Тяжелые металлы и специфические особенности их поведения в различных природных средах. Методы детоксикации организма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие уровня загрязнения, нормы выброса и нормы загрязнения

Допустимой нагрузкой на экосистему считается такая нагрузка, под воздействием которой отклонение от нормального состояния системы не превышает естественных изменений и, следовательно, не вызывает нежелательных последствий у живых организмов и не ведет к ухудшению качества среды.

В специальной литературе принято называть вредными все вещества, воздействие которых на биологические системы может привести к отрицательным последствиям. Кроме того, как правило, все ксенобиотики (чужеродные для живых организмов, искусственно синтезированные вещества) рассматривают как вредные.

Установление нормативов качества окружающей среды и продуктов питания основывается на концепции пороговости воздействия. Порог вредного действия - это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или скрытая (временно компенсированная) патология. Таким образом, пороговая доза вещества (или пороговое действие вообще) вызывает у биологического организма отклик, который не может быть скомпенсирован за счет гомеостатических механизмов (механизмов поддержания внутреннего равновесия организма).

Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов. В основе санитарно гигиенического нормирования лежит понятие предельно допустимой концентрации.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) - нормативы, устанавливающие концентрации вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства.

Таким образом, санитарно-гигиеническое нормирование охватывает все среды, различные пути поступления вредных веществ в организм, хотя редко отражает комбинированное действие (одновременное или последовательное действие нескольких веществ при одном и том же пути поступления) и не учитывает эффектов комплексного (поступления вредных веществ в организм различными путями и с различными средами - с воздухом, водой, пищей, через кожные покровы) и сочетанного воздействия всего многообразия физических, химических и биологических факторов окружающей среды. Существуют лишь ограниченные перечни веществ, обладающих эффектом суммации при их одновременном содержании в атмосферном воздухе.

Анализ того, как изменяются с течением времени значения предельно допустимых концентраций, свидетельствует об их относительности, вернее - об относительности наших знаний о безопасности или опасности тех или иных веществ. Достаточно вспомнить о том, что в пятидесятые годы ДДТ считался одним из безопаснейших для человека инсектицидов и широко рекламировался для использования в быту. Для веществ, о действии которых не накоплено достаточной информации, могут устанавливаться временно допустимые концентрации (ВДК) - полученные расчетным путем нормативы, рекомендованные для использования сроком на 2-3 года.

Подчеркнем, что в соответствии с Постановлением № 1 от 06.02.92 Госкомитета санитарно-эпидемиологического надзора РФ на территории России до принятия соответствующих нормативных актов РФ действуют санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы, утвержденные бывшим Министерством здравоохранения СССР, в части, не противоречащей санитарному законодательству Российской Федерации.

Санитарно-гигиенические и экологические нормативы определяют качество окружающей среды по отношению к здоровью человека и состоянию экосистем, но не указывают на источник воздействия и не регулируют его деятельность. Требования, предъявляемые собственно к источникам воздействия, отражают научно-технические нормативы. К научно-техническим нормативам относятся нормативы выбросов и сбросов вредных веществ (ПДВ и ПДС), а также технологические, строительные, градостроительные нормы и правила, содержащие требования по охране окружающей природной среды. В основу установления научно-технических нормативов положен следующий принцип: при условии соблюдения этих нормативов предприятиями региона содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарно-гигиенического нормирования.

Научно-техническое нормирование предполагает введение ограничений деятельности хозяйственных объектов в отношении загрязнения окружающей среды, иными словами, определяет предельно допустимые потоки вредных веществ, которые могут поступать от источников воздействия в воздух, воду, почву. Таким образом, от предприятий требуется не собственно обеспечение тех или иных ПДК, а соблюдение пределов выбросов и сбросов вредных веществ, установленных для объекта в целом или конкретных источников, входящих в его состав. Зафиксированное превышение величин ПДКв или ПДКмр в окружающей среде само по себе не является нарушением со стороны предприятия, хотя, как правило, служит сигналом невыполнения установленных научно-технических нормативов (или свидетельством необходимости их пересмотра).

Постановлением Правительства РФ от 3 августа 1992 года № 545 принят «Порядок разработки и утверждения экологических нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, лимитов использования природных ресурсов, размещения отходов».

НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.

Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ как в производственной (предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.), так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов. Основные термины и определения, касающиеся показателей загрязнения атмосферы, программ наблюдения, поведения примесей в атмосферном воздухе определены ГОСТом 17.2.1.03-84. Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) - концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих.

Как следует из определения, ПДКрз представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода времени, установленного трудовым законодательством. Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными ПДКрз, а также говорить о ПДК в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.

Предельно допустимая концентрация максимально разовая (ПДКмр) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных (в том числе, субсенсорных) реакций в организме человека.

Таблица Соотношение различных видов ПДК в воздухе для некоторых веществ

Вещество	ПДKсс, мг/м3	ПДKмр, мг/м3	ПДKрз, мг/м3
Азота оксид (II)	0,06	0,6	30
Kобальта сульфат	0,0004	0,001	0,005
4-хлоранилин	0,01	0,04	0,30

Понятие ПДКмр используется при установлении научно-технических нормативов - предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент времени не должна превышать ПДКмр.

Предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДКсс) -- это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Таким образом, ПДКсс рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина ПДКсс может выступать в качестве «эталона» для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне.

Предложен ряд комплексных показателей загрязнения атмосферы (совместно с несколькими загрязняющими веществами); наиболее распространенным и рекомендованным методической документацией Госкомэкологии, является комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДКсс и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний различных веществ.

Для сопоставления данных о загрязненности несколькими веществами атмосферы разных городов или районов города комплексные индексы загрязнения атмосферы должны быть рассчитаны для одинакового количества примесей. При составлении ежегодного списка городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы для расчета комплексного индекса используют значения единичных индексов тех пяти веществ, у которых эти значения наибольшие.

В последнее время растет число публикаций, описывающих эффекты действия загрязняющих веществ на биоту, в том числе атмосферных примесей на растительность. Так, установлено, что хвойные породы деревьев, лишайники чувствительнее прочих видов реагируют на присутствие в воздухе кислых газов, в первую очередь, сернистого ангидрида. Исследователи предлагают установить предельно допустимые концентрации для диких видов с тем, чтобы использовать эти нормативы при оценке ущерба и ограничении воздействия на особо охраняемые природные объекты. Однако широкое применение чувствительность растений нашла лишь в биологическом мониторинге; экологическое нормирование состояния атмосферного воздуха на практике фактически не реализовано.

НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ

В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.559-96 питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства. Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования; при этом показатели качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

По санитарному признаку устанавливаются микробиологические и паразитологические показатели воды (число микроорганизмов и число бактерий группы кишечных палочек в единице объема). Токсикологические показатели воды, характеризующие безвредность ее химического состава, определяются содержанием химических веществ, которое не должно превышать установленных нормативов. Наконец, при определении качества воды учитываются органолептические (воспринимаемые органами чувств) свойства: температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, жесткость.

Требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения определены Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.544-96, причем нормируются запах, вкус, цветность, мутность, коли-индекс, а также указывается, что содержание химических веществ не должно превышать значений соответствующих предельно допустимых концентраций (ПДК).

Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

При интерпретации результатов мониторинга состояния водной среды важно знать, к какому типу водных объектов отнесены река, озеро, водохранилище, и использовать для оценки ситуации соответствующие нормативы.

В гидрохимической практике используется и метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения.

В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКвр и повторяемости случаев превышения, а также общий оценочный балл.

Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ).

Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды.

Также оценка качества воды и сравнение современного состояния водного объекта с установленными в прошлые годы характеристиками проводятся на основании индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям (ИЗВ).

Этот индекс представляет собой формальную характеристику и рассчитывается усреднением как минимум пяти индивидуальных показателей качества воды.

Обязательны для учета следующие показатели: концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН и биолоическое потребление кислорода БПК5

Класс опасности - показатель, характеризующий степень опасности для человека веществ, загрязняющих атмосферный воздух.

По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяют на четыре класса опасности ГОСТ 12.1.007-76 «Классификация и общие требования безопасности»:

Класс опасности	Степень опасности
I	чрезвычайно опасные вещества
II	высокоопасные вещества
III	умеренно опасные вещества
IV	малоопасные вещества

ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРОДУКТАХ ПИТАНИЯ

При разработке нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в продуктах питания учитываются материалы по токсикологии и гигиеническому нормированию данных веществ в различных объектах природной среды (в воздухе, воде, почве), а также информация о естественном содержании различных химических элементов в пищевых продуктах.

Предельно допустимая концентрация (допустимое остаточное количество) вредного вещества в продуктах питания (ПДКпр) -- это концентрация вредного вещества в продуктах питания, которая в течение неограниченно продолжительного времени (при ежедневном воздействии) не вызывает заболеваний или отклонений в состоянии здоровья человека.

Санитарно-гигиеническое нормирование загрязненности пищевых продуктов касается главным образом пестицидов, а также тяжелых металлов и некоторых анионов (например, нитратов). Отметим, что при интерпретации результатов не следует использовать ПДКпр как стандарт, принятый для любых объектов биоты. Например, описание исследования накопления соединений ртути в тканях чаек не может заканчиваться выводами о превышении ПДКпр. Целесообразнее обращаться к литературным сведениям о накоплении ртути в аналогичных объектах в фоновых и в хорошо изученных загрязненных районах.

Научно-технические нормативы воздействия на окружающую среду выбросов (ПДВ) и сбросов (ПДС).

Предельно допустимый выброс (ПДВ) - масса вещества в отходящих газах, максимально допустимая к выбросу в атмосферу в единицу времени; ПДВ устанавливается для каждого источника загрязнения атмосферы (и для каждой примеси, выбрасываемой этим источником) таким образом, что выбросы вредных веществ от данного источника и от совокупности источников города или другого населенного пункта с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере не создают приземную концентрацию, превышающую их ПДКмр; основные значения ПДВ - максимальные разовые - устанавливаются при условии полной нагрузки технологического и газоочистного оборудования и их нормальной работы и не должны превышаться в любой 20-минутный период времени.

