Некоторые знакомые химфизики при упоминания кадмия сразу закатывают глаза - мол, страшная дрянь, непередаваемая.
Интересно разобраться.
Физиологическое действие
Соединения кадмия ядовиты. Особенно опасным случаем является вдыхание паров его оксида (CdO). Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м3 окиси кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м3 является смертельным. Кадмий является канцерогеном .
В качестве первой помощи при остром кадмиевом отравлении рекомендуется свежий воздух, полный покой, предотвращение охлаждения. При раздражении дыхательных путей - тёплое молоко с содой, ингаляции 2 %-ным раствором NaHCO3. При упорном кашле - кодеин, дионин, горчичники на грудную клетку, необходима врачебная помощь. Противоядием при отравлении, вызванном приёмом внутрь кадмиевых солей, служит альбумин с карбонатом натрия.
Острая токсичность
Пары кадмия, все его соединения токсичны, что связано, в частности, с его способностью связывать серосодержащие ферменты и аминокислоты.
Симптомы острого отравления солями кадмия - рвота и судороги.
Хроническая токсичность
Кадмий - кумулятивный яд (способен накапливаться в организме).
Санитарно-экологические нормативы
В питьевой воде ПДК для кадмия 0,001 мг/дм³ (СанПиН 2.1.4.1074-01).
Вот кто бы сказал: это для кадмия в любом виде, в любых соединениях?
Механизм токсического действия
Механизм токсического действия кадмия заключается, по-видимому, в связывании карбоксильных, аминных и особенно сульфгидрильных групп белковых молекул, в результате чего угнетается активность ферментных систем. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.
Кадмий в норме в небольших количествах присутствуют в организме здорового человека. Кадмий легко накапливается в быстроразмножающихся клетках (например в опухолевых или половых). Он связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их. Он изменяет активность многих гормонов и ферментов. Это обусловлено его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы.
И тут тоже вопрос: в норме в каких именно количествах содержится в организме, и в каком виде?
40 % производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы.
Около 20 % кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых), нормальных элементах Вестона, в резервных батареях (свинцово-кадмиевый элемент, ртутно-кадмиевый элемент) и др.
Около 20 % кадмия используется для производства неорганических красящих веществ (сульфиды и селениды, смешанные соли, например, сульфид кадмия - кадмий лимонный).
Используют кадмий для получения пигментов (~ 20%) и спец. припоев, полупроводниковых материалов, стабилизаторов (~ 10%) пластмасс (напр., поливинилхлорида) , как компонент антифрикционных, легкоплавких и ювелирных сплавов, для изготовления регулирующих и аварийных стержней ядерных реакторов.
Пары кадмия и его соед. токсичны, причем кадмий может накапливаться в организме. Симптомы острого отравления солями кадмия рвота и судороги. Растворимые соед. кадмия после всасывания в кровь поражают центр. нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хронич. отравление приводит к анемии и разрушению костей. ПДК (рекомендованная) в сточных водах для солей 0,1 мг/л, в питьевой воде 0,01 мг/л.
Тут ПДК (это по идее еше советские нормативы) даже для питьевой воды на порядок мягче - если не опечатка.
Кадмий является одним из редких рассеянных элементов. Он мигрирует в горячих подземных водах с цинком и прочими элементами, подверженными к образованию природных сульфидов, теллуридов, сульфидов и сульфосолей и концентрируется в гидротемальных отложениях. В вулканических породах кадмий содержится в количестве до 0.2 мг на кг, в осадочных породах, в частности, в глинах – до 0.3 мг/кг, в известняках 0.035 мг/кг, в почве до 0.06 мг/кг.
Как кадмий поступает в воду?
Поступление кадмия в природные воды обусловлено процессом выщелачивания почв, медных и полиметаллических руд, в процессе разложения водных организмов, накапливающих кадмий. Растворенные формы кадмия- это органо-минеральные и минеральные комплексы. Сорбированные соединения кадмия представляют собой его основную взвешенную форму. Большая часть кадмия мигрирует в составе клеток гидробионатов.
Чем опасен кадмий в воде?
