Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эколого-аналитический контроль состояния окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
31
Антропогенный перенос токсикантов посредством рек может быть оценен
по фактору обогащения EFw:
EFw = (T
FW
/AlFW)(AlS /TS),
где TFW — средняя концентрация токсиканта в пресной воде; TS — средняя концентрация токсиканта на поверхности почвы.
Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Уменьшение
парциального давления кислорода и увеличение рН и жесткости воды приводят
к понижению токсикологического воздействия веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы, обитающие в ней.
Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может
быть достигнута при:
1) уменьшении поступления токсиканта;
2) увеличении коэффициента выделения токсиканта;
3) переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или
осаждения. Например, синтез металлотионеинов обуславливается несколькими
металлами, включая ртуть, кадмий, цинк, медь, серебро. Поэтому наличие одного из этих металлов может вызвать устойчивость к другому металлу из-за неспецифичности лигандов.
Факторы, влияющие на доступность токсикантов, усвоение, их воздействие
на организм, могут быть совершенно разной природы:
– химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы, частота воздействия);
– физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);
– биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья).
Канцерогенез — это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий.
Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат канцерогенные ионы металла, способные легко внедряться в клетки и реагировать с молекулой ДНК. Например, соли шестивалентного хрома СrО
4
2-
потенциально бо-
лее канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома CrCl3, поскольку первые легче
приникают в клетки, а вторые — лишь ограниченно.
32
Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от количества внутри клетки. Важным фактором в этом
аспекте является общая цитотоксическая активность конкретного металла. Так,
например, если ион металла также активен и цитотоксичен, как Hg2+, то гибель
клетки будет предшествовать канцерогенному ответу.
Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории:
1) металлосодержащие частицы;
2) водорастворимые соединения металлов;
3) жирорастворимые соединения.
Наибольшей проникающей способностью в клетку обладают водорастворимые соединения. Например, такой водорастворимый ион металла, как хроматион CrО
4
2-
, способен легко проникать в клетки с использованием SO
4
2–
тран-
спортной системы. А никель в ионной форме не внедряется в клетки с легкостью
и поэтому многие водорастворимые соли никеля не рассматриваются как потенциально канцерогенно опасные. Жирорастворимые соединения металлов, такие,
например, как карбонил никеля Ni(СО)4 , легко входят в клетку и поэтому очень
токсичны.
На механизм канцерогенеза сильно влияет рН среды, температура, наличие
в клетке аминокислот. При более кислых значениях рН наблюдается набольшая
растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот, хорошо связывающих металлы (таких, как цистеин, гистидин), сильно понижает
способность канцерогенов, например, никеля, проникать в клетки. Температура
среды является ярким индикатором канцерогенеза.
Локализация канцерогенных ионов металлов в клетках приводит к хромосомным нарушениям, которые являются результатом сшивания молекул ДНК
с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как никель
и хром, образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из ДНК, металла и белка. Образовавшись, эти комплексы чрезвычайно устойчивы, они вовлекают в канцерогенез никель и хром, и перераспределение ионов металлов по
мере образования этих комплексов становится менее вероятным [Роева Н.Н.,
2005].
4.4. Химико-экологический анализ токсикантов
Понятие токсичности и канцерогенности
элементов и соединений
Объекты экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны.
Это воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты живот-
33
ного происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач,
решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен. Наиболее
приоритетные из них:
1) создание современной методологии экотоксикологических исследований,
позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в условиях природопользования и комплексного влияния основных ее экологических
составляющих на живые организмы;
2) осуществление ранней диагностики измерений в организме, выявляе-
мых до наступления морфологических гинетических, популяционных и других
измерений;
3) разработка прикладных основ химико-токсикологического анализа при-
оритетных загрязнителей, включающего разнообразные способы их обнаружения,
изолирования и количественного определения в объектах окружающей среды;
4) создание целенаправленного мониторинга токсикантов, вызывающих те
или иные отклонения в живых организмах, который позволит по-новому подойти
к идентификации наиболее активно действующего фактора, так как специфичность биохимического ответа организма даст возможность проследить путь от
следствия к причине, т.е. выйти на соответствующего токсического агента или
на узкую группу агентов, выделяя их из общего массива веществ-загрязнителей.
