Алюминий как токсикант в окружающей среде

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

 

Факультет почвоведения, агрохимии, агроэкологии

Заочное отделение

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине Экотоксикология

Тема  «Алюминий как токсикант в  окружающей среде»

 

 

Выполнила:

Студентка 4 курса, гр.

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нижний Новгород

2006

 

Введение

1. Общие закономерности действия токсикантов на природные системы
2. Химические и физические свойства алюминия, определяющие его токсическое действие
3. Воздействие алюминия на компоненты экосистем
4. Мероприятия по уменьшению воздействия тяжелых металлов на окружающую среду

Заключение

Список  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В XX веке, особенно во второй его половине, стало  очевидным то отрицательное влияние на окружающую среду, которое способен оказать своей деятельностью человек. В связи с этим возникла, с одной стороны, проблема защиты окружающей среды от человека, а с другой – человека от факторов им же нарушенной среды обитания     

Экологическое неблагополучие почвы, воды и воздуха  определяется накоплением в этих средах широкого спектра опасных для здоровья чужеродных веществ, поступающих через продукты питания в организм человека. К ним относятся металлы, радионуклиды, пестициды, нитраты и нитриты, полициклические ароматические и хлорсодержащие углеводороды, диоксины, а также метаболиты микроорганизмов. Эти вещества могут в большей или меньшей степени мигрировать из одной среды в другую, а также взаимодействовать между собой как вне организма, так и внутри него.

Металлы - это основа человеческой цивилизации. Поэтому неудивительно, что объемы добычи их и использования огромны. Считается, что если добыча данного элемента опережает его естественный перенос в биогеохимическим цикле в 10 раз, то такой элемент должен рассматриваться как загрязнитель. По многим металлам эта норма перекрыта сейчас в 15-20 и более раз. Особенно опасно загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

Многие  металлы, находящиеся в окружающей среде, имеют токсикологическое значение. В частности, к таковым относятся мышьяк, кадмий, медь, кобальт, хром, ртуть, марганец, никель, свинец, селен, цинк и некоторые другие. Важно, что большинство из них играет важную роль в физиологических процессах, а их дефицит вызывает серьезные заболевания. В то же время повышенное поступление этих металлов в организм человека способно вызвать тяжелые токсические реакции. Соединения и ионы этих металлов, попадая в организм, взаимодействуют с рядом ферментов, подавляя их активность. Согласно решению, принятому Объединенной комиссией ФАО/ВОЗ и закрепленному в Codex Alimentarius, обязательному контролю при производстве и торговле подлежат концентрации ртути, кадмия, свинца, мышьяка, стронция, цинка и железа. В России обязательному контролю подлежат также сурьма, никель, хром, алюминий, фтор, йод.

Цель  данной работы - изучить токсические свойства алюминия, его роль в экосистемах, а также механизм токсического воздействия на живые организмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общие закономерности действия  токсикантов на природные системы

В настоящее  время токсичное воздействие техногенных загрязнителей на окружающую среду является общепризнанным.

К приоритетным загрязняющим веществам, воздействие которых  достаточно хорошо изучено, относятся двуокись серы, озон, окислы азота и фториды. В зависимости от природы техногенных факторов их воздействие на природные и аграрные экосистемы может осуществляться как в результате непосредственного облучения от источника, так и при миграции загрязняющих веществ (рис. 1).

Рис. 1. Пути воздействия  техногенных факторов и пути миграции токсикантов в

агроэкосистемах

 

Выбросы загрязняющих веществ  могут оказывать как прямое, так  и опосредованное (непрямое) воздействие на растительные и животные организмы. Прямые эффекты (в первую очередь, влияние на здоровье человека и животных, поражение растительности) происходит за счет повышенного содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, они носят в основном локальный характер. Среди вторичных эффектов загрязнения природных и аграрных экосистем можно назвать поражение наземной растительности за счет изменения характеристик почвы и соответствующего изменения характера питания растений.

Среди токсикантов значительную опасность представляют металлы  и их соединения. Поведение металлов в природных средах во многом зависит  от специфичности миграционных форм и вклада каждой из них в общую концентрацию металла в экосистеме. Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др. Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Cu > Zn > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al.

Воздействие химических токсикантов на почву

Основная часть вредных  химических веществ промышленных выбросов попадает на поверхность почвы, при этом газы преимущественно в виде осадков или непосредственно самих газов, а пыль выпадает под действием силы тяжести в виде различных частиц. В зависимости от свойств почв и характеристик выпадений могут проявляться как положительные, так и отрицательные последствия. Вредные химические вещества могут оказывать непосредственное влияние на биоту, осаждаясь на зеленую массу растений, или косвенно, закисляя почву и меняя ее химический состав.

Воздействие химических токсикантов на растения. Действие на растения зависит от вида и концентрации вредных веществ, длительности их воздействия, восприимчивости различных видов растений к загрязнителям, стадии физиологического развития в момент воздействия. Наиболее существенными факторами являются концентрация вредных веществ и длительность их воздействия. Влияние загрязнителей возрастает: при высокой влажности воздуха или тумане; при наличии других вредных веществ; в случае каких-либо неблагоприятных факторов (мороз, засуха, жара); при определенных стадиях роста и развития растений /Влияние загрязнений воздуха..., 1981/. В зависимости от внешних факторов среды действие токсикантов может быть снижено в период ограниченной физиологической активности растений (например, ночью, а у хвойных деревьев - зимой).

Различают 2 типа видимых  повреждений растений: острые и хронические. Острое поражение происходит при  кратковременном воздействии высокими концентрациями загрязняющих веществ. У растений появляются некротические  или обесцвеченные участки листьев. Хроническое поражение вызывается многократными выбросами загрязнителя и обычно проявляется в виде хлороза

 

Действие химических веществ на растения /Влияние загрязнений  воздуха..., 1981/

Вид воздействия	Характер действия	Фенология	Физиология	Последствия для всего растения
Хроничес- кое	Низкая, большей частью непостоянная концентрация, действующая через длинные промежутки времени, а также токсичная пыль, попадающая на почву	Отсутствие некрозов (изменение цвета только временное); замедленный рост; преждевременное отмирание старых хвоинок; ослабление новых побегов (укороченный рост)	Скопление вред- ных веществ в листьях; снижение листовой поверх- ности и ассими- ляции, изменение рН почвы и функ- циональной деяте льности корневой системы (при ток- сичной пыли)	Уменьшение прироста; выживание растений определяется степенью нарушения физиологических функций; отрицательное воздействие вредных веществ усиливается при неблагоприятных условиях(заморозки, жара, недостаток элементов питания могут привести к острым повреждениям)
Острое	Быстрое действие высоких концент- раций	Некроз и изменение цвета листьев, нарушение роста и  развития растений	Гибель клеток в некротических тканях; наруше- ние ассимиляци- оных процессов	Выживание зависит от доли оставшейся физиологически активной вегетативной массы и восстанавливающейся способности растений

 

Воздействие химических токсикантов на животных. Загрязнение воздуха, как пылевидные, так и газообразные, могут нанести ущерб не только растениям, но и животным. Токсичные вещества действуют непосредственно через органы дыхания животного или во время поедания им загрязненного корма. Подобно растениям у животных тоже существуют различные реакции на некоторые токсические вещества (Влияние загрязнений воздуха…, 1976).

Воздействия вредных  веществ на животных могут быть любого вида и неспецифичными, но, тем не менее, характерными и даже патогномичными (Cohrs, 1960; Kiihnert, 1973). В большинстве случаев наблюдаются меняющиеся картины болезней.

Причины кроются, в первую очередь, в концентрациях и количествах вредных веществ, а также в длительности их поглощения. Кроме того, играют роль и различные метеорологические параметры, а также конституция, возраст и физиологическое состояние животного. Особые и наиболее типичные картины болезней проявляются под воздействием мышьяка, свинца, меди, молибдена, селена, фтора, а также двуокиси серы.

