12.7. Кадмій, хром, алюміній

Серед мікроелементів, які при певних концентраціях у воді виявляють високу токсичність, є особливо небезпечні забруднюючі речовини водного середовища. Вони в мікродозах негативно впливають на функціональний стан водних екосистем. До таких, зокрема, належать кадмій і хром.

Кадмій займає 67-ме місце за поширенням на земній поверхні. Цим пояснюється, що тривалий час на нього мало звертали увагу як на можливий екологічний фактор гідросфери.

У водне середовище він переходить з такими мінеральними сполуками, як CdO, CdS, CdCl₂*H₂О, 3CdSO₄*8H₂O та деякі інші. Важливим джерелом забруднення водних об'єктів є сульфідні руди та стічні води підприємств кольорової металургії та хімічних заводів. Вже в мікродозах кадмій виявляє високу токсичність.

Середня концентрація кадмію у морській воді становить 0,11 мкг/дм³. У прісних водоймах України його вміст коливається в досить значному діапазоні. Так, в Запорізькому водосховищі концентрація кадмію становить 0,30—10,40, а в Каховському — 0,30—4,80 мкг/дм³. У донних ґрунтах вміст кадмію значно вищий. Так, у верхньому 5-сантиметровому шарі донних ґрунтів дніпровських водосховищ він коливається в межах від 0,6 до 3,9 мг/кг сухої маси.

Кадмій виявляє високу токсичну дію на гідробіонтів різних трофічних рівнів. Уже в дозі 0,02—1,00 мкг/дм³ спостерігається пригнічення реакції фотосинтезу у вищих водяних рослин, а починаючи з 1 мкг/дм³ його токсична дія проявляється чітко. При концентрації кадмію у воді 0,003—0,5 мг/дм³ гине протягом 72 год до 50 % прісноводних безхребетних, а у риб (річкова форель) при концентрації 4 мкг/дм³ значно пригнічується ферментативна активність тканин печінки та деяких інших органів. Токсичність кадмію у воді залежить від наявності інших речовин, з якими він може утворювати комплексні сполуки. Так, при утворенні комплексів з органічними речовинами, зокрема з гуміновими та фульвокислотами, його токсичність різко знижується.

До числа небезпечних речовин, забруднювачів водного середовища, належить хром. У природі він зустрічається переважно у вигляді мінералів хроміту (FeCr₂О₄), крокоіту (Р1СгО₄), уваровіту (Ca₃Cr₂(SiО₄)₃). У сполуках ступінь його окиснення +2, +3, +6. У водному середовищі найбільшу небезпеку становлять сполуки хрому з ступенем окиснення +6, які проявляють високу токсичну та канцерогенну дію. Для водойм рибогосподарського призначення граничне допустима концентрація (ГДК) хрому шестивалентного становить 1 мкг/дм³.

Вміст хрому у водоймах України залежить не стільки від природних факторів, скільки від його антропогенного надходження. Так, у воді дніпровських водосховищ концентрація хрому коливається у досить широких межах. Особливо вона зростає у водосховищах Півдня України, по берегах яких розташовані великі металургійні і хімічні комбінати (табл. 10).

Таблиця 10.

Вміст хрому у воді (мкг/дм3) і донних відкладеннях (мг на 1 кг сухої маси) деяких водних об'єктів України [73, 74]

Водні об'єкти	Вода	Донні відкладення на глибині до 5 см поверхневого шару
Водосховища Дніпра
Київське	6,0-46,7	27,3-48,6 (34,8)
Канівське	4,5-58,0
Кременчуцьке	5,8-78,6	29,5-58,6 (43,8)
Запорізьке	6,7-92,5	91,6-147,5(118,0)
Каховське	9,2-112,0	42,5-112,0(66,8)
Лимани
Дніпровсько-Бузький	14,5-123,0	86,5-176,0(125,8)
Дністровський	14,3-108,5
Кілійська дельта Дунаю	12,6-168,0
Гирло Дністра	26,0-142,0

Примітка. Вказано граничні величини, у дужках – середні концентрації.

Токсичність хрому виявляється в залежності від його загальної концентрації та наявності у воді органічних речовин зокрема гумусових речовин, білковоподібних та вуглеводних сполук, з якими він утворює комплекси. Так, частина хрому, зв'язаного з гумусовими речовинами у дніпровських водосховищах у літньо-осінній період досягає 45—58 % від сумарного вмісту його в комплексних сполуках.

Серед елементів, які постійно надходять у водні екосистеми з водами з водозбірної площі, є алюміній. У глинистих ґрунтах його вміст досягає 10—18%, піщаних — 2—5, а торф'янистих — 0,1—0,5 %. Гумінові і фульвокислоти водного середовища прискорюють вимивання алюмінію з ґрунтових частинок, які надходять у водне середовище.

У сполуках алюміній проявляє ступінь окиснення +3, легко окиснюється до А1₂О₃. Такі сполуки розчиняються у водних розчинах, що мають лужну реакцію. Для водних екосистем найбільше значення мають сполуки алюмінію з кремнієвою кислотою, з яких утворюється ціла група силікатних мінералів, зокрема коаліт (Аl₄{Si₄O₁₀}(ОН)₈), галузит (Аl₄{Si₄O₁₀}(ОН)₈4H₂O), цеоліт та ін. Алюмосилікати — найпоширеніші сполуки земної поверхні, які поступово вивітрюються і руйнуються, внаслідок чого утворюються звичайні глини, основою яких є продукти розпаду сполук алюмінію - кварц і каолін. Надходячи у воду і осідаючи на дно водойм, вони впливають на формування донних ґрунтів.

Алюміній виявляє токсичний вплив на водяні організми. Так, гостра токсичність A1(NO₃)₃ для дафній спостерігається при концентрації 5 мг/дм³. Нітрат алюмінію у такій же концентрації викликає у форелі різні порушення координації рухів, перекидання набік. Токсичний і сульфат алюмінію. При концентрації 10 мг/дм³ у м'якій воді під його впливом уже через 5 год гине триголкова колюшка, а при концентрації 0,1 мг/дм³ смерть наступає через 6 діб. Токсичність хлориду алюмінію виявляється по відношенню до безхребетних і риб при концентрації 5 мг/дм³.

У донних ґрунтах гідроксиди алюмінію зв'язують фосфати, переводячи їх у менш розчинну і менш доступну для рослин сполуку. У невеликих концентраціях алюміній може стимулювати ріст і розвиток рослин. Але вже в концентраціях від 10 до 60 мг/кг ґрунту він пригнічує їх розвиток, порушуючи фосфорне живлення.