Наряду с максимальными разовыми (контрольными) значениями ПДВ (г/с), устанавливаются производные от них годовые значения ПДВг (т/г), для отдельных источников и предприятия в целом с учетом временной неравномерности выбросов, в том числе за счет планового ремонта технологического и газоочистного оборудования.

Если значения ПДВ по причинам объективного характера не могут быть достигнуты, для таких предприятий устанавливаются значения временно согласованных выбросов вредных веществ (ВСВ) и вводится поэтапное снижение показателей выбросов вредных веществ до значений, которые обеспечивают соблюдение ПДВ.

Общественный экологический мониторинг может решать задачи оценки соответствия деятельности предприятия установленным значениям ПДВ или ВСВ путем определения концентраций загрязняющих веществ в приземном слое воздуха (например, на границе санитарно-защитной зоны).

Основным нормативом сбросов загрязняющих веществ, установленным в Российской Федерации, является предельно допустимый сброс (ПДС) -- масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте; ПДС -- предел по расходу сточных вод и концентрации содержащихся в них примесей -- устанавливается с учетом предельно допустимых концентраций веществ в местах водопользования (в зависимости от вида водопользования), ассимилирующей способности водного объекта, перспектив развития региона и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями, сбрасывающими сточные воды.

ПДС устанавливаются для каждого источника загрязнения и каждого вида примеси с учетом их комбинированного действия. В основе определения ПДС (по аналогии с ПДВ) лежит методика расчета концентраций загрязняющих веществ, создаваемых источником в контрольных пунктах - расчетных створах - с учетом разбавления, вклада других источников, перспектив развития (проектируемые источники) и т.д.

Общий принцип установления ПДС -- величина ПДС должна гарантировать достижение установленных норм качества воды (санитарных и рыбохозяйственных) при наихудших условиях для разбавления в водном объекте.

При сбросе сточных вод или других видах хозяйственной деятельности, влияющих на состояние водных объектов, используемых для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых целей, нормы качества поверхностных вод (или их природный состав и свойства в случае природного превышения этих норм) должны выдерживаться на водотоках, начиная со створа, расположенного в одном километре выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территория населенного пункта и т.п.) вплоть до самого места водопользования, а на водоемах -- на акватории в радиусе одного километра от пункта водопользования. Ближайшие пункты водопользования определяются органами санитарно-эпидемиологической службы.

При сбросе сточных вод или других видах хозяйственной деятельности, влияющих на состояние рыбохозяйственных водотоков и водоемов, нормы качества поверхностных вод (или их природный состав и свойства в случае природного превышения этих норм) должны соблюдаться на протяжении всего участка водопользования, начиная с контрольного створа, определяемого в каждом конкретном случае органами Госкомэкологии, но не далее, чем 500 м от места сброса сточных вод или расположения других источников загрязнения поверхностных вод (мест добычи полезных ископаемых, производства работ на водном объекте и т.п.)

Для сбросов сточных вод в черте населенного пункта в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод» ПДС устанавливаются, исходя из отнесения нормативных требований к самим сточным водам. При этом следует руководствоваться тем, что использование водных объектов в черте населенных мест относится к категории коммунально-бытового водопользования.

В случае, если значения ПДС по объективным причинам не могут быть достигнуты, для таких предприятий устанавливаются временно согласованные сбросы вредных веществ (ВСС) и вводится поэтапное снижение показателей сбросов вредных веществ до значений, которые обеспечивают соблюдение ПДС.Лимитирование размещения твердых промышленных отходов (разработка проектов лимитов размещения) осуществляется на основании «Временных правил охраны окружающей среды от отходов производства и потребления в РФ». При этом под организованным размещением отходов понимаются регламентированные и осуществляемые в соответствии с установленными нормами и правилами процессы выделения, концентрирования, сбора, транспортировки, накопления, временного хранения отходов, предусматривающего возможность их дальнейшего использования, переработки, или ликвидации, захоронения.

детоксикация питание металл



Тяжелые металлы и специфические особенности их поведения в различных природных средах

Миграция тяжелых металлов в окружающей среде.

Пути поступления химических элементов в организм человека разнообразны.

Следует подчеркнуть, что основные количества химических элементов попадают в организм с пищевыми продуктами и водой, меньшие -- с вдыхаемым воздухом и через кожу.

Качество пищевого сырья животного и растительного происхождения в первую очередь зависит от состояния окружающей среды. Окружающая среда включает: воды (питьевые, пресные поверхностные, морские, подземные, сточные, атмосферные осадки), воздух (атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, газовые выбросы), донные отложения, почвы, растительность и животный мир . Химические элементы распределяются в окружающей среде за счет естественного и антропогенного факторов. Во всех компонентах экосистем, включая почвы, растения, животных и человека, могут содержаться естественные (фоновые) количества различных химических элементов, в том числе и тяжелых металлов . Роль тяжелых металлов может быть двойственна: с одной стороны они могут быть необходимы для нормального протекания физиологических процессов, а с другой - токсичны при повышенных концентрациях.

