Важкі метали, як забруднювачі біосфери

Важкі метали відіграють особливу роль у біосфері. Характерна риса їх розповсюдження в природних середовищах – досить значні коливання концентрацій. Знаходячись здебільшого у розсіяному стані, метали можуть утворювати локальні акумуляції, де їх концентрація у сотні разів перевищує середньопланетарні рівні. Їх видобування із земних надр та використання в індустріальних цілях, сільському господарстві зростають, що супроводжу-ється їх штучним розсіюванням у оточуючому середовищі. Внаслідок повітряного перенесення на великі площі стало дуже важко визначати фоновий рівень деяких мікроелементів у ґрунтах. Зазвичай забруднення важкими металами відзначається асоціаціями (принцип співнаходження), структура яких характерна для даної місцевості.

Нині важкі метали є одним з пріоритетних забруднювачів екосистем, зокрема агроекосистем. В умовах інтенсивного антропогенного впливу надходження їх в агроекосистеми перевищує захисні (буферні) властивості ґрунту. Це призводить до зниження врожайності та якості продукції рослин-ництва, робить її небезпечною для людей і тварин. У багатьох індустріальних районах світу з’явилися техногенні біогеохімічні зони з аномально високим вмістом у ґрунті важких металів. Певною мірою кожне велике місто є причиною виникнення великих біогеохімічних аномалій, небезпечних для людини. Загальновідоме нагромадження Плюмбуму і Цинку в зонах інтенсивного руху автотранспорту, уздовж автострад і в індустріальних центрах. Ґрунти урболандшафтів містять Плюмбуму в 10-20 разів більше, ніж ґрунти сільської місцевості.

Що ж ми розуміємо під терміном "важкі метали"? За технічною класифі-кацією до "важких металів" відносять елементи, питома маса яких понад 5 г/см³, або атомний номер більше 20. Для біологічної класифікації доцільніше брати за основу атомну масу. З цих позицій до "важких металів" відносять хімічні елементи з атомною масою понад 50 ат. од. Якщо виходити з цієї класифікації, важкими слід вважати 43 елементи з 84 металів Періодичної системи елементів. Серед цих 43 металів 10 мають нарівні з металевими властивостями ознаки неметалів (представники головних підгруп УІ, У, ІУ та ІІІ груп Періодичної системи елементів, які є р-елементами), тому більш точним був би термін "важкі елементи", але ми будемо користуватися загальноприйнятим терміном "важкі метали".

Таким чином до "важких металів" відносять більш як 40 хімічних еле-ментів. Число ж небезпечних забруднювачів, якщо враховувати токсичність, стійкість і спроможність накопичуватися у зовнішньому середовищі, а також масштаби розповсюдження вказаних металів, значно менше. Окремі з них, зокрема Купрум, Цинк, Бор, Молібден, Манган тощо, є необхідними елемен-тами живлення рослин, тобто належать до груп мікро- та ультрамікроеле-ментів, але в кількостях вище допустимого рівня є фітотоксикантами. Таким чином терміни "важкі метали" і "мікроелементи" відносяться до одних і тих же елементів, а застосування того чи іншого терміна зв’язано з їх концентрацією.

Існують і інші біологічні класифікації важких металів, які ґрунтуються на їх біохімічній поведінці і фізіологічній ролі, ступені токсичності для живих організмів, ступені біологічного поглинання тощо. В плані екологічних досліджень більш цікаві біогеохімічні класифікації елементів.

Потрапляючи до екосистем важкі метали постійно рухаються, переходя-чи з однієї форми в інші. Виділяються такі системи транслокації важких металів: повітря - ґрунт, ґрунт - вода, ґрунт – рослина, ґрунт – рослина – тварина, ґрунт – тварина – рослина – людина, ґрунт – рослина – людина.

Перш за все становлять інтерес ті метали, які найбільш широко й в значних об’ємах використовуються у виробничій діяльності і в результаті накопичення в біосфері являють собою серйозну небезпеку з точки зору їх біологічної активності й токсичних властивостей (див. таблицю). До них відносять Плюмбум, Меркурій, Кадмій, Цинк, Бісмут, Кобальт, Ніколь, Купрум, Станум, Стібіум, Ванадій, Манган, Хром, Молібден та Арсен. Три елементи (Меркурій, Плюмбум, Кадмій) вважаються найбільш шкідливими і підлягають першочерговому контролю в навколишньому середовищі.

Таблиця

Біогеохімічні властивості важких металів

Властивості	Cd	Co	Cu	Hg	Ni	Pb	Zn
Біохімічна активність	В	В	В	В	В	В	В
Токсичність	В	П	П	В	П	В	П
Канцерогенність	-	В-	-	В	-	-	-
Збагачення аерозолів	В	Н	В	В	Н	В	В
Мінеральна форма розповсюдження	В	В	Н	В	Н	В	Н
Органічна форма розповсюдження	В	В	В	В	В	В	В
Рухомість	В	Н	П	В	Н	В	П
Тенденція до біоконценрування	В	В	П	В	В	В	П
Ефективність накопичення	В	П	В	В	П	В	В
Комплексоутворююча спроможність	П	Н	В	П	Н	Н	В
Схильність до гідролізу	П	Н	В	П	П	П	В
Розчинність сполук	В	Н	В	В	Н	В	В

В – висока, П – помірна, Н – низька.

Важкі метали відносяться до групи неконсервативних елементів, тобто їх вміст у воді, ґрунті, активному та збродженому мулі залежить від темпера-тури, солевмісту, наявності неорганічних та органічних комплексоутворюва-чів, біологічної активності, пори року, величини рН тощо. У воді і ґрунті вони знаходяться в розчинній та дисперсній формах. Метали порівняно легко накопичуються в ґрунтах, але повільно і важко видаляються з них. Отже ґрунтовий покрив служить потужним акумулятором важких металів. Особливо міцно фіксуються важкі метали у верхньому гумусовому горизонті, який є найбільш родючим шаром. Збільшення валового вмісту важких металів в техногенно забруднених ґрунтах супроводжується зростанням кількостей рухомих форм даних елементів, що підвищує їх небезпеку для рослин і біоти.

Головним природним джерелом важких металів є породи (магматичні та метаморфічні) і породоутворюючі мінерали, на продуктах вивітрювання яких сформувався ґрунтовий покрив. Осадові породи, води океану, жива речовина – вже вторинні резервуари важких металів.

Надходження важких металів у біосферу внаслідок техногенного розсі-ювання здійснюється різними шляхами. Головними джерелами атмосферного забруднення є теплові електростанції (27%), підприємства чорної металургії (24,3%), підприємства з видобутку та переробки нафти (15,5%), транспорт (13,1%), підприємства кольорової металургії (10,5%), підприємства з видо-бутку і виготовлення будівельних матеріалів (8,1%), хімічна промисловість (1,3%). У ґрунтовому покриві найбільш потужні потоки важких металів виникають навколо підприємств чорної і кольорової металургії, причому понад 95% їх надходить в ґрунти у вигляді техногенного пилу, більша частина – у вигляді сухих осадів, а 15 – 25% - з атмосферними опадами.

Істотним джерелом забруднення ґрунтів металами є застосування добрив з шламів, що отримуються з промислових та каналізаційних очисних споруд, зрошення водами з підвищеним вмістом важких металів, вторинне забруднення внаслідок виносу важких металів з відвалів рудників та металур-гійних підприємств водними та повітряними потоками.

Локальне забруднення важкими металами спричинюють транспортні засоби. Вздовж автодоріг з високою інтенсивністю руху (10 – 20 тис. машин на добу) забруднення зазнає придорожня смуга на відстані до 200 м із переважанням Плюмбуму, що міститься в антидетонаційних присадках до бензину. Щороку з вихлопними газами автомобілів, що працюють на етилованому бензині викидається в грунт понад 250 тис. т Pb. З продуктами дизельного палива, мастильними матеріалами та відходами автопокришок у довкілля потрапляють Кадмій та Цинк. Розподіл важких металів вздовж шляхів залежить від інтенсивності та швидкості руху автотранспорту, напрямку вітру.. Максимальне забруднення ґрунтів спостерігається на відстані 7-10 м від дороги, а в зоні 30-80 м відмічається зниження врожайності і різке погіршення якості сільськогосподарської продукції.

До забруднювачів ґрунтів належать також мінеральні добрива і хімічні меліоранти, істотним недоліком яких є наявність в них баластних речовин, у тому числі токсичних елементів.

Щорічно в Україні з мінеральними добривами в ґрунт потрапляє до 2,2 тис. т Цинку, 1,4 тис. т Хрому, до 400 т Кадмію і Кобальту, 200 т Купруму, 180 т Плюмбуму тощо. Потрібно зазначити, що важкі метали у мінеральних добривах є природними домішками, що містяться в агрорудах. Тому кількість їх у мінеральних добривах залежить від вихідної сировини і технології її переробки.

Негативний вплив на природне середовище відбувається також внаслі-док фізико-хімічних властивостей мінеральних добрив, які, потрапляючи в ґрунт, проявляють себе як хімічно, фізіологічно, біологічно кислі/лужні і певним чином впливають на стан ґрунтово-вбирного комплексу, в першу чергу на такі показники, як рН ґрунтового розчину, направленість процесів синтезу та розпаду гумусових сполук, активність біохімічних, мікробіологічних та інших процесів, тим самим змінюючи рухливість міогенів та токсикантів і, як правило, активізуючи процеси міграції останніх в системі " добриво - ґрунт-рослина", " добриво – ґрунт - підґрунтові води".

Внесення азотних добрив сприяє збільшенню рухливості Mn, Fe, Zn, Cd в ґрунтах, практично не змінюється рухливість Cu і Ni, а рухливість Pb при цьому зменшується. Фосфорні добрива також зменшують рухливість важких металів у ґрунті за рахунок утворення важкорозчинних фосфатів металів. Калійні добрива меншою мірою чинять вплив на зміну доступності металів для рослин, ніж азотні чи фосфорні. Органічні добрива і вапно сприяють закріпленню важких металів у ґрунтах, тим самим зменшуючи доступність їх для рослин.

Аеротехногенне надходження важких металів в навколишнє середовище відбувається у формі органічних та неорганічних сполук у вигляді пилу і аерозолів, а також в газоподібній елементній формі (ртуть). Аерозольні домішки, що надходять у атмосферу, видаляються з неї шляхом природних процесів самоочищення. Важливу роль при цьому відіграють атмосферні опади. Відстань розповсюдження та рівні забруднення середовища залежать від потужності джерела, умов викиду та метеорологічних умов. З віддален-ням від джерела забруднення зменшення концентрації металів в атмосфері частіше відбувається за експонентою, внаслідок чого зона їх інтенсивного впливу невелика. Зона максимальних концентрацій металів у повітрі-до 2 км від джерела. В ній вміст металів у приземному шарі атмосфери в 100-1000 разів вище місцевого геохімічного фону, а в снігу — в 500-1000 разів. На відстані 2-4 км розташовується друга зона, де вміст металів у повітрі в 10 разів нижчий, ніж у першій. В третій зоні протяжністю 4-10 км лише окремі проби показують підвищений вміст металів.

Важкі метали не піддаються біодеградації й тому можуть накопичува-тися у всіх компонентах екосистем, тому постійне їх надходження у ґрунт призводить до формування зон підвищеної екологічної токсичності.

За ступенем можливого негативного впливу важких металів на ґрунт, рослини, тварин та людину виділяють три класи небезпеки: дуже небезпечні, небезпечні та мало небезпечні. До першого класу належать As, Cd, Hg, Pb, Zn, Cu, Se; до другого — Co,Ni, Sb, Mo, Cr; до третього — Ba, V, Mn.

Забруднення організму людини важкими металами небезпечне для здоров’я: знижується імунітет, порушується засвоєння мінералів, розвива-ються різні хвороби, людина передчасно хворіє. Вплив окремих металів на організм людини наступний:

Дата добавления: 2017-01-14