Глава 1 свойства тяжелых металлов, определяющие их экологическую опасность

The dilution is the solution of the chemical pollution! Разбавление - вот решение проблемы химического загрязнения!

(Общеизвестное выражение)

Естественно, что ни один из химических элементов не остается индифферентным по отношению к окружающей среде. Какие бы проблемы (экологические, геологические, биологические и т.д.) ни решало общество, оно должно иметь данные:

• относительно распространенности данного элемента;

• о формах его существования в любой сфере, воздушной или водной, почве, растениях, животных, энергоносите­лях, в хозяйственных и промышленных отходах;

• о нормальных и экстремальных концентрациях данного элемента в указанных сферах;

• о содержании интересующего элемента в космических телах или объемах его в природных ресурсах нашей пла­неты и многом другом.

Но в первую очередь следует обладать информацией, касающейся особенностей электронного строения, отличаю­щего, например, металл от неметалла или металл данного типа от прочих металлов.

Особенности строения, переменные степени окисления, слабая биоразлагаемость

При описании опасных для окружающей среды метал­лов необходимо учитывать их деление на s-, р-, d- и /- элементы. Исчерпывающие данные по этому поводу можно найти в 6-томной серии В.В. Иванова «Экологическая геохи­мия элементов» (М.: Недра, 1994-1996). Приведем из этих книг несколько данных об общем характере главных групп металлических элементов. Важной особенностью р-элемен- тов является тот факт, что ни один из них не зарегистрирован в качестве природного элемента, имеющего глобальное эко­логическое значение, - большинство определяют региональ­ное или локальное состояние различных экологических сред (тем самым, возможно, и само существование отдельных на­родов). Другая особенность /^-элементов заключается в большом разнообразии их физико-химических свойств: здесь известны химические элементы от близких к щелочным (Т1) до кислотных неметаллов (S); от элементов катионогенных (А1) до анионогенных (Se, As, Sb, Bi); от высоко химически активных (As) до инертных. Интересно, что именно с р-эле­ментами был связан тот или иной «прорыв» в научно- техническом развитии человечества (Sn, Pb, As, в более позднее время Bi, А1).

Исходя из электронного строения и свойств комплекс­ных и иных соединений металлов, предлагаются различные оценки степени и характера токсичности описываемых метал­лов, например, Са < Mg < Fe²⁺ < Cd < Со < Zn < Ni < Си. Они легко соединяются с биомолекулами (например, с белками, пептидами, липидами, аминокислотами) - в основном через S-, N-, О-атомы лигандов. Причем Cu¹⁺, Cd, Hg, Pb предпочти­тельнее реагируют с серосодержащими группами; Си, Ni, Со - с азотными группами; Mn²⁺ , Mg, Са, Sr, Ва - с кислородсо­держащими группами. Подчеркнем, что через реакции ком- нлексообразования с тяжелыми металлами М^п+ и протекают все главные химические процессы в живых организмах.

Для важнейших процессов в живой природе и окру­жающей среде играет роль способность тяжелых металлов к перемене степеней окисления, например, Си¹⁺ Си²⁺, V⁴ Fe²⁺<»Fe³⁺, Hg¹⁺«»Hg хотя менять свою степень

окисления могут и такие металлоиды, как N³⁺<»N⁵⁺, S²⁺<=>S⁶⁺. Перемена степени окисления тяжелого металла в ходе хими­ческих превращений сказывается сильнейшим образом, на­пример, на степени их токсичности. Так, ионы хрома Сг³⁺ в трехвалентном состоянии являются малотоксичными, при рН < 4 эти ионы существуют в форме гексаакваионов, и по мере увеличения рН образуют уже гидроксокомплексы и по­лиядерные комплексы с кислородными мостиками. Шести­валентный хром Сг^б+ более токсичен. В нейтральных раство­рах он существует в виде СЮ₄², хотя в человеческом орга­низме, загрязненном его солями, Сг⁶* может снова перехо­дить в нетоксичный Сг³⁺. Перечисленные выше свойства тя­желых металлов часто упускают из виду при рассмотрении экологических проблем с их участием.

Человечество долгое время надеялось, да и надеется по сей день на великое свойство Природы - ее способность к са­моочищению. Сбрасывая веками в воды озер, рек и морей гро­мадные объемы отходов, сваливая на почву или закапывая в землю твердые или жидкие отбросы, обитатели планеты дол­гое время считали, что все это разложится и нейтрализуется благодатными силами воды и земли. Увы, эти времена давно прошли, способность Природы к самоочищению уже далеко превышена. И если органические загрязнители могут за какое- то, не столь длительное время (это зависит от химического строения) разложиться до малотоксичных продуктов, то ме- таллам-загрязнителям присущи такие колоссальные сроки их разложения, что тут уже и речи нет по поводу самоочищения, например, почвы от тяжелых металлов. Известно, что почва является совершенно особой формой биосферы, она не только накапливает все загрязнения, в том числе и металлические, но и выступает как природный переносчик химических токсикан­тов и в атмосферу, и в гидросферу, и в живое вещество. Ме­таллы сравнительно легко накапливаются в почвах, но сколь трудно и медленно они из нее удаляются! По мнению разных авторов, сроки полуудаления разные, но в среднем период по­луудаления из почвы для кадмия Cd составляет до 155 лет, цинка Zn - до 500 лет, свинца Pb - до нескольких тысяч лет.

Ниже приводятся данные о средней концентрации тя­желых металлов в почве (в мг/кг).

Железо	55000	Кобальт	1-5	Ртуть	0,3
Марганец	5000	Сурьма	4	Скандий	7
Хром	3000	Мышьяк	6	Селен	0,2
Ванадий	20-25	Барий	500	Серебро	0,1
Никель	10-80	Бериллий	6	Теллур	10
Цинк	10-100	Кадмий	0,06	Олово	10
Медь	2-100	Свинец	10