Токсикологические методы оценки воздействия присутствующей дозы токсиканта на компоненты биоты
Введение
1. Общая характеристика токсиканта. Нахождение в природе 4
1.1
Происхождение
1.2
Получение
1.3
Физические свойства
1.4
Химические свойства
2.
Гигиенические параметры
токсикантов
3.Токсикологические
методы оценки воздействия
присутствующей дозы
токсиканта на компоненты
биоты
Заключение
Список
литературы
К группе тяжелых металлов относят, за исключением благородных и редких, те из металлов, которые имеют плотность более 8 тыс.кг/м3. (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьму, висмут, ртуть, олово, ванадий, полуметалл мышьяк и др.). Многие из них широко распространены в окружающей среде и способны вызывать заболевания у людей.
Один из наименее токсичных тяжелых металлов - Хром. В растительных и животных организмах хром всегда присутствует в составе ДНК. Некоторые виды млекопитающих способны переносить увеличение содержание этого элемента в организме в сотни раз без видимых негативных последствий. Большинство микроорганизмов, многие виды лекарственных растений способны аккумулировать хром. В трехвалентном состоянии хром распространен повсеместно. Экотоксический эффект имеет шестивалентный хром, которые крайне редко встречается в природных условиях и, как правило, появляется в результате антропогенной активности (использование хрома, сжигание угля, добыча руды и производство металла).
Токсичность
шестивалентного хрома
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКСИКАНТА
Хром встречается в виде соединений в различных минералах. Наиболее распространен минерал хромит, или хромистый железняк FeCr2О4, богатые месторождения которого имеются на Урале и в Казахстане. Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,03%. Хром обнаружен на Солнце, звездах и в метеоритах.
Еще в 1766 году петербургский профессор химии И. Г. Леман описал новый минерал, найденный на Урале на Березовском руднике, в 15 километрах от Екатеринбурга (ныне Свердловск). Обрабатывая камень соляной кислотой, Леман получил изумрудно-зеленый раствор, а в образовавшемся белом осадке обнаружил свинец. Спустя несколько лет, в 1770 году, Березовские рудники описал академик П. С. Паллас. «Березовские копи, - писал он, - состоят из четырех рудников, которые разрабатываются с 1752 года. В них наряду с золотом добываются серебро и свинцовые руды, а также находят замечательный красный свинцовый минерал, который не был обнаружен больше ни в одном другом руднике России. Эта свинцовая руда бывает разного цвета (иногда похожего на цвет киновари), тяжелая и полупрозрачная... Иногда маленькие неправильные пирамидки этого минерала бывают вкраплены в кварц подобно маленьким рубинам. При размельчении в порошок она дает красивую желтую краску...».
В 1936 году в Казахстане, в районе Актюбинска, были найдены огромные залежи хромита - основного промышленного сырья для производства феррохрома. В годы войны на базе этого месторождения был построен Актюбинский ферросплавный завод, который впоследствии стал крупнейшим предприятием по выпуску феррохрома и хрома всех марок.
Богат
хромистой рудой и Урал. Здесь
расположено большое число
Руды
хрома имеются в Турции, Индии,
Новой Каледонии, на Кубе, в Греции,
Югославии, некоторых странах Африки.
В то же время такие промышленные
страны, как Англия, Франция, ФРГ, Италия,
Швеция, Норвегия, совершенно лишены хромового
сырья, а США и Канада располагают
лишь очень бедными рудами, практически
не пригодными для производства феррохрома.
Всего же на долю хрома приходится
0,02% земной коры.
Найденный минерал был назван «сибирским красным свинцом». Впоследствии за ним закрепилось название «крокоит».
Образец
этого минерала был в конце XVIII
века привезен Палласом в Париж. Крокоитом
заинтересовался известный
Один из друзей Воклена предложил ему назвать элемент хромом (по-гречески «хрома» - окраска) из-за яркого разнообразного цвета его соединений. Между прочим, слог «хром» в значении «окрашенный» входит во многие термины, не связанные с элементом хромом: слово «хромосома», например, в переводе с греческого означает «тело, которое окрашивается»; для получения цветного, изображения пользуются прибором хромоскопом; фотолюбителям хорошо известны пленки «изопанхром», «панхром», «ортохром»; яркие образования в атмосфере Солнца астрофизики называют хромосферными вспышками и т. д.
Сначала Воклену не понравилось предложенное название, поскольку открытый им металл имел скромную серую окраску и как будто не оправдывал своего имени. Но друзья все же сумели уговорить Воклена и, после того как французская Академия наук по всей форме зарегистрировала его открытие, химики всего мира внесли слово «хром» в списки известных науке элементов.
Свое
название хром получил от греческого
слова «хрома» -- краска за то, что
все соединения хрома имеют яркие
окраски.
Металлический хром получают восстановлением оксида хрома (III) при нагревании с алюминием:
Сr2О3 + 2Аl = Аl2О3 +2Сr
Металлический хром получают также электролизом водных растворов соединений хрома.
В 1797 году
Воклен повторил анализ. Растертый
в порошок крокоит он поместил
в раствор углекислого калия
и прокипятил. В результате опыта
ученый получил углекислый свинец и
желтый раствор, в котором содержалась
калиевая соль неизвестной тогда
кислоты. При добавлении к раствору
ртутной соли образовывался красный
осадок, после реакции со свинцовой
солью появлялся желтый осадок, а
введение хлористого олова окрашивало
раствор в зеленый цвет. После
осаждения соляной кислотой свинца
Воклен выпарил фильтрат, а выделившиеся
красные кристаллы (это был хромовый
ангидрид) смешал с углем, поместил
в графитовый тигель и нагрел до
высокой температуры. Когда опыт
был закончен, ученый обнаружил в
тигле множество серых
Основная часть добываемой в мире хромистой руды поступает сегодня на ферросплавные заводы, где выплавляются различные сорта феррохрома и металлического хрома.
Впервые феррохром был получен в 1820 году восстановлением смеси окислов железа и хрома древесным углем в тигле. В 1854 году удалось получить чистый металлический хром электролизом водных растворов хлорида хрома. К этому же времени относятся и первые попытки выплавить углеродистый феррохром в доменной печи. В 1865 году был выдан первый патент на хромистую сталь. Потребность в феррохроме начала резко расти.
Важную роль в развитии производства феррохрома сыграл электрический ток, точнее электротермический способ получения металлов и сплавов. В 1893 году французский ученый Муассан выплавил в электропечи углеродистый феррохром, содержащий 60% хрома и 6% углерода.
В дореволюционной
России ферросплавное производство
развивалось черепашьими
Хром --
серовато-белый блестящий
Хром
обладает всеми характерными свойствами
металлов -- хорошо проводит тепло, почти
не оказывает сопротивления
Даже незначительные примеси делают хром очень хрупким, поэтому в качестве конструкционного материала его практически не применяют, зато как легирующий элемент он издавна пользуется у металлургов почетом. Небольшие добавки его придают стали твердость и износостойкость. Такие свойства присущи шарикоподшипниковой стали, в состав которой, наряду с хромом (до 1,5%), входит углерод (около 1%). Образующиеся в ней карбиды хрома отличаются исключительной твердостью -- они-то и позволяют металлу уверенно сопротивляться одному из опаснейших врагов -- износу.
В качестве
представителя металлов, относящихся
к побочным подгруппам периодической
системы, рассмотрим хром: он возглавляет
побочную подгруппу VI группы. Хром -- металл,
по внешнему виду похожий на сталь.
От ранее рассмотренных металлов
он, как и все металлы с
Расположение электронов на 3d- и 4s-орбиталях атома хрома можно представить схемой:
Отсюда
видно, что хром может проявлять
в соединениях различные
Как и у алюминия, на поверхности хрома образуется оксидная пленка Сr2О3. Поэтому хром в разбавленных серной и соляной кислотах начинает растворяться не сразу, а после растворения оксидной пленки:
Cr + 2H+=Cr5+ + H2
В азотной
и концентрированной серной кислотах
хром не растворяется, так как его
оксидная пленка упрочняется, т. е. хром
переходит в пассивное
При высокой температуре хром горит в кислороде, образуя оксид Cr2О3. Раскаленный хром реагирует с парами воды:
2Cr + ЗН2О = Cr2О3 + ЗН2
Металлический хром при нагревании реагирует также с галогенами, галогеноводородами, серой, азотом, фосфором, углем, кремнием и бором. Например:
Cr + 2HF = CrF2 + H2 ; 2Cr + N2 = 2CrN
2Cr + 3S = Cr2S3; Cr + Si = CrSi
На воздухе хром совершенно не изменяется. Поэтому хромом с помощью электролиза его соединений покрывают -- хромируют -- стальные изделия для предохранения их от ржавления и механического износа. Эти же качества хром придает своим сплавам с железом -- хромистым сталям. К ним относится нержавеющая сталь, содержащая около 12% хрома.
