Поведение тяжелых металлов в водной среде

Обновлено: 07.01.2025

Формы и источники поступления тяжелых металлов в природные воды. Физиологическая активность и показатели вредности. Сравнительный анализ биогеохимических свойств. Предельно допустимые концентрации металлов в водоемах санитарно-бытового использования.

Рубрика Химия
Вид доклад
Язык русский
Дата добавления 27.04.2014
Размер файла 49,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Ярославский Государственный Университет им. П.Г. Демидова

Кафедра физиологии человека и животных

Влияние тяжелых металлов на гидробионтов и экосистему водоемов

Исполнитель: Серов Д.А.

Студент группы Б-51

Проверил: к.б.н. Рябухина Е.В.

Ярославль 2013 г.

    1. Тяжелые металлы. Формы. Свойства. Факторы, определяющие путь и интенсивность миграции
  • 2. Свойства отдельных представителей
    • 2.1 Ванадий
    • 2.2 Висмут
    • 2.3 Железо
    • 2.4 Кадмий
    • 2.5 Кобальт
    • 2.6 Марганец
    • 2.7 Медь
    • 2.8 Молибден
    • 2.9 Мышьяк
    • 2.10 Никель
    • 2.11 Олово
    • 2.12 Ртуть
    • 2.13 Свинец
    • 2.14 Серебро
    • 2.15 Сурьма
    • 2.16 Хром
    • 2.17 Цинк

    1. Тяжелые металлы. Формы. Свойства. Факторы, определяющие путь и интенсивность миграции

    Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

    Термин «тяжелые металлы», характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в последнее время значительное распространение. В различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим, количество элементов, относимых к группе тяжелых металлов, изменяется в широких пределах.

    В качестве критериев принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким (например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).

    В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.

    Формально определению «тяжелые металлы» соответствует большое количество элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ.

    Так, в ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы поименованы Pb, Hg, Cd, As.

    С другой стороны, согласно решению Целевой группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно, остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au, Mn. [Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987]

    Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей.

    Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.

    Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно. [Афанасьева Л.С. 2006.; Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987]

    Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

    Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три следствия:

    1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;

    2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;

    3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

    Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм [Мур Дж.В., Рамамурти С. 1987].

    Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное [Афанасьева Л.С. 2006].

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

    Особенности поведения в среде тяжелых металлов

    Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО2 в результате деятельности микроорганизмов. 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". Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей. Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю свободных и связанных форм металла.

    1. может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за счет перехода его в раствор из донных отложений;
    2. мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться от проницаемости гидратированных ионов;
    3. токсичность металла в результате комплексообразования может сильно измениться.

    Так, хелатные формы Cu, Cd, Hgменее токсичны, нежели свободные ионы. Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю связанных и свободных форм. Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное.

    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.

    Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу.

    На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает 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.

    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.

    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).

    У человека острое отравление мышьяком вызывает появление металлического вкуса во рту, рвоту, сильные боли в животе, острую сердечно-сосудистую и почечную недостаточность, судороги. Хроническая интоксикация (при потреблении воды, содержащей более 0,1 мкг л –1 мышьяка) вызывает гиперпигментацию, кератоз, рак кожи (Гарин и др., 2001). Смертельная доза для мышьяка составляет – 0,06 – 0,2 г (от 1 до 2,5 мг As кг –1 массы тела) (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 .

    Свинец в организме человека накапливается в костях, вытесняя соли кальция. Кроме того, он депонируется в мышцах, печени, почках, селезенке, головном мозге, сердце и лимфатических узлах. Для свинцовой интоксикации характерна «свинцовая колика» – резкий спазм сосудов, повышение артериального давления, спастико-атонические явления в кишечнике, появление судорожных припадков, развивается гипохромная анемия (Гарин и др., 2001). Смертельная доза свинца для человека составляет 20–50 г.

    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.

    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 + )

    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.

    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). (Рамад, 1981).

    Смертельная доза солей ртути для человека составляет 0,5 г.

    Болезнь Минамата. В Японии болезнь Минамата дважды наблюдалась – в 1953 г. в бухте Минамата, в 1965 г. в районе Ниигаты. В декабре 1953 г. жители г. Минамата стали свидетелями страшных явлений. Множество кошек, собак и даже птиц умирало прямо на улице в конвульсиях. Некоторые обезумевшие кошки бросались в воду – поведение, не свойственное животному, известному своей водобоязнью. А через несколько недель уже сами жители стали страдать от неведомой болезни, получившей впоследствии название «болезнь Минамата». На первом этапе заболевания больные чувствуют онемение губ и конечностей. Затем начинаются нарушения зрительной (сужение поля зрения), слуховой и речевой функций (речь становится затрудненной, а фразы все более и более бессвязными). Походка больного делается неуверенной и шатающейся, как у пьяного. Появляются признаки нарушения психики и слабоумия. Смерть наступает или довольно быстро – после нескольких дней конвульсий, или какое-то время спустя – от осложнений на легкие.

