Опасность для естественных экосистем представляют не только металлы, о которых речь шла выше, но также некоторые другие элементы, не относящиеся к тяжелым металлам. В их числе следует прежде всего упомянуть бериллий и алюминий.
Бериллий относится к рассеянным элементам; его содержание в земной коре не превышает 4·10-4 %. Основными минералами бериллия являются силикаты и оксиды, например берилл 3ВеО·А1203·6SiO2. Этот металл находит все более широкое применение: в виде сплавов с алюминием он используется в самолетостроении и во всех элементах конструкций космических кораблей, при изготовлении окон рентгеновских трубок, а также в атомной технике в качестве отражателя и замедлителя нейтронов в реакторах.
Антропогенное загрязнение объектов окружающей среды бериллием связано с его извлечением из руд и рафинированием. В атмосферу он поступает также с продуктами сгорания нефти и углей: в золе углей из различных месторождений его содержание обычно колеблется от 0,001 до 0,1 %. В поверхностные и грунтовые воды бериллий поступает также в результате естественных процессов выщелачивания, особенно интенсивного в местах его рудных скоплений. Он вымывается с высокой скоростью водами с большим содержанием фторид- и сульфат-ионов, с которыми Ве2+ образует прочные комплексы.
Ион Ве2+ имеет малый радиус (0,32 А) и, как следствие, большое отношение заряда к радиусу (z/r = 6,45). Малый ионный радиус обусловливает небольшое координационное число (4) и высокую поляризацию координированных с бериллием лигандов.
Содержание бериллия в поверхностных водах варьирует от 0,03 до 10 мкг/л, а в подземных водах может достигать 500 мкг/л. В нейтральных водах он присутствует в форме гидроксоком-плексов [Ве(OH)]+, при рН от 3 до 5 - в составе полиядерных комплексов [Ве2OH)2]2+ и [Ве3(OH)3]3+. Часть бериллия входит в состав взвесей, образуемых тонкодисперсными глинами и гидроксидами железа и марганца. В нейтральных водах он образует комплексы с органическими кислотами.
Бериллий - высокотоксичный элемент с широким спектром биологического действия. Вызываемые им нарушения обменных процессов в значительной мере обусловлены его способностью вытеснять магний, марганец и другие эссенциальные металлы из молекул ферментов. На этом основано снижение активности фосфоглюкомутазы, лактатдегидрогеназы, щелочной фосфатазы легких, печени и мышечных тканей. Проникновение бериллия в ядра клеток приводит к снижению активности ферментов синтеза ДНК и ошибкам при делении и репликации дезоксирибонуклеиновых кислот. В опытах на животных установлены и канцерогенные свойства бериллия: он вызывает развитие аденокарциномы, плоскоклеточный и другие формы рака. У сухопутных животных бериллий депонируется в основном в легких и скелете.
Сейчас имеются лишь очень ограниченные сведения о передаче бериллия с одного трофического уровня на другой. Известно, однако, что некоторые водные организмы склонны к биоконцентрированию этого элемента. Его высокое содержание обнаружено в клетках крови асцидий. Все расширяющееся использование бериллия требует более тщательного изучения его влияния на природные экосистемы, прежде всего способности к биоконцентрированию и экологической магнификации.
Алюминий относится к числу наиболее распространенных элементов литосферы и широко используемых человеком металлов. Общеизвестно его применение в качестве конструкционного материала в машиностроении и строительстве. Многие соединения алюминия используются в различных отраслях промышленности. Например, сульфат алюминия служит катализатором, применяется в целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и кожевенной промышленностях, в качестве коагулянта при очистке сточных вод и для осветления питьевой воды.
Промышленные предприятия сбрасывают значительные количества растворимых форм этого металла. В стоках алюминиевых комбинатов его концентрации достигают 1000 мг/л, а в сточных водах предприятий по производству спиртов и фенолов - 800-1000 мг/л.
В почвах алюминий присутствует главным образом в составе четырех групп минералов: гиббсит А1(ОН)з (микрокристаллический и аморфный), такие минералы с отношением Si : А1 = 1 : 2 (А12SiO5), как имоголит и андалузит, минералы группы каолинита (А12Si2O5) с отношением Si : А1 = 1 : 1 и, наконец, минералы с отношением Si : А1 == 2:1 и брутто-формулой А12Si4O10. Это - иллит, мусковит, монтмориллонит, пирофиллит и др.
Естественный цикл алюминия в почвах включает его переход из минералов в растворенные мономерные частицы. При достижении концентрации А13+ на уровне 10-5 моль/л и рН почвенного раствора в интервале 5,4-6 происходит полимеризация с образованием водорастворимой полиядерной формы [А11304(ОН)24(Н20)12] +7. Дальнейшая нейтрализация почвенного раствора (рН > 6) ведет к депротонизации Аl13 и осаждению с образованием алюмосиликатных и других минералов. В этот цикл включается лишь очень небольшая часть содержащегося в почвах алюминия. Однако ситуация коренным образом изменяется при регулярном закислении почв, приводящем к ускоренному растворению алюминийсодержащих минералов, обогащению алюминием почвенных растворов, переходу его из верхних горизонтов почвенного профиля в нижние и в поверхностные воды.
Одной из главных причин перехода алюминия из почв в дренирующие их воды является выпадение "кислотных дождей". Закисление сельскохозяйственных почв происходит также вследствие регулярного внесения аммонийных удобрений, поскольку ионы NH4 быстро окисляются в процессах микробиологической и химической нитрификации:
NH4 + 2O2 → NО3- + Н2О + 2Н+
При норме внесения в обрабатываемые почвы 50-200 кг М/га вклад нитрификации в их закисление в 4-16 раз больше, чем вследствие осаждения из атмосферы Н2SO4 и НNО3. При этом поступление ионов водорода сильно зависит от типа удобрений. Например, при внесении 70 кг/га азота в форме (NH4)2SO4 в почве образуется примерно 7700 г-ион Н+, тогда как при нитрификации эквивалентных количеств NH4NОз или мочевины СО(N2)2 образуется примерно 2500 г-ион Н+.
Алюминий, имеющий большой заряд иона и малый ионный радиус, очень реакционноспособен. В кислых почвах с рН < 5,0 происходит растворение как первичных, так и вторичных минералов с переходом алюминия в почвенные растворы. Его концентрации в таких растворах зависят от рН, количества и типа минералов, интенсивности обменных реакций с другими неорганическими компонентами почв и от содержания в них органических соединений со свойствами комплексообразователей.
Кроме того, алюминий образует прочные комплексы с гуминовыми и фульвокислотами. Полевые исследования показывают, что более 75 % экстрагируемого органического вещества почв представлено такими комплексами вида, как АlL(n-3)-, Аl(OH)L(n-2)- и Аl(H)mL(n+m-3)-. В качестве важных лигандов выступают также анионы одноосновных (муравьиная, уксусная) и многоосновных (щавелевая, малоновая, лимонная) кислот, всегда присутствующих в природных почвах. По своей способности образовывать комплексы с алюминием органические кислоты превосходят неорганические лиганды. Считается, что моновалентные комплексы алюминия с низкомолекулярными органическими кислотами играют важную роль в миграции этого металла, в том числе вниз по почвенному профилю.
Средние концентрации алюминия в водах большинства озер Северного полушария составляют сейчас 0,13 мг/л, а в реках -0,70 мг/л. Формы нахождения алюминия в водах определяются амфотерностью его гидроксида, склонностью к полимеризации соединений и к включению в состав комплексов. Наиболее токсичными для водных организмов являются формы А1(ОН)2+ и А1(ОН)2+, превалирующие в водах с рН между 5,0 и 5,5. Полулетальные концентрации (LC50) таких мономерных неорганических форм для многих пресноводных рыб лежат в пределах 0,1-0,3 мг/л. Гибель рыбы и икры часто связывают также с образованием полимеров гидроксида алюминия, осаждающихся на жабрах и на поверхности икринок.
Алюминий токсичен и для растений, хотя вызываемое его соединениями угнетение корневой системы проявляется при довольно высоких концентрациях в почвенных растворах. Различные виды и даже разные сорта культурных растений демонстрируют неодинаковую устойчивость по отношению к токсическому действию подвижных форм алюминия. Однако механизм этой устойчивости до конца не выяснен. Среди имеющихся гипотез относительно воздействия алюминия можно назвать, например, связывающую устойчивость растений с сорбционной способностью их корней по отношению к катионам с разными зарядами. Известно, что одни из них потребляют больше моновалентных катионов К+ и Na+, тогда как другие требуют больше Са2+и М2+. Последние, как правило, более чувствительны к присутствию в почвах биодоступного алюминия.
В настоящее время имеется слишком мало информации для вывода о способности алюминия к биоконцентрированию и передаче по пищевым цепям. Мало также данных о его поступлении в организм человека с питьевой водой и продуктами питания, хотя необходимость такой информации очевидна, поскольку установлено нейротоксическое действие этого элемента.
Хлорорганические экотоксиканты,