Тяжелые металлы

Назад

Тяжелые металлы в окружающей среде городов*

Наибольшую опасность для состояния окружающей среды и здоровья человека представляет загрязнение воздушного бассейна. Перенос загряз­няющих веществ на большие расстояния осуществляется главным образом за счет общей циркуляции атмосферы. Поступающие в нее примеси могут распространяться воздушными потоками на расстояние от нескольких со­тен до нескольких тысяч километров. Так, например, тя­желые металлы в виде аэрозолей при среднем времени их пребывания в нижней тропосфере, равном 5 суткам, могут быть перенесены на расстоя­ние до3000 км, а в верхней тропосфере и на значительно большее расстоя­ние.

В вещественном составе атмосферных загрязнителей — оксиды угле­рода, серы, азота, тяжелые металлы, углеводороды, летучие органические соединения, пыль, радиоактивные элементы, болезнетворные микроорга­низмы и т.д. Удельный вес различных примесей в загрязнении окружаю­щей среды не является одинаковым. Существуют данные Баттелевского института о том, что в 1970–1971 гг. первое место во «вкладе» отдельных веществ в за­грязнение окружающей среды занимали тяжелые металлы (Новиков и др., 1978). Л.Г. Бондарев (Бондарев, 1984) приводит данные о вещественном составе золы ископаемого топлива. Так, в каменноугольной золе установ­лено наличие 70 элементов: в 1 т золы в среднем содержится по200 гцинка и олова,300 гкобальта,400 гурана, по500 ггермания и мышьяка, максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать10 кгна 1 т. Зола нефти содержит много ванадия, молиб­дена, никеля. Зола торфа — уран, кобальт, медь, никель, цинк, сви­нец.

Металлы содержатся в большинстве видов промышленных, энергетиче­ских и автотранспортных выбросов в атмосферу и являются индикаторами техногенного воздействия этих выбросов на окружающую среду (Ревич и др., 1990; Трофимов и др., 2002).

Негативное влияние тяжелых металлов на живые организмы и здоровье человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концен­траций, но и в отдаленных последствиях, связанных с их кумулятивным эффектом (Вредные…, 1988, 1989; Ревич и др., 1990; Протасов и др., 1995). Таким образом, тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняю­щим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.

В современной литературе существуют различные точки зрения о том, какие элементы можно отнести к тяжелым металлам. В химической и тех­нической литературе критериями для выделения тяжелых металлов служат их атомная масса и плотность. Так, в «Справочнике по элементарной хи­мии» под ред. А.Т. Пилипенко (Справочник…, 1977) к тяжелым металлам отнесены элементы Периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц и плотностью более 5 г/см3, т.е. боль­шей, чем у железа (Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sn, Sb, V, Hg и др.). Таких эле­ментов насчитывается 43. Десять из них наряду с металлическими свойст­вами обладают признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической системы, являющиеся р-элементами). Ю.В. Алексеев (Алексеев, 1987) предлагает считать тяжелыми металлы с атомной массой более 40.

В геоэкологии и природопользовании, кроме физико-химических, свойств элементов, учитывается их токсичность для живых организмов, стойкость и способность накапливаться во внешней среде. Ю.А. Израэль к тяжелым металлам, контроль за которыми необходимо производить в био­сферных заповедниках, относит Pb, Hg, Cd, As (Израэль, 1979). По реше­нию Целевой группы по выбросам тяжелых металлов (Европейская эко­номическая комиссия ООН), занимающейся сбором и анализом информа­ции о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, к тяжелым металлам отнесены Zn, As, Se и Sb. По классификации Н.Ф. Реймерса (Реймерс, 1990, 1992), тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3 и обладающих токсическим воздействием на живые орга­низмы. К таким Н.Ф. Реймерс относит Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных исследованиях геоэкологического характера к этому списку добавляются обычно Ag, W, Fe, Mn, V и некоторые другие элементы.

