Исследование содержания меди в водах озера Старая Кубань

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кубанский государственный университет

Кафедра общей и неорганической химии

Дипломная работа

Исследование содержания меди в водах озера Старая Кубань

Краснодар 2015

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Источники поступления элементов и тяжелых металлов в водные экосистемы

1.2 Нормирование содержания тяжелых металлов (меди) в воде (ПДК)

1.3 Содержание тяжелых металлов (меди) в гидробионтах

1.4 Токсическое действие тяжелых металлов (меди) на гидробионтов

1.5 Токсическое действие тяжелых металлов (меди) на человека

1.6 Источники поступления меди в окружающую среду

1.7 Отравление медью

2. Методика отбора и хранения проб, подготовка проб к анализу, метод анализа

2.1 Методика отбора и хранения проб

2.2 Метод исследования (атомно-эмиссионный спектральный анализ)

2.3 Методы статической обработки результатов исследований

3. Результаты исследования

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы относятся к числу важнейших. В значительной мере это связанно с биологической активностью многих из них. На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла, типа соединения в котором он существует в природной среде, а также его концентрации. Многие тяжелые металлы проявляют выраженные комплексообразующие свойства. Так в водных средах ионы этих металлов гидратированы (присоединение воды к ионам меди) и способны образовывать различные гидрокомплексы , в состав которых зависит от кислотности раствора. Если в растворе присутствуют какие-либо анионы или молекулы органических соединений, то ионы этих металлов образуют различные комплексы различного строения и устойчивости. 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. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных.

Цель данной дипломной работы оценить степень загрязнения поверхностных вод озера «Старая Кубань».

При рассмотрении данной проблемы можно выделить следующие аспекты:

Экономический аспект. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами приводит к деградации водоемов, причем все возрастающая степень загрязнения может оказаться необратимой. Применение гигиенических нормативов снижает степень загрязнения водных объектов и открывает возможность использования новых экономических технологий использования новых природных ресурсов.

Экологический аспект. При осуществлении любого вида человеческой деятельности неизбежно внесение в окружающую среду различных загрязняющих веществ. Нормирование содержания токсичных металлов в объектах окружающей среды позволяет целенаправленно совершенствовать технологию производства и снижать их негативное воздействие на биосферу

Воздействие тяжелых металлов (меди) на живые организмы.

Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже).

В настоящее время при помощи специальных, особо чувствительных методов удалось определить в составе организмов свыше 60 таких химических элементов.

Значительное количество химических элементов, по-стоянно обнаруживаемых в организмах, оказывает оп-ределенное влияние на течение процессов обмена ве-ществ и на ряд физиологических функций в эксперимен-те, однако еще не известно, какую роль эти элементы играют в организмах в природных условиях.

Связь между ролью элемента в жи-вом организме и положением его в периодической сис-теме хорошо прослежена для многих микроэлементов, однако далеко еще не все стороны этой зависимости изучены в достаточной степени. Как известно, многие металлы, преимущественно микроэлементы, в растворах обладают ярко выражен-ным каталитическим действием, т. е. способны в значительной степени, в сотни тысяч и миллионы раз, уско-рять течение химических реакций. Это каталитическое действие микроэлементы проявляют и в живом организ-ме, особенно тогда, когда они вступают во взаимо-действие с органическими веществами, содержащими азот.

Медь - микроэлемент широкого диапазона действия. В оптимальных дозах она оказывает полезное влияние на обмен веществ в организме, на предупреждение и течение различных заболеваний животных и человека, на повышение продуктивности растений, улучшение качества и состава продуктов питания. При недостатке подвижной меди в почве у зерновых злаков и трав резко снижается урожай и ухудшаются их качества, что в дальнейшем отражается на организме животных и человека. Избыток подвижной меди вреден для здоровья человека и животных. Доза 0,2 - 0,5 г вызывает интоксикацию, а доза 10 г является смертельной.

Соединения меди стабильны во внешней среде и активно участвуют в кругообороте веществ в природе и миграции по одному из экологических путей: почва - растение - человек, почва - вода - человек, почва - воздух - человек. В связи с этим разработаны величины ПДК по меди, являющиеся критерием санитарной охраны от загрязнений различных объектов: почвы, воды, растений, плодов, - не позволяющие превысить возможность их индивидуального или совместного действия на организм человека.

В связи с широким использованием медьсодержащих пестицидов возникла проблема загрязнения окружающей среды медью. Установлено, что внесение медьсодержащих пестицидов в почву приводит к накоплению меди в водоемах, растениях, загрязнению плодов и овощей. Учитывая, что пороговая концентрация химических веществ в почве устанавливается не только по общесанитарному, органолептическому, но и по водно-миграционному показателю вредности, а также неоспоримую роль меди при накоплении ее в природной воде, плодах и растениях. Медь обнаруживают в сульфидных осадках вместе со свинцом, камдием и цинком. Она присутствует в небольших количествах в цинковых концентратах и может переноситься на большие расстояния с воздухом и водой. Аномальное содержание меди обнаруживается в растениях с воздухом и водой. Аномальное содержание меди обнаруживается в растениях и почвах на расстоянии более 8 км от плавильного завода. Соли меди относятся ко II классу опасности. Токсические свойства меди изучены гораздо меньше, чем те же свойства других элементов. Поглощение больших количеств меди человеком приводит к болезни Вильсона, при этом избыток меди откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе.

медь водный токсический анализ

1 Обзор литературы

1.1 Источники поступления тяжелых металлов (меди) в водоемы

Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжелые металлы. К ним относятся химические элементы с относительной атомной массой свыше 40 и плотностью более 5 г/см3, хотя некоторые к тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой свыше 50 и плотностью более 6 г/см3.