    Вначале предполагалось, что болезнь вызвана неизвестным вирусом. Анализ клинической картины показал, что болезнь вызвана ртутным отравлением. Впервые слово «ртуть» было произнесено в июле 1959 г.

    Появление в 1965 г. подобного заболевания в районе Ниигаты, расположенном далеко от Минаматы, послужило еще одним доказательством способности метилртути вызывать эту болезнь. 5 человек из 30 тяжело заболевших погибли. Все они питались рыбой, выловленной в реке Агано. А в нее попадали сточные воды другого предприятия, синтезирующего ацетальдегид. Этот завод принадлежал могущественному японскому концерну «Шова Денко».

    Только в сентябре 1968 г. министр здравоохранения Японии официально заявил, что причиной болезни Минамата явились сточные воды завода Чиссо (Рамад, 1981; Эрхард, 1984)

    Неорганическая ртуть использовалась в качестве катализатора для производства ацетальдегида и винилхлорида на фабрике Чиссо Компании Лтд. По неосторожности и ртуть, и метилртуть в течение десятилетия сбрасывались в залив Минамата, соединенный с межостровным морем Яцуширо, крайне слабо сообщавшимся с Тихим океаном на оконечности острова Кюши в западной части Японии.

    К 1987 г. правительство признало 1742 пациента жертвами болезни Минамата, возможное число пострадавших оценивается как 5000.

    В 1984 г. правительством Японии была начата перекачка загрязненного грунта в специальную область внутри залива Минамата. Общий объем подлежащего обезвреживанию грунта составил 582 000 м 3 . Общая стоимость работ оценивается в $ 500 млн. К 2011 г. планируется полная очистка от ртути (Зилов, 2006).

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

    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:

    CdCO3 + 2H + = Cd 2+ + CO2↑ + H2O

    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).

    Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью 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 кофактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать. Смертельной может быть доза 30–40 мг.

    В организм человека кадмий попадает, в основном, с растительной пищей. Однажды поглощенное количество кадмия выводится из человеческого организма чрезвычайно медленно (0,1 % сут.–1). Самые ранние симптомы отравления кадмием – поражение почек, нервной системы и половых органов. Затем возникают острые костные боли в спине и ногах, нарушаются функции легких (Гарин и др., 2001).

    Болезнь Итай-итай. Эта болезнь связана с кадмием, хотя связь неорганического кадмия с болезнью не так очевидна, как в случае с болезнью Минамата. Тем не менее, кадмий признан ведущим фактором, вызвавшим болезнь. Благодаря активности компании Мицуи, добывающей и производящей цинк, свинец, серебро и золото, кадмий с 1920-х годов попадал в воды р. Джинцу в центральной части Японии. Эти воды затем использовались для рисовых полей. Кадмий концентрировался в рисовых зернах. Фермеры ели содержащий кадмий рис в течение нескольких десятилетий. Кадмий вызывал ренальную тубулярную дисфункцию, остеомаляцию[28] и остеопороз[29]. Наиболее характерным симптомом болезни была острая боль в костях, что и выразилось в названии болезни «итай-итай» по-японски соответствует английскому «ouch-ouch» или русскому «ай, болит!». Несмотря на то, что большое число жертв должно было быть и в период с 1920-го по 1950-е годы, официального признания болезнь не получала до 1967 г. Число жертв, умерших от болезни составило 396 (305 женщин и 91 мужчина) на 1 426 хозяйств в загрязненной области.

    Восстановление примерно 50 % почв (200 га) было осуществлено путем глубокой вспашки в 1991 г. Верхние 30 см почвы, особенно сильно загрязненные кадмием, были перемещены вниз. Кадмий из донных осадков р. Джинзу продолжает распространяться по окрестным полям во время наводнений (Зилов, 2006).

    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

    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.

    1. Батоян В. В., Сорокин В. Н. Микроэлементы в рыбах Куйбышевского водохранилища // Экология, 1989. № 6. — С. 81–83.
    2. 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.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.
    6. 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.
    7. 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.
    8. 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.
    9. Кашулин Н. А. Ихтиологические основы биоиндикации загрязнения среды тяжелыми металлами Диссертация и автореферат по ВАК 03.00.10 Апатиты 2000 — с. 381.
    10. Кузнецов В. А. Признаки дестабилизации в рыбном сообществе Куйбышевского водохранилища // Актуальные экологические проблемы республики Татарстан. Казань: «Новое знание», 2000. С. 60.
    11. Линник П. Н., Набиванец Б. И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. // Гидрометеоиздат, 1986. — с.272.
    12. Моисеенко Т. И. Оценка экологической опасности в условиях загрязнения вод металлами // Водные ресурсы. 1999. — Т. 26, № 2. — С 186–197.
    13. Перевозников М. А., Богданова Е.А Тяжелые металлы в пресноводных экосистемах. — С.-Петербург, 1999. — с.227.
    14. Пономаренко A. M. Эколого-рыбохозяйственные аспекты ртутного загрязнения водохранилищ: Дис. канд. биол. наук. Казань, 2006. — с.116.
    15. 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.
    16. 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.
    17. 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.
    18. 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.

    Читайте также: