37. Биофильные элементы: макро- и микроэлемен­ты. Их содержание в литосфере.

Биофильные (биогенные) элементы - (biogenic elements) химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции. Элементы и их соединения, требующиеся биоте в больших количествах, называют макробиогенными (С, О, N, H, Ca, P, S), а в малых количествах - микробиогенными. Для растений это: Fe, Mg, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, V, Ca, которые обеспечивают функции фотосинтеза, азотного обмена и метаболическую функцию. Для животных требуются как перечисленные элементы (кроме B), так и дополнительно Se,Cr, Ni, F, I и Sn. Несмотря на малые количества, все эти элементы необходимы для жизнедеятельности биосистем.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно с глубиной переходящая в сферы с меньшей площадью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли.

После анализа всех научных работ было выяснено, что наиболее распространенным элементом в составе земной коре является кислород. Его кларк — 47%. Следующий аосле кислорода по распространенности химический элемент — кремний с кларком 29,5%. Остальными распространенными элементами являются: алюминий (кларк 8,05), железо (4,65), кальций (2,96), натрий (2,5), калий (2,5), магний (1,87) и титан (0,45). В совокупности на эти элементы составляют 99,48% от всего состава земной коры; они образуют многочисленные химические соединения.

38. Восстановлению подлежат нарушенные земли всех категорий, а также прилегающие земельные участки, полностью или частично утратившие продуктивность в результате отрицательного на них воздействия. Рекультивацию земель, нарушенных промышленной деятельностью, проводят, как правило, в три этапа.

Первый этап - подготовительный: обследование нарушенных территорий, определение направления рекультивации, технико-экономическое обоснование и составление проекта рекультивации.

Второй этап - техническая рекультивация, которая в зависимости от региональных условий может включать промежуточную стадию - химическую мелиорацию. Техническую рекультивацию обычно обеспечивают предприятия, которые разрабатывают полезные ископаемые.

Этап технической рекультивации имеет несколько стадий и включает необходимые работы по формированию рельефа местности.

Первая стадия - селективная выемка и складирование гумусного слоя почвы и нетоксичных пород для последующего их использования при рекультивации.

Вторая стадия - формирование и планирование поверхности отвалов. Под отвалы в первую очередь необходимо использовать выработанное пространство карьеров, овраги и балки.

Третья стадия - формирование потенциально плодородного корнеобитаемого слоя для последующего этапа биологической мелиорации. Плодородие почвенного слоя зависит главным образом от качества вскрышных и вмещающих пород

39. Механизмы химического выветривания минералов. Скорости реакций выветривания. Большинство минералов входящие в магматические, метаморфические и осадочные породы (за небольшим исключением) достаточно устойчивы, и если и разрушаются, то этот происходит очень медленно. Важно отчетливо представлять, что простые химические уравнения иллюстрируют только возможный ход химических реакций, но они не дают информации о скорости реакции. Химическое выветривание заключается в химическом взаимодействии минералов с воздухом и водой и изменении химического состава минералов и горных пород, неустойчивых в условиях земной поверхности, с образованием новых устойчивых вторичных минералов. Химические соединения, входящие в состав горных пород, по степени растворимости и подвижности делятся на четыре группы. Первыми выщелачиваются из пород соединения хлора и серы (хлориды, сульфаты). Затем - соединения кальция с натрием, магнием и калием (карбонаты). Еще медленнее поступает в раствор кремнезем, входящий в состав силикатов, последними выносятся полуторные окислы железа и алюминия и свободный кремнезем. При химическом выветривании наблюдаются следующие реакции: растворение, окисление, восстановление, гидролиз, карбонатизация, гидратация и хелатизация. В природе в различных химических и физических процессах участвуют живые организмы, которые могут оказывать большое влияние на характер и скорость выветривания. Первая стадия химического выветривания обычно заключается в растворении, которое может происходить в текучей воде или тонкой пленке воды, окружающей твердую частицу. Степень растворения зависит от количества воды, проходящей через поверхность частицы. Окисление минералов газообразным кислородом происходит через стадию промежуточного воздействия воды, в которой сначала растворяется кислород. Воздействие окисления особенно четко фиксируется присутствием оксидов и гидроксидов железа, которые придают характерные красные и желтые окраски многим породам и минералам.К примеру, окисление сидерита происходит так:4FeCO3 + 6H2O + O2 => Fe(OH)3 + 4CO2Множество процессов окисления протекает под воздействием бактериальной деятельности, причем бактерии получают энергию за счет окисления железа, марганца, серы и, возможно, других элементов, включая фосфор.Восстановление - это процесс, противоположный окислению, и обычно оно осуществляется в анаэробной обстановке в условиях застойных вод. Восстановление оксидов железа представляет собой одно из очевидных изменений; красные и желтые окраски в восстановительных условиях сменяются зелеными и серыми. Восстановление в значительной мере осуществляется бактериями; например, сульфаты - в сульфиды, а органическое вещество (гумус) восстанавливается ферментирующими бактериями.Карбонатизация - это реакция ионов карбоната или бикарбоната с минералами. Карбонаты не служат конечными продуктами выветривания in situ. Однако образование карбонатов - это определенная ступень в ходе выветривания, особенно при разрушении полевых шпатов. Раствор углекислоты в воде (Н2СО3) представляет собой кислоту, присутствие которой сильно облегчает процесс обмена основаниями и является необходимым для растворения самих карбонатов.Гидратация - это добавление воды к минералу. Например, оксиды железа могут поглощать воду и превращаться в гидратированные оксиды или гидроксиды железа. Гидратация - это важный процесс в образовании глинистых минералов, она подготавливает поверхности минералов для дальнейшего изменения путем окисления и карбонатизации и способствует более легкому изменению заряда ионов.Хелатизация (или комплексообразование) - это образование вокруг какого-либо комплексируемого иона, обычно металла, кольцевой постройки органического вещества. Хелатизирующие агенты могут извлекать ионы из твердых веществ, обычно нерастворимых, и способствовать переносу ионов в такие условия, в которых они обычно осаждаются химическим путем.Гидролиз - это химическое взаимодействие между минералом и водой, т.е. между ионами воды Н+ или ОН- и ионами минерала. Эта реакция происходит всюду, где минерал находится в контакте с водой. Реакции гидролиза характерны для силикатов, алюмосиликатов и ряда других минералов.

