Забруднення важкими металами земельних та водних ресурсів на території України

Вступ.

1. Джерела важких металів у довкіллі та форми існування.

2. Метали у воді.

3. Метали в ґрунті.

4. Використання біологічних індикаторів для визначення забруднення ґрунту важкими металлами.

Висновки.

Список використаної літератури.

Вступ

Важкі метали — нечітко визначена група елементів з металічними властивостями, що зазвичай включає перехідні метали, деякі металоїди, лантаноїди і актиноїди. Історично було запропоновано багато визнечень цього терміну, деякі засновані на густині, інші на атомному номері або атомній масі, ще інші на хімічних властивостях або токсичності[1]. У технічній доповіді IUPAC термін «важкі метали» був названий «безглуздим та збиваючим з толку» через суперечливі визначення та відсутність «гокерентної наукової основи» під ним[1]. Залежно від контексту, «важкими металами» можуть називатися навіть елементи, легші за вуглець, але не називатися деякі набагато важчі метали.

Важкі метали є не тільки в ґрунтах, але й в повітрі і в воді. В воду вони потрапляють з ґрунтів. В повітря, в основному при спалюванні різних складних речовин, до складу яких вони входять, наприклад при викидах газів автомобілями, тепловими електростанціями, заводами. [4].

Також ці речовини потрапляють в навколишнє середовище при викидах підприємствами гірничої промисловості залишків руд і т.д. важкі метали можуть міститися і в смітті, яке знаходиться на звалищах, наприклад в пластмасах. Адже для досягнення кращих якостей при виробництві пластмас, до їх складу добавляють різні хімічні доповнення. Це так звані стабілізатори, які захищають пластмаси проти високих температур і сонячного випромінювання. Вони є отруйними. Це фарбуючи речовини, інгібітори згорання (антипірен) і т.д. До них відносяться і важкі метали (свинець, ртуть, кадмій, бром, олово.

1. Джерела важких металів у довкіллі та форми існування

Умовно до групи важких металів зараховують метали з питомою вагою понад 4,5 г/см3. Це свинець, кадмій, ртуть, хром, мідь. Метали, а з-поміж них важкі метали, широко розповсюджені в природі, де перебувають звичайно у вигляді руд, рідше — елементів. Метали у вигляді чистих елементів скоріше за все не зумовлюють токсичної дії, оскільки є практично нерозчинними. Виняток становлять леткі метали, наприклад, випарування ртуті, які можуть проникати до організму через дихальний апарат або шкіру. Токсичні властивості виявляють сполуки металів, які є легко розчинними і сильно дисоціюють. Розчинення і дисоціація полегшують проникнення токсинів через тканні оболонки до організму.

Подібно до діоксинів, мова про які піде нижче, майже 70 % токсичних металів потрапляє до організму разом із їжею, а оскільки сьогодні саме продукти харчування є предметом інтенсивної міжнародної торгівлі, то об'єднана комісія ФАО (продовольчої організації) і Всесвітньої Організації Охорони Здоров'я (ВОЗ) із Харчового Кодексу (Codex Alimentarius) включила до складу харчових компонентів, які зазнають контролю під час міжнародної торгівлі, вісім найбільш небезпечних токсичних елементів: ртуть, кадмій, свинець, миш'як, мідь, олово, цинк, залізо. У Росії до них додали ще сім: сурма, нікель, хром, алюміній, селен, фтор, йод (хоча три останні взагалі не є металами).

Важкі метали та їхні сполуки розпорошені природним способом у навколишньому середовищі. Говоримо тоді про наявність так званого фону (табл. 1) [5, c. 85-86].

Значення концентрацій, які є вищими від фонових, свідчать про забруднення навколишнього середовища. Головним джерелом забруднення навколишнього середовища важкими металами є різні галузі промисловості. Так, хімічна промисловість (виробництво барвників, засобів захисту рослин, пластмаси, красильна справа) є джерелом забруднень As, Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Pb, Se, Sr, Sn, Ті, Zn. Целюлозно-паперова промисловість постачає до навколишнього середовища такі метали, як Cr, Cu, Hg, Ni, Zn, Pb; електрохімічна промисловість — Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Se, Ті, V, W, Zn; металургійна промисловість — Fe, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Zr; керамічна промисловість — Cr, Ni, Cu, Co, Pb, Sr. Значним джерелом важких металів є електро- і теплоелектростанції. В останньому випадку комплекс важких металів, що потрапляють до навколишнього середовища зі стоками, із виділенням газів і пилу, з твердими відходами, залежить значною мірою від виду палива, що переробляється, тобто вугілля, нафти, газу і т. ін. [7, c. 71-72]

2. Метали у воді

Мікрозабруднення у вигляді важких металів у водному середовищі виступають у вигляді розчинів, колоїдів і суспензії. У розчинному вигляді виступають вільні гідрат-іони, прості неорганічні й органічні комплекси. Діаметр цих форм не перевищує 0,001 им. Іони металу, пов'язані із складними, багатомолекулярними органічними лігандами, що мають розмір частинок у діапазоні 0,001-0,01 им, утворюють колоїдні форми. Іони металів, адсорбовані на частинках колоїдних міцел або органічних частинках розміру 0,01-0,1 цм, утворюють суспензії. Седиментаційні суспензії входять до складу мулу. У табл. 2 наведено приклади різних форм металів.

Для важких металів дуже розповсюдженою формою існування є комплекси як з органічними, так і з неорганічними лігандами. Вважається, що близько 90 % свинцю, алюмінію, хрому виступає у вигляді комплексних сполук (табл. 3). Цей факт має істотне значення для біохімічних процесів і токсичності іонів металу. Звичайно більш токсичними є вільні іони (гідрат-іони) металів, ніж комплексні форми.

Форми існування важких металів у водному середовищі залежать від низки фізико-хімічних рівноваг, з-поміж яких варто виділити:

· реакції утворення комплексів;

· реакції гідролізу;

· реакції окислення і відновлення;

· процеси адсорбції і десорбції;

· реакції витиснення і розчинення [12, c. 68-69].

Звичайно після розчинення у воді іони металів виступають у вигляді гідрат-іонів, що є комплексними акваіонами, наприклад, іон заліза у вигляді [Fe(H20)6]+3. Часточки води, які виконують роль слабких лігандів, заміщуються більш сильними лігандами, що присутні у складових компонентах природних вод або у їхніх за бруднювачах. Оскільки аквакомплекси є так званими лабільними комплексами, швидкість заміщення лігандів є значною. За проміжок часу менший ніж 1 хв наступає повне заміщення лігандів у сфері координації іону металу. На місці часточок води впроваджуються нові ліганди: карбонатні, гідрокарбонатні, хлоридні, гідроксильні групи та ін. Кількісним шляхом нові комплекси можна охарактеризувати за допомогою цілих констант міцності, Рп:

де: M- іон металу, L- ліганд.

Наприклад, ртуть у вигляді іону Hgу воді утворює низку галогенових комплексів, реакції утворення яких можна представити так:

У вищенаведених рівняннях для простоти запису опущено часточки води як ліганди. Порівняння кількісних значень, а точніше кажучи, значень логарифмів констант міцності комплексів з тим самим центральним іоном і з різними лігандами дає змогу оцінити, які з них є міцнішими. Наприклад, міцність комплексів іону діаміну срібла [Ag(NH3)2]+ описує константа (3 = 1,62-107, у той час як міцність комплексу діціаніду срібла [Ag(CN)2] описує константа (3 = 1,00'1021, що свідчить про значно сильніші комплексотворчі влас- тивості іону ціаніду. Метали утворюють комплексні сполуки як з природними складовими (гумусові речовини, гідрокарбонати), так і з речовинами, що потрапляють до вод разом із стоками, зокрема промисловими. Такими комплексними речовинами є EDTA(ети-лендіамінотетраоцтова кислота, англ. ethylendiaminetetraaceticacid) і NTA(нітротриоцтова кислота, англ. nitrotriaceticacid). Обидві речовини мають відношення до виробництва миючих засобів. Нітротриоцтова кислота утворює дуже міцні комплексні сполуки (logpCuNTA=13,0; logppbNTA=11,8), пов'язуючи незвичайно міцні іони металів [11, c. 106-107].

Здатність утворення комплексних сполук, як і багатьох інших хімічних рівноваг, залежить від рН. У табл. 5 зіставлені приклади зміни концентрацій окремих форм комплексів Си на фоні змін рН.

3. Метали в ґрунті

Джерелом важких металів у ґрунтах є:

а) материнська порода;

б) атмосферні опади (пил, дощі);

в) біологічний матеріал — органічні речовини.

Залежно від роду джерела і властивостей важких металів у ґрунті розрізняються два типи важких металів:

1) літогенні, тобто пов'язані з матеріалом материнської породи;

2) антропогенні, тобто такі, що потрапляють до ґрунту внаслідок діяльності людини.

У другому випадку дуже суттєвими є адсорбційні властивості ґрунту. Вони зумовлені його специфічною будовою: в його складі міцели мінеральних або органічних колоїдів і ґрунтовий розчин. Міцели ґрунтових колоїдів звичайно мають від'ємний заряд, що полегшує обмінну адсорбцію осадження іонів важких металів із ґрунтового розчину до дифузійного шару міцели. Адсорбційні властивості міцели залежать як від типу і будови колоїду, так і від природи катіону. Найбільша адсорбційна здатність, що окреслюється так званою адсорбційною ємністю (загальна кількість катіонів, яка на дифузійному шарі виражається в міліеквівалентах, м. е., на 100 г ґрунту), властива органічним колоїдам (табл. 6).

Залежно від вмісту органічної речовини в ґрунті, в ньому, внаслідок змін адсорбційної здатності, змінюється вміст важких металів, що його визнано за природний (табл. 2.9 і 2.10). Адсорбційні здатності катіону зростають разом із його валентністю і залежать від радіусу іону металу в безводному і у водному стані. Найбільш зв'язаними є катіони тривалентні, наприклад, Fe3+, Al3+, а найменш зв'язаними — одновалентні. Сила адсорбції катіонів однакової валентності зростає разом із збільшенням діаметру катіонів у водному стані [14, c. 351-352].

На загальну адсорбційну ємність ґрунту впливають можливість обмінної адсорбції, що виникає з ізоморфного заміщення іонів, незалежно від рН, а також можливість додаткової адсорбції, що пов'язана з дисоціацією протонів активних груп. Останній із зазначених процесів значною мірою залежить від рН, тобто від кислотності ґрунту. Унаслідок зростаючої кислотності ґрунтів під впливом антропогенних процесів зростає участь кислотних ґрунтів із рН ґрунтового розчину нижче 4,65. У таких ґрунтів змінюються адсорбційні здатності, що призводить до зростання концентрації в ґрунтовому розчині деяких форм важких металів, таких, як прості катіони [А1(Н20)6]3+, [Mn(H20)6f, [РЬ(Н20)4]2+.

Катіони, адсорбовані до дифузійного шару колоїду, зазнають обміну з катіонами ґрунтового розчину:

Легкість і швидкість обміну катіонів залежить від типу інших катіонів в адсорбційному комплексі, а також від типу аніонів, присутніх у ґрунтовому розчині. Більш легкого звільнення з адсорбційного комплексу зазнають катіони, що утворюють важко розчинні або леткі сполуки з аніонами, присутніми в ґрунтовому розчині. Отже, процеси адсорбції супроводжуються процесами осадження -розчинення солей іонів важких металів і значно рідше — процесами окислення. Присутність іонів Н7 у ґрунтовому розчині зумовлює величину окислювально-відновного потенціалу ґрунту, величина якого визначає перебіг окислювально-відновної реакції іонів важких металів. Значна частина відновних реакцій у ґрунті протікає з участю мікроорганізмів. Прикладом відновної реакції можуть слугувати такі реакції:

Продукти вищенаведених реакцій, прості катіони металів, у присутності органічних речовин (гумусових сполук) здатні утворювати хелатні сполуки. Здатність до творення хелатних сполук з боку органічних лігандів змінюється за такою послідовністю:

Для іонів металів здатності до творення комплексів змінюються за такою послідовністю:

Частина хелатів розчиняється у воді та, утворивши у цій формі комплекс із важкими металами, засвоюється рослинами через кореневу систему.

Під час реакцій іонів важких металів у ґрунтовому середовищі функцію специфічних каталізаторів виконують ґрунтові мікроорганізми. Вони є необхідними в специфічних реакціях творення металоорганічних сполук, наприклад, алкільних сполук ртуті або миш'яку (CH3Hg+, C2H5Hg+, (CH3)2As). Метил — або загалом алкілртуть і алкіл-миш'як є достатньо стабільними сполуками, що відіграють суттєву роль в гідробіологічному циклі тих елементів.

Варто зауважити, що реакції алкілування (метилювання) також протікають у мулі, де з огляду на зміну розчинності новоутвореної сполуки (алкільні сполуки добре розчиняються) зумовлюють нове проникнення іонів металів до водної маси. Отже, іони важких металів у ґрунті можуть виступати у вигляді як форм лабільних (активних, рухомих), так і форм нелабільних. Форми лабільні, рухомі складаються з іонів металів, що присутні в ґрунтовому розчині і обмінно адсорбовані ґрунтовими колоїдами [9, c. 253-254].

4. Використання біологічних індикаторів для визначення забруднення ґрунту важкими металлами

В екологічних дослідженнях з потенційно токсичними речовинами вивчаються умови переходу організмів від зони комфорту до зони песимуму і загибелі при зміні концентрації цих речовин як лімітуючого фактора середовища. До таких речовин належать хімічні елементи зі щільністю понад 5 г/см3. У зоні комфорту й оптимуму хімічні елементи, про які йдеться, нами пропонується розглядати як мікроелементи необхідні для життя; у зоні песимуму — як важкі метали — потенційні токсиканти (рисунок).

Виходячи з вищесказаного у дослідженнях, пов'язаних з екологічним нормуванням важких металів у грунті, головним показником рівня небезпечної дії має бути відповідна реакція ґрунтової біоти: зміна загальної кількості мезофау-ни, сапрофітної мікрофлори, активність протікання біохімічних процесів тощо. Враховуючи це, пропонується екологічне нормування важких металів у грунті проводити за показниками зміни біологічної активності ґрунтового біоценозу і часом відновлення його попереднього стану (табл. 1). В основу такого підходу було покладено розробки R. Anon [2].

Для оцінки впливу хімічних речовин на наземні, водні та грунтові екосистеми багатьма дослідженнями встановлено різноманітні біоіндикаторні тест-системи, окремі з яких було використано у наших дослідженнях [1, 3].

У польовому досліді відділу екотоксикології Інституту агроекології та біотехнології УААН, проведеному на базі Чернігівського інституту АПВ, вивчали чутливість різних біоіндикатор-них тест-систем щодо забруднення грунту важ-кими металами. Схема досліду передбачала створення штучних рівнів забруднення грунту важкими металами відповідно до існуючих ГДК за валовими формами — 0,5; 1 і 5 ГДК Cd, Pb, Zn, Си. Грунт — дерново-середньо-підзолистий супіщаний. Вивчали вплив важких металів на нітрифікаційну здатність ґрунту, яка є опосередкованим показником активності бактерій роду Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosospira і Nitrobacter (метод Кравкова), активність біохімічних процесів за показниками ферментативної активності ґрунту — група оксидаз (метод Галстян), токсичність ґрунту стосовно проростків пшениці (Triticum) [1], активність розкладання у ґрунті сечовини [3].

Встановлено, що експрес-метод визначення біологічної активності за швидкістю розкладання у ґрунті сечовини мікроорганізмами, який пропонується Т.В. Аристовською і М.В. Чугуновою [3], у наших умовах був малопридатним для оцінки негативного впливу на грунт важких металів: різниця між варіантами була за межею суттєвої.

Встановлення токсичності ґрунту за показниками розвитку зернівки пшениці (І етап органогенезу за Ф.М. Куперманом) виявилося можливим лише при високому рівні забруднення ґрунту: 5 ГДК Cd, Pb, Zn, Си. У цьому випадку спостерігалося пригнічення розвитку первинного (зародкового) коріння. При менших рівнях забруднення (0,5—1 ГДК) на початкових етапах онтогенезу відбувалася активізація росту зародкового коріння і пагона з колеоптилем, тобто важкі метали в даному випадку виконували роль мікроелементів.

Найчутливішими до забруднення важкими металами виявилися такі показники стану ґрунтової екосистеми, як нітрифікаційна здатність грунту та його ферментативна активність. Нітрифікаційна здатність грунту зменшувалася на 59,8—97,8% порівняно з фоном при збільшенні рівня забруднення від 0,5 до 5 ГДК. Ферментативна активність ґрунту була менш чутливим показником, але при збільшенні рівня забруднення також відбувалося істотне зниження кількості пероксидази і поліфенолоксидази щодо фону — відповідно на 15,1—64,1 і 25,8—82,7%. Отже, серед тест-систем, які вивчали, ґрунтові бактерії, що беруть участь у процесах нітрифікації, можна віднести до групи стенобіонтів стосовно лімітуючого фактора — важких металів, і за показниками зниження їх активності проводити екологічне нормування стану досліджуваного ґрунту з визначенням ступеня впливу токсикантів на ґрунтову екосистему.

Літературні дані і результати наших досліджень доводять, що екологічне нормування впливу важких металів на грунт потребує розробки певної системи показників на різних рівнях організації життя: молекулярному (біохімічні процеси), онтогенетичному (толерантність організмів на певних стадіях онтогенезу), біогеоценотичному (зміни кількості окремих видів організмів в ґрунтових екосистемах) та ін. Це дасть змогу об'єктивно оцінювати деградацію ґрунтових екосистем при антропогенному забрудненні та своєчасно запобігати негативним процесам, які можуть при цьому виникати[13, c.192-194].

Висновки

Роблячи висновки потрібно сказати, що в нормі важкі метали знаходяться в ґрунтах, воді, повітрі у невеликих кількостях. Але людина своєю діяльністю сприяє потраплянню великих кількостей солей цих металів і цим самим забруднює навколишнє середовище. Це спричиняє накопичення важких металах на кожному рівні ланцюгів живлень все більших кількостей цих металів в живих організмах тому, що вони не виводяться або важко виводяться з організмів.

Важкі метали потрапляють в навколишнє середовище при роботі заводів гірничодобувної промисловості, видобутку нафти, оскільки вони містяться і в нафті, з автомобільними викидами переробленого пального, з сміття, яке накопичується на звалищах і т.д.Деякі джерела визначають «важкі метали» як «звичайні перехідні метали, такі як мідь, свинець і цинк, що можуть викликати забруднення навколишнього середовища з численних джерел, включаючи присутність в нафті, промислові викиди та кислотні дощі». Існує також практично синонімічний термін «токсичні метали», для якого також не існує чіткого визначення.

Список використаної літератури

1. Безпека життєдіяльності: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів ІІІ-ІV рівнів акредитації/ Юрій Скобло, Тетяна Соколовська, Дмитро Мазоренко,. — К.: Кондор, 2003. — 420 с.

2. Безпека життєдіяльності: Навчальний посібник/ Юрій Скобло, Валентин Цапко, Дмитро Мазоренко, Леонід Тіщенко,; Ред. В. Г. Цапко. — 4-те вид., перероб. і доп.. — К.: Знання, 2006. — 397 с.

3. Воронцова Т. Основи безпеки життєдіяльності/ Тетяна Воронцова, Ігор Репік,. — К.: Алатон, 2003. — 128 с.

4. Гайченко В. Основи безпеки життєдіяльності людини: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів/ Віталій Гайченко, Григорій Коваль, Євген Буравльов,; Міжрегіональна академія управління персоналом. — 3-є вид. переробл. і допов.. — К.: МАУП, 2006. — 425 с.

5. Геврик Є. Безпека життєдіяльності: Навч. посібник для студентів вищих навч. закладів/ Євген Геврик,; Мін-во освіти і науки України. — К.: Ельга-Н: КНТ, 2007. — 382 с.

6. Дуднікова І. Безпека життєдіяльності: Навч. посібник/ Ірина Дуднікова,; Європейський ун-т. — 2-е вид., доп.. — К.: Вид-во Європейського ун-ту, 2003,, 2006. — 267 с.

7. Желібо Є. Безпека життєдіяльності: Навч. посібник для студентів вищих навч. закладів/ Євген Желібо, Нелі Заверуха, Віктор Зацарний; За ред. Євгена Желібо. — 4-е вид.. — К.: Кара-вела, 2005. — 341 с.

8. Збірник нормативних документів з безпеки життєдіяльності: М-во освіти і науки України; Упор.: Микола Васильчук, Наталія Дуброва,. — 2-е вид., перероб. і доп.. — К.: Основа, 2004. — 875 с.

9. Миценко І. Безпека життєдіяльності: організаційно-економічні та соціальні аспекти управління: монографія/ Іван Миценко,; Ред. О. І. Амоша; Національна Академія Наук України, Інститут економіки промисловості . — Донецьк: ІЕП НАН України, 2004. — 380 с.

10. Омельченко Л. Основи безпеки життєдіяльності: Підручник для 9 класу загальноосвітньої школи/ Лідія Омельченко,. — Х.: Ранок: Веста, 2003. — 126 с.

11. Пістун І. Безпека життєдіяльності: Навчальний посібник/ Ігор Пістун,; Худ.: К. І. Мозгова, В. Б. Гайдабрус. — 2-ге вид.,стер.. — Суми: Університетська книга, 2003. – 300 с.

12. Ткачук А. Безпека життєдіяльності: Курс лекцій: Навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів/ А. І. Ткачук, С. О. Кононенко; кіровоградський державний педагогічний ун-т ім. Володимира Винниченка . — Кіровоград: Б. в., 2006. — 199 с.

13. Яремко З. Безпека життєдіяльності: Навч. посібник/ Зіновій Яремко,; М-во освіти і науки України, ЛНУ ім. І. Франка. — К.: Центр навчальної літератури, 2005. — 317 с.

14. Ярошевська В. Безпека життєдіяльності: Підручник/ Віра Ярошевська,; М-во науки та освіти України, Укр. держ. ун-т водного госп-ва та природокористування . — Київ: ВД "Професіонал", 2004. — 559 с.