Тяжелые металлы в водных экосистемах

Обновлено: 27.04.2024

Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.

Раздел 4. Загрязнение водных экосистем

20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах

20.1. Загрязнение вод металлами

Металлы принадлежат к числу главных неорганических загрязнителей пресных и морских вод. Это, в основном, соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути.

Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:

— высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных районах океана и внутренних морях;

— образованием высокотоксичных металлоорганических комплексов, которые как включаются в абиотический компонент экосистемы, так и поглощаются гидробионтами;

— накоплением металлов гидробионтами в дозах, опасных для человека.

Среди загрязняющих веществ по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» тяжелые металлы занимают второе место, уступая только пестицидам.

Источники поступления

Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно привносят в океан свыше 320 Мт железа. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу. Главные пути поступления металлов в Мировой океан приведены в таблице 29.

Естественное и антропогенное загрязнение Мирового океана, т год -1

На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает по другим оценкам 200 кт свинца и 5 кт ртути. Вклад атмосферных выпадений свинца в его общий поток в Мировой океан в настоящее время уже превышает геохимический вклад этого элемента с речными стоками. Для кадмия поступления в океан за счет атмосферных выпадений и прямого стока с суши близки, а для ртути атмосферный поток составляет около 25% общего поступления в океанскую среду. Сейчас уже признано, что главным источником поступления тяжелых металлов в окружающую среду является не металлургическое производство, а сжигание угля. Ежегодное сжигание 2,4 млрд. т каменного и 0,9 млрд. т бурого угля рассеивает в окружающей среде 200 кт мышьяка и 224 кт урана, а мировое производство этих металлов составляет только 40 и 30 кт соответственно.

Как уже сказано выше, важную роль в загрязнении гидросферы металлами играют сточные воды. В таблице 30 приведено содержание металлов в бытовых и некоторых видах промышленных сточных вод.

Содержание металлов в промышленных сточных водах Нью-Йорка, средние концентрации в мкг л -1 (Jackson, 1991)

На пути от мест попадания в воду до океана значительная часть металлов оседает на дне рек. Пример приведен в таблице 31.

Концентрации тяжелых металлов в воде и осадках реки Рур в Эссене (Imhoff, 1991)

(мг кг –1 сухого веса)

Кроме того, значительная часть металлов на пути к океану задерживается в водоемах – как в их донных осадках (таблица 32), так и в биоте (таблица 33).

Поступление металлов в озеро Мичиган (т год -1 ) (Jackson, 1991)

Содержание тяжелых металлов в озере Балатон (Salanki, 1991)

Донные осадки (мг кг –1 сухого веса)

(мг кг –1 сухого веса)

Esox lucius L.

Жабры (мг кг –1 сухого веса)

Мышцы (мг кг –1 сухого веса)

Печень (мг кг –1 сухого веса)

Естественно, что наибольшее загрязнение металлами приходится на моря и те части океана, где антропогенная активность высока. Более других загрязнены воды Персидского и Аденского заливов Индийского океана, экваториальная часть Тихого океана, воды течения Гольфстрим в Атлантике, Северное и Средиземное моря.

Токсичность тяжелых металлов

Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы (особенно фильтраторы) концентрируют металлы, которые ввиду своей неразложимости сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп гидробионтов (таблица 34).

Степень токсичности ряда солей тяжелых металлов для некоторых водных животных

Мышьяк

Мышьяк широко распространен в содержащих фосфаты породах и соответственно встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях или детергентах, производимых их этого сырья. Обычные формы мышьяка в природе: H₃AsO₃, As(OH)₃, H₃AsO₄.

Некоторое количество мышьяка используется в качестве пестицида в виде арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых деревьев. Но основными антропогенными источниками мышьяка являются сжигание угля и выплавка металлов. Если средние концентрации мышьяка в воздухе больших городов составляют 0,01–0,56 мкг м –3 , то вблизи плавильных предприятий (на расстоянии нескольких км) 1,5–7,9 мкг м –3 , а содержание мышьяка в летучей золе угольных электростанций составляет 43–312 мг кг –1 (Мышьяк, 1985).

Свинец

Ежегодно добывается примерно 3,5 Мт свинца, а с учетом повторного извлечения из отходов производство свинца составляет 4,1 Мт год-1.

Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других органических материалов, включая городские отходы. Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов.

До сих пор серьезными источниками загрязнения окружающей среды остаются алкильные соединения свинца. Только за последние 40 лет примерно 10 Мт свинца переработано в тетраэтилсвинец, который используется в качестве антидетонаторной присадки в автомобильном бензине. Из антропогенных источников свинца этот считается важнейшим. Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.

Pb(CH₂CH₃)₄ добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать при больших давлениях. В бензин добавляют также CH₂Cl–CH₂Cl и CH₂Br–CH₂Br. В результате сгорания топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там.