40. Концентрация и рассеяние химических элементов как результат их миграции. Основные механизмы. Геохимическая миграция – неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах.Основной геохимической мерой качества окружающей среды является содержание химических элементов: массовая доля химического элемента (мкг/г, мг/кг, г/т или %) либо объемная концентрация – масса химического элемента в единице объема (мкг/л, мг/л, г/м³).Каждая миграционная природная система является одновременно транспортирующей и вмещающей средой. В результате геохимической миграции может происходить как рассеяние химических элементов, так и их концентрирование. Процесс рассеяния химических элементов обусловливается их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в силу тех или иных физических или химических причин скорость транспортирующего потока в целом или скорость перемещения каких-либо составляющих частиц потока резко уменьшается. Такие участки являются геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки элементов до геохимического барьера может быть названа миграционным потоком или цепью распространения загрязняющего вещества.Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими. Перемещение происходит в транспортирующих средах в вводно-миграционных и воздушно-миграционных потоках, а также путем биологического поглощения элементов растительностью и далее по цепям питания живых организмов. Транспортирующие среды для живых организмов являются главными жизнеобеспечивающими природными средами. Распространение химических элементов в антропогенезе может происходить и техническими средствами (автомобильные и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.д.).В процессе миграции происходит распределение химических элементов между природными телами.Интенсивность миграции определяется скоростью обмена, перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологических свойств природных систем. В конечном счете интенсивность миграции зависит от ландшафтно-геохимических условий, т.е. от специфики сочетания гидрометеорологических, литолого-геохимических и почвенно-ботанических характеристик конкретной территории. Численно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо индекса или коэффициента, т.е. относительного показателя, сопоставляющего содержание химических элементов или их объемную концентрацию в фиксированном наблюдении, массе или моменте, по отношению к такому же состоянию природного объекта, принимаемого за базовый (исходное состояние – до начала геохимического преобразования). Применительно к прикладным геохимическим исследованиям в качестве базового чаще всего принимается фоновое содержание. Фоновое содержание – среднее содержание химических элементов в природных телах по данным изучения их естественной вариации (статистических параметров распределения). Геохимический фон – понятие местное, локальное – средняя величина природной вариации содержаний химических элементов. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к геохимическому фону, называются коэффициентами аномальности (контрастности). Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к среднему содержанию химического элемента в литосфере (кларку), в какой-либо геохимической системе (почве, горной породе, растительности и т.д.) или ее таксономической части (тип почвы, тип горной породы и т.д.), называются кларками концентрации.В результате миграции химических элементов по природным транспортным каналам в окружающей среде образуются геохимические аномалии.

41. Биогеохимические провинции и эндемические болезни. Местный геохимический фон и его антропогенное изменение. Биогеохимические провинции. В.И.Вернадский, а позднее А.П.Виноградов разработали теорию биогеохимических провинций. Биогеохимическая провинция — это территория, характеризующаяся повышенным или пониженным содержанием одного или нескольких химических элементов в почве или в воде, а также в организмах, обитающих на этой территории животных и растений. На таких территориях могут наблюдаться определенные болезни, непосредственно связанные с недостатком или избытком этих элементов. Они получили название эндемий1 , или эндемических заболеваний. Существуют территории, избыточно насыщенные токсическими элементами (ртуть, кадмий, таллий, уран), и дефицитные регионы по содержанию йода, фтора, селена и других химических элементов. Почти 2/3 территории нашей страны характеризуется недостатком йода, около 40% — селена. В процессе эволюционного развития организм выработал способность к избирательному поглощению определенных химических элементов и их избирательной концентрации в определенных тканях. Такие способности реализуются в процессе обмена веществ с окружающей средой. Обмен осуществляется через биогеохимические пищевые цепи. В эти цепи включаются микроэлементы горных пород, почвы, воздуха и воды, поглощаемые растениями, входящие в состав организмов животных, которые с пищей и питьевой водой поступают в организм человека.Существенное значение для жизни организма имеют п о роговые концентрации химических элементов, т. е. те концентрации, за пределами которых происходит срыв регулирующих функций организма и в результате этого возникают эндемические болезни. Различают начальные пороговые концентрации, от которых начинается недостаток элементов для организма, и верхние — от которых начинается избыток. Следовательно, и недостаток, и избыток может вызвать заболевание организма. В настоящее время, кроме естественных биогеохимических районов и провинций, выделяют искусственные. Образование их обусловлено поступлением в окружающую среду неочищенных или плохо очищенных сточных вод, твердых отходов, содержащих химические вещества различных классов опасности, пестицидов, минеральных удобрений и т. д. В искусственных биогеохимических провинциях отмечается повышение уровня заболеваемости населения, связанное как с отдаленными последствиями их воздействий, так и с непосредственным их воздействием на организм. Отдаленные последствия проявляются в виде врожденных уродств, аномалий развития, нарушений физического и психического развития детей. Непосредственное воздействие встречается в виде случаев острых и хронических отравлений при проведении сельскохозяйственных работ. Эндемические заболевания. Среди заболеваний, связанных с естественной биогеохимической обстановкой, можно назвать эндемический зоб, обусловленный недостатком йода; анемии, связанные, как и некоторые другие болезни, с дефицитом железа; эндемическую подагру, связанную с избытком молибдена; уровскую болезнь, вызываемую совокупным дефицитом кальция, калия, натрия при избытке стронция и бария; уролитиаз (мочекаменная болезнь), развитие которого связывают с жесткостью воды, а именно с повышенным содержанием в ней кальция; врожденный вывих бедра, связанный с недостаточностью многих макро- и микроэлементов. Остановимся подробней на некоторых болезнях человека, связанных с геохимическими особенностями определенной местности. Эндемический зоб внешне проявляется в увеличении размеров щитовидной железы, что связано с разрастанием ее ткани. Развитие этой болезни связывают с недостатком в воде и пище йода, что обусловливает снижение синтеза гормонов щитовидной железы и приводит к стимуляции тиреотропного гормона в гипофизе. Это и вызывает разрастание ткани щитовидной железы; изменяется обмен веществ, замедляется рост, нарушается психика.

42. Антропогенные изменения природных геохимических потоков в балансе вещества и их последствия для биологических объектов. Проблемы народонаселения и ресурсов биосферы тесно связаны с реакциями окружающей природной среды на антропогенные воздействия. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах. Природные процессы могут иметь катастрофический характер, например извержения вулканов, землетрясения, наводнения, что, однако, также составляет «норму» природы. Эти и другие природные процессы постепенно, с геологической скоростью, эволюционируют и в то же время в течение тысячелетий (на протяжении одного геологического периода) остаются в квазистатическом сбалансированном состоянии. При этом квазистатически протекают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ и устанавливаются квазистатические энергетические балансы между различными геосферами и космосом, что объединяет природу в единое целое. Круговороты веществ и энергии в биосфере характеризуются определёнными количественными параметрами, которые квазистатичны и специфичны для данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией. Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние окружающей природной среды, выделяют следующие: 1. Энергетический: 2. Водный: 3. Биологический: 4. Биогеохимический: Эти параметры состояния окружающей среды могут быть количественно определены экспериментальным путём для каждой точки, района, крупного региона, природной зоны или ландшафтно-географического пояса, наконец, для земного шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды. Геохимический параметр состояния окружающей среды также существенно изменился, особенно в отношении биологического и геологического круговоротов. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, природная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов из одних соединений в другие. Природный биологический круговорот веществ нарушен человеком на площади, достигающей почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, пашни, сады, вторичные низкопродуктивные леса, истощённые пастбища и т.д. Нарушению геологического круговорота веществ способствовали такие факторы: 1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твёрдого стока в океан; 2. Перемещение огромных масс земной коры; 3. Извлечение из недр значительных количеств руд, горючих и других ископаемых; 4. Перераспределение солей в почвах, грунтовых и речных водах под влиянием орошаемого земледелия; 5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов; 6. Загрязнение среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами; 7. Поступление в природную среду энергетических загрязнений Таким образом, исследование изменений параметров состояния окружающей природной среды (хотя и на качественном уровне) позволяет сделать вывод об отсутствии в настоящее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать теперешнее состояние биосферы нарушенным и аномальным. Такое состояние может перейти в кризисное, если человечество не проведёт специальные мероприятия по оздоровлению окружающей его среды.

43.Техногенная миграция химических элементов. Техногенные геохимиче­ские аномалии в почвах, водах, организмах, в городах. Техногенез – совокупность геохим. и геофиз. процессов, связанных с деят-ю чела и изм-их геохим. обстановку в биосфере. С точки зрения геохимии техногенез в себя включает: • Извлечение хим. эл-в из прир. среды (литосферы, атмосферы, гидросферы) и их конц-я • Перегруппировка хим. эл-в, изм-е хим. состава соединений, в кот. эти эл-ы входят, создание новых. • Рассеивание вовлеченных в техногенез эл-в в окр. среде. Геохимический эффект сущ-но зависит от того изымается, привносится или подвергается местной транслокации или трансформации в-во в ландшафте. Техногенные возд-я могут быть: 1. по характеру • постоянным характером: - с постоянным модулем – влияние перерабатывающих предприятий, - с изменяющимся модулем – расширение или улучшение технологий на предприятии; • периодическим х-ром: - нерегулярный – повторные аварии нефтяных на скважинах, - регулярный – извест-е или гипс-е кислых почв; 2. по силе воздействия - сильные воздействия: связанные с мощным техногенным потоком в-ва или энергии, вызывающие трансформацию ландшафтов с длинным периодом посттехногенного воздействия (Чернобыль); 3. по совместимости с современным направлением природных процессов: - совместимое, ускоряет их: техногенные модификации устойчивы (кислые атмосферные осадки, выпадающие на кислые подзолистые почвы, усиливают процесс оподзоливания; процесс устойчив и необратим для данных физико-географических условий); - несовместимое с соврем. напр-ем природных процессов: ландшафты или компоненты ландшафтов подвергаются воздействию, проявляют буферные св-ва (кислые атмосферные осадки, выпадающие на почвы, содержащие много карбонатов, происходит нейт-ция осадков, пока не исчерпаются карбонаты). Уст-сть природных систем по отн-ю к техногенному воздействию опр-ся: 1. Х-ром техногенного воздействия; 2. Св-ми самих природных систем, т.е. их геохимической стр-рой и х-ром функционирования. В ноосфере техногенез ведет к уменьшению геохимической контрастности ноосферы. Рез-том чего яв-ся техногенные аномалии. Техногенные аномалии по охватываемой территории делят на: 1. Глобальные. Охватывают весь земной шар. Например, повышенное содержание углекислого газа в атмосфере. 2. Региональные. Распространяются на материки, страны, зоны, области, провинции. Например, применение мин. удобрений и ядохимикатов. 3. Локальные. Связанные с конкретным заводом, рудником, городом. Например, повышенное сод-е металла в почве и воде вокруг металлургических предприятий. Все техногенные аномалии по воздействию на окр. среду (Перельман) делят на: 1. Полезные – улучшающие природную среду 1. Вредные – повышение конц-ции токсичных в-в, ухудшение условий существования человека, растений и животных. 3. Нейтральные - не оказывающие определенного воздействия на окружающую среду (золото в банках, алюминий железо в городах).