Кадмий является одним из наиболее токсичных тяжелых металлов. Российский СанПин присвоил ему статус «высокоопасных веществ», 2-й класс опасности. Наряду со многими другими тяжелыми металлами, кадмий способен накапливаться в организме. Понадобится от 10 до 35 лет для его полувыведения. В теле 50-летнего человека кадмий может содержаться в количестве от 30 до 50 г. Основные места накопления кадмия- почки, от 30 до 60% всего количества, и печень, от 20 до 25%. Оставшийся кадмий содержится в поджелудочной железе, трубчатых костях, селезенке, других тканях и органах.
Избыток кадмия при поступлении в организм может стать причиной развития гипертонии, поражения печени, анемии, эмфиземы легких, кардиопатии, деформации скелета, остеопороза. Соединения кадмия крайне опасны. Действие кадмия выражается в угнетении активности некоторых ферментных систем вследствие блокированияаминных, карбоксильных и SH-групп белковых молекул, а также ряда микроэлементов. При продолжительном воздействии кадмий провоцирует поражение легких и почек, ослабление костей.
Основные симптомы кадмиевого отравления:
- Поражение центральной нервной системы;
- Белок в моче;
- Острые боли в костях;
- Дисфункция половых органов;
- Камни в почках.
Любая из химических форм кадмия представляет опасность. Согласно оценкам ВОЗ летальная разовая доза кадмия составляет от 350 до 3500 мг. Характерная особенность кадмия – долгое время удержания: в течение одних суток из организма человека выводится лишь 0.1% дозы.
Показателен пример с заболеванием «итай-итай», впервые отмеченным в 1940-х годах в Японии. У больных наблюдались сильные боли в мышцах (миалгия), повреждения почек, деформации скелета и переломы костей. В течение 15-30 лет от хронического отравления кадмием погибли около 150 человек. Причиной отравления стало орошение соевых плантаций и рисовых чеков водой из реки Дзингу, в которой содержался кадмий из стоков цинкового рудника. В результате исследований выяснилось, что в организм заболевших кадмий поступал в количестве 600 мкг в сутки. Одни из основных продуктов питания японцев – это рис и морепродукты, а учитывая способность этих продуктов к накоплению кадмия в высоких концентрациях, заболевание получило тяжелый массовый характер.
Для острого пищевого отравления кадмием с водой достаточно разовой дозы в 13-15 мг. В данном случае появляются признаки острого гастроэнтерита: судороги и боли вэпигастральной области, рвота.
Предельно допустимая концентрации кадмия в воде
Согласно российским СанПин 2.1.4.1074-01 предельно допустимая концентрация кадмия составляет 0.001 мг/дм.куб. В странах ЕС эта цифра составляет 0.005 мг/дм.куб.
Методы очистки воды от кадмия
Очистка воды от кадмия считается одной из наиболее сложных процедур. Поэтому к системам очистки предъявляются довольно высокие требования: очистка воды от кадмия, обеззараживание, снижение жесткости, задержка активного хлора, органики и других вредных веществ, повышение органолептических показателей. Чтобы выбрать наиболее эффективный метод очистки для конкретных нужд, необходимо определить источник, уровень содержания примесей и т.д., иными словами произвести детальный анализ воды.
Очистка воды от кадмия при помощи реагентов
Очистка воды от кадмия осуществляется в основном химическим способом. При условии изменения pHкадмий преобразуется в нерастворимую форму, выпадает в осадок и удаляется. Выбор химических реагентов, используемых для очистки воды, зависит от концентрации кадмия, требуемой степени очистки и присутствия примесей.
Когда вещество переведено в нерастворимую форму производится разделение, происходящее вследствие гравитационного осаждения кадмия с помощью осаждающих емкостей. Из этих емкостей осевший кадмий откачивают с целью обезвоживания и просушки. Это достаточно простой метод, поэтому он получил широкое распространение. Однако этот метод не лишен недостатков, главный из которых -высокая степень чувствительности к иным соединениям,которые не позволяют кадмию осаждаться.
Мембранный метод очистки воды от кадмия
Данный метод считается наиболее результативным и заключается в применении специальной установки с перегородками-мембранами. Мембраны отличаются высокой селективностью, то есть способностью разделять вещества. Полупроницаемая перегородка способна пропускать сквозь себя исключительно воду, освобожденную от примесей. Примеси, в свою очередь, скапливаются с другой стороны. Перегородки выполнены из прочного, химически стойкого материала к среде очищаемой жидкости. Одно из главных преимуществ – способность мембраны выполнять свои функции в течение всего срока эксплуатации, сохраняя при этом высокую эффективность.
Фильтры бытового назначения
Большой популярностью пользуются бытовые системы фильтрации воды- отдельные краны для чистой воды, насадки на кран, настольные фильтры на мойку, фильтры кувшинного типа и другие.
В организме взрослого человека содержится около 13 мг ртути, причем около 70 % - в жировой и мышечной ткани. Период полувыведения метилртути из организма человека (полупериод биологического распада соединений ртути) составляет около 70 дней. Однако процесс выведения ртути зависит от особенностей организма и может достигать 190 дней.
Высокая токсичность ртути обусловливает очень низкие значения ПДК: 0,0003 мг/м3 в воздухе и 0,0005 мг/л в воде.
Предельно допустимые концентрации ртути в основных пищевых продуктах представлены на рис. 3.8.
Рис. 3.8. ПДК ртути в основных пищевых продуктах
Кадмий (Сd)
Обольшойопасностизагрязненияпочвыкадмиемсвидетельствуетмассовая интоксикация кадмием жителей бассейна реки Дзинцу в Японии. Цинковый рудникзагрязнилкадмиемреку, водукоторойиспользовалидляпитьяиорошениярисовыхполейисоевыхплантаций. Спустя15…30 лет150 человекумерлиотхронического отравлениякадмием. Содержаниекадмияврисеосновномпродуктепитания - достигало 600…1 000 мкг/кг, что явилось причиной заболевания, вошедшего висто- риюэндемическихотравленийтяжелымиметалламиподназваниемитаи-итаи.
В природе кадмий не встречается в свободном виде и не образует специфических руд. Его получают как сопутствующий продукт при рафинировании цинка и меди. В земной коре содержится около 0,05 мг/кг кадмия, в морской воде - 0,3 мкг/л. По своей электронной конфигурации кадмий напоминает цинк. Он обладает большим сродством к тиоловым группам и замещает цинк в некоторых металлферментных комплексах. Кадмий легко обра-
зует пары. Кадмий относится к числу сильно ядовитых веществ и не является необходимым элементом для млекопитающих.
В организме человека среднего возраста содержится около 50 мг кадмия, 1/3 - в почках, остальное количество - в печени, легких и поджелудочной железе. Период полувыведения кадмия из организма составляет 13…40 лет.
Как металлический кадмий, так и его соли оказывают выраженное токсическое действие на людей и животных. Механизмы токсичности кадмия заключаются в том, что он ингибирует ДНК-полимеразу, нарушает синтез ДНК (стадию расплетения), разделяет окислительное фосфорилирование в митохондриях печени. Патогенез отравления кадмием включает также взаимодействие его с высокомолекулярными белками, особенно тиолсодержащими ферментами.
Механизм токсического действия кадмия связан с блокадой сульфгидрильных групп белков; кроме того, он является антагонистом цинка, кобальта, селена, ингибирует активность ферментов, содержащих указанные металлы. Известна способность кадмия нарушать обмен железа и кальция. Все это может привести к широкому спектру заболеваний: гипертоническая болезнь, анемия, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность и другие. Отмечены канцерогенный, мутагенный и тератогенный эффекты кадмия.
Желудочно-кишечная абсорбция кадмия для человека составляет 3…8 %. На нее влияет уровень потребления цинка и растворимость солей кадмия. Будучи абсорбированным, кадмий остается в организме, подвергаясь лишь незначительной экскреции. Главные центры накопления - печень и почки. В этих органах 80 % кадмия связано с металлотионеинами. В то же время, биологической функцией металлотионеинов является участие их в гомеостазе необходимых элементов - цинка и меди. Поэтому кадмий, взаимодействуя с металлотионеинами, может нарушать гомеостаз биогенных меди и цинка.
Наличие кадмия в тканях вызывает симптомы, связанные с дефицитом меди, цинка и железа. Кальций плазмы крови снижает абсорбцию кадмия в кровь. Содержание кадмия в тканях тем больше, чем меньше количество кальция в пище. Хроническая интоксикация кадмием нарушает минерализацию костей и увеличивает концентрацию кальция в печени. Он также блокирует синтез витамина D.
Загрязнение окружающей среды кадмием связано с горнорудной, металлургической, химической промышленностью, с производством ракетной и атомной техники, полимеров и металлокерамики. В воздух кадмий поступает вместе со свинцом при сжигании топлива на ТЭЦ, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий. Загрязнение почвы кадмием происходит при оседании содержащих кадмий аэрозолей из воздуха и дополняется внесением минеральных удобрений: суперфосфата (7,2 мг/кг), фосфата калия (4,7 мг/кг), селитры (0,7 мг/кг). Заметно содержание кадмия и в навозе, где он обнаруживается в результате следующей цепи переходов: воздух – почва – растения - травоядные животные - навоз.
В некоторых странах соли кадмия используются как антигельминтные
и антисептические препараты в ветеринарии.
Все это определяет основные пути загрязнения кадмием окружающей среды, а следовательно, продовольственного сырья и пищевых продуктов. Источником загрязнения кадмием пищевых продуктов растительного происхождения являются сточные воды некоторых промышленных предприятий, а также фосфорные удобрения. В районах промышленных выбросов он депонируется в почве и растениях. В растения кадмий поступает за счет корневого поглощения и через листья. У многих сельскохозяйственных культур выявлена чувствительность к кадмию. Под его действием у растений может развиться хлороз, искривления стебля, бурые некротические пятна на листьях и т.д. Однако чаще симптомы начинающегося отравления растений этим металлом не проявляются на внешнем виде растения, а только снижается урожайность. Граница чувствительности к кадмию у зерновых и картофеля лежит в пределах 6…12 мг/кг почвы. При этом по чувствительности к кадмию сельскохозяйственные растения располагаются в следующем возрастающем порядке: томаты, овес, салат, морковь, редис, фасоль, горох и шпинат. Больше всего кадмия откладывается в вегетативных органах растений. Так, в листьях моркови, томатов и овса кадмия откладывается в 25 раз больше, чем в плодах и корнях. Содержание кадмия составляет (в мкг/кг) в растительных продуктах: зерновые 28…95, горох 15…19, фасоль 5…12, картофель
12…50, капуста 2…26, помидоры 10…30, салат 17…23, фрукты 9…42, рас-
тительное масло 10…50, сахар 5…31, грибы 100…500; в продуктах животноводства: молоко 2,4, творог 6,0, яйца 23…250.
В организм человека кадмий поступает в основном с пищей (примерно 80 %), Экспертами ФАО установлено, что взрослый человек с пищей получает в среднем 30 – 150 мкг/сутки кадмия, причем в Европе - 30...60 мкг, в Японии - 30...100 мкг, в кадмиевых геохимических районах - около 300 мкг.
Предельно допустимые концентрации кадмия в основных пищевых продуктах представлены на рис. 3.9.
Субпродукты |
|||||||||
Шоколад и |
|||||||||
Печень рыб и |
|||||||||
шоколадные |
|||||||||
продукты из неё |
|||||||||
Сыры, рыба и |
Яйца и яйцепродукты, |
||||||||||||||||
рыбные продукты |
питьевая вода |
||||||||||||||||
Соль поваренная, |
Растительное масло, |
||||||||||||||||
творог, зерно, |
мясо, сахар, |
||||||||||||||||
маргарины |
|||||||||||||||||
Хлеб, булочные |
|||||||||||||||||
и сдобные изделия |
|||||||||||||||||
Рис. 3.9. ПДК кадмия в основных пищевых продуктах
Примерно 20 % кадмия поступает в организм человека через легкие из атмосферы и при курении. В одной сигарете содержится 1,5…2,0 мкг Сd.
Количество кадмия, попадающее в организм человека, зависит не только от потребления им содержащих кадмий пищевых продуктов, но и в большой степени от качества его диеты. В частности, достаточное количество железа в крови, по-видимому, тормозит аккумуляцию кадмия. Кроме того, большие дозы витамина D действуют как противоядие при отравлении кадмием.
Большое значение в профилактике интоксикации кадмием имеет правильное питание (включение в рацион белков, богатых серосодержащими аминокислотами, аскорбиновой кислоты, железа, цинка, селена, кальция), контроль за содержанием кадмия (полярографический, атомноабсорбционный анализы) и исключение из рациона продуктов, богатых кадмием.
Всемирная организация здравоохранения считает максимально допустимой величину поступления кадмия для взрослых людей 500 мкг в неделю, то есть ДСП 70 мкг в сутки, а ДСД 1 мкг/кг массы тела.
Мышьяк (Аs)
В Аргентине наблюдалось хроническое отравление мышьяком,
вызванное потреблением воды, содержащей от 1 до 4 мг/л Аs2 О3 . Аналогичная ситуация наблюдалась в Чили. Употребление колодезной воды, содержащей 0,6 мг/л мышьяка, привело к локальным хроническим отравлениям на о. Тайвань.
В Балтиморе была обнаружена территория, где смертность от рака в 4,3 раза выше, чем в городе в целом. Эта полоса окружает бывшую фабрику, производившую в течение 100 лет мышьяк.
Трагический случай произошел в Японии в 1955 г., когда отравилось более 12 000 детей. Их кормили молочной смесью, в состав которой входило сухое молоко, загрязненное оксидом мышьяка (III). Он случайно попал в фосфат натрия, которым стабилизировали порошок молока. Фосфат натрия являлся отходом при выделении алюминия из боксита, в котором содержалось существенное количество мышьяка. Более 120 детей погибли от потребления смеси через 33 дня при ежедневной дозе Аs 2 03 5 мг.
Существует также версия об отравлении мышьяком Наполеона Бонапарта. С помощью нейтронно-активационного анализа волос Наполеона разных периодов его жизни эксперты установили, что содержание мышьяка в них в 13 раз превышает обычную норму для человеческих волос, а отложения мышьяка в растущих волосах совпадали по времени с периодом пребывания Наполеона на острове Святой Елены.
Мышьяк принадлежит к тем микроэлементам, необходимость которых для жизнедеятельности организма не доказана. Мышьяк широко распростра-
нен в окружающей среде. Он встречается в природе в элементном состоянии, а также в больших количествах в виде арсенитов, арсеносульфидов и органических соединений. В морской воде содержится около 5 мкг/л мышьяка, в земной коре – 2 мг/кг.
Токсичность мышьяка зависит от его химического строения. Элементный мышьяк менее токсичен, чем его соединения. Арсениты (соли трехвалентного мышьяка) более токсичны, чем арсенаты (соли пятивалентного мышьяка). В целом соединения мышьяка можно расположить в порядке снижения токсичности следующим образом: арсины > арсениты > арсенаты > метиларсоновая и диметиларсоновая кислоты.
Очень высокую токсичность проявляет арсин (АsН3 ) - очень сильный восстановитель, восстанавливающий различные биогенные соединения. Одна из главных мишеней арсина - гем; он представляет собой яд гемолитического действия.
Арсениты являются тиоловыми ядами, ингибирующими различные ферменты. Они взаимодействуют с тиоловыми группами белков, цистеина, липоевой кислоты, глутатиона, кофермента А, присутствующими в организме, нарушая в конечном итоге цикл трикарбоновых кислот. Кроме того, арсениты влияют на митоз, синтез и распаривание ДНК, что связано с блокированием ими тиоловых групп ДНК - полимеразы.
Арсенаты играют роль фосфатного аналога, легко проникают в клетки по транспортным системам фосфата и конкурируют с фосфатами в процессе окислительного фосфорилирования в митохондриях (ингибируют цитохром и глицеролоксидазы). Арсенаты нарушают протекание одной из фосфорилитических реакций - образование АТФ из АДФ, что приводит к прекращению синтеза АТФ.
Неорганические соединения мышьяка более токсичны, чем органические, накапливающиеся в рыбе. Соединения мышьяка хорошо всасываются в пищеварительном тракте. Выделение их из организма происходит в основном через почки (до 90 %) и пищеварительный канал. Он также может выделяться с грудным молоком и проникать через плацентарный барьер.
По данным ФАО суточное поступление мышьяка в организм взрослого человека составляет 0,45 мг, т.е. около 0,007 мг/кг массы тела. Значительно увеличивается поступление мышьяка в тех случаях, когда в рационе повышен удельный вес продуктов моря. ДСД мышьяка для взрослого человека составляет 0,05 мг/кг массы тела (около 3 мг/сутки).
Ежегодное мировое производство мышьяка составляет приблизительно 50 тыс. т в год, увеличиваясь каждые 10 лет на 25 %. Наиболее мощными источниками загрязнения окружающей среды мышьяком являются атмосферные выбросы электростанций, металлургических производств, медеплавильных заводов и других предприятий цветной металлургии, промышленные сточные воды, мышьяксодержащие пестициды. Мышьяк также используется в производстве хлора и щелочей (до 55 % потребляемого промышленностью количества), полупроводников, стекла,
1В работе отражены результаты мониторинга проб приземного слоя атмосферного воздуха на предмет содержания в нем тяжелых металлов в условиях урбанизированной среды Поволжья. Основными источниками техногенных тяжелых металлов в районе исследований являются промышленные предприятия и автотранспорт. Лабораторные элементные анализы проб производились методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. В результате проведения мониторинга выявлено превышение ПДК по ряду элементов: в г. Саратове – по свинцу, цинку, марганцу, меди; в г. Сердобске – по свинцу и кобальту; в г. Кузнецке – по свинцу, цинку и кобальту; в г. Камышине – по свинцу и цинку; в г. Волжском – по свинцу, кадмию и меди; в г. Инзе – по цинку; в г. Димитровграде – по ванадию, свинцу, цинку, меди. Требуются мероприятия по оздоровлению окружающей среды и, в частности, атмосферного воздуха.
атмосферный воздух
тяжелые металлы
техногенное загрязнение
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году». - М.: АНО «Центр международных проектов», 2010. - 523 с.
2. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. - М.: Изд-во стандартов, 1987. - 5 с.
3. Другов Ю. С., Беликов А. Б., Дьякова Г. А., Тульчинский В. М. Методы анализа загрязнений воздуха. - М.: Химия, 1984. - 384 с.
4. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.
5. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 375 с.
6. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. - М.: Изд-во Госкомгидромета, 1991. - 237 с.
7. Экологический мониторинг: метод. пособие / В. В. Снакин, М. А. Малярова, Т. Ф. Гурова и др. - М.: РЭФИА, 1996. - 92 с.
ВведениеВ последние десятилетия экологическая обстановка в регионах Поволжья значительно ухудшилась. В настоящее время в Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областях состояние окружающей среды в пределах городов, где проживает более половины населения, характеризуется как кризисное и требующее действенных мер по оздоровлению. Особо выделяется в поволжских городах экологическая проблема загрязнения техногенными тяжелыми металлами атмосферного воздуха .
На территории практически любого города распределение поллютантов, антропогенно выделяющихся в атмосферу, имеет свою специфику. Поллютанты, которые вместе с выбросами поступают в атмосферу на большой высоте над земной поверхностью (например, из высоких труб производственных объектов), распространяются на огромные расстояния воздушными массами. Эти выбросы в основном загрязняют территории, значительно удаленные от города.
Тяжелые металлы, как известно, содержатся в приземном слое атмосферного воздуха: в 1,5-3,5 м над земной поверхностью. Они способны мигрировать и аккумулироваться в депонирующих средах: в почве, водной среде, в биомассе живых организмов.
Тяжелые металлы в составе техногенных выбросов промышленных предприятий и автотранспорта составляют основную массу твердой фазы и находятся преимущественно в форме оксидов, сульфидов, карбонатов, гидратов и микроскопических капель (шариков) металлов. Удельная масса этих соединений (г/см 3) достаточно высокая: оксидов 5-6, сульфидов 4-4,5, карбонатов 3-4, металлов 7-8 .
Цель исследований , проведенных в 2009-2011 гг., состояла в анализе среднегодового содержания тяжелых металлов в городах Поволжья - Балашове, Саратове (Саратовская область), Сердобске, Кузнецке (Пензенская область), Камышине, Волжском (Волгоградская область), Инзе, Димитровграде (Ульяновская область) - с разной степенью техногенного прессинга на окружающую среду.
Материалы и методы исследования
Отбор проб воздуха на высоте 2-2,5 м от земли осуществлялся электроаспиратором ПУ-2Э на передвижных постах (автомобиль с инструментарием) . В большинстве городов было заложено по 5 постов, за исключением крупных городов - Саратова и Волжского, в которых располагалось по 10 постов. На участках природных степных разнотравных экосистем (контроль) - в окрестностях с. Березовка и с. Пады Балашовского района Саратовской области - мониторинг проводился на 2 постах. Пробоотбор осуществлялся дискретно на передвижных постах утром (8.00 ч) и вечером (20.00 ч) в течение 3 дней в августе 2009-2011 гг.
Лабораторный анализ проб воздухана предмет содержания в твердой фазе тяжелых металлов выполнен методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии .
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты мониторинга атмосферного воздуха в эталонной экосистеме (в контроле) представлены в табл. 1. Здесь ежегодно постоянно идентифицировались четыре техногенных тяжелых металла - Pb, Zn, Mn, Cu, аэротехногенными источниками которых были: движущийся по проселочным дорогам автотранспорт и деятельность сельскохозяйственных предприятий животноводческой и растениеводческой отраслей.
Таблица 1 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе в контроле (2009-2011 гг.)
В контроле концентрации данных элементов в атмосферном воздухе предельно-допустимых значений не превышали.
В составе атмосферного воздуха г. Балашова (Саратовская область) ежегодно индентифицировались следующие поллютанты: Pb, Zn, Mn, Cu, Fe, Co, Cd. Из них пять (Pb, Zn, Mn, Cu, Fe) оказывали наиболее значимое влияние на качество воздуха (табл. 2). Эти поллютанты содержались в воздухе в количествах (мг/м 3), превышающих фоновые показатели, но не превышающих соответствующие им гигиенические нормативы (ПДК). Средние арифметические значения концентраций Pb, Zn, Mn и Cu в атмосферном воздухе г. Балашова оказались равными ПДК, что свидетельствует о начинающимся процессе ухудшения качества воздуха и деградации окружающей среды.
Таблица 2г. Балашова (2009-2011 гг.)
В атмосферном воздухе г. Саратова выявлено десять тяжелых металлов (Pb, Zn, Mn, Cu, Co, Cd, Fe, Mo, Ni, Hg), из них наиболее значимые следующие шесть элементов: Pb, Zn, Mn, Cu, Co, Cd. Первые четыре металла содержались в приземной атмосфере в количествах, превышающих ПДК в 9,0, 6,2, 3,7 и 2,9 раз соответственно. Данные величины свидетельствуют о весьма нестабильном экологическом состоянии атмосферного воздуха в пределах г. Саратова, что требует срочной реализации неотложных природоохранных мер (табл. 3).
Таблица 3 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Саратова (2009-2011 гг.)
В г. Сердобске (Пензенская область) зарегистрированы следующие тяжелые металлы - загрязнители приземной атмосферы: V, Pb, Zn, Co, Cu, Cd, Ni, Mo, но наиболее существенное влияние оказывают первые шесть элементов. Из всех поллютантов лишь Pb (1 ПДК) и Co (1,3 ПДК) содержались в воздухе в больших объемах, что характеризует состояние воздуха как экологически нестабильное (табл. 4). При увеличении объемов неочищенных или недостаточно очищенных аэротехногенных выбросов в ближайшие годы уровень загрязнения воздушного бассейна в пределах г. Сердобска будет оцениваться как высокий.
Таблица 4Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Сердобска (2009-2011 гг.)
В пределах г. Кузнецка (Пензенская область) в связи с высокой загрязненностью воздушного бассейна сложилась напряженная экологическая ситуация. В химическом составе атмосферного воздуха выявлено восемь наименований техногенных тяжелых металлов: Fe, Pb, Zn, Co, Cr, Ni, из которых шесть содержались в воздухе практически постоянно. Концентрации Pb, Zn, Co значительно превышали ПДК в 2,2, 1,2 и 1,5 раз соответственно, что говорит о высоком уровне загрязнения воздуха (табл. 5).
Таблица 5 Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Кузнецка (2009-2011 гг.)
Состав атмосферного воздуха г. Камышина (Волгоградская область) включает следующие поллютанты: Pb, Zn, Cd, Cu, Sb, V, Cd. Периодически выявляется присутствие в воздухе первых пяти элементов из этого перечня. Концентрации остальных металлов составляют либо следовые значения, либо отсутствуют продолжительное время. По Pb и Zn, входящим в состав выхлопных газов автомобилей и выбросов все еще функционирующих промышленных предприятий, ежегодно регистрировались повышенные концентрации, превышающие ПДК в 1,4 и 1,3 раза соответственно для каждого из этих загрязнителей (табл. 6). В соответствии с этим экологическое состояние воздушного бассейна в пределах г. Камышина оценивается как нестабильное.
Таблица 6Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Камышина (2009-2011 гг.)
Основными ингредиентами атмосферного воздуха в границах г. Волжского (Волгоградская область) являются следующие тяжелые металлы: Pb, Zn, Cd, Cu, Ni, Cd, Co, Hg, Cr. Первые четыре элемента являются приоритетными поллютантами, загрязняющими объекты окружающей среды. Экологическая обстановка на территории города оценивается как напряженная, связанная с большими объемами промышленных выбросов и значительно возросших количеств автомобильных выхлопов, содержащих Pb, Cd, и Cu в достаточно высоких концентрациях: 5,4, 2,3 и 2,5 долей ПДК по данным экотоксикантам (табл. 7). Требуются срочные природоохранные мероприятия.
Таблица 7Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Волжского (2009-2011 гг.)
Состояние атмосферного воздуха г. Инзы (Ульяновская область) оценивается как повышено загрязненное, поскольку в его составе периодически регистрируются тяжелые металлы: V, Pb, Zn, Cr, Cd, Ni, Mo. Ежегодно отмечаются высокие концентрации у Pb, Zn и Cr в приземном слое воздуха, причем Zn в среднем содержится в количестве, в 1,2 раза превышающим ПДК (табл. 8). Состояние воздуха оценивается как повышенно загрязненное. Экологическая проблема атмосферного воздуха связана с ежегодно возрастающими концентрациями тяжелых металлов, приближающихся к ПДК и превышающих ее.
Таблица 8Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Инзы (2009-2011 гг.)
В составе приземного слоя атмосферного воздуха в пределах г. Димитровграда установлено содержание порядка восьми техногенных элементов: V, Pb, Zn, Cu, Cr, Ni, Cd, Hg. Максимальное токсическое действие на окружающую среду оказывают четыре тяжелых металла: V, Pb, Zn и Cu. Их средневзвешенное содержание превышает ПДК в 1,5, 2,0, 1,8 и 2,5 раза соответственно для каждого из этих поллютантов (табл. 9). Состояние воздушного бассейна в пределах г. Димитровграда характеризуется как кризисное, напряженное и требует мер по его улучшению.
Таблица 9Содержание техногенных тяжелых металлов в атмосферном воздухе г. Димитровграда (2009-2011 гг.)
Выводы
Максимально загрязнен атмосферный воздух в городах с мощным техногенным воздействием на окружающую среду промышленностью и автотранспортом: в Саратове (уровень загрязнения воздуха - «очень высокий»), Кузнецке (уровень загрязнения воздуха - «высокий»), Волжском («высокий» уровень загрязнения воздуха), Димитровграде («высокий» уровень загрязнения воздуха).
Рецензенты:
- Любимов Валерий Борисович, д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии и рационального природопользования ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского», г. Брянск.
- Зайцева Елена Владимировна, д.б.н., профессор, зав. кафедрой зоологии и анатомии ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского», г. Брянск.
Библиографическая ссылка
Ларионов М.В., Ларионов Н.В. СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ВОЗДУХА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПОВОЛЖЬЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 2.;URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6063 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
