1. Вплив свинцю (Pb) на живі організми
Інтенсивність сорбції важких металів ґрунтами головним чином залежить від рН середовища, причому для свинцю цей вплив виражений більшою мірою ніж, для інших мікроелементів (наприклад міді, значна частина якої зв'язана з органічними комплексами).
Свинець токсично діє на ряд систем організму: нервову, гемопоетичну, ендокринну, сечовидільну, репродуктивну, епітеліальну, кісткову. Основна частина свинцю, яка надходить в організм тварин і людини (до 90 %), депонується у кістковій тканині, де може акумулюватися у значних кількостях внаслідок тривалого періоду напіввиведення (5–20 років). У інших тканинах і крові обмін свинцю перебігає значно швидше, тривалість його перебування у них після надходження у організм не перевищує декількох днів.
При отруєнні свинцем пригнічується метаболізм кальцію, інтенсивність перебігу процесів дихання і окиснювального фосфорилювання у мітохондріях нирок, серця, мозку. Основною ланкою взаємного впливу кальцію і свинцю в клітинах є їх конкуренція за зв’язування з вторинними меседжерами клітинних сигналів. Трансклітинні кальцієві сигнали приймаються декількома рецепторами білкової природи, серед яких кальмодулін і протеїнкіназа. Високий вміст кальцію у раціоні тварин зменшує всмоктування свинцю стінкою кишечника. Свинець і кадмій знижують активність лужної і кислої фосфатаз. Свинець гальмує вихід кальцію з клітин, замінюючи його у кальцієво-натрієвій ATP транспортуючій системі. Цей же механізм веде до зменшення всмоктування в кишечнику свинцю при високому вмісті кальцію у раціоні.
Свинець токсично діє на нирки, зокрема в процесі реабсорбції у них. Проте при одночасному навантаженні організму обома металами їх патологічна дія на ниркові канальці суттєво знижується.
Свинець виявляє виражений вплив на імунну систему. Короткочасна дія цього елемента посилює проліферацію лейкоцитів і продукцію імуноглобулінів. При цьому відмічено також посилення алергічної та автоімунної функцій організму. При хронічному отруєнні свинець пригнічує активність імунної системи, причому при одночасному навантаженні організму тварин свинцем, його імунодепресивна дія посилюється.
2. Біогеохімічний цикл свинцю
Концентрація свинцю зростає від речовини верхньої мантії до гранітного шару земної кори, в якій кларк розглянутого металу дорівнює 16 мкг / г. Кількість свинцю незмінна з моменту утворення Землі, в той час як маса радіогенних ізотопів поступово зростала. Можна припускати, що близько 1/3 маси свинцю в земній корі виникло в результаті розпаду ізотопів урану 238U, 235U і торію 232Тh. Крім основного розсіяного стану свинець утворює різноманітні природні акумуляції, в яких концентрація металу збільшується в порівнянні з кларком в тисячі разів.
При вивітрюванні гірських порід відбувається звільнення іонів Рb2+ з кристалічних структур породоутворюючих мінералів і з поверхні дефектів реальних кристалів. Переважаюча частина звільнених іонів сорбується високодисперсними глинистими частинками і гідроксидами заліза. Невелика частина звільнився при вивітрюванні свинцю надходить у вигляді простих і комплексних іонів у поверхневі та ґрунтові води. Середня концентрація розчинених форм свинцю в річковому стоці з континентів близька 1 мкг / л, у твердій фазі річкових суспензій - близько 100 мкг / л. З річковим стоком виноситься водорозчинного свинцю близько 41-103 т / рік, а пов'язаного в складі суспензій відповідально більше. У складі річкових суспензій присутній тонкий органічний детритус, з яким виноситься приблизно 10∙103 т свинцю в рік. Близьке кількість металу мігрує у складі водорозчинних органічних сполук. Більше 90% суспензій і значна частина водорозчинних сполук осідають в дельтах, естуаріях і вузької прибережної смузі шельфу. В океан надходить не більше 200 ∙ 103 т свинцю в рік у складі тонких суспензій і (25 - 30) ∙ 103 т / рік у складі розчинних сполук. Надалі завдяки процесам біофільтрації морської води організмами планктону значна частина суспензій і деяка частина водорозчинних форм віддаляється в опади. При цьому відбувається диференціація розсіяних металів, серед яких свинець виводиться в осад найбільш активно.