Суммируя сведения литературных источников, можно выделить сле­дующие свойства тяжелых металлов с геоэкологической точки зрения (Из­раэль, 1979; Реймерс, 1990, 1992; Никитин, 2000; Трофимов и др., 2002):

1. высокая биохимическая активность большинства тяжелых металлов;
2. токсичность – отрицательное воздействие на физиологические функ­ции организмов, состояние жизнеобеспечивающих природных сред всех тяжелых металлов в повышенных (токсических) концентрациях;
3. высокая кумулятивная способность (тенденция к биоконцентрирова­нию); трудность выведения из организма и окружающей среды;
4. высокая миграционная способность;
5. атомная масса выше 40, плотность более 5 г/см3.

Все загрязняющие вещества в соответствии под­разделяются на классы токсикологической опасности по степени вредного воздействия на здоро­вье человека (табл. 1).

 

Таблица 1. Классы опасности (токсичности) элементов (СанПиН 2.1.7.1287-03)

Класс опасности	Элементы
I	Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, 3,4–бенз(а)пирен
II	Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром
III	Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон

 

Антропогенные источники поступления в окружающую среду неко­торых тяжелых металлов и мышьяка приведены в таблице 2.

 

Таблица 2. Антропогенные источники поступления некоторых тяжелых металлов и мышьяка в окружающую среду (по Вредные…, 1988, 1989; http://sci.aha.ru/ATL/ra00.htm и др.)

Элемент	Источники поступления в атмосферу
Pb	Выбросы предприятий электроэнергетики, металлургии, машиностроения, металлооб­работки, электротехники, химии и нефте­химии, деревообрабаты­вающей и целлюлозобумажной, пищевой промышленности, пр-ва стройма­териалов, автотранспорта
Zn	Выбросы предприятий цветной металлур­гии, мусоросжигающих заводов, при исти­рании покрышек
Cu	Выбросы предприятий цветной металлур­гии (98,7% всех антропогенных выбросов Cu); сжигание этилированного бензина
Ni	Выбросы предприятий цветной металлур­гии (97% всех антропогенных вы­бросов Ni); сжигание топлива
Co	Сжигание топлива
Fe	Выбросы предприятий по производству стройматериалов
Mn	Выбросы предприятий черной метал­лургии (60% всех выбросов Mn), маши­ностроения и металлообработки (23%), цветной метал­лургии (9%), мелкие источники (сварочные работы и др.)
Cr	Выбросы предприятий черной и цветной металлургии (легирующие добавки, сплавы, огнеупоры), машиностроения (гальваниче­ские покрытия)
V	Выбросы предприятий электроэнергетики, черной металлургии, автотранс­порта
Ti	Выбросы предприятий
As	Сжигание топлива, выбросы предприятий электроэнергетики, по производ­ству строй­материалов

 

Эмиссия тяжелых металлов в составе техногенных выбросов в окру­жающую среду происходит, чаще всего, в виде их комплексов. Токсиче­ское воздействие комплексов на организмы зависит от состава комплекса, чувствительности организмов (общей и поэлементной), химической формы соединений и других факторов, определяющими являются пропорции микроэлементов, входящих в комплекс. Считается, что из различных соче­таний основных элементов в пыли, выбрасываемой заводами по выплавке цветных металлов, наиболее токсичным является сочетание Cd–Pb–Zn, промежуточное положение занимает Pb–Cu, наименее токсично сочетание Pb–Zn.

Дальность распространения и уровни загрязнения атмосферы зависят от мощности источника, условий выбросов и метеорологических парамет­ров. С удалением от источников загрязнения происходит рассеивание при­месей, вследствие чего зона их интенсивного воздействия, в которой имеет место превышение ПДК, сравнительно невелика. Выделяют несколько зон загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами в зависимости от удаления от источника загрязнения (Василенко и др., 1985):

• 0–2 км от источника — зона максимальных концентраций: содержа­ние ТМ в приземном слое атмосферы в 100–1000 раз выше местного геохи­мического фона, в снеге — в 500–1000 раз; водорастворимые соедине­ния составляют порядка 5–10%, основную массу выпадений образуют мелкие пылевидные частицы сульфидов и оксидов;
• 2–4 км — содержание тяжелых металлов в воздухе в 10 раз ниже, чем в первой зоне; относительное содержание водорастворимых со­единений возрастает;
• 4–10 км — повышенное содержание тяжелых металлов в отдельных про­бах.

