методички / 2679

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Методические указания к практическим и самостоятельным работам по экологии

для студентов всех специальностей очной формы обучения и для студентов дополнительной квалификации «Эколог в области железнодорожного транспорта» (дисциплина «Геоэкология»)

Составитель: Ю.А. Холопов

Самара

2010

1

УДК 628.58

Экологическая оценка загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами : методические указания к самостоятельной работе по экологии для студентов всех специальностей очной формы обучения и дополнительной квалификации «Эколог в области железнодорожного транспорта» (дисциплина «Геоэкология») / составитель: Ю.А. Холопов. – Самара : СамГУПС, 2010. – 16 с.

Утверждены на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности» 15 ноября 2010, протокол № 3.

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

В работе изложены теоретические материалы, отражающие следующие вопросы: «Опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», «Источники поступления тяжелых металлов», «Подходы к оценке, нормированию уровня загрязнения тяжелыми металлами при мониторинге почв», «Методы удаления и детоксикации ионов тяжелых металлов» и методические рекомендации по выполнению практического задания.

Составитель: Холопов Юрий Александрович

Рецензенты: директор межрегионального центра «Охрана труда и промышленная экология М.В. Смолев

к.т.н., старший преподаватель кафедры БЖД СамГУПС Е.В. Лукенюк

Редактор: И.А. Шимина Компьютерная верстка: Н. Э. Егорова

Подписано в печать 2.12.2010. Формат 60 х 90 1/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 287.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ВВЕДЕНИЕ

Среди значительной группы экотоксикантов, поступающих в окружающую среду в результате антропогенной деятельности, особое место занимают тяжелые металлы (ТМ)

– группа химических элементов с атомным весом более 50 (Hg, Pb, W, Sn, Cd, Mo, Cu, Co, Mn, Cr и др.). Опасность тяжелых металлов для экосистем определяется, прежде всего, тем, что, попадая в почву, они могут поглощаться растениями и по пищевой цепи попадать в организмы животных и человека.

Основными эмитентами выбросов ТМ являются промышленные предприятия крупных городов. Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, являются предприятия по выплавке цветных металлов (алюминиевые, глиноземные, медно-цинковые, свинцовоплавильные, никелевые, титано-магниевые, ртутные заводы), а также производства, связанные с переработкой цветных металлов (радиотехнические, электротехнические, приборостроительные, гальванические и другие).

Концентрация Pb, Zn, Bi, Sn в пыли металлургических производств может превышать среднее содержание в литосфере в 10–12 раз, концентрация Mo, Pb, Sn, Zn, Ag – в сотни раз, Сd, V, – в десятки тысяч раз!

Значительные количества свинца поступают с выхлопными газами автомобилей. Кроме того, загрязнение пахотных земель такими элементами, как ртуть, мышьяк, свинец, медь, олово, висмут и др. происходит в результате применения пестицидов.

Эти обстоятельства формируют отношение экологов к ТМ как к супертоксикантам, слежение за их поведением в окружающей среде входит в программы мониторинга, а данные о содержании публикуются в ежегодных государственных докладах о состоянии окружающей среды. Поэтому студентам необходимо дать представление о ТМ как факторе экологической опасности, научить их самостоятельно оценивать воздействие этого фактора на экосистемы. При самостоятельном изучении теоретического материала студенты конспектируют ответы на вопросы и выполняют предложенные задания по вариантам.

Опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами

Список металлов, относящихся к классу особо токсичных, включает в себя As, Cd, Hg, Pb, Se, Zn. Известно, что в результате различных превращений данные химические элементы могут распределяться в атмосфере, гидросфере, литосфере Земли. Почва является одним из основных концентраторов ТМ в биосфере. В настоящее время на первое место выходит сознательное управление биосферными функциями почвенного покрова. Почвенный покров – незаменимый компонент биосферы – совместно с растениями определяет ее устойчивое функционирование.

Прогнозированию поведения тяжелых металлов в биосфере уделяется пристальное внимание. Установлены основные закономерности распределения металлов по поверхности, роль гумуса почвы как фиксатора ртути, свинца и других элементов.

Тяжелые металлы, как правило, концентрируются в приповерхностном слое почвы 0-10 (20) см, где они присутствуют в форме обменных ионов и в необменной, прочно фиксированной почвенным поглощающим комплексом форме. Доля водорастворимой формы обычно невелика, однако при сильном загрязнении абсолютное количество водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором. В дальнейшем ТМ могут мигрировать в растения, поступать в реки и озера в результате смыва и далее, по трофическим цепям, – в живые организмы.

