Важкі метали. Джерела надходження у навколишнє середовище. Дія на організм людини

6

Важкі метали. Джерела надходження у навколишнє середовище. Дія на організм людини

ВСТУП

Одним з найсильніших по дії й найпоширенішому хімічному забрудненні є забруднення важкими металами.

До важких металів ставляться більше 40 хімічних елементів періодичної системи Д.И. Менделєєва, маса атомів яких становить понад 50 атомні одиниці.

Ця група елементів бере активну участь у біологічних процесах, входячи до складу багатьох ферментів. Група "важких металів" багато в чому збігається з поняттям "мікроелементи". Звідси свинець, цинк, кадмій, ртуть, молібден, хром, марганець, нікель, олово, кобальт, титан, мідь, ванадій є важкими металами.

Джерела надходження важких металів діляться на природні (вивітрювання гірських порід і мінералів, ерозійні процеси, вулканічна діяльність) і техногенні (видобуток і переробка корисних копалин, спалювання палива, рух транспорту, діяльність сільського господарства). Частина техногенних викидів, що надходять у природне середовище у вигляді тонких аерозолів, переноситься на значні відстані й викликає глобальне забруднення.

Інша частина надходить у безстічні водойми, де важкі метали накопичуються й стають джерелом вторинного забруднення, тобто утворення небезпечних забруднень у ході фізико-хімічних процесів, що йдуть безпосередньо в середовищі (наприклад, утворення з нетоксичних речовин отрутного газу фосгену).

Важкі метали накопичуються в ґрунті, особливо у верхніх гумусових обріях, і повільно віддаляються при вилужені, споживанні рослинами, ерозії й дефляції - видуванні ґрунтів.

Період напіввидалення або видалення половини від початкової концентрації становить тривалий час: для цинку - від 70 до 510 років, для кадмію - від 13 до 110 років, для міді - від 310 до 1500 років і для свинцю - від 740 до 5900 років.

У гумусовій частині ґрунту відбувається первинна трансформація сполук, що потрапили в неї.

Важкі метали мають високу здатність до різноманітних хімічних, фізико-хімічних і біологічних реакцій. Багато хто з них мають змінну валентність і беруть участь в окислювально-відновних процесах. Важкі метали і їхні сполуки, як і інші хімічні сполуки, здатні переміщатися й перерозподілятися в середовищах життя, тобто мігрувати.

Міграція сполук важких металів відбувається в значній мірі у вигляді органо-мінеральної тридцятилітньому. Частина органічних сполук, з якими зв'язуються метали, представлена продуктами мікробіологічної діяльності. Ртуть характеризується здатністю акумулюватися в ланках "харчового ланцюга" (про це йшла мова раніше). Мікроорганізми ґрунту можуть давати стійкі до ртуті популяції, які перетворюють металеву ртуть у токсичні для вищих організмів речовини. Деякі водорості, гриби й бактерії здатні акумулювати ртуть у клітках.

Ртуть, свинець, кадмій входять у загальний перелік найбільш важливих забруднюючих речовин навколишнього середовища, погоджений країнами, що входять в ООН. Зупинимося докладніше на цих речовинах.

§ 1. РТУТЬ

Крім свинцю найбільше повно в порівнянні з іншими мікроелементами вивчена ртуть.

Ртуть украй слабко поширена в земній корі (-0,1 х 10^-4 %), однак зручна для видобутку, тому що концентрується в сульфідних залишках, наприклад, у вигляді кіноварі (Нg). У цьому виді ртуть відносно нешкідлива, але атмосферні процеси, вулканічна й людська діяльність привели до того, що у світовому океані нагромадилося близько 50 млн.т цього металу. Природний винос ртуті в океан у результаті ерозії 5000 т/рік, ще 5000 т/рік ртуті виноситься в результаті людської діяльності.

Спочатку ртуть попадає в океан у вигляді Нg²⁺, потім вона взаємодіє з органічними речовинами й за допомогою анаэробных організмів переходить у токсичні речовини метилртуть (СН₃Н_g)⁺ і диметилртуть (СН нg-_сн3),

Ртуть присутня не тільки в гідросфері, але й в атмосфері, тому що має відносно високий тиск пар. Природний зміст ртуті становить ~0,003-0,009 мкг/м³.

Ртуть характеризується малим часом перебування у воді й швидко переходить у відкладення у вигляді сполук з органічними речовинами, що перебувають у них. Оскільки ртуть адсорбується відкладеннями, вона може повільно звільнятися й розчинятися у воді, що приводить до утворення джерела хронічного забруднення, що діє тривалий час після того, як зникне первісне джерело забруднення.