Общее содержание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8 Мт при средней концентрации 2 10-3 мкг л-1. В гидробионтах концентрация свинца варьирует в пределах 50-20 000 мкг кг-1 сырой массы.

Ртуть

Ртуть относится к числу наиболее токсичных металлов, чаще других встречаемых в окружающей среде. Ртуть – один из самых редких элементов с очень низким содержанием в земной коре. Она встречается в природе в виде красного сульфида, циннабара, черного сульфида и в виде жидкой ртути.

В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников, так и из источников техногенного происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев земной коры благодаря вулканической, гео- и гидротермальной активности.

Главные антропогенные источники ртути:

§ сжигание ископаемого топлива;

§ выбросы промышленных предприятий, из которых наиболее важны сбросы сточных вод с электролизных фабрик по производству хлорощелочей и едкого натра и предприятий, где сульфат ртути используется в качестве катализатора;

§ использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения.

Было подсчитано, что в результате деятельности человека в окружающую среду ежегодно поступает до 10 кт ртути, из которых 3 кт – за счет сжигания ископаемого топлива. В морскую среду попадает около 5 кт ртути, общее ее количество в водах Мирового океана равно 10 Мт при средней концентрации 0,01-0,03 мкг л -1 .

Существуют бактерии, которые переводят минеральную ртуть в монометил (или метил) ртути (CH3Hg+) (см. рисунок 42).

Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланктон аккумулирует ртуть в широком диапазоне концентраций 30-3 800 мкг кг-1 сухой массы, показатель аккумуляции ртути может превышать 40 000.

Рис 41. Поведение ртути в водной среде (до аккумуляции организмами).

Ее ПДС для водоемов принято не более 0,005 мг л -1 . В континентальных и океанических водах концентрация ртути составляет примерно 1 мкг кг -1 . Фактическое содержание ртути в водах рек промышленно развитых стран превышает ПДС в 2-4 раза, а содержание ее в тканях рыб нередко в 100-200 раз превышает таковое в природных водах. В тканях, например тунца, концентрация может достигать 120 мкг кг -1 .

Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов (особенно крабов и рыб). Например, в канадских озерах Сент-Клэр концентрация ртути в рыбах составляла 2–4 мг кг -1 , в мышцах большой голубой цапли 23 мг кг -1 , в печени – 175 мг кг -1 (Рамад, 1981).

Кадмий

В природе кадмий, как правило, ассоциирован с цинком и их разделение экономически нерентабельно.

Ежегодно во всем мире добывается до 18 кт кадмия (Израэль, 1989). Кадмий широко используется в электронной промышленности, производстве пластмасс, красителей, растворителей. Наиболее известно его использование в никеле-кадмиевых аккумуляторах.

В окружающей среде кадмий присутствует в виде двухвалентного иона, осаждаемого в виде карбоната:

В кислой среде ионы кадмия освобождаются:

К основным антропогенным источникам поступления кадмия в окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а также сточные воды. Курение поставляет в окружающую среду 6–11 т кадмия ежегодно (Гадаскина, 1988).

Всего воды Мирового океана содержат примерно 140 Мт кадмия при средней концентрации 0,1 мкг л –1 . Кадмий накапливается водными животными, но не концентрируется в пищевых цепях (Израэль, 1989). Концентрация кадмия в разных гидробионтах изменяется от 50 до 550000 мкг кг -1 сухой массы. У некоторых видов устриц, например, коэффициент накопления кадмия равняется 318 000 (Эрхард, 1984).

Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой более прочно, чем цинк и, следовательно, вытесняет цинк из многих ферментов, в которых тот используется как ко-фактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать.

Анализ особенностей накопления и распределения тяжелых металлов в организме рыб (обзор литературы)

В статье рассмотрен обзор литературы, касающейся содержания тяжелых металлов (ТМ) в организме рыб разных видов. Приведен анализ химико-экологической ситуации водоемов, места обитания гидробионтов.

Ключевые слова: рыба, тяжелые металлы, организм, органы, ткани.

К числу важнейших факторов, влияющих на устойчивость биоценозов, относится антропогенное химическое загрязнение поверхностных вод ТМ, которые попадают в водоемы со стоками и смывами с территорий промышленных предприятий, сельхозугодий, городов и мелких населенных пунктов [2, 18].

ТМ представляют серьезную опасность в качестве загрязнителей водных экосистем и относятся к консервативным загрязняющим веществам, которые не разлагаются в природных водах, а только изменяют формы своего существования, перераспределяясь между биотическими и абиотическими звеньями. Также они являются неотъемлемой составной частью организма, но индивидуальная потребность гидробионтов в металлах очень мала, и содержание металлов, превышающее индивидуальные потребности организмов, способно вызывать нарушения различных функций гидробионтов, накапливаться в их органах, превышая нормируемые величины [4, 8, 9].

