Материал: Промышленность и окружающая среда.

Предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов в природных средах

* Среднесуточная.

Изучение специфических механизмов детоксикации в отношении ионов металлов находится на ранней стадии. Также пока трудно указать ме­ ханизм приобретения металлом токсичных свойств. Токсичность метал­ ла обычно не связана с его необходимостью. Однако для токсичности и необходимости имеется одна общая черта: как правило, существует вза­ имосвязь ионов металлов, равно как и зависимость между ионами метал­ лов и неметаллов, в общем вкладе в эффективность их действия. Доступ­ ность же ионов металлов зависит от их взаимодействия с потребляемой пищей; простая адекватность диеты этому положению не удовлетворяет. Так, железо из овощей абсорбируется плохо из-за присутствия в них ком­ плексообразующих лигандов, а избыток ионов Zn2+ может ингибировать абсорбцию Си2+. Сходным образом токсичность Cd2+ проявляется ярче в системе с недостаточностью по Zn2+, а токсичность РЬ2+ усугубляется не­ достаточностью по Са2+. Такой антагонизм и взаимозависимость сильно осложняют попытки проследить и объяснить причины необходимости и токсичности.

Более чем в 100 городах нашей страны концентрации металлов значи­ тельно превышают предельно допустимые по санитарным нормам уровни (табл. 2.26). Наиболее высокий индекс загрязнения в городских условиях по­ лучен по тяжелым металлам, среди которых превалирует свинец, ртуть, хром и никель.

Проблема “металлического пресса” в городах особенно актуальна в свя­ зи со способностью тяжелых металлов кумулироваться в организме челове­ ка, вызывая отдаленные последствия, такие, как мутагенные, канцероген­ ные, тератогенные, и обладая эмбрио- и гонадотоксическими свойствами.

Токсичные элементы могут присутствовать в атмосфере, гидросфере и литосфере.

Загрязнение атмосферы

Техногенная доля цинка и меди в атмосфере составляет примерно 75%, кадмия и ртути - 50, никеля - 30, кобальта - 10%. Наиболее высокая эмис­ сия в атмосфере характерна для свинца; по различным оценкам, она состав­ ляет от 50 до 80%. Главными антропогенными источниками поступления то­ ксичных элементов в атмосферу являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транс­ порт, химическая промышленность.

Выбросы наиболее опасных вредных веществ в воздушную среду городов России в начале 1990-х гг.

По степени опасности вредные элементы, выбрасываемые в атмосфер­ ный воздух, подразделяют на два класса: 1 ) чрезвычайно опасные и 2 ) высо­ коопасные; к чрезвычайно опасным относятся почти все тяжелые металлы (табл. 2.27).

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме орга­ нических и неорганических соединений, в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). При этом аэрозоли Pb, Cd, Си, Zn состоят пре­ имущественно из субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли Ni, Со - из крупнодисперсных (>1 мкм) частиц, которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива.

Ртуть в атмосферном воздухе существует в основном (90-97%) в элемен­ тарной форме. Количественные оценки ее антропогенного поступления не­ однозначны. Установлено, что при производстве цветных металлов и спла­ вов образуется 90% Hg и 10% Hg2+. Ртуть поступает в атмосферу в виде ме­ тилированных производных, при этом на воздухе они быстро превращают­ ся в элементарную форму. Концентрационные уровни ртути для городских зон составляют 2,9-34 нг/м3. Учитывая, что из всех видов тяжелых метал­ лов, регулярно попадающих в организм человека, 2 0 % поступают из возду­ ха, небезынтересно знать, какова величина ПДК ртути в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) и атмосферном воздухе (ПДКСС) (табл. 2.28).

Атмосферное загрязнение в первую очередь снижает сопротивляемость организма, результатом чего становятся повышенная заболеваемость и дру­ гие физиологические изменения. По сравнению с источниками химического загрязнения (пища, питьевая вода) атмосферный воздух представляет для человека особую опасность, поскольку на его пути нет заслона, подобного печени при проникновении загрязняющих веществ через желудочно-кишеч­ ный тракт. Доля влияния загрязнения атмосферного воздуха на заболевае­ мость системы органов дыхания составляет 2 0 %, системы кровообраще­ ния - 9%.

Основные механизмы выведения токсичных элементов из атмосферы — вымывание с атмосферными осадками и осаждение на подстилающую по­ верхность. В осадках эти элементы присутствуют в растворимой (соли, ком­ плексные ионы) и малорастворимой формах. Но, как правило, преобладают вторые формы, что, вероятно, обусловлено наличием в атмосфере кислых осадков серы и азота, способствующих образованию растворимых соедине­ ний с металлами.

Таблица 2.28

Гигиеническое нормирование некоторых тяжелых металлов в воздухе

П ри м ечан и е. Прочерк означает, что ПДК не установлена.

По степени обогащения атмосферных осадков металлы располагаются в следующем порядке: Zn > Pb > Cd > Ni. Средние уровни свинца в осадках составляют: 1 2 мкг/л для сельских районов (не подверженных урбанизации), 0,09 мкг/л для полярных областей и акваторий океанов, 44 мкг/л для урба­ низированных районов.

