Содержание
Стр.
Введение 3
1. Общее понятие отяжелых металлах 5
2. Источникипоступления тяжелых металлов в окружающую среду
и живыеорганизмы 6
2.1.Поступление соединений тяжелых металлов в почву 7
2.2.Поступление соединений тяжелых металлов в водоемы 7
2.3.Поступление соединений тяжелых металлов в живые организмы 8
3. Краткаяхарактеристика тяжелых металлов 9
4.Экспериментальная часть 15
Заключение 19
Список литературы 20
Приложения 21
Введение
Не будем, однако, слишком обольщаться
нашими победами над природой. За каждую
такую победу она нам мстит. Каждая из
этих побед имеет, правда, в первую очередь
те последствия, на которые мы рассчитывали,
но во вторую и третью очередь
совсем другие, непредвиденные последствия,
которые часто уничтожают значение первых.
Ф. Энгельс
Известно около сорока различных определений терминатяжёлые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое.Соответственно, список тяжёлых металлов согласно разным определениям будетвключать разные элементы. Используемым критерием может быть атомный вес свыше50, и тогда в список попадают все металлы, начиная с ванадия, независимо отплотности. Другим часто используемым критерием является плотность, примерноравная или большая плотности железа (8 г/см3), тогда в список попадают такиеэлементы как свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, а, например, более легкоеолово выпадает из списка. Существуют классификации, основанные и на другихзначениях пороговой плотности (например – плотность 5 г/см3) илиатомного веса. Некоторые классификации делают исключения для благородных иредких металлов, не относя их к тяжёлым, некоторые исключают нецветные металлы(железо, марганец).
Термин тяжёлые металлы чаще всего рассматриваетсяне с химической, а с медицинской и природоохранной точек зрения и, такимобразом, при включении в эту категорию учитываются не только химические ифизические свойства элемента, но и его биологическая активность и токсичность,а также объём использования в хозяйственной деятельности. Многие тяжёлыеметаллы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологическихпроцессах и в определенных количествах являются необходимыми дляфункционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другойстороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие наорганизм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. Неимеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец иртуть, определяются как токсичные металлы. Некоторые элементы, такие какванадий или кадмий, обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могутбыть полезны для некоторых видов.
Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжёлыеметаллы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк) и их соединения выделяютсяраспространенностью, высокой токсичностью, многие из них – также способностью кнакоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленныхпроизводствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержаниесоединений тяжёлых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Онитакже поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленныхпредприятий. Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошаярастворимость этих комплексов способствует миграции тяжёлых металлов вприродных водах. К тяжёлым металлам относят более 40 химических элементов, нопри учёте токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде имасштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют примерно вчетыре раза меньшее число элементов.
Цель:доказать влияние солей тяжелых металлов на процессы жизнедеятельности в живыхорганизмах, используя различные источники информации и экспериментальные опыты.
Задачи:
1) изучить, проанализировать информацию излитературных источников об основных тяжёлых металлах, выявить степеньопасности, пути поступления в живые организмы и последствия воздействия на них;
2) провести экспериментальные опыты, позволяющиевыявить влияние солей тяжёлых металлов на живые организмы;
3) предложить пути решения проблемы загрязнениятяжёлыми металлами для улучшения экологической обстановки;
4) сравнить полученные результаты и сделать выводы.
Актуальность исследования
В настоящее время все живые организмы, в том числеи человек, подвергаются пагубному влиянию антропогенных загрязнений, находящихсяв отходах промышленных предприятий и попадающих в окружающую среду. Одним изсильнейших по действию и наиболее распространённым химическим загрязнениемявляется загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами.
Гипотеза
Природная среда постоянно загрязняется различнымивеществами. Но в последнее время в неё активно проникают как биогенные, так ичужеродные металлы: ртуть, свинец, медь, цинк, хром и другие металлы.Возрастающее поступление тяжёлых металлов в окружающую среду приводит кзагрязнению почв и повреждению растительных организмов, попаданию в продуктыприродного происхождения, следовательно, и на здоровье человека.
Методы:
— сбор информации из различных источников;
— экспериментальные опыты;
— анализ информации и сведений полученных в результатеопытов;
— сравнительный анализ, наблюдение, фиксированиерезультатов в виде таблиц и фотографий.
1. Общее понятие о тяжелых металлах
Термин «тяжелые металлы»чаще всего рассматривается не с химической, а с медицинской и природоохраннойточек зрения. Таким образом, при включении в эту категории учитываются нетолько химические и физические свойства элемента, но и его биологическая активностьи токсичность, а также объем использования в хозяйственной деятельности.
В работах, посвященныхпроблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга,на сегодняшний день к тяжелым металлам относят более 40 металловпериодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомныхединиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др.При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующиеусловия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низкихконцентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации.Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца,ртути, кадмия и висмута, биологическая роль, которых на настоящий момент не ясна),активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов.По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностьюболее 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb,Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Многие тяжёлые металлы,такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют вбиологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми дляфункционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другойстороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредноевоздействие на живые организмы. Притом негативное влияние тяжелых металлов наживые организмы и здоровье человека проявляется не только в прямом воздействиивысоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных с ихкумулятивным эффектом. Соединения тяжелых металлов вызывают ряд заболеваний иобщее угнетение процессов жизнедеятельности. Не имеющие полезной роли вбиологических процессах металлы, такие как свинец и ртуть, определяютсякак токсичные металлы. В частности свинец, который отнесенк классу высокоопасных веществ наряду с мышьяком, кадмием, ртутью, селеном,цинком, фтором и бензапреном (ГОСТ 3778-98). Некоторые элементы, такиекак ванадий или кадмий, обычно имеющиетоксичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видов.
