Экологические аспекты преподавания химии элементов и их растворов электролитов в высшем профессиональном образовании

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕПОДАВАНИЯ ХИМИИ

ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

В ВЫСШЕМ ПРОФЕССИОНАЛЬНОМ ОБРАЗОВАНИИ

, ,

,

Известно, что к наиболее токсичным веществам относятся некоторые металлы и неметаллы II, V и VII групп Периодической таблицы элементов :

Cd, Нg, Ве, Рb, Аs, Sb, Те, F и Сl (1)

Здесь речь идет о подвижных, растворимых в воде формах их соединений органического и неорганического происхождения, в том числе и о растворах их электролитов (соли, основания, кислоты и т. д.).

Данный перечень можно увеличить многократно, имея в виду, что одни и те же элементы могут быть жизненно необходимыми или токсичными, в зависимости от их концентраций (предельно допустимые концентрации - ПДК) и форм их сложных соединений.

Например, хлор в виде пищевой соли NaCl является важнейшей составляющей нормального метаболизма организма, а в составе диоксинов – сильнейший яд. Далее, фтор F2 и хлор Cl2 в элементарном состоянии являются сильнейшими окислителями и относятся к удушающим газам. В то же самое время фтор в составе сложных соединений используется в стоматологии, например, в зубных пастах.

Данные факты свидетельствуют о том, что химические аспекты экологии многогранны и сложны. Понятия токсичности веществ и их жизненной необходимости во многом условные. Известно, что Бурятия относится к регионам с дефицитом йода и селена. Йод является основным элементом тиреойодных гормонов щитовидной железы: тетрайод-, трийод - и монойодтиронинов. Избыток йода порождает гипертиреоз и базедовую болезнь, а недостаток – гипотиреоз, опухоли щитовидной железы. Что же касается селена, то он входит в состав жизненно важных антиоксидантов, например, глутатионпероксидазы, нейтрализующей в клетках свободные радикалы Н2О2, НО2 и ОН. В то же время избыток селена в некоторых регионах США представлял экологическую угрозу.

Подобных примеров можно привести множество.

I. Устоявшихся концепций понимания данной проблемы в настоящее время нет. Возможны только лишь качественные аппроксимации по расположению элементов в периодической системе при изучении неорганической химии в программах высших учебных заведений, особенно в процессах подготовки кадров для здравоохранения и пищевых отраслей.

В периодической системе элементы, находящиеся в одних и тех же подгруппах, можно рассматривать в качестве гомологов с примерно одинаковыми химическими свойствами, как в органической химии. Некоторые из них - естественные метаболиты, жизненно важные. Другие - либо индифферентные или даже токсичные при определенных условиях.

Рассмотрим элементы VIA группы – О2, S, Se, Te. Из них теллур Те, как это показано выше (l) – особо токсичное вещество, способное в зависимости от его степени окисления и концентрации замещать селен Se, серу S и даже кислород О в белковых структурах: гормонах, ферментах, незаменимых витаминах и т. д.

Что касается селена, то его избыток может замещать атомы серы в цистине, цистеине, метионине, гормоне инсулин, витамине В1 и т. д., нарушая их естественный метаболизм. Это подтверждается накоплением избытка Se в ногтях и волосах, основу которых составляют серосодержащие аминокислоты.

В свою очередь, сера S может при его избытке замещать кислород в соответствующих процессах. Простейший пример, сульфат натрия Na2SO4 и Na2S2O3 – тиосульфат натрия, где один атом кислорода в Na2SO4 замещен атомом серы в состоянии аниона S2-. Отсюда и токсичность высоких концентраций серы.

Аналогичная картина гомологичности или взаимозаменяемости наблюдается и в других группах таблицы . Например, элементы IIА-группы – Ве, Mg, Ca, Sr, Ва, Ra.

Магний и кальций – жизненно необходимые элементы. Первый из них входит в состав многих ферментативных систем как хлорофилл зеленых растений, комплексы с АТФ АДФ. Кальций составляет основу костной ткани зубов в виде гидроксил апатита Ca10(РО4)6(ОН)2.

Остальные элементы относятся к микроэлементам, способным замещать Mg и Са при их избытке, вызывая заболевания бериллиоз, эндемическая уровская болезнь при избытке стронция (размягчение и искривление костей).

II. Приведенный анализ показывает особую роль аналитической химии в экологических проблемах. Отсюда следует актуальность при преподавании этой дисциплины с учетом не только последних достижений в аналитической химии (теория кислотно-основных взаимодействий с помощью логарифмических зависимостей, дающих возможность оценки концентраций всех равновесных частиц в системе и др.), но и при разработке и постановке традиционных лекционных курсов и лабораторных практикумов с учетом химико-экологических аспектов образования с применением более современных приборов и оборудования.

Это предполагает более широкое привлечение студентов и аспирантов к решениям региональных задач, в том числе и по анализу содержания токсичных веществ в различных объектах (вода, атмосфера, злаки, овощи, мясопродукты, рыбные изделия и т. д.) Республики Бурятия.

По данной проблеме активное участие принимают студенты:

а) института пищевой инженерии и биотехнологии;

б) факультета сервиса, технологии и дизайна.

Результаты их работ печатаются в сборниках всероссийских студенческих научных конференций:

1) «Актуальные проблемы адекватного питания в эндемичных регионах» - г. Улан-Удэ, 2001 г., 2002 г.

2) «Безопасность ХХI века». - г. Иркутск, 2001 г.

3) «Проблемы экологии и рационального природопользования».- г. Владивосток, 2000 г.

4) «Экология России и сопредельных территорий». - г. Новосибирск. 2000, 2001, 2003, 2005 гг.

5) «Актуальные проблемы современной химии». - г. Самара 2004 г., г. Екатеринбург 2001 г.

По результатам научно-исследовательских работ студентами выполняются курсовые и дипломные работы.

1. Зерновые

Наименование культуры	Район произростания	Содержание тяжелых металлов мг/кг
Сu	Zn	Рб	Сd
Пшеница: сорт «Ирис»	Мухор-Шибирский р-н Республики Бурятия, колхоз им. Ленина	7,68	10,12	0,08	н/о
Ячмень: сорт «Одесский 100»	Джидинский р-н Республика Бурятия, к-з «Боцинский»	4,18	8,24	0,02	0,01
Овес: сорт «Догой»	Мухор-Шибирский р-н, к-з им. Ленина	3,69	7,12	0,01	н/о
ПДК зерновых	10	50	0,5	0,1

2. Мука, хлеб и кондитерские изделия

Элемент мг/кг	ПД К	Мука 1 сорт	Мука высший сорт	Мука ржаная обдирная	Хлеб 1 сорт	Хлеб сорт «Украин»	Хлеб «Ада-жио»	Бис- квит	Песочное пироженое
Сu	10	1,56	1,08	3,64	1,312	1,436	1,285	0,71	0,69
Zn	50	8,67	3,52	7,59	5,94	7,82	6,34	1,84	1,65
Pb	0,5	Н\О	0,03	Н\О	0,007	0,002	Н\О	0,011	0,018
Сd	0,1	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о

Поскольку микроэлементы (Cu, Zn, Pb, Cd, Se и др.) содержатся в природных объектах в малых количествах, то для их количественного определения используются современные (автоматизированные) чувствительные методы:

1.  Атомно-абсорбционная спектроскопия (Сатурн-3);

2.  Вольтамперический метод (полярографы ПЛС и ПЛС-2).

3.  Некоторые примеры анализа среднего содержания ионов тяжелых металлов в различных природных объектах: сырье растительного и животного происхождения, а также в пищевых продуктах Республики Бурятия приведены в таблицах 1, 2, 3, 4, 5. Все анализы проведены в соответствии с ГОСТ Р.

3. Среднее содержание ионов металлов

в воде реки Селенги

и в мышцах рыб озера Байкал, мг/кг сырой массы

	Cu	Zn	Pb	Cd
Река Селенга (10м ниже створа)	0,0027	0,009	н/о	н/о
Омуль	1,56	18,94	0,38	0,012
Щука	1,64	11,71	0,48	0,056
Плотва	0,8	15,95	0,13	0,008
Окунь	1,65	12,54	0,33	0,016
ПДК-рыба	10,0	40,0	1,0	0,2
Вода Байкальского региона, мг/л	0,001	0,01	0,002	0,505

4.  Овощи

Элементы	ПДК мг/кг	Суммарное загрязнение садово-огородных почв Улан-Удэ, мг/кг	Содержание тяжелых металлов в растениях (овощах), мг/кг сырой массы
Кар­то­фель	Свек­ла	Мор­ковь	Капуста
Cu	55	1-2,8	0,187	0,38	0,192	0,094
Zn	100	1-4	1,08	0,91	0,93	1,15
Pb	30	1-2,5	0,1	0,068	0,04	0,28
Cd	0,5	<1	н/о	н/о	н/о	н/о

5.  Мясо и мясопродукты

Эле­мент мг/кг	ПДК	Говядина Еравниская	Конина Еравниская	Колбаса сорт «Отдель-ная»	Фарш с до­бав­ле­ни­ем шро­та об­ле­пи­хо­во­го	Кол­ба­са сорт «За­бай-каль­ская»	Фаршевые консервы
Cu	5,0	0,87	0,91	0,36	0,41	0,38	0,41
Zn	70,0	2,37	3,13	1,64	1,92	1,97	1,98
Pb	0,5	0,005	0,602	н/о	н/о	н/о	0,003
Cd	0,05	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о	н/о

Приведенные в табл. 1-5 данные показывают, что все продукты местного происхождения можно отнести к разряду экологически чистых, поскольку содержания исследованных металлов меньше их ПДК. По всей видимости, это объясняется незначительным использованием в сельском хозяйстве Бурятии токсичных пестицидов для повышения урожайности культур, как это и положено в природоохранных зонах, к числу которых относится и Бурятия.