Ugrás a tartalomhoz

Talaj- és talajvízvédelem

Dr. Horváth Erzsébet (2011)

Toxikus fémek, szervetlen mikroszennyezők

Toxikus fémek, szervetlen mikroszennyezők

A felszíni vizek mérgező fémtartalma jelentős mértékben befolyásolja a vízminőséget. A kezelt ipari és kommunális szennyvizek az előírt határértékeknek megfelelő koncentrációban tartalmazzák a fémszennyezéseket. A biológiai folyamatok során azonban a fémek megkötődnek a képződő biomasszában és a tápláléklánc végén lévő élőlények a bioakkumuláció miatt már nagyobb dózisú fémterhelést kénytelenek elszenvedni.

A környezeti elemekbe jutott szerves szennyezők toxikus hatása szerkezetfüggő. Ha a szerkezet megváltozik vagy módosul, a környezeti hatás is megváltozik. A fémek káros hatásai azonban lényegesen összetettebb módon érvényesülnek a környezeti elemekben, mivel a toxicitást az oldhatóság, az ionerősség, a pH és a redox viszonyok határozzák meg. Ebből adódóan a hőmérséklet, az oldhatósági, a pH és a redox viszonyok megváltozásával a jelenlévő fémvegyületek egymásba átalakulhatnak és bármikor megjelenhet a legtoxikusabb forma.

Oldhatóság

Az oldhatatlan fém biológiailag inaktív, ezért nincs hatással a víz minőségére. Alapvetően tehát a fémek vízoldhatósága arányos a károkozás mértékével. A folyadék és a szilárd fázis közötti egyensúlyt az alábbi egyenlet jellemzi:

melyre felírható az oldhatóságot meghatározó egyensúlyi állandó:

Minél kisebb Ks értéke, annál kisebb az oldhatóság. Az oldhatóság azonban csak tiszta oldatokban fejezhető ki a fenti egyenletnek megfelelő exakt formában. Természetes körülmények között az élővizekben jelen lévő egyéb fémek, az anionok koncentrációja/ionerőssége, a komplexképzők, valamint a szerves anyagok is befolyásolják az oldódást.

Komplexképzés

A fémek komplexképző tulajdonsága fontos szerepet játszik a mobilizálhatóságuk és migrációjuk tekintetében. A fém-komplexek alapvetően a fémionból (M, a komplex központi magja), valamint a ligandumból (L, a kapcsolódó molekulák vagy ionok összessége) áll. A fémion és a ligandum között kialakuló kötés legegyszerűbben úgy értelmezhető, hogy a ligandum elektronpárt ad át a fémionnak. A ligandum tehát az elektronpár donor, a fémion pedig az elektronpár akceptor. Az elektronpár donorokat a kémiában Lewis-bázisoknak, az elektronpár akceptorokat Lewis-savaknak nevezik. Ebből következően a komplex kialakulása egy Lewis-sav - Lewis-bázis reakcióként is értelmezhető az alábbi reakcióegyenlet alapján:

A legfontosabb szervetlen komplexképző anionok, mint a bikromátok, a kloridok, a hidroxidok, a fluoridok és a szulfátok jelen vannak a vizekben, így megvan a lehetősége a legkülönbözőbb fémkomplexek kialakulásának. Oldható és oldhatatlan komplexek egyaránt keletkezhetnek. A vizes rendszerben jelenlévő fémek és ligandumok között gyakorlatilag csak bizonyos komplexek kialakulására van lehetőség, vagyis egy adott fém bizonyos ligandumokat előnyben részesít, másokkal viszont nem lép kölcsönhatásba. Pearson értelmezése szerint a Lewis-féle „erős savak” „erős bázisokkal”, a „gyenge savak” „gyenge bázisokkal” képeznek nagyobb stabilitású komplexeket.