Рыбы, занимая в биоценозах водных экосистем верхний трофический уровень, обладают способностью, аккумулировать ТМ, степень накопления которых зависит, как от биотических (половая принадлежность, вид, возраст, занимаемая экологическая ниша), так и абиотических (фоновое содержание ТМ в природных водах, рН, карбонатная жесткость) факторов [1, 6, 7].

Изучение биологических систем различного уровня организации в условиях, как их естественной среды обитания, так и изменения под воздействием антропогенного фактора позволяет непосредственно выявить эффекты, обусловленные воздействием всего комплекса загрязняющих веществ и естественных абиотических факторов за продолжительный период времени, определить пороговые уровни нагрузок и дать наиболее реалистичный прогноз ее развития. Особо острой проблемой является загрязнение природных пресных вод тяжелыми металлами, для которых в воде не существует надежных механизмов самоочищения: они лишь перераспределяются в экосистемах, взаимодействуя с организмами разных трофических уровней и оставляя видимые или невидимые последствия [10, 11, 12, 13, 14, 16].

Среди поллютантов ТМ представляют наиболее приоритетный интерес не только из-за высокой токсичности для водных организмов, но и способности к аккумуляции и трансформации внутрибиоценоза водоёма [11, 14, 17].

Рядом ученых были проведены исследования органов и тканей рыб на наличие в них общих закономерностей распределения ТМ. В частности, И. А. Глазуновой (2005) установлено, что металлы аккумулируются в организме рыб в количествах, во много раз превышающих их содержание в воде. Автор указывает, что данный факт приводит к снижению продуктивности водоемов верховьев Оби и к потенциальной опасности для человека. При этом отмечена видовая специфичность в накоплении металлов рыбами в зависимости от типа их питания: лещ концентрирует медь, судак — цинк, свинец [7]. Кинетика аккумуляции ТМ в рыбах Байкальского региона исследуемых С. В. Гомбоевой (2003) показала неравномерное распределение металлов в организме рыб, однако все исследуемые металлы аккумулировались в основном в печени. В наиболее высоких концентрациях в органах и тканях рыб отмечался цинк, содержание свинца и кадмия в органах оказалось сравнительно невелико. Примечательно, что наибольшее содержание элементов выявлено летом, наименьшее — зимой, у старшевозрастных и хищных видов рыб содержание металлов оказалось выше [5]. Такое же исследование проводила Ваганов А. С. на промысловых видах рыб различных экологических групп Куйбышевского водохранилища (2012). Установила особенности накопления и распределения ТМ в печени и жабрах рыб [3]. Превышение предельно допустимых концентраций в органах и паразитах рыб Ладожского озера установлено С. А. Салтыковой (2006), при этом распределение металлов в организме рыб характеризовалось неоднородностью [15]. Кашулин Н. А. (2000) разработал научные основы и методы биоиндикации техногенного загрязнения водоемов Арктики и Субарктики ТМ. На основе исследования в популяциях рыб наблюдается сокращение числа возрастных групп, свидетельствующее о снижении продолжительности жизни [9]. При исследрвании заливов Набиль, Ныйский, Чайво и Пильтун Бедрицкая И. Н. (2000) выявила невысокое содержание ТМ [2].

Заключение. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является одной из глобальных проблем современности. Это указывает на необходимости проведения экологического мониторинга содержания тяжелых металлов в воздухе, воде, почве. В частности, проведение санитарно-гигиенического мониторинга пищевого сырья и продуктов питания, изучение цепей миграции тяжелых металлов от их источника до человека являеться важной состовляющей в оценке безопасности и качества сырья и продукции.