2. Источники поступления соединений тяжелых металлов
в окружающую среду и живые организмы
Среди загрязнителейбиосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля еекачества, металлы (в первую очередь тяжелые) относятся к числу важнейших. Взначительной мере это связано с биологической активностью многих из них.
Источники поступлениятяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород и минералов,эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча ипереработка полезных ископаемых, сжигание топлива, движение транспорта,деятельность сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих вприродную среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительные расстоянияи вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы,где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичногозагрязнения, т.е. образования опасных загрязнений в ходе физико-химическихпроцессов, идущих непосредственно в среде (например, образование из нетоксичныхвеществ ядовитого газа фосгена). Тяжелые металлы накапливаются в почве,особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании,потреблении растениями, эрозии и дефляции — выдувании почв.
Период полуудаления, илиудаления половины от начальной концентрации, составляет продолжительное время:для цинка — от 70 до 510 лет, для кадмия — от 13 до 110 лет, для меди — от 310до 1500 лет и для свинца — от 740 до 5900 лет. В гумусовой части почвыпроисходит первичная трансформация попавших в нее соединений.
Тяжелые металлы обладаютвысокой способностью к многообразным химическим, физико-химическим ибиологическим реакциям. Многие из них имеют переменную валентность и участвуютв окислительно-восстановительных процессах. Тяжелые металлы и их соединения,как и другие химические соединения, способны перемещаться и перераспределятьсяв средах жизни, т.е. мигрировать. Миграция соединений тяжелых металловпроисходит в значительной степени в виде органоминеральной составляющей.
К возможным источникамзагрязнения биосферы тяжелыми металлами техногенного происхождения относятпредприятия черной и цветной металлургии (аэрозольные выбросы, загрязняющиеатмосферу, промышленные стоки, загрязняющие поверхностные воды), машиностроения(гальванические ванны меднения, никелирования, хромирования, кадмирования),заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт.
Кроме антропогенныхисточников загрязнения среды обитания тяжелыми металлами существуют и другие,естественные, например вулканические извержения: кадмий обнаружили сравнительнонедавно в продуктах извержения вулкана Этна на острове Сицилия в Средиземномморе. Увеличение концентрации металлов-токсикантов в поверхностных водахнекоторых озер может происходить в результате кислотных дождей, приводящих крастворению минералов и пород, омываемых этими озерами. Все эти источникизагрязнения вызывают в биосфере или ее составляющих (воздухе, воде, почвах,живых организмах) увеличение содержания металлов-загрязнителей по сравнению сестественным, так называемым фоновым уровнем.
2.1. Поступлениесоединений тяжелых металлов в почву
Почва является основнойсредой, в которую попадают тяжёлые металлы, в том числе из атмосферы свыбросами промышленных предприятий, а свинец — выхлопными газами автомобилей.Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, гдепостепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменныхкатионов. Почва служит источником вторичного загрязнения приземного воздуха ивод, попадающих из неё в Мировой океан. Из почвы тяжёлые металлы усваиваютсярастениями, которые затем попадают в пищу более высокоорганизованным животным.
Продолжительностьпребывания загрязняющих компонентов в почве гораздо выше, чем в других частяхбиосферы, что приводит к изменению состава и свойств почвы как динамическойсистемы и в конечном итоге вызывает нарушение равновесия экологическихпроцессов.
В естественных нормальныхусловиях все процессы, происходящие в почвах, находятся в равновесии. Изменениесостава и свойств почвы может быть вызвано природными явлениями, но наиболеечасто в нарушении равновесно состоянию почвы повинен человек:
— атмосферный переносзагрязняющих веществ в виде аэрозолей и пыли (тяжелые металлы);
— неземное загрязнение –отвалы крупнотоннажных производств и выбросы топливно-энергетическихкомплексов;
— растительный опад.Токсичные элементы в любом состоянии поглощаются листьями или оседают налистовой поверхности. Затем, при опадании листьев, эти соединения попадают впочву.
Определение тяжелыхметаллов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонахэкологического бедствия, на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих кзагрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных длявыращивания экологически чистой продукции.
Если почвы загрязненытяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно.Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущимикультурами, дающими большую фитомассу. Такие культуры, извлекающие тяжелыеметаллы, после созревания подлежат уничтожению. На восстановление загрязненныхпочв требуются десятки лет.
2.2. Поступлениесоединений тяжелых металлов в водоемы
Ионы тяжелых металлов какмикроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органахгидробионтов. В зависимости от геохимических условий отмечаются широкиеколебания их уровня.
В то же время тяжелыеметаллы и их соли – широко распространенные промышленные загрязнители. Вводоемы они поступают как из естественных источников (горных пород,поверхностных слоев почвы и подземных вод), так и со сточными водами многихпромышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовымивыбросами. Например, естественными источниками поступления свинца вповерхностные воды являются процессы растворения эндогенных (галенит) иэкзогенных (англезит, церуссит и др.) минералов. Значительное повышениесодержания свинца в окружающей среде (в т.ч. и в поверхностных водах) связаносо сжиганием углей, применением тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора вмоторном топливе, с выносом в водные объекты со сточными водамирудообогатительных фабрик, некоторых металлургических являются непременнымикомпонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH,окислительно-восстановительный потенциал) они существуют в разных степеняхокисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганическихсоединений. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; этикомплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природныхводах.
