Тяжелые металлы

Тяжелые металлы 

ВВЕДЕНИЕ

Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение  тяжелыми металлами.

К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов  периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц.

Эта группа элементов  активно участвует в биологических  процессах, входя в состав многих ферментов. Группа "тяжелых металлов" во многом совпадает с понятием "микроэлементы". Отсюда свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий являются тяжелыми металлами.

Источники поступления  тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов, эрозийные процессы, вулканическая  деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта, деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в природную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстояния и вызывает глобальное загрязнение.

Другая часть  поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются  и становятся источником вторичного загрязнения, т.е. образования опасных  загрязнений в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно  в среде (например, образование из нетоксичных веществ ядовитого газа фосгена).

Тяжелые металлы  накапливаются в почве, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и  дефляции - выдувании почв.

Период полуудаления или удаления половины от начальной концентрации составляет продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110 лет, для меди - от 310 до 1500 лет и для свинца - от 740 до 5900 лет.

В гумусовой  части почвы происходит первичная трансформация попавших в нее соединений. 

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.

Миграция соединений тяжелых металлов происходит в значительной степени в виде органо-минеральной составляющей. Часть органических соединений, с которыми связываются металлы, представлена продуктами микробиологической деятельности. Ртуть характеризуется способностью аккумулироваться в звеньях "пищевой цепи" (об этом шла речь ранее). Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии способны аккумулировать ртуть в клетках.

Ртуть, свинец, кадмий входят в общий перечень наиболее важных загрязняющих веществ окружающей среды, согласованный странами, входящими в ООН. Остановимся подробнее на этих веществах. 

РТУТЬ

Кроме свинца наиболее полно по сравнению с другими  микроэлементами изучена ртуть.

Ртуть крайне слабо  распространена в земной коре (-0,1 х 10^-4 %), однако удобна для добычи, так как концентрируется в сульфидных остатках, например, в виде киновари (НgS). В этом виде ртуть относительно безвредна, но атмосферные процессы, вулканическая и человеческая деятельность привели к тому, что в мировом океане накопилось около 50 млн.т этого металла. Естественный вынос ртути в океан в результате эрозии 5000 т/год, еще 5000 т/год ртути выносится в результате человеческой деятельности.

Первоначально ртуть попадает в океан в виде Нg²⁺, затем она взаимодействует с органическими веществами и с помощью анаэробных организмов переходит в токсичные вещества метилртуть (СН₃Н_g)⁺ и диметилртуть (СН₃-Нg-СН₃),

Ртуть присутствует не только в гидросфере, но и в  атмосфере, так как имеет относительно высокое давление паров. Природное содержание ртути составляет ~0,003-0,009 мкг/м³.     

Ртуть характеризуется  малым временем пребывания в воде и быстро переходит в отложения  в виде соединений с органическими  веществами, находящимися в них. Поскольку  ртуть адсорбируется отложениями, она может медленно освобождаться и растворяться в воде, что приводит к образованию источника хронического загрязнения, действующего длительное время после того, как исчезнет первоначальный источник загрязнения.

Мировое производство ртути в настоящее время составляет более 10000 т в год, большая часть этого количества используется в производстве хлора. Ртуть проникает в воздух в результате сжигания ископаемого топлива. Анализ льда Гренландского ледяного купола показал, что, начиная с 800 г. н.э. до 1950-х гг., содержание ртути оставалось постоянным, но уже с 50-х гг. нашего столетия количество ртути удвоилось. На рис.23 представлены пути цикловой миграции ртути.

Ртуть и ее соединения опасны для жизни. Метилртуть особенно опасна для животных и человека, так как она быстро переходит из крови в мозговую ткань, разрушая мозжечок и кору головного мозга. Клинические симптомы такого поражения - оцепенение, потеря ориентации в пространстве, потеря зрения. Симптомы ртутного отравления проявляются не сразу. Другим неприятным последствием отравления метилртутью является проникновение ртути в плаценту и накапливание ее в плоде, причем мать не испытывает при этом болезненных ощущений. Метилртуть оказывает тератогенное воздействие на человека. Ртуть относится к I классу опасности.

