Тяжелые металлы и их удаление из стоков, почв
Никитин А.Т.
"Экология, охрана природы, экологическая безoпacнocть". М.:изд-во MИHЭПУ, 2000 - 648 с.
Тяжелые металлы - биологически активные металлы, оказывающие отрицательное воздействие на физиологические функции человека, биоты и состояние жизнеобеспечивающих природных сред. Тяжелые металлы относятся к загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Термин "тяжелые металлы", характеризующий широкую группу загрязняющих веществ, получил в настоящее время значительное распространение. Пристальное внимание тяжелым металлам в окружающей среде стало уделяться, когда выяснилось, что они могут вызывать тяжелые заболевания и образовывать высокие концентрации в донных осадках озер, рек, заливов и других природных объектах.
При категорировании тяжелых металлов немаловажную роль играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. В соответствии с классификацией Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
К настоящему времени стало ясно, что токсичность тяжелых металлов обусловлена как их широким распространением и высокой миграционной подвижностью вблизи поверхности Земли, так и способностью аккумулироваться в организме человека, пищевой цепи, включаться в метаболический цикл и вызывать разнообразные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Ионы тяжелых металлов не подвержены биохимическому разложению и могут образовывать летучие газообразные и высокотоксичные металлоорганические соединения.
Этим объясняется быстрое проникновение тяжелых металлов в организм человека (через органы дыхания и питания), пищевую цепь и жизнеобеспечивающие природные среды. "Коварство" тяжелых металлов заключается в том, что они загрязняют экосистему не только быстро, но и незаметно, так как не имеют цвета, запаха, вкуса. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требуется весьма продолжительный период времени при условии полного прекращения их поступления.
Кроме того, многие тяжелые металлы интенсивно поглощаются биотой. Особенно это характерно для планктона. Коэффициенты биоаккумуляции при этом могут достигать нескольких порядков, поэтому загрязнение тяжелыми металлами звеньев пищевой цепи наблюдается довольно часто. Период полувыведения тяжелых металлов из организма человека обычно составляет многие месяцы.
Роль ионов металлов в физиологии человека многообразна. Необходимым считают химический элемент, при недостатке которого в организме возникают функциональные нарушения. Установлено, что дефицит эссенциальных химических элементов в пищевой цепи широко распространен. С ним связаны многие заболевания, например врожденные пороки развития, возникают при дефиците цинка. Ионы некоторых металлов служат терапевтическими агентами (использование карбоксилатов цинка против бактерий, вызывающих заболевание "ноги атлета"). При высоких концентрациях ионы металлов становятся токсичными, что ведет к функциональным деформациям, смерти. В зависимости от концентрации и продолжительности контакта металл может действовать в одном и том же организме по одному из вышеуказанных путей. Необходимый химический элемент может стать токсичным при избытке его потребления.
Тяжелые металлы обычно накапливаются в организме совместно. Установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздействия. При синергизме эффект действия многократно усиливается. Токсичность иона свинца усугубляется недостатком по кальцию. Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточного количества первого приводит к уменьшению содержания последнего, отличающегося повышенной токсичностью. Токсичность тяжелых металлов сильно зависит от химических форм нахождения в окружающей среде. Особо опасны металлоорганические соединения (метилртуть, алкил свинца и др.), летучие тяжелые металлы (ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма, селен, литий) легко проникают в организм человека через органы дыхания. Особую опасность представляют и тонкодисперсные твердые аэрозоли тяжелых металлов, которые широко распространены и задерживаются в легких человека, вызывая рак и другие заболевания.
Влияние тяжелых металлов на водные растения чрезвычайно разнообразно. Главные ответные реакции - снижение разнообразия и плотности популяции. Они характерны, как правило, для наиболее загрязненных водоёмов и водотоков. Однако аналогичные изменения наблюдаются в водных системах с умеренным и слабым загрязнением ввиду того, что реакция популяции на воздействие тяжелых металлов существенно зависит также от изменяющихся параметров водной среды (температура, освещенность и др.).
В большинстве наземных растений на загрязненных территориях концентрация тяжелых металлов существенно (до n*1000) возрастает. По увеличению содержания тяжелых металлов овощи располагаются в следующий ряд: картофель - морковь - свекла - огурцы - томаты - капуста - салат.
