Влияние городов на загрязнение речных вод в низовьях крупных рек

Термин «тяжелый металл» относится к любому металлическому химическому элементу, который имеет относительно высокую плотность и является токсичным или ядовитым даже при низких концентрациях. Тяжелые металлы опасны, поскольку они имеют тенденцию к биоаккумуляции (Никаноров и др., 2009).
Биоаккумуляция — это увеличение концентрации химического элемента в биологическом организме с течением времени по сравнению с концентрацией этого элемента в окружающей среде. Соединения тяжелых металлов накапливаются в живых организмах быстрее, чем они могут разрушаться или трансформироваться. Тяжелые металлы, поступающие в водоемы, включаются в круговорот веществ и претерпевают различные превращения. Неорганические соединения быстро связываются буферной системой воды с менее растворимыми гидроксидами, карбонатами, сульфидами и фосфатами, образуя металлоорганические комплексы, которые адсорбируются донными отложениями (Дементьев и др., 2015).
Основными природными источниками тяжелых металлов являются горные породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц содержатся в горных породах в качестве случайных (тонкодисперсных) примесей. Тяжёлые металлы — элементы периодической системы с условной молекулярной массой более 40. Сегодня кадмий, ртуть, свинец и сурьма считаются природными токсичными веществами. Металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов и регулируют активность ферментов. Mo, Fe, V, Co, W необходимы для белкового, углеводного и жирового обмена, Mg, Fe, Mn и Co участвуют в синтезе белка, Co, Cu, Mn участвуют в дыхании, а Mg, Fe, Cu и хром необходимы для фотосинтеза. В результате даже ионы меди, кобальта или хрома можно назвать микроэлементами, если их содержание в живых организмах не превышает естественных норм, но тяжелыми металлами, если они систематически связаны с заводскими трубами (Ульзетуева, Гомбоев, 2016).
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) являются распространенными и высокотоксичными загрязнителями. Они широко используются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на мероприятия по очистке, содержание соединений тяжелых металлов в промышленных сточных водах достаточно велико. Огромные объемы этих соединений попадают в океан через атмосферу. Термин «тяжелый металл» ассоциируется с высокой относительной атомной массой. Эту характеристику обычно отождествляют с понятием высокой токсичности. Одной из характеристик, позволяющих отнести металл к тяжелым металлам, является его плотность. В цветной металлургии различают тяжелые цветные металлы (плотность 7,14–21,4 г/см3 (цинк, олово, медь, свинец, хром и др.)) и легкие цветные металлы (плотность 0,53–3,5 г/см3) (Цибудеева, 2013).
Тяжелые металлы являются приоритетными загрязнителями и должны контролироваться во всех средах. Термин «тяжелые металлы», характеризующий многие загрязняющие вещества, в последние годы получил значительное распространение. В различных научных и прикладных исследованиях авторы по-разному трактуют значение этого понятия. В связи с этим круг элементов, относящихся к тяжелым металлам, весьма разнообразен. В качестве критериев принадлежности используются несколько свойств, включая атомный вес, плотность, токсичность, распространенность в природной среде и степень участия в природных и антропогенных циклах. В некоторых случаях под определение тяжелых металлов подходят элементы, связанные с хрупкостью (например, висмут) или металлоиды (например, мышьяк) (Акселевич, Иошпа, 2019).
Важную роль в классификации тяжелых металлов играют следующие условия. Высокая токсичность для организмов при относительно низких концентрациях и способность к биоаккумуляции и биоусилению. Все металлы, соответствующие этому определению, активно участвуют в биологических процессах и входят в состав многих ферментов. Согласно систематизации Н. Реймерса, металлы с плотностью более 8 г/см3 следует считать тяжелыми. Поэтому Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg относятся к тяжелым металлам. Официально большое количество элементов соответствует определению тяжелых металлов. Однако, по мнению исследователей, занимающихся практической деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием окружающей среды и ее загрязнением, данная совокупность элементов не является эквивалентом загрязняющего вещества (Никаноров и др., 2009).
В результате во многих задачах круг тяжелых металлов сужается по заранее определенным приоритетным критериям в зависимости от направленности и специфики задачи. Поэтому, в уже классической работе Ю.А. Израиля в разделе о тяжелых металлах в списке химических веществ, измеряемых в природной среде на фоновых станциях биосферного заповедника, указаны ионы металлов Pb, Hg, Cd, являющиеся неизбежными компонентами природных водоемов. Он существует в различных степенях окисления в зависимости от условий окружающей среды, входит в состав различных неорганических и металлоорганических соединений, может быть истинно растворенным, коллоидно-диспергированным или входить в состав минеральных и органических суспензий. Растворенные формы металлов весьма разнообразны и связаны с процессами гидролиза и гидролитической полимеризации (образованием и комплексообразованием с различными лигандами) (Дементьев и др., 2015).
Таким образом, каталитические свойства металлов и их доступность для водных микроорганизмов зависят от их формы в водных экосистемах. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органическими соединениями. Эти комплексы являются одной из важных форм подвижности элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образованы хелатными циклами и более стабильны. Комплексы, образованные почвенными кислотами и солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди и других тяжелых металлов, хорошо растворимы в нейтральных, слабокислых и слабощелочных средах. В результате металлоорганические комплексы могут мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Это особенно важно для слабоминерализованных и, прежде всего, поверхностных вод, где образование других комплексов невозможно. Для понимания факторов, определяющих концентрацию металлов в природных водах, их химическую активность, биодоступность и токсичность, необходимо знать не только общее содержание, но и соотношение свободных и связанных форм (Капралова и др., 2014).
При преобразовании металлов в комплексные формы в водной среде можно наблюдать следующее:
1) общая концентрация ионов металлов может увеличиваться по мере их перехода из донных отложений в раствор;
2) проницаемость мембраны для сложных ионов может существенно отличаться от проницаемости для гидратированных ионов;
токсичность металлов может существенно меняться из-за комплексообразования. Поэтому хелатные формы Cu, Cd и Hg менее токсичны, чем свободные ионы (Цибудеева, 2013).
Чтобы понять эти факторы, контролирующие концентрацию металлов в природных водах, их химическую активность, биодоступность и токсичность, необходимо знать не только общее количество, но и соотношение связанных и свободных форм. Источниками загрязнения городских вод тяжелыми металлами являются сточные воды электростанций, шахт, предприятий черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы содержатся в удобрениях и пестицидах и могут попадать в водоемы через сельскохозяйственные стоки. Повышенные концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связаны с другими видами загрязнения, такими как закисление (Ульзетуева, Гомбоев, 2016).
Одна из классификаций тяжелых металлов основана на токсичности. Отрицательные эффекты взаимодействия токсичных металлов с биологически активными макромолекулами связаны со следующими процессами: металлы, необходимые биологическим организмам, вытесняются из активных центров токсичными металлами. Объединяются части крупных молекул, необходимые для нормального функционирования организмов. Сшивание происходит при образовании биологических агрегатов, вредных для организма (Касимов и др., 2016).
Тяжелые металлы могут быть нетоксичными, малотоксичными или средне- и высокотоксичными в водных экосистемах. Для оценки токсичности металлов успешно применяется ранжирование, основанное на принципах координационной химии. В принципе, металлы, относящиеся к группе В (халькофилы, т.е. имеющие высокое сродство к неметаллам 6 группы периодической системы), токсичны для водных организмов. К ним относятся металлы, присутствующие в природных сульфидах в виде катионов Ag, Hg, Cu, Pb, Cd, Bi, Zn, Sb, и неметаллы, присутствующие в виде анионов S, Se, Te, As. Кроме того, в масштабе комплексных соединений халькофильными свойствами обладают одновременно несколько элементов, принадлежащих к разным группам, например, Mo, Pd, Au, Ga, In, Tl, Ge и Co. Наиболее токсичными металлами в этом ряду являются металлы с наибольшими ионными радиусами, наивысшей поляризуемостью и сродством к сульфид-ионам, а также наименьшей степенью окисления и электроотрицательностью (Дементьев и др., 2015).