Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология

Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.

Предыдущая

Раздел 4. Загрязнение водных экосистем

20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах

20.1. Загрязнение вод металлами

Металлы принадлежат к числу главных неорганических загрязнителей пресных и морских вод. Это, в основном, соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути.

Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами  определяется:

- высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных районах океана и внутренних морях;

- образованием высокотоксичных металлоорганических комплексов, которые как включаются в абиотический компонент экосистемы, так и поглощаются гидробионтами;

- накоплением металлов гидробионтами в дозах, опасных для человека.

Среди загрязняющих веществ по токсикологическим оценкам «стресс-индексов» тяжелые металлы занимают второе место, уступая только пестицидам.

 

Источники поступления

Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно привносят в океан свыше 320 Мт железа. Кроме того, важная роль в загрязнении гидросферы металлами принадлежит атмосферному переносу. Главные пути поступления металлов в Мировой океан приведены в таблице 29.

Таблица 29

Естественное и антропогенное загрязнение Мирового океана, т год-1

Загрязняющее вещество

Общий сток

Сток с суши 

Атмосферный перенос

Естественный

Антропогенный

(%)

Свинец

1,8·105

2,1·106

92

(1,0-20,0)·105

(2,0-20,0)·105

Ртуть

3,0·103

7,0·103

70

(5,0-8,0)·103

(2,0-3,0)·103

Кадмий

1,7·104

1,7·104

50

(1,0-20,0)·103

(5,0-140)·102

На поверхность Мирового океана ежегодно выпадает по другим оценкам 200 кт свинца и 5 кт ртути. Вклад атмосферных выпадений свинца в его общий поток в Мировой океан в настоящее время уже превышает геохимический вклад этого элемента с речными стоками. Для кадмия поступления в океан за счет атмосферных выпадений и прямого стока с суши близки, а для ртути атмосферный поток составляет около 25% общего поступления в океанскую среду. Сейчас уже признано, что главным источником поступления тяжелых металлов в окружающую среду является не металлургическое производство, а сжигание угля. Ежегодное сжигание 2,4 млрд. т каменного и 0,9 млрд. т бурого угля рассеивает в окружающей среде 200 кт мышьяка и 224 кт урана, а мировое производство этих металлов составляет только 40 и 30 кт соответственно.

Как уже сказано выше, важную роль в загрязнении гидросферы металлами играют сточные воды. В таблице 30 приведено содержание металлов в бытовых и некоторых видах промышленных сточных вод.

Таблица 30

Содержание металлов в промышленных сточных водах Нью-Йорка, средние концентрации в мкг л-1 (Jackson, 1991)

Промышленность

Cu

Cr

Ni

Zn

Cd

Мясоперерабатывающая

150

150

70

460

11

Жироперерабатывающая

220

210

280

3 890

6

Рыбообрабатывающая

240

230

140

1 590

14

Хлебная

150

330

430

280

2

Пищевая

350

150

110

1 100

6

Пивная

410

60

40

470

5

Безалкогольная

2 040

180

220

2 990

3

Производство мороженого

2 700

50

110

780

31

Текстильная

37

820

250

500

30

Меховая

7 040

20 140

740

1 730

115

Парфюмерная

160

280

100

800

27

Прачечные

1 700

1 220

100

1 750

134

Автомойки

180

140

190

920

18

На пути от мест попадания в воду до океана значительная часть металлов оседает на дне рек. Пример приведен в таблице 31.

Таблица 31

Концентрации тяжелых металлов в воде и осадках реки Рур в Эссене (Imhoff, 1991)

 

В воде (мкг л–1)

В осадках

(мг кг–1 сухого веса)

Cu

25

100

Ni

30

50

Zn

200

300

Cr

10

100

Pb

6

100

Cd

0,6

3

Кроме того, значительная часть металлов на пути к океану задерживается в водоемах – как в их донных осадках (таблица 32), так и в биоте (таблица 33).

 Таблица 32

Поступление металлов в озеро Мичиган (т год-1) (Jackson, 1991)

Элемент

Из воздуха

С притоками

Смыв с берега

Осаждение

Cr

52-180

78-250

19-110

330-500

Cu

110-950

73-180

11-66

160-270

Pb

340-1200

56-130

12-40

460-750

Zn

700-1000

250-350

50-440

860-1700

Таблица 33

Содержание тяжелых металлов в озере Балатон (Salanki, 1991)

Металл

Компонент

Hg

Cd

Pb

Cu

Zn

Ni

Вода (мкг л–1)

<0,1

0,01–0,2

0,1–1,0

0,3–4,6

0,5–5,4

0,5–3,5

Донные осадки (мг кг–1 сухого веса)

0,03–0,38

0,4–3,5

10,2–92,6

7,0–88,0

18,0–124,0

13,6–47,6

Зоопланктон

(мг кг–1 сухого веса)

0,04–0,23

0,7–2,2

9,9–22,5

11,0–17,6

70,1–99,2

Esox lucius L.

Жабры (мг кг–1 сухого веса)

0,1–0,8

2,0–10,0

0,7–9,9

1,0–10,1

784,0–1458,0

8,6–33,7

Мышцы (мг кг–1 сухого веса)

0,3–0,7

1,1–3,1

1,3–6,2

0,3–2,8

17,7–39,9

2,3–8,5

Печень (мг кг–1 сухого веса)

0,4–0,7

1,0–4,4

1,7–5,9

11,8–37,1

95,7–187,0

2,7–8,3

Естественно, что наибольшее загрязнение металлами приходится на моря и те части океана, где антропогенная активность высока. Более других загрязнены воды Персидского и Аденского заливов Индийского океана, экваториальная часть Тихого океана, воды течения Гольфстрим в Атлантике, Северное и Средиземное моря.

 

Токсичность тяжелых металлов

Токсичность тяжелых металлов для планктона определяется тем, что планктонные организмы (особенно фильтраторы) концентрируют металлы, которые ввиду своей неразложимости сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп гидробионтов (таблица 34).

Таблица 34

Степень токсичности ряда солей тяжелых металлов для некоторых водных животных

Вещество

Планктон

Ракообразные

Моллюски

Рыбы

Медь

+++

+++

+++

+++

Свинец

-

+

+

+++

Цинк

+

++

++

++

Ртуть

++++

+++

+++

+++

Кадмий

-

++

++

++++

Мышьяк

Мышьяк широко распространен в содержащих фосфаты породах и соответственно встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях или детергентах, производимых их этого сырья. Обычные формы мышьяка в природе: H3AsO3, As(OH)3, H3AsO4.

Некоторое количество мышьяка используется в качестве пестицида в виде арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых деревьев. Но основными антропогенными источниками мышьяка являются сжигание угля и выплавка металлов. Если средние концентрации мышьяка в воздухе больших городов составляют 0,01–0,56 мкг м–3, то вблизи плавильных предприятий (на расстоянии нескольких км) 1,5–7,9 мкг м–3, а содержание мышьяка в летучей золе угольных электростанций составляет 43–312 мг кг–1 (Мышьяк, 1985).

Свинец

Ежегодно добывается примерно 3,5 Мт свинца, а с учетом повторного извлечения из отходов производство свинца составляет 4,1 Мт год-1.

Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других органических материалов, включая городские отходы. Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов.

До сих пор серьезными источниками загрязнения окружающей среды остаются алкильные соединения свинца. Только за последние 40 лет примерно 10 Мт свинца переработано в тетраэтилсвинец, который используется в качестве антидетонаторной присадки в автомобильном бензине. Из антропогенных источников свинца этот считается важнейшим. Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.

Pb(CH2CH3)4 добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать при больших давлениях. В бензин добавляют также CH2Cl–CH2Cl и CH2Br–CH2Br. В результате сгорания топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там.

Общее содержание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8 Мт при средней концентрации 2 10-3 мкг л-1. В гидробионтах концентрация свинца варьирует в пределах 50-20 000 мкг кг-1 сырой массы.

Ртуть

Ртуть относится к числу наиболее токсичных металлов, чаще других встречаемых в окружающей среде. Ртуть – один из самых редких элементов с очень низким содержанием в земной коре. Она встречается в природе в виде красного сульфида, циннабара, черного сульфида и в виде жидкой ртути.

В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников, так и из источников техногенного происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев земной коры благодаря вулканической, гео- и гидротермальной активности.

Главные антропогенные источники ртути:

§ сжигание ископаемого топлива;

§ выбросы промышленных предприятий, из которых наиболее важны сбросы сточных вод с электролизных фабрик по производству хлорощелочей и едкого натра и предприятий, где сульфат ртути используется в качестве катализатора;

§ использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения.

Было подсчитано, что в результате деятельности человека в окружающую среду ежегодно поступает до 10 кт ртути, из которых 3 кт – за счет сжигания ископаемого топлива. В морскую среду попадает около 5 кт ртути, общее ее количество в водах Мирового океана равно 10 Мт при средней концентрации 0,01-0,03 мкг л-1.

Существуют бактерии, которые переводят минеральную ртуть в монометил (или метил) ртути (CH3Hg+) (см. рисунок 42).

Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланктон аккумулирует ртуть в широком диапазоне концентраций 30-3 800 мкг кг-1 сухой массы, показатель аккумуляции ртути может превышать 40 000.

Рис 41. Поведение ртути в водной среде (до аккумуляции организмами).

Ее ПДС для водоемов принято не более 0,005 мг л-1. В континентальных и океанических водах концентрация ртути составляет примерно 1 мкг кг-1. Фактическое содержание ртути в водах рек промышленно развитых стран превышает ПДС в 2-4 раза, а содержание ее в тканях рыб нередко в 100-200 раз превышает таковое в природных водах. В тканях, например тунца, концентрация может достигать 120 мкг кг-1.

Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические цепи водных организмов (особенно крабов и рыб). Например, в канадских озерах Сент-Клэр концентрация ртути в рыбах составляла 2–4 мг кг-1, в мышцах большой голубой цапли 23 мг кг-1, в печени – 175 мг кг-1 (Рамад, 1981).

Кадмий

В природе кадмий, как правило, ассоциирован с цинком и их разделение экономически нерентабельно.

Ежегодно во всем мире добывается до 18 кт кадмия (Израэль, 1989). Кадмий широко используется в электронной промышленности, производстве пластмасс, красителей, растворителей. Наиболее известно его использование в никеле-кадмиевых аккумуляторах.

В окружающей среде кадмий присутствует в виде двухвалентного иона, осаждаемого в виде карбоната:

В кислой среде ионы кадмия освобождаются:

К основным антропогенным источникам поступления кадмия в окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а также сточные воды. Курение поставляет в окружающую среду 6–11 т кадмия ежегодно (Гадаскина, 1988).

Всего воды Мирового океана содержат примерно 140 Мт кадмия при средней концентрации 0,1 мкг л–1. Кадмий накапливается водными животными, но не концентрируется в пищевых цепях (Израэль, 1989). Концентрация кадмия в разных гидробионтах изменяется от 50 до 550000 мкг кг-1 сухой массы. У некоторых видов устриц, например, коэффициент накопления кадмия равняется 318 000 (Эрхард, 1984).

Кадмий – один из самых опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой более прочно, чем цинк и, следовательно, вытесняет цинк из многих ферментов, в которых тот используется как ко-фактор. Естественно, эти ферменты прекращают функционировать.

Предыдущая