2.3. Поступлениесоединений тяжелых металлов в живые организмы
Растительная пища являетсяосновным источником поступления тяжелых металлов в организм человекаи животных. По данным с ней поступают 40-80% тяжелых металлов,и только 20-40 %. – с воздухом и водой. Химический составрастений, как известно, отражает элементный состав почв. Поэтому избыточноенакопление тяжелых металлов растениями обусловлено, прежде всего, их высокимиконцентрациями в почвах. Несмотря на существенную изменчивость различныхрастений к накоплению тяжелых металлов, биоаккумуляция элементов имеетопределенную тенденцию, позволяющую упорядочить их в несколько групп:
1) Cd,Cs, Rb –элементы интенсивного поглощения;
2) Zn, Mo, Cu, Pb, Co, As–средней степени поглощения;
3) Mn, Ni, Cr –слабогопоглощения;
4) Se, Fe, Ba, Te –элементы труднодоступные растениям.
Другой путь поступлениятяжелых металлов в растения – некорневое поглощение из воздушныхпотоков. Поступление элементов в растения через листья происходит, главнымобразом, путем не метаболического проникновения через кутикулу. Тяжелыеметаллы, поглощенные листьями, могут переноситься в другие органыи ткани и включаться в обмен веществ. Свинец и кадмийотносятся к высокотоксичным металлам. В придорожных растениях количествосвинца резко повышено, оно в 10-100 раз выше по сравнению с растениями,растущими вдали от дорог. Большое количество кадмия обнаруживаетсяв растениях, произрастающих поблизости от автодорог. Так, например,в хвое ели обыкновенной, растущей поблизости от автодорог количествокадмия возрастает в 11-17 раз.
Поступление тяжелыхметаллов в растения может происходить непосредственно из воздухас оседающей на листья и хвою пылью и транслокации из почвы: долятяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источникасоставляет в среднем 30% от общего содержания в них тяжелых металлов.В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметноуменьшается.
3. Краткаяхарактеристика тяжелых металлов
Медь (Cu)
Биологическая роль медиисключительна: она входит в кровяной пигмент низших животных (гемоцианин), вгематокупреин крови высших животных и другие порфирины животного мира(цитохром, турацин и др.), участвует в ферментативных реакциях в составемедьсодержащих энзимов (Copper). Содержание меди в окружающей среде, в частностив почве, может быть лимитирующим фактором развития многих организмов. Какнедостаток, так и избыток меди в организме вызывают заболевания у животных ирастений.
Данный элемент известенчеловеку с доисторических времен. Ее латинское название произошло от названияострова Кипр – Cuprum. В качестве основных руд можно назватьхалькопирит (CuFeS2), халькозин (Cu2S), куприт (Cu2O)и малахит (Cu2(CO3)(OH)2).
Медь в организме является необходимым кофактором для нескольких ферментов,катализирующих разнообразные окислительно-восстановительные реакции. При этомнеблагоприятным может быть как избыток меди, так и ее недостаток.
Токсичность
Дефицит меди приводит канемии, плохому состоянию костной и соединительной тканей, а также к потерепигментации волос.
Избыток меди, попавшей вжелудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике ивызывает рвоту. Хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу инизкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках,мозге. Токсичность меди можно понизить путем приема MoO42,SO42-, Zn2+.
Кадмий (Сd)
Кадмий былоткрыт в 1817 году Ф. Штромейером (Геттинген, Германия). Название элементапроизошло от латинского cadmia – цинковая руда. Очевидно, этосвязано с тем, что он в больших количествах обнаруживается в составе цинковыхруд в виде минерала гринокита (CdS).
Значениекадмия для окружающей среды определяется двумя его свойствами:
1) сравнительновысоким давлением паров, определяющим легкость его испарения, например, приплавлении или при сгорании углей;
2) высокойрастворимостью в воде, особенно при слабокислой реакции среды.
Широкоераспространение кадмия в топливах, удобрениях, рудных отвалах способствуетпостоянному увеличению его содержания в окружающей среде. В результате этогокадмиевое отравление становится основной проблемой для проживающих впромышленных зонах.
Растворимыесоединения кадмия ядовиты. Кадмий обладает способностью накапливаться в живыхорганизмах при длительном воздействии пыли и угля, а также продуктов,содержащих повышенное количество металла.
Так,например, болезнь «итаи-итаи» (японский эквивалент выражения «ох-ох») в Японии(близ г.Тойяма) была вызвана присутствием кадмия в ирригационной воде дляпосадки риса, которую брали из реки Инцзу, загрязненной кадмием, свинцом ицинком, попавшими туда из цинковых разработок Название болезни происходит от болив спине и ногах, сопровождающей болезнь и потери кальция из костей (обычно устарых женщин), которые приводят к ломкости костей. Известен случай с 72переломами у одного человека.
Установлено,что примерно 80% кадмия поступает в организм человека с пищей, 20% — черезлегкие при дыхании и курении. В одной сигарете содержится 1,5-2,0 мкг кадмия. Внормальных незагрязненных условиях содержание кадмия в растительных продуктахсоставляет, мкг/кг: зерновые – 28-95, горох – 15-19, фасоль – 5-12, картофель –12-50, капуста – 2-26, помидоры – 10-30, салат – 17-23, фрукты – 9-42,растительное масло – 10-50, сахар – 5-31, грибы – 100-500.
В продуктахживотного происхождения кадмия содержится, мкг/кг: молоко – 2,4, творог – 6,яйца – 23-250.