Батоян В. В., Сорокин В. Н. Микроэлементы в рыбах Куйбышевского водохранилища // Экология, 1989. № 6. — С. 81–83.
Бедрицкая И. Н. Влияние тяжелых металлов на организм рыб, выращиваемых на сбросных водах электростанций Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.10 Троицк 2000 — с. 185.
Ваганов А. С. Накопление тяжелых металлов тканями и органами промысловых видов рыб различных экологических групп Куйбышевского водохранилища Диссертация и автореферат по ВАК 03.02.08 Ульяновск 2012 — с. 120.
Гомбоева С. В., Пронин Н. М., Цыренов В. Ж. Оценка качества воды озера Гусиное и озера Байкал. Современные проблемы гидробиологии Сибири: Тез. докл. всерос. конф./ Томск, 2001. — С. 110–1112.
Гомбоева С. В. Экологические особенности распределения тяжелых металлов в рыбах Байкальского региона Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.16 Улан-Удэ 2003 — с. 150.
Горден Ю. В. Содержание и методы прогноза изменения тяжелых металлов в органах и тканях севрюги (Acipenser Stellatus Pallas) разного возраста в речной период жизни Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.13 Ставрополь 2001 — с. 190.
Глазунова И. А. Содержание и особенности распределения тяжелых металлов в рыбах верховьев Оби Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.16 Барнаул 2005 — с. 103.
Грубинко В. В., Смольский A. C., Коновец И. Н., Арсан О. М. Гемоглобин рыб при действии аммиака и солей тяжелых металлов // Гидробиологический журнал. — 1995. Т. 31, № 4. — С. 82–87.
Кашулин Н. А. Ихтиологические основы биоиндикации загрязнения среды тяжелыми металлами Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.10 Апатиты 2000 — с. 381.
Кузнецов В. А. Признаки дестабилизации в рыбном сообществе Куйбышевского водохранилища // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан. Казань: «Новое знание», 2000. С. 60.
Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. // Гидрометеоиздат, 1986. — с.272.
Моисеенко Т. И. Оценка экологической опасности в условиях загрязнения вод металлами // Водные ресурсы. 1999. — Т. 26, № 2. — С 186–197.
Перевозников М. А., Богданова Е.А Тяжелые металлы в пресноводных экосистемах. — С.-Петербург, 1999. — с.227.
Пономаренко A. M. Эколого-рыбохозяйственные аспекты ртутного загрязнения водохранилищ: Дис. канд. биол. наук. Казань, 2006. — с.116.
Салтыкова С. А. Сравнительный анализ особенностей накопления тяжелых металлов в рыбах и их паразитах:на примере экосистемы Ладожского озера Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.16 Петрозаводск 2006 — с. 109.
Степанова Н. Ю., Яковлев В. А., Латыпова В. З. Зообентос как индикатор экотоксикологической обстановки в Куйбышевском водохранилище // Вестник РУДН: серия «Экология и безопасность жизнедеятельности», 2007. № 2. — С. 50–56.
Степанова Н. Ю., Латыпова В. З., Мухаметшин A. M. Уровень содержания металлов в тканях, органах рыб и воде Куйбышевского водохранилища // Вестник ТО РЭА, 2005. № 4. — С.44–49.
Gomboeva S. V., Т syren о v V, Zh„ Pro n in N. M. Distribution of heavy metals in fish organs and tissues with different type of nutrition in the Baikal coastal and bay zoes // Ecologically equivalent and exotic aquatic species in Great and large lakes of the world: The second internat. Symposium / SB RAS. — Ulan-Ude, 2002. — P.29–30.

Основные термины (генерируются автоматически): организм рыб, металл, вод, орган, рыба, содержание металлов.

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

Состояние поверхностных вод и донных отложений на участке реки горный Палуй на территории Приуральского района ЯНАО

Тяжёлые металлы — это элементы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с молекулярной массой свыше 50 атомных единиц. Эта группа элементов активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Группа «тяжелых металлов» во многом совпадает с группой микроэлементов. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения оказывают вредное воздействие на организм. К ним относятся свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий [1].

Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами [4]. Тяжелые металлы, попадая в организм, остаются там навсегда, вывести их можно только с помощью белков молока. Достигая определенной концентрации в организме, они начинают свое губительное воздействие — вызывают отравления и мутации.

Тяжелые металлы отравляют организм человека, они еще и чисто механически засоряют его — ионы тяжелых металлов оседают на стенках тончайших систем организма и засоряют почечные каналы, каналы печени, таким образом, снижая фильтрационную способность этих органов [2]. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т. е. самоотравление организма, т. к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки — за их выведение из организма.

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) [3].

Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение [3].

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) [3].

Ртуть, свинец, кадмий входят в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН.

В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высокая токсичность других тяжелых металлов — кобальта, серебра, золота, урана и других. Вообще, высокая токсичность для живых существ — это характерное свойство соединений и ионов тяжелых металлов.

В ряду тяжелых металлов одни крайне необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам [5]. 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. 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.

В водоёмы тяжелые металлы поступают обычно со стоками горнодобывающих и металлургических предприятий, а также предприятий химической и легкой промышленности, где их соединения используют в различных технологических процессах. Например, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель используются для гальванического покрытия поверхностей металлических изделий. Соединения меди, цинка, кобальта, титана используются в качестве красителей и т. д.

Тяжелые металлы имеют много общего в биологическом действии и в загрязнении водоемов. Все они очень токсичны, хотя многие из них необходимы в микроколичествах различным организмам медь, марганец, хром, молибден, ванадий [6].

