Оцінка якості методів визначення мікрокількостей неорганічних речовин в об'єктах навколишнього середовища

У наш час важливою і актуальною є проблема шкідливого впливу важких металів (ВМ) на навколишнє середовище, зокрема на живі організми. Науковці почали вивчати проблему важких металів з другої половини  XX ст., а починаючи з 90-х років вона досліджується особливо широко та інтенсивно. Доказом цього є те, що з двох окремих наук: екології і токсикології у самостійну наукову дисципліну cформувалась екологічна токсикологія, яка досліджує, зокрема, й токсичні впливи ВМ на живе [8].

Відомо, що наявність  ВМ у природі – нормальне явище. Їх сполуки поширені по всій території Земної кулі, і містяться у материнських породах земної кори. Проте, за рахунок активної діяльності людини, трансформації нею навколишнього середовища (навколишня територія підприємств важкої металургії, гірничих шахт), концентрації різних забруднюючих речовин швидко збільшуються, включаючи і солі металів. Тому сильно зростає інтерес науковців до вивчення різних наслідків накопичення цих речовин (ВМ) у навколишньому середовищі [9, 10].

Поняття „важкі метали”  у літературі є дискусійним. Існують різні думки стосовно самого визначення поняття (з одного боку, атомна маса, як головна ознака формулювання поняття; з іншого – густина, токсичність). Тому для полегшення наукових досліджень з проблеми ВМ доречно впроваджувати комплексну оцінку при обґрунтуванні поняття ВМ. Існує кілька визначень поняття „важкі метали”, за якими, на жаль, не завжди можна виділити конкретну кількість елементів групи ВМ.

Число елементів у  ряді ВМ стає більш конкретним, якщо визначення сформулювати таким чином: важкі метали – це елементи з металічними властивостями, які мають атомну масу вище 40 а. о., густину вище 5 г/см³ і не відносяться до радіоактивних елементів (табл.1.1) [11].

Таблиця 1.1

Елементи, які  належать до ВМ

Важливим і необхідним є дослідження впливу ВМ на рівні  біоценозів і екосистем, а також  застосовування відповідних заходів  для очищення їх від забруднень, оскільки надлишкові дози важких металів  руйнують природні водні та наземні  екосистеми [9]. ГДК ВМ у воді і ґрунті наведені у табл.1.2.

Важкі метали можуть бути поширені на усій території або більшою  мірою локалізуються на окремих  „острівцях” екосистеми. Це залежить від різних природних і антропогенних  факторів: наявності ВМ у материнській породі ґрунту, привнесення їх з інших територій за посередництвом води при вимиванні з ґрунтів інших екосистем, наявності на території промислових підприємств, доріг, населених пунктів та ін. На прикладі досліджень забруднення лісових екосистем важкими металами було виявлено, що практично вся територія Білорусі повністю охоплена зоною забруднень Zn і Pb, присутність яких мала локальний характер. Навіть в одній екосистемі конкретні ВМ, як і інші хімічні елементи, можуть бути притаманні для визначених регіонів. Наприклад, у лісових екосистемах на території Біловезької  Пущі Fe і Cu, концентрації яких перевищували контрольний рівень, були поширені невеликими локальними зонами на межі з Польщею (Zn – в північній частині національного парку, Pb, Cd – в південній та північній частинах Пущі) [12, 13].

Таблиця 1.2

ГДК важких металів у водному середовищі та ґрунті

Важкі метали поширені і  нагромаджуються не тільки в екосистемах  суші, але й у прибережних екосистемах  водойм і навіть в дуже рідкісних  – глибоководних гідротермальних  екосистемах.

Інтенсивне антропогенне привнесення в навколишнє середовище додаткових кількостей ВМ, особливо в регіони, де забрудненості ними не спостерігалося і немає в наш час, потрібно вважати негативним явищем для живої природи і, зокрема, людини, тому що екосистеми не завжди встигають пристосовуватись до таких забруднень і в багатьох випадках можуть деградувати [12].

1.3. Токсичні  властивості важких металів 

Серед забруднювачів  навколишнього середовища одне з  провідних місць посідають іони важких металів, що навіть у мікродозах можуть спричиняти небезпечні ураження чутливих анатомо-фізіологічних систем і розвиток патологічних станів. Важкі метали характеризуються високою токсичністю і біохімічною активністю, що дозволяє відносити їх до екоцидних та біоцидних ксенобіотиків.

Перш за все представляють  інтерес ті метали, які найбільш широко та у значних обсягах використовуються у виробничій діяльності і в результаті нагромадження в зовнішньому середовищі становлять серйозну небезпеку з точки зору їх біологічної активності і токсичних властивостей. До них відносять свинець, ртуть, кадмій, цинк, вісмут, кобальт, нікель, мідь, олово, сурму, ванадій, марганець, хром, молібден і миш'як [14].

1.3.1.  Свинець. Природними джерелами надходження свинцю в поверхневі води є процеси розчинення мінералів. Значне підвищення вмісту свинцю в навколишньому середовищі (в тому числі і в поверхневих водах) пов'язане зі спалюванням вугілля, застосуванням тетраетилсвинцю як антидетонатора в моторному паливі, з виносом у водні об'єкти зі стічними водами рудозбагачувальних фабрик, металургійних заводів, хімічних виробництв, шахт і т.д. Суттєвими факторами зниження концентрації свинцю у воді є адсорбція нерозчиненими речовинами, осадження у донні відкладення, нагромадження гідробіонтами.

Свинець знаходиться в природних  водах у розчиненому і нерозчиненому (сорбованому) станах. У розчиненій формі він зустрічається у  вигляді мінеральних та органо-комплексів, а також простих іонів, у нерозчиненій - головним чином у вигляді сульфідів, сульфатів і карбонатів [14, 15].

1.3.2. Кадмій. Кадмій є дуже токсичним ВМ, який особливо небезпечний у сполуках з іншими токсичними речовинами. У природні води кадмій надходить при вилуговуванні ґрунтів, поліметалевих і мідних руд, в результаті розкладання водних організмів, здатних його нагромаджувати. Сполуки кадмію виносяться в поверхневі води зі стічними водами свинцево-цинкових заводів, рудозбагачувальних фабрик, ряду хімічних підприємств (виробництво сірчаної кислоти), гальванічного виробництва, а також із шахтними водами. Зниження концентрації розчинених сполук кадмію відбувається за рахунок процесів сорбції, випадання в осад гідроксиду і карбонату кадмію та споживання їх водними організмами.

Розчинені форми кадмію в природних водах являють собою головним чином мінеральні та органо-мінеральні комплекси. Основною формою кадмію є його сорбовані сполуки. Значна частина кадмію може мігрувати в складі клітин гідробіонтів.

У річкових незабруднених і слабко забруднених водах кадмій міститься в субмікрограмових концентраціях, у забруднених і стічних водах концентрація кадмію може досягати десятків мікрограмів в 1 дм³ [15].

1.3.3. Ртуть. Сполуки ртуті високотоксичні, вражають нервову систему людини, викликають зміни з боку слизової оболонки, порушення рухової функції і секреції шлунково-кишкового тракту, зміни в крові та ін.

Значні кількості надходять  у водні об'єкти зі стічними водами підприємств, що виробляють барвники, пестициди, фармацевтичні препарати, деякі вибухові речовини. Теплові електростанції, що працюють на вугіллі, викидають в атмосферу значні кількості сполук ртуті, які в результаті мокрих і сухих випадінь потрапляють у водні об'єкти.

У поверхневих водах сполуки  ртуті перебувають у розчиненому  і нерозчинному станах. Співвідношення між ними залежить від хімічного складу води і значень рН. Нерозчинена ртуть являє собою сорбовані сполуки ртуті. Розчиненими формами є недисоційовані молекули, комплексні органічні й мінеральні сполуки. У воді водних об'єктів ртуть може знаходитися у вигляді метилртутних сполук.

Вміст ртуті в річкових незабруднених та слабко забруднених  водах становить кілька десятих  часток мікрограма в 1 дм³, середня концентрація у морській воді 0,03 мкг/дм³, в підземних водах 1-3 мкг/дм³ [16, 17].