Основная задача химико-токсикологического анализа — установление характера объекта, его консистенции и морфологического состава.
Чрезвычайно большое разнообразие объектов химико-токсикологического
анализа обусловливает специфические его особенности, заключающиеся в изолировании (или извлечении из достаточно большого количества исследуемого
образца ничтожно малых количеств токсиканта) и необходимости анализа в большинстве случаев не индивидуальных веществ, а многокомпонентных смесей,
в которых каждый определяемый компонент может влиять на последующий.
Стандартная схема выполнения химико-токсикологического анализа включает методы выделения (или изолирования) и очистки токсикантов, а также методы их качественного обнаружения и качественного определения (рис.1). Среди
этих методов особенное внимание, как правило, уделяется методам выделения
и очистки, поскольку анализируемые системы представляют собой достаточно
сложные неоднородные и многокомпонентные смеси, анализ которых сопряжен
с рядом трудностей, обусловленных селективностью определения, достоверностью и воспроизводимостью получаемых аналитических данных.
34
В зависимости от свойств и природы токсикантов для выделения веществ
органического происхождения применяют различные способы изолирования:
– дистилляцией с водяным паром; подкисленным 96º- или 70º-ным этиловым спиртом (алкалоиды, ряд синтетических веществ, гликозиды);
– подкисленной водой (алкалоиды, синтетические лекарственные препараты и др.);
– подщелоченной водой (некоторые органические кислоты, фенол и его
производные);
– различными органическими растворителями (остаточные количества пестицидов и др.).
Для изолирования веществ неорганической природы используются минерализация (соединения металлов и мышьяка), диализ (кислоты, щелочи, соли некоторых ядовитых кислот), озоление (фториды, кремнефтористые соединения).
Основными методами, применяемыми для очистки выделенных токсикантов, являются возгонка и перекристаллизация; экстракция и реэкстракция; различные виды хроматографии (газо-жидкостная, хроматография в тонком слое
сорбента). Наиболее широко применяются последние из описанных вследствие
дуализма характерных для них аналитических возможностей. Так, они позволяют
не только определить и отделить исследуемые соединения от сопутствующих
компонентов, но и качественно определить их структуры и количественное содержание. Например, газожидкостная хроматография широко применяется для
анализа спиртов (этилового, метилового и др.), ацетальдегида, некоторых галогенопроизводных, а хроматография в тонком слое сорбента — для анализа барбитуратов, алкалоидов, различных лекарственных веществ, гликозидов, элементноорганических соединений.
Основные требования к методам качественного обнаружения — достаточно высокая чувствительность, характеризуемая низким пределом обнаружения, и специфичность. В ряде случаев на практике применяют весьма традиционные аналитические методы (гравиметрические и титриметрические), однако
они не распространены широко из-за недостаточной чувствительности (диапазон
определяемых содержаний токсикантов 0,1–1 г) при необходимости работы с недостаточно большими объемами растворов (до 100 мл). Более чувствительными
и экспрессными являются микрохимические методы, например, капельный анализ и микрокристаллоскопический анализ с элементами кристаллооптики, широко применяющиеся для анализа как органических, так и неорганических
соединений, позволяющие определять токсиканты в диапазоне концентраций
0,001–0,01 г при анализе очень малых объемов анализируемых систем (от
0,01 до 0,1 мл).
35
Для обнаружения отдельных токсических соединений (хинина, стрихнина,
никоглина, атропина и др.) применяются хроматографические, полярографические, люминесцентные и биологические методы.
Методы количественного определения токсикантов представлены арсеналом различных физических (нейтронно-активационный, рентгенофлуоресцентный, масс-спектрометрический) и физико-химических методов (атомно-абсорбционный анализ, атомно-эмиссионный метод с индуктивно связанной плазмой,
хроматографические, электрохимические и спектрофотометрические методы
с использованием органических реагентов различных классов). В последнее время
активно применяются тест-методы на основе классических цветных реакций,
позволяющие определять токсиканты на уровне экспресс-анализа с достаточно
высокой точностью и селективностью. Перспективны в экотоксикологии комбинированные аналитические методы, сочетающие эффективные приемы концентрирования с разнообразными способами детектирования и химическими сенсорами [Понятие токсичности и канцерогенности элементов и соединений].
ЛЕКЦИЯ № 5 ПО ТЕМЕ «ВОДА В ПРИРОДЕ: СВОЙСТВА, ЗНАЧЕНИЕ
И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ»
5.1. Вода в природе
Академик В.И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей
планеты: нет природного тепла тела, которое могло бы сравняться с ней по влиянию на ход основных самых грандиозных глобальных проблем. Вода — своеобразный минерал, обеспечивающий существование живых организмов на Земле…»
Гидросфера возникла более 4 млрд лет назад. По современным представлениям гидросфера, атмосфера и земная кора возникла почти одновременно.
Средняя толщина земной коры в 10 раз больше средней толщины гидросферы.
Гидросфера на нашей планете — это основная часть ее поверхности: более
350 млн км2 или более 75 % площади поверхности Земли (общая поверхность
Земли 510 млн км2), поэтому Землю можно назвать «голубой планетой». Общее
количество воды на Земле — 1 390 млрд км3, распределение ее представлено
в табл. 5.1.
Таким образом, на Земле 1 390 млн км3 воды, в том числе пресной — всего
20 млн км3, и из этих запасов пресной воды приблизительно 97 % содержится
в ледниках и полярных шапках. Легкодоступной пресной воды — приблизительно 50 тыс. км3.
36
В России запас поверхностных пресных вод равен 28 тыс. км3 (из них
23 тыс. км3 (82 %) содержится в озере Байкал), что составляет 22 % объема пресной воды мира.
Гидросфера Земли как компонент биосферы представляет собой глобальную термодинамически открытую систему со своими «входом» и «выходом».
Вход — это поток солнечной энергии, который приводит в движение гидросферу, а выход — веществ, накапливающихся в результате потоков энергии
и веществ в экосистемах [Шлёнкина Т.М., 2007].
Таблица 5.1
Вода в природе
Наименование одного источника
Количество, км3
Поверхностная вода
1,39·109, в том числе пресной — 2·105
Ледники
2,4·10
7
Подземная вода
2·107, голубинная вода ≈ 10
8
В атмосфере
1,3·10
4
В живых системах
≈80 % всей биомассы
Роль воды на нашей планете огромна.
Именно в воде первоначально зародилась жизнь. Многие ученые высказывают суждение о том, что кровь человека и животных повторяет химический состав той среды, из которой в далеком прошлом произошла жизнь (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Сопоставление элементного состава крови человека
и вод Мирового океана
Компоненты
Содержание, % от суммы растворенных солей
В крови
В водах Мирового океана
Хлор
49,3
55,0
Натрий
30,0
30,6
Кислород
9,9
5,7
Калий
1,8
1,1
Кальций
0,8
1,2
Все без исключения живые существа содержат в своем организме приблизительно 80 % воды (по весу). Масса воды, входящей в живые организмы (биологической воды), составляет 1 120 км3, подавляющая часть которой проходит
37
через живые организмы в результате обмена веществ — метаболизма. Без воды
жизни нет: при обезвоживании организма на 10 % человек теряет сознание, а на
12 % погибает (без воды человек может жить не более 5 суток).
Вода является обязательным компонентом практически всех технологических процессов как сельскохозяйственных, так и промышленных производств.
Она выступает то как сырье, то как теплоноситель, то как транспортная система,
то как растворитель и как среда, удаляющая отходы производства.
Вода как «жизненный» растворитель, т.е. растворитель, в котором осуществляются все жизненно важные процессы, отвечает трем необходимым требованиям: амфотерности, химической активности без изменения природы растворяемого вещества и высокой диэлектрической проницаемости. Другого такого
растворителя в природе не существует.
Мировой океан является легкими планеты, поскольку продуцирует своим
фитопланктоном половину всего кислорода атмосферы.
