Анализ качества природных вод по санитарно-токсикологическим показателям

Важнейшим показателем  качества среды обитания является степень  чистоты поверхностных вод. Металл-токсикант, попав в водоем или реку, распределяется между компонентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество металла  вызывает расстройство экосистемы. При  оценке способности экосистемы сопротивляться внешнему токсическому воздействию  принято говорить о буферной емкости  экосистемы. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению  к тяжелым металлам понимают такое  количество металла-токсиканта, поступление  которого существенно не нарушает естественного  характера функционирования всей изучаемой  экосистемы. При этом сам металл-токсикант  распределяется на следующие составляющие: 1) металл в растворенной форме; 2) сорбированный  и аккумулированный фитопланктоном, то есть растительными микроорганизмами; 3) удерживаемый донными отложениями  в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды; 4) адсорбированный  на поверхности донных отложений  непосредственно из водной среды в растворимой форме; 5) находящийся в адсорбированной форме на частицах взвеси.

На формы нахождения тяжёлых металлов в водах оказывают  влияние гидробионты (например, моллюски). Так, при изучении поведения меди в поверхностных водах наблюдают  сезонные колебания ее концентрации: в зимний период они максимальны, а летом вследствие активного  роста биомассы снижаются. При осаждении  взвешенных органических частиц, которые  обладают способностью адсорбировать  ионы меди, последние переходят в  донные отложения, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Следует  также отметить, что интенсивность  этого процесса зависит от скорости седиментации взвесей, то есть косвенно от таких факторов, как размеры  и заряд адсорбирующих ионы меди частиц.

Кроме аккумулирования  металлов за счет адсорбции и последующей  седиментации в поверхностных водах  происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такого рода загрязнителей. Наиболее важный из них состоит в  связывании ионов металлов в водной среде растворенными органическими  веществами. При этом общая концентрация токсиканта в воде не меняется. Тем  не менее, принято считать, что наибольшей токсичностью обладают гидратированные  ионы металлов, а связанные в комплексы  опасны в меньшей мере либо даже почти безвредны. Специальные исследования показали, что между общей концентрацией  металла-токсиканта в природных  поверхностных водах и их токсичностью нет однозначной зависимости.

В природных  поверхностных водах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих  в воду из почв. Остальная часть  органических веществ, растворимых  в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Все они, конечно, претерпевают различные превращения в водной среде. Но все они в то же время являются своего рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем самым токсичность вод.

Различные поверхностные  воды по-разному связывают ионы тяжёлых  металлов, проявляя при этом различную  буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор  природных компонентов (гумусовые  вещества, гуминовые кислоты и  фульвокислоты) и их высокую концентрацию, способны к более эффективной  природной детоксикации по сравнению  с водами водоемов Севера и умеренной  полосы. Поэтому токсичность вод, в которых оказались загрязнители, зависит и от климатических условий  природной зоны. Следует отметить, что буферная емкость поверхностных  вод по отношению к металлам-токсикантам  определяется не только наличием растворенного  органического вещества и взвесей, но и аккумулирующей способностью гидробионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими  веществами. Все это говорит о  сложности процессов, протекающих  в поверхностных водах при  попадании в них металлов-загрязнителей.

Интересно отметить, что гуминовые кислоты, эти специфические  природные высокомолекулярные соединения, образующиеся при превращении растительных остатков в почвах под влиянием микроорганизмов, способны, видимо, в наибольшей степени  связывать ионы тяжелых металлов в прочные комплексы. Так, константы  устойчивости соответствующих гуматов (комплексов ионов тяжелых металлов с гуминовыми кислотами) имеют значения в пределах 105-1012 в зависимости  от природы металла. А устойчивость самих гуматов зависит от кислотности  водной среды.

Также немаловажным фактором при загрязнении воды тяжёлыми металлами является процесс аккумуляции (включая биоаккумуляцию).