Термин «тяжелые металлы» заимствован с технической литературы, где металлы делятся на тяжелые и легкие. В растениях тяжелые металлы входят в группу микроэлементов наряду с физиологически необходимыми, такими как цинк, медь, железо, марганец, молибден, кобальт и др. Все без исключения микроэлементы могут оказывать отрицательное влияние на растения, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Это связано с тем, что действие любых химических веществ носит строго дозовый характер. Поэтому термин «тяжелые металлы» следует применять в негативном плане по отношению к более токсичным, не нужным растению элементам, а термин микроэлементы - по отношению к физиологически полезным [1].

Известны «металлические ряды», расположенные по степени их токсичности для растений. Несмотря на некоторые их различия, можно констатировать, что наиболее ядовитыми как для высших растений, так и для микроорганизмов являются Hg, Pb, Cd, Сu, Zn, Ni, Co. К этому ряду, вероятно, также следует добавить Sn, Be, Ag.

Из большого разнообразия тяжелых металлов наибольшую опасность представляют кадмий, свинец, ртуть, цинк и медь, что связано с их высокой токсичностью [2].



Таблица 1Свойства тяжелых металлов

Свойство	Co	Cu	Ni	Pb	Zn
Биохимическая актоивность	В	В	В	В	В
Токсичность	У	У	У	В	У
Тенденция к биоконцентрированию	В	У	В	В	У
Эффективность накопления	У	В	У	В	В
Склонность к гидролизу	Н	В	У	У	В
Растворимость соединений	Н	В	Н	В	В
Время жизни	В	В	В	Н	В
В-высокая, У-умеренная, Н-низкая

В последние годы в связи с прогрессирующим загрязнением водоемов различными токсичными веществами, а также ростом хозяйственно-питьевого и промышленного водопотребления проблеме ,,чистой'' воды уделяется большое внимание.

Содержание тяжелых металлов в водоемах определяется разнообразным количеством факторов. Под факторами формирования химического состава природных вод понимают причины, обусловливающие течение разнообразных процессов, которые вызывают изменения минерализации и химического состава воды. Эти факторы разделяются на физико-географические, физико-химические, физические, биологические и искусственные. Уровень концентрации тяжелых металлов может также зависеть от антропогенной нагрузки на водоем [3,4].

При оценке состояния экосистемы важно учитывать загрязненность водного объекта токсичными веществами. Наибольшую опасность среди них представляют тяжелые металлы. Известно, что в определенных концентрациях они не только влияют на качество пресных вод, но и становится токсичными для гидробионтов и аккумулируются в их тканях. По трофическим цепям металлы могут попадать в организм человека. Эти обстоятельства и обуславливают необходимость исследования загрязненности водой среды тяжелыми металлами [5,6].

С экологической точки зрения химические элементы можно условно разделить на группу необходимых для нормального протекания биологических процессов и те, участие которых в биологических процессах до настоящего времени не доказано. При этом в разряд тяжелых металлов (металлы с плотностью выше 3,5 г/см3) попадают элементы обеих групп.

Своим появлением в водной среде элементы обязаны природным процессам, развивающимся при контакте поверхностных вод с породами и почвами водосборного бассейна, а также с деятельностью человека.

В работе указывается, что особенностью поведения тяжелых металлов в водных экосистемах является то, что они не подвержены радиоактивному распаду как радионуклиды, не разлагаются и не деградируют, как токсичные органические вещества. Металлы не исчезают из водных экосистем, а постоянно перераспределяются по отдельным компонентам, накапливаются в гидробионтах различных трофических уровней [5]. Таким образом, донные отложения являются накопителем металлов-микроэлементов, попадающих в водоем, причем при интенсивной антропогенной нагрузке их концентрация в донных отложениях достигает больших величин.

В последнее время доказано, что информация о количественном содержании тяжелых металлов в природных водах недостаточно для оценки их качества и выяснения механизмов потребления водными организмами. Для решения этих вопросов крайне важным является изучение физико-химических форм металлов. Различные формы тяжелых металлов характеризуются неодинаковой степенью доступности для гидробионтов. Наиболее доступными являются незакомплексованные ионы. Следовательно, связывание тяжелых металлов в комплексные соединения с растворенным органическим веществом, как и адсорбция на взвесях, - процессы, существенно снижающие их токсичность. Первым шагом к расшифровке сложных механизмов взаимодействия металлов с органическим веществом является определение преобладающих величин молекулярной массы их комплексных соединений [7,8].

В настоящее время известно значительное число источников непосредственного загрязнения водоема металлами как природного, так и антропогенного происхождения при бытовой и производственной деятельности человека. Такими источниками тяжелых металлов в водоемах являются атмосферные осадки, промышленные отходы, естественная эрозия, стоки с почв, сбросные воды ирригационных систем, городские, промышленные и бытовые стоки, добыча и выплавка металлов, ископаемое топливо, процессы горения (при котором выделяется свинец и другие металлы), рециркуляция твердых отходов [9].

При ведении сельскохозяйственного производства вымывание остатков удобрений и ядохимикатов из плодородного слоя почвы также вносит вклад в загрязнение водоемов определенными микроэлементами.

Еще один путь загрязнения вод - это самоосаждение загрязняющих веществ из воздуха, в котором содержатся выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы. Находящиеся в воздухе частицы могут увлекаться осадками на поверхность водоемов [10].

Фоновая концентрация микроэлементов и тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов обусловлена многочисленными факторами. В их число входят химический и гранулометрический состав отложений, их тип, окислительно-восстановительные условия, рН среды, мощность осадков, а также сезон и метеоусловия. При этом для каждого водоема может быть свойственны свои механизмы распределения микроэлементов в водной среде при сочетании некоторых перечисленных факторов.

Водоемы замедленного стока (пруды, озера, водохранилища) аккумулируют стоки водосборного бассейна, промышленные, бытовые, сельскохозяйственные сточные воды, а вместе с ними разнообразные химические компоненты, в том числе соединения металлов. Внутри водоема металлы включаются в развивающиеся там сложные процессы. Все они в совокупности определяют формы нахождения металлов и их межфазовые взаимодействия, в результате которых основные запасы концентрируются в донных отложениях водоемов [16,17].

