Ауыр металдардың экологиялық рөлі

Қазіргі заманда қоғамның екпінді шаруашылық қызметі биосферада химиялық элементтердің миграциясын (жылжуы) күшейтіп отыр. Оған себеп, қоршаған орта өнеркәсіп өндірісінің, мал шаруашылығының, ірі қалалардың, жанған отынның әр түрлі химиялық заттардан тұратын қалдықтармен ластануда, яғни, біз өмір сүріп отырған ортаның жағдайы мәз емес. Тірі табиғаттың компоненттерін ластайтын көптеген химиялық элементтердің ішінде ауыр металдар соңғы кезде көбірек назар аудартуда. Оларға бір текше сантиметр көлемінің тығызығы 5 грамнан артығырақ болатын химиялық элементтер тобы жатады. Кезінде ғылыми техникалық әдебиетте металдарды жеңіл және ауыр деп топтаған. Сонан бастап ауыр металдар тірі организмдер үшін улы деген ұғым қалмай келеді. Салыстырмалы атомдық массасына 40-тан артық болатын металдардың барлығын осы ауыр металдар тобына жатқызуға болады. Алайда, ауыр металдардың барлығы бірдей улы болмайтынын айта кеткен жөн. Олардың ішінде биологиялық маңызы үлкен элементтер бар, мысалы, мыс, мырыш, молибден, темір. Кейбіреулері белгілі концентрацияда тірі организмге өте қажет болғандықтан олар микроэлементтер деп аталады. Демек, ауыр металдар мен микроэлементтер тең ұғымды білдіреді, бірақ олар әртүрлі концентрацияда өздерін түрліше көрсетеді. Кейбіреулерін өте аз мөлшерде өсімдікке тыңайтқыш немесе мал азығына қоспа ретінде қолданылады.

Топырақта жиналатын металдарың ауыры бар, басқалары бар, түрлері көп, мысалы, темір (Fe) , қорғасын (Pb), сынап (Hg), мыс (Cu) т.б. осылардың ішінде ең қауіптісі сынап болса, соның жыл сайын топыраққа 4,0-5,0 мың тоннасы түсетіні көрінеді, ал өндірілетін қорғасынның әр тоннасынан қоршаған ортаға 25,0 келісі түседі. Әдетте, ауыл шаруашылығы аудандармен салыстырғанда өнеркәсіп өндірісі дамыған аймақтарда топыраққа 25-27 есе көп қорғасын түседі екен. Жыл сайын әр шаршы метр жер бетіне техногендік жолмен 35,0 келі мыс түседі. Осы аталмыш металдардың концентрациясы ортаның нысандарында көбейген сайын өсімдіктің өсуі баяулайды, өнімі төмендейді.

Қоршаған ортаның жекелеген экотоптарын алатын болсақ, солардың ішінде ауыр металдардың ең көп түсетіні топырақ. Оған себепші болатын ең алдымен атмосфера. Атмосфераға ауыр металдар көбіне жер бетінен көтерілетін шаң тозаңның құрамында енеді. Сондықтан атмосферадан қар мен жаңбыр жер бетіне түскенде олардың құрамында көбінесе қорғасын, кадмий, мышьяк т.б. элементтер болатыны содан. Атмосфераны негізгі ластайтындардың қатарында электр стансалар, метал қорытатын зауыттар, мұнай өнеркәсібі, құрылыс металдарын шығаратын кәсіпорындар мен автокөлік. Іштен жанатын қозғағыштар жұмыс істегенде азоттың, қорғасынның тотықтары, көмірсутектер т.б. заттар бөлініп шығып, топырақ бетіне түседі. Бұл жағдайда аталмыш заттар топыраққа түскен соң, қоректену тізбегі арқылы зат айналымға енеді. Улы заттар топыраққа жинала келе оның химиялық құрамының өзгеруіне себеп болады, содан тірі ағзалар мен ортаның бірлігі бұзылады (Нұрғызарынов А.,2003) [1].

