Алюминий как токсикант в окружающей среде

Алюминий, кроме того, применяется как легирующая добавка  ко многим сплавам для придания им жаростойкости.

Соединения алюминия с хлором, бромом и иодом легкоплавки, весьма реакционноспособны и хорошо растворимы не только в воде, но и во многих органических растворителях. Взаимодействие галогенидов алюминия с водой сопровождается значительным выделением теплоты. В водном растворе все они сильно гидролизованы, но в отличие от типичных кислотных галогенидов неметаллов их гидролиз неполный и обратимый. Будучи заметно летучими уже при обычных условиях, AlCl₃, AlBr₃ и AlI₃ дымят во влажном воздухе (вследствие гидролиза). Они могут быть получены прямым взаимодействием простых веществ.

С галогенидными солями ряда одновалентных металлов галогениды алюминия образуют комплексные соединения, главным образом типов M₃[AlF₆] и M[AlHal₄] (где Hal - хлор, бром или иод). Склонность к реакциям присоединения вообще сильно выражена у рассматриваемых галогенидов. Именно с этим связано важнейшее техническое применение AlCl₃ в качестве катализатора (при переработке нефти и при органических синтезах).

Из фторалюминатов наибольшее применение (для получения Al, F₂, эмалей, стекла и пр.) имеет криолит Na3[AlF₆]. Промышленное производство искусственного криолита основано на обработке гидроксида алюминия плавиковой кислотой и содой:

2Al(OH)₃ + 12HF + 3Na₂CO₃ = 2Na₃[AlF₆] + 3CO₂ + 9H₂O

Хлоро-, бромо- и иодоалюминаты получаются при сплавлении тригалогенидов алюминия с галогенидами соответствующих металлов.

Хотя с водородом  алюминий химически не взаимодействует, гидрид алюминия можно получить косвенным путем. Он представляет собой белую аморфную массу состава (AlH3)n. Разлагается при нагревании выше 105^оС с выделением водорода. Гидридоалюминаты - белые твердые вещества. Бурно разлагаются водой. Они - сильные восстановители. Применяются (в особенности Li[AlH₄]) в органическом синтезе.

Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃.18H₂O получается при действии горячей серной кислоты на оксид алюминия или на каолин. Применяется для очистки воды, а также при приготовлении некоторых сортов бумаги.

Алюмокалиевые квасцы KAl(SO₄)₂.12H₂O применяются в больших количествах для дубления кож, а также в красильном деле в качестве протравы для хлопчатобумажных тканей. В последнем случае действие квасцов основано на том, что образующиеся вследствие их гидролиза гидроксид алюминия отлагается в волокнах ткани в мелкодисперсном состоянии и, адсордбируя краситель, прочно удерживает его на волокне.

Из остальных производных  алюминия следует упомянуть его  ацетат (иначе - уксуснокислую соль) Al(CH₃COO)₃, используемый при крашении тканей (в качестве протравы) и в медицине (примочки и компрессы). Нитрат алюминия легко растворим в воде. Фосфат алюминия нерастворим в воде и уксусной кислоте, но растворим в сильных кислотах и щелочах.

 

 Однако  в обычных условиях алюминий  и его соли плохо усваиваются  из почвы растениями и попадают  в организм человека в очень небольших количествах. Техногенное загрязнение алюминием окружающей среды (металлургия - легкие сплавы, добыча и переработка бокситов, апатитов, производство изделий из алюминия, минеральных удобрений, самолетостроение и др.), экологические проблемы (кислотные дожди, повышенная кислотность почв), плохое качество питьевой воды (мягкая вода - с дефицитом Са и Mg; нарушение технологии очистки воды и др.), широкое применение алюминия в быту (посуда изделия, краски), пищевой и фармацевтической промышленности (консервы, фольга, консерванты, компоненты лекарств - антациды, наполнители и др.) может приводить к непривычно высокому для организма человека уровню поступления А1.