По мере удаления от городов и промышленных территорий доля атмо­сферных выбросов снижается за счет поступления тяжелых металлов в со­ставе сточных вод, отходов, удобрений.

 

Воздействие тяжелых металлов на здоровье человека

Попавшие в окружающую среду соединения тяжелых металлов легко проникают в трофические цепи, накапливаясь в растительных и животных организмах; включаются в метаболические циклы и вызывают разнообраз­ные физиологические нарушения, в том числе на генетическом уровне. Для выведения тяжелых металлов из экосистемы до безопасного уровня требу­ется весьма продолжительный период времени при условии полного пре­кращения их поступления. Период полувыведения тяжелых металлов из организма человека обычно составляет многие месяцы.

Биологическая активность тяжелых металлов выводит данную группу загрязнителей на приоритетное место в мониторинговых исследованиях окружающей среды. Физиологическое действие тяжелых металлов на ор­ганизм человека и животных различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также интерва­лом концентраций, при которых возможна нормальная реакция обменных процессов.

Согласно теории пороговых концентраций В. В. Ковальского (Коваль­ский, 1982), организм поддерживает гомеостаз только в условиях опреде­ленных пределов изменчивости геохимической среды (табл. 3). Ниже кон­центрации, соответствующей нижней пороговой концентрации (недоста­точное поступление химических элементов в организм), и выше концен­трации верхнего порога (избыточное поступление химических элементов), функция гомеостатической регуляции нарушается.

За пределами нижних и верхних пороговых концентраций химических элементов наблюдаются биологические реакции организмов, возникают мутации, возможно изменение наследственной природы организма (Тро­фимов и др., 2002).

 

Таблица 3. Пороговые концентрации некоторых тяжелых металлов в почвах, млн-1 (по В. В. Ковальскому, 1982)

Элемент	Пороговая граница		Предел нормальной регуляции
	нижняя	верхняя
Zn	30	70	30–70
Сu	6–15	60	15–60
Со	2–7	30	7–30
Мn	400	3000	400–3000
Sr	–	6–10	0–10

 

Таким образом, тяжелые металлы всегда содержатся в живых организ­мах и в малых дозах (в пределах нормальной регуляции) участвуют в про­цессах жизнедеятельности, являясь активаторами и составной частью фер­ментов и гормонов (Ковальский, 1982; Протасов, 2001; Трофимов и др., 2002; Матвеева, 2005 и др.). В высоких концентрациях, превышающих пределы нормальной регуляции, тяжелые металлы становятся ингибито­рами ферментов, оказывают на организм токсическое, аллергическое, кан­церогенное действие; многие тяжелые металлы избирательно накаплива­ются в определенных органах и тканях, структурно и функционально на­рушая их (табл. 4). Доказано эмбриотоксическое действие токсикантов че­рез плаценту, а также их мутагенный эффект, т.е. тяжелые металлы оказы­вают воздействие на основополагающие функции живых организмов: вос­производство и биопродуктивность. В этом случае угроза создается не только для отдельных особей, но для целых популяций и поколений. Такие химические элементы, вызывающие отдаленные последствия, могут счи­таться экологически токсичными (Сает, 1990).

Развитие заболеваний может быть спровоцировано не только недостат­ком или избытком какого-либо химического элемента, но и их соотноше­нием. Так, заболевание эндемический зоб вызывается недостатком йода в орга­низме человека. Кроме того, на распространение болезни влияет сба­лансиро­ванность йода с кобальтом (норма I:Co=163,8:1) и кобальта с ме­дью (норма Cо:Cu=22,1:1). Уровская болезнь, проявляющаяся в ограниче­нии подвижно­сти суставов, изъязвлении хрящей, ограничении роста, де­формации костей, распространена в регионах, где в почвах отмечается де­фицит кальция и из­быток стронция и бария (норма Ca:Sr=5:1). Установ­лено, что глаукома встре­чается чаще там, где почвы богаты марганцем и стронцием и одновременно бедны барием, хромом, железом и кобальтом и т.д.

 

Таблица 4. Негативные воздействия повышенных (токсических) концентраций неко­торых тяжелых металлов и мышьяка на здоровье человека (по Беус и др., 1976; Уотсон, 1986; Протасов, 2001; http://sci.aha.ru/ATL/ra00.htm и др.)

Элемент	Негативные воздействия
Pb	Сатурнизм (свинцовое отравление): задержка синтеза протеина в крови (ане­мия), пораже­ние почек, головного мозга (снижение умственных спо­собностей, агрессивное поведение, конвульсии, бред, иногда сонливость, кома) и перифе­рической нервной системы (особенно нервов мышц), потеря слуха, задержка роста, разрушение костных тканей, параличи, боли в суста­вах, снижение реак­ций иммунной системы, нарушение функций сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта (боли в области живота, потеря аппетита, за­поры), снижение репродуктивной функции. Обладает способностью проникать через плаценту и накапливаться в грудном молоке Усиливает в 5 раз канцерогенный эффект углеводородов (бензапирена, бен­зола, винилхло­рида и др.). Повышает токсический эффект других металлов
Zn	Анемии. Повышает токсический эффект других тяжелых металлов
Cu	Интоксикации, анемии, гепатит, органические изменения в тканях, распад костной ткани
Ni	Дерматиты, экземы, витилиго, респираторные заболевания, астматические бронхиты, брон­хиальная астма, астено-невротические расстройства, нару­шение синтеза белка, ДНК и РНК, нарушение функций сердечно-сосуди­стой системы. Соединения Ni принадлежат к 1 группе канцерогенов: рако­вые заболевания полости рта, горла, легких, бронхов, почек, толстой и пря­мой кишки, сар­кома
Co	Токсический миокардит
Fe	При систематическом вдыхании воздуха, содержащего железосодержащую пыль, сидероз, пневмосклероз
Mn	Нейротоксические эффекты (утомляемость, сонливость, снижение быст­роты реакции, рабо­тоспособности, головокружение, депрессивные, подав­ленные состояния), прогрессирующее поражение ЦНС; пневмонии; нару­шение процессов кальцификации, внутренней структуры костей; токсикозы беременных; развитие идиотии у эмбрионов
Cr	Дерматиты, экземы, аллергические реакции; раздражение верхних дыха­тельных путей, аст­матические бронхиты, бронхиальная астма, диффузный пневмосклероз; астено-невротиче­ские расстройства (головная боль, сла­бость, диспепсия, потеря в весе и др.); нарушение функций желудка (гаст­рит, язвенная болезнь), печени (гепатит), поджелудочной железы Соединения Cr(VI) и Cr(III) — канцерогенны: рак легких, бронхов
As	Арсеноз (отравление мышьяком): блокада ферментных систем, накопление в тканях кислых продуктов обмена (общий ацидоз), нарушение тканевого дыхания; периферические нев­риты; расстройство сердечной деятельности; гемолиз, анемия; тромбоз; атрофия костного мозга; дегенеративные и нек­ротические процессы в тканях на месте контакта; нарушение функций же­лудка, печени Канцерогенен: рак легких, кожи. Мутагенный и тератогенный эффект: не вызывая генных мутаций индуцирует хромосомные аномалии
V	Местные воспалительные реакции кожи и слизистых оболочек глаз, верх­них дыхательных путей, скопление слизи в бронхах и альвеолах при острых воздействиях токсических доз. Астма, экземы, лейкопения, анемии, замед­ление роста, диарея
Sr	Патологии опорно-двигательного аппарата (остеопороз и др.)

 

Тяжелые металлы обычно накапливаются в живых организмах совме­стно. Установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздей­ствия. При синергизме эффект действия многократно усиливается (токсич­ность свинца усугубляется недостатком кальция). Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточных количеств первого приводит к уменьше­нию содержания последнего, отличающегося повышенной токсичностью. Токсичность тяжелых металлов зависит от форм нахождения их в окру­жающей среде. Особенно опасны металлоорганические соединения (тетра­этилсвинец и др.). Летучие элементы (мышьяк и др.) легко проникают в организм человека через органы дыхания. Особую опасность представляют тонкодисперсные твердые аэрозоли тяжелых металлов, которые широко распространены и задерживаются в легких человека, вызывая онкологиче­ские и другие заболевания (Трофимов и др., 2002).

 

Назад