Мировой океан является регулятором климата на нашей планете: холодные
воды на полюсах поглощают СО2 из воздуха и отдают его в нагретых тропических и экваториальных водах.
Мировой океан является самым сильным поглотителем солнечной энергии
(поглощает в 2–3 раза больше, чем суша); от поверхности океана отражается
всего 8 % падающей энергии. Как следствие, средняя температура поверхности
океана на 3,6° больше температуры поверхности земли.
Мировой океан является богатейшим источником минеральных ресурсов:
он содержит 5∙1016 т минерального сырья, в том числе: урана — 2∙1011, серебра — 5∙1010, меди — 1,5∙1010, золота — 5,1∙108 т.
Основные экологические проблемы, связанные с водой, следующие:
– во-первых, уменьшается запасы пресной воды, которые растущее человечество бездумно растрачивает, а также загрязняется это бесценное богатство;
– во-вторых, происходит загрязнение Мирового океана нефтепродуктами
и другими отходами различных производств. Так, 1 т нефти способна покрыть
тонким слоем площадь моря в 12 км2, пленка не пропускает солнечные лучи, что
замедляет образование кислорода в воде и приводит к гибели водных экосистем
и, соответственно, к уменьшению кислорода в атмосфере. Способность океана
к самоочищению от нефти не превышает 10 млн т в год. Следовательно, верхняя
оценка антропогенного воздействия на Мировой океан — 8 млн т в год — уже
близка к критической (10 млн т в год), а мертвый океан — это мертвая планета
[Кириенко Н.Н., 2012].
38
5.2. Химический состав воды
Поскольку вода является хорошим растворителем полярных и ионных соединений, природная вода представляет собой сложную многокомпонентную систему, в состав которой входят минеральные вещества, коллоидные и крупнодисперсные частицы, в том числе и микроорганизмы. В соответствии с классификацией Л.А. Кульского присутствующие в воде примеси делятся на четыре
группы (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Классификация присутствующих в воде примесей
по фазо-дисперсному состоянию
Группы
Размер частиц,
мм (10-6 м)
Характеристика примесей
Влияние
на свойства воды
Гетерогенные системы
I. Взвеси
≥10
-1
Суспензии, эмульсии,
микроорганизмы
Обусловливают
мутность воды
II. Коллоидные
растворы
10-1–10
-2
Коллоиды, высокомолекулярные
соединения, вирусы
Обусловливают
цветность
и окисляемость воды
Гомогенные системы
III. Молекулярные
растворы
10-2–10
-3
Газы, растворимые органические
соединения
Придают воде запах
и привкус
IV. Ионные
растворы
<10
-3
Соли, основания, кислоты
Обусловливают
минерализованность,
жесткость, щелочность
или кислотность воды
По степени минерализации природная вода подразделяется на восемь
типов (табл. 5.4).
Таблица 5.4
Классификация воды по степени минерализации
№ п ∕п
Названия природной воды
Содержания минеральных веществ, г/л
1
2
3
4
Ультрапресные
Пресные
Слабоминерализованные
Солоноватые
<0,2
0,2–0,5
0,5–1,0
1–3,0
39
№ п ∕п
Названия природной воды
Содержания минеральных веществ, г/л
5
6
7
8
Соленые
Повышенной солености
Переходные к рассолам
Рассол
3–10,0
10–35,0
35–50
>50
Макрокомпонентами природных вод в порядке их убывания являются:
– катионы — Са
2+
>Mg2+ > Na+ > K+ > NH4 >Fe2+ (катионогенные вещества);
– анионы — HCOˉ3 > CIˉ> SO
4
2-
> NO3- >F- >PO
4
3-
(анионогенные вещества).
Учитывая, что ионы PO
4
3–
, NH
4
+
, NO
3
–
присутствует в природной воде
редко, их наличие в воде может служить показателем ее загрязнения.
Микрокомпонентами природных вод являются редкие и рудные соедине-
ния бора, лития, рубидия, меди, цинка, висмута, бериллия, вольфрама, урана,
брома, йода, и др.
