CC BY
63
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ БИОГЕННЫХ И АБИОГЕННЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ЮЖНО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА
А.Н. Бехтерев
Среди загрязнителей биосферы, влияющих на здоровье человека, можно выделить тяжелые металлы и их соединения. Во многом это определяется их биологической активностью. Названными свойствами обладают как биогенные металлы (Fe, Си, Zn и т.п.), так и ксенобиотики (As, Pb и др.). Токсичность ионов в большой степени определяется их концентрацией в организме, окружающей среде и зависит от валентности и типа соединения.
К наиболее мощным возможным источникам загрязнения биосферы тяжелыми металлами относят предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, хи-мико-перерабатывающей промышленности, автотранспорт. Кислотные дожди могут привести к увеличению концентрации металлов в поверхностных водах озер, рек в связи с дополнительным растворением пород, минералов, буферных соединений в почвах.
Природные воды являются естественными аккумуляторами загрязнений и, наряду с атмосферой, - глобальными транспортерами загрязняющих веществ в биосфере. Степень чистоты гидросферы во многом является показателем качества среды обитания. Тяжелые металлы вместе с органическими примесями попадают в водоемы со сточными водами, метеорными водами (снег, дождь), аэрозольными осаждениями на пылеобразные частицы из воздуха.
Экосфера Вид А1 Сг Мп N1 Со Си Zn И« РЬ
Атмосфера, нг/м3 Европа 600 25 43 25 2 340 1200 1 120
Сев.Ам. 1500 60 150 100 3 100 500 2 2700
Литосфера, мг/кг Почва 71000 70 1000 50 8 30 90 0,06 35
Кора 82000 100 950 80 20 50 75 0,05 14
Гидросфера, мг/м3 Пресная 300 1 8 0,5 0,2 3 15 0,1 3
Морская 2 0,3 0,2 0,6 0,02 0,3 5 0,03 0,03
Примечание: данные по пресной и морской воде приведены для Северной Америки. Таблица 1. Средние концентрации некоторых тяжелых металлов в экосфере Земли
Многие из токсичных химических элементов известны давно, и за ними ведется постоянный экологический контроль в различных частях биосферы. В табл.1 приведены усредненные данные о концентрации загрязняющих веществ в различных средах по работам [1, 2]. Другие токсиканты относительно недавно попали в разряд диагностируемых. Так, сурьма лишь в 2000 г. вошла в реестр тяжелых металлов и полуметаллов, на которую введена ПДК в ГОСТ РФ для питьевых и природных вод хозяйственного назначения [3]. Повышенная концентрация сурьмы в организме приводит к подавлению и более раннему угасанию воспроизводящих функций организма.
В работе исследовалось содержание сурьмы, кальция, магния кремния в питьевой воде Южно-Уральского и некоторых других регионов. Выбор элементов обоснован их биологической значимостью для здоровья человека, а также тем, что предварительное определение этих элементов в питьевой воде показало их повышенные концентрации по сравнению с ПДК [4]. Образцы воды отбирались и исследовались по стандартной методике с использованием спектрометра с индуктивно-связанной плазмой ЫЬег1у-ГСР-200 [5]. Эталонными образцами выступали стандарты ГСО для данных элементов [5]. Для приготовления стандартных образцов проводилось разбавление эталонных образцов в необходимое число раз бидистиллированной водой, которая, в свою очередь, выбиралась в качестве раствора-бланка. Параллельно исследованиям сурьмы определя-
лась концентрация ионов кальция и магния, которые косвенно свидетельствуют о жесткости воды, поскольку входят в карбонатные и сульфатные соединения в воде. В табл. 2 приведены полученные результаты по содержанию ионов сурьмы, кальция, магния, кремния в питьевой воде исследованных источников. Для сравнения в таблицу включены данные для фоновых территорий (питьевая вода артезианской скважины, заложенной в Карагайском бору - заповеднике на Южном Урале).
Элемент Магнитогорск Ю.-Уральский регион Москва Киров Оренбург США ПДК РФ
мг/кг(ppm) 1 2 3 4 5 6 центр центр вокзал 7 США
Сурьма 190 46,1 348 166 240 285 82,6 103,4 95,71 43,2 0,05 0,06
Кальций 128 19,5 158 88,9 116 126 119,6 81,75 109 12,4 180
Магний 83,7 26,8 168 221 88,8 79,4 72,74 52,73 117,6 8,3 40
Кремний 47,6 12,5 87,7 41,4 61,2 70,5 20,72 26,57 23,48 10,7 10
Примечание. Образцы 1-10 - насосная, 2 - город, артезианская скважина, 3 - родниковая, 4 - Карталы, 5 - Учалы, 6 - Карагайский бор (скважина), 7 - г. Минниаполис. ПДК (США) взяты из EPA - water standartds USA (1994), ПДК для Ca и Mg взяты для открытых водоемов (РФ) [4].
Таблица 2. Концентрации сурьмы, кальция, магния, кремния в питьевой воде различных источников
Концентрации всех исследуемых ионов определялись по наиболее интенсивным линиям излучения в спектральных окнах шириной 0,09-0,05 нм, что позволило практически исключить наложение или перекрытие используемых характеристических линий излучения изучаемых элементов с линиями излучения других элементов.
