1. POJĘCIE METALI CIĘŻKICH.

Metale ciężkie to pierwiastki o masie właściwej większej od 4,5 g/cm,3 które w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów, tworząc proste kationy. W stanie stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, posiadają połysk i są nieprzeźroczyste. Mają wysoką temperaturę topnienie i wrzenia. Są kowalne i ciągliwe, a ich pary są najczęściej jednoatomowe. Wykazują właściwości redukujące.

Charakterystyka metali ciężkich:

• to pierwiastki o gęstości większej od 4,5 g/cm3 .

• w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów.

• w stanie stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością

cieplną i elektryczną.

• posiadają połysk metaliczny.

• mają wysoką temperaturę topnienie i wrzenia.

• są kowalne i ciągliwe, a ich pary są najczęściej jednoatomowe.

• wykazują właściwości redukujące.

• do metali ciężkich zaliczamy: Cu, Co, Cr, Cd, Fe, Zn, Pb, Sn, Hg, Mn, Ni, Mo

2. Źródła zanieczyszczeń środowiska w metale ciężkie:

Metale ciężkie w środowisku naturalnym:

Obieg i migracja metali ciężkich w naturalnym środowisku przyrodniczym związane są głównie z takimi procesami jak: wietrzenie skał, erupcja wulkanów, parowanie oceanów, pożary lasów, procesy glebotwórcze.

Drogi przedostawania się metali ciężkich do organizmów żywych:

Metale ciężkie mogą przedostawać się do organizmu człowieka z gleby (skąd pobierane są przez rośliny), wody i powietrza. W glebie metale ciężkie - w przeciwieństwie do substancji organicznych - nie ulegają rozkładowi. Gleby mogą być zanieczyszczone metalami ciężkimi głównie przez opadające pyły wytwarzane przez przemysł, spływy ścieków, wodną migrację pierwiastków ze zwałowisk odpadów stałych, rozwiewanie hałd lub osadników przemysłowych oraz w wyniku stosowania nawozów mineralnych i środków ochrony roślin.

Antropogeniczne źródła metali ciężkich:

Metale ciężkie dostają się do wód i gleby przede wszystkim wskutek działalności przemysłu ciężkiego - kopalni i hut metali nieżelaznych - ale także np. w wytwórni świetlówek i tworzyw sztucznych. Do najgroźniejszych, bo powszechnie używanych metali ciężkich należą rtęć i ołów. Lista trujących metali jest długa, zawiera między innymi kadm chrom, tal, a także cynk i miedź - dwa pierwiastki, które w śladowych ilościach są niezbędne dla organizmu, w dużym stężeniu są jednak trujące. Skażenie metalami ciężkimi jest bardzo duże wokół kopalni i hut cynku i ołowiu. W Polsce rudy cynku i ołowiu wydobywa się w Olkuszu i Bukownie, duże huty znajdują się w Miasteczku Śląskim (dzielnica Tarnowskich Gór) i w Szopienicach (dzielnica Katowic). Najbliższe okolice huty w Szopienicach są tak zanieczyszczone, że nie rosną tam żadne rośliny. Metale ciężkie stanowią zagrożenie dla produkcji roślinnej przede wszystkim na terenach uprzemysłowionych, ale również na terenach znajdujących się w pobliżu ruchliwych szlaków komunikacyjnych. W odległości mniejszej niż 100 m od dróg o dużym natężeniu ruchu samochodowego następuje zwiększona akumulacja metali ciężkich w glebach użytkowanych jako rolnicze.

3. Podział metali ciężkich:

Metale ciężkie można podzielić na grupy:

1. metale niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmów tzw. mikroelementy (należą do nich np. Zn, Cu, Fe)

2. metale całkowicie zbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmów, wręcz zaburzające procesy życiowe (należą do nich np. Pb, Cd, Hg, Cr, Ni)

3. metale o toksyczności ostrej - oznacza działanie toksyczne po jednorazowym podaniu danej substancji.

.

METALE PEŁNIĄCE FUNKCJE MIKROELEMENTÓW.
Metale w organizmach żywych pełnią funkcję mikroelementów, występując w ilościach śladowych, ściśle określonych dla danego gatunku. Zarówno niedobór jak i nadmiar mikroelementów wpływa szkodliwie na organizmy żywe. Do nich zaliczamy np. cynk Zn, nikiel Ni, żelazo Fe.

