Алюминий как токсикант в окружающей среде

Размещено на http://www.allbest.ru/

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

Факультет почвоведения, агрохимии, агроэкологии

Реферат

по дисциплине: Экотоксикология

на тему: Алюминий как токсикант в окружающей среде

Нижний Новгород, 2006 год

Содержание

Введение

1. Общие закономерности действия токсикантов на природные системы

2. Химические и физические свойства алюминия, определяющие его токсическое действие

3. Воздействие алюминия на компоненты экосистем

Заключение

Список литературы

Введение

В XX веке, особенно во второй его половине, стало очевидным то отрицательное влияние на окружающую среду, которое способен оказать своей деятельностью человек. В связи с этим возникла, с одной стороны, проблема защиты окружающей среды от человека, а с другой - человека от факторов им же нарушенной среды обитания.

Экологическое неблагополучие почвы, воды и воздуха определяется накоплением в этих средах широкого спектра опасных для здоровья чужеродных веществ, поступающих через продукты питания в организм человека. К ним относятся металлы, радионуклиды, пестициды, нитраты и нитриты, полициклические ароматические и хлорсодержащие углеводороды, диоксины, а также метаболиты микроорганизмов. Эти вещества могут в большей или меньшей степени мигрировать из одной среды в другую, а также взаимодействовать между собой как вне организма, так и внутри него.

Металлы - это основа человеческой цивилизации. Поэтому неудивительно, что объемы добычи их и использования огромны. Считается, что если добыча данного элемента опережает его естественный перенос в биогеохимическим цикле в 10 раз, то такой элемент должен рассматриваться как загрязнитель. По многим металлам эта норма перекрыта сейчас в 15-20 и более раз. Особенно опасно загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

Многие металлы, находящиеся в окружающей среде, имеют токсикологическое значение. В частности, к таковым относятся мышьяк, кадмий, медь, кобальт, хром, ртуть, марганец, никель, свинец, селен, цинк и некоторые другие. Важно, что большинство из них играет важную роль в физиологических процессах, а их дефицит вызывает серьезные заболевания. В то же время повышенное поступление этих металлов в организм человека способно вызвать тяжелые токсические реакции. Соединения и ионы этих металлов, попадая в организм, взаимодействуют с рядом ферментов, подавляя их активность. Согласно решению, принятому Объединенной комиссией ФАО/ВОЗ и закрепленному в Codex Alimentarius, обязательному контролю при производстве и торговле подлежат концентрации ртути, кадмия, свинца, мышьяка, стронция, цинка и железа. В России обязательному контролю подлежат также сурьма, никель, хром, алюминий, фтор, йод.

Цель данной работы - изучить токсические свойства алюминия, его роль в экосистемах, а также механизм токсического воздействия на живые организмы.

1. Общие закономерности действия токсикантов на природные системы

В настоящее время токсичное воздействие техногенных загрязнителей на окружающую среду является общепризнанным.

К приоритетным загрязняющим веществам, воздействие которых достаточно хорошо изучено, относятся двуокись серы, озон, окислы азота и фториды.

В зависимости от природы техногенных факторов их воздействие на природные и аграрные экосистемы может осуществляться как в результате непосредственного облучения от источника, так и при миграции загрязняющих веществ (рисунок).

Рисунок - Пути воздействия техногенных факторов и пути миграции токсикантов в экосистемах:

Выбросы загрязняющих веществ могут оказывать как прямое, так и опосредованное (непрямое) воздействие на растительные и животные организмы. Прямые эффекты (в первую очередь, влияние на здоровье человека и животных, поражение растительности) происходит за счет повышенного содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, они носят в основном локальный характер.

Среди вторичных эффектов загрязнения природных и аграрных экосистем можно назвать поражение наземной растительности за счет изменения характеристик почвы и соответствующего изменения характера питания растений.

Среди токсикантов значительную опасность представляют металлы и их соединения. Поведение металлов в природных средах во многом зависит от специфичности миграционных форм и вклада каждой из них в общую концентрацию металла в экосистеме. Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание.

Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биологических средах.

По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд:

Воздействие химических токсикантов на почву:

Основная часть вредных химических веществ промышленных выбросов попадает на поверхность почвы, при этом газы преимущественно в виде осадков или непосредственно самих газов, а пыль выпадает под действием силы тяжести в виде различных частиц.

В зависимости от свойств почв и характеристик выпадений могут проявляться как положительные, так и отрицательные последствия. Вредные химические вещества могут оказывать непосредственное влияние на биоту, осаждаясь на зеленую массу растений, или косвенно, закисляя почву и меняя ее химический состав.

Воздействие химических токсикантов на растения. Действие на растения зависит от вида и концентрации вредных веществ, длительности их воздействия, восприимчивости различных видов растений к загрязнителям, стадии физиологического развития в момент воздействия. Наиболее существенными факторами являются концентрация вредных веществ и длительность их воздействия.

Влияние загрязнителей возрастает: при высокой влажности воздуха или тумане; при наличии других вредных веществ; в случае каких-либо неблагоприятных факторов (мороз, засуха, жара); при определенных стадиях роста и развития растений.

В зависимости от внешних факторов среды действие токсикантов может быть снижено в период ограниченной физиологической активности растений (например, ночью, а у хвойных деревьев - зимой).

Различают 2 типа видимых повреждений растений: острые и хронические.

Острое поражение происходит при кратковременном воздействии высокими концентрациями загрязняющих веществ.

У растений появляются некротические или обесцвеченные участки листьев.

Хроническое поражение вызывается многократными выбросами загрязнителя и обычно проявляется в виде хлороза.

Таблица - Действие химических веществ на растения /Влияние загрязнений воздуха:

Воздействие химических токсикантов на животных. Загрязнение воздуха, как пылевидные, так и газообразные, могут нанести ущерб не только растениям, но и животным. Токсичные вещества действуют непосредственно через органы дыхания животного или во время поедания им загрязненного корма. Подобно растениям у животных тоже существуют различные реакции на некоторые токсические вещества.

Воздействия вредных веществ на животных могут быть любого вида и неспецифичными, но, тем не менее, характерными и даже патогномичными. В большинстве случаев наблюдаются меняющиеся картины болезней.

Причины кроются, в первую очередь, в концентрациях и количествах вредных веществ, а также в длительности их поглощения. Кроме того, играют роль и различные метеорологические параметры, а также конституция, возраст и физиологическое состояние животного. Особые и наиболее типичные картины болезней проявляются под воздействием мышьяка, свинца, меди, молибдена, селена, фтора, а также двуокиси серы.

Последствия отравления общего характера у животных проявляются в уменьшении аппетита, нарушении пищеварения, поносе, истощении, нарушении полового цикла, выкидышах, рождении слабых животных, сухости кожи, ломком и взъерошенном волосяном покрове, различных дерматитов, а также в снижении продуктивности животных. В результате общих повреждений возникает предрасположенность к другим заболеваниям на фоне снижения общей резистентности организма животного.

Потребление пыли проходит через корм. Наиболее прочно загрязнения удерживаются на пастбищном травостое, на сене и кормовых культурах, выращиваемых на силос или сенаж.

Экспериментально было установлено влияние загрязненного пылью корма на удои молока у коров, содержащихся в районе выбросов ТЭС. Абсолютное снижение удоев молока в период проведения исследований варьировало от 1,1 до 1,3 кг на каждое животное в день.

Установлено, что под действием пыли сильно страдает качество подножного корма и сена, в результате чего снижение удоев молока может дойти до 9,1-12,5%. Прирост живой массы у мясных пород крупного рогатого скота снижается от 19,4 до 37,5%. Holte установил, что прирост живой массы у крупного рогатого скота под действием летучей золы бурого угля снижается от 3,9 до 39,7%.

2. Химические и физические свойства алюминия, определяющие его токсическое действие

Алюминий - один из наиболее распространенных в земной коре элементов, легкий металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс %.

Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al2O3.2SiO2.2H2O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al2O3.H2O. и минералы корунд Al2O3 и криолит AlF3.3NaF.

Впервые алюминий был получен Велером в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al2O3 в расплавленном криолите. Al2O3 должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al2O3 около 2050^оС, а криолита - 1100^оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al2O3, содержащую около 10 масс % Al2O3, которая плавится при 960^оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF3, CaF2 и MgF2 проведение электролиза оказывается возможным при 950^оС.

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s22s22p63s23p1.

Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ - 0,057 нм. Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3. Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl4-, AlH4-, алюмосиликаты), но и 6 (Al2O3, Al(OH2)6).

В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см3 (т.пл. 660^оС, т. кип. ~ 2500^оС). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид. При обработке поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO3, K2Cr2O7) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов. Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них - дюралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма способны к реакциям и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях.

Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl3, AlBr3 и AlI3 дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M3[AlF6] и M[AlHal4].

Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl3 в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фтор - алюминатов наибольшее применение (для получения Al, F2, эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na3[AlF6]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH3)n. Разлагается при нагревании выше 105^оС с выделением водорода. Гидридоалюминаты - белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они - сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[AlH4]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al2(SO4)3.18H2O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)212H2O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных алюминия следует упомянуть его ацетат (иначе - уксуснокислую соль) Al(CH3COO)3, используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

Однако в обычных условиях алюминий и его соли плохо усваиваются из почвы растениями и попадают в организм человека в очень небольших количествах. Техногенное загрязнение алюминием окружающей среды (металлургия - легкие сплавы, добыча и переработка бокситов, апатитов, производство изделий из алюминия, минеральных удобрений, самолетостроение и др.), экологические проблемы (кислотные дожди, повышенная кислотность почв), плохое качество питьевой воды (мягкая вода - с дефицитом Са и Mg; нарушение технологии очистки воды и др.), широкое применение алюминия в быту (посуда изделия, краски), пищевой и фармацевтической промышленности (консервы, фольга, консерванты, компоненты лекарств - антациды, наполнители и др.) может приводить к непривычно высокому для организма человека уровню поступления А1.

3. Воздействие алюминия на компоненты экосистем

Алюминий, растворенный в сильнокислой среде, является одним из наиболее опасных элементов, для живых организмов живущих в почве. Во многих почвах, например, в северных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, однако при выпадении значительных количеств кислотных осадков соотношение алюминий-кальций в почвенных водах настолько изменяется, что ослабляется рост корней и создается опасность для существования деревьев.

Происходящие в составе почвы изменения могут преобразовывать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым влиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Закисление пресных вод. Закисление пресных вод - это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление, как правило, вызывают сильные кислоты такие как серная и азотная кислота. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. Роль алюминия в этом процессе также довольно значительна.

Процесс закисления водоемов можно условно разделить на 3 фазы:

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.

2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6,5.

3. При рН = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Гибель живых существ помимо действия сильно ядовитого иона алюминия может быть вызвана и тем, что под воздействием иона водорода выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы.

Количество растительных питательных веществ начинает уменьшаться. Ион алюминия образует с ионом фосфата нерастворимый фосфат алюминия, который осаждается в форме донного осадка: Al3PO43AlPO4. Как правило уменьшение рН воды идет параллельно с сокращением популяций и гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества различных других организмов.

Токсичность солей алюминия является одним из основных факторов, снижающих продуктивность растений в условиях кислых почв. В природных водах алюминий присутствует в ионной, коллоидной и взвешенной формах, он образует довольно устойчивые комплексы, в том числе органоминеральные, находящиеся в воде в растворенном или взвешенном состоянии.

К числу соединений алюминия относятся различные окислы, гидроокислы и их комплексы с различными органическими кислотами, которыми богаты почвенные растворы и поверхностные воды. В кислой среде (рН=4,5) нерастворимые формы алюминия могут переходить в растворимые, что способствует резкому повышению содержания его подвижных форм. Это приводит к изменению у растений обмена веществ, нарушению формирования генеративных органов, снижению общей биомассы корней и существенному уменьшению площади их поглотительной поверхности.

В некоторых случаях токсичность алюминия для растений рассматривается в качестве главного фактора, ограничивающего продуктивность зерновых культур на кислых почвах, составляющих до 40 % посевных площадей в мире, в результате чего убыток урожая зерновых достигает около 12 млрд. тонн в год. С целью повышения толерантности растений к солям при создании новых сортов в качестве исходного материала используют как дикие сородичи злаков, так и культурные устойчивые формы.

Тритикале, в отличие от пшеницы, относятся к злакам, пригодным для культивирования на кислых почвах, однако у них отмечена генотипическая специфичность по устойчивости к кислотности почвы.

С целью отбора генотипов, толерантных к кислотности почвы, обусловленной присутствием подвижных форм алюминия, проводится скрининг набора озимых и яровых форм тритикале. Так как ингибирование роста корней является одним из первых признаков проявления токсичного действия алюминия и связано с уменьшением роста клеток, отложением лигнина, изменением содержания полисахаридов в клеточной стенке, то одним из методов повышения толерантности растений к алюминию является отбор устойчивых форм на фоне искусственных сред, содержащих соли алюминия.

На средах с концентрацией 2,0 mg L1AlCl36H2O наблюдается в зависимости от генотипа снижение значения RTI в 1,7-5,0 раз по отношению к контролю. Дальнейшее повышение содержания алюминия значительно угнетает рост и развитие растений. При этом происходят видоизменения корневой системы: образование утолщений на кончиках корешков, рост в обратном направлении.

Некоторые растения продолжают медленно расти, приобретая антоциановую окраску.

Также установлено, что толерантные к солям алюминия генотипы тритикале способны к биосинтезу большего количества белка с более высоким содержанием незаменимых аминокислот.

Таким образом, методом тестирования прорастающих семян тритикале на жидких средах с разным содержанием солей алюминия в результате скрининга синтезированных форм тритикале и возможно выделить толерантные к закислению среды генотипы. Определено допустимое (до 2,0 mg/L-1) содержание алюминия в среде, к которому растения относительно толерантны.

Наиболее высокие показатели RTI обнаруживают растения геномно-замещенных линий пшеницы, у которых геном D замещен на соответствующие геномы Aegilops.

Избыточное накопление алюминия в организме может влиять на состояние опорно-двигательного аппарата (остеопороз, рахитоподобные заболевания), почек (нефропатия, риск мочекаменной болезни), ЦНС (задержка развития у детей, энцефалопатия у пациентов, подвергшихся диализу, болезнь Альцгеймера). Отложение алюминия в тканях может способствовать развитию в них фиброзных изменений. Условно допустимый уровень алюминия в волосах лиц, находящихся в группе риска по интоксикации этим элементом, по данным ЦБМ, составляет 40 мкг/г волос (взрослые и дети).

Токсичность алюминия во многом связана с его антагонизмом по отношению к кальцию и магнию, способностью влиять на функцию паращитовидных желез, легко образовывать соединения с белками, накапливаясь в почках, костной ткани, центральной нервной системе. Признаками воздействия алюминия на ЦНС могут быть ухудшение памяти, нервозность, склонность к депрессии, трудности в обучении, гиперактивность.

О проявлении дефицита алюминия у человека и животных известно очень мало, однако считается, что пониженное содержание алюминия в волосах может отражать нарушение обменных процессов в костной ткани.

Заключение

Таким образом, алюминий принимает участие в процессах, определяющих кислотно-основные свойства и буферность конденсированных природных сред (водных сред, иловых отложений, почв).

Соотношение алюминий-кальций в почвах непосредственно сказывается на функционировании карбонатной и карбонатно-кальциевой систем, играющих ведущую роль в указанных выше процессах и способных изменить степень кислотности вод и актуальную кислотность почв и илов в широких пределах.

Подкисление природных сред существенно воздействует на экосистемы, нарушая биологическую доступность элементов питания, повышая миграционную способность токсичных для биоты элементов, тяжелых металлов, радионуклидов, изменяя видовое разнообразие системы.

Токсичность Al явилась "выстрелом в спину" для человечества. Будучи третьим по распространенности элементом земной коры и обладая ценными качествами, металлический алюминий нашел широчайшее применение и в технике (уже в 60-е годы Al использовали при производстве около 4 тыс. изделий) и в быту. загрязнение токсикологический экосистема

Опасность алюминия для живых организмов требует не менее тщательного, чем для тяжелых металлов, мониторинга содержания этого элемента в природных средах.

Список литературы

1. Кенжебаева С.С., Ямомото Е., Матсумото Х. //Физиология растений. - 2001. - Т.41. - № 4. - С. 514-522.

2. Кретович В.Л. Основы биохимии растений. - М.: Высш. шк., 1980. - 445 с.

3. Аристовская Т.В. Микробиологические аспекты плодородия почв // Почвоведение. 1988. № 9.С. 53-63.

4. Евдокимова Г.А. Микробиологическая активность почв при загрязнении тяжелыми металлами // Почвоведение. 1982. №6. С. 125-132.

5. Евдокимова Г.А., Кислых Е.Е., Мозгова Н. П. Биологическая активность почв в условиях аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. Л.: Наука, 1984. 121 с.

6. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Влияние выбросов предприятия цветной металлургии на почву в условиях модельного опыта // Почвоведение. 2000. №5. С.630-638.

7. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1992. 400 с.

8. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1989. 528 с.

9. Паринкина О.М. Микрофлора тундровых почв. Л.: Наука,1989. 159 с.

10. Реймерс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль. 1990. 639 с.

11. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Экотоксикология тяжелых металлов. Учебное пособие - НГСХА, 2001, 39 с.

Размещено на Allbest.ru