают тяжёлые металлы. Органические соединения R-Hg-R’ в пресноводном планктоне содержатся в большей концентрации, чем в морском. Из организма органические соединения ртути выводятся медлительнее, чем неорганические.

Что касается свинца, то половина от полного количества этого токсиканта поступает в окружающую среду в итоге сжигания этилированного бензина. В аква системах свинец в главном связан адсорбционно со взвешенными частичками либо находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. При биометилировании, как и в случае со ртутью, свинец в конечном итоге образует тетраметилсвинец. В незагрязненных поверхностных водах суши содержание свинца обычно не превосходит 3 мкг/л. В реках промышленных регионов отмечается более высочайшее содержание свинца. Снег способен в значимой степени аккумулировать этот токсикант: в округах больших городов его содержание может достигать практически 1 млн мкг/л, а на неком удалении от их ~1-100 мкг/л.

Водоросли отлично аккумулируют свинец, но по-разному. Время от времени фитопланктон держит его с коэффициентом концентрирования до 105, как и ртуть. В рыбе свинец скапливается некординально, потому для человека в этом звене трофической цепи он относительно не достаточно небезопасен. Метилированные соединения в рыбе в обыденных критериях содержания водоемов обнаруживаются относительно изредка. В регионах с промышленными выбросами скопление тетраметилсвинца в тканях рыб протекает отлично и стремительно — острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1-0,5 мкг/л. В человеческом организме свинец может скапливаться в скелете, замещая кальций.

Другой принципиальный загрязнитель водоёмов – кадмий. По хим 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 наименьшую токсичность по отношению к растениям в сопоставлении с метилртутью и сравним по токсичности со свинцом. При содержании кадмия ~ 0,2-1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Увлекателен последующий зафиксированный эффект: токсичность кадмия приметно понижается в присутствии неких количеств цинка, что снова подтверждает предположение о способности конкуренции ионов этих металлов в организме за роль в ферментативном процессе.

Порог острой токсичности кадмия варьирует в границах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Повышение жесткости воды увеличивает 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 долгого периода (около 30 лет).

В аква системах кадмий связывается с растворенными органическими субстанциями, в особенности если в их структуре находится 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 очень находится в зависимости от кислотности среды. В нейтральных аква средах свободный ион кадмия фактически нацело сорбируется частичками донных отложений.

Для контроля свойства поверхностных вод сделаны разные гидробиологические службы наблюдений. Они смотрят за состоянием загрязнения аква экосистем под воздействием антропогенного воздействия. Так как такая экосистема содержит в себе как саму среду (воду), так и другие составляющие (донные отложения и живы организмы — гидробионты), сведения о рассредотачивании томных металлов меж отдельными компонентами экосистемы имеют очень принципиальное значение. Надежные данные в данном случае могут быть получены при использовании современных способов аналитической химии, позволяющих найти содержание томных металлов на уровне фоновых концентраций.

К.х.н. О. В. Мосин

Рубрика: Все о воде | Метки: металлов, металлы, ртуть