Что такое тяжелые металлы? Про хром, сурьму и цинк

В последнее время очень много говориться о загрязнении природы тяжелыми металлами. В эту категорию входят более 40 химических элементов (олово, вольфрам, молибден, теллур, сурьма, кадмий, железо, цинк, хром, ртуть, марганец, свинец, кобальт, висмут, никель, галлий, медь, германий, таллий).

Называть «тяжелые металлы» «токсичными элементами» неточное понятие, потому что не только они образуют токсичные соединения для живых организмов. Более легкие элементы тоже могут быть опасными при определённой концентрации.

Откуда берутся тяжелые металлы?

Породы магматического и осадочного происхождения

Основным природным источником загрязнения тяжелыми металлами являются разные породы магматического и осадочного происхождения. Многие минералы, содержащие эти элементы, могут быть примесями в другие горные породы. В эту группу входят: минералы хрома (Fe₂Cr₂O₄) и титана (анатаз, ильменит, брусит). Соединения этой категории химических элементов могут попасть в атмосферу из космоса (с космической пылью), и из недр нашей планеты (с помощью вулканических газов).

Антропогенное загрязнение

Важным фактором поступления тяжелых металлов в окружающую среду является антропогенное загрязнение. Промышленность цемента, черная и цветная металлургия, из-за технологических процессов при большой температуре, выбрасывает очень большое количество этих элементов в нашу среду обитания. Эти загрязнители могут проникнуть и в наши продукты питания, если орошение полей проводилось водами содержащие большую концентрацию таких химических элементов (например, бытовые сточные воды). Это случается по мотиву, что одни из них считаются микроэлементами. Конечно, не только так эти металлы попадают в водоёмы. Если рядом с вашим местом обитания есть металлургические предприятия, рудники, или на ваши поля вносится большое количество минеральных удобрений с содержанием цинка, меди, железа, молибдена, то они могут попасть в подземные воды благодаря дождям, таянью снега. Так что я вам советую провести контроль качества воды на содержания в местности тяжелых металлов, если вы хотите выкопать колодец.

Не только локальная антропогенная активность может повлиять на вырастание содержания тяжелых металлов в атмосфере. В виде аэрозолей, эти химические элементы могут быть перенесены на многие десятки, сотни, да и тысячи километров от места их выброса в атмосферу. Также тяжелые элементы они могут накапливаться на дне бессточных водоемов в отложениях. Часть их содержания образуют нерастворимые карбонаты, сульфаты, а также входят в состав минеральных и органических осадков. Таким образом, содержание тяжелых металлов в отложених водоёмов растёт, но если отложения перенасыщены этими металлами, то они попадут назад в воду и тогда будет «двойной удар». Почему так? Да потому что, мы ещё не почувствовали глобально эффект от сильного загрязнения такими элементами. Вот когда, эти отложения со дна водоёмов утратят способность связывать их, то «вернут» части этих элементов назад в воду и тогда мы будем искать пригодную воду где-то в другом месте. Особо затруднительная ситуация создалась вблизи автострад. Там почва накопила столько свинца, кадмия и цинка что положительных прогнозов не ожидается.

Как удаляются тяжелые металлы из воды и почвы?

Тяжелые металлы, поступая в почву, начинают накапливаться в верхние слои этого пласта. Есть верные пути их удаления: потребление растениями, выщелачивание, эрозия, вынос водою. В функции от элемента, период полуудаления из почвы может варьировать. Например, уменьшение начальной концентрации до половины для определённых элементов является: для кадмия — 13 — 110 лет, для цинка 70 — 510, для меди — 310 — 1500 лет, для свинца — 770 — 5900 лет.

На растворимость соединений этих элементов в почве влияют различные факторы:

высокое содержание гумуса связывает их, формируя малорастворимые комплексы, таким образом, доступность этих элементов уменьшается,
а вот анаэробные условия увеличивают их доступность.

Вот почему рекомендуется повышенный уровень кислорода в водном растворе. Кислород окисляет ионы металлов до нерастворимых форм. Важным звеном в круговороте тяжелых металлов в природе являются растения. Они аккумулируют их в тканях, оттуда они могут переходить к животным и человеку.

Всем известно, что несколько химических элементов из этой категории входят в группу микроэлементов. Растения каждые по своему виду концентрируют определённые микроэлементы.

Гвоздики охотно усваивают медь,
перцы — кобальт,
берёза карликовая — цинк,
вероника — никель и медь,
а лишайники — никель, цинк и медь.

Чем тяжелее, тем токсичнее…

Токсичность тяжелых металлов возрастает с ростом атомной массы. Каждый такой химический элемент при высоком уровне в живом организме влияет на определённые биохимические процессы.

Медь и ртуть ингибируют деятельность ферментов.
Железо нарушает обмен веществ, из-за того что взаимодействует с разными метаболитами образуя неактивные соединения.
Кадмий, железо и медь нарушают проницаемость клеточных мембран.

