Файл: 2679.pdf

1

Министерство транспорта Российской Федерации 

Федеральное агентство железнодорожного транспорта 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования 

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» 

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности» 

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 

ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 

Методические указания 

 к практическим и самостоятельным работам по экологии  

для студентов всех специальностей очной формы обучения 

 и для студентов дополнительной квалификации 

 «Эколог в области железнодорожного транспорта» 

(дисциплина «Геоэкология») 

Составитель:  Ю.А. Холопов 

Самара  

2010  

2679 

2

УДК 628.58 
 
Экологическая  оценка  загрязнения  окружающей  среды  тяжелыми  

металлами  :  методические  указания  к  самостоятельной  работе  по  экологии  для 
студентов всех специальностей очной формы обучения и дополнительной квалификации 
«Эколог  в  области  железнодорожного  транспорта» (дисциплина  «Геоэкология») / 
составитель: Ю.А. Холопов. – Самара : СамГУПС, 2010. – 16 с. 

 
 
 
 
Утверждены на заседании кафедры «Безопасность жизнедеятельности» 15 ноября 

2010, протокол № 3. 

Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета. 
 
 
В  работе  изложены  теоретические  материалы,  отражающие  следующие  вопросы: 

«Опасность  загрязнения  окружающей  среды  тяжелыми  металлами», «Источники 
поступления тяжелых металлов», «Подходы к оценке, нормированию уровня загрязнения 
тяжелыми металлами при  мониторинге почв», «Методы удаления и детоксикации ионов 
тяжелых  металлов»  и  методические  рекомендации  по  выполнению  практического 
задания. 

 
 
 
Составитель:  Холопов Юрий Александрович  
 
 
 
Рецензенты: директор межрегионального центра «Охрана труда и промышленная  

экология  М.В. Смолев 
 
к.т.н., старший преподаватель кафедры БЖД СамГУПС Е.В. Лукенюк  

Редактор: И.А. Шимина 

Компьютерная верстка: Н. Э. Егорова 

 
 
 
 
Подписано в печать 2.12.2010. Формат 60 х 90  1/16. 
Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 287. 
 
 
©

  Самарский государственный университет путей сообщения, 2010 

3

ВВЕДЕНИЕ 

 
Среди значительной группы экотоксикантов, поступающих в окружающую среду в 

результате антропогенной деятельности, особое место занимают тяжелые металлы  (ТМ) 
– группа  химических элементов с атомным весом более 50 (Hg, Pb, W, Sn, Cd, Mo, Cu, 
Co, Mn, Cr и  др.).  Опасность  тяжелых  металлов  для  экосистем  определяется,  прежде 
всего, тем, что, попадая в почву, они  могут поглощаться растениями и по пищевой цепи 
попадать в организмы животных и человека. 

Основными  эмитентами  выбросов  ТМ  являются  промышленные  предприятия 

крупных городов.  Самыми мощными поставщиками отходов, обогащенных металлами, 
являются  предприятия  по  выплавке  цветных  металлов  (алюминиевые,  глиноземные, 
медно-цинковые,  свинцовоплавильные,  никелевые,  титано-магниевые,  ртутные  заводы), 
а  также  производства,  связанные  с  переработкой  цветных  металлов  (радиотехнические, 
электротехнические, приборостроительные, гальванические и другие).  

Концентрация Pb, Zn, Bi, Sn в  пыли  металлургических  производств  может 

превышать среднее содержание в  литосфере в 10–12 раз, концентрация Mo, Pb, Sn, Zn, 
Ag –  в сотни раз, Сd, V, – в десятки тысяч раз! 

Значительные  количества  свинца  поступают  с  выхлопными  газами  автомобилей. 

Кроме  того,  загрязнение  пахотных  земель  такими  элементами,  как  ртуть,  мышьяк, 
свинец, медь, олово, висмут и др. происходит в результате применения пестицидов.  

Эти обстоятельства формируют отношение экологов к ТМ как к супертоксикантам, 

слежение  за  их  поведением  в  окружающей  среде  входит  в  программы  мониторинга,  а 
данные о содержании публикуются в ежегодных государственных докладах о состоянии 
окружающей  среды.  Поэтому  студентам  необходимо  дать  представление  о  ТМ  как 
факторе  экологической  опасности,  научить  их  самостоятельно  оценивать  воздействие 
этого фактора на экосистемы. При самостоятельном изучении теоретического материала 
студенты  конспектируют  ответы  на  вопросы  и  выполняют  предложенные  задания  по 
вариантам. 

Опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами 

Список металлов, относящихся к классу особо токсичных, включает в себя As, Cd, 

Hg, Pb, Se, Zn. Известно, что в результате различных превращений данные химические 
элементы  могут  распределяться  в  атмосфере,  гидросфере,  литосфере  Земли.  Почва 
является  одним  из  основных  концентраторов  ТМ  в  биосфере.  В  настоящее  время  на 
первое  место  выходит  сознательное  управление  биосферными  функциями  почвенного 
покрова.  Почвенный  покров – незаменимый  компонент  биосферы – совместно  с 
растениями определяет ее устойчивое функционирование. 

Прогнозированию поведения тяжелых металлов в биосфере уделяется пристальное 

внимание.  Установлены  основные  закономерности  распределения  металлов  по 
поверхности, роль гумуса почвы как фиксатора ртути, свинца и других элементов.  

Тяжелые металлы, как правило, концентрируются  в приповерхностном слое почвы 

0-10 (20) см,  где  они  присутствуют  в  форме  обменных  ионов  и  в  необменной,  прочно 
фиксированной  почвенным  поглощающим  комплексом  форме.  Доля  водорастворимой 
формы  обычно  невелика,  однако  при  сильном  загрязнении  абсолютное  количество 
водорастворимых ТМ становится самостоятельным экологически опасным фактором.  В 
дальнейшем  ТМ  могут  мигрировать  в  растения,  поступать  в  реки  и  озера  в  результате 
смыва и далее, по трофическим цепям, – в живые организмы. 

4

Содержание  и  формы  миграции  тяжелых  металлов  в  поверхностных  природных 

водах  и  почвах  таежных  экосистем  в  известной  мере  зависят  от  сопутствующих 
негативных явлений, характерных для современного техногенеза: аэральных выпадений, 
кислотных  дождей,  выбросов  пыли  и  дыма  и  т.д.  В  наземных  экосистемах  тяжелые 
металлы  включаются  в  трофические  цепи  и  в  таком  компоненте,  как  почвы,  активно 
воздействуют на мезофауну и микрофлору. В данных условиях существенно возрастает 
численность  почвенных  грибов,  продуцирующих  токсины,  низкомолекулярные 
органические  кислоты  и  другие  органические  вещества.  Это  является  одним  из 
адаптационных механизмов, противостоящих токсическому действию ТМ. 

В отличие от других поллютантов, способных разлагаться под действием физико-

химических  и  биологических  факторов  или  выводиться  из  почвы,  тяжелые  металлы 
сохраняются  в  ней  длительное  время  даже  после  устранения  источника  загрязнения: 
период  полуудаления  ТМ  из  почв  в  условиях  лизиметров  (специальных  приборов, 
изучающих внутрипочвенный сток) варьирует в зависимости от вида металлов: для Zn от 
70 до 510 лет, Cd – от 13 до 1100 лет, Cu – от 310 до 1500 лет, Pb – от 740 до 5900 лет. 
Детоксикация почв, загрязненных ТМ, имеет определенные трудности. 

Накопление  тяжелых  металлов  в  почве  нарушает  физико-химическое  равновесие 

природной системы и дает толчок ряду процессов, действующих на почвенные свойства. 
Изменяется величина рН, разрушается почвенный поглощающий комплекс, нарушаются 
микробиологические  процессы,  в  результате  разрушения  структуры  ухудшается  водно-
воздушный  режим,  деградирует  почвенный  гумус,  и  в  конечном  итоге  почва  теряет 
плодородие. 

Комплексообразующая  способность  многих  металлов  приводит  к  возникновению 

устойчивых  металлоорганических  комплексов  хелатного  типа,  что,  в  свою  очередь, 
обусловливает  изменение  концентрации  необходимых  для  жизнедеятельности 
организмов субстратов в почве.  

Количество,  при  котором  химические  ингредиенты  становятся  действительно 

опасными  для  окружающей  среды,  зависит  не  только  от  степени  загрязнения  ими  сред 
обитания,  но  также  от  химических  особенностей  этих  ингредиентов  и  от  деталей  их 
биогеохимического  цикла.  Для  сравнения  степени  токсикологического  воздействия 
химических  ингредиентов  на  различные  организмы  пользуются  понятием  молярной 
токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение  молярного 
количества  металла,  необходимого  для  проявления  эффекта  токсичности  при 
минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью. 
(табл.1). 

Таблица 1 

Молярная токсичность металлов 

Организмы 

Ряды токсичности 

Водоросли 

Hg > Cu > Cd > Fe > Cr > Zn > Co > Mn 

Грибки 

Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb > Co > Zn > Fe 

Цветущие растения 

Hg > Pb > Cu > Cd > Cr > Ni > Zn 

Кольчатые черви 

Hg > Cu > Zn > Pb > Cd 

Рыбы 

Ag > Hg > Cu > Pb > Cd > Al > Zn > Ni > Cr > Co > Mn >> Sr 

Млекопитающие 

Ag,Hg,Cd > Cu,Pb,Co,Sn,Be >> Mn,Zn,Ni,Fe,Cr >> >> Sr > Cs,Li,Al 

 
Следует отметить, что ТМ  могут являться причиной заболеваний человека. Среди 

них  сердечно-сосудистые  расстройства,  тяжелые  формы  аллергии.  Тяжелые  металлы 

5

обладают  эмбриотропным  и  канцерогенным  свойствами.  Они  являются  генетическими 
ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия.  

Таблица  2 

Естественное содержание некоторых тяжелых металлов, вызывающих заболевания 

человека (в частях на миллион, ррm) 

Металл 

 В горных 

породах 

В угле 

В морской 

воде 

В растениях 

В тканях 

животных 

Кадмий 0,2 

0,25 

0,0001 

0,1—6,4 

0,1—3,0 

Хром 1 

60 

0,00005 

0,3—0,4 

0,02—1,3 

Кобальт 25 

15 

0,00027 

0,2—5,0 

0,3—4,0 

Свинец 12,5 

5 

0,00003 

1,8—50,0 

0,3—35,0 

Ртуть 0,08 

- 

0,00003 

0,02—0,03 

0,05—1,0 

Никель 75 

35 

0,0045 

1,5—36,0 

0,4—26,0 

Ванадий 135 

40 

0,002 

0,13—5,0 

0,14—2,3 

 
Для  оценки  опасности  тяжелых  металлов  недостаточно  знать  их  валовое 

количество, необходимо дифференцировать и форму металла в зависимости от состава и 
структуры 

системы 

(окисленный, 

восстановленный, 

метилированный, 

закомплексованный металл). Наибольшую опасность представляют лабильные формы. 

Источники поступления тяжелых металлов 

Все  источники  поступления  поллютантов  (загрязнителей)  можно  разделить  на 

природные  и  антропогенные.  Среди  природных  источников  поступления  ТМ  в 
атмосферу  выделяются  ветровая  эрозия,  извержения  вулканов,  лесные  пожары, 
испарение  с  поверхности  почв  и  растений,  поступление  с  поверхности  почвы  и  др. 
Причем  для  Cd, Zn и Pb  доля антропогенных поступлений в атмосферу  значительно 
превышает природные (табл. 3). 

Таблица 3 

Поступление тяжелых металлов в атмосферу, % от суммы  

Источник 

Тяжелый металл 

Сd Zn  Pb  Hg 

Общий природный источник 

26,3 

29,0 

4,5 

81,0 

Антропогенный источник 73,7  71,0  95,5 

19,0 

 
По  хозяйственным  и  территориальным  признакам  источники  металлотоксикантов 

подразделяют на локальные и пространственные, а по скорости эмиссии в окружающую 
среду и объекты живой природы – на регулярные и залповые. 

Особую  опасность  для  окружающей  среды  представляют  распределенные  в 

пространстве    источники  тяжелых  металлов,  так  как  именно  они  загрязняют 
сравнительно большие территории. К этой группе относятся: автомобильный транспорт, 
сельскохозяйственные  угодья  (после  обработки  содержащими  металлы  пестицидами),