Некоторые вопросы токсичности ионов металлов - Бингам Ф.Т. Хелаторы ионов металлов переменной валентности Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами

Ионы металлов переменной валентности (Fe2+, Cu+, Мо3+ и др.) играют двойственную роль в живых организмах: с одной стороны, они являются необходимыми кофакторами огромного количества ферментов, а с другой - представляют угрозу для жизни клеток, поскольку в их присутствии усиливается образование высокореакционных гидроксиль­ного и алкоксильного радикалов:

Н202 + Ме"н > ОН’ + ОН“ + Ме(п+|)+

ЯООН + Меп+ > 1Ю* + ОН" + Ме(п+|>+.

Поэтому хелатные соединения (от греческого "хелат" - "клешня краба"), связываю­щие ионы металлов переменной валентности (ферритин, гемосидерин, трансферрины; церулоплазмин; молочная и мочевая кислоты; некоторые пептиды) и тем самым препят­ствующие их вовлечению в реакции разложения перекисей, представляют собой важный компонент антиоксидантной защиты организма . Считается, что хелаторы являются главными в защите от окисления сывороточных белков и клеточных рецепторов, так как в межклеточных жидкостях отсутствует или значительно ослаблено ферментативное разложение перекисей, хорошо проникающих через клеточные мембра­ны . О высокой надёжности секвестрации ионов металлов переменной валент­ности с помощью хелатирующих соединений свидетельствует выявленный группой То­маса В. О’Хэллорана факт (в качестве модели использовались клетки дрожжей), что концентрация свободных* ионов меди в цитоплазме не превышает 10"18 М - это на много порядков меньше, чем 1 атом Си на клетку .

Помимо "профессиональных" хелаторов, обладающих высокой ионсвязывающей способностью, существуют так называемые "хелаторы железа, активируемые окисли­тельным стрессом" . Аффинность этих соединений к железу относительно низка, но в условиях окислительного стресса они сайт-специфично окисляются, что превращает их в молекулы с сильной железосвязывающей способностью. Считается, что такой про­цесс локальной активации позволяет минимизировать в организме потенциальную ток­сичность "сильных хелаторов", которые могут вмешиваться в метаболизм железа. Неко­торые хелаторы, такие как металлотионеины, в организмах млекопитающих связывают атомы тяжелых металлов (Хп, Сб, Ш,...) и участвуют в их детоксикации.

Еще по теме ХЕЛАТОРЫ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ВАЛЕНТНОСТИ:

1. НовикА. А., Ионова Т. И.. Руководство по исследованию качества жизни в медицине. 2-е издание / Под.ред. акад. РАМН Ю.Л.Шевченко,- М.:ЗАО «ОЛМА Медиа Групп»2007, 2007
2. ГЛАВА 3 ЛЕЧЕБНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СРЕДНЕЙ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
3. Проба с переменой положения тела (ортостатическая проба)
4. Спектр фармакологической активности солей тяжелых металлов

Свыше 25% всех ферментов содержат прочно связанные ионы металлов или активны только в их присутствии. Для изучения функций ионов металлов используются методы рентгеновской кристаллографии, ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В сочетании со сведениями об образовании и распаде

Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами

Металлоферменты содержат определенное количество ионов металлов, имеющих функциональное значение и остающихся связанными с молекулой фермента в ходе его очистки. Ферменты, активируемые металлами, связывают последние менее прочно, но для своей активности требуют добавления металлов в среду. Таким образом, разграничение между металлоферментами и ферментами, активируемыми металлами, основано на сродстве данного фермента к иону «своего» металла. Механизмы, основанные на участии ионов металлов в катализе, в обоих случаях, по-видимому, сходны.

Тройные комплексы фермент-металл - субстрат

Для тройных (трехкомпонентных) комплексов, включающих каталитический центр ион металла (М) и субстрат (S) со стехиометрией 1:1:1, возможны четыре различных схемы образования:

В случае ферментов, активируемых металлами, реализуются все четыре схемы. Для металлофермен-тов образование комплекса невозможно, иначе они не могли бы удерживать металл в процессе очистки (они находятся в форме ). Можно сформулировать три общих правила.

1. Большинство (но не все) киназ (-трансферазы) образуют комплексы с мостиковым субстратом типа -нуклеозид-М.

2. Фосфотрансферазы, использующие в качестве субстрата пируват или фосфоенолпируват, другие ферменты, катализирующие реакции с участием фосфоенолпирувата, а также карбоксилазы образуют комплексы с мостиковым металлом.

3. Данный фермент может быть способен к образованию мостикового комплекса одного типа с одним субстратом и другого типа - с другим.

Комплексы с мостиковым ферментом (М-Enz-S)

Металлы в комплексах с мостиковым ферментом, по-видимому, выполняют структурную роль, поддерживая активную конформацию (примером служит глутаминсинтаза), или образуют мостик с другим субстратом (как в пируваткиназе). В пируваткиназе ион металла играет не только структурную роль, но и удерживает один из субстратов (АТР) и активирует его:

Комплексы с мостиковым субстратом

Образование тройных комплексов с мостиковым субстратом, которое наблюдается при взаимодействии ферментов с нуклеозидтрифосфатами, по-видимому, связано с выстеснением из координационной сферы металла, место которой занимает АТР.

Затем субстрат связывается с ферментом, образуя тройной комплекс:

В фосфотрансферазных реакциях ионы металлов, как полагают, активируют атомы фосфора и образуют жесткий полифосфат-адениновый комплекс в соответствующей конформации, который включается в состав активного четырехкомпонентного комплекса.

Комплексы с мостиковым металлом

Кристаллографические данные, а также анализ первичной структуры показывают, что в активных центрах многих белков в связывании металла участвует остаток гистидина (примерами служат карбоксипептидаза А, цитохром с, рубредоксин, метмиоглобин и метгемоглобин; см. гл. 6). Лимитирующей стадией образования бинарных (двухкомпонентных) комплексов Enz-М во многих случаях является вытеснение воды из координационной сферы иона металла. Активация многих пептидаз ионами металла является медленным процессом, длящимся несколько часов. Эта медленная реакция,

по всей вероятности, состоит в конформационной перестройке бинарного комплекса Enz-М, приводящей к формированию активной конформации. Этот процесс можно представить таким образом:

Перестройка с образованием активной конформации (Enz:

В случае металлоферментов образование тройного комплекса с мостиковым металлом должно происходить путем присоединения субстрата к бинарному комплексу:

Роль металлов в катализе

Ионы металлов могут участвовать в каждом из четырех известных типов механизмов, с помощью которых ферменты ускоряют химические реакции: 1) общий кислотно-основный катализ; 2) ковалентный катализ; 3) сближение реактантов; 4) индукция напряжения в ферменте или субстрате. Помимо ионов железа, которые функционируют в гемсодержащих белках, в ферментативном катализе чаще всего участвуют , хотя в работе некоторых ферментов важную роль играют и другие ионы (например, ).

Ионы металлов, как и протоны, являются льюисовыми кислотами (электрофилами) и могут образовывать со своими лигандами -связь за счет поделенной электронной пары. Ионы металлов можно рассматривать также как «сверхкислоты», поскольку они устойчивы в нейтральном растворе, часто несут положительный заряд (> 1) и способны к образованию -связей. Кроме того (в отличие от протонов), металлы могут служить трехмерной матрицей, ориентирующей основные группы фермента или субстрата.

Ионы металлов могут функционировать как акцепторы электронов с образованием или -связей, активируя электрофилы или нуклеофилы (общий кислотно-основный катализ). Металлы могут активировать нуклеофилы, отдавая электроны, или же сами действовать как нуклеофилы.

Таблица 9.1. Примеры, иллюстрирующие роль ионов металлов в механимс лсйсгвия ферментов

Координационная сфера металла может обеспечивать контактирование фермента и субстрата (сближение) либо путем образования хелатов переводить фермент или субстрат в напряженное состояние. Ион металла может маскировать нуклеофил, предотвращая побочные реакции. Наконец, возможен стереохимический контроль хода ферментативной реакции, который обеспечивается способностью координационной сферы металла играть роль трехмерной матрицы, удерживающей реагирующие группы в нужной пространственной ориентации (табл. 9.1).

ЛИТЕРАТУРА

Crane F. Hydroquinone dehydrogenases, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2nd ed., Freeman, 1985. [Имеется перевод 1-го издания: Фёршт Э. Структура и механизм действия ферментов.- М.: Мир, 1980.]

Kraut J. Serine proteases: Structure and mechanism of catalysis, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mechanism of enzyme action, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Enzyme kinetics and mechanisms. Parts A and B. In: Methods in Enzymology, Vol. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Academic Press.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reactions, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Biotin enzymes, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

Исследования особенностей аккумуляции тяжелых металлов древесными растениями связаны с необходимостью оценки биосферных и средостабилизирующих функций древесных, выполняющих роль фитофильтра на пути распространения поллютантов в окружающей среде. Древесные растения поглощают и нейтрализуют часть атмосферных поллютантов, задерживают пылевые частицы, сохраняя прилегающие территории от пагубного воздействия экотоксикантов.

Взаимодействие растений с металлами, которые находятся в атмосфере и почвогрунтах, с одной стороны, обеспечивает миграцию элементов в пищевых цепях, при том, что эти элементы являются необходимыми составными компонентами растений; с другой стороны - происходит перераспределение избытков некоторых элементов, в основном техногенного происхождения, в биосфере. Способность растений концентрировать в своих органах и тканях часть промышленных эксгалатов используется человеком уже многие десятилетия.

Особенности перераспределения металлов в системе "почва-растения" позволяют сделать вывод, что аккумулирующая способность древесных растений во многом зависит от условий произрастания и способности растений препятствовать проникновению металлов внутрь организма

Показано, что насаждения березы бородавчатой и лиственницы Сукачева по сравнению с насаждениями сосны обыкновенной обладают наибольшей способностью к аккумуляции техногенных металлов.

Накопление металлов растениями, несомненно, определяет их средостабилизирующую и биосферную функции. Однако основы устойчивости и адаптивного потенциала растений в условиях техногенеза во многом остаются неизученными. Полученные данные о морфофизиологических изменениях в древесных растениях в техногенных условиях позволяли сделать заключение об отсутствии специфических реакций растений на различных уровнях организации - молекулярном, физиологическом, клеточном и тканевом.

Изучение влияния металлов на содержание пигментов в листьях тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) показало, что сумма хлорофиллов и каротиноидов к концу эксперимента в опытных образцах снижается (в случае ионов К+, Са2+, Mg2+ и Рb2+), увеличивается (ионы Ва2+ и Zn2+) и не изменяется (ионы Na+, Mn2+ и Си2+) по сравнению с контрольными. При действии на растения ионов металлов изменяется соотношение пигментов. Известно, что основным из фотосинтетических пигментов растений является хлорофилл А. При уменьшении содержания хлорофилла А в листьях происходит увеличение доли вспомогательных пигментов - хлорофилла В или каротиноидов, что может рассматриваться как адаптивная реакция ассимиляционного аппарата растений тополя бальзамического на избыток ионов металлов в растительном субстрате.

Установлено, что изменения в соотношении различных пигментов в листьях опытных растений в результате действия ионов К+ в длительном эксперименте выглядит следующим образом: снижается доля хлорофилла А и каротиноидов и резко увеличивается количество хлорофилла В, затем отмечается значительное снижение доли хлорофилла В при увеличивающемся количестве каротиноидов, к концу эксперимента соотношение пигментов несколько отличается от контрольного - возрастает доля каротиноидов при снижении доли хлорофиллов в листьях. Ионы Na+ и Са2+ в целом обуславливают сходный характер изменений соотношения отдельных пигментов за исключением 12- и 24-х суток эксперимента, когда доля хлорофилла В значительно возрастает по отношению к хлорофиллу А и каротиноидам при действии Са2+. Действие ионов Mg2+ характеризуется довольно резкими изменениями в соотношении отдельных пигментов в листьях тополя бальзамического на протяжении всего эксперимента. Следует отметить, что к концу эксперимента доля хлорофилла А в листьях опытных растений по сравнению с контролем снижается.

При действии Ва2+, Zn2+ и Рb2+ происходят скачкообразные изменения содержания пигментов в листьях тополя бальзамического. Показано, что большую часть эксперимента количество хлорофилла А в листьях опытных растений было меньше относительно контрольных образцов. К концу эксперимента отмечается снижение доли хлорофилла А при увеличении долей хлорофилла В и каротиноидов в листьях опытных растений относительно контрольных образцов.