Токсичность
Подобно другимтяжелым металлам, кадмий легко реагирует с белковыми макромолекулами и другимибиологически важными молекулами. Химическое подобие кадмия и цинка приводит кзамещению кадмием цинка в ряде ферментов. Действие кадмия может отразиться намногочисленных органах, включая легкие, сердце, печень, почки. Симптомамиострого отравления являются рвота, спазм кишечника, головная боль. Попав спищей в организм, кадмий транспортируется кровью в другие органы, где онсвязывается глутатионом и гемоглобином эритроцитов. Кровь курильщиком содержиткадмия примерно в 7 раз больше, чем у некурящих.
В результатедолговременного хронического отравления почки собирают главную часть от общегосодержания кадмия в организме, и почечная кора становится главной мишенью дляэтого токсиканта.
Прихроническом воздействии происходит разрушение печени, сильная дисфункция почекв связи с протеиноурией (появление белка в моче). Заболевание ведет к смерти.Болезнь сопровождается болями в спине и ногах, как результат декальцификациикостей, которая приводит к их ломкости.
Большинствоопытов, поставленных с целью выявления мутагенного воздействия кадмия наорганизм, показало отсутствие прямого влияния элемента на генетическийматериал. Однако не исключается возможность синергического воздействиянескольких металлов совместно с кадмием, способного вызвать генетическиеотклонения.
Никакойспециальной терапии для лечения кадмиевого отравления нет, а хелатирующиеагенты, которые используются при отравлении некоторыми другими металлами вцелях ускорения их выведения из организма, могут только перераспределить кадмийв почки (что вызовет их разрушение). Обильный прием цинка, кальция, фосфатов,витамина D и белковая диета могут несколько ослабить отравление.
Впрофилактике кадмиевой интоксикации важное значение имеет питание: преобладаниев рационе растительных белков, высокое содержание серосодержащих аминокислот,аскорбиновой кислоты, железа, цинка, меди, селена, кальция.
Свинец (Pb)
Токсичныесвойства свинца были известны еще со времен древних греков, где он являлсяпрофессиональным токсикантом для шахтеров, а также применялся в качестведобавки для созревания вина.
Во временарасцвета Римской империи были введены в употребление свинцовые трубы дляводопроводов и свинецсодержащие сплавы, применяемые при изготовлении кухоннойпосуды и сосудов для питья. В ходе исследований костных тканей из захороненийтого времени было выявлено высокое содержание свинца, позволяющее сделать выводо хроническом поступление элемента в организм людей. Ряд исследователейпредполагает, что упадок Римской империи в значительной степени связан сосвинцовым отравлением многих ее граждан.
В наше времяинтерес к элементу поддерживается в связи с загрязнением атмосферыпромышленными выбросами, использованием тетраэтилсвинца как добавки к бензину,распространением отравлений свинцом в таких производственных процессах, какэмалирование, плавление, изготовление батареек, при использовании детьмисвинцовых красок. Большую часть промышленного свинца получают из минералагаленита (PbS). Кроме того, известны минералы англезит (PbSO4),церуссит (PbCO3), пироморфит (Pb5(PO4)3Cl)и миметит (Pb5(AsO4)3Cl).
Среднеесодержание свинца в продуктах питания составляет 0,2 мг/кг. По отдельнымпродуктам питания имеются следующие данные, мг/кг: фрукты – 0,01-0,6 (в среднем0,1), овощи – 0,02-1,6 (0,19), крупы – 0,03-3 (0,21), хлебобулочные изделия –0,03-0,82 (0,16), мясо и рыба – 0,01-0,78 (0,16), молоко – 0,01-0,1 (0,027).Особо высокое содержание свинца в сельскохозяйственной продукции, выращеннойвблизи промышленных центров, крупных автомагистралей.
Токсичность
Остроесвинцовое отравление приводит сначала к потере аппетита и рвоте. Терапиясвязана с приемом Са-ЭДТА, оказывающим хелатирующие воздействие испособствующее выводу токсиканта из организма.
Главноймишенью свинцового токсикоза является кроветворная и нервная системы. Прихроническом отравление происходит ингибирование синтетазыгема (фермент вмитохондриях, катализирующий внедрение железа в протопорфирин IX), ведущее кснижению концентрации гемоглобина в крови; также усиливается активностьоксигеназыгема, что усиливает его биодеградацию. Некоторые работы указывают навлияние свинца на целостность мембраны в эритроците.
Свинецдействует на периферическую и центральную нервную систему. При отравлениинаблюдается паралич нервов сгибающих и разгибающих конечностей (свинцовыйпаралич). Нарушение центральной нервной системы вызывает конвульсии и кому слетальным исходом. В опытах на животных даже умеренные дозы свинца вызывалоизменение мозговых функций, таких, как возбудимость коры головного мозга. Особосильное воздействие свинец оказывает на развивающуюся нервную систему детей иноворожденных. Даже при низком уровне поступления свинца в организм у детейможет отмечаться гиперактивность, пониженная концентрация внимания, умственныерасстройства, сужение поля зрения. При более высоких уровнях воздействия, как удетей, так и у взрослых отмечается энцефалопатия
В отношениимутагенного воздействия результаты токсикологических исследованийпротиворечивы. В ряде работ имеются данные о наличии хромосомных отклонений вгенетическом материале, но другие данные убедительно доказывают отсутствиеподобных эффектов. Скорее всего, как и в случае с ртутью и кадмием, свинец какмутагенный агент действует лишь в совокупности с другими негативными факторами,в результате чего достигается синергический эффект.
