Тяжелые металлы в воздухе города

Обновлено: 11.05.2024

Статья посвящена оценке загрязнения техногенных поверхностных образований в условиях городской агломерации. Проведено сравнение загрязнения техногенных поверхностных образований тяжелыми металлами по предельно-допустимой концентрации. Исследование содержания тяжелых металлов проводилось на территориях, прилегающих к Красноярским теплоэлектроцентралям, паркам города. При проведении количественного анализа городских почв на наличие тяжелых металлов обнаружено повышенное содержание ряда тяжёлых металлов в почвах, из которых основными элементами присутствующими в техногенных потоках загрязнения являются свинец, цинк, медь, никель. Суммарное загрязнение по валовому содержанию тяжелых металлов показало, что наиболее загрязненной территорией является зона, прилегающая к ТЭЦ-2. Полученные результаты могут служить основой для дальнейших исследований на территории Красноярской агломерации, показана необходимость разработки критериев оценки загрязнения городских почв с учетом подвижных форм тяжелых металлов.

1. Геохимическое загрязнение почвенного покрова пригородных зон городов Красноярского края и республики Хакасии и проблема экологической безопасности населения / В.Н. Горбачев, В.П. Атурова, Р.М. Бабинцева и др. // Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири/ Краснояр. науч.-исслед. ин-т геологии и минерал. сырья. – Красноярск, 2000. – Вып. 2. – С. 89-95.

2. Гигиенические нормативы 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. – Введ. 2006–01–04. – М.: Изд-во стандартов, 2006. – 11 с.

3. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа – Введ. 1986–01–01. – М.: Изд-во стандартов, 1985. – 8 с.

4. Давыдова С.Л. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века / С.Л. Давыдова, В.И. Тагасов: учеб. пособие. – М., 2002. – 140 с.

5. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение / В.Б. Ильин. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. – 151 с.

6. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева [и др.]. – Смоленск: Ойкумена. – 2004. – 342 с.

8. Протасов В.Ф. Экология: Законы, кодексы. Экологическая доктрина, Киотский протокол, нормативы, платежи, термины и понятия. Экологическое право / В.Ф. Протасов. – М.: Финансы и статистика, 2005. – 380 с.

9. Хлебопрос Р.Г. Красноярск. Экологические очерки: монография / Р.Г. Хлебопрос, О.В. Тайсенко, Ю.Д. Иванова [и др.]. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. – 130 с.

В условиях крупных промышленных центров на функционирование экосистем и состояние их отдельных компонентов значимое влияние оказывает химическое загрязнение, источниками которого являются промышленные предприятия, автотранспорт и топливно-энергетический комплекс. Среди прочих поллютантов находятся соединения тяжелых металлов (ТМ), оказывающие влияние на качество природной среды. Почти все микроэлементы, являющиеся необходимыми для живых организмов, представлены тяжелыми металлами. Поступающие загрязнения из воздуха попадают на почвенный покров, водную поверхность, где в результате миграции аккумулируются и могут поступать по трофической цепи в различные компоненты биоты [5].

Оценка содержания ТМ является приоритетной в ряду мониторинга воздушной и почвенной сред. Опасность повышенного содержания ТМ в экосистеме обусловлена тем, что большинство металлов имеют высокую биологическую активность и в незначительных количествах способны вызывать токсический эффект у организмов. Также металлы не подвержены биодеградации, находясь в биогеохимическом цикле, они накапливаются и практически не выводятся из данного процесса.

В условиях Красноярской агломерации в ряду источников ТМ, поступающих с выбросами, являются теплоэлектроцентрали, работа которых основана на сжигании бурого угля. При сжигании угля на ТЭЦ с золой происходит значительный выброс тяжелых металлов, удельный выброс (мг/кг топлива) которых возрастает в ряду Cd30 < Co40 < Cu300 < Cr370 < Pb2100 < Zn2800 [4]. Тяжелые металлы чрезвычайно токсичны даже в следовых количествах. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии развития.

Согласно исследованиям [1, 9] в г. Красноярске и его пригородной зоне существуют локализированные загрязнения тяжелыми металлами: Zn , W , Cd , Mo , Cu , Sn , Co , Pb , As , Ni , Be , Cr . Аномалии тяжелых металлов, как правило, распространяются на расстояния до 10 км от источника поступления, что связано с преимущественной приуроченностью металлов к пылеватой фракции промышленных выбросов. Метеорологические условия и рельеф местности могут определять возможное распространение загрязнения в направлении господствующих ветров на 15–30 км, реже – до 100 км. Аномалии подвижных форм элементов значительно протяженнее и контрастнее, чем определяемые по валовому содержанию.

В качестве критериев оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы суммарный показатель загрязнения почв (Zc), ПДК [2].

Как правило, в крупных промышленных городах почвенный покров видоизменен и представлен техногенными поверхностными образованиями (ТПО).

Цель исследования – изучение концентрации ТМ в техногенных поверхностных образований (ТПО) Красноярской городской агломерации.

Материал и методы исследования. Объект исследования – ТПО Красноярской городской агломерации.

Предмет исследования – содержание тяжелых металлов 1 класса опасности ( Pb , Cd , Zn ), 2 класса опасности ( Cu , Co , Ni ) в ТПО. Классы опасности приведены согласно [7, 8].

Красноярск – крупный промышленный город площадью 385,8 км2, состоит из двух частей – левобережной и правобережной, имеет 7 административных районов: 4 на левом берегу, 3 на правом берегу р. Енисей. В районе расположения города преобладает западное и юго-западное направление ветра, среднее годовое количество осадков составляет 316 мм. На правобережье Красноярска работают две теплоэлектроцентрали – ТЭЦ-1, ТЭЦ-2. Исследованием охвачена значительная территория Красноярской промышленной агломерации. С учетом техногенной, рекреационной нагрузки выделено 2 зоны и 8 точек для отбора проб (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения точек отбора (ТП) почвенных образцов на территории

Рекреационная зона: ТП1 – п. Удачный (конечная остановка по маршруту № 12 в Красноярске); ТП2 – Центральный парк расположен в Центральном районе на ул. Карла Маркса, 151. Площадь парка – 15 га. Место для отдыха большинства горожан. Промышленная зона: ТП3 – Красноярская ТЭЦ-1 (КрасТЭЦ). Высота дымовых труб– от 105 до 180 метров. Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-1» – 100 м; ТП4 – Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-1» – 500 м; ТП5 – Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-1» – 1000 м; ТП6 – Красноярская ТЭЦ-2. Высота дымовых труб – 180 метров. Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-2» – 100 м; ТП7 – Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-2» – 500 м; ТП8 – Примерное расстояние от объекта «ТЭЦ-2» – 1000 м. При оценке локального и регионального загрязнений в качестве фона служат почвы, удаленные от источников загрязнения на расстоянии 50–100 км, и в наименьшей степени подвержены антропогенному воздействию, поэтому в качестве фона определили пригородную часть агломерации – п. Удачный.

Отбор проб ТПО проводили на учетных точках с глубины 0-20 см, методом конверта в 3-х кратной повторности согласно общепринятым методикам [3]. Исследуемые ТПО относятся группе квазиземов, подгруппе урбоквазиземов [6]. Далее по тексту по отношению к ТПО применялся термин почвенные образцы. Образцы почвы отбирали в осенний период 2014, 2015 гг. Содержание тяжелых металлов в почвенных образцах (воздушно-сухая масса, мг/кг) определяли атомно-абсорбционным методом на анализаторе PinAAcle 900T в 3-х кратной повторности. Учитывали подвижные и валовые формы.

На основании значений валовых форм тяжелых металлов рассчитывали суммарный показатель химического загрязнения почв ( Zc ):

Zc = ,

где Zc – суммарный показатель загрязнения почв тяжелыми металлами; К i – концентрация в почве конкретного элемента, мг/кг; Кф – фоновая концентрация конкретного элемента, мг/кг; n – число суммируемых элементов. Критические значения, позволяющие охарактеризовать суммарное загрязнение Zc по степени опасности, таковы: при Zc < 16 загрязнение считается допустимым; при 16 < Zc < 32 – умеренно опасным; при 32 < Zc < 128 – высоко опасным [2]. Статистическую обработку проводили с использованием программ Microsoft Excel, Statistica .

Результаты исследования и их обсуждение. На исследуемых участках на основании данных, представленных на рисунке 2, выявлено, что содержание валовых форм свинца в почвенных образцах превышает ПДК на участках – ТП3, ТП6, ТП7, ТП8, наибольшее его значение выявлено на участке – ТП6 (кратность превышения ПДК (32 мг/кг) – в 4 раза). Концентрация валовых форм цинка не превышает ПДК (100 мг/кг), кроме участка ТП8, в котором отмечено превышение ПДК в 6,5 раз (2014 год) и 6,7 раз (2015 год). Концентрация валовых форм кадмия в 2015 году на изучаемой территории не была выше величины ПДК (1 мг/кг), а в 2014году превышала ПДК на участке ТП7 в 1,2 раза.

Содержание подвижных форм свинца во всех анализируемых почвенных образцах, кроме фона, превышает ПДК (6 мг/кг): рекреационная зона – ТП2 – в 3,3 раза; промышленная зона ТЭЦ-1 – до 4,2 раза, ТЭЦ-2 – до 3,2 раза. При изучении содержания подвижных форм цинка в городских почвах выявлены незначительные превышения ПДК (23 мг/кг). Не обнаружено превышение содержания подвижных форм Cd в исследуемых нами почвенных образцах. Следует отметить идентичную картину по превышениям ПДК подвижных форм ТМ рекреационной и промышленной зоны (рис. 3).

Концентрация валовых форм никеля и кобальта в почвенных образцах 2014 и 2015 гг. находилась в пределах ПДК (85 мг/кг и 16,2 мг/кг соответственно). Содержание валовых форм меди превышало ПДК (55 мг/кг) в 2 раза на двух точках – ТП6, ТП7 (рис. 4). Содержание подвижных форм кобальта, в основном, не превышало ПДК (5 мг/кг) (рис. 5).

Рис. 2. Отношение к ПДК содержания валовых форм кадмия, свинца, цинка (ТМ 1 класса опасности) в ТПО Красноярской агломерации (обозначения ТП – см. выше по тексту)

Рис. 3. Отношение к ПДК содержания подвижных форм кадмия, свинца, цинка (ТМ 1 класса опасности) в ТПО Красноярской агломерации

Рис. 4. Отношение к ПДК содержания валовых форм меди, никеля и кобальта (ТМ 2 класса опасности) в ТПО Красноярской агломерации

Содержание подвижных форм меди и никеля на всех участках взятия образцов, кроме фонового, превышает ПДК. На участке ТП 6, вблизи ТЭЦ-2, выявлено максимальное содержание подвижной формы меди, никеля и превышает ПДК (Cu – 3 мг/кг, Ni – 4 мг/кг) соответственно в 9 раз, в 3,4 раза.

На основании полученных данных определили суммарное загрязнение по валовому содержанию загрязняющих веществ, максимальное значение Zc зафиксировано на участке ТП7 (ТЭЦ-2, удаленность от предприятия 500 м) ( Zc = 31,4 – в 2014 году, Zc = 26,4 – в 2015 году). По показателю Zc почвенные образцы, отобранные во всех точках в зоне влияния ТЭЦ-2, можно отнести к умеренно-опасно загрязненным (ТП8 – Zc = 17,6 – в 2014 году, Zc = 17,8 – в 2015 году; ТП6 – Zc = 28,8 – в 2014 году, Zc = 26,7 – в 2015 году). Остальные участки – ТП2 ( Zc = 2,7 – в 2014 году, Zc = 2,2 – в 2015 году), ТП3 ( Zc = 10,5 – в 2014 году, Zc = 10,0 – в 2015 году), ТП4 ( Zc = 11,2 – в 2014 году, Zc = 9,6 – в 2015 году), ТП5 (Zc = 8,3 – в 2014 году, Zc = 7,9 – в 2015 году), имеют пределы допустимого загрязнения.

Таким образом, выявлено, что наибольший вклад в загрязнение ТПО исследуемых участков вносят элементы медь, свинец. Определены наиболее высокие значения Zc для ТПО ТЭЦ-2, наименьшие для – ТЭЦ-1, что согласуется с уровнем мощности данных предприятий, возможностью более удаленного выброса веществ (с высотой трубы).

Рис. 5. Отношение к ПДК содержания подвижных форм меди, никеля и кобальта (ТМ 2 класса опасности) в ТПО Красноярской агломерации

2. Установлено превышение уровня ПДК подвижных форм металлов 1 и 2 классов опасности на всех участках кроме фонового. Наиболее высокие концентрации характерны для свинца, меди, никеля и частично для цинка.

3. По годам исследования содержание валовых и подвижных форм ТМ в районах исследования не имело отличий.

4. Оценка состояния ТПО по Zc с учетом валовых форм ТМ показала уровень допустимого загрязнения в точках отбора образцов Центрального парка, территории, прилегающей к ТЭЦ-1 и повышение до умеренного загрязнения в районе ТЭЦ-2.

Выявленные различия в степени превышения ПДК подвижных и валовых форм ТМ диктуют необходимость разработки системы оценки загрязнения почвенного покрова с учетом не только валовых, но также и подвижных форм ТМ. Следовательно, основные задачи дальнейших исследований – это разработка дополнительных критериев оценки состояния урбаземов.

Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды

Серьезные экологические проблемы в городах вызывает загрязнение тяжелыми металлами, а это свыше 40 элементов таблицы Менделеева. В малых дозах они зачастую даже необходимы организму. Однако при превышении допустимых уровней эти вещества вызывают отравление, болезни и мутации.

Тяжелые металлы — загрязнители природной среды

Главный источник тяжелых металлов – промышленность. Выбросы проникают в водоемы, атмосферу, почву, а из нее – в сельхозкультуры. Самые токсичные – свинец, ртуть, мышьяк, кадмий и хром.

Ртуть

Ртути присвоен I класс опасности. Ее естественное состояние в земной коре – безвредные сульфидные остатки, но вследствие атмосферных процессов возникло загрязнение мирового океана. В нем было обнаружено 50 млн. т ртути. Если 5 000 т/год – естественный вынос, то еще столько же – результат деятельности человека.

В мире создается свыше 10 000 т ртути в год. В океане ртуть под воздействием анаэробов превращается в метилртуть и диметилртуть, опасные для всего живого. Метилртуть с кровью поступает в мозг, разрушая его, проникает в плаценту. При проглатывании и вдыхании паров металлической ртути чернеют и крошатся зубы. Ртутные соли просачиваются сквозь кожу, разъедая ее и слизистые.

Свинец

Свинцу присвоен I классу опасности. Он выделяется при выплавке из руды. Каждый год в мире используется до 180 000 т свинца, а наибольшее загрязнение наблюдается на автомобильных выхлопных газах. При движении машины в атмосферу выбрасывается свинец содержащийся в бензине. Основная масса оседает на землю, но часть остается в воздухе.

Еще свинцовая пыль покрывает почву в промышленных зонах. Другие источники загрязнения – угольные электростанции и бытовые печи, глиняная посуда с глазурью, красящие пигменты.

Неорганические соединения свинца расстраивают метаболизм, металл может замещать кальций в костях. Органические еще более токсичны.

Кадмий и цинк

1 млн. кг кадмия ежегодно выбрасывается в атмосферу вследствие его выплавки. Это 45% общего загрязнения. Другие 55% – следствие сжигания или переработки кадмийсодержащих изделий. Заводы по выплавке цинка – крупнейшие источники загрязнения данным металлом. Оба элемента проникают в водоемы, попадают в рыбу, скапливаются в печени и почках.

Значительные загрязнения цинком обнаруживаются вблизи автомагистралей. Источником загрязнения кадмием также являются удобрения. Элемент внедряется в растения, используемые в пищу, и отравляет организм. При этом кадмий намного токсичнее цинка, ему присвоен I класс опасности. Вдыхание воздуха, в котором его больше 5 мг/м3, в течение 8 ч. чревато смертью.

Сурьма, мышьяк, кобальт

Каждый год в мире производится около 70 т сурьмы. Она входит в состав сплавов, применяется для изготовления спичек, а в чистом виде идет на полупроводники. Хроническое отравление нарушает функции ЖКТ.

У мышьяка II класс опасности, он летучий и легко попадает в воздух. Сильнейшие источники загрязнения – гербициды, фунгициды и инсектициды. Элементарный мышьяк – слабый яд, но нарушает развитие плода. Отравление вызывает болезни ЦНС, изменения печени, атрофию костного мозга.

Кобальт задействуют в сталелитейном деле, изготовлении полимеров. Это элемент I класса опасности.

Медь и марганец

Медь относится ко II классу опасности. По воде и воздуху металл переносится на огромные расстояния. Аномальным содержание меди в почвах и растениях остается на расстоянии больше 8 км от плавильного завода. Ее излишки откладываются в тканях мозга, коже, печени, поджелудочной. Она провоцирует болезнь Вильсона.

У марганца тоже II класс опасности. Источники загрязнения – производства легированной стали, сплавов, электробатарей. Превышение нормы марганца в воздухе разрушает ЦНС.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами

Самые долгие последствия вызывает загрязнение почв тяжелыми металлами вследствие добычи, плавки руд, промышленных выбросов, применения удобрений. Особенно опасны кадмий, медь, свинец, цинк, поскольку они стойкие, биоаккумулятивные и токсичные.

Последствия загрязнения почвы

Из-за загрязнения почв металлами ухудшается рост и метаболизм почвенных микробов. Это может затруднить поглощение растениями питательных веществ из почвы. Плюс тяжелые металлы токсичны для растений. Все это приводят к замедлению роста, низкой урожайности.

Растения, накопившие токсиканты, могут поступать в пищу. Это опасно для здоровья. Еще они из почвы проникают в питьевую воду, вызывая болезни.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Перед рекультивацией земель, загрязненных тяжелыми металлами, важно выявить источник загрязнения, реализовать меры по его ликвидации и уменьшению выбросов. Только так достигается эффективность работ.

Рекультивация земельных участков проводится несколькими способами:

Выращивание устойчивых к загрязнению растений (колосовые зерновые, капуста, картофель, хлопчатник, свекла).
Фиторекультивация растениями, накапливающими металлы.
Контроль подвижности токсикантов в почве.
Регулирование соотношения элементов в почве.
Организация рекультивационного слоя.

Загрязнение водоемов тяжелыми металлами

Загрязнения нефтепродуктами и токсичными металлами ухудшают качество среды обитания водных биоресурсов. Они негативно влияют на кормовую базу рыб, выживаемость молоди и размножение взрослых особей.

Источники загрязнения водоемов – стоки горнодобывающих, металлургических заводов, химическая и легкая промышленность. Соли хрома сбрасывают фабрики по дублению кожи, хром с никелем используют для гальванического покрытия изделий из металла. Соединения цинка, кобальта, меди, титана – это красители.

Наибольшую опасность представляет загрязнение вод ртутью. При взаимодействии с микробами со дна образуются водорастворимые органические соединения высокой токсичности.

Некоторые металлы содержатся в пестицидах и удобрениях. Уровень загрязнения ими растет вследствие кислотных дождей, то есть закисления.

Предельно допустимые концентрации в воде

При оценке состояния экосистем учитывается загрязненность водных объектов токсичными веществами. Особенно опасны тяжелые металлы. Поэтому установлены их предельно допустимые концентрации, которые при ежедневном влиянии не допускают развития у людей патологий.

Металл	ПДК в обычной воде	ПДК в рыбохозяйственных прудах
Ртуть	0,5 мкг/л	до 0,1 мкг/л
Свинец	0,03 мг/л	0,1 мг/л
Кадмий	1 мкг/л	до 0,5 мг/л
Кобальт	0,1 мкг/л	0,01 мг/л
Марганец	0,1 мкг/л	0,1 мкг/л
Мышьяк	50 мкг/л	50 мкг/л
Медь	0,1 мкг/л	0,001 мг/л

Загрязнение атмосферы тяжелыми металлами

Техногенные выбросы металлов в виде аэрозолей поступают в атмосферу и переносятся на огромные расстояния, провоцируя глобальное загрязнение. С гидрохимическими стоками их часть попадает в бессточные водоемы, скапливается в воде и на дне. Это может вызвать вторичное загрязнение.

Металлы быстро распространяются в воде, выпадают в осадок в виде сульфатов и карбонатов и частично абсорбируются на органических осадках. При исчерпании абсорбционной способности осадков токсиканты проникают в воду, повышая ее кислотность, провоцируя зарастание водоемов и интенсивное выделение углекислого газа вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами

Пищевые цепочки – один из основных путей поступления токсикантов в организм. Они начинаются от сельхозугодий и заканчиваются человеком. Растения поглощают металлы из почвы, в продукты животноводства они поступают через антибиотики, гормоны для стимуляции роста животных. Как конечное звено пищевой цепи, человек может получать еду с концентрация токсикантов до 1000 раз выше, чем в почвах.

Загрязнение пищевых продуктов происходит при готовке еды, контакте сырья с посудой во время термообработки. При консервировании жестяные банки становятся источником загрязнения свинцом. Он попадает в состав продуктов питания из свинцового припоя в швах.

Воздействие тяжелых металлов на организм человека

В индустриально-развитых странах наблюдается рост профессиональных болезней вследствие вредных производственных факторов. Это шум, вибрация от движущихся механизмов, воздействие электромагнитного поля, химических веществ. Наиболее опасны тяжелые металлы. При превышении допустимого уровня они становятся токсичными, откладываются в почках и печени, приводят к мутациям.

Распространенные заболевания на фоне интоксикации металлами:

Никель провоцирует астму, врожденные пороки.
Кобальт – некроз почечных канальцев, болезни легких.
Хром и бериллий – дерматиты.
Мышьяк – белокровие.
Кадмий – почечную дисфункцию, разрушение костей.
Цинк – остеопороз, цинковую лихорадку.
Медь – аутоиммунные нарушения, желтуху, гипертонический криз.
Молибден – ломкость костей, прекращение роста у детей.
Марганец – атеросклероз.
Ртуть – нарушения ЦНС, уродства.
Селен – выпадение волос и ногтей, внезапную смерть.
Ванадий – астму, нервные расстройства, изменение состава крови.
Таллий – нарушения метаболизма.

Мышьяк, бериллий, кобальт, никель, хром и кадмий – еще и канцерогенны. Большие концентрации этих металлов в организме могут вызывать рак.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды становится все более серьезной проблемой и вызывает серьезную озабоченность из-за негативных последствий, которые оно вызывает во всем мире. Эти неорганические загрязнители выбрасываются в воду, почву и в атмосферу из-за быстро растущего сельского хозяйства и металлургической промышленности, неправильной утилизации отходов, удобрений и пестицидов. Некоторые металлы влияют на биологические функции и рост, в то время как другие металлы накапливаются в одном или нескольких органах, вызывая множество серьезных заболеваний, в том числе и рака.

С чем связано загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами?

Тяжелые металлы – хорошо известные загрязнители окружающей среды из-за их токсичности, стойкости в окружающей среде и биоаккумуляционной природы. Различают следующие их источники:

Естественные – включают выветривание металлосодержащих пород и извержения вулканов;
Антропогенные – включают горнодобывающую промышленность и различные виды промышленной и сельскохозяйственной деятельности.

Горнодобывающая и промышленная переработка применяются в отрасли добычи полезных ископаемых. Их последующее применение для экономического развития привели к увеличению мобилизации этих элементов в окружающей среде. Из-за этого нарушены биогеохимические циклы.

Загрязнение водных и наземных экосистем токсичными тяжелыми металлами представляет собой экологическую проблему, вызывающую обеспокоенность населения. Являясь стойкими загрязняющими веществами, тяжелые металлы накапливаются в окружающей среде. Как следствие, они загрязняют пищевые цепи.

Накопление потенциально токсичных тяжелых металлов создает потенциальную угрозу здоровью их потребителей, включая людей. Наиболее опасные для окружающей среды тяжелые металлы и металлоиды включают Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As.

Проводятся всесторонние химические и токсикологические исследования опасных тяжелых металлов и металлоидов. Результаты показывают, что необходимо предпринять шаги для минимизации воздействия этих элементов на здоровье человека и окружающую среду.

Источники загрязнения тяжелыми металлами

Тяжелые металлы естественным образом присутствуют в земной коре с момента образования Земли. Увеличение использования их человеком привело к неизбежному выбросу токсичных металлов как в земную, так и в водную среду.

В большинстве случаев загрязнение тяжелыми металлами возникло из-за антропогенной деятельности. Она является основной причиной загрязнения из-за следующего:

добычи металлов, плавки, литья;
других отраслей, в которых используются металлы;
выщелачивания металлов из различных источников, в том числе и из мусорных свалок;
экскрементов, домашнего скота и куриного помета;
стоков, автомобилей и дорожных работ.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами связано с использованием достижений научно-технической революции в аграрном секторе. Это происходит, например, из-за применения пестицидов, инсектицидов, удобрений и т.п.

Естественные причины могут также увеличивать загрязнение тяжелыми металлами. К ним относятся вулканическая активность, коррозия металлов, испарение металлов из почвы и воды, повторное взвешивание отложений, эрозия почвы, геологическое выветривание.

Воздействие тяжелых металлов на окружающую среду

Загрязнение тяжелыми металлами становится серьезной проблемой во всем мире. Оно набирает обороты из-за увеличения использования и обработки таких металлов во время различных видов деятельности для удовлетворения потребностей быстро растущего населения. Почва, вода и воздух – основные компоненты окружающей среды, на которые влияет загрязнение тяжелыми металлами.

Загрязнение тяжелыми металлами почв

К попаданию в почву и ее загрязнению приводят:

промышленные выбросы;
удаление отходов с высоким содержанием металлов;
этилированный бензин и краски;
внесение удобрений на землю, пестициды, навоз;
осадки сточных вод;
остатки от сжигания угля и разлив нефтехимических веществ.

Было отмечено, что почвы являются основными поглотителями тяжелых металлов, выбрасываемых в окружающую среду в результате вышеупомянутой антропогенной деятельности. Большинство не подвергаются микробной или химической деградации, поскольку они не разлагаются. Их общие концентрации сохраняются в течение длительного времени после попадания в окружающую среду.

Присутствие тяжелых металлов в почвах является серьезной проблемой из-за их наличия в пищевых цепочках, разрушающих всю экосистему. Поскольку органические загрязнители могут быть биоразлагаемыми, скорость их биоразложения снижается из-за присутствия тяжелых металлов в окружающей среде. Это удваивает загрязнение окружающей среды, увеличивает присутствующие органические загрязнители и тяжелые металлы.

Существуют различные способы, которыми тяжелые металлы представляют опасность для людей, животных, растений и экосистем в целом. К таким путям относятся:

прямое попадание в организм;
поглощение растениями;
пищевые цепи;
потребление загрязненной воды;
изменение pH почвы, пористости, цвета и ее естественного химического состава, что, в свою очередь, влияет на качество почвы.

Загрязнение тяжелыми металлами воды

Хотя существует множество источников загрязнения воды, индустриализация и урбанизация являются двумя виновниками повышенного уровня загрязнения воды тяжелыми металлами. Они переносятся стоками промышленных предприятий, муниципалитетов и городских территорий. Загрязнение водоемов тяжелыми металлами происходит из-за их накопления в почве и отложениях водоемов. Они очень токсичны и создают серьезные проблемы для здоровья людей и других экосистем.

Опасность загрязнение воды для человека определяется уровнем токсичности металла, который зависит от таких факторов:

организмы, которые подвергаются его воздействию;
его природа и биологическая роль;
период, в течение которого организмы подвергаются воздействию металла.

Пищевые цепи символизируют взаимоотношения между организмами экосистемы. Следовательно, загрязнение воды тяжелыми металлами влияет на все организмы в этой цепи. Люди, питающиеся на самом высоком уровне, более склонны к серьезным проблемам со здоровьем. Причина – концентрация тяжелых металлов в пищевой цепи увеличивается.

Загрязнение тяжелыми металлами атмосферы

Индустриализация и урбанизация, вызванные быстрым ростом населения мира, в последнее время сделали загрязнение воздуха серьезной экологической проблемой во всем мире. Загрязнение воздуха увеличивается с помощью пыли и твердых частиц (ТЧ), которые выбрасываются в результате естественных и антропогенных процессов.

Природные процессы, которые приводят к выбросу твердых частиц в воздух, включают:

пыльные бури;
эрозию почвы;
извержения вулканов;
выветривание горных пород.

Антропогенная деятельность в большей степени связана с промышленностью и транспортом. Именно они влияют на загрязнение атмосферы тяжелыми металлами. Последствия могут привести к серьезным проблемам со здоровьем:

раздражение кожи и глаз;
респираторные инфекции;
преждевременная смертность;
сердечно-сосудистые заболевания.

Данные загрязнители также вызывают ухудшение инфраструктуры, коррозию, образование кислотных дождей, эвтрофикацию и дымку. Тяжелые металлы, такие как металлы группы 1 (Cu, Cd, Pb), металлы группы 2 (Cr, Mn, Ni, V и Zn) и металлы группы 3 (Na, K, Ca, Ti, Al, Mg, Fe) происходят из промышленных зон, транспортных средств и естественных источников.

Чтобы защитить здоровье человека, растений, животных, почвы и всех компонентов окружающей среды, должное и тщательное внимание следует уделять технологиям восстановления тяжелых металлов. На текущий момент большинство физических и химических технологий их восстановления требуют обработки большого количества ила, разрушают окружающие экосистемы, и они очень дороги.

Тяжелые металлы в воздухе города

1 Балашовский институт (филиал) Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, Балашов

В работе отражены результаты мониторинга проб приземного слоя атмосферного воздуха на предмет содержания в нем тяжелых металлов в условиях урбанизированной среды Поволжья. Основными источниками техногенных тяжелых металлов в районе исследований являются промышленные предприятия и автотранспорт. Лабораторные элементные анализы проб производились методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. В результате проведения мониторинга выявлено превышение ПДК по ряду элементов: в г. Саратове – по свинцу, цинку, марганцу, меди; в г. Сердобске – по свинцу и кобальту; в г. Кузнецке – по свинцу, цинку и кобальту; в г. Камышине – по свинцу и цинку; в г. Волжском – по свинцу, кадмию и меди; в г. Инзе – по цинку; в г. Димитровграде – по ванадию, свинцу, цинку, меди. Требуются мероприятия по оздоровлению окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха.

1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году». - М.: АНО «Центр международных проектов», 2010. - 523 с.

2. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 5 с.

3. Другов Ю. С., Беликов А. Б., Дьякова Г. А., Тульчинский В. М. Методы анализа загрязнений воздуха. - М.: Химия, 1984. - 384 с.

4. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

5. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 375 с.

6. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. - М.: Изд-во Госкомгидромета, 1991. - 237 с.

7. Экологический мониторинг: метод. пособие / В. В. Снакин, М. А. Малярова, Т. Ф. Гурова и др. - М.: РЭФИА, 1996. - 92 с.

В последние десятилетия экологическая обстановка в регионах Поволжья значительно ухудшилась. В настоящее время в Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областях состояние окружающей среды в пределах городов, где проживает более половины населения, характеризуется как кризисное и требующее действенных мер по оздоровлению. Особо выделяется в поволжских городах экологическая проблема загрязнения техногенными тяжелыми металлами атмосферного воздуха [1].

На территории практически любого города распределение поллютантов, антропогенно выделяющихся в атмосферу, имеет свою специфику. Поллютанты, которые вместе с выбросами поступают в атмосферу на большой высоте над земной поверхностью (например, из высоких труб производственных объектов), распространяются на огромные расстояния воздушными массами. Эти выбросы в основном загрязняют территории, значительно удаленные от города.

Тяжелые металлы, как известно, содержатся в приземном слое атмосферного воздуха: в 1,5-3,5 м над земной поверхностью. Они способны мигрировать и аккумулироваться в депонирующих средах: в почве, водной среде, в биомассе живых организмов.

Содержащиеся в воздухе тяжелые металлы способны интенсивно рассеиваться воздушными массами на большие расстояния, что повышает опасность загрязнения и деградацию пограничных сред: почвенного покрова, водных объектов и живых организмов [3, 4].

Тяжелые металлы в составе техногенных выбросов промышленных предприятий и автотранспорта составляют основную массу твердой фазы и находятся преимущественно в форме оксидов, сульфидов, карбонатов, гидратов и микроскопических капель (шариков) металлов. Удельная масса этих соединений (г/см 3 ) достаточно высокая: оксидов 5-6, сульфидов 4-4,5, карбонатов 3-4, металлов 7-8 [5].

Цель исследований, проведенных в 2009-2011 гг., состояла в анализе среднегодового содержания тяжелых металлов в городах Поволжья - Балашове, Саратове (Саратовская область), Сердобске, Кузнецке (Пензенская область), Камышине, Волжском (Волгоградская область), Инзе, Димитровграде (Ульяновская область) - с разной степенью техногенного прессинга на окружающую среду.

Материалы и методы исследования

Отбор проб воздуха на высоте 2-2,5 м от земли осуществлялся электроаспиратором ПУ-2Э на передвижных постах (автомобиль с инструментарием) 4. В большинстве городов было заложено по 5 постов, за исключением крупных городов - Саратова и Волжского, в которых располагалось по 10 постов. На участках природных степных разнотравных экосистем (контроль) - в окрестностях с. Березовка и с. Пады Балашовского района Саратовской области - мониторинг проводился на 2 постах. Пробоотбор осуществлялся дискретно на передвижных постах утром (8.00 ч) и вечером (20.00 ч) в течение 3 дней в августе 2009-2011 гг.

Лабораторный анализ проб воздуха на предмет содержания в твердой фазе тяжелых металлов выполнен методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии [6, 7].

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты мониторинга атмосферного воздуха в эталонной экосистеме (в контроле) представлены в табл. 1. Здесь ежегодно постоянно идентифицировались четыре техногенных тяжелых металла - Pb, Zn, Mn, Cu, аэротехногенными источниками которых были: движущийся по проселочным дорогам автотранспорт и деятельность сельскохозяйственных предприятий животноводческой и растениеводческой отраслей.

Таблица 1 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе в контроле (2009-2011 гг.)

VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ НА ЗДОРОВЬЕ ЛЮДЕЙ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Охрана окружающей среды от загрязнения является насущной задачей общества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы. К ним условно относят химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов. Среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными.

Тяжелые металлы опасны, потому что они накапливаются в организме. Это означает, что, с течением времени, повышение их концентрации в тканях достигает выше среднего уровня, включаются в метаболический цикл, могут образовывать высокотоксичные металлорганические соединения, им свойственно изменение формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь при этом биологическому разложению. Тяжелые металлы вызывают у человека серьезные физиологические нарушения, токсикоз, аллергию, онкологические заболевания, отрицательно влияют на зародыш и генетическую наследственность.

Ртуть, свинец и кадмий являются наиболее вредными для человека и интоксикации этими металлами встречаются наиболее часто. Потребление загрязненных продуктов питания является основным способом проникновения тяжелых металлов в организм. Они не разлагаются при термической обработке продуктов.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является наиболее актуальной проблемой, так как в последние годы темпы загрязнения окружающей среды принимают всё более угрожающий характер. В сложившейся ситуации необходимо не только усилить исследования по всем аспектам проблемы тяжелых металлов в биосфере, но и периодически подводить итоги для осмысливания результатов, полученных в разных, часто слабо связанных между собой отраслях науки.

На примере ЗАО «Уфимский завод цветных металлов» можно оценить выбросы тяжелых метталов в атмосферу.

Башкирская природоохранная межрайонная прокуратура проверила работу очистных сооружений т.е. надлежащее исполнение экологического законодательства этим предприятием.

Установлено, что предприятие при эксплуатации печи для плавления алюминия не обеспечило надлежащую работу очистных сооружений.

В результате в воздух выделялись высоко опасные вещества, способные нанести здоровью граждан. Так концентрация свинца превысила предельно допустимую норму в 20 раз, кадмия – в 16.

Кроме того, завод размещал на городской свалке производственные отходы, запрещенные к захоронению на ее территории.

По представлению прокурора предприятие разработало план устранения выявленных нарушений и обеспечило надлежащую работу установки очистки газа.

К трудностям очистки газов от загрязнителей относится в первую очередь то, что объемы промышленных газов, выбрасываемых в атмосферу, огромны. Например, крупная теплоэлектроцентраль способна в один час выбросить в атмосферу до 1 млрд. куб. метров газов. Поэтому даже при весьма высокой степени очистки отходящих газов количество загрязняющего вещества, поступающего в воздушный бассейн, будет оцениваться значительной величиной.

Увеличение масштабов загрязнения атмосферы требуют быстрых и эффективных способов защиты её от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей воздуха. Атмосфера может содержать определённое количество загрязнителя без проявления вредного воздействия, т.к. происходит естественный процесс её очистки.

Первым шагом в установлении вредного воздействия, связанного с загрязнением воздуха, является разработка критерия качества воздуха, а также стандартов качества.

Как правило, на промышленных предприятиях используются процессы или устройства для газоочистки и пылеулавливания, чтобы уменьшить или предотвратить величину выброса. Процессы газоочистки могут также разрушить или менять его химические или физические свойства так, что он становится менее опасным.

Другим подходом к улучшению состояния атмосферы является требование применения передовых технологических процессов, замена вредных материалов безвредными, применение мокрых способов обработки сырья вместо сухих.

Стандарты качества определяют уровни качества воздуха и предельно допустимые выбросы (ПДВ), которые необходимо выдерживать для обеспечения безопасности жизни.

Наиболее активной формой защиты окружающей среды является:

1. Создание безотходных и малоотходных технологий;

2. Совершенствование технологических процессов и разработка нового оборудования с меньшим уровнем выбросов примесей и отходов в окружающую среду;

3. Экологическая экспертиза всех видов производств и промышленной продукции;

4. Замена токсичных отходов на нетоксичные;

5. Замена неутилизируемых отходов на утилизированные;

6. Широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды.

В качестве дополнительных средств защиты окружающей среды применяют:

1) аппараты и системы для очистки газовых выбросов от примесей;

2) вынесение промышленных предприятий из крупных городов в малонаселённые районы с непригодными и малопригодными для сельского хозяйства землями;

3) оптимальное расположение промышленных предприятий с учётом топографии местности и розы ветров;

4) установление санитарно-защитных зон вокруг промышленных предприятий;

5) рациональную планировку городской застройки обеспечивающую оптимальные условия для человека и растений;

6) организацию движения транспорта с целью уменьшения выброса токсичных веществ в зонах жилой застройки;

7) организацию контроля за качеством окружающей среды.

8)Площадки для строительства промышленных предприятий и жилых массивов должны выбираться с учётом аэроклиматической характеристики и рельефа местности.

9)Промышленный объект должен быть расположен на ровном возвышенном месте, хорошо продуваемом ветрами.

10)Площадка жилой застройки не должна быть выше площадки предприятия, в противном случае преимущество высоких труб для рассеивания промышленных выбросов практически сводится на нет.

11)Взаимное расположение предприятий и населённых пунктов определяется по средней розе ветров тёплого периода года. Промышленные объекты, являющиеся источниками выбросов вредных веществ в атмосферу, располагаются за чертой населённых пунктов и с подветренной стороны от жилых массивов.

Антонова Ю.А., Сафонова М.А. ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ // Фундаментальные исследования. – 2007. – № 11 – С. 43-44

Байсеитова Н. М. Фитотоксичное действие тяжелых металлов при техногенном загрязнении окружающей среды [Текст] / Н. М. Байсеитова, Х. М. Сартаева // Молодой ученый. — 2014. — №2. — С. 382-384.

Читайте также: