Тяжелые металлы в водной среде

Тяжелые металлы в водной среде

Тяжелые металлы - это группа наиболее распространенных и опасных для биоты минеральных загрязняющих веществ. Строение электронных оболочек атомов тяжелых металлов обуславливает их высокую реакционную способность, склонность к комплексообразованию и, как следствие, высокую биохимическую и физиологическую активность.

Тяжелые металлы и их соли - широко распространенные промышленные загрязнители. В водоемы они поступают из естественных источников (горных пород, поверхностных слоев почвы и подземных вод), со сточными водами многих промышленных предприятий и атмосферными осадками, которые загрязняются дымовыми выбросами. Тяжелые металлы как микроэлементы постоянно встречаются в естественных водоемах и органах гидробионтов. В экспериментальной токсикологии рыб главным критерием токсичности веществ является выживаемость, количественным и качественным выражением которой является физиолого-биохимические показатели, отражающие степень повреждающего действия токсиканта на функции и структуру различных систем организма. Стойкие токсиканты, по мере накопления их в водоемах, оказывают все более глубокое влияние на биологические процессы в водной среде, это влияние носит в основном скрытый характер и проявляется в виде внезапных заморов и «беспричинной» гибели водных животных.

Большинство из них являются жизненно необходимыми для организмов в качестве регуляторов метаболизма. Однако накопленные высокие концентрации тяжелых металлов оказывают токсическое воздействие в результате замещения других элементов в разнообразных биоструктурах, нарушение обменных процессов и полное подавление многих важнейших функций животных.

Тяжелые металлы по-прежнему остаются одной из приоритетных групп загрязняющих веществ, имеющих как локальное и региональное, так и глобальное распространение. Их поступление в водную среду связано с природными и антропогенными источниками.

В организм водных животных металлы попадают в основном с пищей. Для водных растений через поверхность, путем непосредственного проникновения в ткани. Токсичность металлов зависит от концентрации, продолжительности действия, температуры, насыщенности воды кислородом и других факторов. Особенности токсического действия металлов заключаются в их универсальном влиянии на живые организмы как общеплазматических ядов и способности к образованию комплексов с компонентами клеток, белков, аминокислот и других радикалов.

В настоящее время общеизвестно, что токсичность металлов в природной водной среде зависит не от их общей концентрации, а от форм нахождения. Наибольшую токсичность для водных организмов проявляют свободные (гидратированные) ионы металлов и их гидрокомплексы, составляющие так называемую лабильную фракцию. К ней часто относят еще и слабоустойчивые комплексы металлов с природными органическими лигандами, способные к диссоциации в приэлектродном пространстве при определении металлов полярографическими методами.

Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал, наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений, которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей. Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как каталитические свойства металлов, так и доступность для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме. Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной средах. Поэтому металлорганические комплексы способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.

Природная водная среда обладает уникальной способностью «нейтрализации» токсического действия металлов. Такая «нейтрализация» достигается, прежде всего, за счет процессов адсорбции и комплексообразования, происходящих в водоемах. Детоксикация металлов происходит вследствие снижения концентрации их свободных ионов. Следует заметить, что эта форма металлов намного активнее сорбируется взвешенными частицами, чем комплексные соединения с природными органическими лигандами.

Действие тяжелых металлов на организм гидробионтов

Высокий уровень загрязнения водной cреды тяжелыми металлами приводит к снижению видового разнообразия гидробионтов. Использование гидробионтов в качестве биоиндикаторов позволяет судить о значении этих токсикантов.

На протяжении эволюционного развития каждая группа водных животных адаптировалась к определенному диапазону концентраций того или иного металла. Поступая в водоем, тяжелые металлы могут находиться в водной среде в ионной форме, в виде комплексов с органическими и неорганическими соединениями. Значение тяжелых металлов для гидробионтов неоднозначно. Большинство из них (Cu, Zn, Ni, Cr, Co и другие) являются необходимыми микроэлементами для осуществления нормальной жизнедеятельности. При повышенной концентрации эти же металлы могут ингибировать ферментативные процессы и оказывать на них многоплановое негативное действие. В отличие от загрязняющих веществ органического происхождения, большая часть которых с течением времени подвергается деструкции, тяжелые металлы сохраняют биологическую активность довольно долго. Поэтому опасность многих металлов заключается не только в их высокой токсичности, но и в способности аккумулироваться в живых организмах и мигрировать по пищевым путям.

Достаточно хорошо известно о способности тяжелых металлов оказывать мутагенное и тератогенное действие на водные организмы. Однако оценить все многообразие процессов и нарушений, возникающих под влиянием тяжелых металлов и определяющих жизнеспособность как отдельной особи, так и популяции в целом сложно. Первичное восприятие животными химических раздражителей, в том числе и тяжелых металлов, осуществляется хеморецепторами - специализированными клетками, в которых происходит преобразование энергии раздражающего стимула в сигналы, несущие нервным центрам информацию о действующем агенте. В процессе эволюции хеморецепторы приобрели особую чувствительность к восприятию отдельных свойств веществ, что позволяет животным тонко анализировать и своевременно реагировать на химические изменения в среде обитания. Нарушение поведенческих реакций является обычно наиболее явным показателем токсичности, свидетельствующим о негативных последствиях воздействия поллютантов. Даже малозаметные при визуальном наблюдении, но статистически достоверные изменения поведения предшествуют многим другим аномалиям и могут оказаться решающими для дальнейшего существования популяции гидробионтов.

Высокой токсичностью обладают металлорганические соединения, так называемые продукты метилирования, свойственные таким металлам, как Hg, Pb, Sn. Металлорганические соединения растворимы в липидах, поэтому легко проникают через клеточную мембрану в организмы гидробионтов.

Наиболее токсичны для организма тяжелые металлы в свободной ионной форме, но существует мнение, что более доступными для гидробионтов являются их комплексные соединения с органическими веществами с низкой и средней молекулярной массой. Токсичность поливалентных металлов зависит от степени их окисления в водной среде. Чаще всего, металлы с более высокой степенью окисления токсичнее других. Проявление токсических свойств металлов меняется в зависимости от факторов среды обитания, стадий онтогенеза животных, видовых особей и таксономического положения водных организмов. Водные животные являются уникальной природной моделью для исследования механизмов повреждений, вызванных токсическими агентами, то есть нарушения субклеточных процессов, возникающих в момент воздействия, в результате развития эмбриона быстро визуализируется и могут быть зарегистрированы морфометрически (изменение скорости и остановка развития).