В быт нержавеющая сталь вошла в виде вилок, ножей и других предметов домашнего обихода. Блестящие, серебристого цвета полосы нержавеющей стали украшают арки станции «Маяковская» Московского метрополитена.
При химических
реакциях атом хрома может отдавать,
кроме единственного электрона
наружного слоя, до 5 электронов предпоследнего
слоя, т. е. проявлять высшую степень
окисления (+6). Но, как и все элементы
с достраивающимся
2. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТОКСИКАНТОВ
Хром
содержится во всех природных объектах.
В приземном слое воздуха над
свободными от воздействия промышленных
предприятий областями
В незагрязненных озерах и реках концентрация растворенного хрома обычно колеблется в пределах 1-2 мкг/л, а в океане - 0,05-0,5 мкг/л. Более высокие количества (5-50 мкг/л) обнаружены в некоторых крупных реках, протекающих через индустриальные районы, и в прибрежных водах морей. Это обычно связано со сбросом в них стоков крупных промышленных предприятий. За счет антропогенных источников установлено повышение уровня содержания хрома и в донных осадках.
В природных водах хром находится в разных формах, при общем содержании хрома в морской воде от 0,89 до 7,40 мкг/л доля трехвалентного, шестивалентного и связанного с органическим веществом хрома составляла соответственно 0,11-0,24, 0,29-0,39 и 0,43-0,59 мкг/л. В водных системах трехвалентный хром способен мигрировать в виде комплексных соединений, в коллоидном состоянии и с механическими взвесями; для шестивалентного хрома характерна миграция в форме анионов, в виде истинных растворов. Миграция хрома в водных системах идет в основном в растворенном виде, что подтверждает и коэффициент водной миграции (равный отношению концентрации элемента в сухом остатке воды и в породе), составляющий 0,24. По вычисленному коэффициенту миграции хром относится к подвижным элементам. Основным источником поступления растворимых форм соединений хрома в океан является водный сток; ежегодно с речным стоком в океан попадает 37 тыс. т. хрома.
В морской воде 10-20 % хрома присутствует в неорганической форме Сr3+, 25-40 % - Сr6+ и 45-65 % в органических формах.
Хром в почве обычно содержится в количестве 2-50 мг/кг, а в сильно загрязненных почвах его концентрация может достигать 20000 мг/кг; предельно допустимая концентрация - 100 мг/кг.
По данным А.П. Виноградова и Г.Г. Бергмана (1949), в почвах бывшего СССР в среднем содержится около 1,9*10-2 % хрома. В почвах тундры его содержание колеблется в пределах 5*10-4 -2,З*10-2 %; дерново-подзолистых -2,2*10-3 -2,95*10-2; серых лесных - 2,7*10-3 - 7,6*10-2; черноземах - 1,6*10-2 - 6,3*10-2; красноземах - 1*10-2 - 2,6*10-2; сероземах и каштановых почвах -- 1,1*10-2 - 5,7*10-2 %.
Поведение хрома в почвах в значительной степени зависит от его валентного состояния. В пределах Еh и рН, соответствующих почвам, хром может существовать в четырех состояниях: трехвалентных формах в виде Сr3+ и СrO2- и шестивалентных - СrO42- и Сr2O72-.
Трехвалентный хром по поведению в почвах и химическим свойствам очень похож на алюминий, особенно по отношению к изменению кислотности среды.
Хром
и его соединения поглощаются
гумусом и глинистыми минералами
с образованием сложных комплексных
соединений. Из глинистых минералов
наибольшей адсорбирующей способностью
катионов трехвалентного катиона хрома
обладает монтмориллонит, наименьшей
- каолинит. Все остальные минералы
располагаются в следующем
На процесс образования комплексов трехвалентного хрома с органическим веществом существенное влияние может оказать известкование и внесение в почву фосфора.