Metale ciężkie mogą zaburzać funkcjonowanie układu nerwowego powodując otępienie, upośledzenie umysłowe, zaburzenia wzroku i koordynacji ruchów, wywoływać zmiany nowotworowe, a także mogą uszkadzać wątrobę i nerki. Pierwiastki te wpływają także na metabolizm wapnia zwiększając łamliwość kości, co jest szczególnie niebezpieczne dla ludzi starszych. Problem związany z metalami ciężkimi polega nie tylko na ich wyjątkowej toksyczności, ale także na zdolności do akumulowania się, czyli gromadzenia w organizmie człowieka. Skutki zdrowotne regularnego spożywania produktów zawierających nawet niewielki ilości tych pierwiastków mogą ujawnić się po wielu latach.

4. ZANIECZYSZCZENIE GLEB METALAMI CIĘŻKIMI:

Metale, w tym metale ciężkie, w środowisku mają w przeważającej większości

naturalne pochodzenie. Wskutek naturalnych i antropogenicznych procesów

następuje ich ciągłe przemieszczanie z pierwotnego źródła do innego elementu

środowiska a tym samym ich rozproszenie. Towarzyszy temu zmiana formy, stopnia

utlenienia oraz stężenia danego pierwiastka.

Do naturalnych procesów, warunkujących zmianę miejsca występowania metali

ciężkich w środowisku, należą następujące procesy:

- magmowe i pomagmowe,

- metamorficzne (przemiany skał osadowych lub magmowych pod wpływem

wzrostu temperatury, ciśnienia i in.),

- hipergeniczne (zachodzące pod wpływem czynników hydro-, atmo- i biosfery,

np. wietrzenie skał, transport, sedymentacja itp.).

W wyniku wyżej wymienionych procesów pierwotne miejsce występowania

metali ciężkich ulega zmianie. Przemieszczają się one do atmo-, hydro-, biosfery i

gleb, a stamtąd do organizmów żywych. Najczęściej ich stężenie nie przekracza

kilkunastu [mg/kg] (ppm).

Obecność metali ciężkich w wodach warunkowana jest głównie ich rozpuszczalnością, zależną od: domieszek i zanieczyszczeń w wodzie, pH,

potencjału utleniająco-redukującego, możliwości tworzenia rozpuszczalnych

kompleksów.

Stężenie metali ciężkich w glebach zależy od wielkości adsorpcji, na którą ma

wpływ: obecność związków humusowych i innych składników gleby, pH, potencjał

utleniająco-redukcyjny i in.

Występowanie metali w organizmach żywych jest konsekwencją występowania ich w środowisku, w którym żyją.

Antropogeniczne źródła zanieczyszczenia gleb to:

- przemysł chemiczny (garbarstwo, produkcja chemii gospodarczej, preparatów ochrony roślin, tworzyw sztucznych oraz wyrobów gumowych)

- przemysł nawozów sztucznych

- przemysł celulozowo-papierniczy

- przemysł elektrotechniczny

- rafinerie ropy naftowej

- elektrownie węglowe i przemysł koksowniczy

- hutnictwo i metalurgia żelaza oraz metali nieżelaznych

- przemysł szklarski, ceramiczny, cementowy i azbestowy

- produkcja farb, rozpuszczalników i lakierów

- produkcja lamp i urządzeń pomiarowych

5. ZANIECZYSZCZENIA WÓD
Zanieczyszczenia wód są bardzo groźne, gdyż są one rozprowadzane do różnych ekosystemów, przez co są przyczyną zatruć wielu organizmów żywych. Zakłady przemysłowe, położone nad brzegami rzek, często wykorzystują wodę do chłodzenia i innych celów. Dla niektórych z nich wypompowywanie ścieków do rzek jest bardzo wygodnym sposobem pozbywania się płynnych odpadów.
Tymczasem odpady te bywają toksyczne. Związki chemiczne, takie jak dioksyny to właśnie pozostałości procesów produkcyjnych. W wielu krajach ścieki miejskie spuszcza się prosto do rzek i choć normalnie ścieki te rozkładają się w sposób naturalny, to zbyt wielkie ich stężenie może zabić wszelkie żywe istoty i powodować rozprzestrzenianie się chorób. W większości przypadków woda ta jest przeznaczona do spożycia dla ludności i nie jest oczyszczona, tylko dodaje się do niej różne detergenty, wybielacze itp. Jest wtedy ogromne niebezpieczeństwo zatrucia zarówno ludzi, jak i zwierząt.
Rzeki i wody gruntowe zatruwane są także przez pestycydy i nawozy sztuczne, używanie w rolnictwie w celu zwalczania szkodników i zwiększania plonów. Substancje te powinny być uznawane za odpady, gdyż rośliny nie potrafią przyswoić wszystkich chemikaliów, a ich resztki zmywane są z pól przez deszcze. Zanieczyszczenie wód środkami ochrony roślin może być też spowodowane myciem narzędzi lub wrzucanemu do wody opakowań i resztek niezużytych preparatów.