Главным природным источником тяжелых металлов являются горные породы и породообразующие минералы. К числу таких металлов относятся хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут.

Тяжелые металлы в системе почва-растение

Тяжелые металлы поступают в организм человека в основном с растительной пищей, куда попадают главным образом из почвы. Почва - открытая подсистема в геохимическом ландшафте, потоки вещества и энергии в которой связаны с приземной атмосферой, растительностью, с поверхностными и почвенно-грунтовыми водами .

На ход химических процессов в почве и формирование ее химического состава оказывает влияние большой геологический и малый биологический круговороты вещества в природе. Большой геологический круговорот представляет собой геохимический процесс миграции химических элементов от выветривающихся на суше горных пород к осадочным отложениям моря, которые в дальнейшем вновь подвергаются выветриванию. Сущность малого биологического круговорота заключается в том, что растения через тот или иной промежуток времени возвращают в почву извлеченные из нее элементы, но уже в форме других соединений и в другие почвенные слои, т.е. происходит миграция химических элементов в системе почва-растение-почва. В результате влияния этих двух круговоротов вещества формируется химический состав почв. В составе почв обнаружены почти все элементы Периодической системы Д.И. Менделеева .

Состав и количество удерживаемых элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения . В почве тяжелые металлы могут находиться в твердой и жидкой (почвенный раствор) фазах. В твердой фазе тяжелые металлы находятся в обменном и фиксированном состоянии: входят в состав гумусового вещества, в кристаллическую решетку глинистых материалов, являются составной частью нерастворимых солей. В почвенном растворе тяжелые металлы находятся в растворенном состоянии, как правило, в виде хлоридов, нитратов, сульфатов, органических комплексных соединений, которые могут составлять до 99% от общего количества растворимых форм.

Форма существования металлов, попавших в почвенный раствор, зависит, прежде всего, от его химического состава и реакции среды. В почвенном растворе кислых почв присутствует очень небольшое количество анионов минеральных кислот и много органического вещества. В связи с этим можно предположить, что тяжелые металлы, оказавшись в почвенном растворе кислых почв, образуют в основном растворимые органо-минеральные комплексы. В почвах же с нейтральной реакцией среды, например в черноземах, в составе легкорастворимых солей преобладает сульфат и бикарбонат кальция. Наличие в почвенном растворе значительного количества кальция приводит к резкому сокращению доли растворимой фракции гумуса. Поэтому Pb, Zn, Hg, Co , попадая в почвенный раствор, взаимодействуют в основном с минеральной частью, образуя нерастворимые и слаборастворимые карбонаты и сульфаты [9]. Являясь промежуточным звеном в цепи «почва - растение - животное - человек», растения накапливают микроэлементы, в том числе тяжелые металлы .

Химический состав растений зависит от химического состава почв, на которых произрастают растения, но не повторяет его, так как растения избирательно поглощают необходимые им элементы в соответствии с физиологическими и биохимическими потребностями .

На поступление тяжелых металлов в растения оказывают влияние кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия, физические свойства почв, уровень микробиологической активности, водно-тепловой режим, геохимический фон территории. Растения преимущественно поглощают микроэлементы, которые находятся в подвижной форме. Количество подвижных микроэлементов составляет всего 5-25% от их валового содержания .

Влияние реакции среды на поступление химических элементов в растения заключается в воздействии концентрации водородных ионов на растворимость почвенных соединений. Обычно с увеличением кислотности почв подвижность элементов возрастает. На кислых почвах хорошо усваивается растениями цинк. Известкование почв приводит к понижению поступления в растения катионов марганца, цинка, меди, кобальта, никеля и др. и увеличению содержания в них анионов молибдена, вольфрама, ванадия и др.

Окислительно-восстановительный потенциал оказывает большое влияние на подвижность химических элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cu, V, As, Se, U, Cr, Mo и др.). В восстановительных условиях повышается подвижность и тем самым усвоение растениями низковалентных форм элементов, а в окислительных условиях более подвижны и лучше поглощаются растениями высоковалентные формы . Химические элементы неравномерно распределяются по органам растений. Значительная часть элементов (Mn, Mo, Sr, La, Cu, Ti, Ni) накапливается в наземных частях растений (листьях, стеблях), в меньшей степени Fe, Al, Co. В корнях растений аккумулируются такие элементы, как Ag, Pb, Sn, W, Cr, V, U . В различных органах растений накапливаются разные количества тех или иных элементов, что связано с их ролью в биохимических и физиологических процессах, протекающих в растительном организме .

Таким образом, содержание тяжелых металлов в почве оказывает прямое влияние на насыщенность ими растительной ткани и отражается в последующих звеньях пищевой цепи - животных и человеке. При естественной (фоновой) концентрации тяжелые металлы в почве прочно связанны с ее составными частями, труднодоступны для растений и не оказывают вредного воздействия, но как только условия позволяют тяжелым металлам перейти в почвенный раствор, появляется прямая опасность загрязнения.