A fémek a természetes vizekben jelen lévő természetes vagy szennyező szerves anyagokkal is képezhetnek vízoldható komplexeket. Az aminosavak, fulvó- és huminsavak, a poliszaharidok, a szerves foszfor vegyületek, a fenolos OH és a karboxil csoportokat tartalmazó aromás vegyületek azok a leggyakoribb komplexképzők, melyek a fémek migrációját befolyásolják. Szükséges még figyelembe venni komplexképzőként a mosó- és tisztítószerekben mindig jelen lévő etiléndiamin-tetraecetsavat (EDTA), valamint a nitrilotriecetsavat is (NTA).

A természetes vizes rendszerekben az elektrondonor tulajdonsággal rendelkező szerves anyagok tehát fontos szerepet játszanak a fém szerves komplexek kialakulásában különösképpen azzal, hogy a fémeket oldatban tartják. Ezért az oldatban lévő fém-koncentráció lényegesen magasabb lehet, mint az a szervetlen oldhatósági konstans alapján várható volna. Másrészt a szerves anyagokkal képzett fém-komplexek fontos szerepet játszanak a fémek bioakkumulációja során is, ugyanis a bioorganizmusok a fémeket csak komplexek formájában tudják beépíteni szervezetükbe. Ugyanakkor a komplexképződési, a bioakkumulációs folyamatokat a vizek redox és pH viszonyai is meghatározzák.

A higany metileződése

A biológiai folyamatokban résztvevő mikroorganizmusok a higanyt metilezni képesek . A metileződés aerob és anaerob körülmények között is végbemehet, melynek eredményeként az oldhatatlan, tehát környezeti szempontból inaktív higanyból (Hg) biológiailag hozzáférhető metil (CH3Hg) és dimetil higany vegyületek ((CH3)2Hg) jönnek létre. Metil higanyvegyületeket a tápláléklánccal az ökoszisztémát és az embert is veszélyeztetik.

A metileződési folyamat az üledékekben gyorsan lejátszódik, a dimetil és metil higany-vegyületek egymáshoz viszonyított arányát a víz pH értéke is befolyásolja. A pH ≻ 8 esetében gyakorlatilag a dimetil forma, míg pH ≺ 8 esetében a metil forma dominál. Az illékony dimetil-higany eltávozik a nyitott vizes rendszerekből, míg a nem illékony metil-higany visszamarad. A vizekben lévő organizmusokba tehát a metilezett forma épül be.

A fémek toxikus hatásai

Biológiai rendszerekben a fémek koncentrációja egymáshoz képest több nagyságrendnyi eltérést is mutathatnak. Bizonyos koncentrációban való jelenlétük szükséges az egészséges életműködések szempontjából. Az úgynevezett esszenciális fémek bizonyos koncentráció alatt fejlődési rendellenességet okoznak. A Zn, Cr, Co, Mn, Mo, Sn, Cu és a Fe esszenciális fémek. Más fémek, mint pl. az As, Cd, Ag, Hg, Pb és a Be az élő szervezet számára idegenek és az úgynevezett határkoncentráció felett kifejezetten toxikusnak minősülnek.

A fémek toxikus hatása biológiai tesztekkel mérhető. A legtöbb esetben tesztállat pusztulását néhány napos (24–96 órás) kitettség után vizsgálják. Ugyanakkor a legtöbb fém esetében a káros hatás csak hetek, hónapok, vagy évek múltán jelentkezik, vagyis a fém nem korai pusztulást, hanem „csak” rendellenességet vagy változást okoz az emésztő-, idegrendszerben vagy az alapvető életfunkciókban. A krónikus hatás az életfunkciók megváltozásának leírásával jellemezhető.

A vizekben egymás mellett jelen lévő fémek toxikus hatásai additívak, szinergetikusak vagy antagonisztikusak is lehetnek annak megfelelően, hogy az összetett hatás az egyes fémek hatásaiból egyszerűen összeadódik, illetve ennél erősebb, vagy gyengébb. Szinergetikus hatású például a réz és a cink együttes jelenléte lágy vízben. Általában a legtöbb nehézfém mérgező hatása a vízkeménység növekedésével növekszik. A vízben oldott oxigén csökkenése a fémek toxikus hatásait szintén növeli.