4.2. Действие соединений тяжёлых металлов

В. И. Вернадский писал в 1944 году: «Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно». Современные промышленные процессы связаны с выбросом в атмосферу, почвы и воды огромных количеств токсических веществ. Одни из них - биоциды - прямо поступают в окружающую среду при сельскохозяйственном использовании. Другие тяжелые металлы, нефть, продукты сгорания нефти и нефтепродуктов, оксиды азота, серы, углерода - входят в биосферу в виде отходов машиностроения, транспорта, теплофикации, энергетики, строительства и т.д. Многие из этих токсикантов различными путями попадают в пищевые цепи экосистем. Концентрация того или иного токсиканта доходит до уровня, приводящего к заболеваниям населения и даже к летальным исходам. Связано это со стремительным ростом урбанизированных территорий после 60-х годов нашего столетия. Это привело к заметному нарушению закономерностей концентрации и перераспределения тяжелых металлов в компонентах природных ландшафтов. Например, за последние 20 лет на территории нашей страны возникло около 250 городов, причем значительная их часть — малые города с населением 10-25 тыс. человек [45-48].

Наиболее значительные изменения происходят на локальном уровне. С 1974 года подразделения Управлений по гидрометеорологии проводят наблюдения за загрязнением почв ингредиентами промышленного производства вокруг крупных центров цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, энергетики. Сравнение данных, полученных за десятилетие (1978-1988), показало, что за пределами промышленных и санитарно-защитных зон не отмечено существенного приращения массовых долей металлов в почвах. С учетом этого обстоятельства 166 городов страны, почвы которых обследованы наиболее полно, были ранжированы Ю. К. Вертинским, В. Г. Козьминой, А. М. Лишановой (1992) по суммарному показателю загрязнения почв металлами, утвержденному Минздравом СССР в 1987 году.

Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Они находятся преимущественно в рассеянном состоянии, но при этом способны образовывать природные локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает кларковые уровни. Металлы не входят в состав органических соединений, из которых состоят ткани живых организмов. В то же время устройство электронных оболочек атомов металлов обусловливает переменную валентность, что способствует взаимодействию металлов с азот- и серосодержащими функциональными группами органических соединений. Благодаря этому металлы являются необходимой частью ферментативной системы живых организмов — основы функционирования живого вещества Земли. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов мирового хозяйства, металлы вместе с тем образуют группу опасных загрязнителей природной среды. Выяснение глобальных закономерностей массообмена и распределения масс металлов в биосфере представляет весьма актуальную проблему [49].

Несмотря на значительное разнообразие соединений тяжелых металлов, поступающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии довольно однотипен — они представлены преимущественно оксидами. Количество сульфидов и водорастворимых фракций тяжелых металлов сравнительно невелико.

Первым этапом трансформации оксидов тяжелых металлов в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. Даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с С0₂ атмосферного воздуха, оксиды тяжелых металлов подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости. Оксид цинка — наиболее стабилен и менее растворим по сравнению с оксидами свинца и к амия. Его растворимость в диапазоне рН 4-8 более чем в 100 раз ниже, чем растворимость РЬО, и почти в 10000 раз ниже CdO. В отличие от оксида цинка оксиды свинца и кадмия неустойчивы в воде и преобразуются в гидроксид и (или) карбонат (гидроксокарбонат) свинца и карбонат кадмия.

Парциальное давление СО₂ в почвенном воздухе во много раз превышает таковое в атмосфере и поэтому в почве преобладают более устойчивые гидроксокарбонаты и карбонаты цинка и свинца. Следующими реакциями после растворения неустойчивых оксидов являются катионный обмен и специфическая адсорбция. Реакции адсорбции и катионного обмена могут быть описаны уравнениями Фрейндлиха, Ленгмюра и закона действующих масс.

Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей координационного типа с некоторыми поверхностными функциональными группами.

Специфическая адсорбция более избирательна, чем неспецифическая, и зависит как от свойств сорбируемых ионов, так и от природы поверхностных функциональных групп, поэтому тяжелые металлы энергично адсорбируются почвами из растворов. Механизм специфического поглощения более свойствен свинцу, чем цинку и кадмию. Коэффициенты селективности, рассчитанные для обменной реакции катионов тяжелых металлов с поглощенным кальцием, подтверждают преимущественное поглощение тяжелых металлов по сравнению с кальцием, а в ряду тяжелых металлов селективность адсорбции свинца более чем в 1000 раз выше, чем цинка и кадмия. Таким образом, процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии:

1. преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);

2. растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почвы;

3. образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы.

Ежегодно отечественный и зарубежный банк пополняется работами о влиянии отдельных факторов окружающей среды на детский и взрослый контингента населения, а также исследованиями экологического плана по изучению действия антропогенного загрязнения на различных представителей флоры и фауны.

К наиболее частым и значимым экологическим поражениям относятся хронические неспецифические болезни органов дыхания, патология репродуктивных функций и новорожденных, аллергические и аутоиммунные заболевания, новообразования, болезни крови, сердечнососудистой системы, профессиональные заболевания.

Более чем в 100 городах нашей страны концентрации загрязняющих веществ значительно превышают предельно допустимые санитарные нормы. Наиболее высокий уровень загрязнения в городских условиях характерен для тяжелых металлов, таких, как свинец, ртуть, хром и никель. Возрастающее загрязнение воздушной среды, воды, почвы, продуктов питания тяжелыми металлами оказывает прямое влияние на человека [50].

Проблема «металлического пресса» в городах особенно актуальна в связи со способностью тяжелых металлов накапливаться в организме человека и приводить к тяжелым последствиям, так как они обладают мутагенными, канцерогенными и тератогенными свойствами.

Так, например, соединения хрома едкие, опасны случаи изъязвления кожи и ее чувствительности к хрому. В очень больших дозах хроматы и бихроматы оказывают токсичное действие, особенно повреждаются свернутые почечные канальца. При вдыхании соединений хрома поражается не только ткани верхних дыхательных путей, но и легочные альвеолы.

Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Токсичность тяжелых металлов проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые тяжелые металлы образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо (II), взаимодействуют с клеточными мембранами, нарушая их функциональные роли.

У практически здоровых детей большинство тяжелых металлов (кадмий, кобальт, никель, свинец, хром) при воздействии на уровне ниже гигиенических регламентов в условиях крупного города оказывают угнетающее действие на показатели клеточного звена иммунитета, снижая метаболический потенциал клеток или оказывая сенсибилизирующее действие с повышением уровня общего lg Е в сыворотке крови.

Важное значение для развития дестабилизации иммунной системы имеет индивидуальная чувствительность к тяжелым металлам у практически здоровых детей, что можно рассматривать как фактор риска развития патологических процессов и повышения заболеваемости.

У практически здоровых детей, проживающих в районах относительного экологического благополучия по общим валовым выбросам, присутствует риск развития аллергических и аутоиммунных заболеваний или вторичной иммунологической соматической патологии.

В результате воздействия антропогенных факторов происходят существенные изменения в растениях. При химическом загрязнении биосферы нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы, нормальные процессы органогенеза, появляются специфические тератологические изменения у растений различных систематических групп, ухудшается качество сельскохозяйственной продукции. В золе растений возрастает содержание тяжелых металлов. Существенную опасность представляет отсутствие, каких- либо визуальных признаков поражения растений при опасных для человека и животных содержания токсикантов.

Тяжелые металлы существенно влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты. Они ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, вызывают микробостатический эффект, способствуют появлению мутагенных свойств. Высокие концентрации тяжелых металлов тормозят ферментативную деятельность в почвах — активность амилазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, каталазы.