Цинк (Zn)
Цинк был известен человекуеще более 4 тысяч лет назад и применялся в виде сплава с медью – бронзы.Название элемента имеет немецкое происхождение – zink. Основныеисточники – цинковая обманка (ZnS), смитсонит (ZnCO3) и сфалерит((Zn,Fe)S).
Загрязнение окружающей среды цинком происходит в результате добычи и переработкицинксодержащих руд, а также при сжигании минерального топлива, металлургическоми химическом производстве и т.д. Однако в ряде случаев токсичным является неизбыток, а недостаток цинка. Это обусловлено тем, что цинк выполняет рядбиологических функций. Так, у человека ион цинка входит в состав свыше 20металлоферментов, включая участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот.
В фоновых условияхсодержание цинка в пищевых продуктах составляет, мг/кг: мясо – 20-40,рыбопродукты – 15-30, яйца – 15-20, фрукты и овощи – 5, картофель, морковь –около 10, орехи, зерновые – 25-30, мука высшего сорта – 5-8, молоко – 2-6.Цинк, содержащийся в растительных продуктах, менее доступен для организмов (на10%), поскольку цинк связывается в фитине, не усваиваемом человеком. Цинкпродуктов животного происхождения доступен на 40%.
Токсичность
Токсичным может оказатьсякак избыток, так и недостаток цинка. Дефицит выражается в нарушении кожныхпокровов, ухудшении заживления ран, отставании в росте, нарушении половыхфункций и полового развития у молодых людей, мозговых нарушениях и нарушениях виммунной системе, а также проблеме родов и разнообразных дефектах уноворожденных. Терапия заключается в добавках цинка с пищей, однако эффектможет проявиться через значительный промежуток времени. Кроме этого, придобавках цинка возможно негативное влияние на метаболические равновесия другихметаллов, особенно меди.
Неприятный вкус цинка вводе чувствуется при его концентрации 15 мг/л и очень заметен при 40 мг/л. Ещеболее высокие концентрации вызывают рвоту и диарею. Острое отравление цинкомслучалось при потреблении кислых фруктовых соков, упакованных в гальванизированные(покрытые цинком) стальные контейнеры. Известны эпизоды отравления цинком нарабочих местах при вдыхании паров и пыли. Случаи хронического отравления улюдей не отмечены, хотя они могли проявляться смазано, нечетко. Однакоизвестно, что хронический избыток цинка нарушает поступление в организм меди. Уживотных при избытке цинка также наблюдалось замедление развития костногоскелета, если в пище находилось минимальное количество кальция и фосфора.
В целом ион цинка мало опасендля человека и чаще всего отравление наблюдается, когда он сопровождаетсядругим токсичным элементом – кадмием.
Барий (Ba)
Барий нередок в природе и составляет приблизительно 0,04% земной коры. Основныеисточники — минерал барит (сульфат бария) и витерит (карбонат бария). Металлическийбарий производят лишь в ограниченных количествах, путем восстановления оксидабария алюминием в реторте.
Барий широко применяется впроизводстве сплавов никеля с барием, используемых в производстве автомобильныхсвеч и изготовлении стекла, керамики и телевизионных электронно-лучевыхтрубок. Барит, или сульфат бария, в основном используется для изготовлениясернистых белил — белого порошка, содержащего 20% сульфата бария, 30% сульфидацинка и менее 8% оксида цинка. Сернистые белила широко применяют как пигментдля изготовления белых красок. Химически осажденный сульфат бария — blancfixe -используется в производстве высококачественных белых красок, врентгенографической диагностике и в производстве стекла и бумаги. Его такжеприменяют в производстве фотобумаги, искусственной слоновой кости и целлофана.Неочищенный барит применяют как триксотропный шлам при бурении нефтяныхскважин.
Гидроксидбария находитприменение в изготовлении смазок, пестицидов, сахара, ингибиторов коррозионныхпроцессов, жидкостей для сверления, смягчителей воды. Его также используют впроизводстве стекла, для вулканизации синтетической резины, очистки животных ирастительных масел и для изготовления фресок. Карбонат бария получаютосаждением барита и используют в производстве кирпича, керамики, красок, резиныи бумаги, а также при бурении нефтяных скважин. Он также находит применение визготовлении эмалей, заменителей мрамора, оптического стекла и электродов.
Хлоридбария получаютобжигом барита с углем и хлоридом кальция, и используют для изготовленияпигментов, цветных лаков и стекла, а также как стабилизатор для кислотныхкрасителей. Его также применяют для уплотнения и окраски тканей в текстильномпроизводстве и при очистке алюминия. Хлорид бария служит пестицидом, смягчителемводы для бойлеров, а также дубильным и стабилизирующим средством в обработкекожи. Нитрат бария применяют в пиротехнике и производствеэлектроники.
Токсичность
Металлический барий находит лишьограниченное применение, он взрывоопасен. Растворимые соединения бария (хлорид,нитрат, гидроксид) высокотоксичны, ингаляция нерастворимых соединений (сульфат)может приводить к развитию пневмокониоза. Многие из соединений, включаясульфид, оксид и карбонат, могут вызывать локальные раздражения глаз, носовойполости, горла и кожи. Определенные соединения, особенно пероксид, нитрат ихлорат, пожароопасны при использовании и хранении.