Последствия отравления общего характера у животных проявляются  в уменьшении аппетита, нарушении  пищеварения, поносе, истощении, нарушении полового цикла, выкидышах, рождении слабых животных, сухости кожи, ломком и взъерошенном волосяном покрове, различных дерматитов, а также в снижении продуктивности животных. В результате общих повреждений возникает предрасположенность к другим заболеваниям на фоне снижения общей резистентности организма животного.

Потребление пыли проходит через корм. Наиболее прочно загрязнения удерживаются на пастбищном травостое, на сене и  кормовых культурах, выращиваемых на силос или сенаж. Экспериментально было установлено влияние загрязненного пылью корма на удои молока у коров, содержащихся в районе выбросов ТЭС. Абсолютное снижение удоев молока в период проведения исследований варьировало от 1,1 до 1,3 кг на каждое животное в день.

Установлено, что под действием  пыли сильно страдает качество подножного корма и сена, в результате чего снижение удоев молока может дойти до 9,1-12,5%. Прирост живой массы у мясных пород крупного рогатого скота снижается от 19,4 до 37,5%. Holte (1957) установил, что прирост живой массы у крупного рогатого скота под действием летучей золы бурого угля снижается от 3,9 до 39,7%.

 

2. Химические и физические свойства алюминия, определяющие его токсическое действие

 

 Алюминий - один из наиболее распространенных в земной коре элементов, легкий металл. На его долю приходится 5,5-6,6 мол. доли % или 8 масс. %. Главная масса его сосредоточена в алюмосиликатах. Чрезвычайно распространенным продуктом разрушения образованных ими горных пород является глина, основной состав которой отвечает формуле Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O. Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют боксит Al₂O₃.H₂O. и минералы корунд Al₂O₃ и криолит AlF₃.3NaF.

Впервые алюминий был получен Велером  в 1827 году действием металлического калия на хлорид алюминия. Однако, несмотря на широкую распространенность в природе, алюминий до конца XIX века принадлежал к числу редких металлов.

В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом раствора глинозема Al₂O₃ в расплавленном криолите. Al₂O₃ должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Температура плавления Al₂O₃ около 2050^оС, а криолита - 1100^оС. Электролизу подвергают расплавленную смесь криолита и Al₂O₃, содержащую около 10 масс.% Al₂O₃, которая плавится при 960^оС и обладает электрической проводимостью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. При добавлении AlF₃, CaF₂ и MgF₂ проведение электролиза оказывается возможным при 950^оС.

В периодической системе алюминий находится в третьем периоде, в главной подгруппе третьей группы. Заряд ядра +13. Электронное строение атома 1s22s22p63s23p1. Металлический атомный радиус 0,143 нм, ковалентный - 0,126 нм, условный радиус иона Al3+ - 0,057 нм. Энергия ионизации Al - Al+ 5,99 эВ.

Наиболее характерная степень окисления атома алюминия +3.Отрицательная степень окисления проявляется редко. Во внешнем электронном слое атома существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 (AlCl₄-, AlH₄-, алюмосиликаты), но и 6 (Al₂O₃,[Al(OH₂)₆]³⁺).

В виде простого вещества алюминий - серебристо-белый, довольно твердый металл с плотностью 2,7 г/см3 (т.пл. 660^оС, т. кип. ~2500 ^оС). Кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Характеризуется высокой тягучестью, теплопроводностью и электропроводностью (составляющей 0,6 электропроводности меди). С этим связано его использование в производстве электрических проводов. При одинаковой электрической проводимости алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

На воздухе алюминий покрывается  тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной  пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей  ему матовый вид. При обработке  поверхности алюминия сильными окислителями (конц. HNO₃, K₂Cr₂O₇) или анодным окислением толщина защитной пленки возрастает. Устойчивость алюминия позволяет изготавливать из него химическую аппаратуру и емкости для хранения и транспортировки азотной кислоты.

Алюминий  легко вытягивается в проволоку  и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов. Основную массу алюминия используют для получения различных сплавов, наряду с хорошими механическими качествами характеризующихся своей легкостью. Важнейшие из них - дюралюминий (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si), силумин (85 - 90% Al, 10 - 14% Sk, 0,1% Na) и др. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды и во многих других отраслях промышленности. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.