удк 504.054:574.24 воздействие тяжелых токсичных металлов на

Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
УДК 504.054:574.24
ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ ТОКСИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Е. Ю. Шачнева
Астраханский государственный университет,
г. Астрахань (Россия)
Тяжелые металлы относятся к числу распространенных и токсичных
загрязняющих веществ. Пути поступления данного класса веществ в водные объекты различны. Они широко применяются в различных областях
промышленности и жизнедеятельности человека, в связи с чем рассматриваемая тематика актуальна. В работе приведена общая характеристика веществ, их содержание в природных и промышленных объектах, ПДК веществ, степень их влияния на окружающую среду, человека, теплокровных
животных и водные организмы, сельскохозяйственные культуры, процессы самоочищения водоемов [1–19].
В таблице 1 приведены основные биогеохимические характеристики
некоторых токсикантов [20].
127
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
Таблица 1
Основные биогеохимические характеристики токсикантов
Свойство
Кадмий
Биохимическая активность
В
Токсичность
В
Канцерогенность
–
Обогащение аэрозолей
В
Минеральная форма распроВ
странения
Органическая форма распроВ
странения
Подвижность
В
Тенденция к биоконцентрироваВ
нию
Эффективность накопления
В
Комплексообразующая способУ
ность
Способность к гидролизу
У
Растворимость соединений
В
Время жизни
В
*В – высокая, У – умеренная, Н – низкая
Медь Ртуть
В
В
У
В
–
–
В
В
Никель
В
У
В
Н
Свинец Цинк
В
В
В
У
–
В
В
Н
В
Н
В
Н
В
В
В
В
В
У
В
Н
В
У
У
В
В
В
У
В
В
У
В
В
В
У
Н
Н
В
В
В
В
У
В
Н
Н
Н
В
Н
В
Н
В
В
В
Содержание в сточных водах производств
Содержание в воде соединений тяжелых металлов ухудшает состояние водных объектов, снижая показатели качества воды. Так, соединения
хрома – хромат и бихромат калия в концентрации 1 мг/дм3 придают воде
горький привкус интенсивностью в 3 балла; запах не ощущается даже в
концентрации 50 мг/дм3.
При недостаточной очистке сточных вод от цинка довольно большое
количество металла поступает в водоемы и осаждается на их дне. При концентрации цинка 2 мг/дм3 вода приобретает привкус, при 5 мг/дм3 появляются вяжущий привкус, опалесценция, пескоподобный осадок, при
30 мг/дм3 вода становится непригодной для питья по вкусу и приобретает
мутный молочный вид. Пороговой концентрацией цинка по органолептическим показателям следует считать 4 мг/дм3.
Половина всей поступающей со сточными водами ртути находится
во взвешенном состоянии, выпадает в осадок в отстойниках очистных сооружений и на дне водоемов. Пороговая концентрация ртути по влиянию
на органолептические свойства воды составляет 5 мг/дм3.
Растворимые соединения свинца при поступлении в водоемы со
сточными водами обычно содержатся в толще воды, а нерастворимые – во
взвешенном состоянии. Они не полностью осаждаются в отстойниках и
оседают на дно рек, при этом в бытовых сточных водах содержание свинца
128
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
составляет в среднем 0,48 мг/дм3. Металлический привкус воде придает
содержание металла в 2 мг/дм3.
Неосветленные сточные воды марганцеворудных обогатительных
фабрик содержат 20–35 мг/дм3 марганца, сточные воды свинцовоцинковых заводов – 1,0–1,2 мг/дм3. Марганец в концентрации 0,1 мг/дм3
делает воду мутной, а при концентрации более 0,5 мг/дм3 окрашивает воду
в темный цвет, при этом у нее появляется металлический привкус. Металл
оказывает мутагенное действие на теплокровных животных. Он токсичен
для рыб и низших водных организмов в концентрации 50 мг/дм3, при этом
из ряда соединений металла наиболее токсичен хлорид марганца.
Сточные воды металлургических предприятий содержат медь в следующих концентрациях: свинцово-цинковые заводы – 0,4–8,0 мг/дм3, оловянные заводы – 0,1 мг/дм3, молибдено-вольфрамовые заводы – в среднем
27,2 мг/дм3, никелево-кобальтовые заводы – 1,0–1,5 мг/дм3. Медь придает
воде неприятный привкус, окрашивает воду и снижает ее прозрачность.
Концентрация молибдена в сточных водах медеплавильного завода
составляет 0,0472 мг/дм3, обогатительной фабрики – 25–40 мг/дм3, завода
по обработке цветных металлов – 0,057 мг/дм3, в рудничных водах –
0,1–8,0 мг/дм3.
Соединения мышьяка не обнаруживаются органолептически в питьевой воде даже в явно токсических концентрациях. Даже в концентрации
100 мг/дм3 он не окрашивает воду, не изменяет ее прозрачности, не влияет
на запах и мало изменяет вкус.
В сточных водах свинцово-цинковых заводов кадмий содержится в
концентрациях от 1,5 до 5,0 мг/дм3, машиностроительных заводов – от 1,0
до 6,0 мг/дм3. При концентрации кадмия более 2 мг/дм3 вода становится
мутной, а при 25 мг/дм3 ощущается вяжущий привкус.
Влияние на человека, теплокровных животных и водные организмы
Соединения хрома оказывают на организмы теплокровных животных и человека общетоксическое, раздражающее, кумулятивное, аллергенное, канцерогенное и мутагенное действия. ЛД50 хрома (VI) для рыб –
30–50 мг/дм3. Для лососевых рыб опасна концентрация хрома (VI) даже
0,02 мг/дм3. ЛД50 хрома (III) для рыб – 117 мг/дм3.
Цинк и его соединения малотоксичны для людей и теплокровных
животных при поступлении в организм с пищей и питьевой водой. Концентрация цинка в питьевой воде 11,2–26,6 мг/дм3 переносится людьми без
всякого вреда для здоровья, минимальная летальная доза для теплокровных животных составляет: для хлорида цинка – 100 мг/кг, сульфата
цинка – 750 мг/кг массы. Имеются данные о мутагенном воздействии цинка на организм. Для рыб цинк во много раз токсичнее, чем для людей и те-
129
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
плокровных животных, и вредное действие проявляется намного раньше,
чем изменяются органолептические свойства воды.
Ртуть и ее соединения при поступлении в организм с питьевой водой
чрезвычайно токсичны для человека и теплокровных животных. Смертельная доза для человека в питьевой воде составляет 75–300 мг/сут. Ртуть
токсична для людей и в концентрации 0,005 мг/дм3, являясь кумулятивным
ядом. Концентрация ртути в воде 0,008 мг/дм3 оказывает токсическое действие на рыб.
При концентрации свинца в питьевой воде 0,042–1,0 мг/дм3 наблюдались случаи хронического отравления людей. Смертельная доза для морских свинок составляет: карбоната свинца – 1000 мг/дм3, оксида свинца –
2000 мг/дм3, хлорида свинца – 1500–2000 мг/дм3, нитрата свинца –
2000 мг/дм3.
Марганец предположительно оказывает мутагенное действие на теплокровных животных. Он токсичен для рыб и низших водных организмов
в концентрации 50 мг/дм3, наиболее токсичен хлорид марганца. Смертельная доза для человека составляет 10 г/кг. ЛД50 для теплокровных животных
при приеме внутрь составляет (на металл): хлорида меди – 140 мг/кг, нитрата меди – 340 мг/дм3.
Для человека молибден малотоксичен, и случаи отравления им при
поступлении внутрь с питьевой водой не описаны. Малотоксичен он и для
теплокровных животных. Безвредна концентрация металла и в 0,25 мг/дм3.
Для водорослей Gattus scenedesmus токсическая концентрация молибдата
аммония составляет 54 мг/дм3.
Соединения же мышьяка отличаются значительной токсичностью.
Для человека минимальная смертельная доза мышьяка составляет 130 мг.
Концентрация мышьяка в питьевой воде 0,3–1,0 мг/дм3 оказывает токсическое действие на людей при длительном поступлении в организм. Смертельная доза для теплокровных животных при приеме внутрь составляет в
среднем 9 мг/кг массы. При длительном действии для животных токсична
концентрация мышьяка в питьевой воде 0,5 мг/дм3.
Кадмий относится к числу сильно ядовитых веществ. Смертельная доза для человека составляет 150 мг/кг массы через 1,5 ч., для собак – 150–
600 мг/кг, мышей – 50–100 мг/кг, кроликов – 300–500 мг/кг массы. Содержание кадмия в крови и моче в концентрации более 0,02 мг/дм3 служит доказательством его поступления в организм в токсических дозах. Он способен накапливаться в печени, почках, поджелудочной и щитовидной железах.
Влияние на сельскохозяйственные культуры
Все рассматриваемые металлы оказывают отрицательное воздействие на и на сельскохозяйственные культуры. Так, концентрация хрома
5 мг/дм3 вредно действует на растения, при концентрации 10 мг/дм3 заметно выраженный хлороз, а при 15–50 мг/дм3 задерживается рост сельскохо130
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
зяйственных культур. При совместном действии с никелем вредное действие проявляется при концентрации хрома 2 мг/дм3.
Цинк в концентрациях 1 мг/дм3 и даже 0,1 мг/дм3 вредно действует
на сельскохозяйственные культуры, кумулируясь почвой, в связи с чем
сточные воды с избыточным содержанием металла непригодны для орошения растений из-за неизбежного обогащения почвы цинком.
Свинец также способен кумулироваться почвой и растениями. Он
токсичен для растений в концентрации более 5 мг/дм3.
Марганец способен оказывать токсическое воздействие на растения в
концентрации 2 мг/дм3, на бобовые – 1–10 мг/дм3, на рассаду апельсинов и
мандаринов – 5 мг/дм3, на томаты – 5–10 мг/дм3, на соевые бобы и лен –
10–25 мг/дм3.
Поступая со сточными водами в почву, медь кумулируется почвой и
растениями, оказывает на них вредное действие в концентрации 0,2 мг/дм3,
концентрация металла в 1 мг/дм3 приостанавливает рост гороха и ячменя, а
величина в 12 мг/дм3 приостанавливает рост овса.
Молибден в концентрациях 0,5–100 мг/дм3 вызывает аномальный
рост льна. На рост клевера и салата вредное действие он оказывает в концентрации 5 мг/дм3, а на соевые бобы – 10–20 мг/дм3. Небольшое токсическое действие на рост хлопка оказывает концентрация молибдена
25–35 мг/дм3, овса – 50 мг/дм3; сахарной свеклы – 40 мг/дм3 (молибдаты);
100 мг/дм3 молибдена вызывает хлороз, а 200 мг/дм3 – приостанавливает
рост овса.
Мышьяк также кумулируется почвой. На растения губительное действие оказывает мышьяковистая кислота в концентрации 3 мг/дм3 в пересчете на мышьяк. Вредное действие на рост корней и верхушек растений
оказывает арсенит натрия в концентрации 10 мг/дм3. Мышьяк токсичен
для растений при поливе при концентрации 0,5 мг/дм3.
Концентрация кадмия в воде 28 мг/дм3 при поливе причиняет вред
сахарной свекле. Хлорид, нитрат, сульфат кадмия в концентрации
50 мг/дм3 токсичен для растений.
Влияние на процессы самоочищения водоемов, очистка сточных
вод и влияние на очистные сооружения
Соединения хрома (III) и (VI) оказывают губительное действие на
флору и фауну водоемов, тормозя процессы самоочищения. Применяются
следующие методы: известкование, цементация, осаждение и нейтрализация щелочами, биологическая очистка, ионный обмен и обратный осмос.
Ртуть оказывает вредное действие на процессы самоочищения водоемов в концентрации 0,018 мг/дм3. Пороговая концентрация ртути по
влиянию на санитарный режим водоемов составляет 0,01 мг/дм3. Губительное действие на микрофлору очистных сооружений канализации ока-
131
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
зывается в концентрациях 2,5–5,0 мг/дм3. Она аккумулируется осадками
сточных вод.
Концентрация свинца 0,1 мг/дм3 тормозит биохимические процессы
самоочищения водоемов, а 0,5 мг/дм3 угнетает нитрификацию сточных
вод. Концентрация свинца 1 мг/дм3 губительно действует на аэробные бактерии. Из общего содержания свинца в сточных водах 50 % оседает в отстойниках, затрудняя сбраживание осадка. Токсическое действие на микрофлору сооружений биологической очистки оказывает концентрация
свинца в сточных водах 5 мг/дм3.
ПДК в питьевой воде по марганцу составляет 0,1 мг/дм3, в питьевой
воде для сельскохозяйственных животных – 0,05 мг/дм3, в водоемах: по
марганцу (IV) – 10 мг/дм3, марганцу (II) – 1,0 мг/дм3, в воде для кратковременного орошения устойчивых к марганцу почв – 20,0 мг/дм3, в сточных
водах, сбрасываемых в водоемы, – 1 мг/дм3.
Наиболее рациональные методы уменьшения сброса меди предприятиями в водоемы – технологические процессы с утилизацией металла в
производстве и уменьшением содержания ее в сточных водах. Механическая очистка применяется редко из-за малой эффективности и сложности
применения. Биологическая очистка, применяемая для общегородских
стоков, не дает достаточного эффекта. На сооружениях биологической
очистки из сточных вод извлекается 60 % меди, поэтому рекомендуется
доочистка стоков химическими и физико-химическими методами.
Концентрация молибдена в 5 мг/дм3 тормозит биохимические процессы самоочищения водоемов, 10 мг/дм3 – оказывает более резко выраженное действие на эти процессы, а 100 мг/дм3 – задерживает рост микроорганизмов. Для воды хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования установлена ПДК молибдена (VI) 0,5 мг/дм3 по санитарнотоксикологическому показателю. Эффект очистки сточных вод от молибдена составляет при применении химических методов 85 % (квасцы), извести – 12 %, физических методов – 72 %.
Мышьяк в концентрации 0,03 мг/дм3 заметно снижает БПК сточных
вод, а при 0,43 мг/дм3 – задерживает их на 10 %. Мышьяк оказывает токсическое действие на микрофлору сооружений биологической очистки сточных вод в концентрации более 0,7 мг/дм3. При концентрации мышьяка в
сточных водах более 1 мг/дм3 совместная очистка бытовых и промышленных сточных вод затрудняется. Из сточных вод других видов производства
мышьяк извлекают в основном химическими методами. Используются и физико-химические методы – адсорбция на активном угле, ионный обмен и др.
Концентрация кадмия 1–5 мг/дм3 вредно действует на очистные сооружения канализации, а 5,2 мг/дм3 снижает эффект очистки стоков на
фильтрах-перколяторах. В водопроводной системе, даже после осаждения
и фильтрования воды, содержание кадмия снижается лишь на 60 %. При
биологической очистке из сточных вод извлекается от 30 до 80 % кадмия.
132
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
Химическая очистка сточных вод от кадмия осуществляется добавлением
щелочи. На предприятиях цветной металлургии эффект очистки сточных
вод от кадмия известью достигает 98,93 %. Эффект очистки сточных вод
от кадмия обратным осмосом составляет 98–99 %, адсорбцией активным
углем – 99,7 %, осаждением, осветлением и фильтрованием через песок
удается снизить содержание кадмия от 0,7 до 0,08 мг/дм3.
Таким образом, тяжелые металлы являются серьезными загрязнителями окружающей среды, оказывающими неблагоприятное воздействие на
человека, животных, растения, а также на процессы самоочищения водоемов и работу очистных сооружений. В связи с этим исследования в данной области являются, несомненно, актуальными и сейчас.
Литература
1. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю. В. Алексеев. –
Л. : Агропромиздат, 1987. – 142 с.
2. Алыков, Н. М. Природные ископаемые ресурсы и экологические проблемы
Астраханского края / Н. М. Алыков, Н. Н. Алыков и др. ; под ред. Н. М. Алыкова. – Астрахань : Изд. дом «Астраханский университет», 2005. – 113 с.
3. Андрианов, В. А. Содержание тяжелых металлов в органах и тканях моллюсков дельты реки Волги / В. А. Андрианов // Экологический проблемы Волги : рег.
конф. – Саратов, 1989. – С. 138–139.
4. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А. М. Прохоров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Большая Российская энциклопедия, 1998.
5. Воробьев, В. И. Микроэлементы и их применение в рыбоводстве / В. И. Воробьев. – М. : Пищевая промышленность, 1979. – 165 с.
6. Бандман, А. Л. Вредные химические вещества. Неорганические соединения
элементов I–IV групп / А. Л. Бандман, Г. А. Гудзовский, Л. С. Дубейковская и др. – Л. :
Химия, 1988. – 512 с.
7. Бандман, А. Л. Вредные химические вещества. Неорганические соединения
элементов V–VIII групп / А. Л. Бандман, Т. Д. Греков, В. И. Давыдова и др. – Л. : Химия, 1989. – 592 с.
8. Баженов, В. А. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества
/ В. А. Баженов, Л. А. Булдаков, И. Л. Василенко и др. – Л. : Химия, 1990. – 464 с.
9. Грушко, Я. М. Вредные неорганические соединения в промышленных сточных водах / Я. М. Грушко. – Л. : Химия, 1979. – 160 с.
10. Каржавина, Л. А. Подбор водных растений и адаптация их к стокам сульфатцеллюлозного производства / Л. А. Каржавина, Л. Н. Толкачева // Совершенствование
технологий тарного картона и картонной тары. – М. : ВНИПИЭИ, 1986. – С. 146 154.
11. Лунгу, В. И. Влияние тяжелых металлов на болезнеустойчивость сельскохозяйственных растений (на примере белой гнили подсолнечника) / В. И. Лунгу,
М. В. Кауш, Р. М. Тома // Тяжелые металлы и радионуклеиды в агроэкосистемах : матер. науч.-практ. конф. – М., 1994.
12. Материалы к государственному докладу о состоянии окружающей природной среды РФ по Астраханской области за 1997, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 гг. (Подготовлено Комитетом природных ресурсов по Астраханской области).
13. Нестерова, А. Н. Воздействие ионов свинца, кадмия и цинка на клеточную
организацию мерестемы и рост корней проростков кукурузы : автореф. дис. … канд.
биол. наук / А. Н. Нестерова. – М. : Изд. МГУ, 1989. – 26 с.
133
Научный потенциал регионов на службу модернизации. Астрахань : АИСИ, 2012. № 2 (3). 170 с.
14. Основы общей промышленной токсикологии / под ред. Н. А. Толоконцева,
В. А. Филова. – Л. : Медицина, 1976. – 304 с.
15. Перцовская, А. Ф. Влияние тяжелых металлов на биосистемы почвы в зависимости от ее рН / А. Ф. Перцовская, Е. Л. Паникова, Н. Л. Великанов // Гигиена и санитария. – 1987. – № 4. – С. 14–17.
16. Роль микроэлементов в жизни водоемов / Академия наук СССР. Всесоюзное
гидробиологическое общество. – М. : Наука, 1980.
17. Соколов, О. А. Атлас распределения ТМ в объектах окружающей среды
/ О. А. Соколов, В. А. Черников. – М. ; Пущино, 1999. – 164 с.
18. Овчаренко, М. М. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение
/ М.М. Овчаренко. – М. : Химия, 1997.
19. Химия промышленных сточных вод / под ред. А. Рубина. – М. : Химия,
1983. – 360 с.
20. Веницианов, Е. В. Экологический мониторинг: шаг за шагом / Е. В. Веницианов и др. ; под ред. Е. А. Заика. – М. : РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. – 252 с.
134