Окислительно-восстановительная — разложение органического вещества сопровождается окислением этого вещества, серы, сульфидов, части карбонатов, а также восстановлением ряда эле­ментов (Fe, Мn, Сu).

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 11

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Можно выделить три основных фактора, определяющих концентрацию химических элементов в растениях.

1. Концентрация химических элементов определяется видом растения.

2. На содержание в растениях целого ряда элементов (Pb, Сu, Zn, Mo и др.) оказывают ландшафтно-геохимические условия произрастания. При этом особая роль принадлежит почвам. Так как основная часть минеральных веществ поступает через корни, то избыток или недостаток определенных элементов в почве сказывается на их содержании в растениях. На данной закономерности основан биогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых.

3. Содержание в растениях целого ряда элементов определяется закономерностями связи между элементами. В некоторых ландшафтно-геохимических условиях в растения попадает большее или меньшее, по сравнению с нормальным содержанием, количество элементов. В результате нарушаются обычные связи между элементами в организме. Существенно повышенные концентрации определенных химических элементов на отдельных участках в биосфере привели к тому, что в процессе эволюции некоторые растения стали произрастать только при высоких содержаниях этих элементов. Такие растения получили название растений-индикаторов.

Растения по особенностям поглощения определенных химических элементов можно разделить на концентраторы и деконцентраторы. В первых элемент всегда находится в повышенных концентрациях (по сравнению с обычными растениями иногда до 100 раз), а во вторых — в пониженных. Поступление в растения повышенных количеств определенных элементов довольно часто вызывает ряд физиологических и морфологических изменений (табл. 2) и они могут служить индикаторами загрязнения окружающей среды.

После отмирания часть высших растений становится основой для образования углей. Они являются не только своеобразными аккумуляторами солнечной энергии, но концентрируют целый ряд химических элементов. К ним в первую очередь относятся Si, Fe, А1. Постоянно в повышенных концентрациях встречаются Hg, F, As, U, Sc, Se, Be, Y и другие элементы. Часто эти элементы (например, U, Ge) становятся более ценным ископаемым, чем вмещающий их уголь. Однако при неразумном использовании углей они могут стать опаснейшими загрязняющими веществами. Сжигание угля, как правило, приводит к загрязнению ландшафтов многими элементами. Они поступают как с

Таблица 2. Физиологические и морфологические изменения растений, обусловленные токсичностью металлов, по [5] с сокращениями

дымом через атмосферу, так и при развеивании золы. Исследования показывают, что ТЭЦ, сжигающая 500 т угля в сутки, за год выбрасывает в атмосферу только с дымом: As - около 20 т, F - 13 т, V - 37 т, Рb - 21 т, Ni - 10 т. При этом максимально проявляются их токсичные свойства. Это связано с тем, что загрязняющие вещества через атмосферу попадают в легкие, а из них — непосредственно в кровь животных организмов, включая человека.

Как и растения, животные участвуют в биологическом круговороте элементов. Хотя их масса значительно меньше, чем у растений, они выполняют свою функцию в этом процессе. Среди животных выделяются одноклеточные (простейшие) и многоклеточные.

С точки зрения экологической геохимии можно выделить несколько основных функций, выполняемых животными.

· Переводя растительную органику в рассеянное состояние, животные транспортируют ее на большие расстояния и в направлениях, противоположных поверхностному и подземному стокам. При этом создаются благоприятные условия для развития следующих поколений растительности.

· Потребляя первичное и вторичное органическое вещество, животные возвращают его в биосферу в форме соединений, наиболее благоприятных для усвоения автотрофами.

· Животные участвуют в процессе стабилизации подвижного равновесия в биосфере, не допуская «перепроизводства» отмершей и неразложившейся органики. Вмешательство человека в эту функцию (например, уничтожение животных-хищников) практически всегда имеет отрицательные последствия.

· Многоклеточные животные в процессе жизнедеятельности формируют среду своего обитания. Происходит это за счет пре­имущественного поглощения определенных элементов и выделения продуктов метаболизма. Особо наглядным примером этой функции животных является жизнедеятельность фильтраторов в водных бассейнах.

· Чрезвычайно велико значение преимущественного поглощения многоклеточными животными определенных химических элементов, их концентрации и последующего отложения в определенных участках биосферы. Планетарное значение имеют осадочные образования СаСО₃, SiO₂ и Р₂О₅, связанные со скелетами и оболочками морских животных.