6. ZANIECZYSZCZENIE POWIETRZA
Na działanie toksycznych chemikaliów organizmy są narażone po prostu oddychając zatrutym powietrzem, wydobywającym się np. z kominów spalarni lub w efekcie wypadku w zakładach chemicznych. Także żywność i woda pitna mogą zawierać trujące substancje. Choć trudno jest określić precyzyjnie, w jaki sposób poszczególne związki chemiczne niszczą zdrowie, wiadomo jednak, że niektóre z nich mogą być przyczyna raka, problemów z ciążą, chorób skóry i kości, ślepoty oraz uszkodzeń mózgu.
Zanieczyszczenia atmosfery po opadnięciu na ziemię oddziaływają degradująco na glebę i wody powierzchniowe powodując skażenia całego łańcucha pokarmowego.
Poszczególne rodzaje zanieczyszczeń powietrza np. związki siarki ( H₂S, SO₂ , SO₃), związki fluoru, tlenki azotu, pył mają szkodliwy wpływ na rośliny. Substancje te mogą bezpośrednio niszczyć komórki, zatykać aparaty szparkowe, pokrywać liście nieprzenikalną warstwą, co ogranicza dostęp światła, a co za tym idzie - fotosyntezę. Wnikając do wnętrza rośliny, mogą powodować zanikanie chlorofilu.
Ekosystemy leśne, a w szczególności lasy iglaste, są najbardziej zagrożone skażeniami atmosfery. Przykład stanowią zniszczone lasy w Górach Izerskich

( wpływ SO₂ ) oraz okolice Puław ( wpływ związków azotu).

Zwierzęta, spożywając skażone rośliny oraz wdychające zanieczyszczone powietrze, chorują. Odbija się to niekorzystnie na hodowli i chowie zwierząt gospodarczych, a także na losie zwierzyny leśnej i dzikiego ptactwa.

7. SKAŻENIE ŻYWNOŚCI:

Przy skażeniach żywności bardzo ważną rolę odgrywa gleba. W warunkach naturalnych pełni ona role buforującą i chroni przed nadmiernym przemieszczaniem się związków i substancji do wód gruntowych i do roślin. Zanieczyszczenie środowiska wpływa niekorzystnie na właściwości fizykochemiczne gleb i może znacznie ograniczyć ochronną funkcję gleby. Szczególnie niebezpieczne są zmiany w zawartości metali ciężkich w glebie, których nadmierna koncentracja może doprowadzić do zwiększonego pobierania przez rośliny, a tym samym wprowadzenia do łańcucha pokarmowego ludzi i zwierząt. Istnieją czynniki które powiększają lub zmniejszają pobieranie metali przez rośliny. W związku z tym nawet na glebach o podwyższonej zawartości tych szkodliwych pierwiastków można przy odpowiedniej agrotechnice uzyskać płody rolne o wysokich parametrach jakościowych. Może się również stać odwrotnie - przy słabo zanieczyszczonych glebach, uzyskamy skażone rośliny.

• surowce roślinne

Rośliny są istotnym ogniwem w przemieszczaniu metali z gleby do organizmów zwierząt i człowieka. Ze względu na ilość spożywanych surowców roślinnych, jest to bardzo istotne źródło metali ciężkich.

warzywa i owoce

 Warzywa ze względu na stały kontakt z glebą - zwłaszcza części podziemne warzyw - dostarczają człowiekowi metali ciężkich. Szczególne niebezpieczeństwo tkwi w ziemniakach, których spożywamy bardzo wiele. Z badań przeprowadzonych wynika że ziemniaki są źródłem 30% ołowiu i kadmu wprowadzanego do organizmu z żywności [9]. Zaobserwowano również dość duże ilości metali ciężkich w sałacie, natce pietruszki oraz w marchwi, ale nie przekraczające norm [27,5]. Po przebadaniu mrożonek i przetworów warzywnych stwierdzono na ogół niższe poziomy badanych metali niż w warzywach świeżych. Spośród mrożonek najwyższe stężenia zanotowano dla: szpinaku, pietruszki, marchewki oraz selera [19]. Dowodzi to słuszności stwierdzenia że 20-50% metali usuwamy wraz ze skórką, 20% mocząc warzywa i owoce w wodzie lub gotując je. W ten sposób pierwiastki zostają wypłukiwane z surowca a ilość przechodzących do wody metali zależy od jego właściwości chemicznych.

• surowce zwierzęce

• mięso

Analizując żywność pochodzenia zwierzęcego należy pamiętać, że zwierzęta stanowią końcowe ogniwo łańcucha żywieniowego a niektóre tkanki wykazują zdolność do wybiórczego kumulowania toksycznych związków. Stężenia pierwiastków ciężkich w tkankach zwierzęcych układały się na niskim poziomie nie budzącym zastrzeżeń. W 60% prób mięsa wieprzowego i wołowego nie wykryto obecności ołowiu i kadmu powyżej granicy oznaczalności stosowanych metod (Pb 0,01 mg/kg, Cd 0,001 mg/kg). Natomiast stężenia rtęci i arsenu oznaczono na poziomie tysięcznych części mg/kg. W analizowanych próbkach nie stwierdzono przekroczeń obowiązujących limitów dla poszczególnych pierwiastków. Mięso wieprzowe i wołowe stanowi zaledwie 1% PTWI dla Pb, Cd, Hg, As. Poważny problem stanowi wtórne skażenie ołowiem mięsa zwierząt łownych.

• mleko

 Dla pierwiastków toksycznych gruczoł mleczny stanowi istotną barierę migracji metali ciężkich do mleka. Kadm wykryto w 4,7% analizowanych próbek, a tylko w 1 próbie mleka stwierdzone stężenie było na granicy dopuszczalnego limitu tj. 0,1 mg/kg. W przetworach mlecznych: większe stężenia metali były w serach twardych niż w twarogu.

• jaja

Zawartość metali ciężkich w jajach kurzych zależy od warunków środowiskowych w jakich żyje kura oraz od tego co je. Na kontrolowanych fermach obserwuje się mniejszą ilość tych pierwiastków w jajach [28].

• ryby

 W rybach słodkowodnych, obecność ołowiu stwierdzono w 18% próbek mięśni i 33% próbek wątrób. Kadm w mięśniach stwierdzono w 29% prób, natomiast rtęć i arsen występował we wszystkich analizowanych próbach mięśni i wątrób. Średnie stężenia badanych pierwiastków były o wiele niższe od dopuszczalnych. Ryby morskie - nie stwierdzono nadmiernego, budzącego niepokój skażenia ryb, w 3 próbach stwierdzono przekroczenie norm Unii Europejskiej, zwłaszcza w wątrobach dorsza. Spośród przetworów rybnych najwięcej ołowiu wykryto w konserwach w sosie pomidorowym i w galarecie, natomiast ilość kadmu w 98% był wyższy od przewidywanego w normach poziomu.

 

RTĘĆ - jest jedynym pierwiastkiem metalicznym ciekłym w normalnej temperaturze.

Ma dużą gęstość- 13,5939 g/m³. Temperatura topnienia- 38,87^oC, temperatura wrzenia- 356,58^oC. Rozpuszcza ona metale, tworząc amalgamaty (z wyjątkiem żelaza, platyny, wolframu i molibdenu).

Wykazuje dużą lotność- w temperaturze 20^oC w powietrzu znajduje się 14 mg Hg/m³ w stanie równowagi dynamicznej. Dawka progowa rtęci- czyli stężenie uważane za bezpieczne wynosi 0,05 mg Hg/m3 powietrza, dlatego rozlana rtęć stanowi potencjalne niebezpieczeństwo zatrucia. Dzięki swoim właściwościom znalazła zastosowanie do wypełniania termometrów, barometrów, manometrów i pomp próżniowych.

Duże ilości rtęci zużywane są do wydobywania złota i srebra, oraz do elektrolizy litowców i produkcji materiałów wybuchowych.

Rtęć występuje w 3 formach:

• jako rtęć organiczna,

• nieorganiczna,

• metaliczna.