Основные газы, содержащиеся в природной воде, — O
2, CO2,
N2 — харак-
терны как для поверхностных, так и для глубинных условий; СН4, СО, Н2 более
типичны для подземных вод и вод вулканически активных областей.
Растворенные в воде компоненты находятся в равновесии, образуя ком-
плексы различного состава [Экология].
Питьевая вода — вода, которая используется для хозяйственно-питьевого
снабжения населения, — должна отвечать определенным требованиям, которые
отражены в ГОСТ № 2874-82. В соответствии с этим ГОСТом общее число макроорганизмом в 1 см3 воды должно быть не больше 100, а число бактерий группы
кишечной палочки («коли-индекс») — не более 3. Наряду с этим общая минерализация воды не должна превышать 1,0 г/л; рН = 6 – 10. Содержание примесей,
которые влияют на органолептические свойства воды и встречаются в природной воде или добавляются к воде при ее обработке, не должно превышать (в мг/л)
F
2+,3+
— 0,3; Mn
2+
— 1,0; PO
4
3–
— 3,5; SO
4
2–
— 500; Сl– — 350; Zn2+ — 5,0.
Одним из показателей качества питьевой воды является ее жесткость —
совокупность свойств воды, обусловленная наличием в ней ионов кальция (кальциевая жесткость) и магния (магниевая жесткость). Один из возможных источников солей жесткости в природной воде — горные породы (известняки, доломиты), которые растворяются в результате контакта с природной водой.
Различают временную, постоянную и общую жесткость воды. Временная
(карбонатная) жесткость обусловливается присутствием в воде бикарбонатов
кальция и магния, и она устраняется при кипячении:
22323
)( COOHCaCOНСОСа
t
++⎯→⎯
;
3323
)( COMgCOHCOMg
t
+⎯→⎯
.
40
Постоянная жесткость воды обусловливается присутствием в природной
воде хлоридов, сульфатов, силикатов и других растворимых солей кальция и магния; постоянная жесткость не устраняется кипячением. Общая жесткость воды
(ОЖ) складывается из временной и постоянной.
В России и странах СНГ жесткость выражается числом молей солей
жесткости в 1 л воды. Различают мягкую воду (ОЖ < 2 моль/л); среднюю
(ОЖ = 2–7 моль/л), жесткую (ОЖ > 7 моль/л). Органами санитарно-эпидемиологической службы (СЭС) временно для хозяйственно-питьевого обеспечения допускается вода со следующими показателями: сухой остаток — до 1,5 г/л,
ОЖ — до 10 моль/л, содержание железа и марганца —до 1 и 0,5 мг/л, соответственно.
Повышенная жесткость воды приводит к образованию накипи, уменьшает
теплопроводность воды, ухудшает качество тканей, которые отделываются в жесткой воде, увеличивается расход мыла при стирке, плохо развариваются мясо
и овощи. Качество продукции, в производстве которой используется жесткая
вода (безалкогольные напитки, пиво и др.), ухудшается пропорционально жесткости воды.
Большая часть пресной воды, используемой для хозяйственно-питьевых
нужд, берется из поверхностных водоемов и перед распределением потребителям подается в очистные сооружения, где качество повышается, если это необходимо, а также производится ее хлорирование или другая дезинфекция (озонирование, обработка УФ-лучами) [Шлёнкина Т.М., 2007].
Муниципальная очистка воды включает следующие этапы:
1) вода хлорируется (озонируется) для удаления микроорганизмов;
2) вода обрабатывается алюминиевыми квасцами, при коагуляции которых
захватываются внешние частицы;
3) после коагуляции вода в течение нескольких часов отстаивается для оса-
ждения взвесей;
4) взвеси отфильтровываются через песчаный фильтр;
5) вода стабилизирует известью (при этом достигается рН = 6–9);
6) перекачивается в накопитель, откуда и поступает к потребителю.
Большая часть используемой воды берется «взаймы», она возвращается, но
уже загрязненной. Устранив загрязнители, воду можно использовать неограниченное число раз.
Для технологических целей указанной водоподготовки недостаточно, поскольку к воде предъявляются более строгие требования по жесткости. Умягче-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]