Тяжелые металлы. 
Прикладная экология. В 2 т. Том 2

Обычно к тяжелым металлам относят группу химических элементов плотностью более 5 г/см3. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т. е. относить к тяжелым металлам все металлы с относительной атомной массой более 40 а.е.м. Биохимические свойства некоторых тяжелых металлов отражены в табл. 71.

Из приоритетных металлов наибольшее внимание уделяется четырем, называемым «большой четверкой», это — свинец, ртуть, кадмий и мышьяк. Подробная токсикологическая и биохимическая характеристика данных и других токсических веществ приводится в пособиях по химической экологии и экологической химии, а также в монографии одного из авторов учебника (В. В. Дмитриев, Г. Т. Фрумин, 2004). Мы же приводим лишь краткое их описание.

Основные биохимические свойства некоторых тяжелых металлов («Экология и безопасность жизнедеятельности», 2000).

Таблица 71

Примечание. Степень проявления биохимических свойств: В — высокая, У — умеренная, Н — низкая, О — отсутствует. Время жизни: Д — длительное, К — короткое.

Свинец. История применения свинца очень древняя, что обусловлено относительной простотой его получения и большой распространенностью в земной коре (1,6 • 10^_3%). Общие запасы свинца на планете оценивают в 100 млн т, главным образом в виде сульфата. Из этого естественного источника в окружающую среду ежегодно поступает в виде силикатной пыли почвы, вулканического дыма, испарений лесов, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли до 210 тыс. т свинца. Объем современного производства свинца составляет более 2,5 млн т в год. В результате производственной деятельности в природные водные объекты ежегодно поступает от 500 до 600 тыс. т свинца. Через атмосферу на поверхность Земли оседает около 400 тыс. т. В атмосферный воздух основная часть свинца (около 260 тыс. т) выбрасывается с выхлопными газами автотранспорта, меньшая (около 30 тыс. т) — при сжигании каменного угля.

Ежедневное поступление свинца в организм человека колеблется от 70 до 400 мкг. Основной источник соединений свинца в организме — пища, преимущественно растительная. В питьевой воде свинец составляет лишь несколько процентов от того количества, которое вводится с пищей и воздухом. Основной источник свинца в воде — сплавы, используемые при соединении водопроводных труб. Свинец и его соединения воздействуют на нервную систему человека, что проявляется головной болью, головокружением, повышенной утомляемостью, раздражительностью, нарушением сна, ухудшением памяти, мышечной гипотонией, потливостью. У работниц свинцовых производств в возрасте 21—40 лет со стажем от 6 до 20 лет нарушается менструальная функция. Патология детородной функции проявляется в большей частоте преждевременных родов, выкидышей и внутриутробной смерти плода, что связано с проникновением свинца в плод. Новорожденные дети медленно растут, высока их смертность, а у детей с уровнем свинца в крови от 250 до 550 мкг/л отмечаются отклонения в поведении, умственная отсталость; а при 600 мкг/л — дебильность. Недавно ученые США пришли к заключению, что свинцовая токсикация — причина агрессивного поведения школьников и снижения их способности к обучению.

Ртуть. Этот рассеянный элемент концентрируется в сульфидных рудах. Небольшие количества ртути встречаются в самородном виде. Среднее содержание ртути (п • 10^-6%): в земной коре 8, в гранитном слое коры континентов 3,3, в почве 1, в отложениях 4, в сумме солей Мирового океана 0,43, в золе растений 25, в живой фитомассе 0,5. Суммарное количество ртути в океане 206 млн т.

Общее количество элемента в атмосфере 300—350 т, причем концентрация ртути над сушей на порядок выше, чем над океаном. Время жизни ртути в атмосфере примерно 10 сут. Из водной среды растворимые формы ртути выводятся в донные отложения, концентрируясь в небиогенных глинистых илах с периодом полного удаления п х х 10⁴ лет. Ртуть прочно фиксируется почвой, образуя комплексы с гуминовыми кислотами (период полувыведения ртути из почвы 250 лет). Из 1 м³ дождевой воды на Землю выпадает 200 мкг ртути, что за год составляет более 100 000 т. Это в 15—20 раз больше того количества, которое добывает человечество.

Ртуть очень летуча, поэтому и более опасна: в 1 м³ насыщенного ею воздуха (при 25 °С) содержится 20 мг. При вдыхании пары ртути хорошо адсорбируются и аккумулируются в мозге, почках, яичках. Острое отравление вызывает разрушение легких. В тканях организма элементная ртуть превращается в ион, который соединяется с молекулами, содержащими сульфгидрильные группы (SH-группы), в том числе и с макромолекулами белков. Хроническое отравление ртутью заключается в постоянном нарушении функций нервной системы, вызывает усталость, а при более высоких уровнях отравления — характерный ртутный тремор. В организме человека время полужизни ртути составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. Токсический эффект может быть скрытым. Симптомы отравления могут проявиться лишь через несколько лет. Прием всего лишь 1 г ртутной соли приводит к летальному исходу. Отравление ртутью вызывает, в частности, болезнь под названием «минамата» (по названию бухты Минамата в Японии, где в 1953 г. у 121 жителя побережья было зафиксировано заболевание, сопровождавшееся ломотой в суставах, нарушением слуха и зрения, что закончилось смертью почти для трети больных).

Кадмий. Этот металл относится к редким рассеянным элементам и содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Содержание в земной коре, почве и природных водах колеблется от п • 10^-5 до п -10~⁶ %, в растениях — п • 10^-4 % от массы сухого вещества. Антропогенная эмиссия кадмия в биосферу в несколько раз превышает природную. Так, в воздушную среду ежегодно выбрасывается около 9000 т кадмия, причем 7700 т (более 85%) — в результате деятельности человека. Только в Балтийское море ежегодно поступает 200 т кадмия, в том числе 45% из воздуха. Особенно резко выражено загрязнение кадмием воды водоемов и почвы в районах размещения горнометаллургических комбинатов и предприятий по добыче и переработке цинковой руды. Загрязнение воздуха и поверхности почвы вызывает кадмий, содержащийся в выхлопных газах автомашин и тракторов. Оседание кадмиевых аэрозолей на почвы дополняется внесением кадмия в почву сельскохозяйственных угодий с минеральными удобрениями: суперфосфатом, фосфатом калия и селитрой.

Загрязнение почвы кадмием сохраняется длительное время после прекращения его поступления.

Ежедневно с пищей, водой и воздухом в организм попадает до 0,2 мг кадмия. При этом большая часть поступает с пищей, меньшая с водой и воздухом. К характерным болезням горожан, связанных с кадмием, относятся гипертония, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность. Курильщики или люди, занятые на производстве с использованием кадмия, рискуют заболеть эмфиземой легких, а некурящие — бронхитами, фарингитами и другими заболеваниями органов дыхания. Наиболее серьезное последствие интоксикации кадмием — развитие почечной недостаточности.

Особо подчеркнем, что кадмий опасен в любой форме — 30—40 мг могут оказаться смертельными. Поэтому даже питье лимонада из сосудов, материал которых содержит кадмий, чревато опасностью. Из организма кадмий выводится очень медленно (примерно 0,1% в сутки), вследствие чего может происходить хроническое отравление. Самые ранние симптомы хронического отравления кадмием — белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах.

Мышьяк. Данное вещество относится к полуметаллам. Его содержание в земной коре (кроме геохимических зон) составляет 1 • 10^-4—.

1 • 10^—3 %. В окружающей среде мышьяк находится в виде разнообразных химически устойчивых форм. Его два главных состояния окисления: As (III) и As (V). В естественных условиях соединения мышьяка поступают в окружающую среду при извержении вулканов и ветровой эрозии почвы. Антропогенные источники поступления мышьяка в окружающую среду — добыча и переработка мышьяксодержащих руд, пирометаллургия, сжигание природных видов топлива — каменного угля, сланцев, нефти, торфа, а также производство и использование суперфосфатов, содержащих мышьяк ядохимикатов, препаратов и антисептиков.

Отходы, складируемые на открытых площадках без спецзахоронения или замуровываемые в глиняные траншеи и котлованы, представляют собой мощные источники загрязнения почвы, воды и атмосферного воздуха. Применение мышьяксодержащих пестицидов в сельском хозяйстве приводит к загрязнению почв.

Мышьяк уже долгое время служит объектом токсикологических исследований, что связано с частыми случаями его использования в качестве средства для убийства и самоубийства, употребления его в качестве пестицида в садах и виноградниках и как отравляющего вещества кожно-нарывного действия в химическом вооружении.

Механизмы токсического действия мышьяка множественны: например, нарушение тканевого дыхания и дегенеративные и некротические процессы в тканях, тератогенные эффекты (у женщин, подвергавшихся во время беременности воздействию мышьяка, часто рождаются дети с малой массой, различными уродствами, наблюдается высокая частота выкидышей). Спустя значительное время после контакта с мышьяком может проявиться его канцерогенное действие. Причем кроме производственных условий, главные пути поступления мышьяка в организм человека — мышьяксодержащие лекарства, пестициды и питьевая вода. Мышьяк включен в группу безусловных канцерогенов для человека, поскольку вызывает рак легких и кожи.

Тяжелые металлы относятся к числу важнейших факторов, обусловливающих загрязнение водных объектов. Их поступление в воду связано с деятельностью многих отраслей промышленности (табл. 72).

Таблица 72

Отрасли промышленности, загрязняющие природную среду тяжелыми металлами (по В. В. Дмитриеву, Г. Т. Фрумину, 2004).

Особо отметим, что степень воздействия металлов на окружающую среду определяется формами их нахождения. После поступления в биосферу они подвергаются различным превращениям с изменением валентности и растворимости. Так, металлургические предприятия, теплои электростанции выбрасывают металлы преимущественно в нерастворимой форме, однако в ходе атмосферного переноса они постепенно выщелачиваются из минеральной матрицы аэрозольных частиц и переходят в ионную водорастворимую форму.