1.2 Нормирование содержания тяжелых металлов (меди) в воде (ПДК)

Предельно допустимая концентрация (ПДК) _ утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается такая концентрация химических элементов и их соединений в окружающей среде, которая при повседневном влиянии в течение длительного времени на организм человека не вызывает патологических изменений или заболеваний, устанавливаемых современными методами исследований в любые сроки жизни настоящего и последующего поколений.

Значения ПДК включены в ГОСТы, санитарные нормы и другие нормативные документы, обязательные для исполнения на всей территории государства; их учитывают при проектировании технологических процессов, оборудования, очистных устройств и пр. Санитарно-эпидемиологическая служба в порядке санитарного надзора систематически контролирует соблюдение нормативов ПДК в воде водоёмов хозяйственно-питьевого водопользования, в атмосферном воздухе и в воздухе производственных помещений; контроль за состоянием водоёмов рыбопромыслового назначения осуществляют органы рыбнадзора.[8]

Вода является средой, в которой возникала жизнь и обитает большая часть видов живых организмов (в атмосфере лишь слой около 100 м наполнен жизнью). Поэтому при нормировании качества природных вод необходимо заботиться не только о воде как ресурсе, потребляемом человеком, но и о сохранении водных экосистем как важнейших регуляторов условий жизни планеты. Однако действующие нормативы качества природных вод ориентированы главным образом на интересы здоровья человека и рыбного хозяйства и практически не обеспечивают экологическую безопасность водных экосистем.

Требования потребителей к качеству воды зависят от целей использования. Выделяют три вида водопользования:

хозяйственно-питьевое _ использование водных объектов или их участков в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности;

культурно-бытовое _ использование водных объектов для купания, занятий спортом и отдыха. К этому виду водопользования относятся и участки водных объектов, находящиеся в черте населенных мест;

водоемы рыбохозяйственного назначения, которые, в свою очередь, делятся на три категории:

высшая категория _ места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб, других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств для искусственного разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений;

первая категория _ водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;

вторая категория _ водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.[8,14]

Конечно, природные воды являются объектами и других видов водопользования _ промышленного водоснабжения, орошения, судоходства, гидроэнергетики и.т.д. Использование воды, связано с ее частичным или полным изъятием, называют водопотреблением. Все водопользователи обязаны соблюдать условия, которые обеспечивают качество воды, соответствующее установленным для данного водного объекта нормативам. Существуют и некоторые общие требования к составу и свойствам воды. (табл..1).

Поскольку требования к качеству воды зависят от вида водопользования, необходимо определить этот вид для каждого водного объекта или его участков. Согласно Правилам виды водопользования устанавливаются региональными органами экологического и санитарного контроля и утверждаются соответствующей исполнительной властью.

Под ПДК природных вод подразумевается концентрация индивидуального вещества в воде, при превышении которой она непригодна для установленного вида водопользования. При концентрации вещества равной или меньше ПДК вода так же безвредна для всего живого, как и вода, в которой полностью отсутствует данное вещество.

Характер воздействия загрязняющих веществ на человека и водные экосистемы может быть разным. Многие химические вещества могут тормозить естественные процессы самоочищения, что приводят к ухудшению общего санитарного состояния водоема (дефициту кислорода, гниению, появлению сероводорода, метана и. т. д.). В этом случае устанавливают ПДК по общесанитарному признаку вредности.

1.3 Содержание тяжелых металлов (меди) в гидробионтах

Высокие концентрации свинца характерны для прикрепленных растений, обитающих в загрязненных водах. Так общее содержание свинца из высших водных растений, собранных из водотоков индустриальных районов Германии, колебалось в пределах 100-5300 мг/кг сухого веса [13]. Фактор концентрирования свинца в системе «вода-растения» обычно изменяется от 5000 до 15000. Имеются сведения, что свинец сорбируется растениями из воды преимущественно в виде твердых частиц, а не в растворенном состоянии. Темпы поглощения зависят от вида растения и усиливаются с ростом концентрации металла в воде. Сорбция снижается по мере увеличения кислотности. Десорбция свинца из растений протекает значительно интенсивнее, чем ртути и кадмия.

Большинство бентосных и планктонных видов беспозвоночных не извлекают свинец из пищи и из воды. Незначительная аккумуляция свинца может иметь место на высоких трофических уровнях. Поскольку пищевые связи организмов в естественных условиях разнообразны, часто трудно определить точный источник поступления свинца в организм, связанный с ним уровень загрязнения и соответственно долю поступающего с пищей металла. [11]

Для многих моллюсков интенсивное накопление свинца наблюдается в органах пищеварительной системы и в раковинах. Связь между размером и возрастом беспозвоночных и содержанием в них свинца часто отсутствует. Для многих беспозвоночных поглощение и выделение свинца из организма находятся в прямой зависимости от концентрации свинца как в донных отложениях, так и в воде (таблица 2).

Таблица 2 Предельно допустимые концентрации тяжелых метталов

Элементы	Предельно допустимая концентрация, мг/л
	Для вод, используемых для питьевого водоснабжения	Для водоемов рыбо-хозяйственного назначения
Ванадий (V)	0,1	0,4
Мышьяк (As)	0,05	0,2
Ртуть (Hg)	0,005	0,02
Свинец (Pb)	0,1	0,3
Селен (Se)	0,01	0,05
Фтор (F)	1,5	5
Хром (Cr)	0,01	5
Медь (Cu)	0,03	0,1

1.4 Токсическое действие тяжелых металлов (меди) на гидробионтов

При оценке состояния экосистемы важно учитывать загрязненность водного объекта токсичными веществами. Наибольшую опасность среди них представляют тяжелые металлы. Известно, что в определенных концентрациях они не только влияют на качество пресных вод, но и становится токсичными для гидробионтов и аккумулируются в их тканях. По трофическим цепям металлы могут попадать в организм человека. Эти обстоятельства и обуславливают необходимость исследования загрязненности водой среды тяжелыми металлами.[26,28]

Непосредственное токсическое действие металлов на водные организмы связано с нахождением этих металлов в ионных формах. Токсичность элементов для гидробионтов иногда на несколько порядков выше, чем для наземных животных, и особенно возрастает в низко минерализованных водах.