Добавленный в почву или существующий в ней трехвалентный хром может окисляться до шестивалентного. Окисление способствует переходу малоподвижного в почвенных условиях трехвалентного хрома в мобильный, более токсичный Cr6+-.
Акцептором электронов может выступать марганец трех и четырех валентный. Необходимо отметить, что окислительную способность проявляет только свежая почва при полевой влажности. Однако в кислых почвах, в которых марганец существует в основном в восстановленной форме, окисления не отмечалось. Не происходит окисления и в почвах обедненных марганцем.
В почвах хром представлен следующими формами его соединении:
1) неподвижный;
2) прочносвязанный в составе
Легкорастворимые и обменные формы хрома, появляющиеся спонтанно в результате биологических процессов, воздействия корневой системы, микроорганизмов, наличия в почвенном растворе органических кислот и углекислоты, - эфемерны. Сорбированные, вначале непрочно, ионы хрома образуют химические труднорастворимые соединения (хемосорбированное состояние) и со временем окклюдируются гидроокисями железа, алюминия, прочно фиксируются гумусом.
Наличие
хрома в растениях было установлено
спектрофотометрически еще в 1900г.
Как выяснилось позже, хром относится
к важнейшим биогенным
Хром концентрируется в вереске (4*10-3 %) и сосне (3*10-3 %). Для остальных видов древесных растений содержания его очень близки - (1-2*10-3 %).
Поступая в растения, хром распределяется по органам неравномерно. В опытах с фасолью максимальное накопление хрома отмечено в корнях, высокое содержание обнаружено в первичных листьях, в каждом последующем листе оно снижалось. Наименьшее количество хрома отмечено в стручках, причем содержание в них более чем на два порядка меньше, чем в первичных листьях. В листьях он присутствует в виде низкомолекулярного комплекса, не связанного с субклеточными структурами. В растениях винограда содержание хрома по органам убывало в следующем порядке: листья > лоза > корни > ягоды. При этом отмечено, что в течение вегетационного периода содержание хрома в листьях существенно изменялось: оно сравнительно велико в начале роста побегов, а к концу фазы цветения и в начале формирования ягод - минимальное, затем его количество вновь возрастает, достигая максимума к периоду созревания, и вновь снижалось к зрелости.
Для большинства
высших растений хром отнесен к группе
слабого накопления и среднего захвата
и имеет коэффициент
Преобладающая
часть хрома, содержащегося в
растениях, поглощается корневой системой,
и определяется в основном содержанием
его растворимых соединений в
почвах. Несмотря на то, что большинство
почв содержат значительные количества
этого элемента, его доступность
для растений весьма ограничена. Низкие
темпы усвоения растениями растворимых
форм хрома обусловлены
Исследованиями показано, что хром в растения может поступать и через листовую поверхность. Количество поглощенного таким образом хрома может быть значительным. При этом основная часть его остается в листе, а незначительная - транспортируется и в корни.
Изучению
содержания хрома в растениях
стало уделяться большое
Небольшие концентрации хрома в питательной среде усиливают активность кислой фосфатазы и благоприятно сказываются на метаболизме глюкозы.
Наряду с данными о стимулирующем влиянии хрома на развитие растений, нередко сообщается и о его фитотоксичности. Последнее наиболее характерно для растений, произрастающих на почвах, образовавшихся на ультраосновных породах. Известно о токсичности хрома для овса, растущего на почвах с содержанием этого элемента 634 мг/кг. В самом растении его концентрация составляла 49 мг/кг сухой массы. Отмечены начальные симптомы токсичности хрома для растений при более низких концентрациях в питательной среде (0,5 мг/кг) и в почвенной культуре (60 мг/кг). Но даже такие количества внесенного хрома приводили к снижению содержания почти всех основных питательных элементов (калия, фосфора, железа и магния) в надземной части растений и в корнях. Эти исследователи сообщили также об антагонизме хрома с марганцем, медью и бором, который фиксировался как в почвенной среде, так и в растительных тканях.