3

Содержание и формы миграции тяжелых металлов в поверхностных природных водах и почвах таежных экосистем в известной мере зависят от сопутствующих негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, кислотных дождей, выбросов пыли и дыма и т.д. В наземных экосистемах тяжелые металлы включаются в трофические цепи и в таком компоненте, как почвы, активно воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает численность почвенных грибов, продуцирующих токсины, низкомолекулярные органические кислоты и другие органические вещества. Это является одним из адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ.

В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физикохимических и биологических факторов или выводиться из почвы, тяжелые металлы сохраняются в ней длительное время даже после устранения источника загрязнения: период полуудаления ТМ из почв в условиях лизиметров (специальных приборов, изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от

70 до 510 лет, Cd – от 13 до 1100 лет, Cu – от 310 до 1500 лет, Pb – от 740 до 5900 лет.

Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности.

Накопление тяжелых металлов в почве нарушает физико-химическое равновесие природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства. Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются микробиологические процессы, в результате разрушения структуры ухудшается водновоздушный режим, деградирует почвенный гумус, и в конечном итоге почва теряет плодородие.

Комплексообразующая способность многих металлов приводит к возникновению устойчивых металлоорганических комплексов хелатного типа, что, в свою очередь, обусловливает изменение концентрации необходимых для жизнедеятельности организмов субстратов в почве.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими сред обитания, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биогеохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью. (табл.1).

Таблица 1

Следует отметить, что ТМ могут являться причиной заболеваний человека. Среди них сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии. Тяжелые металлы

4

обладают эмбриотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия.

Таблица 2

Естественное содержание некоторых тяжелых металлов, вызывающих заболевания человека (в частях на миллион, ррm)

Для оценки опасности тяжелых металлов недостаточно знать их валовое количество, необходимо дифференцировать и форму металла в зависимости от состава и структуры системы (окисленный, восстановленный, метилированный, закомплексованный металл). Наибольшую опасность представляют лабильные формы.

Источники поступления тяжелых металлов

Все источники поступления поллютантов (загрязнителей) можно разделить на природные и антропогенные. Среди природных источников поступления ТМ в атмосферу выделяются ветровая эрозия, извержения вулканов, лесные пожары, испарение с поверхности почв и растений, поступление с поверхности почвы и др. Причем для Cd, Zn и Pb доля антропогенных поступлений в атмосферу значительно превышает природные (табл. 3).

Таблица 3

Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы

По хозяйственным и территориальным признакам источники металлотоксикантов подразделяют на локальные и пространственные, а по скорости эмиссии в окружающую среду и объекты живой природы – на регулярные и залповые.

Особую опасность для окружающей среды представляют распределенные в пространстве источники тяжелых металлов, так как именно они загрязняют сравнительно большие территории. К этой группе относятся: автомобильный транспорт, сельскохозяйственные угодья (после обработки содержащими металлы пестицидами),

5

домашние печи, использующие уголь. Вклад различных отраслей промышленности в загрязнение природной среды ТМ отражен в табл. 4.

Таблица 4

Отрасли промышленности, загрязняющие природную среду тяжелыми металлами

На предприятиях железнодорожного транспорта источниками поступления тяжелых металлов в окружающую среду служат котельные, участки сварки и резки, химической и электрохимической обработки металлов, аккумуляторные, медницкие отделения. ТМ поступают также при потерях перевозимого сырья и руд, в составе сточных вод предприятий.

Особый интерес для экологических исследований представляют Cd, Pb и Hg, относящиеся к металлам первого класса опасности.

Содержание кадмия в почвах определяется химическим составом материнских пород. Среднее содержание Cd в почвах лежит между 0,07 и 1,1 мг/кг. При этом фоновые уровни Cd в почвах не превосходят 0,5 мг/кг, и все более высокие значения свидетельствуют об антропогенном вкладе в содержание Cd в верхнем слое почв.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается свыше 25 тыс. т кадмия. С атмосферными осадками и пылью на поверхность почвы в России ежегодно выпадает 1,9–5,4 г/га кадмия. Из-за несовершенства технологий производства минеральных удобрений выбросы ТМ в окружающую среду превышают проектные величины в 2–3 раза. В то же время при внесении органических удобрений в дозе 50 т/га в почву поступает: свинца – 38, кадмия – 2,3 и никеля – 75 г/га.

Свинец поступает в окружающую среду из антропогенных источников с выбросами промышленных предприятий и автомобильного транспорта, определенную долю вносят сельскохозяйственный сектор, а также природные источники (ветровая эрозия почвы, вулканическая деятельность, лесные пожары). По некоторым оценкам, в результате природной эмиссии в атмосферу поступает в среднем 27 тыс. т свинца в год, а в результате антропогенной деятельности – 425 тыс. т в год.