Металлическая ртуть опасна, если ее проглотить и  вдыхать ее пары. При этом у человека появляется металлический вкус во рту, тошнота, рвота, колики в животе, зубы чернеют и начинают крошиться. Пролитая ртуть разлетается на капельки и, если это произошло, ртуть должна быть тщательно собрана.

Неорганические  соединения ртути практически нелетучи, поэтому опасность представляет попадание ртути внутрь организма  через рот и кожу. Соли ртути  разъедают кожу и слизистые оболочки тела. Попадание солей ртути внутрь организма вызывает воспаление зева, затрудненное глотание, оцепенение, рвоту, боли в животе.

У взрослого  человека при попадании внутрь около 350 мг ртути может наступить смерть.

Загрязнение ртутью может быть уменьшено в результате запрещения производства и применения ряда продуктов. Нет сомнения, что загрязнение ртутью всегда будет острой проблемой. Но с введением строгого контроля за отходами производства, содержащими ртуть, а также за пищевыми продуктами можно уменьшить опасность отравления ртутью. 

СВИНЕЦ

Содержание свинца в магматических породах позволяет  отнести его к категории редких металлов. Он концентрируется в сульфидных породах, которые встречаются во многих местах в мире. Свинец легко  выделить путем выплавки из руды. В природном состоянии он обнаруживается в основном в виде галенита (РbS).

Свинец, содержащийся в земной коре, может вымываться под воздействием атмосферных процессов, переходя постепенно в океаны. Ионы Рb ²⁺ довольно нестабильны, и содержание свинца в ионной форме составляет всего 10 -⁸ %. Однако он накапливается в океанских осадках в виде сульфитов или сульфатов. В пресной воде содержание свинца гораздо выше и может достигать 2 х 10 -⁶ %, а в почве примерно такое же количество, что и в земной коре (1,5 х 10 -³ %) из-за нестабильности этого элемента в геохимическом цикле.

Свинцовые руды содержат 2-20 % свинца. Концентрат, получаемый флотационным способом, содержит 60-80 % Рb. Его нагревают для удаления серы и выплавляют свинец. Такие  первичные процессы крупномасштабны. Если же для получения свинца используют отходы, процессы выплавки называют вторичными. Ежегодное мировое потребление свинца составляет более 3 млн. т, из них 40 % используют для производства аккумуляторных батарей, 20% -для производства алкила свинца - присадки к бензину, 12% применяют в строительстве, 28 % для других целей.

Ежегодно в  мире в результате воздействия атмосферных  процессов мигрирует около 180 тыс. т свинца. При добыче и переработке  свинцовых руд теряется более 20 % свинца. Даже на этих стадиях выделение свинца в среду обитания равно его количеству, попадающему в окружающую среду в результате воздействия на магматические породы атмосферных процессов.

Наиболее серьезным  источником загрязнения среды обитания организмов свинцом являются выхлопы автомобильных двигателей.Антидетонатор тетраметил - или тетраэтилсвинеп - прибавляют к большинству бензинов, начиная с 1923 г., в количестве около 80 мг/л. При движении автомобиля от 25 до 75% этого свинца в зависимости от условий движения выбрасывается в атмосферу. Основная его масса осаждается на землю, но и в воздухе остается заметная ее часть.

Свинцовая пыль не только покрывает обочины шоссейных  дорог и почву внутри и вокруг промышленных городов, она найдена  и во льду Северной Гренландии, причем в 1756 г. содержание свинца во льду составляло 20 мкг/т, в 1860 г. уже 50 мкг/т, а в 1965 г. - 210 мкг/т.

Активными источниками  загрязнения свинцом являются электростанции и бытовые печи, работающие на угле.

Источниками загрязнения  свинцом в быту могут быть глиняная посуда, покрытая глазурью; свинец, содержащийся в красящих пигментах.

Свинец не является жизненно необходимым элементом. Он токсичен и относится к I классу опасности. Неорганические его соединения нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов (подобно большинству тяжелых металлов). Одним из наиболее коварных последствий действия неорганических соединений свинца считается его способность заменять кальций в костях и быть постоянным источником отравления в течение длительного времени. Биологический период полураспада свинца в костях - около 10 лет. Количество свинца, накопленного в костях, с возрастом увеличивается, и в 30-40 лет у лиц, по роду занятий не связанных с загрязнением свинца, составляет 80-200 мг.

Органические  соединение свинца считаются ещё  более токсичными, чем неорганические.

Главным источником, из которого свинец попадает в организм человека, является пища, наряду с эти  важную роль играет вдыхаемый воздух, а у детей - и заглатываемая ими свинецсодержащая пыль и краски. Вдыхаемая пыль примерно на 30-35 % задерживается в легких, значительная доля её всасывается потоком крови. Всасывания в желудочно-кишечном тракте составляют в целом 5-10 %, у детей - 50 %. Дефицит кальция и витамина Д усиливает всасывание свинца.

Острые свинцовые  отравления встречаются редко. Их симптомы - слюнотечение, рвота, кишечные колики, острая форма отказа почек, поражение  мозга. В тяжёлых случаях - смерть через несколько дней.

Ранние симптомы отравления свинцом проявляются в виде повышенной возбудимости, депрессии и раздражительности. При отравлении органическими соединениями свинца его повышенное содержание обнаруживают в крови.

Вследствие глобального  загрязнения окружающей среды свинцом  он стал вездесущим компонентом любой пищи и кормов. Растительные продукты в целом содержат больше свинца, чем животные.

КАМДИЙ  И ЦИНК

Камдий, цинк и  медь являются наиболее важными металлами  при изучении проблемы загрязнений, так они широко распространены в  мире и обладают токсичными свойствами. Камдий и цинк (так же ка свинец и ртуть) обнаружены в основном в сульфидных осадках. В результате атмосферных процессов эти элементы легко попадают в океаны. В почвах содержится приблизительно 4,5х10 -⁴ %. Растительность содержит различное количество обоих элементов, но содержание цинка в золе растений относительно высоко -0,14;, так как этот элемент играет существенную роль в питании растений.

Около 1 млн. кг камдия попадает в атмосферу ежегодно в  результате деятельности заводов по его выплавке, что составляет около 45 % общего загрязнения этим элементом. 52 % загрязнений попадают в результате сжигания или переработки изделий, содержащих камдий. Камдий обладает относительно высокой летучестью, поэтому он легко проникает в атмосферу. Источники загрязнения атмосферы цинком те же, что и камдием.

Попадание камдия в природные воды происходит в  результате применения его в гальванических процессах и техники. Наиболее серьёзные  источники загрязнения воды цинком - заводы по выплавке цинка и гальванические производства.

Потенциальным источником загрязнением камдием являются удобрения. При этом камдий внедряется в растения, употребляемые человеком  в пищу, и в конце цепочки  переходят в организм человека. Камдий и цинк легко проникают в морскую  воду и океан через сеть поверхностных и грунтовых вод.

Камдий и цинк накапливаются в определённых органах  животных (особенно в печени и в  почках).

Цинк наименее токсичен из всех вышеперечисленных  тяжёлых металлов. Тем не менее  все элементы становятся токсичными, если попадаются в избытке; цинк не является исключением. Физиологическое воздействие цинка заключается в действии его как активатора ферментов. В больших количествах он вызывает рвоту, эта доза составляет примерно 150 мг для взрослого человека.

Камдий намного токсичнее цинка. Он и его соединения относятся к I классу опасности. Он проникает в человеческий организм в течение продолжительного периода. Вдыхание воздуха в течение 8 часов при концентрации камдия 5 мг/м³ может привести к смерти.