Związki organiczne rtęci powodują zatrucia charakteryzujące się długim okresem utajenia. Wchłaniają się przez błonę śluzową przewodu pokarmowego i przez krew zostają rozprowadzone do wszystkich tkanek, a kumulują się w narządach miąższowych, głównie w nerkach, wątrobie, mięśniach i kościach. W wyniku działania związków alkilortęciowych uszkodzony zostaje ośrodkowy układ nerwowy, a skutki są nieodwracalne.
Także jej związki mają szerokie zastosowanie: chlorek rtęci(I)- kalomel- stosowany jest w lecznictwie, do wyrobu elektrod, jako środek ochrony roślin, a chlorek rtęci(II)- sublimat- służy jako katalizator w syntezie organicznej, w metalurgii, jako środek dezynfekujący. Alkaliczny roztwór jodortęcianu potasu K2[HgJ4] -odczynnik Nesslera- używany jest do wykrywania amoniaku.

Piorunian rtęci(II) Hg(CNO)2 ma zastosowanie do wyrobu spłonek i detonatorów.
Niezależnie od postaci i drogi w jaki sposób rtęć dostanie się do środowiska wodnego, mikroorganizmy metylują ją i w ten sposób powstaje zawsze metylek rtęci. Jest on rozpuszczalny w tłuszczach, a zarazem bardzo toksyczny i trwały- jest to główna postać rtęci, która dostaje i kumuluje się w żywych organizmach.

Wchłaniane do organizmu człowieka alkilowe związki rtęci szybko przedostają się po przez krwiobieg do komórek mózgu, gdzie naruszają barierę krew-mózg, co prowadzi do zaburzeń metabolizmu układu nerwowego. Również ten metal tworzy bardzo trwałe połączenia z grupami tiolowymi białek i enzymów, zakłócając ich funkcję.
W wyniku działania związków alkilortęciowych uszkodzony zostaje ośrodkowy układ nerwowy, a skutki są nieodwracalne. Zaobserwowano że obecność w diecie szczurów selenu, zmniejsz toksyczne objawy zatrucia rtęcią, co może odbywać się poprzez konkurencję w wiązaniu się z niektórymi białkami i aminokwasami. Rtęć metaliczna bardzo słabo wchłania się przez skórę -0,1 % i z przewodu pokarmowego - 2%. Natomiast bardzo dobrze wchłania się przez układ oddechowy - 80%. Spożycie rtęci z termometru nie powoduje więc żadnych objawów toksycznych,jest wydalana w niezmienionej postaci wraz z kałem. Opary natomiast wykazują znaczną toksyczność.
Rtęć wydala się głównie przez nerki wkrótce po jej wchłonięciu, ale powoli i przez dłuższy czas. Metal ten wydala się także prze gruczoły ślinowe i drażni je powodując ślinotok, który jest jednym ze wczesnych objawów zatrucia. Pierwiastek znajduje się również w pocie.
Przewlekłe zatrucia rtęcią zdarzają się w zakładach pracy, w których używana jest jej postać metaliczna lub sole. Zatrucia te rozwijają się powoli i w odróżnieniu od zatruć ostrych powodują nieodwracalne zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym.

Objawy zatrucia przebiegają w następującej kolejności:
a) zmiany w jamie ustnej - obrzęk ślinianek, dziąseł i języka
b) zęby chwieją się i łatwo wypadają, a w zębodołach tworzą się owrzodzenia
c) w dziąsłach dookoła kieszonek dziąsłowych osadza się czarny ząbek siarczku rtęciowego, wytrącany przez siarkowodór z rozkładu resztek pokarmowych - może się nie tworzyć, kiedy zachowana jest higiena jamy ustnej
d) ślinotok
e) bóle i zawroty głowy
f) wzmożona pobudliwość nerwowa, trudność skupienia myśli, uczucie znużenia
g) drżenia powiek, języka, palców, które w miarę upływu czasu rozszerzają się na całe kończyny
h) trudności w mówieniu
i) nerwica rtęciowa

W przypadkach ostrych zatruć, należy podać niezwłocznie stosowną odtrutkę, może to być Chelaton CaNa
EDTA, Dimerkaprol, Penicylamina, oczywiście w odpowiednich dawkach.

UNIWERSYTET ZIELONOGÓRSKI Zielona Góra,21.05.2008r.

WYDZIAŁ INŻYNIERII LĄDOWEJ I ŚRODOWISKA

INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA

METALE CIĘŻKIE- SZKODLIWE ODDZIAŁYWANIE NA GLEBY, ROŚLINY, ZWIERZĘTA ORAZ LUDZI

Wykonała:

Matusiak Ewa

gr. 44

---