Тяжёлые металлы, к примеру ртуть легко образуют соединения и комплексы с органическими веществами в растворах и в организме, хорошо усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи. По классу опасности ртуть относится к первому классу (чрезвычайно опасное химическое вещество). Ртуть реагирует с SH-группами белковых молекул, среди которых — важнейшие для организма ферменты. Ртуть также реагирует с белковыми группами –СООН и NH₂ с образованием прочных комплексов — металлопротеидов. А циркулирующие в крови ионы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение нормальной работы белков-ферментов приводит к глубоким нарушениям в организме, и прежде всего — в центральной нервной системе, а также в почках [7].

Тяжёлые металлы проникают в живой организм, в основном, через воду (исключением является ртуть, пары которой очень опасны). Попав в организм, тяжёлые металлы чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его [6].

Цель работы — провести инженерно-экологические исследования на участке реки горный Палуй, и установить степень антропогенной нагрузки на природные объекты.

Инженерно-экологическими исследованиями следует считать:

– получение необходимых и достаточных материалов для оценки современного состояния окружающей природной среды на исследуемой территории;

– уточнение материалов и данных по состоянию окружающей среды, уточнение границ зоны влияния.

Инженерно–экологические исследования являются информационной основой и обеспечивают:

– комплексное изучение природных и техногенных условий территории, её хозяйственного использования;

– оценку современного экологического состояния отдельных компонентов природной среды и экосистем в целом, их устойчивости к техногенным воздействиям и способности к восстановлению.

Кроме получения исходных материалов для оценки современного состояния окружающей среды на исследуемой территории, Инженерно–экологические исследования позволяют устанавливать участки и территории с нарушенными, загрязненными землями и несанкционированными местами хранения отходов, что особенно важно при установлении отношений природопользователя (недропользователя) с согласовывающими и административными органами при получении актов выбора и отвода земель. Все материалы, полученные в результате проведения полевых инженерно-экологических исследований, используются для разработки и ведения экологического мониторинга, прогноза изменений различных элементов окружающей среды и выбору более оправданного и экологически предпочтительного варианта.

Результаты химического анализа

Содержание химических веществ в воде (мг/дм (мг/л))

Глава 2. Антропогенное преобразование ландшафтов (геосистем)

Л.И. Егоренков, Б.И. Кочуров
Геоэкология
Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005. — 320 с.

Глава 2. Антропогенное преобразование ландшафтов (геосистем)

2.7. Миграция отдельных загрязнителей в биокосных системах

2.7.3. Тяжелые металлы в окружающей среде

В результате промышленных и производственных процессов во внешнюю среду выбрасывается большое количество отходов, содержащих различные соединения тяжелых металлов (ТМ), которые являются токсичными для растений, животных и человека. Особую опасность представляет загрязнение биосферы такими металлами, как ртуть, мышьяк, кадмий и свинец. Значительное поступление некоторых ТМ в окружающую среду происходит при использовании их соединений в качестве ядохимикатов — пестицидов и удобрений. Большую тревогу в настоящее время вызывают огромные накопления осадков сточных вод (промышленных, бытовых и сельскохозяйственных), которые содержат много органических веществ, азота, фосфора и калия и могли бы считаться ценными органическими удобрениями.

Однако наличие в них большого количества ТМ делает проблематичным их применение в сельском хозяйстве, а имеющийся зарубежный опыт указывает на необходимость большой осторожности при их использовании в растениеводстве.

При антропогенном загрязнении окружающей среды ТМ накапливаются в почве чаще всего не отдельно, а совместно. Это приводит к тому, что накапливающиеся в ней избыточные ТМ начинают поступать в растения, а через них в организм животных и человека.

Для оценки масштаба загрязнения почв тяжелыми металлами важно знать их естественное фоновое содержание (табл. 2.7).

Тяжелые металлы накапливаются в почвах в разной форме — в виде ионов в почвенном растворе они входят в состав органно-минеральных комплексов, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц.

В окислительных условиях при снижении рН растворимость металлов увеличивается, а в восстановительных, наоборот, уменьшается.

Таблица 2.7. Концентрации различных элементов в почве (предельно допустимые для растений, мг/кг)

Естественное фоновое содержание

Предельно допустимая концентрация

Тяжелые металлы проникают в растение в основном через корневую систему, причем элементы, которые входят в состав жизненно важных соединений, поглощаются из почвы растениями избирательно.

По способности накапливать тяжелые металлы ткани основных органов растений можно расположить в следующем порядке: корни, листья, семена (плоды).

Растения обладают способностью в случае очень сильного загрязнения почвы усиливать формирование главного защитного организма — корневой системы за счет сокращения биомассы надземной части. Эту реакцию растительного организма следует рассматривать как вынужденную потребность растения усилить емкость корней.