 

3.Воздействие алюминия на компоненты  экосистем

 

Алюминий, растворенный в сильнокислой среде,  является одним из наиболее опасных элементов, для живых организмов живущих в почве. Во многих почвах, например, в северных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, однако при выпадении значительных количеств кислотных осадков соотношение алюминий-кальций в почвенных водах настолько изменяется, что ослабляется рост корней и создается опасность для существования деревьев.

Происходящие в составе  почвы изменения могут преобразовывать  состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и  тем самым влиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Закисление  пресных вод. Закисление пресных вод – это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление, как правило, вызывают сильные кислоты такие как серная и азотная кислота. На протяжении длительного периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических явлений (таяние снега) сульфаты и нитраты действуют совместно. Роль алюминия в этом процессе также довольно значительна.

Процесс закисления водоемов можно условно  разделить на 3 фазы:

1. Убыль ионов гидрокарбоната, т.е. уменьшение способности к нейтрализации при неизменяющемся значении рН.
2. Уменьшение рН при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение рН тогда падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6,5.
3. При рН = 4,5 кислотность раствора стабилизируется. В этих условиях кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызванна и тем, что под воздействием иона водорода выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ начинает умненьшаться. Ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия, который осаждается в форме донного осадка: Al³⁺ + PO₄^3- ª AlPO₄. Как правило уменьшение рН воды идет парралельно с сокращением популяций и гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества различных других организмов.

 

Токсичность солей алюминия является одним из основных факторов, снижающих продуктивность растений в условиях кислых почв. В природных водах алюминий присутствует в ионной, коллоидной и взвешенной формах, он образует довольно устойчивые комплексы, в том числе органоминеральные, находящиеся в воде в растворенном или взвешенном состоянии. К числу соединений алюминия относятся различные окислы, гидроокислы и их комплексы с различными органическими кислотами, которыми богаты почвенные растворы и поверхностные воды. В кислой среде (рН=4,5) нерастворимые формы алюминия могут переходить в растворимые, что способствует резкому повышению содержания его подвижных форм. Это приводит к изменению у растений обмена веществ, нарушению формирования генеративных органов, снижению общей биомассы корней и существенному уменьшению площади их поглотительной поверхности [1]. В некоторых случаях токсичность алюминия для растений рассматривается в качестве главного фактора, ограничивающего продуктивность зерновых культур на кислых почвах, составляющих до 40 % посевных площадей в мире, в результате чего убыток урожая зерновых достигает около 12 млрд. тонн в год. С целью повышения толерантности растений к солям при создании новых сортов в качестве исходного материала используют как дикие сородичи злаков, так и культурные устойчивые формы. Тритикале, в отличие от пшеницы, относятся к злакам, пригодным для культивирования на кислых почвах, однако у них отмечена генотипическая специфичность по устойчивости к кислотности почвы [1].

С целью  отбора генотипов, толерантных к  кислотности почвы, обусловленной присутствием подвижных форм алюминия,  проводится скрининг набора озимых и яровых форм тритикале. Так как ингибирование роста корней является одним из первых признаков проявления токсичного действия алюминия и связано с уменьшением роста клеток, отложением лигнина, изменением содержания полисахаридов в клеточной стенке, то одним из методов повышения толерантности растений к алюминию является отбор устойчивых форм на фоне искусственных сред, содержащих соли алюминия.

На  средах с концентрацией 2,0 mg/L^-1 AlCl₃ 6H₂O наблюдается в зависимости от генотипа снижение значения RTI в 1,7–5,0 раз по отношению к контролю. Дальнейшее повышение содержания алюминия значительно угнетает рост и развитие растений.  При этом происходят видоизменения корневой системы: образование утолщений на кончиках корешков, рост в обратном направлении. Некоторые растения продолжают медленно расти, приобретая антоциановую окраску.

Также установлено, что толерантные к  солям алюминия генотипы тритикале  способны к биосинтезу большего количества белка с более высоким содержанием незаменимых аминокислот.

Таким образом, методом тестирования прорастающих семян тритикале на жидких средах с разным содержанием солей алюминия  в результате скрининга синтезированных форм тритикале и возможно выделить толерантные к закислению среды генотипы. Определено допустимое (до 2,0 mg/L^-1) содержание алюминия в среде, к которому растения относительно толерантны. Наиболее высокие показатели RTI обнаруживают растения геномно-замещенных линий пшеницы, у которых геном D замещен на соответствующие геномы Aegilops.

Избыточное  накопление алюминия в организме  может влиять на состояние опорно-двигательного аппарата (остеопороз, рахитоподобные заболевания), почек (нефропатия, риск мочекаменной болезни), ЦНС (задержка развития у детей, энцефалопатия у пациентов, подвергшихся диализу, болезнь Альцгеймера). Отложение алюминия в тканях может способствовать развитию в них фиброзных изменений. Условно допустимый уровень алюминия в волосах лиц, находящихся в группе риска по интоксикации этим элементом, по данным ЦБМ, составляет 40 мкг/г волос (взрослые и дети).

Токсичность алюминия во многом связана с его  антагонизмом по отношению к кальцию и магнию, способностью влиять на функцию паращитовидных желез, легко образовывать соединения с белками, накапливаясь в почках, костной ткани, центральной нервной системе. Признаками воздействия алюминия на ЦНС могут быть ухудшение памяти, нервозность, склонность к депрессии, трудности в обучении, гиперактивность.

О проявлении дефицита алюминия у человека и животных известно очень мало, однако считается, что пониженное содержание алюминия в волосах может отражать нарушение обменных процессов в костной ткани.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Таким образом, алюминий принимает участие  в процессах, определяющих кислотно-основные свойства и буферность конденсированных природных сред (водных сред, иловых отложений, почв). Соотношение алюминий-кальций в почвах непосредственно сказывается на функционировании карбонатной и карбонатно-кальциевой систем, играющих ведущую роль в указанных выше процессах и способных изменить степень кислотности вод и актуальную кислотность почв и илов в широких пределах.

Подкисление природных сред существенно воздействует на экосистемы, нарушая биодоступность элементов питания, повышая миграционную способность токсичных для биоты элементов, тяжелых металлов, радионуклидов, изменяя видовое разнообразие системы.

Токсичность Al явилась "выстрелом в спину" для человечества. Будучи третьим  по распространенности элементом земной коры и обладая ценными качествами, металлический алюминий нашел широчайшее применение и в технике (уже в 60-е годы Al использовали при производстве около 4 тыс. изделий) и в быту. Опасность алюминия для живых организмов требует не менее тщательного, чем для тяжелых металлов, мониторинга содержания этого элемента в природных средах.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Кенжебаева С.С., Ямомото Е., Матсумото Х. //Физиология растений. – 2001. – Т.41. – № 4. – С. 514–522.
2. Кретович В. Л. Основы биохимии растений.— М.: Высш. шк., 1980.— 445 с.
3. Аристовская Т.В. Микробиологические аспекты плодородия почв // Почвоведение. 1988. № 9.С. 53-63.
4. Евдокимова Г. А. Микробиологическая активность почв при загрязнении тяжелыми металлами // Почвоведение. 1982. №6. С. 125-132.
5. Евдокимова Г. А., Кислых Е. Е., Мозгова Н. П. Биологическая активность почв в условиях аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. Л.: Наука, 1984. 121 с.
6. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Влияние выбросов предприятия цветной металлургии на почву в условиях модельного опыта // Почвоведение. 2000. №5. С.630-638. .
7. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ, 1992. 400 с.
8. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1989. 528 с.
9. Паринкина О.М. Микрофлора тундровых почв. Л.: Наука,1989. 159 с.
10. Реймерс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль. 1990. 639 с.
11. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Экотоксикология тяжелых металлов. Учебное пособие – НГСХА, 2001, 39 с.