Світове виробництво ртуті в цей час становить більше 10000 т у рік, більша частина цієї кількості використовується у виробництві хлору. Ртуть проникає в повітря в результаті спалювання викопного палива. Аналіз льоду Гренландского крижаного купола показав, що, починаючи з 800 р. н.е. до 1950-х рр., зміст ртуті залишалося постійним, але вже з 50-х рр. нашого сторіччя кількість ртуті подвоїлося. На мал. 1 представлені шляхи циклової міграції ртуті.

Малюнок 1

Ртуть і її сполуки небезпечні для життя. Метилртуть особливо небезпечна для тварин і людини, тому що вона швидко переходить із крові в мозкову тканину, руйнуючи мозочок і кору головного мозку. Клінічні симптоми такої поразки - заціпеніння, втрата орієнтації в просторі, втрата зору. Симптоми ртутного отруєння проявляються не відразу. Іншим неприємним наслідком отруєння метилртутью є проникнення ртуті в плаценту й нагромадження її в плоді, причому мати не випробовує при цьому хворобливих відчуттів. Метилртуть робить тератогенное вплив на людину. Ртуть ставиться до I класу небезпеки.

Металева ртуть небезпечна, якщо неї проковтнути й вдихати її пари. При цьому в людини з'являється металевий смак у роті, нудота, блювота, кольки в животі, зуби чорніють і починають кришитися. Пролита ртуть розлітається на крапельки й, якщо це відбулося, ртуть повинна бути ретельно зібрана.

Неорганічні сполуки ртуті практично нелетучі, тому небезпека представляє влучення ртуті усередину організму через рот і шкіру. Солі ртуті роз'їдають шкіру й слизуваті оболонки тіла. Влучення солей ртуті усередину організму викликає запалення зева, утруднене ковтання, заціпеніння, блювоту, болю в животі.

У дорослої людини при влученні усередину близько 350 мг ртуті може наступити смерть.

Забруднення ртуттю може бути зменшене в результаті заборони виробництва й застосування ряду продуктів. Ні сумніву, що забруднення ртуттю завжди буде гострою проблемою. Але із введенням строгого контролю за відходами виробництва, що містять ртуть, а також за харчовими продуктами можна зменшити небезпека отруєння ртуттю.

§ 2. СВИНЕЦЬ

Зміст свинцю в магматичних породах дозволяє віднести його до категорії рідких металів. Він концентрується в сульфідних породах, які зустрічаються в багатьох місцях у світі. Свинець легко виділити шляхом виплавки з руди. У природному стані він виявляється в основному у вигляді галеніту (Рb).

Свинець, що втримується в земній корі, може вимиватися під впливом атмосферних процесів, переходячи поступово в океани. Іони Рb ²⁺ досить нестабільні, і зміст свинцю в іонній формі становить усього 10 -⁸ %. Однак він накопичується в океанських опадах у вигляді сульфітів або сульфатів. У прісній воді зміст свинцю набагато вище й може досягати 2 х 10 -⁶ %, а в ґрунті приблизно така ж кількість, що й у земній корі (1,5 х 10 -³ %) через нестабільність цього елемента в геохімічному циклі.

Свинцеві руди містять 2-20 % свинцю. Концентрат, одержуваний флотаційним способом, містить 60-80 % Рb. Його нагрівають для видалення сірки й виплавляють свинець. Такі первинні процеси крупно масштабні. Якщо ж для одержання свинцю використовують відходи, процеси виплавки називають вторинними. Щорічне світове споживання свинцю становить більше 3 млн. т, з них 40 % використовують для виробництва акумуляторних батарей, 20% -для виробництва алкілу свинцю - присадки до бензину, 12% застосовують у будівництві, 28 % для інших цілей.

Щорічно у світі в результаті впливу атмосферних процесів мігрує близько 180 тис. т свинцю. При видобутку й переробці свинцевих руд губиться більше 20 % свинцю. Навіть на цих стадіях виділення свинцю в середовище перебування дорівнює його кількості, що попадає в навколишнє середовище в результаті впливу на магматичні породи атмосферних процесів.

Найбільш серйозним джерелом забруднення середовища перебування організмів свинцем є вихлопи автомобільних двигунів. Антидетонатор тетраметил - або тетраэтилсвинеп - додають до більшості бензинів, починаючи з 1923 р., у кількості близько 80 мг/л. При русі автомобіля від 25 до 75% цього свинцю залежно від умов руху викидається в атмосферу. Основна його маса осаджується на землю, але й у повітрі залишається помітна її частина.