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями, как правило, связывают с автомобильным транспортом и деятельностью предприятий цветной металлургии.

6

Состав парка автомобилей по видам используемого топлива таков: количество автомобилей, использующих газ в качестве топлива, не превышает 2 %, доля грузовых автомобилей с дизельным двигателем составляет в среднем по России 28 %, а автобусов с дизелем – примерно 63 %. Остальные автомобили используют бензин в качестве топлива.

Размеры зоны влияния автотранспорта на экосистемы сильно варьируют. Ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать от 10 м до 100–150 м. Это содержание асимметрично по отношению к поперечному профилю дороги, что находит свое отражение в растениях, лесные полосы вдоль дорог задерживают в своих кронах потоки свинца от автотранспорта. В условиях города размеры свинцовых аномалий определяются условиями застройки и структурой зеленых насаждений. В настоящее время на свалках находится до 1 млн т свинца в отработанных аккумуляторах.

Соединения ртути встречаются в фунгицидах (до последнего времени ртутьсодержащие соединения использовались для протравливания семян), при производстве бумаги и синтезе пластмасс. Отдельные соединения различаются по своей токсичности и устойчивости.

Из всего количества ртути, которое человек получает с пищей, примерно половина приходится на продукты животного происхождения и одна треть – на растительную пищу. Всего в мире ежегодно производится 9000 тонн ртути, из них 5000 тонн впоследствии оказываются в океанах. В озере Вашингтон за последние 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз. Проходя через пищевые цепи, соединения ртути могут менять свою токсичность. Так, было установлено, что в США в одном озере, в которое фабрика спускала сточные воды, содержавшие связанную в форме неорганических соединений (мало токсичную) ртуть, эти ртутные соединения поглощались растениями (например, камышом), восстанавливались и затем уходили в атмосферу в виде элементарной (очень ядовитой) ртути в газообразном состоянии.

Подходы к оценке, нормированию уровня загрязнения тяжелыми металлами при мониторинге почв

Экологический мониторинг – это система наблюдений, оценки и прогноза, позволяющая выявить изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенной деятельности.

Мониторинг в условиях крупных индустриальных центров имеет свои особенности. Это полиметальность состава техногенных выбросов и, как следствие, возникающие трудности при экологической оценке выявленного загрязнения; сложности при выборе почвенного фона и при характеристике буферной способности загрязняемой почвы по отношению к тяжелым металлам.

Экологические и физиологические аспекты воздействия ТМ на городские экосистемы проявляются в соответствующих пространственных аномалиях. Поскольку техногенные аномалии обычно имеют полиэлементный состав, для них рассчитывается суммарный показатель загрязнения (СПЗ).

Как правило, при попытках нормирования антропогенного загрязнения прибегают к разработке предельно допустимых концентраций (ПДК).

Предельно допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в окружающей среде, отнесенное к массе или объему ее конкретного компонента, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени

7

практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.

Однако существующая система ПДК недостаточно достоверно информативна, поскольку предусматривает определение индивидуального токсиканта, дистанцируясь от вопроса о комплексном воздействии различных загрязнителей. Между тем, совместное действие, например, органокомплексов тяжелых металлов кардинально меняет ПДК, экспериментально полученные для отдельного тяжелого металла.

При характеристике загрязнения территорий поллютантами используют также следующие характеристики:

индекс загрязнения (ИЗ) – показатель, качественно и количественно отражающий присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на живые организмы;

фоновая концентрация – содержание вещества в объекте окружающей среды, определяемое суммой глобальных и региональных естественных и антропогенных вкладов в результате дальнего и трансграничного переноса;

токсическая концентрация – концентрация вредного вещества, которое способно при различной длительности воздействия вызывать гибель живых организмов, либо концентрация вредного начала, вызывающая гибель живых организмов в течение 30 суток в результате воздействия на них вредных веществ.

Таблица 5

Предельно допустимые концентрации приоритетных токсикантов в объектах окружающей природной среды

Однако гигиенические ПДК не учитывают разнообразия возможных реакций у организмов в популяции. В противоположность гигиеническим подходам геохимической экологией разрабатывается учение о нижних и верхних пороговых концентрациях, которые отражают емкость гомеостатических регуляторов системы.

Критическую величину нагрузки определяют на основе анализа зависимости дозаэффект: эта зависимость обнаруживает резкий порог токсического воздействия на экосистему, соответствующий определенному значению суммарной нагрузки. Этот порог и может быть принят в качестве экологической критической предельно допустимой нормы воздействия определенной нагрузки на исследованную экосистему.