1.3.4. Ванадій  та бісмут. Ванадій знаходиться переважно в розсіяному стані і виявляється в залізних рудах, нафтах, асфальтах, бітумах, горючих сланцях, вугіллі та ін. Одним з головних джерел забруднення природних вод ванадієм є нафта і продукти її переробки.

У воді утворює стійкі аніонні комплекси V₄O₁₂^4- і V₁₀O₂₆^6-. У міграції ванадію істотну роль відіграє розчинення його комплексних сполук з органічними речовинами, особливо з гумусовими кислотами.

Природними джерелами  надходження бісмуту в природні води є процеси вилуговування вісмутовмісних мінералів. Джерелом надходження в природні води можуть бути також стічні води фармацевтичних і парфумерних виробництв, деяких підприємств скляної промисловості.

У незабруднених поверхневих  водах міститься у субмікрограмових концентраціях. Найбільш висока концентрація виявлена в підземних водах і становить 20 мкг/дм³, в морських водах – 0,02 мкг/дм³ [16].

1.3.5. Залізо. Головними джерелами сполук заліза в поверхневих водах є процеси хімічного вивітрювання гірських порід, що супроводжуються їх механічним руйнуванням і розчиненням. У процесі взаємодії з мінеральними і органічними речовинами, що містяться в природних водах, утворюється складний комплекс сполук заліза, що знаходяться у воді в розчиненому, колоїдному і завислому станах. Значні кількості заліза надходять з підземними стоками і зі стічними водами підприємств металургійної, металообробної, текстильної, лакофарбової промисловості та з сільськогосподарськими стоками.[16, 17].

Фазові рівноваги залежать від хімічного складу вод, рН і в деякій мірі від температури. У рутинному аналізі в зважену форму виділяють частки з розміром більше 0,45 мк. Вона являє собою переважно залізовмісні мінерали, гідрат оксиду заліза і сполуки заліза, сорбованих на суспензіях. Істинно розчинену і колоїдну форму зазвичай розглядають спільно. Розчинене залізо представлене сполуками, що перебувають в іонній формі, у вигляді гідроксокомплексу і комплексів з розчиненими неорганічними і органічними речовинами природних вод. В іонній формі мігрує головним чином Fe(II), а Fe(III) під час відсутності комплексоутворюючих речовин не може в значних кількостях перебувати в розчиненому стані.

У результаті хімічного  і біохімічного (за участю залізобактерій) окиснення Fe(II) переходить в Fe(III), який, гідролізуючи, випадає в осад у вигляді Fe(OH)₃. Як для Fе(II), так і для Fe (III) характерна схильність до утворення гідроксокомплексу, які співіснують у розчині в різних концентраціях залежно від рН і в цілому визначають стан системи залізо-гідроксил. Основною формою знаходження Fe(III) у поверхневих водах є його комплексні сполуки з розчиненими неорганічними і органічними сполуками, головним чином гумусовими речовинами. При рН=8,0 основною формою є Fe(OH)₃. Колоїдна форма заліза найменш вивчена, вона являє собою гідрат оксиду заліза Fe(OH)₃ і комплекси з органічними речовинами [17].

Вміст заліза в поверхневих  водах суші складає десяті частки міліграма, поблизу боліт - одиниці міліграмів. Підвищений вміст заліза спостерігається в болотних водах, у яких воно перебуває у вигляді комплексів із солями гумінових кислот гуматів.

Найбільші концентрації заліза (до декількох десятків і  сотень міліграмів у 1 дм³) спостерігаються в підземних водах з низькими значеннями рН.

Вміст заліза у воді вище 1-2 мг/л значно погіршує органолептичні властивості, надаючи їй неприємний в'язкий смак і робить воду малопридатною для використання в технічних цілях [14].

1.3.6. Кобальт. У природні води сполуки кобальту попадають внаслідок процесів вилуговування їх з мідно-колчеданових та інших руд, з ґрунтів при розкладанні організмів і рослин, а також зі стічними водами металургійних, металообробних і хімічних заводів. Деякі кількості кобальту поступають з ґрунтів внаслідок розкладання рослинних і тваринних організмів.