Поступая в биосферу, ТМ активно включаются в миграционные циклы, аккумулируются в различных компонентах экосистем, в том числе в гидробионтах. Тяжелые металлы представляют чрезвычайную опасность как загрязнители природных вод. Ионы ТМ сохраняются в природных водах постоянно при любых условиях. Кроме того, тяжелые металлы даже в сравнительно малых концентрациях могут оказывать токсическое воздействие на водные организмы. Среди ТМ первое место по растворимости и токсичности занимает ртуть. Антропогенное загрязнение водных систем добавляет к естественному выносу тяжелых металлов из горных пород двукратное количество ртути и 12-13-кратное количество свинца, меди, цинка.

Одним из важных последствий действия тяжелых металлов на водные экосистемы является изменение структуры планктона и бентоса.

Многочисленными исследованиями на Белом и Балтийском морях установлено воздействие ТМ на изменение состава, численности и биомассы фитопланктона, на смену доминирующих видов. Эти данные о перестройке водных сообществ под действием ТМ имеют большое практическое значение. Токсическое действие на отдельных представителей фитопланктона и фитобентоса в конечном итоге оказывает большое влияние на продуктивность водных сообществ в целом, а также на качество воды, пригодность которой для различных видов водопользования определяется во многом нормальным функционированием гидро-бионтов. В связи с процессами накопления ТМ по трофической цели адаптивные явления несут угрозу существованию не только для видов гидробионтов, но в итоге и для человека.

Ядовитое действие ионов тяжелых металлов в значительной мере связано с их способностью прочно соединяться с белками и нарушать нормальную работу ферментов и других биологически активных белковых веществ.

Когда речь идет о ядовитости самого металла, то, как правило, он проявляет токсический эффект в тонкоизмельченном состоянии (в виде пылевых частиц). Попадая в легкие и бронхи, частицы металла вызывают раздражение и, медленно реагируя с клеточным содержимым, превращаются в соединения, которые переходят в кровь. Аналогичное действие оказывает и вдыхание пылевых частиц оксидов металлов или их солей. Соли некоторых металлов сильно раздражают кожу (например, соли магния) и способны всасываться даже через кожные покровы.

Опасными, т. е. действующими даже в малых концентрациях, следует считать также свинец, кадмий, таллий, бериллий, хром, барий, стронций. Несколько менее опасны марганец, литий, никель, цинк.

Ртуть. Среднее содержание ртути в земной коре равно 0,08 мг/кг, в почвах 0,04-0,8 мг/кг, в растительных продуктах 0,001-0,64 мг/кг.

Пары ртути задерживаются в легких и могут всасываться в кишечнике, что, по-видимому, связано с относительно хорошей растворимостью металлической ртути в воде. Ионы ртути (как и других тяжелых металлов) энергично соединяются с группами SH белков и прочно удерживаются в получившихся комплексах. При этом ртуть в тканях организма частично переходит в сульфид. Белки, богатые вышеназванными группами, содержатся в почках, поэтому ртуть, попадая в организм, сосредоточивается преимущественно в почках, нарушая их нормальную деятельность, а также в клетках мозга и слизистой оболочке рта.

Следует избегать контактов с металлической ртутью. Даже если, например, в комнате разбился медицинский термометр, следует учитывать опасность отравления парами ртути, потому что ее предельно допустимая доза очень мала — 0,00001 мг/л. Раскатившиеся шарики ртути бывает трудно собрать; в этом случае лучше засыпать место, где могут оказаться мелкие частицы ртути, порошком серы или залить раствором хлорида железа. Поверхность ртути при этом будет окислена и испарение резко уменьшится.

В России существуют жесткие требования к содержанию ртути в продуктах: допустимая остаточная концентрация (ДОК) элемента в хлебо- и зернопродуктах равна 0,01, в овощах — 0,02, во фруктах — 0,01 мг/кг сырого веса.

Для уменьшения потока ртути из почвы в растения необходимо повысить рН среды. При известковании почвы в растения поступает ртути почти в 2 раза меньше.

В природной циркуляции ртути важную роль играют водоемы. Накапливаясь в грунте и донных отложениях, ртуть и ее соединения в течение длительного времени диффундируют в воду. Концентрация ртути увеличивается почти на порядок в каждом последующем звене пищевой цепи.

Показательны в этом отношении исследования во Французской Гвиане, которые были обобщены и опубликованы в 2002 г. французскими профессорами Л. Шарле (ун-т Гренобля) и А. Буду (ун-т Бордо). В 1994 г. сотрудниками Национального центра исследований общественного здоровья в Инсерме было обнаружено заражение ртутью индейцев племени вайа-нас, проживающих в отдаленных районах Гвианы. Дальнейшие исследования, которые проводились здесь многими научными коллективами, начиная с 1998 г., подтвердили причастность к этим явлениям старателей золотых приисков. Современные старатели, в основном нелегалы, работают на старых приисках и используют элементарную ртуть для добычи золота. Прежде всего они уничтожают зеленый покров и поверхность почвы, затем размывают почву водой, заливая ее в ямы добычи.

