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南非矿山废水:重金属污染和对生态系统的影响

*通信:

Achilonu MC环境科学,自然科学学院,Mangosuthu技术大学Umlazi,德班,南非夸祖鲁纳塔尔电话:+ 44 (0)731317665;电子邮件:mcachilonu@yahoo.co.uk

文摘

南非进行广泛的采矿活动,因此产生大量的有毒HMs1污染环境;对生态系统来危险感染和疾病。患病率HMs在不同环境媒体和其影响取决于金属的物理和化学状态,往往坚持他们的地方,因为他们不能被生物或化学退化与有机物质。我逃亡的尘云环境;生物群在大多数情况下,造成不可挽回的损失,与有害金属通常从水体转移到通过同化食物链,生物体内积累和biomethylation流程。

关键字

我的;污染物;环境;酸性矿山废水;矿尘;尾矿坝

介绍

矿业是南非的主要驱动力经济和国家的发展。南非是世界上最大的生产国之一,铬、锰、铂和钒,以及蛭石、钛铁矿、钯、金红石、锆和煤(1,2]。中国煤矿位于五省(自由州、东开普省克瓦语Zulu-Natal,林波波和普马兰加),官方有19个煤矿。采矿活动产生大量的废物拉登有害和有毒重金属(HMs),以及一些高贵的金属。这些HMs原子密度大于6 gcm(元素¹):Ag), Cd,铅、汞、锌、铜、镍、Co、铬、铁、锰、钼、硒和锌,我逐渐释放到环境中,污染的生态系统。

植物的代谢和生理过程,人类甚至微生物积极影响HMs如锌、铜、镍、有限公司Cr铁、我、锰、钼、硒和锌,俗称吗微量元素(3)或基本要素。相比之下,HMs Ag)等,Cd,汞和铅不是生物学上重要的生物,通常是非常有毒的人类健康和生物环境(4,5]。研究表明,,英航,Bi, Br, Cd,通用电气、金、铅、李Hg, Rb, Ag)、Sr、钛、锆存在于植物和动物组织在式微量(3,6]。环境中的有害HMs的存在,尤其是超过阈值水平,导致环境污染并最终造成严重健康人类和动物的问题(7- - - - - -9]。

实验

采矿作业是污染环境的罪魁祸首有毒HMs,从几乎所有阶段的活动,包括土地开挖、钻孔、采石和原材料输送,以及铣削和磨削和集中处置尾矿的矿石。所有这些操作造成明显污染环境(10]。此外,跟踪和放射性元素也从清洗操作,通过径流进入环境股票和flash存储操作,垃圾填埋场和底部灰,以及洗涤器污泥沉积在解决池塘和渗滤液渗透到地下水(11]。

HMs在浓度高于阈值水平12)可以有负面影响对植物和动物,包括水生生物。记录表明,这些HMs能够实施长期的生物地球化学循环的负担生态系统(13,14]。污染物的毒性HMs不成比例地积累或耗尽必不可少的营养元素在宿主植物,对植物造成破坏和多样化的植物病害12]。一些有毒的HMs如镉,当出现在即使是微量,对人有害暴露于它(15]。不同意见的问题南非矿山的排放,污染和修复总结:环境重金属污染的影响从金矿和细菌修复策略5];污染物在沉积物和营养16];补救HMs的过程浪费水处理系统(4];和不同的意见健康影响矿山的残留沉积在南非豪登省,建议的方法来降低相关健康问题(17]。然而,本文总结了文学对南非矿山废水;有害HMs淋溶到环境及其潜在影响植物,动物和人类在我的社区和环境。

污染物的来源HMs

环境污染物的主要来源金属大致分为两种:人造(即来源。、工业、车辆和国内)和天然来源(即。、火山爆发、森林大火等)(18- - - - - -20.]。由于本文的重点,讨论围绕HM排放矿业活动,下半年已升级的20倍^th世纪,由于增长,全球需求和对金属和煤炭产品的需求。因此,有毒金属和其他有害废水的排放增加了惊人的比例,因此,加剧了环境污染的风险。

一个高度相关的例子是大量的氰化物的事件期间逃到水体的黄金开采和加工矿石区发生的罗马尼亚,在2000年,导致了一个巨大的化学物质和随后的扩散,严重水平的环境中有毒金属。这个活动所带来的巨大的生态破坏和灾难影响堪比1986年切尔诺贝利核灾难(21]。硫化矿浪费还有严重的环境影响由于采矿废物典型金属硫化物氧化,在水的存在,产生酸性满载HMs的渗滤液。尽管硫化物矿体仍然几乎不变的基石很长一段时间,与黄金发生的大量的硫矿石形成浓硫酸与水接触时,导致酸性矿水排水(AMD)。LD乐动体育官网指出环境问题是动员HMs的速率,如铜、铅、锌和铬矿,估计超过10倍,他们动员从自然循环(21]。

普遍存在的有毒金属在不同的媒体和环境的影响

空气:大气HM污染是由于风行动运输材料从污染源,如矿山活动和尾矿,到大气中。空气微粒,微粒地区(< 2μm),冬季通常较高。HMs的主要部分集中在气溶胶细分数,与颗粒直径小于1μm;这是最危险的粒度从流行病学的角度来看22]。研究空气中镉、铅、锌和铜,表明它们的起源可以归因于排放的飞尘,材料处理和车辆交通23]。逃亡的灰尘尘源(未知)更难控制,点光源相比。尘云矿山环境;因此,植被,造成损害农业(24,25),随后,牲畜和人类。

水:自然水污染物HMs的发生主要是通过水化学因素的影响,如岩石的矿物成分和土壤特征,以及人为活动,在别人。虽然它可能会显示两个时间和空间变异(26,27),金属有许多相同的机制(生物回收、泥沙通量、氧化还原循环和扫气粒子)控制分布在海洋里,在湖泊也很重要。尽管不同的水体,这些机制的影响可以看到有害元素的概要文件。

金属在环境中倾向于坚持他们的地方,因为他们不能被生物或化学退化,与有机物质。然而,金属离子可以转化为其它化合物或金属物种(物理化学状态)通过吸附(绑定到植物体)、沉淀和络合过程。污染物的生化过程,如同化和biomethylation金属,导致新债券类型,为例,汞和甲基汞的转化,都是过程,导致转换更多的有毒金属物种。金属污染物从水体转移到食物链通过同化和生物体内积累的过程和biomethylation。建立了微量金属迁移循环的地球化学过程在水中发生通过接口进大气和沉积物。有毒金属的分布大气在溶解固体(干沉积)和形式(降水)湿沉积在水体27,28]。通过流入金属沉积在水体中溶解的形式或作为固体悬浮物。循环完成后,沉积在沉积阶段的过程中,它返回回的水域通过解吸、分离、溶解和氧化还原过程,由于动员或再活化。水体中金属的物理和化学状态明显影响水体金属含量,对生物体的影响和行为,对邻近的隔间,如蒸发了大气或者在泥沙沉淀。表1说明了影响采矿和矿物加工活动的水资源在南非林波波河盆地。

表1。采矿和矿物加工活动的影响水资源的林波波河盆地[30]。

酸度(pH值)水平的环境介质(空气、水和土地/植物)是至关重要的在确定金属富集的程度,从饮用水中毒,到问题水生生物的生长和繁殖29日]。最重要的一个变量影响的行为环境中的金属与硫酸盐博士的金属配合物,氟化物,氯化物和磷酸盐,最稳定的和重要的pH值低于7,金属配合物,碳酸盐和氢氧化物变得越来越重要的pH值6 - 8。氢离子与金属阳离子吸附网站;因此,吸附金属阳离子的水合氧化铁(HFeO),例如,低酸系统但增加而增加博士相反,oxyanions的,密苏里州,Se和Cr往往被而眠HFeO随着pH值,因为oxyanions和oh离子之间的竞争吸附。此外,大多数含金属矿物的溶解性是伟大的在酸性条件下,随pH值增加(29日]。

土壤:它指出,金属不能退化31日];尽管如此,一些金属,如铬、,Se和Hg,可以转换到其他土壤中氧化态,减少他们的机动性和毒性。金属在土壤溶液受传质系统浸出的地下水,植物吸收,或挥发,一个潜在的重要的汞污染机制,Se和。由于钾主要粘土矿物,在里面和外面,它是最松散的吸附HM的外表面,因此容易获得植物。pH值和氧化还原条件是两个因素影响土壤中元素的迁移。在pH > 7: V, U, Se,和Cr形成阴离子和高流动性的能力。氧化还原电位(Eh)也起着重要作用,与Cr更移动等基本条件与氧化还原电位增加,由于氧化铬(III)铬(VI),如阴极射线示波器₄²。

元素的溶解度作为pH值的函数也被调查,如锌的溶解度,Cd和Pb,酸性地区大大增加。随后,土壤pH值决定的程度HMs的分配率,因此,HM转移到更深的土壤层,植物依赖于土壤pH值的分配率(31日]。粘土矿物、氧化物和有机物质产生强烈偏爱一些阴离子相比其他阴离子,表明存在的表面和特定的离子之间的化学键。吸附金属阳离子与这样的土壤特性pH值、氧化还原电位、粘土和土壤有机质、铁和锰氧化物和碳酸钙含量。阴离子吸附已经进一步与铁和锰氧化物含量、酸碱度和氧化还原电位。这些不同土壤因素,以及金属的形式添加到土壤和介绍的溶剂以及金属、影响吸附过程。金属存在于土壤溶液是免费的(非复杂)金属离子(如Cd^{2 +}、锌^{2 +}、铬^{3 +}),在各种可溶性复合物与无机或有机配体(如CdSO₄,ZnCl⁺,CdCl^{3 -}),或者与移动、无机和有机胶体材料(31日]。

几个金属的环境担忧,随后,存在于土壤在多个氧化态,如:砷,作为(V)和(III)、硒、Se (VI)和Se (IV),铬,铬(VI)和铬(III)和汞,汞(II)和Hg (I)。这些金属的氧化态决定了它们的相对流动,生物利用度和毒性。一方面,六价铬在土壤相对移动,只是弱,这些土壤,同时被剧毒和一个已知的致癌物。三价铬,另一方面,相对固定在土壤中,被土壤和强烈,这些容易形成不溶性沉淀的低毒性。金属可能沉淀形成一个三维的固相土壤。这些沉淀可能是纯固体(例如CdCO₃Pb(哦)₂,硫化锌₂)或混合固体(如(FexCr_{1 - x})(哦)₃Ba (CrO₄,所以₄)。混合固体co-precipitate各种元素时形成的。有几种类型的共同沉淀、包容、吸附和固溶体的形成、类型的杰出的微量元素和宿主矿物之间的联系。

生化和腐殖质物质提供的活性位点(基团如羧基、酚类、酒精enolic-OH和氨基酸组)为金属吸附、金属与金属形成水溶性的复合物,增加流动性。绑定的金属有机物包括连续的反应性网站,从薄弱的力量吸引强大的化学键的形成。土壤有机质是土壤阳离子交换量的主要来源,贡献> 200梅格/ 100 g的有机质在矿物表面的土壤31日]。金属会在环境中持续存在,因为他们不能被分解,但仅仅是可以转化为其他化合物(金属物种)27,28]。

植物:一般来说,植物的金属元素的成分反映了其增长媒体的化学成分(如土壤、空气、水和营养解决方案)。金属积累在植物不仅取决于环境的可用性元素,还对植物特点:种类、年龄、健康状况、温度、湿度可用性和基质特征(32]。有毒的HMs进入生态系统可能会导致geo-accumulation,生物富集和生物放大。跟踪或HM积累在植物,随着时间的推移,影响植物的生理活动(如光合作用、气体交换和养分吸收),这可能导致植物的生长,降低干物质积累和产量(33]。

HMs被植物通过吸附,绑定到植物体吸收,渗透到植物的内在矩阵或同时通过两个过程(34]。尽管有些微量元素不是有毒的植物和动物在小浓度(35),其他人,包括铅、镉和汞,非常有毒低浓度(36]。植物是良好的环境质量指标和直接回应过度HMs在空中,土壤和水(37,38]。

自然的植物可以把污染物从当地的环境,他们的化学成分可以表示程度的干扰评估背景值时获得清洁的植被(39]。过度的引入植物微量元素可以导致他们的毒性,如所示表2导致树叶颜色的变化,抑制种子萌发和生长的植物,甚至死亡的植物40]。抑制过度的影响存在可能导致某些微量元素的植物,在别人,阻止从土壤中吸收的重要元素,导致关键营养物质剥夺植物(41]。

表2。植物的毒性水平的HMs和症状[12]。

结果与讨论

矿山尾矿坝和AMD

矿山尾矿提取后剩下一大堆一大堆的压碎岩的金属(s)宿主矿物岩石的兴趣。剩下HMs尾矿中传播通过分散风和水侵蚀的结合及其在野生动物和人类的有害影响是明显位于重要的距离尾矿网站(42,43]。矿山尾矿处置场所不活跃或者废弃矿井在干旱和半干旱地区网站普遍全世界,包括南非、北美西部,南美、西班牙、印度和澳大利亚(44,45]。全球矿山尾矿处置场所的影响是巨大的。大约有500000美国废弃的硬岩矿山46),而墨西哥仅影响2710万公顷的采矿活动(44,47,48]。2001年,南非的水事务和林业主管部门报道,金矿浪费生成的最大来源浪费,占大约47%的所有矿物废料生产的南非共和国(49]。荒地矿业网站通常保持unvegetated数十年到数百年,因此,暴露了尾矿可以分布在大型陆地区域通过风成分散和水侵蚀(42,44,46,50]。

文献显示,南非威特沃特斯兰德盆地提供大约270无保护的而不是植被)尾矿坝,总体而言,覆盖面积约400平方公里。尾矿坝的一个巨大来源广泛的尘埃,以及土壤和水污染(51威特沃特斯兰德盆地),进一步表明庞大的尾矿坝是一个潜在的,环境污染威胁。存款在煤矿领域调查南非豪登省(17),显示,伟大的存款健康关注;含有大量的有毒金属,如U, Ra、镍、锌、等,矿山的废水所示加载与氡200 mBq.g高于所需的水平¹分布在环境。

非常低pH值的水渗出我的存款是由于AMD,或从矿山酸性渗透,结果在浓硫酸的形成,当岩石含有含硫矿物,如黄铁矿(菲斯₂)和白铁矿,接触水(LD乐动体育官网图1)。氧化二价铁、硫酸盐和氢离子正在成为一个严重的全球性问题,与铁沉淀的形成红、橙色或黄色底的沉积物主机流。AMD污染水的减压废弃矿山在克鲁格斯多,鲁,博克斯堡和布拉克潘,以及弹簧和奈杰尔南非的矿山领域,进入区域水体,例如,瓦尔河,橙色和Olifants河流,是一个日益严重的社会问题。现有的方法控制AMD包括热力学措施的问题,构成了消除氧气和减少环境的维护和动态效果(52,53]。

健康影响的有毒HMs发出地雷

无论HMs的有害效应当消耗超过一定的最佳浓度,HMs通常可以构成严重健康风险,即使在一个不确定的低浓度。微克(μg)浓度的HMs组成的一部分自然环境生物(人类、动物和植物)的空气,水和土壤。重金属物种形成中扮演一个重要的角色在评估流动性,生物活性和毒性。例如,甲基汞是有毒的动物比汞元素,因为它可以很容易地通过血脑屏障损伤小脑和大脑皮层。另一个例子是六价铬(Cr^{6 +}),这是更比三价铬铬的毒性^{3 +}。在低营养元素的浓度,一些植物和/或动物,但在高浓度有毒(31日]。

某些金属的6^th行元素周期表是潜在的最有毒的元素(即。、操作系统、红外、Pt金、汞、Tl和Pb)。然而,这些元素的相对贫穷的水溶性盐可能限制其高毒性。尽管如此,砷(As)是一个发生在一个非金属元素状态,小范围和累积毒素,抑制酶的硫代(SH)组。慢性砷中毒会导致体重和食欲不振、伴有胃肠道功能紊乱。镉(Cd)的另一个例子是,这是高度有毒的动物和生物吸收的主要通过空气、水和食物。吸入镉气体或尘埃,或大量摄入受污染的食物和水,导致严重的镉中毒。而镉积累主要在软组织和超过一半的身体负担镉是肾脏和肝脏中发现的54),水星(Hg)结合巯基组(RSH或硫醇)在许多蛋白质在体内,与甲基汞(Hg)发现主要集中在红细胞和大脑。此外,汞中毒与恶心、呕吐和腹泻出血,其次是死于胃肠道和/或肾脏损伤。虽然铅(Pb)适度有毒的植物和动物,铅中毒会导致食欲不振,弱点,贫血和绞痛。过度摄入的铅也会导致高血压,肾脏功能障碍和周围神经系统损伤。四乙铅的毒性比甲基化衍生物或无机化合物。HMs在动物和人类的总体效果进行了总结表3和4,分别。

表3。家畜的毒性水平的HMs和他们的症状和身体器官[12]。

表4。重金属毒性在人类:剂量和症状[12]。

结论

在南非开采是一个主要的工业活动,增长和发展的发展做出了巨大的贡献,在极端的价格巨大的有毒废物。不仅是一个煤矿区域健康但责任风险,大量的矿山的残渣存款(dsam尾矿)满载着一系列有害HMs污染生态系统。这些有毒金属是由各种环境媒体传播,导致疾病和死亡的人类、动物和植物。

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