Свинцевий пил не тільки покриває узбіччя шосейних доріг і ґрунт усередині й навколо промислових міст, вона знайдена й у льоді Північної Гренландії, причому в 1756 р. зміст свинцю в льоді становило 20 мкг/т, в 1860 р. уже 50 мкг/т, а в 1965 р. - 210 мкг/т.

Активними джерелами забруднення свинцем є електростанції й побутові печі, що працюють на куті.

Джерелами забруднення свинцем у побуті можуть бути глиняний посуд, покрита глазур'ю; свинець, що втримується в барвних пігментах.

Свинець не є життєво необхідним елементом. Він токсичний і ставиться до I класу небезпеки. Неорганічні його сполуки порушують обмін речовин і є інгібіторами ферментів (подібно більшості важких металів). Одним з найбільш підступних наслідків дії неорганічних сполук свинцю вважається його здатність заміняти кальцій у костях і бути постійним джерелом отруєння протягом тривалого часу. Біологічний період напіврозпаду свинцю в костях - близько 10 років. Кількість свинцю, накопиченого в костях, з віком збільшується, і в 30-40 років в осіб, по роду занять не пов'язаних із забрудненням свинцю, становить 80-200 мг.

Органічна сполука свинцю вважаються ще більш токсичними, чим неорганічні.

Головним джерелом, з якого свинець попадає в організм людини, є пищачи, поряд із ці важливу роль грає вдихуване повітря, а в дітей - і пил, що заковтується ними свинецсодержащая, і фарби. Вдихуваний пил приблизно на 30-35 % затримується в легенях, значна частка її всмоктується потоком крові. Усмоктування в шлунково-кишковому тракті становлять у цілому 5-10 %, у дітей - 50 %. Дефіцит кальцію й вітаміну Д підсилює усмоктування свинцю.

Гострі свинцеві отруєння зустрічаються рідко. Їхні симптоми - слинотеча, блювота, кишкові кольки, гостра форма відмови бруньок, поразка мозку. У важких випадках - смерть через кілька днів.

Ранні симптоми отруєння свинцем проявляються у вигляді підвищеної збудливості, депресії й дратівливості. При отруєнні органічними сполуками свинцю його підвищений зміст виявляють у крові.

Внаслідок глобального забруднення навколишнього середовища свинцем він став всюдисущим компонентом будь-якої їжі й кормів. Рослинні продукти в цілому містять більше свинцю, чим тварини.

§ 3. КАДМІЙ І ЦИНК

Кадмій, цинк і мідь є найбільш важливими металами при вивченні проблеми забруднень, так вони широко поширені у світі й мають токсичні властивості. Кадмій і цинк (так само як свинець і ртуть) виявлені в основному в сульфідних опадах. У результаті атмосферних процесів ці елементи легко попадають в океани. У ґрунтах утримується приблизно 4,5х10 -⁴ %. Рослинність містить різна кількість обох елементів, але зміст цинку в золі рослин відносно високо -0,14;, тому що цей елемент відіграє істотну роль у харчуванні рослин.

Близько 1 млн. кг кадмію попадає в атмосферу щорічно в результаті діяльності заводів по його виплавці, що становить близько 45 % загального забруднення цим елементом. 52 % забруднень попадають у результаті спалювання або переробки виробів, що містять кадмій. Кадмій володіє щодо високою летючістю, тому він легко проникає в атмосферу. Джерела забруднення атмосфери цинком ті ж, що й кадмієм.

Влучення кадмію в природні води відбувається в результаті застосування його в гальванічних процесах і техніки. Найбільш серйозні джерела забруднення води цинком - заводи по виплавці цинку й гальванічні виробництва.

Потенційним джерелом забрудненням кадмієм є добрива. При цьому Кадмій впроваджується в рослини, уживані людиною в їжу, і наприкінці ланцюжка переходять в організм людини. Кадмій і цинк легко проникають у морську воду й океан через мережу поверхневих і ґрунтових вод.

Кадмій і цинк накопичуються в певних органах тварин (особливо в печінці й у бруньках).

Цинк найменш токсичний із всіх перерахованих вище важких металів. Проте всі елементи стають токсичними, якщо попадаються в надлишку; цинк не є виключенням. Фізіологічний вплив цинку полягає в дії його як активатора ферментів. У більших кількостях він викликає блювоту, ця доза становить приблизно 150 мг для дорослої людини.

Кадмій набагато токсичніший за цинку. Він і його сполуки ставляться до I класу небезпеки. Він проникає в людський організм протягом тривалого періоду. Вдихання повітря протягом 8 годин при концентрації кадміюя 5 мг/м³ може привести до смерті.

При хронічному отруєнні кадмієм у сечі з'являється білок, підвищується кров'яний тиск.

При дослідженні присутності кадмію в продуктах харчування було виявлено, що виділення людського організму рідко містять стільки ж кадмію, скільки було поглинуто. Єдиної світової думки щодо прийнятного безпечного змісту кадмію в їжі зараз немає.

Одним їхній ефективних шляхів запобігання надходження кадмію й цинку у вигляді забруднень складається у введенні контролю за змістом цих металів у викидах плавильних заводів і інших промислових підприємств.

Крім металів, розглянутих раніше (ртуть, свинець, Кадмій, цинк), є й інші токсичні елементи, влучення яких у середовище перебування організмів у результаті діяльність людей викликає серйозне занепокоєння.

§ 4. СУРМА, МИШ'ЯК, КОБАЛЬТ

Сурма присутня разом з миш'яком у рудах, що містить сульфіди металів. Світове виробництво сурми становить близько 70 т у рік. Сурма є компонентом сплавів, використовується у виробництві сірників, у чистому виді застосовується в напівпровідниках.

Токсична дія сурми подібно миш'яку. Більші кількості сурми викликають блювоту, при хронічному отруєнні сурмою наступає розлад травного тракту, супроводжувана блювотою й зниженням температури.

Миш'як у природі присутня у вигляді сульфатів. Його зміст у свинцево-цинкових концентратах близько 1 %. Внаслідок летючості він легко попадає в атмосферу.

Найдужчими джерелами забруднення цим металом є гербіциди (хімічні речовини для боротьби з бур'янистими рослинами), фунгіциди (речовини для боротьби із грибними хворобами рослин) і інсектициди (речовини для боротьби зі шкідливими комахами).

По токсичних властивостях миш'як ставиться до отрути, що накопичуються. По ступені токсичності варто розрізняти елементарний миш'як і його сполуки. Елементарний миш'як порівняно мало отрутний, але володіє тератогенными властивостями. Шкідливий вплив на спадкоємний матеріал (мутагенність) є спірним.

Сполуки миш'яку повільно поглинаються через шкіру, швидко всмоктуються через легені й шлунково-кишковий тракт. Смертельна доза для людини - 0,15-0,3 р.

Хронічне отруєння викликає нервові захворювання, слабість, оніміння кінцівок, сверблячка, потемніння шкіри, атрофію кісткового мозку, зміни печінки. Сполуки миш'яку є канцерогенними для людини. Миш'як і його сполуки ставляться до II класу небезпеки.

Кобальт не є широко застосовуваним. Так, наприклад, його використовують у сталеливарній промисловості, у виробництві полімерів. При влученні усередину більших кількостей кобальт негативно впливає на зміст гемоглобіну в крові людини й може викликати захворювання крові. Припускають, що кобальт викликає базедову хворобу. Цей елемент небезпечний для життя організмів через його надзвичайно високу реакційну здатність і ставиться до I класу небезпеки.

§ 5. МІДЬ І МАРГАНЕЦЬ

Мідь виявляють у сульфідних опадах разом зі свинцем, кадмієм і цинком. Вона присутня в невеликих кількостях у цинкових концентратах і може переноситися на більші відстані з повітрям і водою. Аномальний зміст міді виявляється в рослинах з повітрям і водою. Аномальний зміст міді виявляється в рослинах і ґрунтах на відстані більше 8 км від плавильного заводу. Солі міді ставляться до II класу небезпеки. Токсичні властивості міді вивчені набагато менше, ніж ті ж властивості інших елементів. Поглинання більших кількостей міді людиною приводить до хвороби Вильсона, при цьому надлишок міді відкладається в мозковій тканині, шкірі, печінці, підшлунковій залозі.

Природний зміст марганцю в рослинах, тваринах і ґрунтах дуже високо. Основні області виробництва марганцю - виробництво легованих сталей, сплавів, електричних батарей і інших хімічних джерел струму. Присутність марганцю в повітрі поверх норми (середньодобова ПКД марганцю в атмосфері - повітрі населених місць - становить 0,01 мг/м³) шкідливо впливає на організм людини, що виражається в прогресуючому руйнуванні центральної нервової системи. Марганець ставиться до II класу небезпеки.