Загрязнение воды водоемов г. Гомеля тяжелыми металлами. Проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами Загрязнение ионами тяжелых металлов

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразн ые и аэ розольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.

Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газ о- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

2. Химическое загрязнение атмосферы.

Свой реферат я начну с обзора тех факторов, которые приводят к ухудшению состояния одной из важнейших составляющих биосферы - атмосферы. Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незаконченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизмерно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями.

Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие промышленности "одарило" нас такими производствен-ными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека. альфабанк webmoney

2.1. Основные загрязняющие вещества.

В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония.

Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серусодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса.

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпаден ие аэ розоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающихна расстоянии менее 11 км. о т таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе в другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

д) Оксилы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. с ернистого газа и 14,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

2.2. Аэрозольное загрязнение атмосферы.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. п ылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС.

ВЫБРОС ПЫЛИ, МЛН.Т /ГОД

1. Сжигание каменного угля 93,600

2. Выплавка чугуна 20,210

3. Выплавка меди (без очистки) 6,230

4. Выплавка цинка 0,180

5. Выплавка олова (без очистки) 0,004

6. Выплавка свинца 0,130

7. Производство цемента 53,370

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.к уб.м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли.

Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.

Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

2.3. Фотохимический туман (смог).

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.

Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.

Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

2.4. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веще ств пр омышленными предприятиями (ПДК).

Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей.

Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО (Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК, а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют.

Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (оксилы азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

3. Химическое загрязнение природных вод.

Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загрязнения.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностноактивные вещества, пестициды).

3.1. Неорганическое загрязнение.

Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным заразителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания, обуславливающие широкий диапозон рН промышленных стоков (1,0 - 11,0) и способных изменять рН водной среды до значений 5,0 или выше 8,0 , тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0 - 8,5.

Среди основных источников загрязнения гидросферы минеральными веществами и биогенными элементами следует упомянуть предприятия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежегодно вымывается около 6 млн.т. солей. К 2000 году возможно увеличение их массы до 12 млн.т./год.

Отходы, содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фитопланктона. 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.

Так, печальную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнаруженную японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промышленные стоки с техногенной ртутью.

3.2. Органическое загрязнение.

Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое значение для обитателей водной среды имеют не только минеральные, биогенные элементы, но и органические остатки. Вынос в океан органического вещества оценивается в 300 - 380 млн.т./год. Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность данных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении данных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые привогдят к загрязнению всей воды в реке. Наличие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза.

Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все загрязнения, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно активные вещества - жиры, масла, смазочные материалы - образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом.

Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах.

В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера).

Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей. Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может понизится ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.

4.1. Нефть и нефтепродукты.

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуорисценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифвтических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

а) Парафины (алкены) - (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

б) Циклопарафины - (30 - 60% от общего состава) - насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в) Ароматические углеводороды - (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полуциклические (пирен).

г) Олефины (алкены) - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 6 млн.т. нефти, что составляло 0,23% мировой добычи.

Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн.т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками.

Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн.т./год. Со стоками промышленности ежегодно попадает 0,5 млн.т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности.

Нефтяная пленка изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 1-10% (280 нм), 60-70% (400нм).

Пленка толщиной 30-40 мкм полностью полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую - "нефть в воде"- и обратную - "вода в нефти". Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

4.2. Пестициды.

Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы: инсектициды - для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений, гербициды - против сорных растений. Установлено, что пестициды уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн.т. пестицидов поступает на мировой рынок. Около 1,5 млн.т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем золовым и водным путем.

Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгецидов и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлороорганические, фосфорооргани-ческие и карбонаты.

Хлороорганические инсектициды получаются путем хлороирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы - производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. За последние 40 лет использовано более 1,2 млн.т. полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсаторов.

Полихлорбифенилы (ПХБ) попадают в окружающую среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во все районах Земнего шара. Так в пробах снега, взятых в Антарктиде, содержание ПБХ составило 0,03 - 1,2 кг. / л.

4.3. Синтетические поверхностно-активные вещества.

Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду.

В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионоактивные, катионоактивные, амфотерные и неионогенные. Последние не образуют ионов в воде. Наиболее распространенными среди СПАВ являются анионоактивные вещества. На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ.

Присутствие СПАВ в сточных водах промышленнрсти связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестицидов.

4.4. Соединения с канцерогенными свойствами.

Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.

К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся хлорированные алифатические углеводороды, винилхлорид, и особенно, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Максимальное количество ПАУ в современных данных осадках Мирового океана (более 100 мкг/км массы сухого вещества) обнаружено в тентонически активных зонах, подверженным глубинному термическому воздействию. Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде - это пиролиз органических веще ств пр и сжигании различных материалов, древесины и топлива.

4.5. Тяжелые металлы.

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий,ц инк, медь, мышьяк,) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу.

При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть.

Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. К 1977 году насчитывалось 2800 жертв болезни Миномата, причиной которой послужили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацетальдегида, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Недостаточно очищенные сточные воды предриятий поступали в залив Минамата. Свинец - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах,п очвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свиней активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С континентальной пылью океан получает (20-30) т. свинца в год.

4.6. Сброс отходов в море с целю захоронения (дампинг).

Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан.

Основанием для дампинга в море служит возможность морской среды к переработке большого количества органических и неорганических веществ без особого ущерба воды. Однако эта способность не беспредельна.

Поэтому дампинг рассматривается как вынужденная мера, временная дань общества несовершенству технологии. В шлаках промышленных произво дств пр исутствуют разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов. Бытовой мусор в среднем содержит (на массу сухого вещества) 32-40% органических веществ; 0,56% азота; 0,44% фосфора; 0,155% цинка; 0,085% свинца; 0,001% ртути; 0,001% кадмия.

Во время сброса прохождении материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышаеся мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и не редко к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению металлов в растворенной форме, появлению сероводорода.

Присутствие большого количества органических веществ создает в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов. Воздействию сбрасываемых материалов в разной степени подвергаются организмы бентоса и др.

В случае образования поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен награнице воздух - вода. Загрязняющие вещества, поступающие в раствор, могут аккумулироваться в тканях и органах гидробиантов и оказывать токсическое воздействие на них.

Сброс материалов дампинга на дно и длительная повышенная мутность приданной воды приводит к гибели от удушья малоподвижные формы бентоса. У выживших рыб, моллюсков и ракообразных сокращается скорость роста за счет ухудшения условий питания и дыхания. Нередко изменяется видовой состав данного сообщества.

При организации системы контроля за сбросами отходов в море решающее значение имеет определение районов дампинга, определение динамики загрязнения морской воды и донных отложений. Для выявления возможных объемов сброса в море необходимо проводить расчеты всех загрязняющих веществ в составе материального сброса.

4.7. Тепловое загрязнение.

Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры воды в водоемах на 6-8 градусов Цельсия. Площадь пятен нагретых вод в прибрежных районах может достигать 30 кв.км.

Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену поверхностным и донным слоям. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом теипературы усиливается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество. Усиливается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей.

На основании обобщения материала можно сделать вывод, что эффекты антропогенного воздействия на водную среду проявляются на индивидуальном и популяционно-биоценотическом уровнях, и длительное действие загрязняющих веществ приводит к упрощению экосистемы.

5. Загрязнение почвы.

Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.

Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности. Одним из видов антропогенного воздействия является загрязнение пестицидами.

5.1. Пестициды как загрязняющий фактор.

Открытие пестицидов - химических средств защиты растений и животных от различных вредителей и болезней - одно из важнейших достижений современной науки. Сегодня в мире на 1 га. н аносится 300 кг. химических средств. Однако в результате длительного применения пестицидов в сельском хозяйствем медицине (борьба с переносчиками болезней) почти повсеместно отличается снижение из эффективности вследствие развития резистентных рас вредителей и распространению "новых" вредных организмов, естественные враги и конкуренты которых были уничтожены пестицидами.

В то же время действие пестицидов стало проявляться в глобальных масштабах. Из громадного количества насекомых вредными являются лишь 0,3% или 5 тыс. видов. У 250-ти видов обнаружена резистентность к пестицидам. Это усугубляется явлением перекрёстной резистенции, заключающейся в том, что повышенная устойчивость к действию одного препарата сопровождается устойчивостью к соединениям других классов.

С общебиологических позиций резистентность можно рассматривать как смену популяций в результате перехода от чувствительного штамма к устойчивому штамму того же вида вследствие отбора, вызванного пестицидами. Это явление связано с генетическими, физиологическими и биохимическими перестройками организмов. Неумеренное применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов, дефолиантов) негативно влияет на качество почвы. В связи с этим усиленно изучается судьба пестицидов в почвах и возможности и возможности их обезвреживать химическими и биологическими способами.

Очень важно создавать и применять только препараты с небольшой продолжительностью жизни, измеряемой неделями или месяцами. В этом деле уже достигнуты определенные успехи и внедряются препараты с большой скоростью деструкции, однако проблема в целом ещё не решена.

5.2. Кислые атмосферные выпады на сушу (кислотные дожди).

Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие.

Кислотные дожди вызывают не только подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв. Кислотность с нисходящими потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств оксилов серы, азота, углерода. Эти оксилы, поступая в атмосферу переносятся на большие расстояния, взаимодействуют с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде "кислых дождей" на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами.

Главными источниками в атмосфере является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу оксилов серы, азота, сероводорода и оксида углерода. Естественно, что это сказалось на повышении кислотности атмосферных осадков, наземных и грунтовых вод. Для решения этой проблемы необходимо увеличить объём систематических представительных измерений соединений загрязняющих атмосферу веществ на больших территориях.

Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями.

Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.

20.1. 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.

Среди загрязняющих веществ по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» тяжелые металлы занимают второе место, уступая только пестицидам.

Источники поступления

Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно привносят в океан свыше 320 Мт железа. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу. Главные пути поступления металлов в Мировой океан приведены в таблице 29.

Таблица 29

Естественное и антропогенное загрязнение Мирового океана, т год -1

Загрязняющее вещество	Общий сток		Сток с суши	Атмосферный перенос
Загрязняющее вещество	Естественный	Антропогенный	Сток с суши	Атмосферный перенос
			(1,0-20,0)·10 5	(2,0-20,0)·10 5

			(1,0-20,0)·10 3

На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает по другим оценкам 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. В таблице 30 приведено содержание металлов в бытовых и некоторых видах промышленных сточных вод.

Таблица 30

Промышленность
Мясоперерабатывающая
Жироперерабатывающая
Рыбообрабатывающая



Безалкогольная
Производство мороженого
Текстильная

Парфюмерная
Прачечные
Автомойки

На пути от мест попадания в воду до океана значительная часть металлов оседает на дне рек. Пример приведен в таблице 31.

Таблица 31

Концентрации тяжелых металлов в воде и осадках реки Рур в Эссене (Imhoff, 1991)

	В воде (мкг л –1)	В осадках (мг кг –1 сухого веса)

Кроме того, значительная часть металлов на пути к океану задерживается в водоемах – как в их донных осадках (таблица 32), так и в биоте (таблица 33).

Таблица 32

Поступление металлов в озеро Мичиган (т год -1) (Jackson, 1991)

Из воздуха	С притоками	Смыв с берега	Осаждение

Таблица 33

Компонент
Вода (мкг л –1)
Донные осадки (мг кг –1 сухого веса)
Зоопланктон (мг кг –1 сухого веса)
Esox lucius L. Жабры (мг кг –1 сухого веса)
Мышцы (мг кг –1 сухого веса)
Печень (мг кг –1 сухого веса)

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.

Токсичность тяжелых металлов

Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы (особенно фильтраторы) концентрируют металлы, которые ввиду своей неразложимости сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп гидробионтов (таблица 34).

Таблица 34

Степень токсичности ряда солей тяжелых металлов для некоторых водных животных

Вещество	Планктон	Ракообразные	Моллюски

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: H 3 AsO 3 , As(OH) 3 , H 3 AsO 4 .

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).

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(CH 2 CH 3) 4 добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать при больших давлениях. В бензин добавляют также CH 2 Cl–CH 2 Cl и CH 2 Br–CH 2 Br. В результате сгорания топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там.

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.

В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников, так и из источников техногенного происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев земной коры благодаря вулканической, гео- и гидротермальной активности.

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+) (см. рисунок 42).

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.

Рис 41. Поведение ртути в водной среде (до аккумуляции организмами).

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). Например, в канадских озерах Сент-Клэр концентрация ртути в рыбах составляла 2–4 мг кг -1 , в мышцах большой голубой цапли 23 мг кг -1 , в печени – 175 мг кг -1 (Рамад, 1981).

Кадмий

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

Ежегодно во всем мире добывается до 18 кт кадмия (Израэль, 1989). 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:

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). Концентрация кадмия в разных гидробионтах изменяется от 50 до 550000 мкг кг -1 сухой массы. У некоторых видов устриц, например, коэффициент накопления кадмия равняется 318 000 (Эрхард, 1984).

Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его 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 ко-фактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать.

Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:

Высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных районах океана и внутренних морях;

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.

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: H 3 AsO 3 , As(OH) 3 , H 3 AsO 4 .

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.

Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.

Pb(CH 2 CH 3) 4 + С 2 Н 4 Г 2 + 16О 2 = PbГ 2 + 10СО 2 + 12Н 2 О (Г=Cl или Br) (Ершов, 2003).

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.

Существуют бактерии, которые переводят минеральную ртуть в монометил (или метил) ртути (CH 3 Hg +)

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.

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:

Cd 2+ + CO 3 2- = CdCO 3 ↓

В кислой среде ионы кадмия освобождаются:

CdCO 3 + 2H + = Cd 2+ + CO 2 + H2O

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 и остеопороз. 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).

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины"

Биологический факультет

Кафедра химии

Дипломная работа

Загрязнение воды водоемов г. Гомеля тяжелыми металлами

Исполнитель: студентка группы Би - 51

Герасенко Анастасия Викторвна

Научный руководитель: профессор кафеды химии;

д.б.н., доцент Жученко Юрий Михайлович

Рецензент: профессор кафедры

физиологии человека и животных;

д.б.н., профессор Дворник Александр Михайлович

Гомель 2012

Реферат

Дипломная работа __ страницы, 4 таблицы, 2 рисунка, 45 источников

Ключевые слова: элементы, тяжелые металлы, вода, загрязнение, водоемы, озера

Объекты исследования: поверхностные воды водоемов города Гомеля: оз. У-образное, оз. Любенское, оз. Малое, оз. Круглое, контрольный водоем.

Методы исследования: содержание тяжелых металлов в пробах определялись атомно-адсорбционным методом на ААS,Perkin Elmer-406 в лаборатории физико-химического анализа Института геохимии и геофизики НАН Беларуси, позволяющего определить в одной пробе несколько элементов одновременно.

Цель работы: оценка степени загрязнения поверхностных вод водоемов, расположенных на территории г. Гомеля свинцом, медью, хромом, цинком, никелем.

Результаты исследований: исследования показали, что содержание тяжелых металлов в поверхностных водах существенно различается как в различных водоемах, так и в пределах одного водоема. В результате проведенных исследований было отмечено превышение содержания металлов от предельно допустимых концентраций в рыбохозяйственных объектах (медь и цинк превышают ПДК в 8-17 и 5-15 раз, соответственно). Из изученных водоемов максимальный уровень загрязнения воды тяжелыми металлами отмечается в оз. У-образное.

Предложения: полученные результаты могут быть использованы для характеристики экологического состояния водоемов при комплексной оценке качества городской среды.

Введение

Обзор литературы

1 Источники поступления элементов и тяжелых металлов в водные экосистемы

3 Токсическое действие тяжелых металлов на гидробионтов

4 Токсическое действие тяжелых металлов на человека

Объект, программа и методика исследований

1 Объект и программа исследований

2 Методика отбора и хранения проб, подготовка проб к анализу, метод анализа

3 Методы статистической обработки результатов исследований

Результаты исследований и их обсуждение

2 Сезонная и годовая динамика содержания тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля и окрестностей

Заключение

Введение

Состояние изучаемой проблемы. В настоящее время все водные объекты Республики Беларусь испытывают в той или иной степени антропогенное влияние. Особенно оно контрастно для водоемов, находящихся на урбанизированных территориях, где наряду с глобальным поступлением токсикантов с атмосферными осадками присутствует риск локального загрязнения. Развитие промышленности и сельского хозяйства в последние десятилетия шло в основном с использованием традиционных методов без особого учета современных экологических требований. Все это привело к проблеме качества водных ресурсов, так как они наиболее подвержены антропогенному прессу. Несмотря на то, что в последние годы повсеместно наблюдается сокращение промышленного производства, данная проблема усугубляется недостаточной эффективностью водоохранных мероприятий в коммунальном хозяйстве городов. Значителен в городах смыв загрязняющих веществ ливневыми и талыми водами. Увеличение количества автотранспортных средств, а также сопутствующий этому рост числа обслуживающих предприятий (заправочных, моечных, ремонтных мастерских) ведет к усилению загрязнения атмосферного воздуха в городах и, соответственно, водных объектов. Необходимость данных исследований не вызывает сомнений, так как большинство водоемов городской зоны используются для проведения культурно-массовых, спортивных и других мероприятий.

Актуальность работы. Исходя из задач контроля качества городской среды не вызывает сомнения необходимость изучения экологического состояния поверхностных вод на территории крупного промышленного центра - г. Гомеля, который располагается на важной водной магистрали страны - реке Сож. Так, посредством переноса значительных количеств биологически активных веществ, в том числе и тяжелых металлов, речные воды оказывают определенное влияние на поступление загрязняющих веществ в организм городского жителя (через источники питьевой воды, потребление рыбы).

Принимая активное участие в перераспределении путей миграции тяжелых металлов поверхностные воды также могут служить источниками вторичного загрязнения сельскохозяйственных экосистем при поливном земледелии и тем самым способствовать накоплению этих токсикантов в продуктах питания.

Таким образом, исследования экологического состояния водной среды региона являются актуальной задачей, так как большинство водоемов городской зоны используются для проведения культурно-массовых, спортивных и других мероприятий.

Целью работы являлась оценка содержания тяжелых металлов в водах ряда водоемов г. Гомеля, испытывающих различную антропогенную нагрузку, и выявление наиболее загрязненных водоемов городской зоны.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты проведенных исследований могут быть полезными для специалистов различных экологических служб для характеристики водоемов, как мест отдыха и проведения культурно-массовых мероприятий.

1. Обзор литературы

1 Источники поступления элементов и тяжелых металлов в водные экосистемы

Основными загрязнителями окружающей среды являются тяжелые металлы. К ним относятся химические элементы с относительной атомной массой свыше 40 и плотностью более 5 г/см3, хотя некоторые к тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой свыше 50 и плотностью более 6 г/см3.

Термин «тяжелые металлы» заимствован с технической литературы, где металлы делятся на тяжелые и легкие. В растениях тяжелые металлы входят в группу микроэлементов наряду с физиологически необходимыми, такими как цинк, медь, железо, марганец, молибден, кобальт и др. Все без исключения микроэлементы могут оказывать отрицательное влияние на растения, если концентрация их доступных форм превышает определенные пределы. Это связано с тем, что действие любых химических веществ носит строго дозовый характер. Поэтому термин «тяжелые металлы» следует применять в негативном плане по отношению к более токсичным, не нужным растению элементам, а термин микроэлементы - по отношению к физиологически полезным .

Известны «металлические ряды», расположенные по степени их токсичности для растений. Несмотря на некоторые их различия, можно констатировать, что наиболее ядовитыми как для высших растений, так и для микроорганизмов являются Hg, Pb, Cd, Сu, Zn, Ni, Co. К этому ряду, вероятно, также следует добавить Sn, Be, Ag.

Из большого разнообразия тяжелых металлов наибольшую опасность представляют кадмий, свинец, ртуть, цинк и медь, что связано с их высокой токсичностью .

В последние годы в связи с прогрессирующим загрязнением водоемов различными токсичными веществами, а также ростом хозяйственно-питьевого и промышленного водопотребления проблеме,чистой воды уделяется большое внимание.

Содержание тяжелых металлов в водоемах определяется разнообразным количеством факторов. Под факторами формирования химического состава природных вод понимают причины, обусловливающие течение разнообразных процессов, которые вызывают изменения минерализации и химического состава воды. Эти факторы разделяются на физико-географические, физико-химические, физические, биологические и искусственные. Уровень концентрации тяжелых металлов может также зависеть от антропогенной нагрузки на водоем .

При оценке состояния экосистемы важно учитывать загрязненность водного объекта токсичными веществами. Наибольшую опасность среди них представляют тяжелые металлы. Известно, что в определенных концентрациях они не только влияют на качество пресных вод, но и становится токсичными для гидробионтов и аккумулируются в их тканях. По трофическим цепям металлы могут попадать в организм человека. Эти обстоятельства и обуславливают необходимость исследования загрязненности водой среды тяжелыми металлами .

С экологической точки зрения химические элементы можно условно разделить на группу необходимых для нормального протекания биологических процессов и те, участие которых в биологических процессах до настоящего времени не доказано. При этом в разряд тяжелых металлов (металлы с плотностью выше 3,5 г/см3) попадают элементы обеих групп.

Своим появлением в водной среде элементы обязаны природным процессам, развивающимся при контакте поверхностных вод с породами и почвами водосборного бассейна, а также с деятельностью человека.

В работе указывается, что особенностью поведения тяжелых металлов в водных экосистемах является то, что они не подвержены радиоактивному распаду как радионуклиды, не разлагаются и не деградируют, как токсичные органические вещества. Металлы не исчезают из водных экосистем, а постоянно перераспределяются по отдельным компонентам, накапливаются в гидробионтах различных трофических уровней . Таким образом, донные отложения являются накопителем металлов-микроэлементов, попадающих в водоем, причем при интенсивной антропогенной нагрузке их концентрация в донных отложениях достигает больших величин.

В последнее время доказано, что информация о количественном содержании тяжелых металлов в природных водах недостаточно для оценки их качества и выяснения механизмов потребления водными организмами. Для решения этих вопросов крайне важным является изучение физико-химических форм металлов. Различные формы тяжелых металлов характеризуются неодинаковой степенью доступности для гидробионтов. Наиболее доступными являются незакомплексованные ионы. Следовательно, связывание тяжелых металлов в комплексные соединения с растворенным органическим веществом, как и адсорбция на взвесях, - процессы, существенно снижающие их токсичность. Первым шагом к расшифровке сложных механизмов взаимодействия металлов с органическим веществом является определение преобладающих величин молекулярной массы их комплексных соединений .

В настоящее время известно значительное число источников непосредственного загрязнения водоема металлами как природного, так и антропогенного происхождения при бытовой и производственной деятельности человека. Такими источниками тяжелых металлов в водоемах являются атмосферные осадки, промышленные отходы, естественная эрозия, стоки с почв, сбросные воды ирригационных систем, городские, промышленные и бытовые стоки, добыча и выплавка металлов, ископаемое топливо, процессы горения (при котором выделяется свинец и другие металлы), рециркуляция твердых отходов .

При ведении сельскохозяйственного производства вымывание остатков удобрений и ядохимикатов из плодородного слоя почвы также вносит вклад в загрязнение водоемов определенными микроэлементами.

Еще один путь загрязнения вод - это самоосаждение загрязняющих веществ из воздуха, в котором содержатся выбросы промышленных предприятий, выхлопные газы. Находящиеся в воздухе частицы могут увлекаться осадками на поверхность водоемов .

Выбросы промышленных предприятий являются активным источником поступления хрома в водоемы. Кроме того, хром выделяется при сжигании твердых видов топлива и активно рассеивается в атмосфере, а также проступает в окружающую среду при производстве нержавеющих сталей, красителей, химикатов, хромирования металлических изделий. Основные поставщики хромсодержащих аэрозолей в порядке уменьшения масштабов выбросов - это производство и переработка феррохрома, изготовление огнеупорных материалов, сжигание угля и производство хромовых сталей. Из-за высокой температуры кипения пары хрома быстро конденсируются в виде пленки окиси на частицах аэрозолей и разносятся ветром на большие расстояния. Также большие концентрации хрома содержатся в выбросах легкой, машиностроительной, деревообрабатывающей и химической промышленности. Непосредственным источником поступления хрома в поверхностные воды являются стоки гальванических мастерских, а также отходы процессов травления и полировки металлов. Определенный вклад вносят коммунальные сточные воды .

К числу наиболее важных источников поступления свинца относят продукты, образующиеся при высокотемпературных технологических процессах, выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания. С выхлопными газами в атмосферу поступает до 260000 тонн свинца. Особую опасность для гидросферы представляют сточные воды производств. Ареал рассеивания свинца вокруг металлургических предприятий достигает 30-40 км .

Фоновая концентрация микроэлементов и тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов обусловлена многочисленными факторами. В их число входят химический и гранулометрический состав отложений, их тип, окислительно-восстановительные условия, рН среды, мощность осадков, а также сезон и метеоусловия. При этом для каждого водоема может быть свойственны свои механизмы распределения микроэлементов в водной среде при сочетании некоторых перечисленных факторов.

Водоемы замедленного стока (пруды, озера, водохранилища) аккумулируют стоки водосборного бассейна, промышленные, бытовые, сельскохозяйственные сточные воды, а вместе с ними разнообразные химические компоненты, в том числе соединения металлов. Внутри водоема металлы включаются в развивающиеся там сложные процессы. Все они в совокупности определяют формы нахождения металлов и их межфазовые взаимодействия, в результате которых основные запасы концентрируются в донных отложениях водоемов .

Основным источником поступления меди в природные воды являются предприятия цветной металлургии (промышленные выбросы, отходы, сточные воды), транспорт, медьсодержащие удобрения, пестициды, процесс сварки, сжигание топлива в различных отраслях промышленности . Примерно 75 % поступающей в атмосферу меди имеет антропогенное происхождение. Меньшее значение имеет поступление при сжигании древесины и производстве стали и железа. Важнейшим природным источником поступления меди в атмосферу является ветровая пыль. Вынос с загрязненной металлом речной водой, стоками, осаждение из воздушной среды, а также в результате хозяйственной деятельности человека, приводят к повышению концентрации меди в поверхностных водах и, соответственно, в донных отложениях .

В водной среде медь находится преимущественно в трех основных формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя может включать свободные ионы и комплексные соединения меди с органическими и неорганическими лигандами. Количество меди, связанной с твердыми частицами может составлять 12-97 % общего ее содержания в речных водах.

Свинец - один из главных компонентов загрязнения окружающей среды. Это давно уже известный яд, и даже среди многочисленных современных токсикантов это вещество наиболее заметно. Еще в Древнем Риме были известны свинцовые трубы для водопроводов и свинцовые сплавы для кухонной посуды и сосудов для вина. Химическое обнаружение свинца в останках захоронений древних римлян указывает на то, что в их организме было слишком много этого металла. Может быть, в этом и кроется одна из причин упадка империи .

Антропогенное поступление свинца значительно превышает природное. Около 50 % всех выбросов в атмосферу свинца происходит при сжигании топлива (нефти, бензина). Другим источником является выплавка цветных и черных металлов, горнодобывающая промышленность. Естественным и довольно значительным поставщиком свинца в биосферу являются воздушные пылевые массы.

Свинец концентрируется в почве и воздухе. Он считается металлом с низкой биологической доступностью и больше накапливается в кормах. В растение поступает через корни и путем некорневого поглощения листьями. Растения с широкими листьями содержат свинца больше, чем с узкими. Зерно злаковых, клубни картофеля и корни сахарной свеклы не накапливают свинца .

В нейтральной и слабощелочной почве подвижность свинца примерно в 100 раз меньше, чем кадмия.

Особенности распределения и миграции свинца в природных водах обусловливаются интенсивностью осаждения и комплексообразованием с органическими и неорганическими лигандами. Доля свинца, связанного с твердым взвешенным веществом, изменяется от 15 до 83 % его валового содержания. Физико-химические формы свинца в питьевой воде характеризуются практически полным отсутствием его свободных ионов. Существенная часть свинца связана с коллоидами (гидроксидами железа и органическими макромолекулами).

Антропогенное поступление никеля в биосферу происходит при производстве цветных металлов, железа, стали, фосфатных удобрений, сжигании топлива. Природными источниками поступления никеля в поверхностные воды являются пылевые частицы, поднятые ветровыми воздушными массами. Современное антропогенное поступление никеля в окружающую среду превышает природное в 3 раза. На продукты сгорания дизельного топлива приходится 57 % общего количества выбрасываемого в атмосферу никеля.

В водной среде двухвалентный никель образует стабильные комплексы с неорганическими и органическими лигандами. Органические лиганды с кислородом, азотом и серой образуют высокоустойчивые комплексы, тогда как гуминовые и фульвокислоты - умеренно устойчивые. Количество никеля, связанного с взвесью колеблется в широких пределах: от 5 до 98 %. Содержание никеля во взвешенных частицах обратно пропорционально их размерам. Свыше 90 % валового никеля переносится в речных потоках частицами размером 0,2-20 мкм. Ассоциированная доля никеля с оксидами железа и марганца составляет от 14 до 48 %.

Никель не является широко распространенным загрязняющим элементом в донных отложениях водных систем. Его содержание в донных осадках редко превышает 50-100 мг/кг.

Загрязнение окружающей среды связано в определенной мере с интенсивным применением никеля в различных отраслях народного хозяйства и в быту. Большая часть его идет на изготовление сплавов с другими металлами. Уже известно около 3000 сплавов, которые используются для различных целей, в том числе для создания конструкций атомных реакторов. Никель применяется также в производстве щелочных аккумуляторов и антикоррозийных покрытий и как катализатор многих химических процессов. Данный металл получил распространение и в быту. Это ювелирные изделия и монеты, пуговицы, инструменты, режущие приспособления .

В организме животных и растений никель взаимодействует с другими элементами. Накоплено много данных, свидетельствующих об антагонистических взаимоотношениях между никелем и медью. Течение экспериментальной кадмиевой интоксикации смягчалось при предварительном введении животным никеля. Взаимоотношения между ним и 3-валентным железом синергическое, ас2-валентным железом - антагонистическое. Из всего количества никеля, поступившего в организм человека с пищевым рационом, до 90 % выводится с фекалиями, около 10 % - через почки и частично с потом.

Эродированные ветром почвенные частицы вносят до 58 % цинка, поступающего из природных источников в биосферу. Поступление с растительной продукцией составляет около 20 %. Антропогенный вклад цинка в окружающую среду превышает природный в 8 раз, причем производство и использование цветных металлов дает до 43 % общего выброса этого металла в атмосферу. Определенную долю вносит сжигание древесины и отходов .

Цинк принадлежит к числу весьма важных в биологическом отношении элементов. В промышленности большая часть добываемого металла используется для изготовления сплавов, оцинкованного железа и сухих гальванических элементов. В почву он поступает с удобрениями, пестицидами и промышленными отходами. Обогащение ландшафта цинком может произойти при систематическом использовании в качестве органического удобрения осадков сточных вод городов, а также при сжигании на полях отходов резины, в состав которой он входит как элемент, улучшающий вулканизацию.

В воде, при нейтральном значении pH, цинк присутствует в двухвалентной форме, доступной для сорбции взвешенными минеральными коллоидами и органическим веществом.

Цинк проявляет различные свойства при взаимодействии с твердыми частицами, что во многом зависит от физико-химических особенностей водной системы. Данные о реках мира показывают, что цинк, связанный с твердыми взвешенными частицами, составляет до 10-78 % его общих значений (3-60 мкг/л). Биологическая доступность форм цинка в донных отложениях возрастает в следующем порядке: обменные > карбонатные > связанные с оксидами железа и марганца > органические > остаточные (нерастворимые). Высвобождение этого металла из донных отложений зависит от окислительно-восстановительных условий, рН и присутствия выщелачивающих лигандов как природного, так и искусственного происхождения. Степень обогащения цинком гуминовых и фульвокислот донных отложений меньше, чем для меди, свинца, никеля и хрома. В целом, менее 5 % цинка в отложениях связано с органическим веществом.

Содержание растворенного цинка в незагрязненных пресноводных системах колеблется от 0,5 до 15 мкг/л. Более высокие содержания характерны для водных систем промышленных территорий. Например, в озерах, расположенных в зоне влияния выбросов завода по выплавке свинца и цинка в Флин-Флоне (Канада), концентрации растворенного цинка превышают 100 мкг/л . В реках в зоне влияния рудников содержание цинка превышало 3000 мкг/л.

Уровни общего содержания цинка в донных отложениях пресноводных систем в районах добычи металлов превышают 1000 мг/кг сухого веса. Более низкие уровни содержания характерны для рек, протекающих через городские районы; в незагрязненных зонах его содержание не превышает 50 мг/кг .

Кадмий - опасный токсикант (считается даже токсичнее свинца). Этот металл отнесен Всемирной организацией здравоохранения к числу наиболее вредных для здоровья. Поскольку в природной среде кадмий встречается в очень малых количествах, его вредное действие выявлено лишь недавно. Дело в том, что последние два десятилетия этот металл стал находить все большее техническое применение. Кадмий содержится в мазутах и других тяжелых нефтяных остатках, в каменном угле, его используют для кадмирования неблагородных металлов. Источниками загрязнения кадмием являются электронная и лакокрасочная промышленность, осадки сточных вод, сапропеля, фосфорные удобрения (содержат от 5 до 100 мг/кг), он выделяется в атмосферу с выхлопными газами автотранспорта, при плавке руд и сгорании топлива. Основное потребление кадмия промышленностью связано с производством щелочных аккумуляторов и получением различных сплавов. При современном уровне химизации на каждый гектар сельскохозяйственных земель поступает не более 3 г кадмия, что составляет при массе пахотного слоя 3 млн кг 0,001 мг кадмия на 1 кг почвы. ПДК кадмия в почве находится в пределах 1-5 мг/кг воздушно-сухой почвы .

В водоемах кадмий почти исключительно встречается в виде двухвалентного катиона, в виде органических соединений его нет. Токсичность кадмия в водоемах зависит от жесткости воды, кислотности, а также от содержания ионов и металлов. Кальций и магний понижают в жесткой воде токсичность кадмия, а цинк, наоборот, повышает. В первую очередь кадмий попадает в водоемы при поверхностной обработке металлов для защиты от коррозии и при переработке руд, которые не содержат железа. В бытовых сточных водах также может содержаться много кадмия .

Характерной особенностью режима элементов и тяжелых металлов в водоемах замедленного стока является направленность большинства внутри водоемных процессов на образование их труднорастворимых соединений и на седиментацию последних .

Неорганическая адсорбция токсикантов является наиболее эффективным способом уменьшения концентрации металлов в речных водах, причем основную роль играют взвешенные вещества. Донные отложения водоемов являются хранилищем основных запасов соединений тяжелых металлов и, таким образом, потенциальным источником вторичного загрязнения водоема. Общая направленность процессов миграции металлов сверху вниз характерна для всех водоемов замедленного стока и определяет их общую тенденцию к самоочищению водных масс от вносимых в них любым путем соединений тяжелых металлов. Однако следует отметить, что микроэлементы могут поступать в донные отложения не только сверху (из водной толщи), но и снизу, из глубинных слоев самих осадков. В восстановительных условиях это приведет к обогащению водных масс, в окислительных условиях это приведет к образованию трудно растворимых оксидов, что благоприятствует процессам самоочищения водных масс от соединений тяжелых металлов .

Самоочищение, как совокупность биологических, химических и физических процессов, обычно приводит к восстановлению природных качеств воды, однако эффективность этого процесса зависит от концентрации входящих в нее компонентов. Самоочищение водоемов во многом определяется миграционной способностью элементов. К главным термодинамическим факторам миграции относятся: температура, давление, химический состав воды, сорбционные процессы. Адсорбционная способность донных отложений и взвешенных в воде частиц может стать одним из основных факторов, способствующих восстановлению первоначального состава природных вод .

Сорбция на поверхности взвешенных частиц обеспечивается физической адсорбцией, катионным обменом, а также химической адсорбцией, характеризующейся образованием химических ассоциатов между ионами металлов и поверхностью частиц. Наибольшей сорбционной емкостью характеризуются взвешенные вещества с размером частиц от 0,05 мм и менее, которые в условиях высоких скоростей длительное время находятся в русловом потоке и играют определенную роль в межфазовом распределении тяжелых металлов в системе вода - взвешенное вещество .

Опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами сводится к следующему:

Попадая в почву, тяжелые металлы усиливают минерализацию органического вещества, вызывая негативные изменения в почвенно-поглощающем комплексе, вследствие замещения кальция и магния. Сложное влияние они оказывают на биоту почвы и ее ферментативную активность. В ней снижается численность полезных микроорганизмов, увеличивается количество грибов, подавляется активность многих ферментов (пероксидаза, каталаза и др.). Это приводит к деградации плодородия почвы и снижает ее способность к самоочищению;

Проникая в растения, они могут активно участвовать в метаболических процессах, но могут сохраняться и в виде неактивных соединений в клетках и на клеточных мембранах. В результате снижается продуктивность растений и качество продукции, происходят изменения в направленности физиолого-биохимических процессов и реализации генетической программы растений, нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы;

Тяжелые металлы, накапливаясь в растениях, по трофическим цепям с кормом и продуктами питания попадают в организм животных и человека, вызывая различные заболевания. Опасность увеличивается еще и потому, что высшие растения без видимых признаков отравления могут накапливать токсичные для человека и животных концентрации тяжелых металлов. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования превращения тяжелых металлов по всей экологической цепи почва - растение - животное - человек с целью улучшения гигиенического качества продукции и среды обитания человека. Тяжелые металлы могут усваиваться живыми организмами также непосредственно из воды и воздуха .

Причины токсичного действия тяжелых металлов на растения и другие живые организмы, по-видимому, заключаются в следующем:

во-первых, все тяжелые металлы обладают сильным денатурирующим действием и вызывают снижение активности ферментов и других метаболически важных белков клетки: они могут повреждать мембраны клетки, нарушая тем самым их проницаемость;

во-вторых, возможна конкуренция тяжелых металлов с необходимым растению элементом питания, что может привести к дефициту последнего и нарушить нормальный ход метаболических процессов. Так, кадмий замещает цинк, барий и стронций замещают кальций, цезий замещает калий .

Хром не вызывает значительного загрязнения растительных тканей, за исключением специфических участков сброса стоков. Содержания в пресноводных растениях в индустриальных зонах обычно колеблются в пределах до 50 мг/кг сухого веса, а в незагрязненных областях редко превышают 5 мг/кг. Концентрации в морских растениях обычно выше, чем в пресноводных, что отражает более высокую биологическую доступность CrCl6. Поступление хрома в водные растения происходит в основном через корневую систему.

Содержание хрома в организме безпозвоночных на участках загрязнения составляет до 25 мг/кг сухого веса, тогда как в незагрязненных водах - менее 5 мг/кг. В отличие от других металлов хром не концентрируется в тканях каких-либо специализированных органов и равномерно распределяется по организму. Для большинства зоогидробионтов пища является наиболее важным источником хрома. Поглощение его зависит от температуры, и поэтому уровень содержания хрома в естественных популяциях испытывает циклические сезонные колебания . Наибольшая скорость поглощения отмечается для молодых особей, снижаясь с возрастом.

Содержание меди в прикрепленных видах водорослей из загрязненных водных объектов составляет в среднем 10-100 мг/кг сухого веса. Фактор концентрирования (ФК) меди ниже аналогичных коэффициентов, известных для большинства других металлов, в том числе для ртути, кадмия, свинца, цинка, никеля. Возрастая в зонах интенсивного загрязнения, факторы концентрирования могут изменяться от 0,1´103 до > 1´105 как в морских, так и в пресноводных растениях, что во многом зависит от их видовой принадлежности.

Темпы поглощения меди водными растениями зависят от ее первоначального содержания в среде обитания. Хотя сорбция в значительной степени осуществляется в присутствии Na+ и Mg2+, интенсивность поглощения существенно ингибируется ионами Н+. Кроме того, она во многом зависит от вида растений, что и приводит к вариабельности содержания в них меди. Отмечено, что медь способствует увеличению проницаемости клеточных оболочек в водных растениях, что повышает их чувствительность к воздействию других металлов .

В мягких тканях беспозвоночных из загрязненных рек и озер содержание меди колеблется в пределах 5-200 мг/кг сухого веса. Например, в мышцах моллюска Anodonta anatina из реки Темза (Великобритания) обнаружено меди 21-103 мг/кг . Медь не аккумулируется в цепи питания зоогидробионтов. Например, при изучении распределения сульфата меди, добавленного в ирригационный канал в Калифорнии (США), установлено, что его содержание в воде, донных отложениях и сосудистых водорослях составляет соответственно < 0,010, 30-60 и 35 мг/кг сухого веса , а содержание в моллюсках Сorbicula sp. в среднем равно только 13 мг/кг. Максимальные содержания меди характерны главным образом для внутренних органов беспозвоночных, что, возможно, отражает присутствие металлсодержащих протеинов в этих тканях.

Темпы поглощения меди планктонными беспозвоночными зависят главным образом от ее концентрации в воде, а для бентосных видов они отражают уровни содержания в донных отложениях. В зависимости от вида беспозвоночного низкие температуры среды могут уменьшать темпы поглощения. Кроме того, поглощение меди зависит от солености и присутствия других металлов в растворе. Несмотря на многочисленные отклонения, концентрации меди в беспозвоночных, как правило, увеличиваются с возрастом и размером особей.

Высокие концентрации свинца характерны для прикрепленных растений, обитающих в загрязненных водах. Так общее содержание свинца из высших водных растений, собранных из водотоков индустриальных районов Германии, колебалось в пределах 100-5300 мг/кг сухого веса . Фактор концентрирования свинца в системе «вода-растения» обычно изменяется от 5000 до 15000. Имеются сведения, что свинец сорбируется растениями из воды преимущественно в виде твердых частиц, а не в растворенном состоянии. Темпы поглощения зависят от вида растения и усиливаются с ростом концентрации металла в воде. Сорбция снижается по мере увеличения кислотности. Десорбция свинца из растений протекает значительно интенсивнее, чем ртути и кадмия.

Большинство бентосных и планктонных видов беспозвоночных не извлекают свинец из пищи и из воды. Незначительная аккумуляция свинца может иметь место на высоких трофических уровнях. Поскольку пищевые связи организмов в естественных условиях разнообразны, часто трудно определить точный источник поступления свинца в организм, связанный с ним уровень загрязнения и соответственно долю поступающего с пищей металла.

Для многих моллюсков интенсивное накопление свинца наблюдается в органах пищеварительной системы и в раковинах. Связь между размером и возрастом беспозвоночных и содержанием в них свинца часто отсутствует. Для многих беспозвоночных поглощение и выделение свинца из организма находятся в прямой зависимости от концентрации свинца как в донных отложениях, так и в воде.

Концентрация никеля в водных растениях сравнительно невысокое. Так, содержание никеля в бентосных водорослях рек Германии колеблется от 50 до 80 мг/кг сухого веса . Фактор концентрирования «вода-растение» для никеля варьирует от 0,25´103 до 5´103, т.е. ниже, чем для многих других металлов.

Интенсивность поглощения никеля водными растениями увеличивается с ростом его содержания в воде и вследствие применения фосфатов. Большая часть поглощаемого металла проникает глубоко в клетки, тогда как оставшаяся часть свободно сорбируется внешними их оболочками. Как и у других металлов, сорбция никеля растениями снижается в присутствии хелатов. Хотя точный механизм поглощения никеля растениями неизвестен, можно предполагать, что в большинстве случаев имеют место процессы ионного обмена. К ним относятся освобождение кальция и других катионов из клеток растений и последующее замещение их Ni2+. Интенсивность обмена зависит от рН культуры и уменьшается со временем в результате сокращения участков связи.

Поскольку содержание никеля в водорослях и других продуктах питания, как правило, невысокое, сравнительно мало данных и о значимых его концентрациях в пресноводных беспозвоночных. Содержание никеля в мягких тканях моллюска Anodonta anatina из Темзы (Великобритания) колеблется в пределах 0,1-45,9 мг/кг сухого веса . Максимальное содержание никеля в моллюсках из района Садбери составляет 29-39 мг/кг сырого веса . В двустворчатом моллюске Scrobicularia plana из незагрязненных вод Англии достигает 11,9 мг/кг сухого веса . В некоторых других двустворчатых моллюсках из различных незагрязненных и загрязненных районов мира содержится до 0,3-9,5 мг никеля на 1 кг сухого веса . Таким образом, никель не может рассматриваться как существенный и широко распространенный загрязнитель тканей беспозвоночных, за исключением отдельных районов местообитания организмов.

Наиболее высокие содержания никеля характерны для тканей с высокой метаболической активностью. Это почки, пищеварительные органы, а в некоторых случаях внешние скелеты ракообразных. Как правило, уровни содержания никеля в мышцах ниже, чем в других тканях. Поэтому данные об уровнях концентрации этого элемента в мышцах не могут являться основой при биомониторинге качества водной среды.

Интенсивность поглощения цинка растениями невелика и зависит от скорости метаболизма и фотосинтеза, температуры, освещенности и уровня его содержания в водной среде. Сорбция цинка, как правило, подавляется Н+, хелатами и Na+. Предполагается, что только незначительная часть потребляемого водорослями цинка поступает в живые организмы в результате ионного обмена с внутриклеточными полисахаридами . В мертвых водорослях сорбция была интенсивнее, поскольку в живых их представителях ненарушенная структура клеточной мембраны контролирует движение цинка в клетки.

Максимальное содержание цинка характерно для пищеварительной железы и гонад моллюсков, а его концентрация в раковинах, как правило, невысокая.

Концентрации цинка для всего тела возрастают с размером и возрастом беспозвоночных. Отмечена хорошая корреляция между концентрацией цинка в органах и их весом. В природных условиях самые высокие содержания цинка могут наблюдаться в зимнее и весеннее или летнее время года, но нередко сезонные вариации вообще отсутствуют. Указанные различия могут свидетельствовать об изменении условий воспроизводства и о влиянии температуры окружающей среды на интенсивность поглощения цинка. Темпы выведения цинка из тканей беспозвоночных могут значительно варьировать.

1.3 Токсическое действие тяжелых металлов на гидробионты

Непосредственное токсическое действие металлов на водные организмы связано с нахождением этих металлов в ионных формах. Токсичность элементов для гидробионтов иногда на несколько порядков выше, чем для наземных животных, и особенно возрастает в низко минерализованных водах .

К веществам с высокой степенью токсичности относятся Cr3+, Cr6+, Cu (их ПДК для рыбохозяйственных объектов в поверхностных водах 1 мкг/л), а также Pb (его ПДК на порядок выше - 10 мкг/л). Так, например, медь остротоксична для большинства пресноводных и морских беспозвоночных, а также для водных растений. Летальный эффект медной интоксикации проявляется в начальной потере калия, что связано с увеличением проницаемости клеток. Это может приводить к уменьшению выделения кислорода и ассимиляции углерода, т.е. к снижению интенсивности фотосинтеза. Более того, при содержаниях меди ниже 0,05 мг/л отмечается уменьшение объема клеток, а также темпов поглощения азота, углерода, кремневой кислоты.

В определенных условиях летальные концентрации, при которых погибает 50 % особей, находятся в пределах 0,006 - > 225,0 мг/л, хотя, как правило, они менее 0,5 мг/л. Токсичность меди выше в пресноводных системах, нежели в морских, что отражает относительную долю токсичных свободных ионов в воде. Токсичность меди во многом определяется жесткостью воды. Присутствие органических хелатов в водном растворе заметно увеличивает выживаемость организмов. Некоторые виды беспозвоночных могут адаптироваться к высоким концентрациям меди. В целом чувствительность беспозвоночных к меди находится в обратной зависимости от размера или возраста особи. Присутствие в воде комплексообразующих агентов значительно снижает токсичность меди. Эти агенты образуются при разложении веществ, хотя большинство видов водорослей также выделяют комплексообразуюшие лиганды, которые регулируют содержание меди в водной среде. Так как при низких значениях рН в воде увеличивается количество свободных ионов, токсичность меди выше в кислых водах, нежели в щелочных .

Неорганический свинец менее токсичен для водных растений, нежели медь. Острое и хроническое его воздействие проявляется главным образом при концентрациях около 0,1-5 мг/л. Факторы окружающей среды (температура, освещенность, химический состав воды) вероятно, также влияют на токсикологические свойства свинца. Острое воздействие свинца на беспозвоночных наблюдается при концентрациях в воде 0,1-10 мг/л. Некоторые виды водных растений и животных обладают устойчивостью к воздействию свинца. В природных условиях токсичное влияние свинца проявляется редко. В общем случае, токсичность свинца для водных организмов зависит от их толерантной способности и возможной адаптации к его воздействию .

Токсичность хрома (Cr3+, Cr6+) для водных организмов в целом низкая. Степень токсичности для растений определяется кислотностью среды и, следовательно, от доступности свободных и связанных в хелаты ионов. Летальный и хронический эффект отравления хромом проявляется в потере веса и уменьшении размера тела. Может наблюдаться значительное снижение скорости размножения и выживаемости потомства. При увеличении жесткости и солености воды токсичность ионов хрома снижается (главным образом, за счет конкурирующего взаимодействия кальция).

В сходных условиях никель менее токсичен для водных растений, нежели ртуть, медь, кадмий, серебро и таллий, но более токсичен, чем свинец и цинк. Как правило, существенное снижение интенсивности фотосинтеза и темпов роста растений отмечается при содержаниях 0,1-0,5 мг/л. Однако изменения в составе некоторых видов бентосных водорослей отмечаются и при 0,002 мг/л , а при концентрации 700 мг/л у Elodea canadensis интенсивность фотосинтеза снижается на 50 % . Эти различия, несомненно, обусловлены доступностью свободных ионов никеля для растений и присутствием органических и неорганических хелатов в водной среде во время опытов. Таким образом, необходимо тщательно учитывать условия экспериментов, чтобы правильно выделить различные токсические эффекты. Кроме того, чувствительность к воздействию никеля во многом зависит от вида растения.

При совместном влиянии никеля и меди на многие виды растений отмечается синергизм, а при совместном воздействии никеля и кадмия, никеля и цинка, никеля, кадмия и ртути - антагонизм. Так, предварительная обработка водорослей никелем или ртутью снижает токсичность кадмия. Высокая жесткость воды и наличие в воде хелатов также уменьшают токсичность никеля. Многие виды водорослей могут адаптироваться к высоким содержаниям никеля в воде. В отличие от меди предварительное воздействие невысоких концентраций никеля не приводит к развитию у водорослей толерантности.

Для водных беспозвоночных никель является одним из наименее токсичных тяжелых металлов. Как правило, никель менее токсичен, нежели ртуть, кадмий, медь, свинец и серебро, а в зависимости от условий окружающей среды он может быть и менее опасным, нежели цинк, хром и мышьяк. Известны случаи выживания отдельных особей при содержании до 500 мг/л. Восприимчивость к интоксикации не может быть непосредственно связана с таксономическим положением или возрастом беспозвоночного. Следовательно, при биомониторинге могут использоваться беспозвоночные разного вида и возраста.

Острая токсичность никеля может быть снижена при добавлении кальция, магния и других катионов. В целом, антагонизм и синергизм никеля с другими химическими элементами изучены еще недостаточно, тем не менее приведенные выше данные для водных растений могут быть использованы и для беспозвоночных. Хроническое воздействие сублетальных концентраций никеля приводит главным образом к снижению темпов роста организмов .

Токсичность цинка для водных растений весьма различна: доза, при которой погибают 50 % особей, составляет от 0,0075 до 50 мг/л. Эти различия обусловлены способностью многих видов растений адаптироваться к высоким концентрациям цинка в воде. При этом существенное влияние оказывают физико-химические условия среды. В большинстве случаев цинк занимает промежуточное место в токсическом эффекте элементов: меди, ртути, хрома, кадмия, никеля, свинца.

Устойчивость растений к воздействию цинка увеличивается с уменьшением в оболочках клеток участков обмена с окружающей средой. C увеличением содержания в воде кальция, магния и фосфатов токсичность цинка для большинства видов снижается. Токсичность зависит также от кислотно-щелочных условий, контролирующих концентрацию Zn2+ в растворе, а также от присутствия в последнем органических хелатов. При совместном действии цинка и кадмия, а также цинка и меди характерен синергизм. С другой стороны, совместное действие цинка, меди и кадмия по токсическому эффекту может сравниться с действием равной концентрации одного цинка. Конкуренция за места и пути проникновения в растения является одним из механизмов взаимодействия цинка с другими металлами, что во многом определяется присутствием нетоксичных металлов, например марганца .

Острые токсические эффекты цинка для пресноводных беспозвоночных отмечаются редко. Как правило, ртуть, кадмий, медь, хром, никель и мышьяк более токсичны для этих организмов, нежели цинк. В целом молодые особи более чувствительны к воздействию цинка, нежели взрослые. Для пресноводных беспозвоночных LD50 колеблется от 0,2 до 3,5 мг/л. Отмечается чрезвычайно высокая чувствительность или, наоборот, высокая устойчивость к воздействию цинка, что во многом определяется условиями водной среды. Как и в случае других металлов, с увеличением жесткости воды токсическое воздействие цинка на беспозвоночных снижается. Ионы кальция в большей степени снижают токсичность цинка, нежели ионы магния. Таким образом, для правильной оценки промышленного влияния на водные системы необходимо знать ионный состав воды.

Патологические изменения в организмах рыб позволяют определить токсическое воздействие на них водной среды и дать представление о потенциальной опасности воздействия группы веществ, поступающих в водоем. Актуальность выявления неблагоприятного качества воды на основе исследования рыб подтверждается тем, что многие физиологические системы рыб сходны с таковыми у теплокровных животных, и это позволяет прогнозировать отражение последствий присутствия токсикантов в водной среде на человеке. При изучении воздействия загрязнения в природных условиях наиболее удобны бентофаги, которые ведут достаточно оседлый образ жизни. Это позволяет получать аналитический материал по изменению физиологических показателей рыб с привязкой к конкретному району .

Наряду с прямым токсическим действием металлы, обладающие способностью аккумулироваться в телах гидробионтов, обусловливают отдаленные генетические, канцерогенные, гонадо- и эмбриотоксичные последствия . Соотношения концентраций металлов в организмах устанавливались на протяжении всего периода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений приводят к нарушению обменных процессов в живых организмах. Аккумуляция металлов в организмах рыб может в ряде случаев отражать суммарную дозу металлов в водоеме в течение длительного периода (жизненного цикла рыб). В природе геохимическими аномалиями с высокими концентрациями тех или иных элементов обусловлено появление ряда эндемичных заболеваний, а техногенный фактор усиливает эти явления.

4 Токсическое действие тяжелых металлов на человека

Многие тяжелые металлы оказывают вредное воздействие на организм человека, вызывая, тем самым, заболевания различных органов и систем органов. Рассмотрим некоторые тяжелые металлы.

Типичные признаки хронического отравления свинцом - малокровие, кишечные колики, темная «свинцовая кайма» по краям десен. Сублиническое отравление человека свинцом проявляется неспецифическими симптомами: вначале повышенная возбудимость и бессонница, позже утомленность и депрессия. В медицинской практике такое отравление диагностируется часто неверно, иногда его лечат как психическое заболевание. Свинец используется для производства аккумуляторных пластин, обкладок электрических кабелей, защитных экранов от лучей высокой энергии, ряда сплавов. В современном мире основными источниками загрязнения этим металлом окружающей среды является нитроэтилсвинец и тетраметилсвикнец, которые добавляют в бензин в качестве антидетонатора. Более 95 % свинца, содержащегося в атмосфере, поступает с выхлопными газами автомобилей. Примерно половина свинцовой пыли, попав в легкие, остается там, переходит в кровь и откладывается в костях, печени, почках. Свинец, попавший в желудочно-кишечный тракт с пищей, в отличие от свинца, попавшего в легкие, более чем на 90 % выводится из организма.

Свинец не участвует в обменных процессах организма человека и животных и при введении даже очень малых доз накапливается в печени, почках, костях, частично замещает кальций костного скелета, образует комплексы с белками. Токсическое действие его при попадании в организм связано с инактивацией ферментов. Взаимодействуя с сульфогидрильными группами белков, образует устойчивые соединения, блокирующие ферментные системы. Кроме того, он влияет на биосинтез гемоглобина, нуклеиновых кислот и различных гормонов. Около 90-95 % содержащегося в организме человека свинца сконцентрировано в костях, что создает большую опасность хронической интоксикации. Он способен переходить в молоко матери. При потреблении ежегодно не менее 2 г свинца проявляется его канцерогенное действие. Свинец обладает слабой фитотоксичностью, что объясняется его способностью активно реагировать с почвенными компонентами и переходить в трудноусвояемую форму .

Человеческий организм содержит около 0,001 % цинка, причем особенно богаты им зубы, поджелудочная железа, гипофиз, кожа. Суточная потребность человека в этом элементе составляет 15 мг и полностью покрывается обычно пищей. Цинк входит в состав более 80 ферментов человека. Его недостаток вызывает сухость и шершавость кожи, приводит к различным биохимическим нарушениям в организме.

Допустимая норма поступления цинка, по данным Минздрава для взрослых и детей - 50 мг/кг массы человека в сутки. Цинк не токсичен для воды, но при содержании 5 мг/л вода приобретает неприятный вкус .

Наиболее серьезные отравления цинком за рубежом случались с пациентами, подвергаемыми диализу (в отечественной литературе применяется термин гемодиализ - метод лечения почечной недостаточности), когда используемая водопроводная вода контактировала с гальваническим (оцинкованным) железом. В ряде случаев наблюдались тошнота, рвота, лихорадочное состояние. У некоторых пациентов, несмотря на переливание крови, уровень гемоглобина упал до 5,07 г/100 мл. Удаление большей части цинка из воды для диализа решило проблему токсичности. Комитет по пище и сельскому хозяйству совместно с комитетом экспертов по пищевым добавкам Всемирной организации здравоохранения считают максимально допустимым ежедневное поступление цинка 1 мг/кг массы тела. На сегодня эта цифра кажется вполне реальной, но и она может подвергнуться ревизии при поступлении дополнительных сведений.

Нехватка цинка (вместе с другими факторами) способствует развитию болезни бери-бери, издавна известной в странах Дальнего Востока. Больного можно узнать по походке: в начале заболевания он старается ставить ногу на пальцы или на наружный край стопы, щадя пятку, а потом ему приходится пользоваться костылями. С недостатком цинка связан также карликовый рост у животных и растений.

Испокон веков истинным бедствием человечества был диабет, или, как теперь его называют, сахарная болезнь. Сегодня на земном шаре им страдают многие миллионы людей. К сожалению, ему по-прежнему "все возрасты покорны" и число диабетиков каждое десятилетие удваивается. Однако с открытием инсулина - гормона, вырабатываемого поджелудочной железой и снижающего уровень сахара в крови, стало возможным облегчить участь и страдание людей. Присутствует же в инсулине цинк. Однако и они утверждают, что цинк все-таки необходим для образования данного гормона. Очень важен и такой цинксодержащий фермент, как карбоангидраза, с помощью которого происходит удаление углекислого газа, образующегося в процессе тканевого дыхания. По мнению некоторых биохимиков, роль карбоангидразы ничуть не меньшая, чем гемоглобина. К тому же она принимает участие в образовании соляной кислоты желудочного сока, бикарбонатов поджелудочной железы и слюны, а у птиц - в построении яичной скорлупы. Отметим, что в настоящее время из всех биометаллов цинку уделяется, пожалуй, самое большое внимание. Не случайно на одном из последних симпозиумов по обмену микроэлементов треть докладов была посвящена этому металлу .

Присутствие цинка содействует процессу оплодотворения, повышает активность гормонов, связанных с функцией размножения. Количество цинка в организме не остается постоянным, оно увеличивается в период повышенной половой активности и уменьшается при затухании процесса образования половых клеток. Отсутствие цинка препятствует нормальному прикреплению оплодотворенной яйцеклетки к слизистой оболочке матки. Помимо этого, недостаток цинка сопровождается повышенным возбуждением нервной системы, ослаблением процессов торможения, что приводит в дальнейшем к нервному истощению.

Недостаток цинка в организме человека может быть вызван не только низким его содержанием в некоторых продуктах питания, но также интенсивным потовыделением, обусловленным высокой температурой внешней среды, алкоголизмом, хроническими заболеваниями кишечника с нарушением всасывания, беременностью, хирургическими вмешательствами, инфекционными болезнями и тяжелыми ожогами.

Таким образом, цинк играет большую физиологическую роль для живых организмов, в том числе и для растений. Однако в любом случае нельзя допускать его передозировки на кормовых угодьях, так как, передвигаясь по пищевой цепи, он в избыточных количествах будет попадать в организм человека. Выборочные определения показали, что содержание цинка в мясе иногда превышает Допустимые пределы, особенно это касается детского питания .

Медь, как и цинк, является важным компонентом многих ферментов человека, животных и растений. Она участвует в синтезе гемоглобина, развитии костей, функционировании центральной нервной системы. Недостаток этого металла в организме человека снижает образование гемоглобина и приводит к ослаблению памяти .

Смертельной дозой солей меди для человека является 200 мг/кг массы тела. Симптомы острого отравления: тошнота, рвота, головная боль. В тяжелых случаях возможны тахикардия, желтуха и, смерть. Хроническое отравление солями этого металла сопровождается заболеваниями печени и желудочно-кишечными расстройствами. В 12 зерне медь встречается в количестве 0,5-36 мг/кг. Она может накапливаться в семенах гречихи и масличных культур. Допустимая норма поступления, по данным ФАО - 5 мг/кг, по данным Минздрава - 10 мг/кг массы человека в сутки. Повышенное содержание этого загрязнителя в сельскохозяйственных культурах наблюдается при многолетнем применении медьсодержащих фунгицидов. Особенно велико содержание меди в почвах старых виноградников и хмельников.

В обычных условиях человек получает в сутки не более 5 мг меди, главным образом с пищей. Поступление через легкие незначительное. Даже городские жители при ежедневной ингаляции 23 м3 воздуха поглощают при дыхании до 1/02 мг меди в сутки. Потребность в ней взрослого человека обычно составляет 1,5-3 мг. И только при напряженной мышечной деятельности поступление меди не может быть меньше 4-5 мг. Большая часть этого элемента поступает в печень. Экскреция (выделение) меди у человека и животных происходит главным образом через кишечник. Через почки с мочой выделяется всего лишь около 4 % этого элемента .

Сегодня известно около 30 белков и ферментов, в которых обнаружена медь. И похоже, что их количество возрастет в ближайшем будущем. Не выдержав состязания с железом в качестве переносчика кислорода в крови животных и человека, она все же осталась незаменимой при кроветворении. Интересно, что серое вещество мозга правого и левого полушарий содержит различное количество меди. Левое полушарие у человека заметно активнее и содержит больше биологически активных веществ. Оно контролирует речь. Правое полушарие ответственно за координацию и пространственное перемещение. О взаимосвязи между железом и медью говорит такой факт. У доноров, например, многократно сдающих кровь, отмечается повышенное содержание меди. Такая же зависимость проявляется и при значительных кровопотерях. Это навело медиков на мысль, что при лечении заболеваний, обусловленных недостатком железа, необходимо применять и препараты меди. Дефицит ее соединений может приводить к ишемической болезни сердца и атеросклерозу. Медь, обладая противовоспалительным свойством, смягчает проявление таких заболеваний; как ревматоидный артрит.

Однако высокая ее концентрация может привести к нарушению функции центральной нервной системы со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Значительное количество этого металла, попавшего в желудочно-кишечный тракт, разрушает нервные окончания и вызывает рвоту. При хронической интоксикации у человека поражаются зубы, слизистая рта, желудок (гастриты, язвенная болезнь) и периферическая нервная система по типу пояснично-крестцового радикулита. Сообщается также о снижении содержания гемоглобина и нарушении тканей печени, почек и мозга. Кроме того, подавляется активность ряда ферментов и усиливается проницаемость эритроцитов, что неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности организма .

Широкое применение меди в промышленности обуславливает ее опасность для здоровья. Отравления медью обычно связаны со случайной передозировкой инсектицидов или других токсических солей меди, вдыханием порошка металла, заглатыванием медьсодержащих растворов и потреблением кислотных напитков, хранящихся в медной таре или протекающих по трубам из медьсодержащего материала. Судя по экспериментам с лабораторными животными, твердые оксиды меди менее токсичны, чем растворимые ее соли (сульфаты, нитраты, карбонаты и др.) .

Первые сведения о токсичности никеля были опубликованы за рубежом в 80-е гг. прошлого столетия. Количество случайных отравлений никелем значительно снизилось, и сейчас они практически не регистрируются. Токсичность растворимых солей никеля гораздо выше, чем самого металла. Хронические отравления рабочих никелевого производства характеризуются общетоксическим действием, которое выражается в головных болях, одышке, понижении аппетита, вегетативных расстройствах с артериальной гипотонией, гастритах, изменениях со стороны сердечной мышцы. Помимо общетоксических эффектов, хроническая интоксикация приводит к заболеваниям носоглотки, легких и появлению злокачественных образований. Вместе с тем, по утверждению американских специалистов, недостаток никеля приводит к шизофрении.

В непосредственной связи с сильным загрязнением внешней среды рассеянными металлами, в частности никелем, находится недавно описанное в Японии новое заболевание - смон. Симптоматика его такова: боли в животе, нарушение чувствительности, паралич и уменьшение остроты зрения. Распространение его в Японии обуславливается широким использованием фармакологических препаратов, применяемых для лечения инфекционных заболеваний, способствующих лучшему усвоению никеля из кишечника и повышению его уровня в различных тканях.

Может иметь место и профессиональная астма. По сравнению с кобальтом никель более сильный аллерген. Сверхчувствительны к нему женщины, поскольку их кожа подвержена заболеваниям в виде дерматитов и экзем. Но по зарубежным данным, дело здесь не в повышенной чувствительности, а в том, что прекрасный пол чаще контактирует с никельсодержащими предметами в быту. На лабораторных животных установлена мутагенность никеля, хотя она намного слабее, чем у хрома (VI). Животные, бывшие в контакте с никелем, больше подвержены инфекционным заболеваниям.

Загрязнение продуктов питания никелем в результате коррозии никелированного пищевого оборудования или бытовых предметов практически не наблюдается. Применение никелевых катализаторов при гидрировании растительных масел (присоединение водорода) незначительно увеличивает содержание этого металла в продукте. Поэтому повышенная концентрация никеля возможна лишь в пищевых продуктах, загрязненных богатой им хозяйственно-питьевой или оросительной водой .

Содержание кадмия в организме человека составляет 10-4 % от массы. Он концентрируется в почках, печени и костной ткани. Биологическая роль кадмия заключается в регулировании обмена сахара в крови. При избыточном поступлении в организм он, в силу высокой химической активности, замещает кальций в костной ткани, при этом кости становятся непрочными и крошатся. Повышенное содержание этого металла в пище приводит к массовому заболеванию зубов у детей. Кадмий может замещать кальций в ферментах и разрушать эритроциты. Он обладает канцерогенным и мутагенным действием. Тяжелое отравление вызывается сотыми долями грамма соединений кадмии, принятая внутрь повышенная доза (30-40 мг) уже оказывается смертельной. Кадмий выводится из организма очень медленно (0,1 % в сутки), единовременное отравление может перейти в хроническое. Для острых отравлений обычен более или менее длительный скрытый период. Начальными признаками токсикоза являются сухость слизистых оболочек, сладкий вкус во рту, головная боль в области неба, белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах, снижение обоняния и так называемая «кадмиевая кайма» - золотистое окрашивание десен в области зубных шеек. К сожалению, вещество почти невозможно изъять из природной среды. Металл все больше накапливается в ней, а потому и попадает разными путями в пищевые цепи человека и животных. Дело еще и в том, что кадмий легко переходит из любого типа почв в растения, последние поглощают его из почвы (до 70 %) и из воздуха (до 80 %).

Женщины более подвержены кадмиевому отравлению, чем мужчины, зато у курильщиков в организме больше кадмия, чем у некурящих (в одной сигарете содержится примерно 2 мг кадмия). Табак угнетает иммунную систему, снижает сопротивляемость человеческого организма по отношению к ядам, в том числе и к тяжелым металлам. Предполагается, что кадмий концентрируется в протеиновой части растении, поэтому, в отличие от других тяжелых металлов, он в больших количествах может накапливаться и в генеративных органах. Эту сторону проблемы необходимо учитывать при производстве пищевых продуктов .

2. Объект, программа и методика исследований

1 Объект и программа исследований

Исследования проводились на 5 водоемах, расположенных на территории г. Гомеля. Обследуемые водоемы отличаются различным гидрологическим режимом. Озеро Малое и Круглое является полностью замкнутыми непроточными водоемами. Незначительным водообменом характеризуется озеро У-образное. Имеющее выход в р. Сож озеро Любенское обладает неодинаковой степенью проточности в зависимости от сезона, который достигает своего максимума во время половодий.

Объектом исследований явились поверхностные воды водоемов города Гомеля, которые по антропогенному воздействию можно разделить на следующие группы:группа: водоемы промышленных зон города.

) Озеро Малое подвержено влиянию предприятий Северного промузла. Расположено в районе троллейбусного парка №1. Недалеко находится железная дорога и автодром.

) Озеро У-образное находится на незначительном расстоянии от микрорайона "Волотова". Вблизи проходит автотрасса и располагаются новостройки микрорайона "Мельников луг".группа: водоемы городских зон отдыха.

) Озеро Любенское - расположено в Любенском микрорайоне, приспособлено человеком для проведения культурно-массовых и спортивных мероприятий.группа: водоемы, принимающие сточные воды.

) Озеро Круглое принимает стоки завода "Электроаппаратура".

В качестве контрольного водоема, не испытывающего техногенного влияния городской среды, был выбран старичный комплекс реки Сож, находящийся в окрестности д. Поляновка (Ветковский район, Гомельской области).

Программа исследований включала количественный анализ в пробах воды следующих металлов: хром, свинец, медь, цинк, никель.

Задачами исследований являлось:

Теоретическое изучение проблемы по литературным источникам и ознакомление с методикой исследований;

Отбор и подготовка проб воды к анализу;

Определение содержания микроэлементов в пробах воды;

Статистическая обработка полученных результатов.

Формулировка выводов.

Оформление дипломной работы.

2 Методика отбора и хранения проб, подготовка проб к анализу, метод анализа

Пробы воды в каждом водоеме отбирались один раз в квартал в течение года в полиэтиленовые емкости.

В ходе подготовки проб воды для количественного анализа на содержание ионных форм микроэлементов осуществлялось отделение взвешенных компонентов посредством фильтрации через бумажный беззольный фильтр «синяя лента».

Содержание элементов в подготовленных пробах определялось при помощи метода эмиссионного спектрального анализа, позволяющего определить в одной пробе несколько элементов одновременно. Его достоинствами являются многоэлементность определения, доступность и надёжность оборудования, осуществление анализа по единой методике. Метод предназначен для определения микроколичеств сурьмы, марганца, свинца, железа, висмута, алюминия, молибдена, олова, кадмия, меди, цинка, серебра, кобальта, никеля.

3 Методы статической обработки результатов исследований

В качестве основного статистического параметра совокупности данных использовалось среднее арифметическое ряда вариант:

х1, х2.... хn - частные значения вариант;- число вариант.

Показатели вариации экспериментальных данных оценивались по следующим критериям.

Стандартного отклонение:

где - среднее значение ряда вариант;

хi - частные значения вариант;- число вариант.

Точность прямого измерения (доверительный интервал):

где ea - точность прямого измерения;a - критерий Стьюдента;- стандартное отклонение;- число вариант.

Коэффициент вариации:

где V - коэффициент вариации;- стандартное отклонение;

Среднее значение ряда вариант.

Анализ сопряженности вариабельности двух рядов данных X и Y основывался на вычислении парного коэффициента корреляции.

где r - коэффициент парной корреляции;- число вариант;

хi - частные значения вариант ряда X;

Среднее значение ряда вариант ряда X;- частные значения вариант ряда Y;

Среднее значение ряда вариант ряда Y;и Sy - стандартные отклонения рядов X и Y .

Расчет статистических параметров производился с использованием программного обеспечения ПЭВМ.

3. Результаты исследований и их обсуждение

В последние годы в связи с прогрессирующим загрязнением водоемов различными токсичными веществами, а также ростом хозяйственно питьевого и промышленного водопотребления проблеме «чистой» воды уделяется большое внимание .

Содержание тяжелых металлов в водоемах г. Гомеля определяется разнообразным количеством факторов. Под факторами формирования химического состава природных вод понимают причины, обусловливающие течение разнообразных процессов, которые вызывают изменения минерализации и химического состава воды. Эти факторы разделяются на физико-географические, физико-химические, физические, биологические и искусственные. Уровень концентрации тяжелых металлов может также зависеть от антропогенной нагрузки на водоем.

Анализируя полученные данные, по содержанию тяжелых металлов в воде водоемов, было отмечено значительное варьирование как в пределах одного водоема, так и в различных исследуемых водоемах города Гомеля (таблица 1).

Из данных таблицы 1 видно, что содержание свинца максимально в оз. Любенское (13,1 мкг/л). Такая высокая концентрация данного химического элемента возможно связано не только с аэральным поступлением свинца в водоем, но и с локальными источниками, в частности с несанкционированными сбросами. Так как данное озеро со всех сторон окружено автотрассой, вблизи находится автобусная остановка, известно по данным многих авторов, что свинец может также поступать в воздух при стирании резины в виде микрочастиц, содержащий данный химический элемент, а также при сгорании топлива выделяется большое количество данного металла . Второе место по загрязненности данным металлом занимает оз. Малое (10,3 мкг/л). На третьем месте находится оз. Круглое (10,0 мкг/л). Минимальная концентрация изучающего металла была отмечена в оз. У-образное (8,2 мкг/л), хотя водоем, как и оз. Любенское, испытывает значительную нагрузку от автотрассы, не исключаются и локальные сбросы. Стоит предположить, что данное озеро обладает высокой способностью к самоочищению от данного металла. Предположим, что сложились также условия, в частности окислительно-восстановительных процессов, а также соосаждения, позволяющие перевести данный металл в устойчивые комплексы или осадки, которые переводят данный металл в донные отложения. Возможно, что данный металл поступает аэрально в очень малых количествах.

ВодоемОценочный показательКонцентрацияСвинецМедьХромЦинкНикельОз. МалоеСреднее10,311,44,0142,16,1Мин.- макс.2,3 15,02,0 60,00,9 7,78,0 357,00,1 16,1Оз. УобразноеСреднее8,213,44,0154.36.2Мин.- макс.1,0 14,02,0 50,01,1 10,510,0 500,00,8 20,0Оз. ЛюбенскоеСреднее13,117,47,051,07.0Мин.- макс.3,5 21,92,0 70,02,3 8,78,0 278,00,6 11,7Оз. КруглоеСреднее10,011,04,0100,39,1Мин.- макс.3,0 17,02,0 50,01,0 11,79,0 308,00,6 21,4Контрольный водоемСреднее8,38,18,096,318,5Мин.- макс.1,3 18,33,0 13,10,2 23,36,0 375,00,8 91,8ПДК объекты культурно-бытового пользования 30100500(Cr3+) / 50(Cr6+)1000100ПДК объекты рыбохозяйственного назначения 10015(Cr3+) / 1(Cr6+)1010

Анализ полученных данных выявил, что при изучении концентрации свинца наблюдалось варьирование минимальных и максимальных показателей во всех изучаемых водоемах. Наибольшее варьирование наблюдалось в контрольном водоеме, его максимальное содержание превышает минимальный показатель в 14,1 раз. Такой широкий размах колебаний между максимальным и минимальным показателями может зависеть от температуры окружающей среды, от антропогенного воздействия, от влажности и других физико-химических факторов . В то время, как минимальное варьирование наблюдалось в оз. Круглое, его максимальное содержание превышает минимальный показатель только в 5,7 раз. В оз. Малое, оз. У-образное и оз. Любенское наблюдалось незначительное колебание концентрации свинца, по сравнению с контрольным водоемом. Среднее значение составило 6,5 раз, 14 раз и 6,3 раз, соответственно.

Сравнивая максимальный показатель контрольного водоема, по содержанию свинца, с изучаемыми водоемами отмечено, что оз. Любенское превышает концентрацию свинца в 1,2 раза. В оз. Малое, оз. У-образное и оз.Круглое не наблюдалось превышение концентрации свинца по отношению к контрольному водоему.

Изучая концентрацию меди в воде водоемов, было выявлено, что содержание данного элемента, также как и свинца максимально в оз. Любенское (17,4 мкг/л). Возможно, что на такое большое содержание меди в водоеме повлияли те же факторы, что и для свинца. Второе место по загрязненности данным металлом занимает оз. У-образное (13,4 мкг/л). На третьем месте оз. Малое (11,4 мкг/л). В тоже время минимальное содержание данного химического элемента наблюдалось в контрольном водоеме (8,1 мкг/л).

Из полученных данных видно, что при изучении меди наблюдалось значительное варьирование внутри водоемов, по сравнению с другими изучаемыми металлами. Высокое варьирование меди между минимальным и максимальным показателями наблюдалось в оз. Любенское, его максимальное содержание превышает минимальный показатель в 35 раз. Минимальное варьирование внутри водоема наблюдалось в Контрольном водоеме, его превышение составило только в 4,4 раз.

В оз. Малое, оз. У-образное и оз. Круглое наблюдалось незначительное колебание меди, по сравнению с оз. Любенское. Среднее их значение составило 30 раз, 25 раз и 25 раз, соответственно.

Сравнивая максимальный показатель контрольного водоема, по содержанию меди, с изучаемыми водоемами отмечено, что оз. Любенское превышает концентрацию меди в 5,3 раза, оз. Малое - в 4,6 раза, оз. У-образное и оз. Круглое - в 3,8 раз.

При изучении концентрации хрома было установлено, что высокая его содержание находится в контрольном водоеме (8,0 мкг/л). Возможно, это связано с несанкционированными сбросами, а также коммунальные сточные воды дают определенный вклад в распространение данного химического элемента. Низкое содержание хрома наблюдалось в оз. Малое, оз. У-образное и оз. Круглое (в среднем 4,0 мкг/л). Это свидетельствует о том, что возможно, данный металл не содержится в загрязненных воздушных массах близлежащих предприятий, а также с тем, что данные озера менее подвержены антропогенному воздействию.

Анализируя полученные данные, по изучению концентрации хрома, по сравнению с другими изучаемыми водоемами, наблюдается варьирование минимального и максимального показателей внутри водоемов. Наибольшее колебание наблюдается в контрольном водоеме, его превышение максимального показателя над минимальным составило в 117 раз, а наименьшее колебание наблюдалось в оз. Любенское - превышение только в 3,8 раз. В оз. У-образное, оз. Малое и оз. Круглое наблюдалось незначительное колебание, по сравнению с контрольным водоемом (превышение в 9,5 раз; 8,6 раз; 11,7 раз, соответственно).

Сравнивая максимальный показатель контрольного водоема, по содержанию хрома, было отмечено, что изучаемые водоемы не превышают максимального показателя.

При изучении концентрации цинка было выявлено, что концентрация элемента максимальна в оз. У-образное (154,3 мкг/л). Такое высокое содержание данного химического элемента возможно связано с несанкционированными сбросами, сжиганием древесины, резины и бытовых отходов. Так как данное озеро со всех сторон окружено автотрассой, вблизи находится автобусная остановка, известно, по данным многих авторов, что цинк может также поступать в воздух при стирании резины в виде микрочастиц, содержащий данный химический элемент, а также при сгорании топлива выделяется большое количество данного металла. Второе место по степени загрязненности занимает оз. Малое (142,1 мкг/л). На третьем месте стоит оз. Круглое (100,3 мкг/л/). Минимальная концентрация цинка наблюдалась в оз. Любенское (51,0мкг/л), в то время как в данном озере наблюдается максимальное содержание свинца и меди. Стоит предположить, что данное озеро обладает высокой способностью к самоочищению от данного металла. Также можно предположить, что сложились условия, в частности окислительно-восстановительных процессов, а также соосаждения, позволяющие перевести данный металл в устойчивые комплексы или осадки, которые переводят этот металл в донные отложения. Возможно, что цинк поступает аэрально в очень малых количествах.

В ходе полученных данных, при изучении цинка, было отмечено варьирование минимальных и максимальных показателей во всех изучаемых водоемах. Значительное колебание наблюдалось, также как и для хрома, в контрольном водоеме, его максимальное накопление превышает минимальный показатель в 62,5 раз. В то время как минимальное варьирование наблюдалось в оз. Круглое - превышение только в 34,2 раза. Незначительное колебание, по сравнению с контрольным водоемом, наблюдается в оз. Малое, оз. У-образное и оз. Любенское (превышение только в 44,6; 50,0; 38,4 раза).

Сравнивая максимальный показатель контрольного водоема, по содержанию цинка, было отмечено, что изучаемые водоемы не превышают максимального показателя.

При изучении концентрации никеля было выявлено, что содержании данного химического элемента, также как и хрома, максимальна в контрольном водоеме (18,5 мкг/л). Возможно, что поступление никеля в поверхностные воды связано с антропогенным воздействием, также с тем, что данный металл может поступать с пылевыми частицами, с продуктами сгорания дизельного топлива, с удобрениями. Большая концентрация данного металла содержится и в донных отложениях. Второе место по степени загрязненности занимает оз. Круглое (9,1 мкг/л). На третьем месте стоит оз. Любенское (7,0 мкг/л). Минимальная концентрация цинка наблюдалась в оз. Малое (6,1 мкг/л). Стоит предположить, что сложились условия окислительно-восстановительных процессов, а также соосаждения, позволяющие перевести данный металл в устойчивые комплексы или осадки, которые переводят металлы в донные отложения. Возможно, что данный металл поступает аэрально в очень малых количествах.

Анализируя полученные данные, по изучению концентрации никеля, по сравнению с другими изучаемыми водоемами, наблюдается варьирование минимального и максимального показателей внутри водоемов. Наибольшее колебание наблюдается в оз. Малое, его превышение максимального показателя над минимальным составило в 161 раз. В оз. Любенское наблюдалось наименьшее варьирование, превышение только в 19,5 раз. Следует отметить, что в оз. У-образное, оз. Круглое и контрольном водоеме наблюдалось незначительное колебание максимальных и минимальных показателей - превышение только в 25; 35,7 и 114,8 раз, соответственно.

Сравнивая максимальный показатель контрольного водоема, по содержанию никеля, с изучаемыми водоемами было отмечено, что оз. Малое превышает концентрацию никеля в 1,4 раза. В оз. Любенское, оз. У-образное и оз. Круглое не наблюдалось превышение концентрации данного металла по отношению к контрольному водоему.

В целом, по средним значениям содержания элементов в воде города Гомеля было отмечено, что максимальный показатель среднего содержания характерно для цинка (108,8 мкг/л), а минимальный показатель среднего содержания - для хрома (5,4 мкг/л).

В отличие от абсолютного содержания микроэлементов, более информативным показателем загрязненности водоема является кратность содержания тяжелых металлов по отношению к их предельно допустимым концентрациям (ПДК). В таблице 2 указаны уровни превышения предельно допустимых концентраций металлов (ПДК) в воде, принятых для объектов рыбохозяйственного назначения. Расчет производился по следующей формуле:

Уровень превышения (раз) = Концентрация металла в воде (мкг/л)(6)ПДК (мкг/л)

Таблица 2 - Уровень превышения нормативных уровней концентрации микроэлементов в водоемах г. Гомеля

ВодоемУровень превышения ПДК, разСвинецМедьХромЦинкНикельОз. Малое0,10311,40,814,210,61Оз. У-образное0,08213,40,815,430,62Оз. Любенское0,13117,41,45,10,70Оз. Круглое0,1011,00,810,030,91Контрольный водоем0,0838,11,69,631,85

Величина этого параметра представляет собой кратность превышения ПДК элементом-загрязнителем.

Как показали проведенные исследования, для большинства изученных тяжелых металлов наблюдалось определенное превышение их содержания в воде относительно ПДК в рыбохозяйственных объектах. Исключение составил свинец: его концентрация значительно ниже предельно допустимых показателей в 8-13 раз в изучаемых водоемах.

Изучая предельно допустимую концентрацию (ПДК) в рыбохозяйственных объектах в отношении хрома необходимо отметить, что незначительное превышение его ПДК (в 1,4 и 1,6 раза) наблюдалось в оз. Любенское и в контрольном водоеме, соответственно. Что касается оз. Малое, оз. У-образное и оз. Круглое, следует сказать, что их вода не превышает допустимых норм.

Следует сказать, что при изучении предельно допустимых концентраций никеля наблюдалось незначительное превышение его в 1,85 раз в контрольном водоеме. Что касается оз. Малое, оз. У-образное, оз. Любенское и оз. Круглое, следует сказать, что их вода не превышает предельно допустимых норм.

В отношении меди и цинка необходимо отметить, что в целом для них были определены достаточно высокие уровни загрязненности во всех обследованных водоемах (превышение ПДК в 5-17 раз), в том числе и в старом русле р. Сож (Ветковский район), находящемся за пределами г. Гомеля, вне зоны антропогенного воздействия. При этом наиболее существенное загрязнение воды этими металлами наблюдалось в озерах Любенское (медь), У-образное (цинк).

Анализируя полученные данные можно установить следующую последовательность металлов по количеству в воде водоемов: Zn (108,8 мкг/л) > Сu (12,3 мкг/л) > Pb (10,0 мкг/л) > Ni (9,4 мкг/л) > Cr (5,0 мкг/л).

Стоит обратить внимание на высокое содержание цинка, так как он остро токсичен для большинства пресноводных и морских беспозвоночных, а также для большинства водных растений. У человека при отравлении цинком появляются раздражительность, ноющие боли в мышцах, тошнота, поражаются легкие, слизистая оболочка глаз, нарушаются вкусовые ощущения.

А также можно установить последовательность водоемов по их загрязнению данными металлами: оз. У-образное > оз. Малое > контрольный водоем > оз. Круглое > оз. Любенское.

Также следует обратить внимание на загрязнение тяжелыми металлами в оз. У-образное, так как данное озеро не принимает стоки и относится к городским зонам отдыха.

Для суммарной оценки общего уровня загрязненности того или иного водоема тяжелыми металлами и для возможного выявления антропогенного источника загрязнения наиболее целесообразно использовать интегральный суммарный показатель техногенного воздействия, представляющий собой сумму отношений концентрации металлов в воде обследуемого водоема к концентрации этих же металлов воде индикаторного водоема, находящегося вне зоны влияния:

гдеZсум суммарный показатель техногенного воздействия;концентрация металла в воде обследуемого водоема;фон концентрация металла в воде индикаторного водоема;количество нормируемых металлов.

Загрязнение констатируется, когда степень накопления тяжелых металлов в объектах превышает их фоновые значения в 1,5-2,0 раза . В качестве водоема сравнения с фоновым содержанием металлов в воде нами была выбрана старица р. Сож возле д. Поляновка, Ветковского района Гомельской области. Гистограмма, представленная на рисунке 2, отражает рассчитанные значения Zсум для каждого обследованного нами водоема.