К веществам с высокой степенью токсичности относятся Cr3+, Cr6+, Cu (их ПДК для рыбохозяйственных объектов в поверхностных водах 1 мкг/л), а также Pb (его ПДК на порядок выше - 10 мкг/л). Так, например, медь остротоксична для большинства пресноводных и морских беспозвоночных, а также для водных растений. Летальный эффект медной интоксикации проявляется в начальной потере калия, что связано с увеличением проницаемости клеток. Это может приводить к уменьшению выделения кислорода и ассимиляции углерода, т.е. к снижению интенсивности фотосинтеза. Более того, при содержаниях меди ниже 0,05 мг/л отмечается уменьшение объема клеток, а также темпов поглощения азота, углерода, кремневой кислоты.

В определенных условиях летальные концентрации, при которых погибает 50 % особей, находятся в пределах 0,006 - > 225,0 мг/л, хотя, как правило, они менее 0,5 мг/л. Токсичность меди выше в пресноводных системах, нежели в морских, что отражает относительную долю токсичных свободных ионов в воде. Токсичность меди во многом определяется жесткостью воды. Присутствие органических хелатов в водном растворе заметно увеличивает выживаемость организмов. Некоторые виды беспозвоночных могут адаптироваться к высоким концентрациям меди. В целом чувствительность беспозвоночных к меди находится в обратной зависимости от размера или возраста особи. Присутствие в воде комплексообразующих агентов значительно снижает токсичность меди. Эти агенты образуются при разложении веществ, хотя большинство видов водорослей также выделяют комплексообразующие лиганды, которые регулируют содержание меди в водной среде. Так как при низких значениях рН в воде увеличивается количество свободных ионов, токсичность меди выше в кислых водах, нежели в щелочных.[1,25,30].

1.5 Токсическое действие тяжелых металлов (меди) на человека

Общий характер действия меди на организм. Медь встречается в животном организме, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет значительную роль в процессах кроветворения, стимулируя образование гемоглобина, рост и размножение клеток, активность некоторых ферментативных систем, функции некоторых эндокринных желез и т. д. Потребность организма в меди удовлетворяется обычной смешанной пищей, но недостаток меди в пище (исключительное питание детей молоком) и в корме для животных приводит к заболеванию анемией у животных. Избыточные количества меди токсичны. Соли меди сильно раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей.[3,30]

Для человека. При попадании соединений меди (уксуснокислой, сернокислой меди) в желудок -- сразу тошнота, рвота, боли в животе, понос, резко выраженное гемолитическое действие с быстрым появлением гемоглобина в плазме крови и в моче, желтуха, анемия, появление белка в моче и даже уремия. В смертельных случаях: острое малокровие, жировая инфильтрация сердечной мышцы, резкие дегенеративные изменения почек с омертвением эпителия извитых канальцев и петель Генле, блокада почечных канальцев гемоглобином.

Имеется ряд достоверных сообщений о заболеваниях типа «литейной лихорадки», вызванных не примесями, а безусловно вдыханием самих соединений меди. При сухой протравке зерна углекислой медью через несколько часов после работы у рабочих наблюдались сильный озноб и высокая температура (до 39° и выше), заканчивавшиеся проливным потом; кроме того: общая разбитость, ноющие боли в мышцах, особенно рук и ног, головная боль, раздражение слизистой глотки и гортани; кашель с зеленой мокротой не только во время лихорадки, но и после нее. В части случаев _ острый бронхит, учащение дыхания, одышка. Иногда лихорадка наступает не сразу, а отмечается только ознабливание по вечерам, после чего развивается уже выраженный приступ. Заболевание («меднопротравная лихорадка») обычно продолжается 3-4 дня. Довольно быстро наступает привыкание. При зачистке валов, покрытых электролитической медью, при шлифовке медных шайб и выделении в воздух пыли меди и оксида меди через 1-2 часа после начала у работающих появляются раздражение глаз, слезотечение, чихание, чувство жжения в зеве, сладкий вкус во рту. Спустя еще несколько часов -- головная боль, слабость (особенно нижних конечностей), покраснение зева и конъюнктивы глаз, тошнота, боли в мышцах, иногда рвота и понос, чувство разбитости, озноб, повышение температуры (38-39°). Через день _ температура нормальная, но слабость, головная боль, головокружение, учащение пульса, некоторый лимфоцитоз. Такая же картина наблюдалась при вдыхании пыли углекислой меди во время ее размола. В этом случае, кроме того, были отмечены носовые кровотечения, повышенное содержание билирубина в крови и желтуха. Описаны также случаи аналогичного заболевания при прокатке медных болванок или чистой медной проволоки, при дуговой плавке медного лома. Концентрации меди в воздухе в двух последних случаях находились в пределах 0,00022-0,014 мг/л. Случаи «металлической лихорадки» с такими же симптомами описаны при распылении (пульверизации) оксида меди, а также (50 случаев) при чистке аппаратов от остатков соединений меди. Отличительной особенностью «меднопротравной» и вообще «металлической медной лихорадки» по сравнению с «литейной (цинковой) лихорадкой» является наличие симптомов со стороны желудочно-кишечного тракта. Даже при отсутствии явных симптомов область желудка болезненна, живот вздут. Желудочно-кишечные расстройства описаны и при действии бронзовой пыли или при вдыхании мелких брызг раствора гидрата оксида меди.[34]

