Алюминий. 
Экологическая токсикология

Алюминий относится к числу наиболее распространенных элементов литосферы и широко используемых человеком металлов. Общеизвестно его применение в качестве конструкционного материала в машиностроении и строительстве. Многие соединения алюминия используются в различных отраслях промышленности. Например, сульфат алюминия служит катализатором, применяемым в целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и кожевенной промышленности в качестве коагулянта при очистке сточных вод и для осветления питьевой воды.

Промышленные предприятия сбрасывают значительные количества растворимых форм этого металла. Так, в стоках алюминиевых комбинатов его концентрации достигают 1000 мг/л, а в сточных водах предприятий по производству спиртов и фенолов — 800—1000 мг/л (Исидоров, 1999).

В почвах алюминий присутствует главным образом в составе четырех групп минералов: иллит, мусковит, монтмориллонит, пирофиллит и др.

Естественный цикл алюминия в почвах включает его переход из минералов в растворенные мономерные частицы. При достижении концентрации А1³⁺ на уровне l (h⁵ моль/л и pH почвенного раствора в интервале 5,4—6,0 происходит полимеризация с образованием водорастворимой полиядерной формы А1₁₃04(0Н)₂4(Н₂0)[₂. Дальнейшая нейтрализация почвенного раствора (pH > 6) ведет к депротонизации А1₁₃ и осаждению с образованием алюмосиликатных и других минералов (рис. 3.5).

В этот цикл включается лишь очень небольшая часть содержащегося в почвах алюминия. Однако ситуация коренным образом изменяется при регулярном закислении почв, приводящем к ускоренному растворению алюминийсодержащих минералов, обогащению алюминием почвенных растворов, переходу его из верхних горизонтов почвенного профиля в нижние и в поверхностные воды.

Рис. 3.5. Химические превращения алюминия в водных растворах (по: Безель и др., 2008).

Одной из главных причин перехода алюминия из почв в дренирующие их воды является выпадение кислотных дождей. Закисление сельскохозяйственных почв происходит также вследствие регулярного внесения аммонийных удобрений, поскольку ионы NH^ быстро окисляются в процессах микробиологической и химической нитрификации:

Алюминий, имеющий большой заряд нона и малый ионный радиус, очень реакционноспособен. В кислых почвах с pH < 5,0 происходит растворение как первичных, так и вторичных минералов с переходом алюминия в почвенные растворы. Его концентрации в таких растворах зависят от pH-количества и типа минералов, интенсивности обменных реакций с другими неорганическими компонентами почв и от содержания в них органических соединений со свойствами комплексообразователей.

Соотношение между различными формами алюминия зависит, прежде всего, от ионной силы почвенного раствора, относительной концентрации лигандов и прочности образуемых с их участием комплексов.

В частности, важным комплексообразующим агентом является флюорит: в растворах с низкими значениями pH формы AlF²+ и AIF^ часто доминируют. Кроме того, алюминий образует прочные комплексы с гуминовыми и фульвокислотами.

Полевые исследования показывают, что более 75% экстрагируемого органического вещества почв представлено такими комплексами вида А11> - з) и А1(ОН)1> - ²), Al (H)_MI/^N + ^м — з). В качестве важных лигандов выступают также анионы одноосновных (муравьиная, уксусная) и многоосновных (щавелевая, малеиновая, лимонная) кислот, всегда присутствующих в природных почвах. По своей способности образовывать комплексы с алюминием органические кислоты превосходят неорганические лиганды. Считается, что моновалентные комплексы алюминия с низкомолекулярными органическими кислотами играют важную роль в миграции этого металла, в том числе вниз по почвенному профилю.

Средние концентрации алюминия в водах большинства озер Северного полушария составляют сейчас 0,13 мг/дм³, а в реках — 0,70 мг/дм³. Формы нахождения алюминия в водах определяются амфотерностью его гидроксида, склонностью к полимеризации соединений и к включению в состав комплексов. Наиболее токсичными для водных организмов являются формы А1(ОН)²⁺ и А1(ОН)?, превалирующие в водах с pH между 5,0 и 5,5. Полулетальные концентрации (ЬС₅₀) таких мономерных неорганических форм для многих пресноводных рыб лежат в пределах 0,1— 0,3 мг/дм³ (Вайгинтон, 1994: цит. по Исидоров, 1999). Гибель рыбы и икры часто связывают также с образованием полимеров гидрооксида алюминия, осаждающихся на жабрах и на поверхности икринок.

Алюминий токсичен и для растений, хотя вызываемое его соединениями угнетение корневой системы проявляется при довольно высоких концентрациях в почвенных растворах. В табл. 3.16 приведены ответные реакции культурных растений на содержание растворенного алюминия в почвах. Различные виды и даже разные сорта культурных растений демонстрируют различную устойчивость по отношению к токсическому действию подвижных форм алюминия. Однако механизм этой устойчивости до конца не выяснен.

В настоящее время имеется слишком мало информации для вывода о способности алюминия к биоконцентрированию и передаче по пищевым цепям. Мало также данных о его поступлении в организм человека с питьевой водой и продуктами питания, хотя необходимость такой информации очевидна, поскольку установлено нейротоксическое действие этого элемента.

Таблица 3.16

Ответные реакции растений на содержание подвижного алюминия в почвах (по: Исидоров, 1999).