При оценке общего уровня загрязнения поверхностных вод исследованных водоемов тяжелыми металлами с помощью суммарного показателя техногенного воздействия установлено, что максимальный уровень загрязнения тяжелыми металлами в соответствии с данным показателем отмечен в воде оз. Любенское. Здесь основными загрязнителями являются медь и свинец: их концентрации в водах превышают таковые в индикаторном водоеме соответственно в 2,15 и 1,58 раза. Для остальных элементов загрязнение ниже допустимого уровня.

Следует отметить, что концентрация меди во всех изучаемых водоемах превышает показатели контрольного водоема.

Рисунок 2 - Суммарный показатель загрязненности воды тяжелыми металлами Zсум озерных водоемов г. Гомеля

Одним из главных поллютнтов для оз. Малое, кроме меди, является и цинк, где определен довольно высокий уровень суммарного показателя загрязненности (кратность степени загрязненности вод озера медью и цинком относительно индикаторного водоема соответственно 1,4 и 1,48 раза). Также данное озеро, как и оз. Любенское, загрязнено свинцом и превышает показатели контрольного водоема в 1,24 раза.

Довольно нестабильная ситуация по загрязненности тяжелыми металлами отмечена также и для оз. У-образное, которое характеризуется низким водообменном. Здесь, как и в большинстве водоемов, главным поллютантом является медь и цинк: их накопление превышает контрольный водоем в 1,65 и 1,6 раза, соответственно. Для остальных элементов загрязнение ниже допустимого уровня.

Схожая ситуация по значениям суммарного показателя техногенного воздействия наблюдалась в оз. Круглое. В этом водоеме, также как и для оз. Малое, основными загрязнителями выступают медь, свинец и цинк (превышение относительно контрольного водоема в 1,36; 1,2 и 1,04 раза, соответственно).

Необходимо отметить, что уровень содержания хрома и никеля во всех обследованных водоемах не превышает показатели контрольного водоема.

Таким образом, ряд основных металлов-загрязнителей поверхностных вод большинства водоемов на территории г. Гомеля составляют (в порядке убывания) медь, свинец, цинк, причем наиболее экстремальные концентрации этих элементов наблюдаются в отношении непроточных объектов и водоемов с замедленным водообменом.

Так, согласно значениям суммарного показателя загрязнение медью можно констатировать во всех изученных водоемах, где наблюдается превышение ее содержания относительно фона в 1,4-2,15 раза. Загрязненность свинцом отмечена практически во всех водоемах, исключение составляет оз. У-образное.

В то же время, загрязнение цинком отмечено для воды оз. Круглое, оз. Малое и У-образное.

загрязнение водоем тяжелый металл

3.2 Сезонная и годовая динамика содержания тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля и окрестностей

При мониторинговых исследованиях изучения основных закономерностей поступления и поведения микроэлементов в городских водоемах, а также загрязненности водоемов тяжелыми металлами особое значение имеет анализ сезонной динамики содержании микроэлементов в поверхностных водах, так как именно этот параметр отражает особенности поступления тяжелых металлов и характер водообмена водоемов г. Гомеля в течение года.

В результате проведенных исследований установлено, что концентрации химических элементов в изученных водоемах обладают незначительной сезонной изменчивостью, однако ее характер существенно различается для различных элементов (табл. 3). Для анализа были выбраны следующие озера: Круглое - принимает стоки завода "Электроаппаратура", Малое - испытывает антропогенное воздействие, подвержено влиянию предприятий Северного промузла, Любенское - относится к городским зонам отдыха, У-образное - находится на незначительном расстоянии от микрорайона "Волотова", не принимает стоки и имеет высокое загрязнение донных отложений, контрольный водоем - не испытывающий техногенного влияния городской среды, находящийся в окрестности д. Поляновка (Ветковский район, Гомельской области).

Анализируя таблицу 3 можно отметить, что в таких сезонах, как осень-зима-весна динамика накопления свинца во всех изучаемых водоемах находится практически в одинаковых пределах. Следует отметить, что данный металл существенно снижает свою концентрацию в летний период. Возможно, это связано с тем, что летом выпадает большое количество атмосферных осадков (дождей), которые разбавляют концентрацию данного металла.

Что касается меди, необходимо сказать, что ее концентрация в оз. Малое и оз. Круглое в зимний период находится в максимальном количестве. Возможно, что в зимний подледный период при появлении кислородного дефицита в придонных слоях воды резко увеличивается значимость процессов десорбции на границе вода-донные отложения, которые многократно увеличивают концентрации ряда элементов. Исследования показали, что в этот процесс вовлекается большой спектр металлов. В придонных слоях, например, концентрации никеля, молибдена, хрома, мышьяка увеличиваются до 10, а концентрации свинца, меди, ртути - до 5 раз . Процессы десорбции металлов зимой в условиях евтрофирования играют главную роль в формировании дозы воздействия металлов на донную фауну, и это необходимо учитывать.

Очевидно, что также возможно поступление большого количества взвешенного материала, содержащего металлы, во время весеннего снеготаяния при смыве почвенных частиц талыми водами и при береговой эрозии. Вследствие воздушного загрязнения территории городов на снежный покров оседает значительное количество поллютантов. В дальнейшем наблюдается существенное снижение содержания микроэлементов в воде.

В оз. У-образное, оз. Любенское и контрольном водоеме максимальное количество меди отмечается, так же как и для свинца, в осенний период. А что касается минимального содержания данного металла, то оно находится в оз. У-образное в летний период.

Анализируя концентрацию цинка, необходимо отметить, что его максимум определен в оз. Малое, оз. Круглое, оз. У-образное и оз. Любенское в зимний период. Что касается контрольного водоема, то максимальное содержание данного металла наблюдается осенью. Минимум для цинка находится летом в контрольном водоеме.

В то же время, для хрома характерно незначительное превышение его концентрации в озерах Малое, У-образное и Любенское в зимний период. Возможно, данный факт в определенной мере подтверждает вероятное загрязнение данными металлами поверхностных вод. А в осенний период наблюдается увеличение в таких озерах как Круглое и контрольный водоем.

Отметим оз. Круглое, так как в нем наблюдается наименьшая концентрация данного метала.

В целом, для свинца и меди, характерен схожий характер их сезонной динамики накопления тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля: снижение содержания летом и повышение осенью. Однако цинку в целом присущ более широкий размах колебания его концентрации в течение года.

Для цинка и хрома также характерен схожий характер их сезонной динамики накопления тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля: снижение содержания весной и летом и повышение зимой.

Таблица 3 - Сезонная динамика накопления тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля в мкг/л

ВодоемСезонКонцентрация СвинецМедьЦинкХромОз. Малое Осень1,30,080,50,006Зима1,220,140,670,013Весна1,270,0480,310,003Лето0,130,0050,0470,006Оз. КруглоеОсень1,20,0060,310,049Зима1,210,020,480,011Весна1,210,0120,130,001Лето0,020,010,050,007Оз. У-образноеОсень1,40,070,510,004Зима1,240,0220,560,018Весна1,360,0150,280,002Лето0,0080,0020,020,004Оз. ЛюбенскоеОсень1,40,0250,370,006Зима1,210,0230,450,015Весна1,190,0160,090,003Лето0,0090,0040,020,006Контрольный водоемОсень1,41,020,380,023Зима1,230,0050,210,016Весна1,310,010,250,003Лето0,0020,0030,010,002

С целью определения многолетней динамики накопления тяжелых металлов в городских водоемах изучалось их содержание в поверхностных водах в течение 3-х лет: с 2000 по 2002 гг. Анализ полученных данных показал (табл. 4), что изученные микроэлементы имеют различные тренды накопления в поверхностных водах в течение рассмотренного периода.

В частности, при изучении концентрации тяжелых металлов, нормированной относительно контрольного показателя (% от контроля) для свинца и цинка характерно однонаправленное увеличение данного показателя за все время проведения эксперимента. Данная тенденция может свидетельствовать об увеличении внешнего поступления данных элементов с течение времени, в том числе и за счет антропогенной нагрузки. Противоположная направленность динамики накопления отмечена для меди: ее содержание однонаправлено снижается (в 6 раз) с 2000 по 2002 год. В отношении хрома необходимо отметить, что максимальная его концентрация приходится на 2001 год, в котором наблюдалось весьма существенное увеличение его содержания в 4 раза, по сравнению с исходным уровнем в 2000 году. Также следует отметить, что и в 2002 году концентрация хрома превышала в 3 раза, по сравнению с начальным вариантом в 2000 году.

Таблица 4 - Многолетняя динамика накопления тяжелых металлов в поверхностных водах водоемов г. Гомеля в мкг/л

ВодоемГод наблюде- НийКонцентрация СвинецМедьЦинкХромВодоемы г.Гомеля18,239171,13,8Контрольный водоем17,912,2197,523,0% от контроля1103,8319,886,616,5Водоемы г.Гомеля210,47,2109,44,5Контрольный водоем28,77,599,07,5% от контроля2119,596110,560Водоемы г.Гомеля311,54,653,33,1Контрольный водоем37,88,428,06,3% от контроля3147,454,8190,449,2

В приложении А (табл. 5) показана многолетняя динамика накопления тяжелых металлов в поверхностных водах каждого из изученных водоемов.

В оз. Малое наблюдается снижение концентрации практически всех тяжелых металлов, за исключением свинца, содержание которого наоборот возрастает на протяжении всего эксперимента. Следует отметить, что особенно резкое понижение содержания отмечено для меди на 2-й год исследования (в 6 раз).

В то же время, в оз. Круглое выявлена аналогичная тенденция уменьшения концентрации тяжелых металлов, однако здесь наряду со свинцом исключение составляет также и хром. На второй год исследования наблюдается некоторое снижение содержания меди и дальнейшее возрастание данных показателей на третий год наблюдений.

Весьма схожая динамика содержания тяжелых металлов характерна и для оз. У-образное, здесь также отмечено резкое снижение концентрации меди и цинка на второй год исследований (соответственно в 5 и 2 раза). Обратная тенденция наблюдается для свинца и хрома: на второй год исследований их содержание увеличивается и дальнейшее понижение данных показателей на третий год наблюдений.

В оз. Любенское динамика содержания большинства микроэлементов в целом довольно схожа с динамикой оз. У-образное, содержание большинства изученных элементов падает с течением времени. Лишь для свинца и хрома максимум содержания приходится на второй год и дальнейшее их снижение на третий год наблюдений.

Таким образом, многолетнее варьирование концентраций каждого из изученных тяжелых металлов имеет свои особенности и существенно различается в разных водоемах.

Заключение

Полученные данные показали, что содержание тяжелых металлов в поверхностных водах существенно различается как в различных водоемах, так и в пределах одного водоема. Максимальный размах варьирования концентраций характерен для цинка, минимальный для хрома.

В поверхностных водах водоемов города Гомеля основным загрязнителем является цинк, так как во все изучаемых объектах определено высокое его содержание. Концентрация цинка во всех исследуемых водоемах выше предельно допустимых норм в 5 - 15 раз. Значительное превышение ПДК (в 8 - 17 раз) отмечено и для меди во всех изучаемых водоемах. Что касается свинца, то его нельзя отнести к загрязнителю, так как его концентрация в воде водоемов не превышает допустимую норму. Также наблюдалось незначительное превышение никеля в 1,85 раз и хрома в 1,6 раз в контрольном водоеме. Следует отметить, что хром превышал предельно допустимую норму только в оз. Любенское (1,4 раза).

Тяжелые металлы в воде водоемов на территории города Гомеля располагаются в следующем ряду: Zn > Сu > Pb > Ni > Cr. Что касается свинца, то его нельзя отнести к категории загрязнителей, так как его концентрация в воде водоемов не превышает допустимую норму.

В соответствии с полученными значениями максимальный уровень загрязнения тяжелыми металлами отмечен в воде оз. У-образное. Основными загрязнителями всех изучающих водоемов является медь и цинк. В оз. Любенское, кроме меди и цинка, содержится большая концентрация хрома. Вода контрольного водоема загрязнена еще и никелем.

Последовательность водоемов по их загрязнению изучаемыми металлами в порядке убывания оз. У-образное > оз. Малое > контрольный водоем > оз. Круглое > оз. Любенское.

В соответствии с полученными значениями суммарного показателя техногенного воздействия максимальный уровень загрязнения тяжелыми металлами отмечен в воде оз. Любенское. Основными поллютантами оз. Любенское являются медь и свинец. Приоритетными загрязнителями оз. Малое и оз. Круглое является медь, цинк, свинец, оз. У-образное - медь, цинк. Согласно значениям суммарного показателя наименее загрязненным из обследованных водоемов является оз. Круглое.

Сезонная динамика содержания различных тяжелых металлов имеет различный характер для разных элементов. Максимальная концентрация свинца и меди отмечена осенью, цинка и хрома - зимой.

Список использованных источников

1 Евтушенко, Н.Ю. Проблемы комплексной оценки качества природных вод / Н.Ю. Евтушенко. - М.: Наука, 1989. - 144 с.

Бериня, Дз.Ж. Вредные вещества выбросов автотранспорта / Дз.Ж. Бериня, И.М. Латыня. - М.: Наука, 1989. - 250 с.

Патин, С.А. Загрязнение мирового океана и его биологических ресурсов / С.А. Патин. - М.: В.ч.. 1978. - 248 с.

Брень, Н.В. Использование беспозвоночных для мониторинга загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами // Гидробиологический журнал / Н.В. Брень. - 1999. - Т. 35, № 4. - С. 75-88.

Грушко, Я.М. Ядовитые металлы и их неорганические соединения в промышленных сточных водах / Я.М. Грушко. - Л.: Наука, 1972. - 250 с.

Удод, В.М. Охрана водоемов от загрязнения сточными водами / В.М. Удод, В.И. Писоренко. - Киев: Мир, 1990. - 118 с.

Котова, Л.И. Биологический контроль качества вод / Л.И. Котова, Л.П. Рыжикова. - М.: Наука, 1989. - 240 с.

Грушко, Я.М. Вредные соединения в промышленных сточных водах / Я.М. Грушко. - Л.: Наука, 1979. - 161 с.

Артомонова, В.Т. Неотложная помощь при профессиональных интоксикациях / В.Т. Артомонова. - Л.: Мысль, 1981. - 192 с.

Лукин, Н.А. Очистка сточных вод / Н.А. Лукин. - М.: Наука, 1965. - 141 с.

Брера-Левенсон, Т.Л. Очистка и использование природных и сточных вод / Т.Л. Брера-Левенсон. - М.: Наука, 1973. - 250 с.

Forstner, U. Sediment oxygen demand chemical substances / U. Forstner // Water Res. - 1983. - Vol. 9. № 17. - P. 1081-1093.

Мур, Дж. В. Тяжелые металлы в природных водах. Контроль и оценка влияния / Дж. В. Мур, С.П. Рамамурти. - М.: Мир, 1987. - 285 с.

Денисова, А.И. Формирование гидрохимического режима водохранилищ Днепра и методы его прогнозирования / А.И. Денисова. - Киев: Наук. думка, 1979. - 290 с.

Лейбович, П.З. Закономерности пространственного распределения растворенных форм железа и марганца в донных отложениях Байкала / П.З. Лейбович. - Лимнол. ин-т СО АН СССР. Листвиничное на Байкале. - 1980. - 20 с.

Моисеенко, Т.И. Оценка экологической опасности в условиях загрязнения вод металлами / Т.И. Моисеенко // Водные ресурсы. - 1999. - Т. 26, № 2. - С. 186-197.

Метелев, В.В. Водная токсикология / В.В. Метелев, А.И. Канаев, Н.Г. Дзасохова. - М.: Пищевая промышленность, 1971. - 248 с.

Лакин, Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. - М.: Высш. школа, 1980. - 293 с.

Беспамятков, Т.П. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде / Т.П. Беспамятков, Ю.А. Кротов. - Л.: Наука, 1985. - 528 с.

Курзо, Б.В. Состав современных осадков озер как индикатор природных и техногенных процессов / Б.В. Курзо и др. // Природные ресурсы. Межведомственный научный бюллетень НАН РБ. - 1998. - № 1. - С. 98-108.

Христофорова, Н.К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами / Н.К. Христофорова. - Л.: Наука, - 1989. - 192 с.

Жулидов, А.В. Выведение тяжелых металлов из организма беспозвоночных животных / А.В. Жулидов // Экотоксикология и охрана природы. - М.: Б.и.. - 1988. - С. 170-176.

Персикова, Т.Ф. Тяжелые металлы и окружающая среда: лекция для студентов сельхозвузов / Т.Ф. Персикова, Н.П. Решецкий. - Бел. с/х академия. - Горки: 1995. - 40 с.

Шварева, И.С. Тяжелые металлы в наземных и водных экосистемах (на примере бассейна реки Клязьма): автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук / И.С. Шварева; Ивановск. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2006. - 15 с.

Тах, И.П. Пространственное распределение и нормирование концентраций тяжелых металлов в водной экосистеме (река Белая, Северо-Западный Кавказ): автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. боил. наук / И.П. Тах; Майкопск. гос. ун-т. - Майкоп, 2007. - 21 с.

Галатова, Е.А. Особенности накопления и аспределения тяжелых металлов в системе вода - донные отложения - гидробионты (на примере реки Уй): автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. било. наук / Е.А. Галатова; Уральск. гос. академ. ветеринарной мед-ны. - Екатиренбург, 2007. - 19 с.

Беззапонная, О.В. Прогноз содержания тяжелых металлов в поверхностных водных объектах: автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. тенх. наук / О.В. Беззапонная; Рос. науч.-исслед. ин-т комплескного использ. и охр. водн. Ресурсов. - Екатиренбург, 2004. - 21 с.

Рябова, М.Б. закономерности взаимодействия поверхностных и подземных вод трещинно-карстовых массивов: автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. географ. наук / М.Б. Рябова; Гос. гидролог. инс-т. - Санкт-Петербург, 1995. - 23 с.

Жетписбай, Д.Ш. Загрязнение воды и донных отложений реки Сырдарьи тяжелыми металлами: автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук / Д.Ш. Жетписбай; Казахтанский национ. пед. ун-т им. Абая. - Республика Казахстан Алматы, 2007. - 15 с.

Царева, С.А. Формы нахождения металлов в воде // Водные ресурсы. - 1999. - Т. 26, № 1. - С. 71-75.

Жуковицкая, А.Л. Геохимия озер Беларуси / А.Л. Жуковицкая, В.А. Генералова. - Мн.: Наука и техника, 1991. - 203 с.

Тарыце, К.А. Определение тяжелых металлов в пробах воды озер Беларуси / К.А. Тарыце, Э.М. Менгер. // Экология. - 1990. - № 2. - С. 236-254.

Микрякова, Т.Ф. Тяжелые металлы в высших водных растениях Горьковского водохранилища // Водные ресурсы. - 1996. - Т. 23, № 2. - С. 234-237.

Комаровский, Ф.Я. Ртуть и другие тяжелые металлы в водной среде: миграция, накопление, токсичность для гидробионтов / Ф.Я. Комаровский, Л.Р. Полищук // Гидробиологический журнал. -1981. - Т. 17, № 5. - С. 71-83.

Хомич, В.С. Особенности распределения микроэлементов в депонирующих компонентах городских ландшафтов (на примере г. Гомеля) / С.В. Какарека, Т.И. Кухарчик //Природные ресурсы. Межведомственный научный бюллетень НАН РБ. - 1997. - № 1. - С. 85-93.

Линник, П.Н. Комплексообразование ионов металлов в природных водах / П.Н. Линник, Б.И. Набиванец // Гидробиологический журнал. - 1983. - Т. 19, № 3. - С. 82-95.

Мартин, Р. Бионеорганическая химия токсических ионов металлов // Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.: Мир, 1993. - С. 25-61.

Физико-химические методы анализа. Практическое руководство: учебное пособие для вузов / Под редакцией В.Б. Алесковского. - Л.: Химия, 1998. - 376 с.

Коженкова, С.Н. Долговременный мониторинг загрязнения морских вод северного Приморья тяжелыми металлами с помощью бурых водорослей / С.Н. Коженкова, Христофорова Н.К., Чернова Е.Н. // Экология - 2000. - № 3. - С. 233-237.

Черных, Н.А. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах / Н.А. Черных, Овчаренко М.М. - М.: Агроконсалт, 2002. - 198 с.

Ильин, В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение / В.Б. Ильин. - Новосибирск: Наука, 1991. -151 с.

Томилина, И.И. Эколого-токсикологическая характеристика донных отложений водоемов северо-запада России: автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. било. Наук / И.И. Томилина; Ин-т биологии внутрен. вод им. И.Д. Папанина РАН. - Борок, 2000. - 21 с.

Евтушенко, Н.Ю. Проблемы комплексной оценки качества природных вод / Н.Ю. Евтушенко. - М.: Наука, 1989. - 144 с.

ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового пользования: Утв. постановлением министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды РБ и министерства здравоохранения РБ от 21 апр. 2003г., № 35 // Гигиенические нормативы. - 2003. - № 2. - С. 5-28.

О некоторых вопросах нормирования качества воды рыбохозяйственных водных объектов: Утв. постановлением министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды РБ и министерства здравоохранения РБ от 8 мая 2007г., № 43/42 // Гигиенические нормативы. - 2003. - № 4. - С. 25-41.

6. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, не смотря на очистные мероприятия содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс. т ртути, причем значительная часть – антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс. т/год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть. Заражение морепродуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного населения. Свинец – типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями предприятиями металлургической промышленности определяется спецификой их производственной деятельности: непосредственное производство свинца и его соединений; попутное извлечение свинца из других видов сырья, содержащих свинец в виде примеси; очистка получаемой продукции от примеси свинца и т.д.

В 1995 г. из общего выброса свинца металлургической промышленностью в атмосферу (671 т) около 98,4% приходилось на предприятия цветной металлургии. Из 640 кг в год свинца, сбрасываемого в водные объекты со сточными водами, 570 кг (89%) принадлежало предприятиям, производящим цветные металлы. Сравнительно небольшие выбросы свинца предприятиями черной металлургии Российской Федерации определяются отсутствием в сырье сколь-либо значительного содержания свинца, хотя в ряде развитых стран мира наличие в рудном сырье и скрапе свинца создает серьезные экологические проблемы в доменном, мартеновском и электроплавильном пределах.

99,86% выбрасываемого в атмосферу свинца приходится на долю 11 из 30 предприятий цветной металлургии, в том числе около 94% этого металла выбрасывают 5 предприятий: Среднеуральский медеплавильный завод (291 т/год); АО «Святогор» - Красноуральский медеплавильный комбинат (170 т/год); Кировградский медеплавильный комбинат (114 т/год); АО «Дальполиметалл» (28 т/год); завод «Электроцинк» (16 т/год).

Анализ источников выброса свинца показал:

57% свинца выбрасывается в атмосферу с большими объемами запыленных газов отражательной плавки медного (свинецсодержащего) сырья, которые на всех заводах, использующих эту технологию, направляют в дымовые трубы без пылеочистки;

37% свинца выбрасываетс с конвертными газами из-за отсутствия или недостаточности степени очистки их от богатой по содержанию свинца возгонной пыли;

существенным фактором является недостаточная эффективность существующих на предприятиях цветной металлургии средств пылеулавливания.

Загрязняя почву, цинк и фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение питательных веществ в почве. Растворимые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы разрушает почвенную структуру, снижает водопроницаемость почв и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности. Поскольку тяжелые металлы и в продуктах сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов.

Вблизи предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более разнообразными по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов. В лесных фитоценозах первыми реагируют на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное воздействие вызывает в нем сухостойкие явления.

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Эффективно также использование для этих целей ряд косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения и поведения видов – индикаторов среди растений, беспозвоночных и микроорганизмов.

Для выявления пространственных закономерностей проявления загрязнения почв используют сравнительно-географический метод, методы картирования структурных компонентов биогеоценозов, в том числе и почв. Такие карты не только регистрируют уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и соответствующие изменения в напочвенном покрове, но позволяют прогнозировать изменение состояния природной среды.

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время сотрудниками институтов гигиены предприняты попытки определить ПДК металлов в почве. В качестве тест-растений рекомендованы ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности на 5-10%. Предложены ПДК для ртути – 25 мг/кг, мышьяка – 12-15, кадмия – 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.).: свинец – 10, ртуть – 0,04, хром – 2, кадмий – 3, цинк и марганец – 300, медь – 150, кобальт – 5, молибден и никель – 3, ванадий – 2.

Защита почв от загрязнений тяжелыми металлами базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора при одной технологии расходуют 45 кг ртути, а при другой – 14-18 кг. В перспективе считают возможным снизить эту величину до 0,1 кг. Новая стратегия охраны почв от загрязнения тяжелыми металлами заключена также в создании замкнутых технологических систем, в организации безотходных производств.

7. Классификация твердых отходов черной металлургии, их характеристики

Классификация отходов производства возможна по различным признакам, среди которых основными можно считать следующие:

по отраслям промышленности – черная и цветная металлургия, рудо- и угледобывающая промышленность, нефтяная и газовая и т.д.;

по фазовому составу – твердые (пыли, шламы, шлаки), жидкие (растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углерода, азота, соединение серы и др.);

по производственным циклам – при добыче сырья (вскрышные и овальные породы), при обогащении (хвосты, шламы, сливы), в пирометаллургии (шлаки, шламы, пыли, газы), в гидрометаллургии (растворы, осадки, газы).

На металлургическом комбинате с замкнутым циклом (чугун-сталь-прокат) твердые отходы могут быть двух видов – пыли и шлаки. Довольно часто применяется мокрая газоочитска, тогда вместо пыли отходом является шла. Наиболее ценными для черной металлургии являются железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина), в то время как шлаки в основном используются в других отраслях промышленности.

При работе основных металлургических агрегатов образуется большое количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается газоочистными сооружениями и затем либо подается в шламонакопитель, либо направляется на последующую переработку.

Шламы можно разделить на:

шламы агломерационных фабрик;

шламы доменного производства:

газоочисток доменных печей;

б) подбункерных помещений доменных печей;

шламы газоочисток мартеновских печей;

шламы газоочисток конвертеров;

шламы газоочисток электросталеплавильных печей.

богатые (55-67%) – пыль и шлам газоочисток мартеновских печей и конвертеров;

б) относительно богатые (40-55%) – шламы и пыли аглодоменного производства;

в) бедные (30-40%) – шлам и пыль газоочисток электросталеплавильного производства.

Основными характеристиками шламов являются химический и гранулометрический состав, однако при подготовке шламов к утилизации необходимо знать такие параметры, как плотность, влажность, удельный выход и др. Следует отметить, что пыли (шламы) металлургических предприятий по химическому составу отличаются друг от друга, поэтому эти характеристики представлены далее в усредненном виде.

Шламы пылеулавливающих устройств доменной печи образуются при очистке газов, выходящих из нее. Перед ними устанавливаются радиальные или тангенциальные сухие пылеуловители, в которых улавливается наиболее крупная пыль, которая возвращается в аглопроизводство как компонент шихты. Химический состав шламов по основным компонентам, %:Feобщ 30-50;СаО 5.0-8.5; SiO2 6.0-12%; MgО 1.5-2.0; Soбщ 0.2-0.9; Собщ 2.5-30; Al2О3 1.2-3.0; P 0.015-0.05; Zn 0.05-5.3. Плотность их колеблется в пределах 2.7-3.8 г/см, удельный выход в среднем составляет 2.75-3.84%. Коэффициент использования этих шламов изменяется (для разных предприятий) довольно значительно – от 0.1 до 0.8. Это довольно тонкодисперсный материал: фракции >0.063 мм до 10-13%, 0.016-0.032 мм от 16 до 50% и 1%), что требует предварительного обесцинкования шламов.

8. Перспективы развития

В обозримой перспективе должны произойти существенные изменения в техническом состоянии металлургического комплекса, в процессах природопользования, что позволит в значительной степени решить многие экологические проблемы. Только в цветной металлургии ожидается снижение количество вредных загрязняющих выбросов на 12 – 15% и на подавляющем большинстве предприятий будут достигнуты нормы предельно допустимых выбросов. Рост применения систем разработки с закладкой выработанного пространства в районах добычи сырья на 20%, предусмотренный программой развития металлургии в России, позволит наряду с улучшением технических показателей при добыче руд обеспечить сохранность земной поверхности в горном отводе, значительно снизить расход материалов на крепление, в том числе очень дорогостоящих металлов.

Огромнейшие резервы и возможности решения экологических проблем заключены в комплексности переработки сырья, в полном использовании полезных компонентов в его составе и месторождениях.

Список использованной литературы:

Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году» // Министерство природных ресурсов РФ, Москва, 2003 г.

Справочное пособие «Защита атмосферы от промышленных загрязнений» // Под редакцией С. Калверта и Г.М. Инглунда (перевод с английского), Москва «Металлургия», 1988 г.

Справочное пособие по географии «География хозяйства России», «Физическая география» // Пашканг К. В.

Анализ производственно-хозяйственной деятельности предприятий черной металлургии // Юзов О. В., Москва «Металлургия», 1980 г.