Поступление, распределение и выделение. Содержание Си в органах в норме довольно значительно (от 0,65 до 6 мг% на сухую ткань; наименьшее количество обнаружено в костях, наибольшее в печени). Си входит в состав сыворотки крови (около 0,16 мг%) и откладывается в органах, вероятно, в виде медь-альбуминатов. 20-30% введенной с пищей медь всасывается из кишечника. В крови максимальное количество через 2-5 часов, постепенное понижение до нормы. Основное место отложения меди _ печень. Так же распределяется медь при вдыхании ее пыли кроликами в течение 8 недель. Выделение происходит главным образом через кишечник, меньшее количество выделяется с мочой. Возможно выделение с молоком и желчью (Серебряная). Количество меди, выделяемое в норме, сравнительно велико и подвержено значительным колебаниям, зависящим от рода пищи. Трудно думать поэтому, что определение меди в крови, моче и т. д. может найти широкое применение для диагностики производственных отравлений.

Меры предупреждения при применении соединений меди для протравки зерна см. в «Правилах безопасности по сухому протравливанию семян». Обязательное постановление НКТ СССР от 10 августа 1931 г. за № 225 (Сб. важнейших официальных материалов по санитарным и противоэпидемическим вопросам, т. I, Медгиз, 1949). Местные вытяжные устройства и индивидуальные средства защиты дыхания (респираторы) при всех операциях, связанных с распылением меди, ее окислов и других высокодисперсных соединений меди. Местные вытяжные устройства в местах выделения паров и дыма меди.[35]

Определение в воздухе. Воздух, содержащий соли меди, просасывают через аллонж, заполненный стеклянной ватой. Сама медь при взаимодействии с диэтилдитиокарбонатом натрия образует окрашенный в желтый цвет комплекс. По интенсивности окраски ведут колориметрическое определение. Метод не специфичен: мешают свинец, железо, марганец, цинк (последний в количестве более 3 мг).

Определение в организме. Сжигание органического вещества и последующее колориметрическое определение меди с пиридином в виде окрашенного комплекса, который извлекается хлороформом, окрашивая его в зеленый цвет.

1.6 Источники поступления меди в окружающую среду

В настоящее время в России и граничащих с ней государствах складывается ситуация, при которой формируются ландшафты с особой биогеохимической структурой и нарастает угроза истощения земельных, водных и биологических ресурсов. В работах многих авторов отмечается, что природные циклы как элементов-биофилов, так и тяжелых металлов, большая часть которых по физиологической классификации является макро- и микроэлементами, претерпели существенные изменения. Значительное их количество, поступающее из антропогенных источников, сопровождается рядом нежелательных последствий, вызывающих изменение в цикле «почва - вода - растение - животное - человек».[7]

Увеличивается антропогенная нагрузка на культурные ландшафты. В связи с этим особое внимание следует уделять тяжелые металлы, обладающим мутагенными и канцерогенными свойствами. Загрязнение тяжелыми металлами атмосферы, почвы, воды в культурных ландшафтах приводит к значительному снижению продуктивности растений, в первую очередь сельскохозяйственных. Вода является основным переносчиком вещества в ландшафтах: с поверхностным стоком, с грунтовыми водами тяжелые металлы мигрируют с территории ландшафтов в водные объекты. Попадая в водоем, тяжелые металлы поглощаются гидробионтами, аккумулируются в донных отложениях в концентрациях, значительно превышающих исходную. Тяжелые металлы способны реагировать с другими химическими соединениями, образуя устойчивые конечные продукты, накапливаться в биологических объектах и через пищевую цепь попадать в организм человека.[7]

Источники поступления тяжелых металлов в ландшафты чрезвычайно разнообразны, они могут быть как антропогенными, так и природными, причем интенсивность поступления элементов в окружающую среду от этих источников различна. В районах активной производственной деятельности антропогенная доля возрастает, в фоновых районах содержание тяжелых металлов в атмосфере определяется, в основном, природной составляющей.

Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в атмосферу являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транспорт, химическая промышленность и др. Основные природные источники - это продукты деятельности вулканов, пыль, морские соли и др.

Около 75 % поступающей в атмосферу меди имеет антропогенное происхождение, увеличившееся за последние 30 лет производственной деятельности более чем в 3 раза. Поступление свинца из антропогенных источников значительно превышает его поступление из природных источников и составляет 449 тыс. т и 24,5 тыс. т соответственно [16].

Значительное количество поллютантов поступает в пределы культурного ландшафта из атмосферы. Территория России подвергается постоянно действующему атмосферному переносу загрязнителей, которые в большинстве своем представляют тяжелые металлы, поступающие в составе аэрозолей. Над крупными городами и индустриальными центрами располагаются участки тропосферы высотой до 3-4 км, загрязненные аэрозолями, оседающими на поверхности почвы и представляющими угрозу для растительности, поверхностных и почвенно-грунтовых вод, с которыми тесно связаны потоки веществ почве.

В урбанизированных районах концентрация тяжелых металлов в воздухе заметно выше, чем в районах, удаленных от антропогенного воздействия. Исследования С.И. Ковалева показали, что наблюдаемое на картах-схемах распределение меди в почве хорошо коррелирует с интенсивностью загрязнения воздуха. Содержание меди и цинка в атмосфере некоторых городов составляет 100-340 нг/м3 и 500-1200 нг/м3, а свинца - 120-2700нг/м3.

Как отмечает ряд исследователей, многие отрасли промышленности (нефтеперерабатывающая, химическая, черная и цветная металлургия, производство цемента, искусственного волокна, сжигание топлива) загрязняют культурные ландшафты, в основном аэрозольным путем, свинцом, кадмием, медью, цинком, никелем. Исследования длительного воздействия атмосферных выбросов, проведенные Н.Г. Копцик с соавторами, показали, что в результате этого произошло загрязнение почв медью на площади более 3000 км2. Валовое содержание меди в подстилках подзолов вблизи комбината составило 2000-2600 мг/кг, а содержание обменных форм - 1000-1400 мг/кг. При таких концентрациях меди и в корнеобитаемой зоне вероятна возможность их токсического действия на растительность в радиусе 25-35 км.

Одним из постоянно действующих факторов миграции и круговорота веществ в природе являются атмосферные осадки, в которых растворяется значительная часть газообразных веществ и аэрозольных элементов. Средняя годовая минерализация атмосферных осадков составляет от 5-10 до 30-60 мг/л. Из атмосферы тяжелые металлы на 70-90 % удаляются за счет соударения и захвата каплей и на 10-30 % - за счет образования капли на ядрах конденсации. На величину плотности выпадения тяжелых металлов влияют как местонахождение региона, его удаленность от промышленных центров, так и область выпадающих в нем осадков. В результате исследований О.В. Митрохина выявлено, что в Краснодарском крае с атмосферными осадками за период с марта по октябрь выпадает до 15 кг/га токсических веществ. По степени насыщенности атмосферных осадков тяжелыми металлами располагаются в следующем порядке: Zn > Pb > Cd > Ni [139, 167]. Кислая реакция дождевых и снеговых осадков также усиливает мобильность тяжелых металлов в почве [32].

Тяжелые металлы присутствуют в атмосфере в составе мельчайших техногенных частиц и в тех случаях, когда метеоусловия благоприятны, могут переноситься в атмосфере на сотни и тысячи километров. Почти 80 % частиц свинца в автомобильных выхлопах имеют диаметр менее 1 мкм, поэтому при определенной синоптической ситуации они могут вовлекаться в межконтинентальный перенос [24]. От всей массы выбросов, по мнению многих исследователей, только 20-30 %, а по данным Д.С. Аммосовой - 40-50 % Pb, Cu, Zn и до 100 % Hg фиксируется выпадениями, другая часть рассеивается и попадает в региональные и глобальные миграционные циклы[8].

Литературные данные о распространении пылегазовых выбросов тяжелых металлов неоднородны. Согласно исследованиям Н.Г. Зырина влияние выбросов распространяется на 50-100 км, но интенсивность загрязнения различными металлами неодинакова. В работе В.Б. Ильина отмечено, что выбросы черной и цветной металлургии переносятся на 20-40 км от источника. Исследователи Почвенного института им. В.В. Докучаева установили, что пылегазовые выбросы приводят к формированию техногенных участков со сверхнормативным содержанием в почве тяжелых металлов в радиусе 5-6 км от источника загрязнения [24].

В пределы агроландшафта тяжелые металлы поступают и от энергетических предприятий. При сжигании бурого угля с летучей золой от ГРЭС поступает ежегодно: Zn - 8,68 т, Pb - 2,6 т, Cu - 1,16 т, Ni - 1,56 т. При сжигании каменного угля в атмосферу выделяется 10 % церия, кобальта, марганца, молибдена, селена, титана, железа, хрома, свинца, серебра, 50 % - никеля, 90 % - кадмия, ртути, олова, цинка [21]. Исследования, проведенные сотрудниками Уральского государственного института ветеринарной медицины, показали, что одна тепловая электростанция в сутки выбрасывает: Cu - 17, 3 кг, Pb - 2,7 кг, Ni - 6, 6 кг и других тяжелых металлов [24]. Летучая зола, образующаяся при сжигании углей, в виде аэрозолей выпадает на поверхность почвы, в воду, что негативно отражается на состоянии окружающей среды [1, 21]. В 1994 г. в Краснодарском крае выпало - от 39 до 500 г/км2 кадмия .В процессе работы промышленных предприятий и животноводческих комплексов образуются сточные воды, которые сбрасываются непосредственно в водоемы, чаще всего без достаточной очистки. По данным за 2013 год, в поверхностные воды России было сброшено 35558,2 млн. м3 сточных вод, в том числе загрязненных - 7444 млн. м3, из них без очистки - 2123,22 млн. м3 [4,7]. В сточных водах промышленных предприятий рудничного и шахтного производств, металлообрабатывающих и перерабатывающих заводов, химических, гальванических и других предприятий наиболее часто встречаются следующие высокотоксичные тяжелые металлы: Mn, Ni, Cr, Zn, As, Cd, Pb, Fe, Cu [30]. От различных производств в поверхностные водотоки поступает (мг/л): Cr - 0,01, Cu - 0,01-0,2, Zn - 0,05-0,2, As - 0,003, Sr - 0,05-1,0, Cd - 0,005-0,025, Hg - 0,001-0,005, Pb - 0,005 [13]. Значительное количество тяжелых металлов поступает в окружающую среду от автомобильного транспорта [4, 28, 29].

Исследования, проведенные в г. Краснодаре В.П. Вороновым, показали, что на долю автомобильного транспорта в 2013 г. приходилось 57,47 % общих выбросов [28]. В.Н. Майстренко в своей работе отмечает, что концентрация тяжелых металлов в снежном покрове около автомагистралей в 5-6 раз выше, чем на участках, удаленных от автомобильных дорог, причем содержание в нем тяжелых металлов увеличивается с возрастанием доли грузового автотранспорта [18]. При сжигании мазута и дизельного топлива освобождается и попадает в окружающую среду кадмий. Повышенное содержание цинка и кадмия обнаруживается в почве вблизи автодорог, что связано с истиранием шин.

Ряд исследователей отмечают, что используемые в сельском хозяйстве органические, минеральные, известковые удобрения, сточные воды животноводческих комплексов содержат как биофильные элементы, так и ТМ. Внесение удобрений в почву обеспечивает прибавки урожаев на 50 %, но не может не оказывать существенного влияния на химический состав почв, вод, растениеводческой продукции [4].