Источники поступления тяжелых металлов в окружающую среду имеют как природное, так и антропогенное происхождение. С природными процессами связана основная масса тяжелых металлов, заключенная в водах Мирового океана и суши, донных осадках современных водотоков и водоёмов, почвенно-растительном покрове и атмосфере. Это обусловлено тем, что зоны такого привноса тяжелых металлов на поверхность Земли имеют глобальное распространение и функционируют непрерывно.
Антропогенные источники тяжелых металлов многочисленны разнообразны. Для них характерно формирование локальных участков загрязнения, но с высокими концентрациями токсикантов. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит неравномерно, нередко в виде залповых выбросов и прекращается с завершением функционирования соответствующего антропогенного объекта. Наиболее крупными поставщиками тяжелых металлов являются автотранспорт, ТЭЦ, котельные и другие энергетические объекты, работающие на сжигании топлива. Уголь, мазут, дизельное топливо, бензин содержат повышенные количества тяжелых металлов (ванадий, никель, бериллий, свинец, ртуть, мышьяк и др.), которые при высокотемпературных процессах сжигания топлива образуют газообразные соединения, в меньшей степени твердые аэрозоли, и формируют в приземной атмосфере, затем на поверхности Земли обширные поля загрязнения. Доля энергетики в суммарной антропогенной эмиссии тяжелых металлов весьма значительна. Вокруг металлургических заводов также образуются обширные аномальные зоны тяжелых металлов в различных природных средах. Выброс огромных количеств тяжелых металлов в высокие слои атмосферы представляет в этих случаях опасность для соседних районов в связи с трансграничными переносами.
Высокие концентрации тяжелых металлов в водные системы поступают с промышленными и другими сточными водами, что нередко приводит к резкому нарушению экологической обстановки. Потенциальную экологическую опасность представляют промышленные и другие отходы, обогащенные металлами. Особо опасны отвалы, хвостохранилища горнодобывающих предприятий, ведущих добычу сульфидных руд. Сильно обогащены тяжелыми металлами подземные воды, залегающие под газонефтяными залежами. Поэтому во многих районах газо- и нефтедобычи наблюдается загрязнение металлами вышележащих водоносных горизонтов, почв и приземной атмосферы вследствие поступления глубинных вод по околотрубным пространствам скважин и другим участкам техногенного нарушения экранов над месторождениями нефти и газа.
Крупными по размерам очагами интенсивного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами являются мегаполисы. Источники поступления загрязнителей в них весьма разнообразны. Кроме многочисленных антропогенных источников здесь может иметь место привнос в подземные воды и воздушный бассейн тяжелых металлов с глубинными флюидными потоками. Загрязнению последнего способствуют глубокие депрессионные воронки и сильная нарушенность подземного пространства больших городов. Взаимодействие могочисленных и разнообразных антропогенных и природных процессов загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами создает в мегаполисах опасную экологическую обстановку.
Необходимо учитывать воздействие тяжелых металлов на здоровье человека в жилищах и рабочих зонах. Актуальность такого учета вытекает из того, что жилища и рабочие места плохо проветриваются, а на источники тяжелых металлов обычно не обращают внимание.
Антропогенное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами имеет отчетливую тенденцию к увеличению во времени. Особенно это касается крупных промышленно-урбанизированных территорий
Динамика привноса тяжелых металлов в окружающую среду, связанная с современной вулканической и флюидной активностью Земли, изучена слабо. За последние тысячелетия вследствие вулканических извержений содержание свинца в атмосфере повышалось неоднократно. Пульсационные поступления тяжелых металлов в Мировой океан, акватории, артезианские бассейны и бессточные водоёмы континентов зафиксировано мониторинговыми исследованиями, выполненными в последние десятилетия. Выявлена ритмичность разных порядков: от нескольких часов до 2 - 3 лет и более длительных промежутков времени.
Степень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами согласно концепции стандартизации оценивается путем сопоставления их содержания в изучаемых объектах с соответствующими ПДК и другими нормативами. Однако нормативный подход не дает возможностей выявить причины и масштаб загрязнения, учесть влияние местных условий, совместное воздействие и формы нахождения тяжелых металлов и, в конечном счете, прогнозировать изменение ситуации во времени.