Тяжелые металлы и их влияние на живые организмы

Обновлено: 05.10.2024

В связи с развитием промышленности, транспорта, использования минеральных удобрений, количество тяжелых металлов в окружающей среде становится опасным для человека. Молодое поколение более подвержено токсическому воздействию тяжёлых металлов – ослабляется рост и развитие, нарушается деятельность нервной системы, возможно развитие аутоиммунитета, при котором иммунная система разрушает свои собственные клетки.

Природная среда постоянно загрязняется различными веществами. Но в последнее время в неё активно проникают как биогенные, так и чужеродные металлы. Наибольшую опасность среди них представляют тяжёлые металлы: ртуть, свинец, медь, цинк, хром и другие металлы. Возрастающее поступление тяжёлых металлов в окружающую среду приводит к загрязнению почв и повреждению растительных организмов, следовательно, и на здоровье человека.

Тяжелые металлы.

Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40. На сегодняшний день безоговорочно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму. Деятельность значительной части остальных в живых организмах можно оценить только на "отлично". Действительно, металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co. Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации. Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы.Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий,цинк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое.

Прежде всего представляют интерес те металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.

Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов

В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.

Фитотоксичное действие ТМ проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы. Например, смесь цинка и меди в пять раз токсичнее, чем арифметически полученная сумма их токсичности, что обусловлено синергизмом при совместном влиянии этих элементов. Подобным образом действует и смесь цинка с никелем. Однако существуют наборы металлов, совместное действие которых проявляется аддитивно. Ярким примером этого являются цинк и кадмий, проявляющие взаимный физиологический антагонизм (Химия…,1985). Очевидны проявления синергизма и антагонизма металлов и в их многокомпонентых смесях. Поэтому суммарный токсикологический эффект от загрязнения среды ТМ зависит не только от набора и уровня содержания конкретных элементов, но и особенностей их взаимного воздействия на биоту.

Таким образом, влияние ТМ на живые организмы весьма разнообразно Это обусловлено, во-первых, химическими особенностями металлов, во-вторых, отношением к ним организмов и, в-третьих, условиями окружающей среды. Ниже, согласно имеющимся в литературе данным, приводим краткую характеристику влияния ТМ на живые организмы.

Свинец . Биологическая роль свинца изучена весьма слабо, однако в литературе встречаются данные (Авцын и др., 1991), подтверждающие, что металл жизненно необходим для животных организмов на примере крыс. Животные испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг. В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества.

Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды. Металл токсичен для микроорганизмов, растений, животных и людей.

Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного действия свинца – появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинаковая: менее устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Концентрация металла выше 10 мг/кг сухого вещества является токсичной для большинства культурных растений.

В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный тракт. При токсичных дозах элемент накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях. При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей.

Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе "новых" микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) и в низких концентрациях способен стимулировать их рост некоторых животных (Авцын и др., 1991). Для высших растений значение кадмия достоверно не установлено.

Основные проблемы, связанные у человечества с этим элементом, обусловлены техногенным загрязнением окружающей среды и его токсичностью для живых организмов уже при низких концентрациях (Ильин, Сысо, 2001).

Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибировании восстановления NО₂ до NО. Кроме того, в метаболизме растений он является антагонистом ряда элементов питания (Zn, Cu, Mn, Ni, Se, Ca, Mg, P). При токсичном воздействии металла у растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев. Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения. По фитотоксичности и способности накапливаться в растениях в ряду ТМ он занимает первое место (Cd > Cu > Zn> Pb) (Овчаренко и др., 1998).

Кадмий способен накапливаться в организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Его избыток ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.

Хроническое воздействие кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния. Существуют данные о возможном канцерогенном эффекте кадмия и о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний.

Цинк. Особый интерес к цинку связан с открытием его роли в нуклеиновом обмене, процессах транскрипции, стабилизации нуклеиновых кислот, белков и особенно компонентов биологических мембран, а также в обмене витамина А. Ему принадлежит важная роль в синтезе нуклеиновых кислот и белка. Цинк обнаружен в составе более 200 ферментов . Уникальность цинка заключается в том, что ни один элемент не входит в состав такого количества ферментов и не выполняет таких разнообразных физиологических функций (Кашин, 1999).