Тяжелые металлы в водной экосистеме.

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 необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трёх формах: взвешенной, коллоидной и растворённой, последняя из которых представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами . Для неорганических соединений - это галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты и др. Среди органических лигандов более прочными являются комплексы гуминовых и фульвокислот (преимущественно низкомолекулярных), входящих в состав гумусовых веществ почв и природных вод. Большое влияние на содержание этих элементов в воде оказывают процессы гидролиза, в результате которых образуются гидроксоформы.

Определенная аналогия биогеохимических свойств некоторых тяжелых металлов позволила сгруппировать их и выявить общие закономерности. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах.

Медь и цинк характеризуются как наибольшей химической активностью, так и высокой эффективностью накопления в водорослях и планктоне, что определяет их особую значимость для биоты . Они являются главными составляющими многих металлоферментов, участвующих в природной селекции аэробных клеток, в окислительно-восстановительных процессах тканей, иммунной реакции, стабилизации рибосом и мембран клеток.

Поступление этих элементов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Среди антропогенных источников - первичное и вторичное производство цветных металлов, стали, железа, добыча и сжигание нефти, бензина, древесины, отходов, промышленное производство меди, фосфатных удобрений.

Такие металлы как никель и кобальт являются биологически активными и канцерогенными. В отличие от других тяжелых металлов для никеля и кобальта склонность к комплексообразованию выражена менее ярко. Сравнительно малая подвижность этих элементов обусловливает их достаточно равномерное распределение в природных объектах. Никель и кобальт не являются широко распространенными загрязняющими элементами в донных отложениях водных систем. Их содержание в донных отложениях редко превышает 50-100 мкг/л .

Особенности поведения свинца - малая подвижность и непродолжительное время жизни в атмосфере и фазе раствора природных вод. В поверхностных водах оно составляет несколько лет, а в глубинных - 80-100 лет.В природных водах свинец распределяется между раствором, взвешенным и живым веществом. Распределение существенно различно между поверхностными и придонными слоями. Показано, что среднее относительное содержание растворённого вещества свинца составляет 40% от суммарного содержания в поверхностном слое и 72% в придонном. Вклад нерастворенной (взвешенной) формы составляет 77% от его общего содержания в поверхностном и 87% в глубинном слое. В речных и морских водах свинец существует преимущественно в виде низкомолекулярных и высокомолекулярных органических соединений. Отмечается также наличие коллоидных форм соединений свинца .

По своим химическим свойствам и специфике поведения в различных природных средах кадмий имеет определённую аналогию с цинком. Химический состав промышленных выбросов включает как растворимые, так и нерастворимые формы кадмия, соотношение которых зависит от вида техногенного источника. В природных водах кадмий находится в виде свободных ионов, неорганических и органических соединений, причём эти соединения характеризуются несколько меньшей тенденцией к гидролизу, чем соединения цинка. По сравнению с другими тяжёлыми металлами его комплексообразующие свойства выражены менее ярко.

Ртуть в системе водоем-рыба.

Среди всех тяжелых металлов ртуть является самым токсичным металлом в природных экосистемах. По токсикологическим свойствам соединения ртути классифицируются на следующие группы: элементная ртуть, неорганические соединения, алкилртутные (метил- и этил-) соединения с короткой цепью и другие ртутьорганические соединения, а также комплексные соединения ртути с гумусовыми кислотами. Основными антропогенными источниками поступления ртути в окружающую среду являются цветная металлургия, сжигание топлива и химическая промышленность. В природных водах химические формы ртути многообразны. Среди них элементная ртуть, ртуть ( II ) в ионной форме, комплексные соединения с неорганическими лигандами, главным образом, хлоридные и гидроксокомплексы, комплексные соединения с растворёнными органическими веществами природных вод, а также ртутьорганические соединения: метилмеркухлорид, фенилмеркухлорид и другие алкил- и арилртутные соединения. Как неорганические, так и органические соединения ртути высоко растворимы. Растворённые формы ртути в природных водах главным образом представлены её органическими соединениями (50-60%). Доля последних в общем балансе растворённых форм составляет 87% ( при рН=6 ), 7% ( рН=7 ) и 0.07% ( рН=8 ). Среди неорганических комплексов ртути наиболее растворимыми и устойчивыми являются хлоридные комплексы. Проявляя сильное сродство к сере, ртуть наиболее легко вступает в реакции комплексообразования с серосодержащими органическими лигандами, такими, как цистеин, амино- и оксикарбоновые кислоты. Среди органических комплексов наиболее устойчивы фульватные. В целом, по сравнению с кадмием и цинком комплексные неорганические и органические соединения ртути наиболее устойчивы. Характерная особенность ртути состоит в том, что в водных растворах она подвержена гидролизу даже в слабокислой среде. В разбавленных растворах отмечается наличие моноядерных гидроксокомплексов. Доминирующей гидроксоформой Hg(II) в природных водах является [Hg(OH)2]0.

Недавно было показано, что микроорганизмы могут использовать реакции метилирования для превращения металлов в металлорганические соединения Особое значение имеет способность некоторых микроорганизмов превращать ионы ртути в метилртуть и диметиртуть:

Hg2+ + донор метильной группы = СН3-Hg+

СН3-Hg+ + донор метильной группы = СН3-Hg-СН3

Большинство превращений происходит в микробных системах. Необходимо указать два фактора:

1. элементарная ртуть весьма летуча и легко испаряется из водной среды;

2. диметилртуть в фотохимических процессах может разрушиться до элементарной ртути и углеводородов.

Важность процессов метилирования можно представить себе, уяснив биологическую роль метилртути. Метилртуть почти полностью поглощается организмом и лишь незначительно выводится из него. Вследствие этого при воздействии метилртути даже в весьма малой концентрации её содержание в тканях может увеличиваться. Неорганическая ртуть, напротив, очень слабо поглощается организмом. Метилртуть распределяется во всех тканях, тогда как неорганическая ртуть накапливается главным образом в печени и почках. Метилртуть является очень сильным нейротоксином. Таким образом, в результате реакций метилирования любая форма ртути, попавшая в окружающую среду, может превратиться в метилртуть, которая далее может концентрироваться в организмах. Основная часть ртути, обнаруживаемая в рыбе, находится в виде метилртути. Значительная часть загрязняющих компонентов, проходя через толщу воды в составе взвесей, осаждается на дно. Поэтому содержание многих токсикантов в придонных водах, а также в донных отложениях намного выше, чем в толще воды. Захоронённые в донных отложениях соединения тяжелых металлов могут вновь поступать в воду. Такое «вторичное» загрязнение обусловлено взмучиванием осадков донными организмами (моллюски, ракообразные, некоторые рыбы), но особенно интенсивно оно происходит при волновом и ветровом воздействии. Например, соединения ртути, благодаря высокому сродству к твердой фазе, легко адсорбируются взвешенными частицами и донными отложениями, накапливаясь в последних.

Роль взвешенных частиц в миграции ртути достаточно велика. Показано, что со взвешенными частицами (<20 мкм) связано в ~105 больше ртути, чем с растворёнными, независимо от природы взвешенного материала. Доля взвешенных форм в озёрных водах составляет 10-13%, в речных - 83-96%, в морских - 60-96%. Интенсивность сорбции ртути донными отложениями зависит от площади поверхности, содержания органических веществ, ионообменной способности катионов и размеров частиц. Вследствие накопления этих токсикантов в придонных водах и осадках наиболее уязвимыми оказываются малоподвижные или прикреплённые бентосные организмы, обитающие в прибрежных зонах.

Такие беспозвочные животные как двустворчатые и брюхоногие моллюски широко распространены в прибрежных водах всех морей и обычно образуют большие популяции. Многие из них употребляются в пищу. Крупные двустворчатые моллюски ежесуточно пропускают через мантийную полость многие десятки и сотни литров воды, содержащей взвешенные частицы и способны накапливать металлы, которые в свою очередь достаточно быстро выводятся из их организма.

Содержание тяжёлых металлов в организмах моллюсков колеблется в широких пределах в зависимости от загрязненности среды обитания. Например, у обитающих в различных районах мира мидий они могут составлять (в мкг/г сухой массы): свинец-0,3-117; цинк-60-640; медь-1,7-44; кадмий-0,1-16; железо-70-2640.

У моллюсков существует особый механизм связывания ионов тяжелых металлов, обеспечивающий высокую пластичность и позволяющий им выживать в условиях, как природных геохимических аномалий, так и сильного антропогенного загрязнения вод . В цитоплазме моллюсков из загрязнённых вод обнаружены большие количества водорастворимых низкомолекулярных белков-металлотионеинов, обладающих высоким сродством к ионам металлов. Установлено, что металлотионеины с молекулярными массами до 25 тыс. Да синтезируются и в организмах позвоночных животных в ответ на введение ионов кадмия, цинка, меди и ртути.

Метилртуть поглощается беспозвоночными с пищей или непосредственно из воды значительно интенсивнее, чем неорганическая ртуть . Темпы ее аккумуляции увеличиваются с ростом температуры воды, а темпы выведения из организма ниже, чем неорганических форм. Кроме того, сорбция увеличивается с ростом концентраций ртути и хелатов в воде. Хотя, как установлено экспериментами, существенные количества хлоридов ртути и метилртути могут поступать непосредственно из воды, пища также является важным источником ртути в организмах некоторых видов беспозвоночных.