Водорастворимыекомпоненты высокотоксичны при пероральном проникновении в организм, смертельнаядоза хлорида составляет 0,8-0,9 г. Однако, несмотря на то, что отравление этимисоединениями случается, отмечено очень мало случаев отравления на производстве.Отравление может происходить при контакте работников с взвешенной в воздухепылью растворимых соединений, что возможно в процессе измельчения. Этисоединения оказывают сильное стимулирующее действие на все виды мышц, заметноувеличивая их сокращаемость. Воздействие на сердце может проявляться внерегулярных сокращениях, в некоторых случаях с последующей фибрилляцией,приводящих к сужению коронарных сосудов. Другие последствия включаютперистальтику кишечника, сужение сосудов, сокращение мочевого пузыря исамопроизвольное напряжение мышц. Соединения бария также раздражающе действуютна слизистые оболочки и глаза.
Карбонат бария, нерастворимое соединение,не несет патологических последствий при ингаляции, однако, может вызыватьтяжелое отравление при пероральном проникновении в организм.
Железо (Fe)
Это блестящийбелый металл, достаточно пластичный и электропроводный. Легко подвергаетсяковке, прокатке и другим видам обработки в холодном и горячем состоянии. Егоплотность 7, 86 г/см, температура плавления 1539ºС. Чистое железо на воздухедовольно устойчиво благодаря наличию защитных свойств у оксидной пленки.Раскаленное железо на воздухе легко окисляется. При комнатной температуре вприсутствии воды и кислорода на поверхности железа образуется ржавчина. Ссоляной и серной кислотами железо легко вступает в реакцию. Уже при небольшомнагревании железо соединяется с галогенами. Концентрированная серная кислота недействует на железо. Со щелочами, за исключением их концентрированных горячихрастворов, железо не взаимодействует. По запасам в земной коре оно занимает 4место.
Самым ценным и важным металлом, главной составнойчастью комплекса применяющихся металлических материалов является железо. Вформе разных многочисленных сплавов на основе железа, разных марок чугунов исталей железо применяется прежде всего для изготовления орудий труда: инструментов,механизмов и машин. Применение железных предметов обихода создало условия дляразвития земледелия на огромных площадях, сделало возможным освоить целинныеземли и освоить леса. Без железа невозможно развитие ни одной отрасли техники,где оно до сих пор является основным конструкционным материалом.
Физиологическаяроль железа обусловлена его способностью образовывать различные комплексныесоединения с молекулярным азотом, серой и кислородом. Железосодержащие белкивыполняют различные жизненно важные функции: гемоглобин транспортирует кислородот легких к тканям всех органов, миоглобин запасает его в мышцах в связанномвиде, цитохромы обеспечивают тканевое дыхание.
Токсичность
Соединенияжелеза (II) более токсичные, чем соединения железа (III). Вдыхание пыли,содержащей соединения железа, приводит к заболеванию легких, сердечно-сосудистой дистонии, к снижению секреции желудка, изменению состава крови,возникновению гастрита и стоматита.
4. Экспериментальнаячасть
Опыт №1. Метод «корневого теста» -прирост корней хлорофитума в растворах разных солей тяжелых металлов.
Ввегетационных и лабораторных опытах одним из самых распространенных методовоценки металлоустойчивости растений является метод «корневого теста»,предложенный Д. Уилкинсом (Wilkins, 1978). В его основе лежит сравнениеприроста корня у опытных (выращенных в присутствии тяжелых металлов) иконтрольных растений за определенный промежуток времени. Предметом исследованиявзяли растение хлорофитум.
Хлорофитум. Семейство лилейных. Родина — Южная Америка. Хлорофитум является одним изнаиболее распространенных комнатных растений. Это не удивительно: он быстрорастет, у него красивые изогнутые листья, а весной и летом на тонких стебляхпоявляются сначала мелкие белые цветы, а потом крошечные розетки листьев. Ихможно отделить и укоренить. Еще одна причина популярности хлорофитума — еговыносливость. Хлорофитум относится к светолюбивым растениям
Методика эксперимента
В 6 стаканов поместили 6отростков хлорофитума:
— стакан №1. Вода;
— стакан №2. Питательная смесь (Полная питательная смесьПрянишникова — ППСП) Pb2+ + Cu2+ + Zh2+ + Mg2+ . В состав полной питательной смеси Прянишниковавходят (на 1 л воды) соли: 0,334 г NH4NO3, 0,166 г KNO3,0,70 г Ca3(PO4,)2, 0,25 г Fe2(SO4)3,0,614 г KCl, 0,50 г MgSO4∙7H2O, 0,50 г CaSO4∙2H2
— стакан №3.Питательная смесь с добавлением ионов меди Сu2+
— стакан №4. Питательная смесь с добавлением ионов Ва2+
— стакан №5. Питательная смесь с добавлением ионов Zn2+
— стакан №6. Питательная смесь с добавлением ионовразличных тяжелых металлов, подкисленная раствором соляной кислоты.
В течение 3-х недель наблюдали за развитием отростков хлорофитума,измеряли длину корней, определяли цвет листьев, фотографировали.
Таблица 1. Результатынаблюдений
|
Органы растения |
Дата наблюдения |
Стакан №1. Вода |
Стакан №2. Питатель-ная смесь
|
Стакан №3. Питатель-ная смесь + Сu2+ |
Стакан №4. Питатель-ная смесь + Ва2+ |
Стакан №5. Питатель-ная смесь + Zn2+ |
Стакан №6. Питатель-ная смесь +Сu2+, Ва2+,Zn2+, HCl Представленная информация была полезной? ДА 58.69% НЕТ 41.31% Проголосовало: 990 |
|
Корень (мм) |
04.03.2019 |
12 |
7 |
7 |
5 |
12 |
13 |
|
11.03.2019 |
13 |
18 |
7 |
22 |
12 |
13 |
|
|
18.03.2019 |
18 |
35 |
7 |
36 |
17 |
13 |
|
|
25.03.2019 |
31 |
52 |
7 |
45 |
22 |
13 |
|
|
Стебель |
11.03.2019 |
здоровый, без изменений |
здоровый, без изменений |
почернел |
здоровый, без изменений |
здоровый, без изменений |
пожелтел |
|
18.03.2019 |
здоровый, без изменений |
здоровый, без изменений |
почернел |
здоровый, без изменений |
вялый |
почернел |
|
|
25.03.2019 |
здоровый, без изменений |
здоровый, без изменений |
почернел |
здоровый, без изменений |
начал желтеть |
почернел |
|
|
Листья |
11.03.2019 |
упругие, зеленые |
упругие, зеленые |
частично почернели |
упругие, зеленые |
упругие, зеленые |
частично почернели |
|
18.03.2019 |
упругие, зеленые |
упругие, зеленые |
большая часть почернела |
упругие, зеленые |
слегка скручены, вялые |
большая часть почернела |
|
|
25.03.2019 |
упругие, зеленые |
упругие, зеленые |
все почернели |
упругие, зеленые |
частично пожелтели |
все почернели |
|
|
Общее состояние растения |
04.03.2019 |
хорошо развито |
хорошо развито |
хорошо развито |
хорошо развито |
хорошо развито |
хорошо развито |
|
11.03.2019 |
хорошо развито |
хорошо развито |
начало увядать |
хорошо развито |
хорошо развито |
начало увядать |
|
|
18.03.2019 |
хорошо развито |
хорошо развито |
погибло |
хорошо развито |
начало увядать |
погибло |
|
|
25.03.2019 |
хорошо развито |
хорошо развито |
погибло |
хорошо развито |
начало увядать |
погибло |
Выводы
Как видим из результатов эксперимента, в двух случаях наблюдаетсяполный некроз растения. Таким образом, мы доказали, что ионы меди и подкисленнаясмесь тяжелых металлов отрицательно влияют на растения, их присутствие в почвегубительно. Корневая система не сформировалась.
Смесь соли цинка также начала оказывать губительное влияние нахлорофитум, однако, некроз этого растения наступил на более поздних срокахэксперимента. Растения отстают в росте, лист вялый, угнетенный, кончики листьевзакручиваются.
Смесь соли бария не оказала губительного действия на хлорофитум,так соли бария являются труднодоступными для растений.
Контрольный образец, с водопроводной водой, образец с питательнымраствором отличаются активным ростом, размером листа, хорошо сформировавшейсякорневой системой. (приложение №1)
Опыт№2. Влияние солейметаллов на прорастание семян пшеницы.
Методика эксперимента
Приготовитьпо 50 мл 0,5 М растворов солей:
— тяжелыхметаллов – сульфата меди (II), сульфата железа (II), хлорида бария;
— легкогометалла – хлорида натрия.
Контроль –вода.
В чашки Петриположить по 10 семян пшеницы, влить 1 мл воды + 9 мл растворов солейсоответственно надписям; в контрольную чашку – 10 мл воды. Закрыть крышки,поместить на 7 дней на постоянное теплое место.
Таблица 2. Результатынаблюдений
|
Вариант опыта |
Количество всхожих семян, шт. |
Всхожесть, % |
Длина проростков, мм |
Количество корней, шт. |
Длина корней, мм |
|
Контроль (вода) |
10 |
100 |
95 |
5 |
115 |
|
NaCl |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
CuSO4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
FeSO4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
ВаCl2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Выводы
Соли тяжелых металлов оказываютгубительное действие на прорастание семян. Семена через 7 дней проросли тольков пробе с водой, показав при этом 100% всхожесть.(приложение №2)
Опыт №3. Исследованиепочвы.
Методика эксперимента
Взятие проб почвы. Пробыпочвы взяты на:
— остановке у сельского домакультуры — 10 м от автодороги (проба №1);
— на железной дороге – 50 м отрельсов (проба №2);
— детской площадке у сельскогодома культуры — 100м от автодороги (проба №3);
— на школьном стадионе – 200м отавтодороги (проба №4);
— на клумбе возле школы – 400м от автодороги (проба №5).
Образцы почвы одинаковой массы из каждойпробы поместили в колбы, залили одинаковым количеством дистиллированной воды ипоставили на 3 дня.
Затем все пробы профильтровали, полученныйфильтрат проверили на наличие ионов свинца.Ионы свинца Pb2+ можнообнаружить с помощью раствора иодида калия.
Таблица3. Результаты наблюдений
|
Реактив |
Проба №1 |
Проба №2 |
Проба №3 |
Проба №4 |
Проба №5 |
|
KI |
Раствор пожелтел и выпали хлопья желтого цвета |
Раствор пожелтел и выпали хлопья желтого цвета |
Выпали хлопья желтого цвета |
Осадка нет |
Осадка нет |
Выводы
Выпадениежелтых хлопьев и пожелтение раствора в пробах № 1, 2, 3 свидетельствует о том,что почва, взятая возле автомобильной дороги (10 м) и на расстоянии 100м, железнойдороги на расстоянии 50м содержит ионы свинца. В пробах №4, 5, взятых нарасстоянии 200 и 400м от автомобильной дороги, ионы свинца не обнаружены.
Опыт 4. Влияние солейтяжелых металлов на раствор белка.
Методика эксперимента
Растворнеразбавленного белка куриного яйца разлить в подготовленные и подписанныепробирки. В каждую медленно по каплям прибавить по 2 мл растворовподготовленных солей тяжелых металлов (сульфата меди (II), сульфата железа (II), хлорида бария),хлориданатрия и воды.
Таблица 4. Результатынаблюдений
|
|
№1. Вода |
№2. NaCl |
№3. CuSO4 |
№4. FeSO4 |
№5. ВаCl2 |
|
Объем выпавшего осадка |
нет |
нет |
максимальный осадок |
максимальный осадок |
минимальный осадок |
Выводы
Осадоквыпадает лишь в тех пробирках с раствором яичного белка, в которые былидобавлены растворы солей тяжелых металлов, так как ионы тяжелых металлов разрушают структуру белка, происходитпроцесс денатурации.(приложение №4)
Опыт №5. Исследованиеспайки консервной банки на примесь свинца.
Методикаэксперимента
Ватусмочить раствором иодида калия и протереть спайки консервной банки.
Наблюдения:вата не желтеет из-за образовавшегося йодида свинца(II),что указывает на отсутствие примеси свинца на спайке банки выше нормы, т.е.более 1% (допустимая норма 0,04%).(приложение №5)
Вывод:
Спайка (шов) консервной банкипредставляет собой сплав олова и свинца, при ее разрушении, например приоткрывании банки, свинец может попасть в консервы. Поэтому консервы не подлежатдолгому хранению после их вскрытия.
Заключение
Окружающая среда – дом дляживых организмов, она же обеспечивает организмы и всеми веществами,необходимыми для нормальной жизнедеятельности. В то же время живые организмыпоглощают из среды обитания не только то, что им необходимо, происходитсовместное поглощение целого комплекса веществ и элементов, где некоторые нетолько не полезны, но и оказывают угнетающее, отравляющее воздействие наорганизмы, среди таких веществ особое место занимают соединения тяжелыхметаллов. Но обычно естественный фон тяжелых металлов в окружающей среде бываетдовольно низким, следовательно, и негативное воздействие их соединений на растенияи животных незначительно.
В последнее же времяокружающая среда испытывает очень сильное воздействие со стороны человека,который негативным образом влияет на ее состояние, приводит к сильномузагрязнению.
В ходе нашего исследованиябыло установлено, что степень антропогенного воздействия на окружающую среду вобласти загрязнения ее соединениями тяжелых металлов велико. Ионы тяжелогометалла свинца присутствуют в окружающей среде района исследования, причемсодержание их возрастает при приближении к территориям с высокой степеньюантропогенного воздействия – вблизи автомобильных дорог района исследования. Наудалении от автодорог концентрация ионов металлов уменьшается, но, тем неменее, содержание соединений тяжелых металлов будет выше естественного фона,потому что загрязнение распространяется на большие территории с движущимисявоздушными массами, с потоками подземных и поверхностных вод, с осадками.Отрицательные пробы на присутствие ионов железа вовсе не означают егоотсутствие; в сельской местности источников его поступления в окружающую средупрактически нет, поэтому и содержание ионов железа крайне мало для установленияего присутствия. Было также установлено, что ионы тяжелых металлов оказываютобщее угнетающее воздействие на процессы роста и развития живых организмов присравнительно низких концентрациях.
Пути решения проблемызагрязнения тяжелыми металлами для улучшения экологической обстановки:установка на предприятиях очистных сооружений, фильтры которых будутпрепятствовать выбросам тяжелых металлов; уменьшение количества транспортныхсредств; сохранение и восстановление лесов; переработка, а не сжигание мусора;рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способныхнакапливать тяжелые металлы в вегетативных органах (установлено, что дерево завегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себеколичество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенныхпунктах с загрязненными районами листовой опад нужно целесообразно собирать иутилизировать).
Практическая значимостьработы заключается в том, что полученные результаты можно использовать: припроведении классных часов, внеклассных мероприятий и занятий, посвященныхпроблемам экологического состояния окружающей среды (в частности – районаисследования); при разработке буклетов на тему «Окружающая среда и проблема еезагрязнения соединениями тяжелых металлов», для информирования населения.Практические результаты исследовательской работы могут быть использованы принаписании статьи в газету для освещения проблемы загрязнения окружающей среды.
Списоклитературы
1.Влияние тяжелых металлов на организм человека / Л.А.Яковлева, Н.Бунт // Химия:проблемы выкладання.-2006.-№9.-С.56-64.
2.Золотарёва Б.Н., Скрипниченко И.И. Содержание и распределение тяжёлых металлов(свинца, кадмия и ртути) в почвах Европейской части СССР//Генезис, плодородие имелиорация почв. Пущино, — 1980 – с77-90.
3.Литвинова Т.Н., Смыкова К., Морозова И. Определение сравнительной устойчивостидревесных растений к выхлопным газам автомобилей/ Т..Н.Литвинова, К.Смыкова,И.Морозова// Экология.-2009.-№12.-С.20-23.
4.СавичВ.И., Оконская И.С. Определение уровня загрязнения почв и растений тяжёлымиметаллами //Химизация сельского хозяйства 1992-№1-с 56-58.
5.СадовниковаЛ.К. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжёлых металлов// Химия в сельском хозяйстве – 1997-№2-с 37-40.
6.Интернет-ресурсы: https://geoecology.nethouse.ru
7.Интернет-ресурсы: https://scienceforum.ru
8.Интернет-ресурсы: https://www.forens-med.ru/book.php?id=1839
9.Интернет-ресурсы: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тяжёлые_металлы
10.Интернет-ресурсы: http://yznaika.com/notes/197
