Ауыр металдар

      Алғаш рет қоршаған ортаға химиялық элементтердің түсуі мен таралуы, және олардың тірі ағзаларға зиянды әсерін жүйелі түрде зерттеу өзекті мәселелер қатарынан орын алды .

Қазіргі кездегі дүние  жүзі ғалымдарының басты мәселелердің бірі-пестицидтерден кейін ауыр металдардың  тірі ағзаларға әсерін әлсірету болып  табылады.

     Ауыр металдардың қоршаған ортаға таралуы тек табиғи жағдайда ғана емес, сонымен қатар антропогенді жолмен де қарқынды түрде жүзеге асуда. Олардың қатарына өндіріс қалдықтары, тау-кен өндірісі, транспорт, түсті және қара металл өндіру, құрамында ауыр металдар кездесетін тыңайтқыштарды ретсіз пайдалану, жылу-электр орталықтары (ЖЭО) немесе жалпы урбанизацияны жатқызуға болады.

Овчаренко М. М. (1995) мәліметтері  бойынша жоғарыда келтірілген түсті  металл балқыту заводтардан әр жыл  сайын қоршаған   ортаға - 154650 т. мыс, 121500 т. мырыш, 89000 т. қорғасын, 12000 т. никель, 765 т. кобальт, 1500 т. молибден, 30,5 т. сынап, ал көмір және мұнай өнімдерін  жағудан 1600 т. сынап, 3600 т. қорғасын, 2100 т. мыс, 700 т. мырыш, 3700 т. никель және автотранспорт  газынан 260000 тонна қорғасын бөлінеді , ал Новосибирскідегі Қоршаған ортаны қорғау комитетінің анықтауы бойынша ауаның ластануының 70 %-дан көбі автотранспорттан болса, 11 %-дайы ЖЭО үлесіне тиеді .

Ауыр металдармен ауаның, судың және топырақтың ластануы Қазақстанның ірі өндірістік орталықтарында да экологиялық  өзекті мәселе болып саналады. Мысалы, Семей қаласының өндірістік орындарына жақын маңдағы топырақ құрамындағы  кейбір ауыр металл концентрациялары қалыпты жағдайдағы топырақпен салыстырғанда  мырыш-7,4, қорғасын-9,9, мыс-3,8, кадмий-13,3, марганец-1,3, кобальт-2,4  есеге жоғарылаған. Ауыр металдардың топырақтағы мөлшері, таяу маңдағы өсірілетін ауылшаруашылық өсімдіктері мен бау-бақша дақылдарында бақылағанда 2-3,5 есеге дейін жоғарылаған .

Осыған байланысты қоршаған ортаны қорғау мамандардың алдына қойылып  отырған бірінші мәселе-ауыр металдардың  қоршаған ортадағы жалпы және белсенді мөлшерін анықтау. Екінші мәселе-табиғи  объектілердің ластану деңгейін болжау мақсатында ластаушы заттардың  таралуына қарапайым және айтарлықтай  сенімді модельдерін жасау. Үшінші кезекте ластанудың келеңсіз әсерлеріне жол бермеу мақсатында ауыр металдарды ғылыми негізделген түрде залалсыздандыру  және нормалау тұр .

Әртүрлі жолдармен ауаға  тараған ауыр металдардың шаң  түріндегі жалпы фракцияларында өте ұсақ бөлшектері (0,001-0,005 мкм) және орташа деңгейдегі фракциялары әр жерде  ірі көлемдегі фракцияларына  қарағанда 34-54 %-дай мөлшерін құрайды. Осындай ұсақ деңгейдегі фракциялар Дж. Уэсти (1988) мәліметтері бойынша  адам тыныс алу жолдарындағы қан  тамырлары мен тыныс алу жүйелері үшін ең қауіпті болып саналады .

    Ғылыми деректерге сай,  трофикалық байланыстар  арқылы адам ағзасы тағам өнімдерінен 40-50 %, судан 20-40 %, ауадан 20-40 % улы заттарды қабылдайды .

Осындай жолмен түскен ауыр металл иондары адам ағзасында әртүрлі  аурулардың қозуы мен пайда болуының басты себебі. Техногенді ластанған  аудандарда асқазан ауруы бірінші  орында, тыныс алу жүйелері аурулары екінші орында, қан айналу жүйелері аурулары үшінші орында тұр .

Сондықтан қоршаған ортаны ауыр металл иондарынан тазарту және оны сақтау, кезек күттірмейтін өзекті мәселе болып саналады.

    Ластанған қоршаған ортаны қайта қалпына келтірудің физикалық, химиялық және биологиялық жолдары белгілі. Олардың ішінде химиялық немесе физикалық әдістермен топырақты тазарту өте қымбатқа түседі. Мысалы, АҚШ-та жоғарыдағы әдіспен бір тонна топырақты тазартуда 50-ден 1000 долларға дейін қаржы шығатындығы есептелген. Жалпы есептегенде 1 гектар жерді тазартуға 750 000 доллар шығын кетеді .

Қоршаған ортаны қайта  қалпына келтіру, әсіресе топырақты  ауыр металдардан мұндай жолдармен  тазарту өте тиімсіз. Жоғарыда келтірілген  әдістердің ішіндегі ең тиімдісі-биологиялық  әдіс.  Әсіресе, ластанған ортаны  өсімдіктер көмегімен  қайта қалпына  келтіру жолдарын жасау соңғы  жылдары аса қарқынды дамуда.

 

    Топыраққа түскен ауыр металдар негізінде оның беткі қабатында шоғырланады. Топырақта ауыр металдардың арылуы өте баяу. Топырақ қабатынан ауыр металдардың жарты мөлшеріне дейін арылуы Zn үшін – 70-510 жыл, Cd- 13-110 жыл, Cu – 310-1500 жыл, Pb- 740-5900 жыл қажет.     

 Топырақ қабатындағы  осы металдардың әсіресе жылжымалы  түрлерінің маңызы зор. Жылжымалы  түрінде ауыр металдарды өсімдікке  сіңу немесе суға еріп араласу  мүмкіндігі жоғары. Осы себептен  топырақ қабатындағы ауыр металдардың  уыттылығы осы жылжымалы түрінің  мөлшеріне тікелей байланысты. Ауыр  металдардың жылжымалы түрлері  химиялық реакциялардың салдарынан  киын еритін қосылыстарға айналуы  немесе топырақ қалдықтарымен  сініріліп бекітілуі мүмкін. Керісінше  жылжымайтын түріндегі ауыр металдар  топырақ қабатындағы ортанын  өзгеруіне байланысты жылжымалы  түріне өтіп, топырақ ерітіндідегі  ауыр металдар мөлшері артады.

Топырақ қабатындағы ауыр металдар келесі негізгі түрлерге бөлінеді:

1)    Топырақтың қатты фазасының құрамындағы берік байланған ауыр металдар;

2)    Топырақтың қатты фазасы құрамындағы ауыр металдардың жылжымалы түрлері;

3)    Топырақ ерітіндідегі ауыр металдар қосылыстары;

4)    Топырақ ауасының құрамындағы ауыр металдар қосылыстары;

5)    Тірі ағзалар құрамында ауыр металдар қосылыстары. 

 

Топырақтың қатты фазасымен  берік байланған ауыр метелдарға - біріншілік және екіншілік минералдардың құрамына кіретін химиялық қосылыстар, қиын еритін тұздар, органикалық және органо-минералды заттар жатады.    

 Топырақ қатты фазасы құрамындағы ауыр металдардың жылжымалы түрлері – топырақтың сіңіру кешініндегі алмасып ауысуға қабілетті иондарды жатқызады, борпылдақ байланған қосылыстар, жеңіл және орташа еритін тұздар мен кешендер.

Топырақ ерітіндідегі ауыр металл қосылыстарына -  еркін ион және олардың су және  басқа химиялық элементтері молекулары мен иондардың өз ара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болған жылжымалы қосылыстар.

Топырақ ауасында ауыр металдар кейбір газдар түрінде кездесу мүмкін.

Тірі ағзалар құрамындағы  ауыр металдар ең алдымен микроэлемент түрінде кездеседі, белгілі жағдайларда  жоғары мөлшерде ауыр металдар иондарын топтастыру мүмкін.     

 Техногендік әсері  нәтижесінде ауыр металдар негізінде  топырақтың жоғарғы қабатында  жиналады. Ал қоршаған ортада  тірі ағзаларға қауіп тудыратын  ауыр металдарды жылжымалы түрлері  болып табылады     

 Топырақ қабатындағы  ауыр металдардың өзгеруіне, көшіп-қону  қасиеттеріне, жылжымалығына төмендегі  негізгі факторлар әсер етеді:

1   топырақтың механикалық құрамы;

2)  топырақтың қышқылдығы (рН көрсеткіші);

3)  топырақтың буферлігі;

4)  органикалық зат мөлшері;

және тағы басқалары

Топырақтың  механикалық құрамы. Ауыр металдардың жылжымалығына тікелей әсер етеді. Механикалық құрамы  ауырланған сайын топырақ бөлшектері мен жылжымалы түріндегі ауыр металдардың бекітілуі артады.

Топырақтың  қышқылдығы. Топырақтын рН көрсеткіші ауыр металдардың жылжымалығына айтарлықтай әсерін тигізеді.  Қышқыл ортада (< рН 5,5-6) Pb, Zn, Cu сияқты ауыр металл иондардың жылжымалығы арта түседі, ал Cd және  Co иондары  сілтілі (>рН -8) ортада өсімдіктерге жақсы сіңеді.

Топырақтың  буферлігі. Топырақ жүйесі топырақ ерітіндідегі микроэлемент қоспаларын белгілі бір кезеңге дейін бір концентрация деңгейінде ұстап тұру қабілеттілігі бар.

Топырақтың бұл қасиеті  оның құрамындағы қарашірінді, физиологиялық  балшық, карбонаттар мен біржарымды тотықтар мөлшеріне және рН көрсеткішіне  тығыз байланысты. 

 

34 – кесте.  Ауыр металдарға қатынасты топырақ буферлігінің жіктелуі (В.Б.Ильин) /3/

Буферлік дәрежесі	Балл саны
Өте төмен Төмен Орташа Көтеріңкі Жоғары Өте жоғары	10 11-20 21-30 31-40 41-50 > 50

 

 

Топырақтын  органикалық заты .  Топырақ қабатындағы органикалық зат мөлшері ауыр металдардың жылжымалығына айтарлықтай әсер етеді. Органикалық қалдықтары ауыр металдарды бойына сіңіріп жылжымалығын  төмендетеді және қоршаған ортаның ластануын тежейді.

Шлихтинг Е. (1995) деректері  бойынша 1 кг қарашірінді қышқылдарының  құрамында 65000-85000 мг мыс бекітілуі  мүмкін.

М.Д.Степановтың (1976) деректері  бойынша қарашірінді заттармен  байлануы қабілеттілігі бойынша  ауыр металдарды келесі тізбектемемен  жіктеуге болады Zn>Cu>Mn>Mo. Гумин қышқылдарымен салыстырғанда фульвоқышқылдарының құрамында сіңірілген ауыр металдардың мөлшері жоғары болады. Қара топырақтан бөлініп алынған 1 кг фульвоқышқылының құрамында 18 мг – молибден (Мо), 175 мг – мыс (Сu), 233 мг – мырыш (Zn), 1047 мг – марганец (Mn) табылған.

 

 

Көрсеткіш	Мөлшер шектері	Есептелетін балл саны
1	2	3
Қарашірінді, %	< 1 1,1-2 2,1-4 4,1-6 6,1-8 8,1-10 < 10	1 2 3,5 5 6,5 8 9
Физикалық балшық,%	< 10 11-20 21-45 46-60 < 60	2,5 5 10 15 20
Біржарымды тотықтар, %	< 1 1,1-2 2,1-3 3,1-4 4,1-5	1 2,5 4 5,5 7
Карбонаттар, %	< 0,5 0,6-1,5 1,6-2,5 2,6-3,5 3,5-4,5 < 4,5	1,5 3,5 6,5 9,5 12,5 15,5
Ортаның рН көрсеткіші	5,1-5,5 5,6-6,0 6,1-8,5 6,6-7,0 7,1-7,5 7,6-8,0	2,5 5 7,5 10 12,5 15

35 – кесте.  Ауыр металдарға қатынасты топырақ буферлігінің шкаласы (В. Б. Ильин, 1995) /3/ 

 

 

  

 

Қарашірінді қышқылдары ауыр металдарды бойына жоғары мөлшерде

сіңіріп, топырақ қабатында  жинақтайтын қойма ролін атқарады.

Топырақтың катион ауыстыруқабілеттілігі. Катион ауыстыруқабілеттілігітопыраққабатында лай, саз бөлшектерініңмөлшеріментығызбайланысты. Бұған органикалықзатмөлшерініңаздығынемесекөптігіәсеретеді. Лай, саз  жәнеорганикалықбөлшектердің саны  көбейгенсайынтопыраққабатындағыүстіліксініру алаңы артады, топырақтыңұстаптұруқабілетіжоғарылайды жәнеөсімдіктерментіріағзаларғаауырметалдардыңсіңуітөмендейді.  Топырақтың катион ауыстыруқабілеттілігінсипаттайтынтопырақсінірукешеніболыптабылады.

Ауыр металдарды сініріп, байлап тастайтын заттарға келесі химикалық  қосылыстарды жатқызуға болады: силикаттар, алюмсиликаттар, тотықтар, гидрототықтар, минералды тұздар, саз минералдары (каолинит, смектит, иллит, хлорит, вермикулит), карбонаттар, сульфид, сульфат, хлоридтер, ж.т.б.

Ауыр металдармен  ластануының алдына алу және ластанған  топырақтарды залалсыздандыру шаралары

   Ауыр металдармен  ластануынын алдына алу үшін  біріншіден қазіргі өнеркәсіп  саласында қолданып жүрген технологияларды  күрт өзгертіп қоршаған ортаға  ластаушы заттардың түсуін болдырмайтын  жолдарды қарастыру қажет. Келесі  жасалатын шара топырақ қабатын  үздіксіз бақылау яғни топырақ  мониторингін жүргізу. Ең алдымен  қала топырақтары мен өндіріс  аулаларынын топырақтары байқалуы  тиіс. Топырақта ауыр металдардың  мөлшерін азайту және оларды  қоршаған ортада таралмауы үшін  келесі шаралардын қолдану қарастырылады.

1.  Химиялық жолмен тазалау

2.  Агротехникалық

3.   Фиторемедиация

Химиялық жолмен тазалау  тәсілі.Қазіргі уақытта дамыған  мемлекеттерде ауыр металдардан  топырақты тазалаудың бірнеше тәсілін  қолданады:

1) Қатты ластанған топырақтардың,  беткі қабатын алып тастап  құрамындағы ауыр металдарды  жылжымалы түрге ауыстырады. Ол  үшін металдар FeCl3 ерітіндісімен  қышқыл ортада шайылады. Топырақ  тазаланғаннан кейін алынған  беткі қабат орнына төселіп,  осы алаңда топырақты қалпына  келтіру кешенді жұмыстары жүгізіледі (минерал және органикалық тынайтқаштарды  енгізу, топырақты қопсыту ж.т.б.). Бұл тәсілдің кемшілігі - оның  қымбатталығы.

2) Ауыр металдармен ластануының  алдына алу үшін басқа тәсілді  қолдануға болады. Кейбір мемлекеттерде  (Ұлыбритания, Германия, Франция,  Жапония) топыраққа инактиваторларды  енгізеді, осы мақсатта МЕРКАПТО-8 –триазин затын қолданады. Топырақ  құрамындағы Cd, Pb, Hg, Ni элементтері  берік бекітіліп, өсімдіктерге  тиімсіз жылжымайтын түрге айналады. Ал кальций, магний, калий сияқты  қоректік элементтер сол жылжымалы  күйінде қала береді.Бұл тәсілдің  кемшілігі – инактиваторлардың  жеткіліксіз инактивация қабілеттігі  және сыйымдылығы.