Қорғасын. Тау жыныстарының құрамындағы қорғасынның орта мөлшеріне қарап, зерттеушілер оны сирек кездесетін элементтердің қатарына қосады. Бұл элемент негізінен сульфидт жыныстардың құрамында жиналады. Олар жер бетінің әр түкпірінде көптеген аймақтарда тараған. Кенді балқыту арқылы оны оп-оңай бөліп алады. Қорғасын жер қыртысында галенит (PbS) түрінде де кездеседі. Жер қыртысындағы қорғасын сумен шайылады және магмалық жыныстардан да босап шығады, сөйтіп, жер бетіндегі ағын сумен бірге біртіндеп мұхитқа түседі. Қорғасынның ионы (Pb₂) тұрақты емес, сол себепті ол мұхит суында көп болмайды (10^-8 %). Ащы суға қарағанда қорғасынның тұщы судағы мөлшері көбірек. Геохимиялық айналымда бұл элемент тұрақсыз болғандықтан оның топырақтағы орта мөлшері жер қыртысындағы орта деңгейіне сәйкес келеді. Ғылыми әдебиеттерде бар мәлеметке жүгінсек, бұрынғы Одақ көлеміндегі топырақтағы қорғасынның орта мөлшері 1,2^. 10^-3 % шамасында. Ауыр металдардың ішінде қазіргі кезде биологиялық тұрғыдан жан-жақты көбірек зерттеліп жүргені- қорғасын. Әлемде жыл сайын өндірістік және тұрмыстық мақсатқа 3,0 млн тонна қорғасын тұтынуға түседі екен. Алайда, топырақтағы және өсімдіктегі қорғасын мөлшерінің арасында тікелей корреляция барлық уақытта байқала бермейді. Бұл жағдайда ең басты рөл атқаратын топырақтың механикалық құрамы, ондағы органикалық заттың қоры, ортаның рН, топырақтағы қорғасынның химиялық қосылыстары мен өсімдіктің түрі. Әдетте механикалық құрамы жеңілдеу және құрамында органикалық зат тапшы немесе реакциясы қышқылдау топырақтарда қорғасын көбінесе оңайалмасуға бейім сіңірілгенкүйде болады. Сол себепті органикалық затқа бай, реакциясы бейтарап немесе сілтілеу болатын саздақ топырақтардағы өсімдікте қорғасын көбірек жиналады.

Мыс. Мыс тегі жағынан халькофильдік металдардың бірі. Табиғатта мыс екі тұрақты изотоптардан тұрады: ⁶² Cu (69,1%) және ⁶⁵ Cu (30,9% ). Массаға шаққанда мыстың жер қыртысындағы орта мөлшері (кларк) – 4,7х10^-3%. Бұл метал жер қыртысының терең қабатындағы ыстық суларда, сондай-ақ жер бетіндегі биосфералық салқын ерітінділерде де күшті миграцияланады. Табиғи сулардағы мыс сульфидтері күкіртті сутекпен (Н₂ S) қосылып шөгіндіге түседі. Құрамында мыс бар көптеген минералдардың ішінде басым көпшілігі сульфидтер, фосфаттар, сульфаттар, хлоридтер, карбонаттар, тотықтар. Ығалы көп топырақтардағы тірі ағзалар, әсіресе өсімдіктер мен жануарлар мыстың жетіспеуінен улкен қорлық көреді, нәтижесінде әр түрлі ауруларға шалдығады. Далалық және шөлейт далалық құрғақ жерлерде топырақ ерітіндісінің реакциясы әлсіз сілті болғандықтан олардағы мыс онша көп жылжымайтын күйде болады. Құрамында мысы бар минералды өндіретін жерлерде топырақ пен өсімдікте мыстың мөлшері шамадан тыс артық болатын көрінеді.

Өсімдіктің қайсысы болса да ауыр металдан улануы оның тек тамыр арқылы өткен мөлшерімен ғана шектелмейді. Металдар атмосферадан жапыраққа түсіп, онан клеткаға өтеді. Бұл ауыр металдардың бәріне тән ерекшелік. Жапырақ арқылы өсімдікке өткен мыстың биохимиялық реакцияларға тигізетін зияны аз емес. Мысалы, фотосинтездің нашарлауына, тыныс алу процесінің екпінді жүруіне ықпал жасайды, ал мұның ағза үшін еш пайдасы жоқ, өйткені, энергиянын шығыны көбейеді, сол сияқты метаболиттердің жылжуына себін тигізеді. Рас, жапырақ бетіне түскен мыстың өсімдік бойына өту жылдамдығы кутикуланың қалыңдығына қарай әр түрлі өсімікте түрліше болады. осы белгілеріне қарай ауыр металдарды ретімен орналастырса, онда кадмий, қорғасын, мырыштан кейін мыс төртінші орында тұраы: Cd > Pb > Zn > Cu > Mn > Fe. Ал активтілігіне, яғни, түрлі реакцияларға тез кірісетін қабілетіне қарай мыс екінші орынға шығады: Fe > Cu > Mn > Cd > Zn> Pb. Демек, қорғасынмен салыстырғанда кутикула арқылы мыс өсімдіктің бойына нашарлау енеді, бірақ оның есесіне ішке кіріп алған соң мыс темірден кейін ең активті метал болып, тұрғанына қарағанда оның зиянды жағы аз болмаса керек.

Мырыш. Мырыш жер қыртысында сульфидті шөгінділердің құрамына кіретін халькофильдік элемент. Массаға есептегенде жер қыртысындағы оның орташа мөлшері 8,3х10^-3% болатынын А.П.Виноградов (1952ж) хабарлайды. Кварц және далалық шпат сияқты жеңіл минералдың құрамында мырыш бола бермейді, ал саз минералдарының құқрамында оның жалпы қорының 20-60%-ға дейін мөлшері шоғырланған.

Жоғарыда айтылғандай ауыр металдардың қай қайсысының да өсімдікке өтуі тек топырақтан тамыр арқылы ғана емес, оның белгілі бөлігі ауадан жапырақ бетіне түсіп, онан кутикула арқылы клеткаға өтеді. Мырыш солардың бірі. Ауыр металдардың жапырақ бетіне түсіп, онан клеткаға өту жылдамдығына қарай ретімен орналастырғанда солардың ішінде кадмий мен қорғасыннан кейінгі үшінші орыны осы мырыш иемденеді. Демек, мырыштың өсімдік клеткасына өтуде оның өткірлігі бірден көзге түсеі. Ол қатар мынадай: Cd > Pb > Zn > Cu > Mn > Fe.

Кадмий. Қоршаған ортада тірі табиғатқа, әсіресе жан- жануарларға аса қауіпті ауыр металдардың бірі саналатыны осы кадмий. Ол сульфидтік шөгінділердің құрамында болатын халькофилдік элемент. Көбінесе қорғасын мен мырыш өндіру үшін сульфидт шөгінілерді өңдегенде алынатын концентраттың құрамында болады. ондағы кадмийдың мөлшері 0,2% шамасында. Топырақтағы бұл металдың табиғи қоры 4,5х10^-4%, ал оның ауадағы деңгейі шамамен 0,002 мкг/м. Қоршаған ортаға кадмий тарататын көздер осы металды өндіретін салаларымен байланысты. Қазіргі кезде топырақтың осы элементпен ластануы өсімдік қауымдастығына, оның ішінде микробиологиялық ценоздарға зиянды екені белгілі болып отыр. Әйтсе де топырақтағы биохимиялық процестер неғұрлым күшті жүретін болса, кадмий металының тірі табиғатқа улылық әсері солғұрлым пәстеу болатыны дәлелденді. Бұл элемент басқа ауыр металдар сияқты өсімдіктің жапырақ бетіне түсіп, онан кутикула арқылы клеткаға өтеді.