Фтор (Фториды)

Фтор в виде фторидов может содержаться в  природных и грунтовых водах. Избыток фтора в организме  вызывают разрушение зубной эмали, осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена. ПДК фтора в природной воде для разных климатических районов составляет от 0,7 до 1,5 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсический.                                                                                                                                                                                      При содержании фтора в воде более 1,5 мг/л может развиться флюороз, менее 0,7 мг/л - кариес зубов. Кроме того, может нарушаться окостенение скелета  у детей, происходить изменения в сердечных мышцах и деятельности нервной системы.

В больших дозах  фтор для человека очень токсичен. Патологические изменения – геморагичный гастроэнтерит, острый токсический  нефрит и различной степени поражения  печени и сердечной мышцы.

Кадмий. Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма – органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. Токсичность кадмия при концентрации в воде около десятка микрограммов на 1 л выявляется в виде тяжелого поражения почек и связанной с этим гипертонической болезнью,приводит к нарушению в функционировании ферментативных процессов. ПДК кадмия в воде водоемов составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический. Источником повышенного содержания кадмия являются промышленные сточные воды и отходы, места захоронения никель-кадмиевых аккумуляторов, вследствие чего его содержание в некоторых случаях увеличивается до 0,2 – 4 мг/л.Также кадмий обнаружен в продуктах извержения вулкана Этна. В водных системах кадмий связывается с растворенными органическими веществами, особенно если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы SH. Кадмий образует также комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Считают, однако, что само по себе присутствие высоких концентраций этих лигандов, способных связывать кадмий, еще недостаточно для понижения концентрации свободных акваионов кадмия до уровня, безопасного для живых организмов. Адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

Ртуть. Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Соединения ртути вызывают глубокие нарушения функций центральной нервной системы(болезнь Минамата), сердца, сосудов, нарушения в иммунобиологическом состоянии организма и другие. Она очень токсична и накапливается в организме. Соли ртути выводятся из организма почками, печенью, слизистой оболочкой желудка, потовыми и слюнными железами, а также с молоком, но наиважнейший путь выведения – с мочой и фекалиями.

Особенно опасны выбросы ртути в воду,которые происходят по техногенным причинам, поскольку в результате деятельности населяющих дно микроорганизмов происходит образование растворимых в воде токсичных органических соединений ртути. Органические соединения ртути в целом намного более токсичны, чем неорганические, прежде всего из-за их липофильности и способности более эффективно взаимодействовать с элементами ферментативных систем организма. Эти чрезвычайно ядовитые производные образуются в результате так называемого биологического метилирования. Оно происходит под действием микроорганизмов, например, плесени и характерно не только для ртути, но и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые широко используются на многих производствах, со сточными водами попадают на дно водоемов. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH₃)₂Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH₃⁺. Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку; сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем – в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма – месяцами у людей и годами у рыб. Поэтому концентрация ртути вдоль биологической цепочки непрерывно увеличивается, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути может оказаться в тысячи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена.

 Кислотность среды и ее окислительный потенциал влияют на нахождение в водной среде той или иной формы ртути. Так, в хорошо аэрированных водоемах преобладают соединения Hg(II). Ионы ртути легко связываются в прочные комплексы с различными органическими веществами, находящимися в водах и выступающими в качестве лигандов. Особенно прочные комплексы образуются с серосодержащими соединениями. Ртуть легко адсорбируется на взвешенных частицах вод. При этом так называемый фактор концентрирования достигает порой 105, то есть на этих частицах сконцентрировано ртути в сто тысяч раз больше, чем находится в равновесии в водной среде. Отсюда следует, что судьба металла будет определяться сорбцией взвешенными частицами с последующей седиментацией, то есть по существу будет происходить удаление ртути из водной системы. Следует отметить, что десорбция ртути из донных отложений происходит медленно, поэтому повторное загрязнение поверхностных вод после того, как источник загрязнения установлен и ликвидирован, также имеет заторможенную кинетику.

Из антропогенных  источников в водные системы ртуть  попадает в виде преимущественно  металлической ртути, ионов Hg(II) и  ацетата фенилртути. Преобладающей формой ртути, обнаруживаемой в рыбе, является метилртуть, образующаяся биологическим путем с участием ферментов микроорганизмов.