Минеральный состав рыб более разнообразен, чем мяса, в основном за счет микроэлементов. При этом нужно отметить, что морская рыба содержит 50-150 мкг % йода, 400-1000 мкг % фтора и 40-50 мкг % брома, т.е. примерно в 10 раз больше, чем в мясе. В среднем общее содержание минеральных веществ (кроме Fe, Zn, Cu, Ni) в рыбе, особенно морской, примерно в 1.5 раза выше, чем в мясе наземных животных. Все это говорит о том, что рыба и рыбные продукты являются важным источником минеральных веществ в питании. Но вместе с тем следует отметить, что способность рыб накапливать некоторые микроэлементы не всегда полезна. Так, рыбы, особенно хищные (например, тунцовые), могут накапливать такие токсичные элементы, как ртуть (до 0.7 мг/кг), свинец (до 2.0 мг/кг) и кадмий (до 0.2 мг/кг).

В экспериментах на рыбах показано интенсивное накопление и очень медленное выведение метилртути, поэтому концентрация аккумулированной ртути является функцией возраста и размеров рыб. Распределение ртути по органам и тканям не зависит от видовой принадлежности рыб и имеет следующий порядок: мышцы > печень > кишечник > селезенка > мозг > гонады. Это объясняется повышенным содержанием в мышцах функциональных групп белков (-SH, -NH2, -COOH, -OH), к которым ртуть обладает высоким сродством.

Содержание ртути в печени, составляющее 70-80% от уровня в мышцах, может свидетельствовать о хроническом поступлении металла в организм исследованных рыб. Органами с минимальным содержанием ртути являются мозг и гонады. Весьма вероятно, что повышенное накопление ртути в мозге может приводить к элиминации особей. Гонады у рыб ежегодно формируются заново, поэтому следует рассматривать как органы с наиболее высокой степенью самообновления.

На накопление и токсичность соединений ртути в рыбах влияет:

· видовая принадлежность;

· возраст;

· положение в трофической цепи;

· микробиологическая активность;

· тип питания, стадия развития, пол;

· условия окружающей среды (рН, цветность, температура, содержание кислорода, соленость, жесткость воды, содержание железа, хелатирующих агентов) .

90 % метилртути в рыбу поступает с пищей, а не более 15 % усваивается из воды через жабры. Ранжирование рыб по уменьшению содержания ртути в мышечной ткани следующее: типичные хищники бентосоядные виды со значительной долей рыбы в пище типичные бентосоядные виды планктоноядные виды .

В большинстве случаев ртуть, и её соединения снижают скорость роста молоди рыбы, вызывают различные патологические явления: фрагментацию микроскладок выстилающих клеток, набухание дыхательного эпителия, торможение роста и развития гонад, ухудшение обонятельной функции, зрения и дыхания, снижение жизнеспособности спермы, структурные изменения эпидермальной слизи рыб. Нарушение метаболических процессов приводит к изменению поведения личинок и молоди рыб, рассредоточению стай, опусканию рыб на дно, отрывистости в движениях, потери ориентации и в конечном счете, гибели.

Таким образом, рыба является конечным звеном пищевой цепи: вода микроорганизмы планктон рыба. Вследствие загрязнения тяжелыми металлами вод морей и океанов, ртуть накапливается в рыбе в токсичной или летальной для нее дозе. Попадая в другие пищевые цепи, рыба становится пищей и источником ртути для других, в том числе и наземных организмов, что может привести к гибели этих организмов.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких, и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т.п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем.

Одним из главных загрязнителей биосферы являются тяжелые металлы. Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транспорт, химическая промышленность, тепловые электростанции, работающие на угле, бытовые отходы.

Загрязнение среды - сложный, многообразный процес. При изучении или описании современных процессов в экосистемах и в биосфере принято выделять загрязнение:

химическое, заключающееся в изменении химического состава среды; физическое, связанное с отклонением от нормы физических параметров окружающей среды:

· биологическое, включающее микробиологическое (бактериями и вирусами - возбудителями болезней, носящих характер эпидемий) и макробиологическое (животными и растениями, случайно либо ошибочно интродуцированными в новые экосистемы).

В наши дни наиболее масштабным и значительным для окружающей природной среды считается химическое загрязнение. В большинстве случаев химическое загрязнение рассматривается отдельно для атмосферы, литосферы и гидросферы.

Загрязнение рек, озер, морей и даже океанов происходит с нарастающей скоростью. При прохождении через гидрологический цикл вода загрязняется взвешенными и растворенными веществами - как природными компонентами, так и отходами человеческой деятельности. Источники загрязнения вод делятся на 4 большие группы:

1. производственные или промышленные сточные воды;

2. городские сточные воды, включая преимущественно бытовые стоки;

3. атмосферные воды - дождевые и от таяния снега;

4. сточные воды сельскохозяйственных предприятий .

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Определенную опасность для окружающей среды представляют атмосферные выбросы тепловых электростанций, особенно работающих на высокозольных углях. Основное их количество выпадает на расстоянии 25-40 км от источника загрязнения. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения, и переходит в почву.

Центральное положение почвы в экосистеме и возможные пути поступления в нее химических загрязняющих веществ иллюстрирует схема 4.

Почвенный покров служит мощным аккумулятором тяжелых металлов и практически не теряет их со временем. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьирует для разных элементов, но составляет весьма продолжительные периоды времени, например: для Zn - от 70 до 510 лет; для Cd - от 13 до 110 лет; для Cu - от 310 до 1500 лет; для Pb - от 740 до 5900 лет.

Верхние гумуссодержащие горизонты прочно фиксируют тяжелые металлы и многие неметаллы. Как показали исследования, слой толщиной ~ 0 - 20 см прочно удерживает все количество газопылевых выбросов выпавших из атмосферы или поступающих в почву другими путями, например с пойменными и оросительными водами.

Разработка месторождений полезных ископаемых, обогащение руд, их транспортировка и накопление отходов промышленных предприятий, металлургическое производство привели к обогащению почв такими микроэлементами, как хром, ртуть, кадмий, стронций, бериллий, никель, цинк, медь, которые аккумулируются, в основном, в верхнем слое почвы ~ 3-5 сантиметров. В районах действия обогатительных фабрик и металлургических заводов наблюдается образование поясов с повышенными содержаниями ряда микроэлементов в почве. Складирование промышленных отходов также приводит к загрязнению почв, вод и растений рядом химических элементов.Поступление в почву тех или иных химических элементов и соединений связано также с производством и применением в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов .

В ненаселенных районах имеется соответствие между концентрациями тяжелых металлов на поверхности почвы и в земной коре, что свидетельствует об относительно низкой подвижности тяжелых металлов в естественных условиях. Однако в загрязненных почвах могут проходить различные процессы, которые приводят к накоплению тяжелых металлов и их миграции. Например, выбросы предприятий цветной металлургии представлены преимущественно оксидами металлов. Трансформация поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает стадии преобразования оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); растворения гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбции соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почвы; образования фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Накопление в почве тяжелых металлов, отрицательно сказывается на росте и развитии растений. Возможны случаи вынужденного поступления вредных для жизнедеятельности растений элементов или необходимых им элементов, но в количествах, токсичных для их развития, вследствие чего возникают своеобразные патологические формы, нарушается цикл развития растения, а в ряде случаев наблюдается и его гибель.

Поступление избыточных ионов в растения на загрязненной территории усиливается, они могут накапливаться в количествах, значительно превосходящих их нормальное содержание.

При возрастании содержания меди в почве с ~300 до ~8400 мг/кг концентрация ее в растении сохранялась на одном уровне. Дальнейшее повышение количества меди в почве обусловило увеличение ее содержания в золе растений - в 7 раз .

Таким образом, увеличение концентрации тяжелых металлов в почве вследствие загрязнения окружающей среды влечет за собой увеличение их содержания в тканях растений. Растения являются основным звеном в пищевой цепи «почва-растение-человек», по которой тяжелые металлы поступают в организм человека и накапливаются в нем.

Последствия загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

* Ртуть и ее соединения в пищевой цепи, их влияние на организм человека.

В условиях загрязнения среды обитания возможно попадание избыточных количеств тяжелых металлов в пищевые продукты, что представляет опасность для здоровья человека .

Тяжелые металлы опасны тем, что способны накапливаться, и образовывать высокотоксичные металлосодержащие соединения, и вмешиваться в метаболический цикл живых организмов, вызывая у человека и животных ряд заболеваний . Помимо того, что определенное количество тяжелых металлов поступает в пищевые продукты из перерабатываемого сырья (при антропогенном загрязнении почв, воздуха, воды), токсичные элементы могут попасть в пищевые продукты во время технологического процесса (из материала оборудования, в котором проводится обработка и хранение сырья), из вводимых в пищу добавок .

Тяжелые металлы могут проявлять широкое токсическое действие. Некоторые из них, такие, как свинец, оказывают явно выраженное воздействие на многочисленные органы, тогда, как другие, например, кадмий, имеют более ограниченную область токсического воздействия.

Кадмий весьма токсичный элемент. Порог токсичности 30 мкг/сутки. В организм человека в течение суток поступает до ~ 10-20 мкг кадмия. Хотя оптимальной дозой считается 1-5 мкг/сутки. Пищевыми источниками кадмия являются морепродукты (особенно мидии и устрицы), злаки (зерновые) и листовые овощи . В пищевых продуктах кадмия содержится примерно в 5-10 раз меньше, чем свинца . Аккумулируется кадмий в основном в почках, печени и двенадцатиперстной кишке. Токсическая доза для человека 3-330 мг 2 Летальная доза для человека 1500-9000 мг 2.

В определенных концентрациях медь является жизненно необходимым биомикроэлементом. Поглощение больших количеств меди человеком приводит к болезни Вильсона, при этом избыток меди откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде. Оптимальная интенсивность поступления меди в организм ~ 2-3 мг/сутки. Порог токсичности 200 мг/сутки. Токсическая доза для человека: 155-600 мг (при хроническом поступлении). Летальная доза для человека: 6000 мг8. Много меди содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, картофеле, крапиве, кукурузе, моркови, шпинате, яблоках, какао-бобах. В пищевых продуктах растительного происхождения содержание меди составляет 1-10 мг/кг.