Загрязнение гидросферы

Тяжелые металлы относятся к числу распространенных и весьма ток­ сичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных про­ мышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединений тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан че­ рез атмосферу. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязните­ лей гидросферы представлен в табл. 2.29.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах; взвешенной, коллоидной и растворенной; последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами. Значительная часть тяжелых металлов пере­ носится поверхностными водами во взвешенном состоянии. Так, количество меди, связанной с твердыми частицами, может достигать 9 7 % ее общего со­ держания в воде. В озерах и водохранилищах содержание взвешенных форм существенно меньше, чем в реках.

мОтходь1»содержащие ртуть, свинец, медь, локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Около половины годового промышленного произ­ водства ртути различными путями попадает в океан. В районах, загрязняе­ мых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды рту-

Степень токсичности некоторых тяжелых металлов для основных групп морских организмов

П р и м е ч а н и е . Степень токсичности: -- - отсутствует; + - очень слабая; -и- - слабая; +++ - сильная;

++++ - очень сильная.

ти в высокотоксичную метиловую ртуть. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фи­ топланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов. Дальнейшая ее миграция связана с включением ртути в трофические цепи водных организмов.

Наиболее токсичны для человека и биоты ртутьорганические соедине­ ния, доля которых в воде составляет 46% общего содержания ртути. Как не­ органические, так и органические соединения ртути высокорастворимы. Среди неорганических комплексов наиболее растворимы и устойчивы хлоридные, а среди органических - фульватные. Характерная особенность рту­ ти состоит в том, что в водных растворах она легко гидролизуется даже в слабокислых средах. В речных водах ртуть мигрирует преимущественно во взвешенном состоянии, доля взвешенных форм в речных водах составляет 83-96%, в озерных водах - 10-13 и в морских - 60-96%.

Печальную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнару­ женная японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, вылов­ ленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промыш­ ленные стоки с техногенной ртутью.

В отличие от других металлов ионы Ni2+ и Со2+ в природных водах под­ вержены гидролизу в меньшей степени. Свинец в водных экосистемах нахо­ дится в основном в виде соединений РЬ2+, он сравнительно легко вступает в реакции с присутствующими в воде примесями, образуя малорастворимые соединения.

Необходимо отметить, что в последние десятилетия заметно изменился химический состав не только поверхностных, но и подземных вод. Основ­ ные причины этого - загрязнение наземных водоемов и закачка в глубокие водоносные горизонты высокотоксичных отходов производства. Усилен­ ный отбор подземных вод для бытовых и промышленных нужд в крупных городах способствует инфильтрации загрязненных вод из поверхностных водоемов и загрязнению водоносных горизонтов.

Загрязнение педо- и литосферы

Почва не обладает таким свойством подвижности, как атмосфера и вод­ ная среда, и более подвержена загрязнениям. Уровни содержания тяжелых металлов в почвах зависят от окислительно-восстановительных и кислотно­ основных свойств последних. Исследования показали, что тяжелые метал-

Классы опасности металлов, попадающих в почву из выбросов, сбросов

лы в почвах содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно ад­ сорбированной формах. Особенно высокие концентрации тяжелых метал­ лов в почвах могут наблюдаться вокруг больших городов, крупных предпри­ ятий, в районах расположения рудников и автомагистралей на расстоянии в несколько десятков километров. Классы опасности некоторых металлов приведены в табл. 2.30.

Тяжелые металлы малоподвижны в почве, поэтому из почвы их удаля­ ют вместе с загрязненным слоем, либо с помощью доступных хелатообразу­ ющих реагентов. При этом металлы переходят в лабильную форму и опус­ каются в почве на уровень ниже корневой системы растений.

Загрязнение почвы, воды и воздуха тяжелыми металлами представляет собой опасность как в глобальном, так и в региональном масштабе. Значи­ тельное обогащение природной среды свинцом, ртутью, кадмием наряду с низким природным уровнем этих металлов в биосфере и высокой токсично­ стью требует постоянного контроля за их содержанием не только в объек­ тах окружающей среды, но и в пищевых продуктах.

Загрязнение пищевых продуктов

Очевидно, что загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами представляет наибольшую опасность, когда они присутствуют в продуктах питания в повышенных концентрациях и доступных формах. Обычно это наблюдается в сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на полях вблизи промышленных предприятий или в случае полей, загрязненных го­ родскими отходами и продуктами переработки.

У растений устойчивость к действию тяжелых металлов выше, чем у людей и животных. В растениях металлы могут отлагаться в клеточных стенках (целлюлоза) или в клеточных вакуолях с образованием хелатов. В этих случаях тяжелые металлы становятся физиологически неактивными для растений. Растения могут нормально развиваться благодаря их специфи­ ческому механизму обеззараживания даже при таких концентрациях метал­ лов, которые для человека являются токсичными.

Поглощение металла и его аккумуляция растением зависят от вида пос­ леднего. Кроме того и в самих растениях металлы распределяются неравно­ мерно. Так, медь и цинк концентрируются преимущественно в корнях рас­ тений, тогда как кадмий накапливается в листьях.

Возрастающее загрязнение воздушной среды, воды, почвы, продуктов питания тяжелыми металлами оказывает прямое влияние на человека. Это можно представить в виде схемы круговорота в природе загрязняю­ щих веществ, на которой показана тесная связь окружающей среды с че­ ловеком (рис. 2.5). Поступление тяжелых металлов по пищевой цепи мож-