Середня концентрація свинцю в океані дорівнює 0,03 мкг / л, загальна маса - 41 ∙ 10 т. Час повної зміни цієї кількості за рахунок надходження річкового стоку без урахування осадження частини розчинених мас в дельтах і естуаріях оцінюється приблизно в 1 тис. років , з урахуванням зазначених осаджень (30 - 40%) збільшується до 1,5 - 1,9 тис. років. Концентрація свинцю у суспензіях близько 1 мкг / г, маса металу в суспензіях - 0,014 ∙ 106 т. У осадової оболонці сконцентровано близько 35∙1012 т металу, в той час як в гранітному шарі континентального блоку земної кори його міститься 131 ∙ 1012 т . Таким чином, в біосфері знаходиться більше 20% від суми мас в біосфері та в гранітному шарі.
Значна кількість свинцю надходить в океан з гідротерм, деякі з гідротерм містять досить високі концентрації свинцю. Прикладом можуть служити металоносних хлоридні розчини в глибоких рифтових западинах Червоного моря. За даними А.П.Лісіціна (1983), в Тихому океані надходження свинцю з гідротерм перевищує 10% від маси розчинних форм цього металу, принесених річковим стоком.
Відомості про концентрацію свинцю в фотосинтезуючих організмах океану суперечливі. Середня концентрація, можливо, близька до 1 мкг / г сухої біомаси. В такому випадку в біомасі фотосинтетиків океану міститься 0,004 ∙ 106 т свинцю, а протягом року через організми фотосинтетиків проходить близько 0,11-106 т.
Середня концентрація свинцю в наземної рослинності приблизно 1,25 мкг/г сухої речовини. У біомасі рослинності суші до впливу на неї господарської діяльності людей містилося 3,1 ∙ 106 т, а в біологічний круговорот захоплювалося 0,21 ∙ 106 т свинцю в рік. Слід зазначити, що інтенсивність поглинання свинцю наземної рослинністю менше, ніж цинку, міді і деяких інших металів. Глобальний коефіцієнт біологічного поглинання (відношення середньої концентрації металу в зоні рослинності суші до кларку гранітного шару земної кори) дорівнює 1,5.
Свинець може надходити в рослини через листові пластинки не тільки через кореневу систему, а й з атмосферних опадів. У той же час через зелені частини рослин відбувається виділення свинцю в складі фітонцидів, які захоплюються вітром або змиваються дощем. Геохіміки США Г.Куртін, Х.Кінг і Е.Мознер виявили, що в конденсаторах газових виділень хвойних дерев субальпійських лісів деяких гірничорудних районів США міститься від 1 до 12 мкг / г свинцю, в нерудних районах його значно менше.
Згідно У.Бофору, Дж.Барбер і А.Баррінджеру (1975), рослинність на площі 1 км2 протягом року може виділити 5 г свинцю. Таким шляхом в приземний шар тропосфери надходить до 250 - 300 т / рік металу. Через велику кількість свинцю, акумульованого в фітомасі лісових біоценозів, значні маси металу надходять в тропосферу при лісових пожежах.
Концентрація свинцю в тропосфері над континентами варіює від 0,2 - 0,5 до 300 - 400 нг/м3 над не урбанізованими районами. Настільки широка варіація пояснюється впливом багатьох природних факторів, з яких найбільш важливим є кількість мінерального пилу. При мінімальному вмісті пилу концентрація металу в повітрі змінюється в більш вузьких межах: від 0,5 до 8 нг / мл (Т.Н.Жігаловская та ін, 1974; Т.Шоу і Дж.Ерл, 1970). Найнижчі концентрації свинцю встановлені в повітрі Антарктиди, де опади снігу повністю виводять з тропосфери мізерну домішку континентальної пилу.
При зіставленні мас свинцю, що надходять в тропосферу у складі континентальної пилу і випадають на поверхню суші з рідкими і твердими осадження, створюється уявний дисбаланс: з тропосфери випадає свинцю більше, ніж захоплюється з розсіюються частками пухкого покриву суші. Аналогічна ситуація існує в системі Світовий океан - тропосфера, де випадають з атмосферними опадами маси свинцю значно перевищують його кількість, що надходить в тропосферу в складі морських солей з бризок морської води.
Середню концентрацію свинцю в океанічних аерозолях, за наявними даними А.А.Безбородова і В.Н.Еремеева (1984), Р.Чес ¬ тера і Дж.Стонера (1974), можна прийняти рівною 230 мкг / г. Це на математичний порядок більше величини концентрації металу в пухкої товщі продуктів вивітрювання, що покриває континенти, і у багато разів більше, ніж у морській солі. Мабуть, в поверхневому шарі океану відбуваються процеси, що сприяють збагаченню океанічних аерозолів свинцем і деякими іншими важкими металами. Про це свідчить оцінка надходження мас металу з тропосфери протягом року. Надходження на поверхню океану з рідкими атмосферними опадами оцінюється величинами від 400 ∙ 103 до 2500 ∙ 103 т / рік при концентрації в дощовій воді від 1 до 6 мкг / л. З сухими осадження, мабуть, надходить близько 50 ∙ 103 (від 20 . 103 до 100 ∙ 103) т / рік свинцю. Таким чином, сумарне надходження металу з тропосфери в океан має величину багатьох сотень тисяч мільйонів тонн, що сильно перевищує надходження свинцю в атмосферу з континентальної пилом і морськими солями. Отже, мають бути інші джерела надходження металу в тропосферу.
Селективне збагачення аерозолів свинцем і деякими іншими металами обумовлено декількома факторами, найважливіший з яких, на думку англійського біогеохімік II.Крейга (1980), - процес біометилізації, тобто освіта гетраметил-свинцю в результаті діяльності мікроорганізмів. Певний внесок у збагачення атмосфери свинцем також вносять вулканічні еманації і сорбування металів водними плівками газових бульбашок.
Викладені дані дозволяють наступним чином представити динаміку масообміну свинцю в біосфері. Маси металу знаходяться в розсіяному стані, їх міграція має чітко виражений циклічний характер і здійснюється в водорозчинних і газоподібних формах, а також у формах, пов'язаних з твердою фазою.
Світовий океан - глобальний акумулятор розчинних форм свинцю. В результаті селективного виділення свинцю на розділі океан - тропосфера в останню надходить (500-2300) ∙ 103 т / рік розчинних форм металу. Майже все це кількість утримується в циклічній міграції в системі океан - тропосфера і лише 40 ∙ 108 т / рік (п - від 1 до 3) переноситься на континенти з масами морського походження. З річковим стоком з континентів видаляється близько 40 ∙ 103 т / рік розчинних форм металу, до яких додається, мабуть, не менше 20 ∙ 103 т / рік розчинних форм металу антропогенного походження. З тропосфери на континенти осідає (100-300) -103 т / рік розчинних форм свинцю, що включають виділені з океану і перенесених з повітряними масами океанічного походження (40-120)-103 т/рік; близько 2 ∙ 103 т / рік винесених з вулканічними газами, а також з еманації, які надходять від рослинності (до 10 ∙ 103 т / рік). До природних масам металу, що знаходяться в тропосфері, додається (4-8) ∙ 103 т / рік розчинних форм антропогенного походження. Мабуть, в процесі тропосферного міграції відбувається суттєва трансформація стану свинцю, і частина форм, пов'язаних з твердим речовиною, переходить в розчинний стан. З цієї причини на поверхню педосфери і рослинний покрив надходить значно більше розчинних форм свинцю, ніж їх втягується в масообміну з атмосферою.
Жива речовина захоплює розсіяний свинець з розчинів і частково з твердої фази і втягує в біологічний круговорот близько 210 ∙ 103 т / рік металу на суші. Через фотосинтезуючі організми океану проходить не менше 110 ∙ 103 т / рік.
Співвідношення різних форм свинцю в міграційних потоках регулюється глобальними механізмами: океанічним осадко-освітою, фракціонуванням океан - тропосфера, процесами, що відбуваються при формуванні аерозолів і протікає в педосферу. У ґрунтах шляхом взаємообумовлених рівноваг відбувається перерозподіл різних форм знаходження металу. Великі маси розчинних форм свинцю, що надходять на поверхню континентів в процесі циклічної міграції, частково закріплюються на поверхні дисперсних частинок, входять до складу важкорозчинних сполук. Підвищена концентрація свинцю у верхньому горизонті грунту традиційно пояснювалася акумулятивний діяльністю рослин. Нові факти дозволяють припускати, що це явище в певній мірі пов'язано з циклічною міграцією металу в системі поверхню суші - тропосфера.