Повышенные концентрации цинка оказывают токсическое влияние на живые организмы. У человека они вызывают тошноту, рвоту, дыхательную недостаточность, фиброз легких, является канцерогеном . Избыток цинка в растениях возникает в зонах промышленного загрязнения почв, а также при неправильном применении цинксодержащих удобрений. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью к его избытку в почвах. Однако при очень высоком содержании этого металла в почвах обычным симптомом цинкового токсикоза является хлороз молодых листьев. При избыточном его поступлении в растения и возникающим при этом антагонизме с другими элементами снижается усвоение меди и железа и проявляются симптомы их недостаточности.

Медь – является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов-оксидаз – цитохромоксидазы, церулоплазмина, супероксидадисмутазы, уратоксидазы и других (Школьник, 1974; Авцын и др., 1991) и участвует в биохимических процессах как составная часть ферментов, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. Данные по токсичности элемента для растений немногочисленны. Основные признаки дефицита меди для растений – замедление, а затем и прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна, пустозернистых колосьев, снижение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наиболее чувствительны к ее недостатку пшеница, овес, ячмень, люцерна, столовая свекла, лук и подсолнечник (Ильин, Сысо 2001; Adriano,1986).

В организме взрослого человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и костях и 10% - в печени. Основные процессы всасывания этого элемента происходят в желудке и тонкой кишке. Ее усвоение и обмен тесно связаны с содержанием в пище других макро- и микроэлементов и органических соединений. Существует физиологический антагонизм меди с молибденом и сульфатной серой, а также марганцем, цинком, свинцом, стронцием, кадмием, кальцием, серебром. Избыток данных элементов, наряду с низким содержанием меди в кормах и продуктах питания, может обусловить значительный дефицит последней в организмах человека и животных, что в свою очередь приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы, а при острой нехватке металла (менее 2-3 мг в сутки) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба. Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни Вильсона, при которой избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Никель. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Недостаточность металла у жвачных сельскохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода.

До настоящего времени в литературе не встречаются данные о дефиците никеля для растений, однако в ряде экспериментов установлено положительное влияние внесения никеля в почвы на урожайность сельскохозяйственных культур, которое, возможно, связано с тем, что он стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота в почвах (Кашин, 1998; Ильин, Сысо, 2001; Brown, Wilch, 1987). Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлена эмбриотоксичность никеля (Строчкова и др., 1987; Ягодин и др., 1991). Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом.

Хром . Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы (Авцын и др., 1991). Растительные организмы положительно реагируют на внесение хрома при низком содержании в почве доступной формы, однако вопрос о незаменимости элемента для растительных организмов продолжает изучаться.

Токсичное действие металла зависит от валентности: шестивалентный катион гораздо токсичнее трехвалентного. Симптомы токсичности хрома внешне проявляются в снижении темпов роста и развития растений, увядании надземной части, повреждении корневой системы и хлорозе молодых листьев. Избыток металла в растениях приводит к резкому снижению концентраций многих физиологически важных элементов, в первую очередь К, Р, Fe, Mn, Cu, B. В организме человека и животных общетоксикологическое, нефротоксическое и гепатотоксическое действие оказывает Cr 6+ . Токсичность хрома выражается в изменении иммунологической реакции организма, снижении репаративных процессов в клетках, ингибировании ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки, хромовый гепатоз, нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности. Соединения Cr 6+ , наряду с общетоксикологическим действием, способны вызывать мутагенный и канцерогенный эффекты. Хром, помимо легочной ткани, накапливается в печени, почках, селезенке, костях и костном мозге (Краснокутская и др., 1990).

Влияние токсичных концентраций ТМ на растения приведено в таблице 1.1, а на здоровье человека и животных – в таблице 1.2.

Влияние токсичных концентраций некоторых тяжелых металлов на растения

Концентрация в почве, мг/кг

Реакция растений на повышенные концентрации ТМ

Ингибирование дыхания и подавление процесса фотосинтеза, иногда увеличение содержания кадмия и снижение поступления цинка, кальция, фосфора, серы, снижение урожайности, ухудшение качества растениеводческой продукции. Внешние симптомы – появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва

Нарушение активности ферментов, процессов транспирации и фиксации СО₂, торможение фотосинтеза, ингибирование биологического восстановления NО₂ до NО, затруднение поступления и метаболизма в растениях ряда элементов питания. Внешние симптомы - задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.

Хлороз молодых листьев

Ухудшение роста и развития растений, увядание надземной части, повреждение корневой системы, хлороз молодых листьев, резкое снижение содержания в растениях большинства незаменимых макро- и микроэлементов (К, Р, Fe, Mn, Cu, B и др.).

