Тяжелые металлы

Тяжелые металлы - это элементы периодической системы с относительной молекулярной массой больше 40. Так сложилось, что термины "тяжелые металлы" и "токсичные металлы" стали синонимами. На сегодняшний день безоговорочно к числу токсичных относят кадмий, ртуть, свинец, сурьму.

Наличие значительной части остальных элементов в живых организмах можно оценить только на "отлично". Действительно, металлы в ионной форме входят в состав витаминов, гормонов, регулируют активность ферментов. Установлено, что для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co; в кроветворении - Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co. Справедливо утверждение о том, что нет вредных веществ, есть вредные концентрации.

Поэтому ионы меди, кобальта или даже хрома, если их содержание в живом организме не превышает естественного, можно именовать микроэлементами, если же они генеалогически связаны с заводской трубой, то это уже тяжелые металлы. 
  
Специалистами по охране окружающей среды выделена приоритетная группа наиболее опасных для здоровья человека и животных тяжелых металлов - Cd, Hg, Pb, Cu, As, Ni, Zn, Cr.

Контроль за их содержанием в природных объектах организационно и методически считают одной из самых сложных химико-аналитических процедур в области количественного химического анализа. Связано это, во-первых, с чрезвычайно низкими концентрациями определяемых элементов в объектах окружающей среды (10-7-10-3 %, 0.001-1 мкг/дм3), во-вторых, с многообразием химического состава (матрице) анализируемых объектов. Очень актуальны также вопросы адаптации разработанных химико-аналитических методик к различным объектам исследования, а в научных учреждениях еще и под конкретные научно-исследовательские задачи разного уровня сложности. 
  
Объекты биосферы можно разделить, хотя и достаточно условно, на следующие большие группы: минеральные и органоминеральные (породы, почвы, илы и т.д.); органические (образцы растительного и животного происхождения); вода (поверхностная, подземная, лизиметрическая, сточная, атмосферные осадки и т.д.); воздух.

Все объекты перед анализом требуют предварительной подготовки, характер которой зависит целиком от задачи исследований и химического состава образца. Начальным этапом данной работы следует считать непосредственно процесс отбора проб, который по своему значению не менее важен, чем собственно химико-аналитические измерения. Взятие представительных проб, правильное усреднение образцов в серьезных исследованиях - это четко продуманная и хорошо технически подготовленная процедура.
 
Опыт работы в области аналитической химии окружающей среды, приобретенный, в том числе, и нашей лабораторией, показал, что вариабельность пространственная всегда больше химико-аналитической. Задачу следующего этапа исследований - как можно более полное выделение определяемых элементов из образца в раствор - в аналитической практике решают методом от обратного, а именно: разрушением макроосновы образца или, как говорят химики-аналитики, матрицы. Так, для удаления органической матрицы применяют сухое или мокрое озоление. Сухое озоление предпочтительнее, так как исключает внесение в пробу мешающих или фоновых компонентов. Однако для таких летучих компонентов, как цинк, свинец, кадмий, приемлемо только мокрое озоление или минерализация анализируемого образца.
 
В большинстве случаев именно эта стадия подготовки проб определяет длительность химического анализа, вносит основной вклад в увеличение погрешности измерений, сводя на нет преимущества современных атомно-абсорбционных спектрометров. Альтернативой классическим методикам минерализации, которые проводят при атмосферном давлении, могут служить способы автоклавного вскрытия проб в СВЧ-поле, обеспечивающие максимальную эффективность минерализации, перевод тяжелых металлов в форму гидратированных ионов, исключение потерь легколетучих компонентов.

Принцип метода разрушения органических веществ в СВЧ-минерализаторах основан на окислительном воздействии смеси азотной кислоты и пероксида водорода внутри замкнутого пространства автоклава при высоком давлении и температуре. Именно такой режим работы реализован в СВЧ-минерализаторах "Минотавр".

Аналит, получаемый в результате такой минерализации, идеально сочетается с методом электротермической атомно-абсорбционной спектроскопии. Инструментальный комплекс СВЧ-минерализатор "Минотавр" - атомно-абсорбционный спектрометр нового поколения МГА-915 функционирует в Институте биологии с середины 2001 года.

Химическая природа разлагаемого образца, как правило, не имеет значения, что позволяет унифицировать методики количественного химического анализа и соответственно расширить возможности атомно-абсорбционного определения тяжелых металлов в различных по химическому составу образцах. 
  
Значения массовых долей тяжелых металлов в государственном стандартном образце СБМТ-02  при автоклавной минерализации имеют значительно меньший диапазон варьирования в сравнении с традиционным способом вскрытия смесью концентрированных азотной и хлорной кислот (5:1). Причины большего разброса значений - образование смолообразных продуктов, содержащих металлоорганические соединения, а также концентрирование примесей из кислот-окислителей, большие объемы которых необходимы для полного разрушения органической матрицы.
 
При разложении образцов животной ткани вероятность смолообразования значительно возрастает. Возникающие рыхлые "структуры" разрушающегося органического материала впитывают большие количества кислот-окислителей. В условиях возможного локального перегрева такие системы чрезвычайно взрывоопасны.

При автоклавном вскрытии образцов животной ткани (мышцы, жабры, печень рыб) и растительных материалов условия минерализации практически идентичны. Для более полного разложения образцов животной ткани вводят дополнительную стадию разложения.

Установлены общие для всех видов рыб закономерности - содержание металлов возрастает в ряду Fe-Zn-Cu-Ni-Pb-Cd. Среди интересных фактов - концентрирование меди в печени, марганца - в жабрах, железа - в печени и жабрах. Аномально высокое содержание в тканях щуки меди, свинца, цинка связано с предписанными ей природой "обязанностями" хищника и соответственно депонированием в своем теле всего, что накопили несчастные жертвы.
     
Большой опыт автоклавного вскрытия почв в СВЧ-минерализаторе "Минотавр" показал результаты соответствуюющие аттестованным, погрешности не превышают таковых при традиционном способе разложения.