· Так же, как и растения, животные являются аккумуляторами солнечной энергии и одним из первичных источников месторождений нефти и газа (концентрируются Н и С).

Один из важнейших геохимических выводов, обусловленный законом Вернадского-Кларка (в любом природном объекте земли содержатся все химические элементы, находящиеся в ее коре): все живые организмы в процессе своего развития и эволюции существовали в условиях, определяемых наличием всех химических элементов, находящихся в земной коре.

Естественно, что концентрация различных элементов в среде обитания этих организмов могла колебаться в широких пределах. В этих условиях организмы, живущие в конкретных регионах, «привыкали» к определенным концентрациям, а также формам нахождения химических элементов в окружающей их среде. Однако при этом не было элементов «полезных» и «бесполезных». Для нормального развития организмов нужны все элементы. Вопрос может только стоять об их необходимых и вредных концентрациях (см. табл. 1, 2). Следует отметить, что отрицательное воздействие на развитие организмов может оказать как очень высокое, так и очень низкое содержание практически каждого химического элемента. Например, в некоторых биогеохимических провинциях Латвии, Ярославской области недостаточность кобальта в окружающей среде явилась причиной возникновения у сельскохозяйственных животных тяжелых анемии, которые были ликвидированы после введения кобальта в пищевой рацион. Недостаток марганца в окружающей среде вызывает специфическое заболевание птиц, так называемый перозис (утолщение и укорочение трубчатых костей), деформации суставов у птиц (цыплят, индюков, фазанов, куропаток, перепелок) и особое заболевание молодых свиней, носящее название хромоты поросят. Добавление к пищевому рациону марганца излечивает эти болезни.

Сегодня по уровню накопления химических элементов в органах и тканях человека, представляется возможным выделить органы и ткани – концентраторы элементов (кожа, легкие, бронхи, селезенка и др.) и органы и ткани – носители определенных элементов (тонкий, толстый кишечник и др.). Содержание и особенности распределения элементов в организме человека определяются не только биохимическими особенностями функционирования живых органов и тканей, но и половыми, а также возрастными особенностями, патологическими изменениями и факторами природной среды обитания человека. Условия проживания человека (среда, особенности питания), несомненно, сказываются на элементном химическом составе популяции населения, о чем свидетельствуют данные по составу биоматериала, отобранного в различных регионах России (Рихванов, 2011). Поэтому в ряде случаев анализ биопсийного материала может служить индикатором антропогенных изменений и формирования биогеохимических провинций. Знания о полном и точном количественном элементном составе человека с учетом региональных и других особенностей, могут способствовать более эффективному проведению коррекции здоровья людей и своевременной профилактики различных заболеваний.

2.2 Геохимические ландшафты и барьеры

Наиболее удобным уровнем при изучении антропогенного воздействия на окружающую человека среду является ландшафтно-геохимический [5]. Он включает два основных типа биокосных систем: элементарный и геохимический ландшафты.

Элементарный ландшафт, по мнению основателя учения о геохимии ландшафта Б. Б. Полынова, «...в своем типичном проявлении должен представлять один определенный тип рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. Все эти условия создают определенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом, на протяжении элементарного ландшафта, развитии взаимодействия между горными породами и организмами». К факторам, о которых писал Б. Б. Полынов, следует добавить особенности атмосферной миграции элементов, состав подземных вод, вероятное наличие многолетней мерзлоты, режим кислорода и серы. А важнейшим постоянным источником химических элементов в ландшафте являются почвообразующие (подстилающие) горные породы. Одинаковые элементарные ландшафты должны также характеризоваться аналогичными химическим составом подземных вод, особенностями миграции (концентрации) химических элементов, переносимых в атмосфере, условиями развития (отсутствия) многолетней мерзлоты и распространения по вертикальному профилю свободного кислорода.

Геохимические ландшафты - это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Учение о геохимических ландшафтах является гораздо более разработанным для решения многоцелевых проблем охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Ландшафтно-геохимический подход позволяет гораздо полнее оценить особенности биологического круговорота химических элементов. Без более полного его рассмотрения невозможно объективно и правильно решать экологические проблемы. Геохимические ландшафты имеют, в отличие от экосистем, довольно четкие границы. Их основные эколого-геохимические характеристики выражаются в конкретных числах, поддающихся математической обработке, и могут иметь качественный, количественный и экономический характер. Ландшафтно-геохимический подход позволяет по одной методике оценивать территории, занятые природными и техногенными ландшафтами.

Геохимические ландшафты должны рассматриваться как «кирпичики, составляющие биосферу». Сами же ландшафты, по определению А. И. Перельмана, «...такое же фундаментальное понятие естествознания, как «химический элемент», «живой ор­ганизм», «почва», «минерал»». Геохимические ландшафты объединяют с учетом различных факторов миграции элементов в самостоятельные геохимические системы. Так, возможно объединение различных техногенных и биогенных ландшафтов. При этом обе группы ландшафтов могут рассматриваться как от­носительно самостоятельные системы со своими закономерностями распределения химических элементов. Подобное объединение можно проводить и при крупномасштабных работах, выделяя, например, среди техногенных ландшафтов только сельскохозяйственные и т. д.

Центром геохимических ландшафтов считаются почвы, также представляющие собой сложную биокосную систему. Для их верх­него гумусового горизонта характерно максимальное напряжение геохимических процессов. Изучение этих процессов позволяет переходить к закономерностям распределения химических элементов в ландшафте и в его отдельных частях. Следовательно, экологическая геохимия довольно тесно связана с почвоведением и геохимией почв. Составной частью геохимических ландшафтов являются также растительные и животные организмы, коры выветривания, поверхностные и подземные воды, почвоподстилающие породы. Без изучения геохимических особенностей этих составных частей ландшафта часто невозможно прогнозировать поведение химических элементов в конкретном ландшафте в целом. Следовательно, экологическая геохимия теснейшим образом связана с гидрохимией и гидрогеохимией, изучающими поверхностные и подземные воды, а также с биогеохимией, геохимией пород и кор выветривания.

Геохимические барьеры — одно из основных понятий современной геохимии. По А. И. Перельману, это «участки земной коры, на которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация».

Выделяются два основных типа геохимических барьеров - природные и техногенные, которые образуются на участках изменения факторов миграции. В первом случае смена факторов, а соответственно и смена одной геохимической обстановки другой обуславливаются природными особенностями конкретного участка биосферы, во втором - такая смена геохимических обстановок происходит в результате антропогенной деятельности. Все барьеры подразделяются на четыре класса: физико-химический, механический, биогеохимический и социальный. К настоящему времени детально разработана классификация физико-химических барьеров, среди которых выделяются кислородный, сероводородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамический барьеры. Зная класс барьера, направление мигрирующего потока и условия миграции перед барьером, можно уверенно прогнозировать осаждение на конкретном барьере определенных элементов. Возможно решение и обратной задачи: по комплексу сконцентрировавшихся элементов определить класс барьера и условия миграции элементов.

На биогеохимических барьерах происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов под воздействием организмов. Это может быть относительно кратковременное накопление химических элементов растительными и животными организмами. При этом после их отмирания (а жизнь отдельных организмов может продолжаться от часов до столетий) сконцентрировавшиеся элементы практически сразу вовлекаются в процесс миграции (в биологический круговорот). При изучении биогеохимических барьеров основное внимание уделяется общим закономерностям процесса накопления химических элементов организмами. Однако процесс накопления химических элементов животными организмами и особенно его последствия часто имеют важное значение для человека. Впервые проблема массового изучения состава живых организмов и процесса накопления ими химических элементов была поднята В. И. Вернадским. Без изучения концентраций загрязняющих веществ в организмах практически невозможно оценивать и последствия антропогенной деятельности. К настоящему времени в живых организмах выявлены почти все химические элементы периодической системы Д. И. Менделеева. Поэтому, можно считать, что на биогеохимических барьерах сконцентрирована основная масса практически всех химических элементов.

Социальный геохимический барьер [6] представляет собой зоны складирования и захоронения промышленных и бытовых отходов (см. раздел 5). Сравним природные и социальные барьеры. На социальных и природных барьерах прекращается перемещение и миграция целого ряда веществ, участвующих в определенном виде миграции — социальной (техногенной). Социальные барьеры созданы искусственно там, где в природных условиях они не возникали. По специфике концентрации веществ и способу образования эти барьеры не имеют аналогов среди природных барьеров. Концентрирующиеся на социальных барьерах вещества не объединяются ни одним общим физическим или химическим свойством. Все вещества на подобных барьерах объединяет только одно социальное условие: ненужность обществу на данном этапе его развития. Широкое распространение социальных барьеров, их возрастающее воздействие на геологические среды и непосредственно на здоровье людей делают необходимым не только их самостоятельное выделение, но и детальное эколого-геохимическое изучение. К основным геохимическим особенностям социальных барьеров относятся [5].

1. Химические элементы и соединения, накапливающиеся в повышенных концентрациях на данных барьерах, не соответствуют ни одной природной ассоциации. Например, практически в одном месте могут быть обнаружены Ni и Ва, не встречающиеся вместе в минералах, или Сu и Мn, также относящиеся к запрещенной ассоциации. Нахождение вместе химических элементов из разных генетических и даже запрещенных ассоциаций объясняется техногенной миграцией элементов.

2. Распределение большинства химических элементов на барьере отличается крайней неравномерностью, что приводит к их мозаичному распределению на территории, что нехарактерно для биосферы.

3. Неравномерное распределение участков с различной геохимической обстановкой (разный режим кислорода и серы, щелочно-кислотными условиями), что создает условия с непрогнозируемыми процессами миграции химических элементов.

4. Чрезвычайно высокая концентрация элементов в форме самых разнообразных техногенных соединений, не имеющих природных аналогов.

5. Миграция химических элементов от социальных барьеров идет в основном в виде растворов, а для ряда соединений — в газообразной форме. Скорость миграции может быть самой различной в зависимости от климата, ландшафтно-геохимических, гидрологических, гидрогеологических и температурных условий.

Часто появление одного геохимического барьера обуславливает возникновение второго, а их совместное положение — третьего и т. д. Такая геохимическая особенность существует в районах создаваемых техногенных и социальных геохимических барьеров. Ее необходимо учитывать человечеству, формируя новые барьеры. Накопление химических элементов и соединений на геохимических барьерах, в большинстве случаев, приводит к их аномальным концентрациям. При определенных условиях концентрация и общее содержание элементов на барьере резко возрастают и здесь образуются месторождения полезных ископаемых. До недавнего времени рассматриваемые процессы были только природными. Сейчас техногенные процессы достигли таких масштабов, что и на природных, и на техногенных барьерах под их воздействием возможно накопление определенных элементов (соединений) в промышленных концентрациях. Так формируются техногенные месторождения различных полезных ископаемых (см. раздел 5).

В экологической геохимии аномалией является отклонение от эколого-геохимических норм, свойственных определенному району, геохимическому ландшафту, типу почв, растений, вод, животных организмов и т. п. Элементы, по содержанию которых выявляются аномалии, обычно называют элементами-индикаторами. По особенностям распределения элементов аномалии могут быть положительными или отрицательными. Первые отличаются повышенными концентрациями элементов-индикаторов, а вторые — пониженными. Хотя одни из первых экологически неблагоприятных районов были выявлены по недостатку йода и фтора, отрицательным аномалиям в эколого-геохимической оценке территорий пока уделяется незначительное внимание.

2.3 Миграция химических элементов в техносфере.

Техногенные аномалии

На протяжении истории Земли шла постепенная эволюция процессов миграции химических элементов. В последнее столетие в число важнейших факторов перемещений химических элементов вошла антропогенная деятельность. В античном мире люди использовали только 19 элементов, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 50, а в начале XX в. - 60. В последние десятилетия стали использовать не только все 89 известных химических элементов, имеющихся в земной коре, но и искусственные радиоактивные элементы, т. е. элементы практически всей таблицы Д. И. Менделеева. Большинство продуктов переработки минерального сырья представляют собой соединения химических элементов, которые или не образуются в результате природных процессов, или не встречаются в тех частях биосферы, в которые они попадают в результате антропогенной деятельности. В связи с этим их поведение в биосфере отличается от поведения природных соединений. Попав в биосферу, техногенные соединения начинают оказывать своеобразное и возрастающее воздействие на живые организмы, большинство последствий которых мы пока еще не знаем. Сегодня геохимик ни для одного вида загрязнителя не знают точного значения верхнего предела способности Земли поглощать его, не говоря уже о способности Земли поглощать все виды загрязнителей вместе [24]. Однако не учитывать геохимическую (и биогеохимическую) роль техногенных соединений становится невозможно.

XX век нашей эры и особенно его последние десятилетия ознаменовались резко возросшей техногенной (или социальной) миграцией химических элементов. Она стала соизмеримой с другими видами миграции, происходящими в биосфере – механической, физико-химической и биогенной. К последствиям техногенной миграции следует отнести образование локальных геохимических аномалий с концентрациями определенных химических элементов, в тысячу раз превышающими их кларковое содержание, и региональных геохимических аномалий, захватывающих сотни тысяч квадратных километров (например, сельскохозяйственные угодья). В региональных аномалиях содержание химических элементов гораздо ниже и пока лишь не более чем вдвое превосходит фон. Начинают исчезать природные геохимические различия между регионами, и происходит техногенное выравнивание фоновых содержаний элементов разных геосред.

Последствия техногенной миграции химических элементов приближаются к последствиям космических катастроф, а скорость такой миграции резко возрастает. Например, природная миграция элементов в минеральной и изоморфной формах (руда, нефть) раньше происходила на десятки и сотни километров, а теперь — на десятки тысяч километров морским, автомобильным и железнодорожным транспортом, а также по нефтепроводам. Точно так же увеличилась миграция газов (главным образом углеводородов, азота, кислорода, водорода) за счет транспортировки по газопроводам, на специальных морских судах, автомобилях.

Металлы в самородном состоянии и в виде смесей встречаются в земной коре, но для большей части биосферы они не характерны. Можно говорить о происходящей в настоящее время «металлизации биосферы». Особо опасны аномалии тяжелых металлов в городских почвах и растениях, где концентрация металлов в сотни и тысячи раз превосходит природные содержания. Человечество тратит огромное количество энергии для того, чтобы из различных соединений получить Fe, А1, Mg, Ti, Сu, Pb, Zn, Ni, Cr, Co, W и другие металлы и их сплавы. Практически все они неустойчивы в условиях биосферы, и необходимы дополнительные затраты на их сохранение в свободном состоянии. Свободный кислород и вода способствуют их окислению и переходу в другие минеральные виды. Например, коррозия приводит к самопроизвольному разрушению металлических материалов в биосфере, а окисленные (корродированные) металлы обычно возвращаются в биосферу. Однако с коррозией связаны не только затраты на поиски и разведку месторождений металлов, последующую их отработку и ежегодное выплавление более 20 млн. тонн металлов (потеря от коррозии). Затраты на ремонт или замену коррозированных деталей могут во много раз превосходить стоимость составляющего их металла. С коррозией связаны и многие экологические катастрофы: утечки газов и нефти, различных техногенных растворов из трубопроводов и цистерн, порча продуктов питания.

Как и природные, техногенные геохимические аномалии образуются на участках с резко изменяющимися ландшафтно-геохимическими условиями и интенсивностью миграции химических элементов (их соединений), т. е. на различных геохимических барьерах. Но, в отличие от природных, техногенные аномалии образовываться не только на природных, но и на техногенных геохимических барьерах. На природных барьерах техногенные аномалии образуются за счет поступления веществ, вызванного антропогенной деятельностью. На техногенных барьерах они образуются в результате накопления любых веществ (природного и тех­ногенного происхождения), резко изменяющих интенсивность миграции в пределах барьеров.

Размеры крупных техногенных аномалий могут колебаться в довольно больших пределах — от нескольких километров до 100 и более километров. В зависимости от особенностей формирования они могут быть в изометричными, эллипсовидными, ленточными или неправильной формы. Техногенные геохимические аномалии могут образовываться в почвах (литохимические аномалии), растительных и животных организмах (биогеохимические аномалии), атмосфере (атмохимические аномалии газов и аэрозолей), подземных (гидрогеохимические аномалии) и поверхностных (гидрохимические аномалии) водах.

В. А. Алексеенко вывел следующий эколого-геохимический закон: ассоциации химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии, определяются в основном уровнем развитием науки и техники в период загрязнения. Из закона можно отметить 2 практических следствия [5]: 1) при проведении природоохранных мероприятий основные затраты должны быть связаны не с установлением состава загрязняющих элементов (как это еще делается в большинстве случаев), а с выявлением ландшафтно-геохимических особенностей загрязняемых территорий; 2) ассоциация химических элементов, образующих современные крупные техногенные аномалии, в ближайшее время несколько изменится. К этому нужно готовиться, чтобы избежать катастроф, способных оказать влияние на существование современных живых организмов, включая человека.

В конце подраздела приведем слова В. И. Вернадский: «Эта новая форма энергии (культурная биогеохимическая – Р. С.), связанная с жизнедеятельностью человеческих сообществ, сохраняя в себе проявление обычной биогеохимической энергии, вызывает в то же самое время нового рода миграции химических элементов, по разнообразию и мощности, далеко оставляющие за собой обычную биохимическую энергию живого вещества планеты».

2.4 Методика эколого-геохимических исследований.