Подавление процессов фотосинтеза и транспирации, появление признаков хлороза

Примечание: * - подвижная форма, по данным: Рэуце, Кырстя, 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас,1989; Ягодин и др., 1989;. Ильин, Сысо, 2002

Влияние загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

на здоровье человека и животных

Характерные заболевания при высоких концентрациях ТМ в организме

Повышение смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, рост общей заболеваемости, изменения в легких детей, поражения органов кроветворения, нервной и сердечно-сосудистой системы, печени, почек, нарушения течения беременности, родов, менструального цикла, мертворождаемости, , врожденных уродств. Угнетение активности многих ферментов, нарушение процессов метаболизма.

Нарушения функций почек, ингибирование синтеза ДНК, белков и нуклеиновых кислот, снижение активности ферментов, замедление поступления и обмена других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит в организме.

Изменение морфологического состава крови, злокачественные образования, лучевые болезни; у животных – снижение прирост живой массы, депрессия в поведении, возможность абортов.

Увеличение смертности от рака органов дыхания.

Изменение иммунологической реакции организма, снижение репаративных процессов в клетках, ингибирование ферментов, поражение печени.

Нарушение синтеза белка, РНК и ДНК, развитие выраженных повреждений во многих органах и тканях.

По данным: Методические …, 1982; Кальницкий, 1985; Авцын и др., 1991; Покатилов, 1993; Макаров, 2002

Таким образом, не все из перечисленных элементов я вляются ядовитыми, некоторые из них в малых количествах необходимы для нормальной жизнедеятельности человека, растний и животных.

Химические элементы, которые, входя в состав организмов растений, животных и человека, принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической ролью. Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами — гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами.

Микроэлементам, несмотря на их малое количественное содержание в организмах, принадлежит значительная биологическая роль. Помимо общего благоприятного влияния на процессы роста и развития, установлено специфическое воздействие ряда микроэлементов на важнейшие физиологические процессы.

Список литературы

1. Добровольский В.В., География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М:.Мысль,1983

2. Добролюбский О.К. Микроэлементы и жизнь, М., 1956.

3. Понин М.С., Касымова Ж.С. Накопление биомассы и содержание цинка в проростках яровой пшеницы и тёмно – каштановой почве при внесении разных доз сульфата цинка //Агрохимия-1999-№3-с61-63

4. Савич В.И., Оконская И.С. Определение уровня загрязнения почв и растений тяжёлыми металлами //Химизация сельского хозяйства 1992-№1-с 56-58

5. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения. М:. РЭФИА, 1997

6. Полянский Н.Г. Свинец. М:.Наука 1986

7. Приходько Н.Н. Ванадий, хром, никель и свинец в почвах Притисской низменности и предгорий Закарпатья.//Агрохимия 1977-№4-с850-859

8. Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов (свинца, кадмия и ртути) в почвах Европейской части СССР//Тенезис, плодородие и мелиорация почв. Пущино, - 1980 – с77-90

9. Садовникова Л.К. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжёлых металлов // Химия в сельском хозяйстве – 1997-№2-с 37-40

Влияние тяжёлых металлов на организм человека

Значительная доля тяжёлых металлов проникает в почву от источников домашнего и городского хозяйства. В связи с тем, что проблема загрязнения окружающей природной среды тяжёлыми металлами и воздействии их на организм человека являете» актуальной для нашего региона.

Ключевые слова: тяжёлый металл, проблема загрязнения окружающей среды, загрязнение почвы, организм человека.

В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение почв тяжёлыми металлами стало особо острой проблемой. Тяжёлые металлы беспрепятственно могут попадать в растения, организмы животных, человека через пищу и в больших количествах оказывают очень пагубное воздействие как на организм в целом, так и на отдельные органы.

Доклад «Влияние тяжёлых металлов на организм человека» (на примере анализа почв отдельного района в 12, 13, 14, 16 и 16 а микрорайонах) представляет собой исследовательскую работу студентов по изучению почв на содержание тяжелых металлов и влиянии их на организм человека.

В соответствии с ГОСТом тяжелые металлы, по степени опасности, разделяются на три класса опасности:

1. класс опасности: мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, силен, свиной, цинк

2. класс опасности: кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма.

3. класс опасности: ванадий, барий, вольфрам, марганец, стронций.

При превышении концентрации тяжелых металлов ПДК приводит к серьёзным последствиям, в организме происходят необратимые изменения.

Значительная доля тяжёлых металлов проникает в почву от источников домашнего и городского хозяйства.

В связи с тем, что проблема загрязнения окружающей природной среды тяжёлыми металлами и воздействии их на организм человека являете» актуальной для нашего региона. И что серьёзным изучении данного вопроса до сих пор никто не занимался, директором клуба «Эксперимент» Комковым В. Е., была проведена экспериментальная работа, которую в основном проводили исследовательская группа. Основную часть группы составили студенты НИК», экологи (специальность 3201).

C целью получить наиболее точную информацию о загрязнении почвы города Нефтеюганска тяжёлыми металлами мы выбрали отдельный район дли его тщательного обследования. Обследовали мы район с помощью взятия проб почвы.

Пробы почвы были отобраны около подъездов, на детских площадках и территорий школ, в подвалах, а также на остановках и магазинах. Пробы отбирались в герметичные пластиковые коробочки, которые нумеровались.

В ходе подготовки образца к химическому анализу выделяются следующие основные процессы: высушивание, дробление, просеивание и измельчение.

Анализ почвы производится на эмиссионном спектроскане. Главное достоинство эмиссионного спектрографа состоит в том, что на нем возможно определение многих элементов одновременно с помощью рентгеновской трубки, которая возбуждает атомы исследуемого вещества.

Если на спектрограмме пик элемента приходится на отметку выше 4096 импульсов в секунду, то в данной пробе концентрация данного элемента выше ПДК и начинает оказывать пагубное действие на организм человека.

В своей экспериментальной работе мы сравнивали среднее содержание каждого металла в отдельности и изучали его действия на организм.

После чего мы пришли к такому выводу: где пробы превышают предельно допустимую концентрацию, в тех микрорайонах заболеваемость повышенная. Это связано с тем, что пыль в подъездах домов, в которой содержится большое содержание вредных твердых металлов, имеет прямой доступ в легкие человека, осаждаются на них и приводят к заболеваниям, а так же пыль поднимается в микрорайонах при неблагоприятной розе ветров, попадает в квартиры и организм человека соответственно. Помимо этого, обладает повышенным уровнем радиации 30–35 микрорентген в час в воздухе в подвалах, квартирах, что указывает на наличие примеси радиоактивных строительных материалов.

Данная работа по экологическому мониторингу микрорайонов города является пионерной ранее никогда не проводившейся. В планах лабораторий центра «Эксперимент» продолжение этой работы: многократное измерение данных параметров и составление экологических карт. При выявлении объектов городского хозяйства, имеющих повышенный радиационный фон и другие загрязнения выше норм ПДК, будет проводиться более тщательное исследование с передачей информации муниципальным властям для принятия решений.

Данная работа является обобщением как теоретического, так и практического материала.

Его можно использовать:

— как методику для проведения дальнейших исследований;

— для оценки состояния почв воздуха,

— для прогнозирования антропогенных изменений состояния почвы.

Гусакова Н. В. Техносферная безопасность: физико-химические процессы в техносфере: учебное пособие/Н. В. Гусакова. — Москва: ИНФРА-М, 2015. — 84 м.
Никифорова Л. О. Влияние тяжёлых металлов на процессы биохимического окисления органических веществ/Л. О. Никифорова, Л. М. Белопольский — Бином, Лаборатория знаний, 2013. — 80 с.

Основные термины (генерируются автоматически): организм человека, класс опасности, металл, городское хозяйство, проблема загрязнения, значительная доля, окружающая природная среда, отдельный район, экспериментальная работа.

Тяжелые металлы в водных экосистемах как индикатор антропогенного воздействия

В природе тяжелые металлы (ТМ) находятся, в основном, в труднорастворимой и труднодоступной для растений форме. Однако, в результате антропогенного вмешательства, резко возрастает содержание ТМ в природных экосистемах — в воздухе, природных водах и почве. Одновременно изменяется и форма нахождения ТМ в природных средах — в составе относительно хорошо растворимых соединений, что позволяет им с легкостью вовлекаться в пищевые цепи [8].

Тяжелые металлы обладают высокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим и биологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения, как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, т. е. мигрировать [3].

В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. Другие вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, то есть чуждых живому. Специалистами по охране окружающей среды среди металлов-токсикантов выделена приоритетная группа [5]. В нее входят кадмий, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк и хром как наиболее опасные для здоровья человека и животных. Из них ртуть, свинец и кадмий наиболее токсичны.

Город Сумгаит является вторым по величине промышленным городом Азербайджана. В нем сосредоточены предприятия химической, металлургической промышленности, предприятия оргсинтеза. В настоящее время в Сумгаите имеются приблизительно 3000 стационарных источников атмосферного загрязнения. Отходы этих предприятий содержат тяжелые металлы, органические соединения.

Особую озабоченность вызывают ртутные загрязнения завода по производству хлор-алкилина, различные хлорсодержащие соединения нефтехимических отраслей, фтороводород, содержащийся в выбросах алюминиевого производства, тяжелые металлы — свинец, цинк, кадмий в составе пыли сталелитейного производства и т. д.

Донные отложения вблизи Сумгаита содержат 1–2 г углеводородов, 0,5–1,0 г фенолов и 0,1- 0,6 г ртути на кг. С биологической точки зрения, эти области дна рассматриваются фактически мертвыми, воздействуя на осетра и другую рыбу, которая кормится фауной морского дна [1]. Несмотря на снижение производственных мощностей и сворачивание многих производств, накопленные в окружающей среде токсичные вещества продолжают воздействовать на здоровье населения Сумгаита.

Город Сумгаит находится в бассейне одноименной реки Сумгаитчай, имеющей несколько притоков — Гозлучай, Гуздучай, Чигилчай, Ченгичай и Кендачай. Сумгаитчай относится к «временным» рекам, так как в летний период из-за отсутствия атмосферных осадков практически полностью пересыхает. Ее длина составляет 198 км, площадь бассейна — 1751 км 2 . Она на 90 % питается дождевыми водами [7]. Впадает непосредственно в Каспийское море недалеко от Сумгаита.

С целью экологического оценивания нами исследовано содержание тяжелых металлов — Cd(II), Hg(II), Pb(II) в морской воде и донных отложениях Каспийского моря вблизи Сумгаита, а также в пробах речной воды Сумгаитчая и всех его притоков методом ААС [2]. Исследования проводились на ААС ZEEnit 700 P.

Для исследования были взяты пробы промышленных и бытовых сточных вод, выбрасываемых в море, а также пробы морской воды и донных отложений вблизи Сумгаита. Результаты анализа проб промышленных и бытовых сточных вод представлены в таблице 1.

Содержание тяжелых металлов впробах промышленных источных вод Сумгаита, мкг/л

Исследовательская работа "Комплексный анализ содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде и их влияние на организмы"

Окружающая среда является местом обитания живых организмов, которые находятся в контакте с ней всю свою жизнь. Организмы получают из окружающей среды все самое необходимое для нормальной жизнедеятельности: кислород для дыхания, воду, питательные вещества, микроэлементы и многое другое. Среди химических элементов, поступающих в организмы, особое место занимают тяжелые металлы в форме ионов.

Установлено, что ионы тяжелых металлов в норме присутствуют в окружающей среде вследствие поступления их из природных соединений, но естественное содержание их крайне мало. В последнее же время воздействие человека на окружающую среду возрастает, и теперь источником соединений тяжелых металлов выступает еще и деятельность человека (металлургическое производство, автотранспорт, удобрения), причем ионов тяжелых металлов антропогенного происхождения в окружающей среде с каждым годом становится все больше. Следовательно, и в организмы эти ионы будут поступать в большем количестве.

Работает ли здесь правило «чем больше, тем лучше»? Все знают, что в живых организмах присутствуют металлы, в том числе и тяжелые: например, железо в составе гемоглобина, цинк в составе инсулина и многих ферментов, медь нужна для формирования нервной ткани и в процессах кроветворения, а молибден активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями. Но эти и многие другие химические элементы – тяжелые металлы требуются живым организмам для нормальной жизнедеятельности в довольно малых количествах, тогда как некоторые из тяжелых металлов даже в микроколичествах оказывают отравляющее воздействие, являясь сильнейшими металлами-токсикантами (ртуть, свинец, кадмий).

Действительно ли деятельность человека – мощный источник поступления соединений тяжелых металлов в окружающую среду, а сами тяжелые металлы негативно воздействуют на живые организмы? Изучению данных вопросов и посвящена работа.

В начале работы была выдвинута гипотеза: соединения тяжелых металлов присутствуют в окружающей среде района исследования (сельская местность), содержание соединений тяжелых металлов тем выше, чем ближе территория отбора проб к автомобильной дороге; соединения тяжелых металлов оказывают угнетающее воздействие на живые организмы.

Цель: изучение содержания соединений тяжелых металлов в окружающей среде (в воздухе, в почве, в воде) и их воздействие на живые организмы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи :

Изучить научную литературу по данной проблеме.

Изучить методы определения соединений тяжелых металлов в окружающей среде.

Провести качественный анализ проб почвы, снега, воды, биологического материала (лишайников) на содержание соединений тяжелых металлов.

Определить воздействие соединений тяжелых металлов на живые организмы.

Оценить степень загрязнения окружающей среды соединениями тяжелых металлов в районе исследования.

Объект исследования : загрязнение соединениями тяжелых металлов окружающей среды и живых организмов.

Предмет исследования : почва, снег, вода, живые организмы (лишайники, кресс салат).

Методы исследования:

Место проведения исследования: деревня Титково Кардымовского района.

Сроки проведения исследования: февраль-март 2017 года.

Глава I . Тяжелые металлы

Общие понятия о тяжелых металлах

Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов и значительным атомным весом, больше 40. Известно около сорока различных определений термина тяжелые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжелых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы.

Термин «тяжелые металлы» чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения. Таким образом, при включении в эту категории учитываются не только химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см 3 . Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [5.3] .

Воздействие тяжелых металлов на живые организмы

Глава II . Источники поступления соединений тяжелых металлов

в окружающую среду и живые организмы

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них.

Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции - выдувании почв.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений [5.3].

К возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами техногенного происхождения относят предприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющие атмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения (гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования), заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.

Кроме антропогенных источников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие, естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительно недавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземном море. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водах некоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах, живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению с естественным, так называемым фоновым уровнем [5.2].

2.1. Поступление соединений тяжелых металлов в почву

Почва является основной средой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - выхлопными газами автомобилей. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Почва с лужит источником вторичного загрязнения приземного воздуха и вод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваются растениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.

Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы, что приводит к изменению состава и свойств почвы как динамической системы и в конечном итоге вызывает нарушение равновесия экологических процессов.

В естественных нормальных условиях все процессы, происходящие в почвах, находятся в равновесии. Изменение состава и свойств почвы может быть вызвано природными явлениями, но наиболее часто в нарушении равновесно состоянию почвы повинен человек:

атмосферный перенос загрязняющих веществ в виде аэрозолей и пыли (тяжелые металлы);

неземное загрязнение – отвалы крупнотоннажных производств и выбросы топливно-энергетических комплексов;

растительный опад. Токсичные элементы в любом состоянии поглощаются листьями или оседают на листовой поверхности. Затем, при опадании листьев, эти соединения попадают в почву [5.4] .

Определение тяжелых металлов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных для выращивания экологически чистой продукции.

Если почвы загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую фитомассу. Такие культуры, извлекающие тяжелые металлы, после созревания подлежат уничтожению. На восстановление загрязненных почв требуются десятки лет.

2.2. Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах.

Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкие колебания их уровня [5.3].

В то же время тяжелые металлы и их соли — широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают как из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), так и со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Например, естественными источниками поступления свинца в поверхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) и экзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышение содержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связано со сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водами рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт и т.д.

2.3. Поступление соединений тяжелых металлов в атмосферу

Автомобильный транспорт, который работает на жидком топливе (бензине, дизельном топливе и керосине), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и теплоэлектростанции (ТЭС) представляют собой один из основных источников загрязнения воздуха. В выхлопных выбросах автомобилей содержатся тяжёлые металлы, в том числе свинец. Более высокие концентрации свинца в атмосферном воздухе городов с крупными промышленными предприятиями.

Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы [4]

Общий природный источник

2.4. Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы

Растительная пища является основным источником поступления тяжелых металлов в организм человека и животных. По данным с ней поступают 40–80 % тяжелых металлов, и только 20–40 %. — с воздухом и водой. Химический состав растений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточное накопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокими концентрациями в почвах. Несмотря на существенную изменчивость различных растений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеет определенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:

1) Cd,Cs, Rb — элементы интенсивного поглощения;

2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As –средней степени поглощения;

3) Mn, Ni, Cr –слабого поглощения;

4) Se, Fe, Ba, Te — элементы труднодоступные растениям. Другой путь поступления тяжелых металлов в растения — некорневое поглощение из воздушных потоков.

Поступление элементов в растения через листья происходит, главным образом, путем неметаболического проникновения через кутикулу. Тяжелые металлы, поглощенные листьями, могут переносится в другие органы и ткани и включаться в обмен веществ. Свинец и кадмий относятся к высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количество свинца резко повышено, оно в 10–100 раз выше по сравнению с растениями, растущими вдали от дорог. Большое количество кадмия обнаруживается в растения, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например, в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автодорог количество кадмия возрастает в 11–17 раз.

Поступление тяжелых металлов в растения может происходить непосредственно из воздуха с оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30% от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается [5.1].

Читайте также: