Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века

Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века

С. Л. Давыдова, В. И. Тагасов

Москва, 2002 г.

Ртуть Hg обнаруживается в природе главным образом в рассеянном состоянии. Несмотря на малое содержание в земной коре (8,3 х 10-6 %), она входит в состав многих минералов, нередко образуя месторождения. Сочетание уникальных физико-химических свойств (единственный жидкий металл при 20°С и атмосферном давлении) делает ртуть практически единственным природным веществом, пригодным для использования в измерительных приборах, а свойство высокой тепло- и электропроводности определяет ртуть как превосходный проводник и теплоноситель. Из-за способности адсорбировать нейтроны ртуть используют при изготовлении противорадиационной «брони». Соединенияртути широко применялись (ранее) в инсектицидах и других препаратах. Количество антропогенной ртути, поступающей в поверхностные пресные воды, в 10 раз превышает ее содержание в природных источниках. Использование и последующая ликвидация ртутьсодержащих приборов сегодня являются главным техногенным источником поступления ртути в окружающую среду, а на втором месте здесь - обработка различных металлов и сжигание углей.

Ртуть в природных водах может присутствовать в трех состояниях: элементарном Hg , одновалентном Hg+I и двухвалентном Hg+2; формы нахождения этого металла в воде и их распределение зависят от рН среды. В водных системахртуть образует большое количество устойчивых комплексныхсоединений с различными органическими лигандами. В промышленно загрязненных водах она находится в контакте с частицами молекулярного веса > 10000, а в природных водах ртуть интенсивно связывается с твердыми взвешенными частицами. Сорбцияртути и последующая седиментация играют важную роль в удалении ее из воды. ртуть поступает в водные системы из антропогенных источников, преимущественно в виде элементарной ртути, двухвалентного иона Hg2+ и ацетата фенилртути C6H5Hg(CH3COO). Установлено, что метилированная ртуть является преобладающей формой, она обнаруживается в теле рыб даже при небольшом ртутном загрязнении; концентрация растворенной ртути в незагрязненных пресных водах колеблется в пределах 0,02-0,1 мкг/л. Уровни общего содержания ртути в атмосферныхосадках изменяются от <0,01 до > 1,0 мкг/л, и максимальное содержание, как правило, характерно для промышленных районов. Ртуть, присутствующая в воздухе, может эффективно удаляться во время сильных ливней.

Ртуть является одним из наиболее опасных загрязнителей, так как легко вступает в реакции со многими белками крови и тканей, блокируя в них активные группы, в результате чего последние теряют свои биологические свойства. Поступившая в организм метилртуть  переносится током крови и аккумулируется в почках, печени и головном мозге, и, поскольку период выделенияртути довольно велик, это способствует ее накоплению в живых организмах. Соединенияртути не обладают канцерогенным и мутагенным действием. В связи со способностьюртути проникать через плаценту известны многочисленные случаи эмбриотоксического эффекта.

Свинец РЬ принадлежит к числу малораспространенных элементов - его содержание (по весу) в земной коре составляет всего 1,6 х 10-3 %. Производство и потребление свинца в XX в. было высоким и стабильным и, вероятно, будет оставаться на том же уровне еще длительное время. Свинец широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.д. Громадное количество свинца ежегодно расходуется на изготовление кислотных аккумуляторов (примерно 60% от всего потребления).

При сжигании этилированного бензина в окружающую среду поступает не менее 80% всего антропогенного выброса этого металла. Важным источником антропогенного свинца являются выплавка и обработка металлов. Существенно поступление свинца в окружающую среду от горнодобывающей промышленности, в рудничных отходах концентрация свинца может достигать 2000 мг/кг.

Особенности нахождения и миграции свинца в природных водах обусловливаются осаждением и комплексообразованием с органическими лигандами, поэтому концентрация растворенного свинца в большинстве природных водных систем обычно не превышает 10 мкг/л, и интенсивность этих процессов зависит от рН среды, наличия лигандов и ряда других факторов. Так, изучение формы миграции свинца в реках показало, что в речной воде около 45% общего количества этого металласвязано со взвешенными формами. Ионообменная форма свинца - РbСОз, часть его приходится на Рb2+. и Рb(ОН)+. Уровень общего содержания свинца в атмосферныхосадках обычно колеблется от 1 до 50 мкг/л, но в промышленных районах он может достигать и 1000 мкг/л, приводя к угрожающему загрязнению снежного покрова и почв. Горнодобывающая промышленность является источником поступления свинца в донные отложения пресноводных систем, и в отдельных случаях его содержание достигает 6000 мг/кг сухого веса осадка.

Свинец является высокотоксичным металлом для живых организмов. Установлено, что неорганические Соединения Рb2+ нарушают обмен веществ и выступают ингибиторами ферментов. Длительное потребление вод даже с низким содержанием этого металла является причиной хронических заболеваний, а способность замещать кальций в костях приводит к их повышенной хрупкости. Мутагенным действием свинец не обладает, однако его повышенное содержание в организме приводит к серьезным аномалиям развития плода (деформация скелета); он обладает способностью к аккумуляции и имеет чрезвычайно длительный период полувыведения.

Никель Ni - малораспространенный элемент, его содержание в земной коре не превышает 8,0 х 10-3 Ni2+ в природных водах изучено недостаточно, и подвижность этого элемента, как и многих других металлов, в значительной степени зависит от количества органического вещества в воде, а также рН среды. Никель образует многочисленные комплексные соединения, наиболее прочными являются комплексы с лигандами, содержащими донорные атомы азота. Ионы Ni2+ в водных растворах подвержены гидролизу в меньшей степени, чем катионы других металлов, ощутимый гидролизникеля наблюдается лишь при рН > 9,0. К основным источникам поступления никеля в природную среду относят использование никельсодержащих сплавов, сжигание тяжелых нефтей и угля.%. Поведение

Содержание этого элемента в незагрязненных водах обычно колеблется в пределах 1—3 мкг/л, но под влиянием различных промышленных источников оно увеличивается до 10-15 мкг/л. В озерах Кольского полуострова, расположенных вблизи заводов по выплавке никеля, атмосферное его поступление обусловливает содержание в воде растворенного никеля свыше 180 мкг/л. Никель в микроколичествах необходим для человека, но любой избыток его уже опасен; все же по сравнению с другими тяжелыми металлами он менее токсичен. Эпидемиологические исследования показывают, что соединенияникеля могут вызвать повышенную хрупкость костей, раковые опухоли носа и ряд других серьезных заболеваний.

Хром Сr. Его запасы в земной коре невелики, однако в технике он применяется очень широко, и выбросыхрома в окружающую среду становятся все более интенсивными. Хром в малых количествах входит в состав ДНК, отсутствие его в других структурах живых организмов вызвано, вероятно, низкой подвижностью и недостаточной устойчивостьюкомплексов с белковыми макромолекулами. Сг3+ - малотоксичный элемент из группы тяжелых металлов: млекопитающие, например, способны перенести 100-200-кратное увеличение содержания хрома в организме без видимых вредных последствий. Феррохромовые сплавы противостоят агрессивным средам и высоким температурам, и не менее 20% их используется для производства огнеупоров; остальная часть потребляется химической промышленностью, где расходуется на изготовление красок и закрепителей в текстильной, дубильной и кожевенной промышленности, а также для хромирования, анодирования и травления.

Основные поставщики хромсодержащих выбросов (в порядке уменьшения масштаба) - это Производство и переработка феррохрома, изготовление огнеупоров, сжигание угля и Производство хромовых сталей, где уровень содержания аэрозолей хрома может достигать 1 мг/м3 (при фоновом содержании 10-6мг/м3. Хотя его частицы могут разноситься остром на большие расстояния и выпадать на поверхность с атмосферными осадками, главный источник поступления антропогенного хрома - обработка металлов, а источник Сr6+  это вода из циркуляционных систем охлаждения.

Сг3+ - наиболее устойчивое состояниехрома в природных пресных водах, он образует относительно инертные комплексы с координационным числом 6. В обильно насыщенных кислородом водах, напротив, термодинамически более устойчив Сr6+ в виде взвеси и коллоидов, но в водных системах Сr6+ легко восстанавливается до Cr3+. Для человека Хром не является остроядовитым, однако ряд соединений шестивалентного хрома обладают канцерогенным действием.