8

Для сохранения адаптации колебательных процессов в динамике экосистем к внешним периодическим воздействиям, за исключением экстремальных, аварийных случаев, в первую очередь нужно измерять и нормировать не количество, а частоту поступления приоритетных загрязняющих веществ. Нормирование воздействий на экосистемы рассматривают в рамках определения тех возмущений, которые не выводят экосистему из максимально адаптивных (нормальных) условий ее функционирования.

В качестве критериев для экологических исследований предлагаются различные показатели биологического разнообразия, которые могут быть отнесены, скорее, к количественным, чем к качественным. Среди них наибольшее применение нашли индексы Шеннона, Маргалефа, Мак-Интоша, Менхиника, Симпсона, Вильма и Дориса.

Под влиянием высоких уровней антропогенного воздействия наблюдается существенное уменьшение показателей дыхания почв, например, при загрязнении смешанными промышленными выбросами, содержащими тяжелые металлы, уплотнении почв.

Критическую предельно допустимую нагрузку нельзя рассматривать в отрыве от понятия устойчивости.

Вопрос об устойчивости экосистемы весьма сложен. Отсутствует даже единое общеупотребительное определение этого термина. Существующие подходы к понятию устойчивости можно условно разбить на три группы:

1)инертность системы – способность экосистемы сохранять при внешнем воздействии исходное состояние в течение некоторого времени;

2)пластичность системы – способность экосистемы переходить из одного состояния равновесия в другое, сохраняя при этом внутренние связи;

3)восстанавливаемость системы – способность экосистемы возвращаться в исходное состояние после временного внешнего воздействия.

Первые два понятия трактуют как устойчивость адаптационную, третье – как регенерационную. Использовать эти понятия на практике непросто, поскольку любое даже малое воздействие приводит к каким-либо изменениям; невозможно представить также возвращение экосистемы в исходное состояние, поскольку сукцессионный процесс идет постоянно в постоянно меняющихся условиях.

Методы удаления и детоксикации ионов тяжелых металлов

Наиболее эффективным вариантом сохранения объектов окружающей среды от негативного воздействия ТМ является предотвращение их антропогенного поступления. Однако в процессе производства человеку не всегда удается избежать эмиссии металлов в атмосферу, почву, поверхностные воды. Так, например, работа гальванических цехов характеризуется поступлением солей ТМ в сточные воды. Соли тяжелых металлов в сточных водах содержатся в виде раствора, а также взвесей. Они способны восстанавливаться, окисляться, осаждаться, адсорбироваться в виде индивидуальных веществ и комплексов. Для удаления солей ТМ из сточных вод используются реагентные и физико-химические методы. Реагентные методы очистки наиболее эффективно применяются для удаления соединений цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта и др. При использовании этих методов достигается перевод растворимых в воде соединений веществ в нерастворимые с последующим отделением их в виде осадков. В качестве реагентов для удаления сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды кальция и натрия, различные шлаки.

9

Выделение катионов цинка щелочами основано на переводе их в

кадмия, ванадия, марганца) применяют ионный обмен. Ионный обмен на примере очистки воды от цинка происходит по уравнению:

является электро- и гальванокоагуляция.

Для ликвидации последствий загрязнения почв тяжелыми металлами используются ряд приемов. На сильно поврежденных почвах вблизи отвалов и хранилищ отходов цветной металлургии ТМ удаляют из загрязненного слоя (10-30 см) путем перевода их соединений в подвижную форму и дальнейшего промывания раствором FeCl3 в кислой среде. Однако механическое перемещение и промывка достаточно дороги, поэтому чаще используют более дешевые способы, например, внесение веществ-инактиваторов. Так, при применении меркапто-8-триазина прочно фиксируются кадмий, свинец, ртуть и никель, а элементы питания – кальций, магний, калий и др. при этом не закрепляются.

Защитным эффектом обладает и известкование почв. При этом происходит нейтрализация среды и образование коллоидов гидроксидов тяжелых металлов, находящихся в почвенном растворе.

Важное место в детоксикации тяжелых металлов отводится органическим удобрениям, которые выступают адсорбентами ионов ТМ. В качестве поглотителей ТМ используют и глинистые минералы (монтмориллонит, вермикулит). Все мероприятия по детоксикации почв направлены на недопущение движения ионов ТМ по пищевым цепочкам в экосистеме.

Вопросы для самоподготовки

1.Какие вещества относятся к тяжелым металлам?

2.В чем опасность ТМ как экотоксикантов?

3.Перечислите металлы, относящиеся к 1 классу опасности.

5.Назовите основные источники поступления ТМ.

6.При поступлении каких металлов в атмосферу основной вклад вносит антропогенный фактор?

7.Охарактеризуйте наиболее опасные производства с точки зрения эмиссии ТМ.

8.Что такое ПДК?

10