Для анализа были выбраны следующие спектральные линии: 252,852 нм (Sb), 251,611 нм (Si), 393,366 нм (Ca), 285,213 нм (Mg). Статистическая обработка результатов показала, что относительная погрешность определения концентрации сурьмы не превышала 1,5%, кремния 0,8%, кальция 1%, магния 0,8%. Из полученных данных следует, что содержание сурьмы в питьевой воде Магнитогорска, некоторых городских центров Южного Урала и других изучаемых мест значительно превышает предельно допустимые значения. Сравнивая содержание сурьмы в промышленных центрах и в фоновом регионе (Карагайский бор), можно прийти к выводу о природном происхождении диагностируемой сурьмы. Однако, учитывая, что как элемент сурьма широко используется в быту и строительстве (краски), в автотранспорте (аккумуляторы и подшипниковые сплавы), в типографском деле, в полупроводиковой технике, можно предположить о достаточно большой распространенности этого элемента как примеси в биосфере. Так, в США содержание Sb в питьевой воде значительно превышает норму. Поскольку сурьма является достаточно биологически активным химическим элементом, необходимо рекомендовать снижение концентрации Sb в питьевой воде введением регионально-ориентированных фильтров для воды общего или индивидуального характера.
Во всех исследованных образцах отмечено превышение содержания кремния в 2,2-4 раза по отношению к ПДК. Превышение содержания этого элемента может способствовать появлению разнообразных мочекаменных заболеваний. Достаточно высокие концентрации кальция и магния свидетельствуют о повышенной жесткости питьевой воды Южно-Уральского региона, что подтверждается независимыми ионометриче-скими исследованиями проб питьевой воды [6].
Сравнительный анализ искомых элементов в водопроводной питьевой воде в Магнитогорске (насосная станция), артезианской скважине и роднике свидетельствует о наи-
большей концентрации примесей в родниковой воде. Очевидно, родниковая вода вбирает в себя большое количество примесей, поднимаясь на поверхность естественным образом и не подвергаясь специальной очистке. Учитывая, что питьевая вода в Магнитогорске является по преимуществу артезианской, хранение ее в резервуарах, расположенных вблизи почвенного слоя, приводит к повышению концентрации в ней изучаемых элементов в 3-4 раза. Поскольку попадание в организм тяжелых металлов происходит в основном через питьевую воду, продукты питания, воздух, введение региональных фильтров воды позволило бы снизить возможность проникновения токсинов, снизило бы нагрузку на органы выведения (печень, почки). Однако действие фильтров должно быть в определенной мере селективным: необходимо снижать концентрацию одних металлов и не уменьшать концентрацию других - биогенных, содержание которых не превышает нормы или ниже нормы. Изучение достаточно большого количества отечественных и зарубежных фильтров для воды показало, что такими свойствами они практически не обладают. В основном большинство фильтров снижают жесткость воды, понижая концентрацию кальция и магния, мало влияя на содержание других тяжелых металлов.
В заключение можно сказать, что проблема мониторинга питьевых и природных вод достаточно важна и наиболее актуальна для регионов с неблагоприятной экологической обстановкой, каким является Южный Урал. Необходимо снижать концентрацию тяжелых металлов до уровней ниже ПДК в первую очередь введением региональных селективно-очищающих фильтров для питьевой воды, а также созданием более совершенных и мощных очистных сооружений на промышленных предприятиях. Следует организовать непрерывный мониторинг воздуха и воды службами предприятий и государственными экологическими службами на основе современной научно-технической базы с привлечением научного потенциала университетов и научно-исследовательских институтов. Поскольку современные физико-химические приборы достаточно дороги и одновременно универсальны, учитывая запросы экологических, медицинских, санитарных, правоохранительных служб города, необходимость поиска и анализа качества полезных ископаемых для ММК, для такого мощного промышленного центра, как Магнитогорск, необходимым представляется создание межвузовского исследовательского центра с мощной современной экспериментальной базой. Примерами таких центров могут быть межвузовские исследовательские центры в Нижнем Новгороде, Томске, Хабаровске. Создание такого центра способствовало бы и развитию естественнонаучных департаментов наших университетов, улучшению качества преподавания спецдисциплин, укреплению материальной базы вузов.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», Проект № Б0120. Направление 1.1. УНЦ «Оптика и научное приборостроение».
Литература
1. Bowen H.J.M. Environmental Chemistry of the Elements. London: Academic Press, 1979.
2. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton: CRC Press, 1984.
3. Опекунов А.Ю. Экологическое нормирование. Санкт-Петербург: ВНИИ океанологии, 2001. 216 с.
4. ГОСТ РФ. Качество воды. Вода питьевая. Проект (взамен ГОСТ 2874-82). М.: Гос. комитет по стандартам, 1999.
5. Ермаченко Л. А. Атомно-абсорбционный анализ в санитарно-гигиени-ческих исследованиях // Методич. пособие / Под ред. Подуновой Л.Г. Чебоксары, 1997. 207 с.
6. Бехтерев А.Н. Спектрофотометрическое исследования тяжелых металлов в объектах окружающей среды промышленного региона. Анализ природных вод // Проблемы физико-математического образования на современном этапе. Ч.2. Магнитогорск: МаГУ, 1999. С. 41.
