Особливості кругообігу важких металів

Важкі метали - це хімічні елементи з високою відносною атомною масою та щільністю (від 5,36 г/см³ для германію до 22,48 г/см³ для осмію). З екологічного погляду заслуговують на увагу передусім ті, котрі найбільш широко використовуються у виробничій діяльності людини і за біологічною активністю токсичні та небезпечні для живих організмів. До таких елементів належать свинець, ртуть, кадмій, цинк, вісмут, кобальт, нікель, мідь, олово, сурма, ванадій, марганець, хром, молібден і миш’як. Важкі метали присутні в гірських породах, ґрунті, у покладах входять до різних мінералів, зокрема сульфідних. У довкілля потрапляють внаслідок природних процесів (виверження вулканів, землетрусів) та технічної діяльності людини, передусім при виробництві важких металів на підприємствах кольорової металургії, видобуванні вугілля, викидах автотранспорту, утилізації відходів, згорянні нафти, газу, при використанні мінеральних добрив тощо. Важкі метали стабільні, мають високі міграційні здібності, токсичні для живих мікроорганізмів, небезпечні для всіх екосистем навіть за малих концентрацій, і, потрапляючи у кругообіг органічної речовини біосфери, можуть змінювати геохімічні константи.

Важкі метали створюють “металевий пресинг” на біосферу. Кругообіг важких металів відбувається за наступною схемою: природні поклади або джерело забруднення (викиди, скиди, тверді відходи, пестициди, мінеральні добрива тощо) → середовище депонування (повітря, грунт, вода, харчові продукти) → живі організми, у т. ч. людина.

Важкі метали мігрують із атмосфери в гідросферу, і навпаки, із атмосфери осідають на грунт або рослини, надалі потрапляють з грунту у воду. Найшвидше метали накопичуються у грунті, але виводяться з нього дуже повільно. У викидах металургійних підприємств важкі метали знаходяться головно у нерозчинній формі, проте щодалі від викиду великі частини осідають, а частка розчинних форм збільшується, надалі встановлюється рівновага між розчинною і нерозчинною формами важких металів. Після потрапляння в атмосферу у вигляді газів і аерозолів, важкі метали усуваються шляхом природного самоочищення. У складі стічних вод важкі метали потрапляють у грунт, підземні води, відкриті водойми, накопичуються в рослинах, донних відкладеннях, а потім потрапляють до живих організмів. У водоймах метали найбільше накопичуються в планктоні, бентосі і рибі. Важкі метали гальмують процеси розпаду органічної речовини і сповільнюють кругообіг поживних речовин в рослинах, порушують процеси метаболізму, передусім фотосинтезу. При відмиранні живі організми розпадаються з утворенням розчинених органічно-мінеральних сполук. У донних відкладеннях утворюється нерозчинна форма сульфідних мінералів. В організм людини важкі метали потрапляють в основному з продуктами харчування (60-95 % від загальної кількості).

Кругообіг кадмію. Світове виробництво кадмію сягає 14000 тонн на рік. Середня концентрація у навколишньому середовищі становить 1,6 × 10^-5 %. Концентрація у повітрі над південним полюсом – 0,015 нг/м³, у місті – 0,14 мкг/м³, у морській воді - (1,1-38)×10^-6 мг/дм³, у прісній воді – < 0,0001 мг/дм³ – 0,2 мг/дм³. Щорічно в атмосферу надходить близько 9000 тонн кадмію. Кадмій у навколишньому середовищі не розкладається, акумулюється у верхніх шарах грунту. Біля 70 % кадмію, що потрапляє в грунт, зв’язується з груповими хімічними комплексами і засвоюється рослинами. Кадмій біологічно доступний, тому акумулюється бактеріями, молюсками, гідробіонтами. Інтенсивність міграції кадмію в рослини залежить від стану грунту. У лужних грунтах, він гірше проникає в рослини. Цинк заважає надходженню кадмію у рослини. У корінні рослин кадмію більше, ніж в листках. Він негативно впливає на фізіологічні процеси в рослинах, зокрема гальмує процеси фотосинтезу. Кадмій накопичується у великих концентраціях у лугових печерицях, листях тютюну. Кадмій розчиняється в органічних кислотах, тому легко переходить у харчові продукти.

