Природные и антропогенные источники тяжелых металлов
ВВЕДЕНИЕ
На рубеже ХХ и ХХI веков человечество столкнулось с рядом глобальных экологических проблем, среди которых антропогенные изменения биосферы, истощение природных ресурсов, демографический взрыв, загрязнение окружающей среды. Один из распространенных видов загрязнения - поступление в различные среды тяжелых металлов (ТМ) - большой группы химических элементов с относительной атомной массой более 40 (Hg, Pb, W, Sn, Cd, Mo, Cu, Co, Mn, Cr и др.). Тяжелые металлы, загрязняющие почву, могут поглощаться растениями и по пищевой цепи попадать в организмы животных и человека.
Основные источники выбросов ТМ сконцентрированы в крупных промышленных городах. В золе угля и нефти обнаружены практически все металлы. В каменноугольной золе, например, по данным установлено наличие 70 элементов. В 1 т в среднем содержится по 200 г цинка и олова, 300 г кобальта, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка. Максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать 10 кг на 1 т. Зола нефти содержит много ванадия, ртути, молибдена и никеля. В золе торфа содержится уран, кобальт, медь, никель, цинк, свинец. Учитывая современные масштабы использования ископаемого топлива очевидно, что: не металлургическое производство, а сжигание угля представляет собой главный источник поступления многих металлов в окружающую среду. Например, при ежегодном сжигании 2,4 млрд т каменного и 0,9 млрд т бурого угля вместе с золой рассеивается 200 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана, тогда как мировое производство этих двух металлов составляет 40 и 30 тыс. т в год соответственно.
|
|
|
Интересно, что техногенное рассеивание при сжигании угля таких металлов, как кобальт, молибден, уран и некоторые другие, началось задолго до того, как стали использоваться сами элементы. «К настоящему времени – во всем мире было добыто и сожжено около 160 млрд т угля и около 64 млрд т нефти. Вместе с золой рассеяны в окружающей человека среде многие миллионы тонн различных металлов». Деятельность только одной ТЭЦ, потребляющей в сутки 5000 т угля, сопряжена с ежегодным выбросом в атмосферу 21 т свинца и соизмеримого количества других вредных элементов. Транспорт является одним из важнейших показателей экономического и социального развития любого государства. Вместе с тем он потребляет значительное количество энергии и природных ресурсов. На всех стадиях эксплуатации и последующей утилизации транспорт оказывает воздействие на окружающую среду, которое проявляется в загрязнении атмосферного воздуха (выбросы в атмосферу от передвижных источников составляют более 70% суммарного объема выбросов загрязняющих веществ), транспортном шуме и вибрациях, электромагнитных излучениях, загрязнении сточными водами, нарушении ландшафтов при эксплуатации дорог, загрязнении местности отходами транспортных предприятий и служб. Суммарное поступление свинца в атмосферу от автотранспорта на территории Беларуси оценивается величиной 63 .т в год. Причем около 20 % всего автопарка сосредоточено в Минске. В последнее десятилетие автомобильный парк Беларуси постоянно увеличивается.
|
|
|
Современная ситуация характеризуется, с одной стороны, переходом на неэтилированные бензины, сокращением объемов выбросов имеющихся промышленных предприятий, с другой стороны, увеличением парка автомобилей, появлением новых производств (в том числе и по переработке бытовых и промышленных отходов). Все это не снимает с повестки дня проблем эмиссии тяжелых металлов. Вот почему столь необходимо дать представление о тяжелых металлах как факторе экологической опасности, научить студентов самостоятельно оценивать воздействие этого фактора на экосистемы.
Тяжелые металлы - опасные загрязнители окружающей среды
Список металлов, относящихся к классу особо токсичных, включает в себя As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn. Известно, что в результате различных превращений данные химические элементы могут распределяться в атмосфере, гидросфере, литосфере Земли. Почва является одним из основных концентраторов ТМ в биосфере. В настоящее время на первое место выходит сознательное управление биосферными функциями почвенного покрова. Почвенный покров - незаменимый компонент биосферы - совместно с растениями определяет ее устойчивое функционирование. Прогнозированию поведения тяжелых металлов в биосфере уделяется пристальное внимание. Установлены основные закономерности распределения металлов по поверхности, роль гумуса почвы как фиксатора ртути, свинца и других элементов. Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме. Доля водорастворимой формы обычно невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором. В дальнейшем ТМ могут мигрировать в растения, поступать в реки и озера в результате смыва и далее, по трофическим цепям, - в живые организмы. Содержание и формы миграции тяжелых металлов в поверхностных природных водах и почвах таежных экосистем в известной мере зависят от сопутствующих негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, кислотных дождей, выбросов пыли и дыма и т.д. В наземных экосистемах тяжелые металлы включаются в трофические цепи и в таком компоненте, как почвы, активно воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает численность почвенных грибов, продуцирующих токсины, низкомолекулярные органические кислоты и другие органические вещества. Это является одним из адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ. В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физико-химических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения: период полуудаления ТМ из почв в условиях лизиметров (специальных приборов, изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 70 до 510 лет, Cd - от 13 до 1100 лет, Cu - от 310 до 1500 лет, Pb - от 740 до 5900 лет.
|
|
|
|
|
|
Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности. Накопление тяжелых металлов в почве нарушает физико-химическое равновесие природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства. Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются микробиологические процессы, в результате разрушения структуры ухудшается водно-воздушный режим, деградирует почвенный гумус, и в конечном итоге почва теряет плодородие. Комплексообразующая способность многих металлов приводит к возникновению устойчивых металлоорганических комплексов хелатного типа, что, в свою очередь, обусловливает изменение концентрации необходимых для жизнедеятельности организмов субстратов в почве. Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени агрязнения ими сред обитания, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биогеохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью. (табл.1).
Таблица. 1
Молярная токсичность металлов
Организмы Ряды токсичности
Водоросли Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Co > Mn
Грибки Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe
Цветущие растения Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn
Кольчатые черви Hg > Cu > Zn > Pb > Cd
Рыбы Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn >> Sr
Млекопитающие Ag,Hg,Cd > Cu,Pb,Co,Sn,Be >> Mn,Zn,Ni,Fe,Cr >> >> Sr > Cs,Li,Al
Следует отметить, что ТМ могут являться причиной заболеваний человека. Среди них сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии. Тяжелые металлы обладают эмбриотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия.
Для оценки опасности тяжелых металлов недостаточно знать их валовое количество, необходимо дифференцировать и форму металла в зависимости от состава и структуры системы (окисленный, восстановленный, метилированный, закомплексованный металл). Наибольшую опасность представляют лабильные формы.
Природные и антропогенные источники тяжелых металлов
Все источники поступления поллютантов (загрязнителей) можно разделить на природные и антропогенные. Среди природных источников поступления ТМ в атмосферу выделяются ветровая эрозия, извержения вулканов, лесные пожары, испарение с поверхности почв и растений, поступление с поверхности почвы и др. Причем для Cd, Zn и Pb доля антропогенных поступлений в атмосферу значительно превышает природные
По хозяйственным и территориальным признакам источники металлотоксикантов подразделяют на локальные и пространственные, а по скорости эмиссии в окружающую среду и объекты живой природы – на регулярные и залповые. Особую опасность для окружающей среды представляют распределенные в пространстве источники тяжелых металлов, так как именно они загрязняют сравнительно большие территории. К этой группе относятся: автомобильный транспорт, сельскохозяйственные угодья (после обработки содержащими металлы пестицидами), домашние печи, использующие уголь.
На предприятиях железнодорожного транспорта источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду служат котельные, участки сварки и резки, химической и электрохимической обработки металлов, аккумуляторные, медницкие отделения. ТМ поступают также при потерях перевозимого сырья и руд, в составе сточных вод предприятий. Особый интерес для экологических исследований представляют Cd, Pb и Hg, относящиеся к металлам первого класса опасности. Содержание кадмия в почвах определяется химическим cоставом материнских пород. Среднее содержание Cd в почвах лежит между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв. Ежегодно в атмосферу выбрасывается свыше 25 тыс. т кадмия. Из-за несовершенства технологий производства минеральных удобрений выбросы ТМ в окружающую среду превышают проектные величины в 2-3 раза. В то же время при внесении органических удобрений в дозе 50 т/га в почву поступает: свинца –38, кадмия – 2,3 и никеля – 75 г/га. Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников с выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта, определенную долю вносят сельскохозяйственный сектор, а также природные источники (ветровая эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары). По некоторым оценкам, в результате природной эмиссии в атмосферу поступает в среднем 27 тыс. т свинца в год, а в результате антропогенной деятельности - 425 тыс. т в год. Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило, связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной металлургии.. Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют. Ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать от 10 м до 100-150 м. Это содержание асимметрично по отношению к поперечному профилю дороги, что находит свое отражение в растениях, лесные полосы вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зеленых насаждений. Так, по данным Министерства транспорта и коммуникаций Республики Беларусь по состоянию на 01.01.2010 он насчитывал 3433,0 тыс. автотранспортных средств (АТС), из которых 83,6% приходилось на автомобили По данным наблюдений за химическим загрязнением земель, проводимым в рамках НСМОС, в почвах обследованных за пятилетний период 44 городов Беларуси отмечено накопление тяжелых металлов. Из тяжелых металлов основными загрязняющими веществами выступают кадмий, цинк и свинец. Загрязнение почв кадмием характерно для 72% обследованных городов, цинком – 77%, свинцом – для 61% городов. Превышение допустимого уровня кадмия в 2 раза и более отмечено в 8 городах, цинка – в 14, свинца – в 9 городах. Медь в повышенных концентрациях встречалась на территории 4 городов . Содержание ТМ в атмосферном воздухе представлено в табл.1
Таблица 1.
Выбросы тяжелых металлов в атмосферу на территории Беларуси в 2008 г., т
Категория источника As Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn
Энергетика общего 0,07 0,19 0,03 0,12 0,05 22,95 2,40 10,52
пользования и про-
изводства тепла
Сжигание топлива 0,68 1,54 1,35 1,74 0,74 19,94 34,46 16,63
в обрабатывающей
промышленности
и строительстве
Сжигание топлива 0,05 0,04 0,18 0,41 0,00 0 ,13 0,34 3,81
в жилом секторе
Прочее стационар- 0,03 0,01 0,06 0,11 0,00 0,17 0,12 1,18
ное сжигание
топлива
Мобильные 0,00 0,04 0,18 1,05 0,00 1,75 3,50 0,35
источники
Химическая 0,24 0,03 0,68 0,17 0,00 0,23 0,04 24,43
Промышленность
Производство 0,27 0,88 7,80 10,53 0,02 1,26 21,90 306,91
металлов
Сжигание отходов 0,00 0,03 0,01 0,04 0,00 0,00 0,31 0,48
Прочие 0,00 0,00 0,11 0,09 0,00 0,09 0,02 0,01
Всего 1,34 2,75 10,40 14,26 0,81 46,51 63,09 364,31
В настоящее время на свалках находится до 1 млн. т свинца в отработанных аккумуляторах. Соединения ртути встречаются в фунгицидах (до последнего времени ртутьсодержащие соединения использовались для протравливания семян), при производстве бумаги и синтезе пластмасс. Отдельные соединения различаются по своей токсичности и устойчивости. Из всего количества ртути, которое человек получает с пищей, примерно половина приходится на продукты животного происхождения и одна треть - на растительную пищу. Всего в мире ежегодно производится 9000 тонн ртути, из них 5000 тонн впоследствии оказываются в океанах. В озере Вашингтон за последние 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз. Проходя через пищевые цепи, соединения ртути могут менять свою токсичность. Так, было установлено, что в США в одном озере, в которое фабрика спускала сточные воды, содержавшие связанную в форме неорганических соединений (мало токсичную) ртуть, эти ртутные соединения поглощались растениями (например, камышом), восстанавливались и затем уходили в атмосферу в виде элементарной (очень ядовитой) ртути в газообразном состоянии.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 2350; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!