Ионы Мn2+ и Сu2+ оказывают угнетающее действие на пигментный комплекс листьев тополя бальзамического в первой половине эксперимента, что выражается в снижении относительного количества хлорофилла А и увеличении доли второстепенных пигментов; во второй половине эксперимента доля хлорофилла А по сравнению с другими пигментами увеличивается относительно контроля (в отличие от других металлов). При этом доля хлорофилла В и каротиноидов снижается.

Ионы металлов оказывают различное влияние на дыхание листьев тополя бальзамического (Populus balsamifera L.). Исследования в этом направлении позволили выделить несколько типов ответных реакций, выражающихся в изменении дыхания листьев: 1) после воздействия металлов (до 9-х суток) дыхание листьев опытных растений тополя резко снижается относительно контроля, затем отмечается увеличение дыхания (15-е сутки), повторное резкое снижение (24-е сутки) и нормализация дыхания к концу эксперимента - для ионов Ва2+, Mg2+ и Рb2+; 2) сразу после обработки растений значение дыхания листьев резко снижается, затем наблюдается увеличение, после чего отмечается повторное незначительное снижение и нормализация дыхания - для ионов К+ и Сu2+; 3) вначале происходит увеличение, затем резкое снижение, а на 15-е сутки нормализация дыхания листьев опытных растений - для ионов Na+ и Мn2+ и 4) ионы металлов не оказывают значительного влияния на дыхание листьев, происходят лишь незначительные изменения дыхания опытных растений в ходе эксперимента для ионов Zn2+.

По характеру изменений дыхания листьев тополя Са2+ можно отнести к первой группе. Однако в отличие от бария, магния и свинца, отнесенных к этой группе, при действии Са2+ не происходит нормализации дыхания листьев опытных растений к концу эксперимента.

Выживание растений в условиях солевого стресса, каковым может считаться избыточное содержание катионов в окружающей среде, неизбежно сопряжено с увеличивающимися затратами энергии, высвобождающейся при дыхании. Эта энергия расходуется на поддержание баланса элементов между растением и окружающей средой. Интенсивность дыхания и изменения дыхания растений, таким образом, могут служить интегративными показателями состояния организма в условиях стресса. Установлено, что при действии ионов К+, Na+, Ba2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, Cu2+ и Рb2+ происходит полное восстановление дыхания листьев тополя бальзамического в течение 30 суток. Лишь в случае с Са2+ отмечается 30 %-е снижение дыхания листьев опытных растений.

Обнаружение поливариантности ответных реакций тополя на резкое увеличение концентрации металлов в окружающей среде, выражающейся в изменении дыхания и содержания пигментов фотосинтеза в листьях, позволяет сделать заключение о функционировании комплекса адаптивных механизмов на молекулярно-физиологическом уровне, работа которого направлена на стабилизацию энергетических затрат в условиях стресса. Следует отметить, что полное восстановление дыхания происходит как в случае с высокотоксичными ионами (Рb2+ и Сu2+), так и в случае с ионами макроэлементов (Na+ и К+) и микроэлементов (Mg2+ и Мn2+). Кроме того, механизмы интоксикации высокотоксичных ионов (Рb2+ и Сu2+) сходны с механизмами интоксикации малотоксичных ионов (Mg2+ и К+).

Металлы являются неотъемлемой составной частью природных биогеохимических циклов. Перераспределение металлов происходит за счет процессов выветривания и вымывания горных пород, вулканической деятельности, природных катаклизмов. В результате этих природных явлений нередко формируются природные геохимические аномалии. В последнее столетие интенсивная хозяйственная деятельность человека, связанная с добычей и переработкой полезных ископаемых привела к образованию техногенных геохимических аномалий.

На протяжении многих веков древесные растения приспосабливались к изменениям, которые естественным образом происходили в окружающей среде. Формирование адаптивного комплекса растений к условиям обитания связаны с масштабами этих изменений и скоростью их протекания. В настоящее время антропогенный пресс по интенсивности и своим масштабам нередко превосходит влияние экстремальных природных факторов. На фоне выявления феномена экологической видоспецифичности древесных растений установление факта отсутствия у растений металл-специфических ответных реакций имеет эколого-эволюционное значение, ставшее основой успешного их роста и развития в условиях действия экстремальных природных и техногенных факторов..

Год выпуска: 1993

Жанр: Токсикология

Формат: DjVu

Качество: Отсканированные страницы

Описание: Значение ионов металлов для жизненно важных функций живого организма - для его здоровья и самочувствия - становится все более и более очевидным. Вот почему столь долго отвергаемая как самостоятельная область бионеорганическая химия развивается сейчас бурными темпами. Организованы и творчески работают научно-исследовательские центры, занятые синтезом, определением устойчивости и констант образования, структурой, реакционной способностью биологически активных металлсодержащих соединений как низкой, так и высокой молекулярной массы. Исследуя метаболизм и транспорт ионов металлов и их комплексов, конструируют и опробывают все новые модели сложных природных структур и процессы, с ними протекающие. Ну и, конечно, главное внимание уделяется взаимосвязи между химией ионов металлов и их жизненно важной ролью.
Нет сомнений в том, что мы в самом начале пути. Именно с целью связать координационную химию и биохимию в самом широком смысле этих слов и задумана была серия «Ионы металлов в биологических системах», покрывающая широкое поле бионеорганической химии. Итак, мы надеемся, что именно наша серия поможет сломать барьеры между исторически сложившимися сферами химии, биохимии, биологии, медицины и физики; мы ожидаем, что большое число выдающихся открытий будет сделано в междисциплинарных сферах науки.
Если книга «Некоторые вопросы токсичности ионов металлов» окажется стимулом для возникновения новой активности в этой области, то она послужит хорошему делу, равно как и доставит удовлетворение за труд, затраченный ее авторами.

«Некоторые вопросы токсичности ионов металлов»

Г. Спозито. Распределение потенциально опасных следов металлов

1. Потенциально опасные следы металлов
2. Токсичность ионов металла и атомная структура

Распределение следовых металлов в атмосфере, гидросфере и литосфере

1. Концентрация в атмосфере
2. Концентрация в гидросфере
3. Концентрация в литосфере

Обогащение металлом и перенос металла

1. Факторы обогащения металлом
2. Скорость переноса металла

Р. Мартин. Бионеорганическая химия токсичных ионов металлов
Необходимость и токсичность ионов металлов
Свойства ионов металлов

1. Ионные радиусы
2. Ряды устойчивости
3. Сравнение устойчивости соединений металлов
4. Гидролиз иона металла
5. Жесткие и мягкие кислоты и основания
6. рН-зависимость устойчивости
7. Преимущественные места связывания иона металла
8. Скорости лигандного обмена

Обзор по ионам металлов

1. Ионы щелочных металлов
2. Литий
3. Магний
4. Кальций
5. Барий и стронций
6. Бериллий
7. Лантаноиды
8. Алюминий
9. Молибден
10. Марганец
11. Железо
12. Кобальт
13. Никель
14. Кадмий
15. Ртуть
16. Таллий
17. Свинец

Пути воздействия металлов на организм
Э. Эйхенбергер. Взаимосвязь между необходимостью и токсичностью металлов в водных экосистемах
Необходимые металлы

1. Требования к необходимым металлам
2. Недостаток металлов в природной окружающей среде

Поступление и усвоение металлов

1. Поступление металлов
2. Роль пищи и питьевой воды для поступления металлов
3. Роль хелатообразователей, выделяемых водными организмами

Токсичность как результат избытка необходимых металлов

1. Механизм токсичности металлов
2. Чувствительность к необходимым металлам
3. «Функциональные выражения токсичности
4. Факторы окружающей среды, влияющие на токсичность

Толерантность по отношению к металлам

1. Толерантность в природе
2. Механизм толерантности

Влияние необходимых металлов на водные популяции

1. Лабораторные исследования простых цепей питания
2. Реакции в сложной полуприродной популяции
3. Взаимодействие необходимых металлов с железом

Г.К. Пагенкопф. Тип иона металла и его токсичность в водных системах
Химическая модель токсичности
Применение модели к токсичности меди
Применение модели к токсичности кадмия
Применение модели к токсичности свинца
Применение модели к токсичности цинка
Ф.Т. Бингам, Ф.Д. Перьа, У.М. Джерелл. Токсичность металлов в сельскохозяйственных культурах
Кадмий

1. Соединения кадмия в почве
2. Доступность кадмия
3. Токсичность Cd сравнительно с Сu, Ni и Zn
4. Коррекция содержания Cd в почве

Медь

1. Соединения меди в почве
2. Доступность меди для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания Сu в почве

Цинк

1. Соединения цинка в почве
2. Доступность цинка для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания Zn в почве

Марганец

1. Соединения марганца в почве
2. Доступность для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания марганца в почве

Никель

1. Формы никеля в почве
2. Доступность для растений
3. Симптомы и диагностика
4. Коррекция содержания никеля в почве

П.Б. Хэммонд, Э.К. Фолкс. Токсичность иона металла в организме человека и животных
Свинец

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция свинца в организме
3. Токсичность свинца

Мышьяк

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция мышьяка в организме
3. Токсичность мышьяка

Ванадий

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция ванадия в организме
3. Токсичность ванадия

Ртуть

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция ртути в организме
3. Токсичность ртути

Кадмий

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция кадмия в организме
3. Токсичность кадмия

Никель

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция никеля в организме
3. Токсичность никеля

Хром

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция хрома в организме
3. Токсичность хрома

Уран

1. Общие аспекты
2. Абсорбция, распределение и экскреция урана в организме
3. Токсичность урана

М.Р.С. Фокс, P.M. Джекобе. Пища человека и токсичность иона металла
Потребление пищи и статус питания в США
Селен

1. Необходимость, функции, эффекты недостаточности и потребности организма
2. Абсорбция, метаболизм и экскреция в организме
3. Токсичность селена для животных
4. Токсичность селена для человека
5. Взаимодействия селена с компонентами пищи человека

Цинк

1. Необходимость, функция, эффекты недостаточности, потребность
2. Влияние избытка цинка на организм животных
3. Влияние избытка цинка на организм человека
4. Взаимодействие цинка с компонентами пищи человека

Алан Леонард. Нарушения в хромосомах под действием тяжелых металлов
Генетические изменения в периферических лимфоцитах крови

1. Общие характеристики системы периферических лимфоцитов крови
2. Структурные хромосомные аномалии, вызываемые кластогенами
3. Обмен сестринских хроматид
4. Помехи для цитогенетического анализа культуры лимфоцитов

Результаты цитогенетического мониторинга для контактировавших с тяжелыми металлами

1. Мышьяк
2. Кадмий
3. Свинец
4. Ртуть
5. Никель
6. Другие металлы

М. Коста, Дж. Д. Хек. Канцерогенность ионов металлов
Поглощение клеткой и внутриклеточное распределение ионов металлов

1. Селективный фагоцитоз металлсодержащих частиц
2. Поглощение ионов металлов и важность механизма поступления металла
3. Локализация канцерогенных ионов металлов в ядре и ядрышке

Нарушения в ДНК, вызываемые канцерогенными металлами
Влияние ионов металлов на рост клетки, репликацию и репарацию ДНК
Опухолевая активность металлов и взаимосвязь между мутагенезом и канцерогенезом
Ингибирование трансформации и канцерогенеза двухвалентными ионами металлов
Дж. Д. Хек, М. Каста. Методы оценки токсичности иона металла in vitro

1. Токсикология in vitro
2. Ионы металлов в системах in vitro

Биохимические методы

1. Биохимическая оценка цитотоксичности ионов металла
2. Биохимическая оценка генотоксичности иона металла

Микробиологические методы
Методы с использованием культуры клеток млекопитающих

1. Оценка металлоионной цитотоксичности
2. Оценка «генотоксичности» иона металла

Г. Зейлер. Некоторые проблемы анализа биологических материалов на содержание токсичных элементов в следах
Общие аспекты анализа элементов в следах
Выбор инструментария и реактивов
Отбор образца

1. Жидкие образцы
2. Отбор образцов тканей

Хранение, сушка, гомогенизация
Взятие проб и аликвот
6. Подготовка проб

1. Обработка кислотой
2. Комплексообразование, экстракция и обогащение
3. Минерализация

Э. Нибоер, Ф.Э. Россетто, К.Р. Менон. Токсичность соединений никеля
Источники воздействия никеля на человеческий организм

1. Непрофессиональные источники
2. Профессиональные источники

Отравление карбонилом никеля

1. Очистка никеля путем его карбонилирования
2. Клиническая оценка действия никеля и лечение
3. Патогенез и механизм токсического действия

Сверхчувствительность к никелю

1. Клинические аспекты контактных никелевых дерматитов
2. Иммунный механизм контактных никелевых дерматитов
3. Профессиональная астма под действием никеля

Канцерогенность никеля

1. Эпидемиологические данные и опыты на животных
2. Определяющие факторы и модель никелевого канцерогенеза

Токсикология воздействия на гены

1. Задачи исследования
2. Мутагенность в прокариотических и эукариотических системах
3. Трансформация культуры клеток млекопитающих
4. Хромосомные и ДНК-нарушения и связанные с этим эффекты

Другие эффекты воздействия никеля на организм

1. Токсичность для почек
2. Влияние на воспроизводство и развитие
3. Иммунотоксичность
4. Кардиотоксичность

Д. Керр, М.К. Уорд. Отравление алюминием: история его клинического определения
История обнаружения токсичности алюминия

1. Алюминий в окружающей среде
2. О роли избытка алюминия при почечной недостаточности

Распознавание заболевания, вызванного алюминием

1. Диализная энцефалопатия
2. Диализная остеодистрофия
3. Подавление функции околощитовидной железы
4. Микроцитарная анемия

Регуляция интоксикации алюминием при почечной недостаточности

1. Введение обработки воды
2. Заменители гидроксида алюминия
3. Поиски других источников

М.Р. Уиллз, Дж. Сэйвори. Токсичность алюминия и хроническая почечная недостаточность
Источники поступления алюминия

1. Алюминийсодержащие лекарственные препараты
2. Диализат

Абсорбция алюминия в желудочно-кишечном тракте

Во многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют различные соединения ртути, хрома, кадмия, цинка, свинца, меди, никеля, мышьяка и другие вещества, что ведет к загрязнению ими сточных вод. Для удаления этих веществ из сточных вод в настоящее время наиболее распространены реагентные методы очистки, сущность которых заключается в переводе растворимых в воде веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их от воды в виде осадков. Недостатком реагентных методов очистки является безвозвратная потеря ценных веществ с осадками.

В качестве реагентов для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды натрия, различные отходы, например феррохромовый шлак, который содержит (в %):

Сa – 51,3; МgО – 9,2; SiO2 – 27,4; Cr2O3 – 4,13; Al2O3 – 7,2, FeO2 – 0,73.

Наиболее широко используется гидроксид кальция. Осаждение металлов происходит в виде гидроксидов. Процесс проводится при различных значениях рН.

Значения рН, соответствующие началу осаждения гидроксидов различных металлов и полному осаждению (табл. 1.10), зависят от природы металлов, концентрации их в растворе, температуры, содержания примесей. Например, при совместном осаждении двух или нескольких ионов металлов при рН = const; достигаются лучшие результаты, чем при осаждении каждого из металлов в отдельности. При этом образуются смешанные кристаллы и происходит адсорбция на поверхности твердой фазы ионов металлов, благодаря чему достигается более полная очистка от некоторых металлов.

Таблица 1.10

Значения рН в процессе осаждения гидроксидов металлов

* При исходной концентрации осаждаемого иона 0,01 моль/л.

** Значения рН соответствуют остаточной концентрации металла 10 моль/л.

Очистка от соединений ртути. Сточные воды, загрязненные ртутью и ее соединениями, образуются при производстве хлора и едкого натра, в других процессах электролиза с использованием ртутных электродов, на ртутных заводах, в некоторых гальванических производствах, при изготовлении красителей, углеводородов, на предприятиях, использующих ртуть как катализатор.

В производственных сточных водах может присутствовать металлическая ртуть, неорганические и органические ее соединения. Неорганические соединения ртути: оксид – НgО, хлорид (сулема) – НgС12, сульфат – НgSO4, сульфид (киноварь) – НgS, нитрат – Нg(NO3)2, цианид – Нg(NCS)2, тиоцианат – Нg(OCN)2, цианат – Нg(OCN)2. В неорганических соединениях токсичны главным образом ионы Hg2+, поэтому наиболее опасны хорошо растворимые и легко диссоциирующие соли.

Органические соединения ртути применяют при консервировании древесины, при синтезе металлорганических соединений, как ядохимикаты, для защиты пластических материалов, бумажной массы и текстиля, казеиновых клеев от плесневых грибков. Органические соединения ртути весьма токсичны и отличаются от неорганических солей тем, что не дают реакции на ионы Нg. В водоемах ртуть под влиянием органических соединений, содержащихся в природных водах, превращается в сильнотоксичные соединения. Предельно допустимая концентрация ртути в водоемах равна 0,005 мг/л.

Металлическая ртуть может быть удалена из сточных вод в процессах отстаивания или фильтрования. Частицы, прошедшие с фильтратом или не успевшие осесть, окисляют хлором или NaOCl доHgCl2. Затем воду обрабатывают восстановителем (NaHSO4 или Na2SO3) для их удаления и связывания остатков свободного хлора. Ртуть осаждают сульфидом натрия с последующим коагулированием образующегося сульфида ртути хлоридом железа. Очистка может быть осуществлена смешанной солью – сульфидом железа и сульфатом бария.

Для выделения из сточных вод ртути используют методы восстановления: сульфидом железа, гидросульфидом натрия, гидразином, железным порошком, газообразным сероводородом и др. Широко изучаются сорбционные методы очистки от ртути. Весьма эффективным является ионный обмен с винилпиридиновыми сорбентами, емкость которых доходит до 40 %. Наиболее распространенным способом удаления растворимых в воде соединений ртути является перевод их в трудно растворимый сульфид ртути и осаждение его.

Произведение растворимости HgS в воде равно 1,6-10–20, что отвечает остаточной концентрации в растворе, равной 2,5-10–21 мг/л. Для осаждения Нg в сточные воды сначала добавляют сульфид натрия, гидросульфид натрия или сероводород. Затем обрабатывают воду хлоридами натрия, калия, магния, кальция или сульфитом магния в количестве 0,1 г/л. В этих условиях сульфид ртути осаждается в виде гранул. Для удаления тонкодисперсных коллоидных частичек сульфида ртути целесообразно добавлять коагулянты Al(SO4)3∙18H2O, FeSO4∙7H2O и др.

Осадок сульфида ртути отделяют от сточных вод на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах. Отделение НgS до остаточной концентрации 0,001 мг/л можно обеспечить и на угольных фильтрах. Отработанный уголь, содержащий сульфид ртути, сжигают в печи или подвергают обработке для рекуперации ртути. Для удаления из растворов соединений ртути можно использовать и свежеосажденный сульфид железа, который получают при взаимодействии ионов S2– или FeSO4∙7H2O, FeCl3∙6H2O. Для очистки может быть применена и смесь сульфида железа с сульфатом бария при избытке сульфида железа. Растворенные неорганические соединения ртути можно восстанавливать до металлической ртути с последующим выделением из воды.

Кроме методов осаждения для очистки сточных вод от неорганических соединений ртути могут быть использованы и сорбционные методы.

Изучен процесс образования амальгамы ртути в электрическом поле. Способ пригоден для очистки сточных вод, содержащих от 0,01 до 100 мг/л соединений ртути. В этом процессе сточная вода фильтруется через слои стеклянных шаров, покрытых медью или цинком. Шары являются катодом, а наружный корпус аппарата – анодом. При регенерации фильтрующей загрузки производят переполюсовку электродов.

Органические соединения ртути сначала разрушают окислением, например газообразным хлором. После удаления избытка хлора катионы ртути восстанавливают до металлической или переводят в труднорастворимые сульфиды с последующим удалением осадка.

Очистка от соединений цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта. Соли этих металлов содержатся в сточных водах горно-обогатительных фабрик, металлургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, химических, химико-фармацевтических, лакокрасочных, текстильных и др. заводов.

При обработке кислых вод оксидом кальция и гидроксидом натрия ионы указанных тяжелых металлов, содержащиеся в стоках, связываются в трудно растворимые соединения. Состав солей зависит от рН среды. Так, при рН = 7 осаждается гидроксидсульфат цинка состава ZnSO4∙3Zn(OH)2, а при повышении рН до 8,8 составу осадка соответствует формула ZnSO4∙5Zn(OH)2. В сильнощелочной среде твердая фаза представляет собой в основном гидроксид.

При обработке стоков, содержащих соли цинка, гидроксидом натрия дозирование реагента необходимо проводить при строгом контроле за рН обрабатываемого стока с тем, чтобы не создать условии для растворения амфотерных гидроксидов. Выделение катионов Zn2+ щелочами основано на переводе их в трудно растворимых гидроксид цинка:

Произведение растворимости гидроксида цинка составляет 7,1

1018, началу выпадения в осадок соответствует рН = 5,4. При рН = 10,5 начинается растворение амфотерных гидроксидов цинка, а при достижении рН = 12 происходит образование комплекса:

Исходя из этого, очистку следует проводить при рН = 8-9. В этих условиях происходит максимальное осаждение гидроксида цинка.

При действии соды на сточные воды, содержащие соли цинка, образуются гидроксокарбонаты:

При значениях рН от 7 до 9,5 образуется основной карбонат состава , начиная с рН = 10 доля гидроксида возрастает.

Хотя осаждение основных карбонатов начинается при более низких значениях рН, чем соответствующих гидроксидов, расход соды на осаждение выше, чем при использовании едкого натра или извести. Это объясняется тем, что при осаждении тяжелых металлов содой процесс идет через стадию образования гидрокарбонатов и для завершения реакции требуется избыток реагента.

Выделение диоксида углерода в результате осаждения содой ведет к тому, что пузырьки газа обволакивают частицы осадка и поднимают их, способствуя всплытию части осадка в отстойниках. Газ необходимо удалять продувкой воздухом по достижении рН = 4,5.

К недостаткам едкого натра и соды как реагентов следует отнести также их относительно высокую стоимость и дефицитность.

Очистка сточных вод от меди связана с осаждением ее в виде гидроксида или гидроксидкарбоната:

Осаждение гидроксида меди происходит при pH = 5,3.

Растворимость гидроксикорбаната меди ничтожно мала, поэтому наиболее выгодно осаждать медь в виде основного карбоната. Для этого в растворе нейтрализующего агента необходимо иметь одновременно как гидроксидные, так и карбонатные ионы. Следовательно, применение для осаждения меди только щелочей или извести высшего сорта, дающих гидроксид-ионы, нецелесообразно. Лучшим реагентом для очистки сточных вод от катионов меди является известь III сорта, содержащая «недожиг» (СаСО3).

Возможен процесс извлечения меди из сточных вод осаждением ферроцианидом калия. Этот реагент может быть использован и для осаждения других ионов тяжелых металлов.

Для удаления из сточных вод меди и кадмия разработан процесс контактирования их с диоксидом серы или сульфитами и порошкообразным металлом, например, цинком или железом. При этом металл восстанавливает сульфиты до сульфидов, которые с тяжелыми металлами образуют труднорастворимые сульфиды. При рН = 2 и температуре сточных вод 50 0С, при которых проводится процесс, достигается высокая степень очистки.

Очистка сточных вод от никеля основана на выделении его из раствора в виде труднорастворимых соединений:

Осаждение гидроксида никеля начинается при рН=6,7. Произведение растворимости Ni(OH)2 равно 2,0-10–18 . Так же как и для меди, концентрация катионов никеля чрезвычайно зависит от рН: при pH = 8,0 она составляет 23,5 мг/л, а при рН = 9,5 только 0,5 мг/л. Произведение растворимости карбоната никеля выше, чем гидроксида и равно 6, 6-10–9. Растворимость гидроксидкарбонат никеля практически равна нулю, поэтому для наиболее полного удаления никеля следует (так же как и для меди) применять известь III сорта, содержащую СаСО3.

Находящиеся в растворе катионы свинца переводят в осадок в виде одного из трех труднорастворимых соединений:

Началу выпадения в осадок гидроксида свинца соответствует рН = 6,0. Произведение его растворимости равно 1,1 10– 20 , карбоната свинца – 1,0 – 10–13. Основной карбонат свинца в воде нерастворим. Приведенные данные показывают, что для очистки от свинца применимы все три метода. Наиболее дешевым из них является получение карбоната свинца с использованием в качестве реагента осадителя известняка, мела, мрамора. Ввиду того, что они являются твердыми минеральными породами, их можно применять в качестве загрузки фильтров, через которые профильтровывают очищаемые стоки.

Несмотря на то, что в сточных водах обычно содержатся катионы нескольких металлов, применение для удаления каждого из них специфического осадителя метода невозможно. Поэтому сточную воду обрабатывают обычно гидроксидом кальция (известковым молоком), приготовляемым из извести III сорта; при этом происходит одновременное осаждение катионов тяжелых металлов в виде гидро-ксолей, гидроксидов и карбонатов. Установлено, что при совместном осаждении нескольких металлов достигаются лучшие результаты, чем при осаждении каждого из металлов в отдельности. Это связано с образованием смешанных кристаллов и адсорбцией ионов металлов на поверхности твердой фазы.

Для повышения степени очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, предложено после осаждения их гидроксидов известью при pH – 8,5 и отделения осадка вводить в осветленную сточную воду раствор в количестве, в 5-30 раз превышающем стехиометрическую норму. После отделения осадка сточная вода с небольшим содержанием ионов тяжелых металлов может быть возвращена в систему оборотного водоснабжения.

Обработка сточных вод щелочными реагентами позволяет снизить содержание тяжелых металлов в растворе до величин, сопоставимых с ПДК для водоемов санитарно-бытового пользования. Однако когда требуется более глубокая очистка, например, при непосредственном сбросе в рыбохозяйственные водоемы, очистка щелочными реагентами не дает необходимого эффекта.

Более глубокая очистка от тяжелых металлов достигается при обработке сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорастворимых соединений – гидроксидов и карбонатов.

Для удаления небольших количеств ионов тяжелых металлов, возможно, использовать пирит. Процесс можно проводить фильтрованием сточной воды через гранулированный пирит или непосредственным введением порошка в сточную воду. Кроме пирита для этой цели можно использовать сульфид любого другого нетоксичного металла, произведение растворимости которого больше произведения растворимости сульфида извлекаемого из сточной воды металла.

Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы для интенсификации процесса их осаждения в сточные воды необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов используют электролиты с многозарядными катионами – обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гидроксидов требуется электролит с многозарядными анионами, т.к. коллоидные частицы заряжены положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы. Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц. Для ускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиакриламид. Добавка его в количестве 0,01 % от массы сухого вещества увеличивает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2-3 раза.

Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с отделением осадков показана на рис. 1.59.

Недостатком такой очистки является образование большого количества трудно обезвоживаемого шлама. Кроме того, очищенная вода содержит большое количество солей кальция, поэтому ее трудно использовать в оборотном водоснабжении. Исходя из этого, предложено обрабатывать слив после отстаивания последовательно хлоридом кальция и содой. При этом происходит соосаждение карбонатов металлов с карбонатом кальция. Образующиеся кристаллические осадки карбонатов металлов имеют незначительный объем и легко обезвоживаются. Одновременно происходит умягчение воды, что создает возможность использования ее в системе оборотного водоснабжения.

Очистка от соединений мышьяка. Предельно допустимая концентрация мышьяка в водоемах равна 0,05 мг/л. Для очистки сточных вод от мышьяка применяют реагентные, сорбционные, электрохимические, экстракционные и другие методы. Выбор метода зависит от формы растворенного мышьяка, состава, кислотности и других показателей воды.

Для очистки больших объемов воды с высоким содержанием мышьяка практическое применение нашел метод химического его осаждения в виде труднорастворимых соединений (арсенаты и арсениты щелочноземельных и тяжелых металлов, сульфиды и триоксид мышьяка).

Для очистки от кислородсодержащих соединений мышьяка широко применяют известковое молоко. При этом в зависимости от состава сточных вод и условий очистки (рН, температура, расход реагента) выпадают в осадок арсенаты и арсениты различного состава. Присутствие в сточных водах ионов тяжелых металлов повышает степень очистки от мышьяка, т.к. происходит осаждение арсенатов и арсенитов этих металлов.

Из сильнокислых растворов мышьяк осаждают сульфидом натрия, сероводородом. Очистку сульфидно-щелочных сточных вод от мышьяка, входящего в состав анионов тиосолей, проводят сульфатом железа (железным купоросом).

Соединения пятивалентного мышьяка удаляются из сточных вод лучше, чем трехвалентного. Кроме того, хранение осадков, содержащих пятивалентный мышьяк, дешевле, т.к. он менее токсичен и менее растворим. Исходя из этого, соединения трехвалентного мышьяка перед осаждением окисляют до пятивалентного. В качестве окислителей используют хлорную известь, хлор, гипохлоритную пульпу, пероксид водорода, азотную кислоту, озон, пиролюзит и др.

Пиролюзит – природный материал, состоящий в основном из диоксида марганца, широко используют для окисления трехвалентного мышьяка. В кислой среде процесс протекает следующим образом:

Оптимальный режим окисления: расход MnO2 – четырехкратный по сравнению со стехиометрическим, кислотность раствора 30-40 г/л серной кислоты, температура 70-80 0С, время окисления 3 ч.

После окисления мышьяка проводят его осаждение в виде арсенита марганца при нейтрализации гидроксидом кальция (известковым молоком) до рН = 6-9. Затем осадок отфильтровывают и захороняют в водонепроницаемых траншеях.

Стоки с небольшой концентрацией мышьяка окисляют путем фильтрования воды через слой пиролюзита. Осаждение проводят известковым молоком в присутствии фосфат-ионов.

Кроме окислительной способности пиролюзит обладает сорбционными свойствами. Величина сорбционной емкости его по трех - и пятивалентному мышьяку соответственно равна 12,6 и 29,9 мг/л. При увеличении рН раствора количество сорбируемого мышьяка на пиролюзите и окислительная способность его уменьшаются. В кислых средах (рН < 1) сорбционная способность падает, а окислительная возрастает.

Присутствующие в сточной воде другие катионы и анионы, сорбируясь на пиролюзите, ухудшают его окислительную способность.

Окислительная способность диоксида марганца постепенно снижается в результате процессов сорбции и заиливания поверхности зерен пиролюзита. Для активации пиролюзит обрабатывают концентрированной серной кислотой или едким натром. Кислота меньше десорбирует мышьяк, но полнее растворяет шлам, образующийся на поверхности пиролюзита.

Очистка от солей железа. В природных водах содержание железа колеблется от 0,01 до 26 мг/л. Кроме того, железо содержится в сточных водах химических, металлургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, нефтехимических, текстильных, химико-фармацевтических и других производств. При содержании железа более 1 мг/л вода приобретает бурый цвет. При движении такой воды по трубопроводам на их стенках откладываются соединения железа и железобактерии, уменьшая сечение трубопровода.

В водоемах ПДК солей железа в пересчете на Ре2+ равняется 0,5 мг/л. В то же время, в некоторых производствах технологическая вода и вода, находящаяся в обороте, не должна содержать соединений железа более 0,05 мг/л, например в производствах капрона, найлона, целлофана, натурального и вискозного шелка, кинопленки, электроники, полупроводников и др. Для указанных производств требуется глубокая очистка природных и сточных вод от соединений железа.

Для обезжелезивания вод применяют аэрацию, реагентные методы, электродиализ, адсорбцию, обратный осмос.

В процессе аэрирования происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме:

Или суммарно:

В присутствии гидрокарбонатных ионов в воде окисление двухвалентного железа и гидролиз трехвалентного железа протекают по реакции:

На окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,143 мг кислорода. Для обеспечения высокой скорости химической реакции содержание кислорода в воде должно быть 0,5-0,9 мг на 1 мг железа.

Процесс аэрирования проводят в вентиляционной градирне. В том случае, когда необходимо обогащать воду кислородом и удалять часть свободного оксида углерода, используют градирни с хордовой насадкой, представляющей собой щиты из досок. Для приблизительной оценки размеров градирни можно исходить из следующего: расход воды на 1 м2 площади градирни 40 мг, расход воздуха 7 мг воды. Использование другой насадки нецелесообразно, т.к. может произойти ее забивка соединениями железа.

После аэрирования необходимо отделить осадок гидроксида железа. Для этой цели используют процессы отстаивания и фильтрования. Осадок гидроксида железа можно использовать для приготовления красок или для очистки газов от сероводорода.

В процессе осаждения гидроксида железа происходит уплотнение осадка амфотерного Fe(OН)3 в гематита Fе2О3: 2Fе(ОН)3= Fе2О3+3Н2О.

При высоком содержании железа в воде аэрационным методом его полностью удалить нельзя, поэтому применяют реагентные методы. Для этой цели используют хлор, хлорат кальция (хлорную известь), перманганат калия, озон, оксид кальция (известь), карбонат натрия (соду) и др. Реагенты дозируются в воду перед осветлителями или отстойниками.

При взаимодействии с хлором протекает следующая реакция:

Скорость этой реакции увеличивается с повышением рН. На окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг Сl;. В случае использования хлората кальция его используют в виде 1-2 %-го раствора, который дозируют непосредственно в сточную воду. Окисление двухвалентного железа перманганатом калия проходит по уравнению:

Если железо содержится в воде в виде органических соединений или коллоидных частиц, применяют озонирование. При этом на 1 массовую часть железа требуется 1 массовая часть озона.

Очистка от соединений марганца. Соединения марганца содержатся в сточной воде металлургических, машиностроительных и химических производств. При концентрации марганца более 0,05 мг/л вода окрашивается в темный цвет. Некоторые производства предъявляют жесткие требования к содержанию марганца в воде (бумажная, текстильная, кинокопировальная, синтетических волокон, пластмасс).

Удаление из воды марганца может быть достигнуто следующими методами:

1. обработкой воды перманганатом калия;
2. аэрацией, совмещенной с известкованием;
3. фильтрованием воды через марганцевый песок или марганцевый катионит;
4. окислением озоном, хлором или диоксидом хлора.

При обработке воды перманганатом калия достигается одновременная очистка от марганца и от железа. Перманганат калия окисляют с образованием малорастворимого диоксида марганца:

В этом процессе 1 мг KMnO4 окисляет 0,53 мг Мn +. Наибольший эффект достигается при обработке воды дозой 2 мг KMnO4 на 1 мг. Осадок диоксида марганца удаляют фильтрованием.

Удаление марганца аэрацией с подщелачиванием воды применяют при одновременном присутствии в ней марганца и железа. При аэрации воды удаляется часть диоксида углерода и происходит ее насыщение кислородом воздуха. При удалении СО2 возрастает рН сточной воды, что способствует ускорению процессов окисления и гидролиза железа и частично марганца с образованием гидроксидов.

Двухвалентный марганец медленно окисляется в трех - и четырехвалентный растворенным в воде кислородом. Окисление марганца происходит при рН = 9-9,5. Образующийся гидроксид марганца выпадает в осадок в виде Мn(ОН)3 и Мn(ОН)4. Растворимость этих соединений 0,01 мг/л, образующийся Мn(ОН)4 снова участвует в процессе, являясь катализатором окисления марганца.

При рН = 9,5 марганец удаляется почти полностью, при рН < 7,5 кислородом воздуха он почти не окисляется. Для ускорения процесса окисления марганца воду после аэрации до подачи на фильтры подщелачивают известью или содой для повышения рН, затем осветляют в осветлителях или отстойниках. Процесс окисления Мn2+ резко ускоряется, если аэрированную воду фильтруют через контактный фильтр, загруженный дробленым пиролюзитом (MnO2∙H2O) либо кварцевым песком, предварительно обработанным оксидами марганца.

Двухвалентный марганец может быть удален из воды в процессе окисления его хлором, озоном или диоксидом хлора. Скорость окисления Мn хлором зависит от рН среды. При рН = 7 за 60-90 мин окисляется всего 50 % Мn2+. При подщелачивании известью до рН = 8 Мn окисляется практически полностью. Расход Cl2 на окисление 1 мг Мn составляет 1,3 мг. При наличии в воде аммонийных солей расход хлора увеличивается.

Диоксид хлора и озон при рН=6,5-7 окисляют Мn2+ за 10-15 мин. На окисление 1 мг Мn2 расходуется 1,35 мг ClO2 или 1,45 мг О3. Однако применение этих окислителей требует строительства сложных установок, поэтому их практически не используют.

Марганец может быть удален из воды биохимическим окислением. Процесс проводят следующим образом. На песке фильтра высеивают особый вид марганец потребляющих бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности поглощают из воды марганец. Отмирающие бактерии образуют на зернах песка пористую массу с высоким содержанием оксида марганца, который служит катализатором процесса окисления.

Марганец из воды может быть удален при помощи марганцевого катионита, который приготовляют, пропуская через любой катионит в натриевой форме растворы хлорида марганца и перманганата калия. При этом происходят следующие реакции:

где Me – катион Na+ или К+.

В этих процессах перманганат калия окисляет марганец с образованием оксидов марганца, которые в виде пленки оседают на поверхности зерен катионита. При регенерации пленку восстанавливают раствором перманганата калия.

Из рассмотренных методов наиболее эффективным является метод обработки перманганатом калия. Он не требует сложного оборудования и просто контролируется.