Кругообіг ртуті. У світі нагромаджено близько 590000 тонн ртуті, обсяг світового виробництва становить 8400 тонн на рік. Середня концентрація ртуті у біосфері – 2×10^-5 %. Концентрація ртуті в атмосфері над океаном - 3×10^-4 мкг/м³, над південним полюсом – 0,17 нг/м³, над материками – 0,02 мкт/м³, в містах – до 0,11 мкг/м³, у морській воді – 4,9×10^-7 мг/дм³, прісній воді < 0,0001 мг/дм³, у грунті – 0,01-1,0 мг/кг.

Кругообіг ртуті є інтенсивним завдяки її високої леткості, розчинності в атмосферних осадах, здатності існувати в різних фазових станах, добрій абсорбції у грунті, зелених насадженнях. Із земної кори випаровується щорічно від 30 до 150 тис. тонн ртуті, з антропогенних джерел – біля 20 тис. тонн (лише з розбитих термометрів декілька тонн). Металева ртуть після надходження в навколишнє середовище підлягає багатьом хімічним перетворенням. Сірководневі бактерії грунту перетворюють ртуть у сульфат. При потраплянні у водойми відбуваються аналогічні реакції, проте більш важливим є аеробне метилювання. У присутності мікроорганізмів у води з атомарної й окисненої форми ртуті синтезується метилртуть. Ця сполука швидко поглинається живими організмами і включається у трофічний ланцюг безхребетних, які живляться планктоном. При розкладанні живих організмів утворюється диметилртуть, яка мігрує в атмосферу, де під впливом дощової води в кислому середовищі утворюється монометилртуть. Після закінчення цього циклу вона може знову потрапити у водну систему. У грунті ртуть знаходиться в невеликій кількості, за виключенням регіонів з промисловими викидами. У рослини ртуть потрапляє з грунту та повітря. Більш небезпечні для рослин атмосферні викиди, оскільки листя вбирає ртуть та акумулює її. Ртуть у різних частинах рослин знаходиться нерівномірно, наприклад, у зерні злакових концентрація ртуті є меншою, ніж у соломі.

У харчових продуктах може знаходитися атомарна ртуть, окиснена (Нg₂²⁺) й алкилртуть, яка є найбільш небезпечною. Ця сполука з планктоном або навіть й через зябра надходить в організм риб (щука, тунець, меч-риба). З продуктами тваринного походження в організм людини надходить у вигляді метилртуті. З організму вона виводиться з сечею, з жовчю. Із жовчі метилртуть знову абсорбується в кишках. Метилртуть акумулюється в еритроцитах, у мозку в органічній формі. В інших тканинах її органічні сполуки демитилюються і перетворюються в неорганічну ртуть.

Кругообіг свинцю. Світові запаси свинцю становлять 85·10⁶ тонн, світове виробництво сягає 4,1·10⁶ тонн на рік. Середній вміст свинцю у біосфері 8·10 ⁶ %. Концентрація його в атмосфері різна: над південним полюсом 0,5 нг/м³, над материками 4 мкг/м³, а в містах до 7 мкг/м³. У морській воді (3-50)·10^-6 мг/л, прісній 0,01 – 5,6 мг/л. Найбільший вміст у грунті – 3 - 189 мг/кг. З грунту свинець мігрує у рослини і зв’язується з органічними сполуками, накопичується в більших концентраціях у корінні рослин. Свинець, який потрапляє з атмосфери нагромаджується в листях. Він знижує фотосинтез та абсорбцію води у рослинах. При надходженні у водойми метал накопичується у рибі, ракоподібних та інших гідробіонтах. У водоймах свинець повільно зв’язується з комплексними сполуками, органічними і неорганічними лігандами. Людина отримує свинець з їжею, водою та з повітрям.