Учёные в последнее время заинтересовались действиями тяжелых металлов на животных. Оказывается, они могут аккумулировать их, таким образом служить индикаторами. Самыми чувствительными животными считаются почвенные животные (сапрофиты, благодаря тому, что они живут на определённую территорию), европейский крот, рыжая полевка, лось, бурый медведь. Особенно интересны сведения про млекопитающих, потому что так можно более точно узнать про возможные действия на человека.

Действие тяжелых металлов на живые организмы

Воздействуя на организмы животных, тяжелые металлы накапливаются в ткани и вызывают разные болезни.

Сурьма (Sb)

Главными источниками загрязнения этим элементом считаются сточные воды с предприятий, которые производят спички, стекло, краски, резину и природный процесс выщелачивания минералов сурьмы (стибиоканит, сенармонтит, стибнит, сервантит, валентинит).

Содержание сурьмы в природных водоёмах

В природных чистых водоёмах, соединения этого химического элемента не превышают норму и находятся в дисперсионном состоянии. Возможно присутствие соединений трехвалентной так и пятивалентной сурьмы.

Нормальная вода с поверхности Земли содержит очень малые концентрации сурьмы (меньше микрограмма на литр воды), в морях она содержится на уровне 0,5 мкг/литр, а в водах подземелья — около 10 мкг/литр.

Предельно-допустимая концентрация сурьмы для водной среды

В природных водоёмах максимально допустимая концентрация сурьмы (ПДК_в) является 0.05 мг/литр, а в водоёмах, предназначенной для рыбохозяйственных целей (ПДК_вр) — 0.01 мг/литр.

Хром (Cr)

В основном соединения трех- и шестивалентного этого элемента попадают в поверхностные воды путём выщелачивания разных минералов (крокоит, хромит, уваровит). Другим натуральным источником хрома могут быть растения и другие живые организмы. В результате разложения этих живых организмов могут освободиться ионы Cr. Человек тоже может быть замешен в загрязнении окружающий среды его соединениями. Самыми важными источниками загрязнения хромом являются:

кожевенные заводы,
гальванические цехи,
текстильные и химические предприятия.

Снижение концентрации Cr в воде замечается благодаря адсорбции на поверхности пород и обрабатыванию разными организмами.

Уровень соединений Cr в воде зависит от многих факторов как:

температура,
состав воды,
рН раствора.

Очень важно, какие сорбенты находятся в иле, отложениях на дне водоемов (карбонат кальция, глина, гидроксид железа, остатки растении и животных) потому что они влияют на общий уровень хрома в воде. Растворимые формы Cr являются хроматы и бихроматы. При повышенной концентрации кислорода в воде (аэробные условия) соли шестивалентного хрома Cr(VI) переходят в соли трехвалентного хрома Cr(III), которые при повышенном рН переходят в нерастворимые гидроксиды.

Содержание хрома в природных водоёмах

Концентрация Cr в чистых незагрязнённых водах находится в интервале от 0,1 мкг/литр до n*1 мкг/литр, в загрязнённых водоёмах — от n*10 мкг/литр до n*100 мкг/литр. В морях Cr содержится на уровне 0,05 мкг/литр, а в водах подземелья от n*10 до n*100 мкг/литр.

Важно знать, что соединения шестивалентного и трехвалентного хрома при больших концентрации в окружающей среде могут вызвать раковые заболевания у животных и человека, живущих в этой среде.

Предельно-допустимая концентрация хрома для водной среды

ПДК Cr(VI) в водоёмах не должно превышать 0,05 мг/литр, а Cr(III) — 0,5 мг/литр.

В рыбохозяйственных водоемах, содержание шестивалентного хрома ПДК_рыбхоз не должно превышать 0,001 мг/литр, а трехвалентного хрома — 0,005 мг/литр.

Цинк (Zn)

Главные минералы и горные породы, которые могут служить природными загрязнителями цинком, являются сфалерит, смитсонит, каламин, госларит, цинкит. Антропогенные факторы загрязнения цинком могут быть сточные воды с разных промышленных объектов (фабрики по производству минеральных красок, пергаментной бумаги, вискозного волокна и гальванические цехи).

В воде Zn находится в ионной форме, а также в форме органических и минеральных комплексов. Самыми распространёнными формами нерастворимых соединений цинка являются карбонаты, сульфиды, гидроксиды.

Содержание цинка в природных водоёмах

В морях Zn содержится в концентрациях от 1,5 до 10 мкг/литр, а в реках — 3 до 120 мкг/литр. Отходные воды с рудников и шахт, при низком рН, могут содержать очень большое количество цинка.

Zn — один из важнейших микроэлементов, в котором нуждаются все растения и животные. Есть и негативные стороны цинка, хлорид и сульфат этого элемента токсичны.