ПДК ртути в  воде водоемов составляет 0,0005 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

 Свинец. Соединения свинца – яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах,почках, приводят к раннему атеросклерозу, нарушению процесса образования эритроцитов. Свинец выводится из организма с мочой, калом и потом. Он содержится в волосах и ногтях.Детским организмом свинец усваивается в 3-4 раза интенсивнее, чем взрослым. Органические соединения свинца (тетраметилсвинец, тетраэтилсвинец) – сильные нервные яды, являются активными ингибиторами обменных процессов. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие(в основном он аккумулируется в костях) . ПДК свинца в воде водоемов составляет 0,03 мг/л, лимитирующий показатель – санитарно-токсикологический.

Половина от общего количества этого токсиканта поступает в окружающую среду  в результате сжигания этилированного бензина,а также из свинцовых труб и резервуаров. В водных системах свинец в основном связан адсорбционно со взвешенными частицами или находится в виде растворимых комплексов с гуминовыми кислотами. При биометилировании, как и в случае со ртутью, свинец в итоге образует тетраметилсвинец.

В незагрязненных озерных и речных водах содержание свинца не превышает 0,01 мг/л. однако в  районах залегания полиметаллических  руд его содержание в подземных  водах может значительно увеличиваться.

Алюминий - нейротоксичен, способен накапливаться в нервной ткани, печени и , что особенно важно, в жизненно важных областях головного мозга, приводя к тяжелым расстройствам функции центральной нервной системы.

К источникам поступления  алюминия в природные воды можно  отнести:

• частичное растворение глин и алюмосиликатов;
• атмосферные осадки;
• сточные воды различных производств.

В природных  водах алюминий присутствует в ионной, коллоидной и взвешенной формах. Миграционная способность невысокая. Образует довольно устойчивые комплексы, в том числе  органоминеральные, находящиеся в  воде в растворенном или коллоидном состоянии.

ПДК_в алюминия составляет 0,5 мг/дм³ (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический).

Барий - высокотоксичное вещество, которое даже в небольших дозах может вызвать гонадотоксический, эмбриотоксический или мутагенный эффекты. При поступлении в организм он способен аккумулироваться в костной ткани, что небезопасно для здоровья.. В природных водах содержание бария составляет 0,001 – 0,01 мг/л, иногда – 0,1 мг/л. В большинстве своем он попадает в источники водоснабжения со сточными водами металлургической, машиностроительной и фармацевтической промышленности и с водами производства бумаги. Растворимые соединения бария (хлорид и нитрат) хорошо впитываются и способны к аккумуляции (накоплению).

Бериллий - высокотоксичный и кумулятивный клеточный яд. Хорошо всасывается в желудочно-кишечный тракт. При поступлении в организм  высоких концентраций бериллия с питьевой водой, наблюдаются серьезные расстройства половой сферы у представителей обоих полов. Его повышенные концентрации могут наблюдаться в подземных и поверхностных водах в результате поступления загрязненных бериллием сточных промышленных вод (авиационная и космическая промышленность).

Мышьяк. Неорганический мышьяк более токсичен, нежели органический, а неорганические соединения мышьяка (III) более опасны, нежели соединения мышьяка (V). Постоянное употребление воды с концентрацией мышьяка 0,2 мг/л в течение жизни определяет 5 %-й риск развития рака кожи. В случае острого отравления мышьяком поражается центральная нервная система, что приводит к состоянию комы. Возможно также сильное поражение пищеварительного канала, нервной системы и дыхательных путей, могут поражаться кровеносные сосуды, возникать опухоли. Отравление возможно и при низких дозах в течение долгого времени. Содержание мышьяка в пресных подземных и поверхностных водах невысокое, но в местах залегания полиметаллических он может превышать 1 мг/л. В отходах производства (гидрометаллургии, пепел ТЭЦ) наблюдается повышенное содержание мышьяка, который является реальным источником загрязнения вод.