Всплывающие осадки всасываются мощными насосами, выбрасывая их на наклонные столы, которые удерживают золотые песчинки. Ртуть — единственный жидкий металл, который при обычной температуре воздуха способен концентрировать мельчайшие частички золота, превращая их в амальгаму, похожую на ту, что применяется для пломбирования зубов. Во время этого процесса часть ртути попадает в реку в форме жидких шариков, как из разбитого термометра. Амальгама подогревается, ртуть испаряется, золото выпадает в осадок.

В среднем на каждый килограмм добытого золота расходуется 1,3 кг элементарной ртути, от 65 до 85% которой испаряется в атмосферу. Так от 5 до 10 т ртути в год выбрасывается в атмосферу, почву и реки Гвианы.

Ртуть существует в трех основных формах: элементарная ртуть (Hg), двухвалентная ртуть [(Hg(II)] и метилртуть, которая является наиболее токсичной формой ртути для человека.

В местных почвах содержание ртути в 3-х метровой толще составляет в среднем около 1000 мг/м 2 . Ртуть в почве малоподвижна, большая ее часть прочно связана с органическими соединениями. Причем более 90% ртути остается в почве и после 20-летнего периода. Однако любые процессы, вызывающие эрозию почвы (дожди, наводнения, уничтожение лесов, рытье шахт, строительство дорог и т.д.), значительно усиливают приток воды, а следовательно, и ртути. Она попадает в поверхностные и подземные воды (рис.2.13).

В водной аэробной среде содержание метилртути обычно не превышают 1% общего содержания ртути в воде. В водной среде, лишенной кислорода (в анаэробных условиях) происходит процесс трансформации двухвалентной ртути, который называется метиляцией.

Этот процесс осуществляется при помощи бактерий, связанных с серным циклом (сульфатоограничивающие бактерии). Некоторые бактерии способны разложить в свою очередь и метилртуть, превращая ее в элементарную ртуть.

Благоприятные условия для образования метилртути создаются обычно на глубинах более 5 м в ряде водохранилищ на границах плотин и в болотах. Таким образом, водохранилища являются своеобразными биореакторами для превращения ртути в метилртуть.

Несмотря на незначительное содержание метилртути в воде, она в процессе биоаккумуляции может достичь внушительных концентраций в мускульной ткани наиболее ценных пород рыб (рис.2.14).

На этом рисунке концентрация ртути показана в нанограммах (тысячная доля грамма) на 1 л воды. Причем в хищных рыбах содержится в 1000 раз больше ртути, чем в травоядных. В свою очередь, концентрация ртути в мышцах хищных рыб в сотни раз превышает ее содержание в водных и наземных растениях и в 4 млн раз — ее концентрацию в воде (рис. 2.14).

Употребляя в пищу некоторые породы хищных (ценных) рыб, индейцы заражаются метилртутью, которая накапливается преимущественно в волосах. Содержание ртути в волосах превышает ее концентрацию в крови почти в 250 раз. У 57% населения племени вайонас, о котором говорилось выше, содержание ртути в волосах превышало норму, рекомендуемую ВОЗ (Всемирной организацией здравоохранения), которая составляет 10 Нг/г.

Население в возрасте от 15 до 45 лет потребляет здесь в среднем 350 г рыбы в день. Уровень заражения рыбы таков, что количество ртути, потребляемой с рыбой в неделю, колеблется от 200 до 450 Нг, что в 2 раза превышает еженедельную норму потребления, рекомендованную ВОЗ.

Результатом потребления ртути, содержащейся в рыбе, явились значительные отклонения от нормы у детей — нарушение координации движения ног, ограничение зрительного обзора-

В большей степени подвержены риску сами старатели. Во время нагрева амальгамы они непосредственно испытывают воздействие выделяемых паров ртути. Это выражается в обострении хронических заболеваний, нарушении дыхания, дисфункции центральной нервной системы (трясущиеся руки, нервный тик лица, спазм губ и др.), нарушение деятельности почек и желудка.

Проблема загрязнения ртутью неизбежно требует решения экономических, социальных, культурных и политических проблем, связанных с добычей золота.

Свинец. Из числа соединений свинца наибольший интерес представляют карбонаты и хроматы свинца, используемые как неорганические пигменты (краски), а также различные оксиды и сульфат, которыми заправляются аккумуляторы. В 1853 г. немецкий химик К. Левич получил тетраэтилсвинец, ядовитую жидкость высокой плотности. А в 1921 г. американцы Миджлей и Байд, добавляя этот яд в бензин, снизили его детонацию и повысили кпд автомобильных двигателей.

С тех пор при использовании каждого литра этилированного бензина в окружающую среду выбрасывается около 400 мг свинца. Теперь городской воздух в 20 раз грязнее загородного и в 2 тысячи раз богаче свинцом, чем морской.

Опасная для человека концентрация равна восьми частям свинца на 10 миллионов частей крови. Предельное содержание в соках, фруктах, консервах — 0,5 мг на тонну.

Отравление соединениями свинца чаще всего носит хронический характер.

Обычно оно развивается при вдыхании пыли, содержащей свинец или его соединения, в условиях недостаточного соблюдения правил техники безопасности. Свинец удерживается белками эритроцитов, затем поступает в плазму крови (в виде комплексов с гамма-глобулином) и, наконец, достигает почек, печени и других органов. В костях свинец накапливается постепенно и долго остается там. Время от времени происходит выделение свинца из костей, что может стать причиной неожиданного развития симптомов острого отравления. Долгое время свинец остается и в головном мозге. Кроме того, поражение десен, расстройство кишечника, заболевание почек и нервной системы являются результатом отравления свинцом.

Кадмий. Концентрация кадмия в основных типах почв России равна 0,01-0,04. Помимо других основных источников загрязнения, он попадает на сельскохозяйственные земли с удобрениями в виде шламов сточных вод, с фосфорными удобрениями и гербицидами.

При внесении в почву соединений элемента в дозах от 1 до 10 мг/кг подавляющее его количество задерживается в верхнем пахотном горизонте (0-20 см). Некоторое количество кадмия может мигрировать вглубь почвы в условиях промывного режима.

Считается, что кадмий достаточно легко проникает из почвы в надземную часть растений, однако в опытах с питательными растворами основная часть элемента задерживалась в корнях. Кадмий проникает в растения преимущественно в фазу кущения, а в период колошения его количество в вегетативных частях резко уменьшается.

Однако те количества кадмия, которые не приносят вреда растениям, могут оказать пагубное влияние на здоровье человека, поскольку этот металл обладает высокими кумулятивными способностями. Из животного организма кадмий удаляется чрезвычайно медленно — в течение 20—40 лет.

Ядовиты как сам кадмий, так и его соединения. Ионы этого металла вступают в соединение с карбоксильными, аминными и сульфгидроксильными (-ССОН, -NH₂, -SH) группами, имеющимися в молекулах белков, и таким путем задерживаются в организме. Кадмий годами может оставаться в таких органах, как почки, печень, поджелудочная железа, щитовидная железа. Действуя на кожу, кадмий вызывает дерматиты и экземы.

Мышьяк относится к тяжелым металлам, но поскольку антропогенное загрязнение биосферы этим элементом довольно существенно, то представляется целесообразным рассмотреть поведение этого токсического элемента в почвах и Растениях.

Среднее содержание мышьяка в земной коре равно 3,4 мг/кг. Содержание мышьяка в почвах мира в среднем составляет 5-6 мг/кг.

По особенностям гипергенной миграции мышьяк следует отнести к слабоподвижным аниогенным элементам. Он более подвижен в окислительной и менее подвижен в восстановительной сероводородной обстановках.

В небольших количествах мышьяк всегда присутствует в растениях. Содержание мышьяка в основных сельскохозяйственных культурах, выращенных на незагрязненных почвах, сравнительно невелико (0,03-4,2 мг/кг сухой массы).

Различные сельскохозяйственные культуры проявляют неодинаковую толерантность к избытку мышьяка в почве. Толерантными считаются рожь, пшеница, овес, картофель, томаты, морковь, однолетние злаковые травы; умеренно толерантными — кукуруза, свекла, кабачки; малотолерантными — горох, фасоль, соя, рис, огурцы.

Значительное количество мышьяка поступает в почву при применении мышьякосодержащих пестицидов, в том числе инсектофунгицидов.

Неорганические препараты мышьяка, используемые в сельском хозяйстве, мало летучи и могут долго сохраняться в почве.

Значительно меньшим загрязнителем почвы являются минеральные удобрения. По некоторым данным с азотными удобрениями в почву поступает 1-10 г/га мышьяка, а с суперфосфатом — 30 — 300 мг/кг.

Для снижения токсического действия мышьяка на растения и уменьшения его потока в пищевой цепи предлагаются различные приемы, например внесение в почву некоторых минеральных удобрений — фосфата натрия, сульфата аммония, хлористого калия, обладающих эллюационной способностью, которые обеспечивают вытеснение мышьяка из почвенного поглощающего комплекса и способствуют его вымыванию.

Содержание мышьяка в растительной продукции жестко нормируется. Так, Министерством здравоохранения СССР еще в 1981 г. было утверждено допустимое количество элемента в хлебо- и зернопродуктах, овощах, фруктах равное 0,2 мг/кг сырой массы.

Читайте также: