Тяжелые металлы в воде.

МДК.03.01 Очистка и контроль качества природных и сточных вод

Тема: Тяжелые металлы в воде.

Цель: Формирование знаний и умений о тяжелых металлах в воде.

Перечень знаний/умений/формируемых компетенций:

Знать: гигиенические требования к качеству питьевой воды и санитарные нормы очищенным сточным водам и водам водоёмов различного назначения; методы и параметры контроля природных и сточных вод. Технологические процессы забора воды из поверхностных и подземных источников уметь: выполнять химические и микробиологические анализы по контролю технологических процессов и качества очистки природных и сточных вод; выполнять контроль за соблюдением экологических стандартов и нормативов по охране окружающей среды; Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач

ПК 3.1; ПК 3.2; ПК 3.3; ОК 01 – ОК 10;

Основная часть

На сегодняшний день самой актуальной проблемой загрязнения окружающей среды стало накопление тяжелых металлов (ТМ). Тяжелые металлы - загрязнители окружающей среды. Причиной тому служит биологическая активность многих из них.

В зависимости от концентрации ТМ действуют на живой организм по-разному. Они делятся на 2 группы:

- биогенные - необходимые для жизнеобеспечения живого организма;

- ксенобиотики – приводящие к отравлению или гибели организма.

ТМ по токсичности занимают второе место после пестицидов и составляют большую долю загрязнителей окружающей среды. Даже в самых малых концентрациях они ядовиты.

ТМ опасны тем, что они обладают способностью: образовывать высокотоксичные металлорганические соединения; накапливаться в живых организмах; участвовать в метаболических процессах и т.д.

Кроме того они могут вызвать у человека: физиологические нарушения; токсикоз; онкологические заболевания; влияют на генетическую наследственность и на зародыш.

К самым опасным загрязнителям среди ТМ относятся свинец, кадмий, цинк, обладающие сходством к физиологически важным органическим соединениям.

Выделяют естественные и техногенные источники ТМ.

Большое количество ТМ образуется и находится в «верхней мантии» Земли, в базальтах, гранитах, горных породах.

Кроме горных пород естественными источниками ТМ являются:

- термальные воды и рассолы;

- космическая и метеоритная пыль;

- вулканические газы;

- извержения вулканов.

Техногенное поступление ТМ в биосферу связано с различными источниками:

- электростанции, сжигающие уголь;

- сжигание различных отходов;

- предприятия цветной и черной металлургии;

- металлообрабатывающие предприятия;

- автотранспорт;

- карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд;

- минеральные и органические удобрения;

- сточные воды и отходы животноводческих комплексов.

ТМ первоначально попадают в почву, и по подземным водным путям смываются водой. Они могут попасть в почву вместе с удобрениями, в состав которых входят как примесь, а также и с пестицидами, осадками сточных вод, отходами промышленности и бытовым мусором.

По биологической классификации элементов тяжелые металлы делятся на микро- и ультрамикроэлементы. К микроэлементам относятся Cu, Zn, Mo, Co, Mn, Ni и другие. Таким образом термины «тяжелые металлы» и «микроэлементы» относятся к одним и тем же химическим элементам, а употребление того или иного термина зависит от концентрации.

В соответствии с российским ГОСТом они делятся на три класса: - As, Be, Cd, Hg, Se, Pd, Zn;

- Co, Cr, Cu, Mo, Ni, Sb;

- V, W, Mn, Sr.

Однако ТМ играют большую роль в жизнедеятельности живых организмов. Большая их часть необходима в микродозах для нормального функционирования живых систем. Но при их передозировке наблюдаются нарушения жизнедеятельности, так как у человека и животных их соединения не участвуют в нормальном обмене веществ и их постепенное накопление ведет к различным заболеваниям. Таким образом, данные металлы переходят в ранг загрязнителей биосферы.

К наиболее опасным и распространенным загрязнителям водной среды относят тяжелые металлы. Они могут поступить в гидросферу с выпадаемыми осадками, со сточными водами и т.д. Такие металлы, как Co, Cu, Ni, Zn и др., в малых дозах играют в жизни микроорганизмов биологическую роль. А в больших концентрациях они могут оказывать токсическое влияние на их жизнедеятельность. Другая группа тяжелых металлов (Cd, Pb, Hg и др.) приносят только вред всем живым организмам. Они оказывают различные физиологические воздействия на генетический аппарат микроорганизмов.

Многие микроорганизмы устойчивы практически ко всем тяжелым металлам. И поэтому они способны быстро адаптироваться к таким условиям существования. Благодаря таким способностям микроорганизмы служат индикаторами изменений окружающей среды. Некоторые бактерии даже поддерживают возможность восстановления качества воды.

Тяжелые металлы в водной среде находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Поэтому, попадая в воду, они образуют нерастворимые соединения и выпадают в осадок в виде карбонатов, гидроксидов, сульфидов или фосфатов [1].

Биологическая роль свинца изучена весьма слабо. В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества.

Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного действия свинца – появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный тракт. При токсичных дозах элемент накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях. При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система и почки.

Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе "новых" микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) и в низких концентрациях способен стимулировать рост некоторых животных. Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибировании восстановления NО2 до NО. При токсичном воздействии металла у растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев. Кадмий способен накапливаться в организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях. Его избыток ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.

Особый интерес к цинку связан с открытием его роли в нуклеиновом обмене, процессах транскрипции, стабилизации нуклеиновых кислот, белков и особенно компонентов биологических мембран, а также в обмене витамина А. Ему принадлежит важная роль в синтезе нуклеиновых кислот и белка. Цинк обнаружен в составе более 200 ферментов, относящихся ко всем шести классам, включая гидролазы, трансферазы, оксидоредуктазы, лиазы, лигазы и изомеразы. Уникальность цинка заключается в том, что ни один элемент не входит в состав такого количества ферментов и не выполняет таких разнообразных физиологических функций. Повышенные концентрации цинка оказывают токсическое влияние на живые организмы. У человека они вызывают тошноту, рвоту, дыхательную недостаточность, фиброз легких, является канцерогеном. Избыток цинка в растениях возникает в зонах промышленного загрязнения почв, а также при неправильном применении цинксодержащих удобрений. При избыточном поступлении цинка в растения и возникающем при этом антагонизме с другими элементами снижается усвоение меди и железа, и проявляются симптомы их недостаточности.

Медь является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азот. Основные признаки дефицита меди для растений – замедление, а затем и прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна, пусто зернистых колосьев, снижение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наиболее чувствительны к ее недостатку пшеница, овес, ячмень, люцерна, столовая свекла, лук и подсолнечник. В организме взрослого человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и костях и 10% в печени. Основные процессы всасывания этого элемента происходят в желудке и тонкой кишке. Существует физиологический антагонизм меди с молибденом и сульфатной серой, а также марганцем, цинком, свинцом, стронцием, кадмием, кальцием, серебром. Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни Вильсона, при которой избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Недостаточность металла у жвачных сельскохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода. До настоящего времени в литературе не встречаются данные о дефиците никеля для растений, однако в ряде экспериментов установлено положительное влияние внесения никеля в почвы на урожайность сельскохозяйственных культур, которое, возможно, связано с тем, что он стимулирует микробиологические процессы нитрификации и минерализации соединений азота в почвах. Токсичность никеля для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транспирации, появлении признаков хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и ДНК, развитием выраженных повреждений во многих органах и тканях. Экспериментально установлено эмбриотоксичность никеля Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом.

Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы. Растительные организмы положительно реагируют на внесение хрома при низком содержании в почве доступной формы, однако вопрос о незаменимости элемента для растительных организмов продолжает изучаться. Токсичное действие металла зависит от валентности: шестивалентный катион гораздо токсичнее трехвалентного. Симптомы токсичности хрома внешне проявляются в снижении темпов роста и развития растений, увядании надземной части, повреждении корневой системы и хлорозе молодых листьев. Избыток металла в растениях приводит к резкому снижению концентраций многих физиологически важных элементов, в первую очередь К, Р, Fe, Mn, Cu, B. В организме человека и животных обще токсикологическое, нефротоксическое и гепатотоксическое действие оказывает Cr6+. Токсичность хрома выражается в изменении иммунологической реакции организма, снижении репаративных процессов в клетках, ингибировании ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки, хромовый гипотез, нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности. Соединения Cr6+, наряду с обще токсикологическим действием, способны вызывать мутагенный и канцерогенный эффекты. Хром, помимо легочной ткани, накапливается в печени, почках, селезенке, костях и костном мозге

ЗАДАНИЕ. Составить конспект.

Список учебной литературы:

1. Белецкий Б. Ф. Технология и механизация строительного производства: Учебник для ВПО. Изд. 3-е. Ростов н/Д: Феникс, 2004. — 752 с.

https://www.studmed.ru/beleckiy-bf-tehnologiya-i-mehanizaciya-stroitelnogo-proizvodstva-djvuraspoznannyy_7d87537b560.html

2. Белецкий Б. Ф. Технология и механизация строительного производства: Учебник для ВПО. - М: Издательство АСВ, 2001. — 416 с.

https://mgsu.ru/universityabout/Struktura/Instituti/ISA/metodobesp/tosp/literatura/Белецкий%20Учебник%20ТСП%5Bsmallpdf.com%5D.pdf

3. Феофанов, 10. Л. Современные материалы и изделия для ремонта и строительства инженерных сетей / Ю. А. Феофанов, А. В. Жуховицкий. — СПб.: Изд-во СПбГАСУ, 2018.

4. Храменков, С. В. Бестраншейные методы восстановления трубопроводов / С. В. Храменков, О. Г. Примин, В. А.Орлов. — М.: Прима-Пресс-М, 2019.

5. https://rusneb.ru/

6. https://www.elibrary.ru/defaultx.asp