Необоснованное внесение минеральных и органических удобрений, орошение сточными водами, внесение известковых материалов и пестицидов опасно не только как источник загрязнения сельскохозяйственной продукции, почв и вод биофильными элементами, но и как дополнительный источник поступления в окружающую среду ТМ [13]. При внесении полной дозы минеральных удобрений (N50 P45 K70) в почву поступает (г/га): Cu - 2,07, Zn - 2,21, Mn - 5,56, Ni - 0,7, Co - 1,71, Cd - 0,13, Pb - 0,22. С внесением фосфорных удобрений в дозе 50 кг/га в почву в среднем попадает 3,5 г/га кадмия.

По расчетам ЦИНАО, к 2010 г. в целом по стране, в почву было внесено с фосфорными удобрениями 3200 т меди. В работах многих исследователей отмечается положительное влияние орошения сточными водами городов и животноводческих комплексов на урожайность сельскохозяйственных культур, потенциальное плодородие почвы, в то же время высокие нормы сточных вод представляют опасность вымывания минеральных солей из почвы и накопления в пахотном слое меди, цинка, кадмия, свинца. На металлургических, машиностроительных предприятиях, в энергетике, при производстве строительных материалов образуются разнообразные по составу и количеству промышленные отходы: зола, шлак, пыль, шламы, формовочные материалы. Они являются еще одним дополнительным источником загрязнения окружающей среды такими тяжелыми металлами, как Mn, Cr, B, Sr, Zn, Pb, Cu, Co, Mo, Cd [22 ]. Исследования состава жидкой фазы золошлаковых отходов показали, что потенциальными загрязнителями подземных вод являются As, Se, Cu [21].

Под воздействием атмосферных осадков в результате биохимических и физико-химических превращений внутри свалки может образовываться инфильтрат, содержащий значительное количество тяжелых металлов, что представляет серьезную опасность для подземных и поверхностных вод [1]. В работе А.А. Фаухутдинова и С.К. Мустафина отмечается, что твердые отходы, образующиеся в процессе работы предприятий горнорудного производства, способны аккумулировать в 2638 тыс. т отходов: Cu - 1541 т, Cd - 7,6 т, Pb - 2111 т, As - 2076 т, Hg - 68,6 т. В результате выдувания дисперсного материала отходов, как показали исследования авторов, в атмосферном воздухе, пробах воды из скважин и поверхностных водоисточников, продуктах питания и биопробах, взятых у животных и людей, находящихся в зоне техногенного воздействия предприятий, выявлено существенное превышение соответствующих значений ПДК для ртути, меди, железа и кадмия [23].

В нефти содержание таких тяжелых металлов как Zn, Hg, Cu, Pb, значительно. На нефтяных промыслах основная масса тяжелых металловнакапливается в шламонакопителях и нефтешламовых амбарах, которые являются источником загрязнения поверхностных и подземных вод.

Таким образом, антропогенная нагрузка на биосферу становится постоянно действующим экологическим фактором. Техногенные загрязнители, поступающие из различных источников на культурные ландшафты, оказывают негативное влияние на все его компоненты: почву, воду, биоту.

1.7 Отравление медью

Медь и её соединения широко применяются в различных отраслях промышленности: текстильной, машиностроительной, авиационной и электротехнической. В быту этот металл также используется, чаще в виде медного купороса и бордоской жидкости, которые незаменимы в сельском хозяйстве и на садовых участках.[30]

Медь является важнейшей составляющей ферментной системы человеческого организма, благодаря которой осуществляются все биохимические процессы и кроветворение. Поступление избыточного количества приводит к отравлению медью. О том, как это проявляется и что нужно делать в экстренной ситуации, постараемся разобраться.[25]

Причины отравления медью

Для нормальной жизнедеятельности организму в сутки необходимо около 3 мг меди. Запасы восполняются при употреблении в пищу продуктов, богатых этим микроэлементом: картофель, шпинат, гречка, овёс, субпродукты (почки, печень). Отравиться в этом случае невозможно.

Токсические концентрации меди могут проникнуть в организм человека тремя путями:

а) с едой, если для приготовления используется медная посуда, случайно попал раствор или медная пыль;

б) ингаляционным путём: вдыхание пыли при нарушении техники безопасности в процессе обработки и шлифовки металлических поверхностей, содержащих медь;

в) через кожу при использовании компрессов с растворами медной соли, например, при лечении обширных ожогов.

Как действуют соединения меди на организм

В зависимости от того, каким путём отравляющее вещество поступает в организм, происходит раздражение слизистой оболочки органов дыхания, пищеварения или кожи. Всасываясь в кровь, медь действует в первую очередь на эритроциты. Повреждается мембрана красных кровяных телец, и они разрушаются. В кровь поступает значительное количество гемоглобина, что проявляется жёлтым цветом кожных покровов. Этот процесс называется гемолизом.[25]

При интоксикации медью страдают клетки печени. Повреждается нервная система и лёгкие. Развивается почечная недостаточность.

Симптомы отравления медью

При отравлении медью первые симптомы появляются спустя 4 часа после того, как яд проник в организм. Иногда инкубационный период продолжается двое суток.

Основные жалобы при попадании токсичного вещества с пищей:

а) со стороны органов пищеварения: боли в области живота, привкус металла во рту, ощущение жжения, тошнота, рвота, часто кровавая или синего цвета, слюнотечение и диарея;

б) общие симптомы интоксикации: головные боли, головокружение, общая слабость;

в) влияние на сердечно-сосудистую систему: тахикардия, резкое падение давления;

г) желтуха в результате гемолиза и развития печёночной недостаточности;

д) острая почечная недостаточность;

е) другие симптомы: судороги и нарушение дыхания.

При попадании яда ингаляционным путём к перечисленным симптомам добавляются признаки «медной лихорадки»:

а) раздражение глаз, чихание, слезотечение;

б) озноб в результате повышения температуры до 38-39° C;

в) проливной пот, выраженная слабость и боли в мышцах;

г) сухой кашель и одышка;

д) возможно, появление аллергической сыпи.

Отравление медью через кожу встречаются редко, так как компрессы с раствором солей меди широко не применяются. Сухое вещество не оказывает вредное воздействие, а случайно попавший раствор можно быстро удалить обычной водой.

Отравление медным купоросом

Особо следует выделить отравление медным купоросом. Это водный раствор медной соли серной кислоты. Используется как антисептик, противогрибковое средство и удобрение на приусадебных участках, а также в сельском хозяйстве. Широко применяется для изготовления красок, обработки древесины и оштукатуренных поверхностей как фунгицид.

Смертельная доза при попадании внутрь организма составляет 8-30 граммов. Все зависит от индивидуальных особенностей человека: вес, возраст, сопутствующие болезни, повышенная чувствительность. Признаки отравления медным купоросом наблюдаются при употреблении 0,5 грамма вещества.[30]

Медный купорос является главной составляющей бордоской жидкости. Применяется для борьбы с плесневым грибком. Используются часто. Неосторожное обращение может стать причиной неприятных последствий.

Для отравления медным купоросом характерны все симптомы, которые наблюдаются при токсическом воздействии медьсодержащих соединений.

Меры профилактики

Для того чтобы избежать неблагоприятных последствий воздействия меди, следует знать некоторые правила.

- Правильно использовать медную посуду: не готовить продукты, содержащие кислоту и уксус; при тепловой обработке молока или жиров немедленно слить продукт после окончания готовки, не дожидаясь остывания.

- При работе с медным купоросом на садовых участках использовать средства защиты: маску и перчатки.

- Не хранить токсичные вещества в таре без опознавательных надписей во избежание случайного употребления, особенно детьми.

- Соблюдать правила техники безопасности при обработке медных поверхностей: надевать очки, перчатки и респиратор. Не работать в помещениях, где хранятся пищевые продукты. После работы стружку и пыль тщательно убрать с помощью пылесоса и сделать влажную уборку.

- При работе с соединениями меди не следует руками трогать лицо и вытирать их об одежду.

В жизни каждый человек может столкнуться с необходимостью использования меди и её соединений. Знание правил обращения с такими предметами и веществами, симптомов отравления медью, способов оказания неотложной помощи, может, кому-то очень пригодиться.

2. Методика отбора и хранения проб, подготовка проб к анализу, метод анализа

2.1 Методика отбора и хранения проб

Отбор и хранение проб производилось согласно ГОСТ Р 51592-2000 «Общие требования к отбору проб».[35,36]

Пробы воды в водоеме отбираются два раза в месяц в течение пяти месяцев в полиэтиленовые емкости.

В ходе подготовки проб воды для количественного анализа на содержание ионных форм микроэлементов осуществлялось отделение взвешенных компонентов посредством фильтрации через бумажный беззольный фильтр «синяя лента».

Содержание элементов в подготовленных пробах определялось при помощи метода абсорбционного спектрального анализа, позволяющего определить в одной пробе несколько элементов одновременно. Метод предназначен для определения микроколичеств сурьмы, марганца, свинца, железа, висмута, алюминия, молибдена, олова, кадмия, меди, цинка, серебра, кобальта, никеля.[35]

2.2 Метод исследования (атомно-эмиссионный спектральный анализ)

Цель практического эмиссионного спектрального анализа состоит в качественном обнаружении, в полуколичественном или точном количественном определении элементов в анализируемом веществе. В зависимости от физического состояния, электрической проводимости и неорганической или органической природы все вещества могут быть разделены на следующие группы:

а) Твердые проводники, например высокочистые металлы, промышленные металлы и различные сплавы на основе железа, стали и других металлов (продукция металлургического производства).

б) Твердые диэлектрические вещества, например почвы, горные породы, руды, минералы (геологические образцы), сырье, полупродукты и готовая продукция неорганической химической промышленности (продукция химической, стекольной, керамической, полупроводниковой промышленности и т. д.).

в) Твердые диэлектрические вещества в основном органической природы, например вещества растительного и животного происхождения (биологические вещества, продукция пищевой промышленности), продукция органической химической, бумажной, фармацевтической промышленности и т. д.

г) Жидкие вещества неорганической (например, продукция химической промышленности) и органической природы (например, биологические вещества и продукция нефтяной промышленности).

д) Газы (воздух, природный газ, промышленные газы и т. д.).

е) Специальные вещества, которые не могут быть включены в группы 1--5.

Вообще говоря, любое вещество может быть проанализировано на содержание в нем металлических компонентов и исследовано со специфическими целями (например, соответствие веществ требованиям контроля качества, производственной технологии и промышленной гигиены, их пригодность для медицинских целей, археологии, криминалистики, космических исследований и т. д.).[5]

Методы спектрального анализа, как правило, просты, экспрессные, легко поддаются механизации и автоматизации, т. е. они подходят для рутинных массовых анализов. При использовании специальных методик пределы обнаружения отдельных элементов, включая некоторые неметаллы, чрезвычайно низки, что делает эти методики пригодными для определения микроколичеств примесей. Эти методы, за исключением случаев, когда в наличии имеется лишь незначительное количество пробы, являются практически неразрушающими, так как для анализа требуются только малые количества материала образцов.

Точность спектрального анализа, в общем, удовлетворяет практическим требованиям в большинстве случаев определения примесей и компонентов, за исключением определения высоких концентраций основных компонентов сплавов. Стоимость спектрального анализа низка, хотя первоначальные капиталовложения достаточно высоки. Однако последние быстро окупаются вследствие высокой производительности метода и низких требований к материалам и обслуживающему персоналу.

Спектральный анализ (за исключением некоторых особых случаев) не пригоден для определения типов связей между элементами, т. е. вида соединений, присутствующих в образце. Как и все инструментальные методы анализа, количественный спектральный анализ основан на сравнительном исследовании анализируемого образца и стандартных образцов известного состава.