- •Конспект лекций по курсу «Геохимия окружающей среды»
- •1. Геохимическое поле биосферы Земли
- •1.1. Химический состав объектов биосферы
- •1.1.1.Литосфера
- •1.1.2.Гидросфера
- •1.1.3.Атмосфера
- •1.1.4.Живое вещество
- •1.2. Геохимическая классификация химических элементов
- •1.3. Формы нахождения химических элементов в биосфере
- •1.4.Геохимические аномалии
- •1.5. Факторы миграции химических элементов в биосфере
- •1.6.Геохимические барьеры
- •1.6.1. Концентрирование химических элементов на физико-химических геохимических барьерах
- •1.6.2. Концентрирование химических элементов на механических геохимических барьерах
- •1.6.3. Концентрирование элементов на биогеохимических барьерах
- •1.6.4. Концентрирование элементов на техногенных барьерах
- •2.Геохимия природных ландшафтов
- •2.1. Процессы трансформации солнечной энергии в ландшафте
- •2.2.Круговорот воды в природно-территориальных комплексах
- •2.3. Биогеохимический круговорот атомов в ландшафте
- •2.3.1.Круговорот углерода
- •2.3.2.Круговорот азота
- •2.3.3.Круговорот фосфора
- •2.3.4.Круговорот серы
- •2.4.Процессы выветривания в природных ландшафтах
- •2.5.Геохимические процессы в природных (фоновых) ландшафтах
- •2.5.1. Геохимия гумидных ландшафтов
- •2.5.1.1. Влажные тропические леса.
- •2.5.1.2. Зона лесов умеренного пояса.
- •2.5.1.3. Тундровые ландшафты
- •2.5.2.Геохимия аридных ландшафтов
- •2.5.2.1. Степные ландшафты.
- •2.5.2.2. Пустынные ландшафты.
- •2.6.Закономерности воздушной (атмосферной) миграции химических элементов в ландшафтах
- •Высокая нагрузка, формируемая в результате выпадения больших количеств пыли с фоновым или близким к нему содержанием химических элементов.
- •Высокая нагрузка, связанная с выпадением пыли с высоким содержанием химических элементов.
- •Форма и размеры области сильных геохимических аномалий слабо зависят от "розы ветров", характерной для данного региона.
- •Форма и размеры области слабых геохимических аномалий, окружающих зону наибольших выпадений, хорошо коррелируются с метеорологическими параметрами региона.
- •2.7.Закономерности процессов водной миграции химических элементов в биосфере
- •2.7.1. Геохимическая классификация природных вод
- •2.7.2. Миграция химических элементов в природных водах
- •2.7.3.Особенности геохимических процессов распределения и миграции химических элементов в природных и техногенных водных потоках рассеивания
- •3.Геохимия техногенных ландшафтов
- •3.1.Количественные показатели техногенного геохимического воздействия
- •3.2. Устойчивость природных ландшафтов к техногенным геохимическим нагрузкам
- •3.3. Техногенные геохимические аномалии
- •3.4. Геохимия городских ландшафтов
- •3.4.1. Атмосферные выпадения
- •3.4.2. Техногенные потоки в водах и донных отложениях
- •3.4.3. Биогеохимия городской среды
- •3.4.4. Направления эколого-геохимической оценки городских ландшафтов
- •3.5.Геохимия горно-промышленных ландшафтов
- •3.5.1. Характерные особенности горно-промышленных ландшафтов
- •3.5.2.Атмосферные потоки рассеивания при разработке месторождений
- •3.5.3.Водные потоки рассеивания в горно-промышленных ландшафтах
- •3.5.4. Геохимические процессы в отдельных горно-промышленных ландшафтах
- •3.5.5. Эколого-геохимическая оценка воздействия горного предприятия на окружающую среду
3.4.2. Техногенные потоки в водах и донных отложениях
Промышленная и муниципальная деятельность ведут к значительной техногенной трансформации водного баланса. Наряду с изменениями гидрогеологических условий (подтопление, осушение, просадка и пр.) одной из основных форм техногенной деформации городской среды является загрязнение поверхностных и подземных вод промышленными и коммунально-бытовыми стоками.
Гидрогеохимия поверхностного стока в городах существенно отличается от фоновых условий. Меняется основной химический состав вод, степень их минерализации, содержание и соотношение макрокомпонентов. Исследования, проведенные в крупных городах и промышленных центрах Пер. показали, что слабоминерализованные (200—400 мг/л) гидрокарбонатные фоновые воды в городах становятся солоноватыми (1 г/л и выше), гидрокарбонатно-сульфатными, а в период снеготаяния, когда растворяются противогололедные смеси, — хлоридными натриевыми. В городских поверхностных стоках содержание хлора, сульфат-, нитрит- и фосфат-ионов, натрия и калия в среднем в десятки и сотни раз больше, чем в фоновых условиях. При этом на твердой асфальтированной поверхности резко увеличивается ионный сток, который здесь выше на порядок, чем в природных и агроландшафтах.
Особенно характерны для поверхностных вод городов синтетические загрязнители — фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ), полихлорбифенилы (ПХБ). В ряде случаев они усиливают миграцию тяжелых металлов за счет образования растворимых комплексных соединений. Поэтому в отличие от фоновых вод в загрязненных поверхностных водах города происходит увеличение растворимых, главным образом органических форм Сd и Ni, образующих с ПАВ устойчивые хелатные соединения. Наоборот, для Нg, Сu, Zn и Рb увеличивается доля техногенной взвеси, в которой они находятся преимущественно в геохимически подвижных сорбционно-карбонатных, органических и гидрооксидных формах
3.4.3. Биогеохимия городской среды
Растительный покров городов находится под мощным техногенным прессом загрязняющих веществ, поступающих из воздуха и загрязненных почв. Растения — один из наиболее чутких индикаторов техногенного изменения городской среды.
На городские растения негативно влияют многие загрязняющие вещества: оксиды серы, азота и углерода, тяжелые металлы, соединения фтора, фотохимическое загрязнение, углеводороды и др. Наиболее опасны выбросы в атмосферу диоксида серы, содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также фтористого водорода, образующегося при производстве алюминия и фосфатов. Высокие концентрации SO2 и НF в атмосферном воздухе ведут к некрозу и хлорозу листьев и хвои, преждевременному их сбрасыванию, замедлению роста и снижению продуктивности флоры. Негативны последствия и от высоких доз микроэлементов.
В атмотехногенных потоках основная доля микроэлементов содержится в аэрозолях, которые выводятся из атмосферы вместе с осадками. Растительный покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Свинец аэрозолей абсорбируется поверхностью листьев, цинк и кадмий механическим путем или в растворенном виде проникают в устьицы.
Часть металлов поступает в растения из загрязненных почв. Таким образом, аккумуляция металлов зависит от особенностей поверхности растения (опушенность листьев, наличие воскового слоя, характера шероховатости, смачиваемости и клейкости), от количества атмосферных осадков, их рН, скорости ветра, влажности воздуха, определяющих вынос элементов из растений, от свойств загрязняющих частиц и соединений металлов (размеры частиц, их форма, растворимость и др.).
Кислые осадки, образующиеся при выпадении оксидов серы из атмосферы, способствуют подкислению коры деревьев (до pH 2,5—3,0), растворению аэрозолей, содержащихся на поверхности органов и более активному поглощению катионов металлов — Рb, Zn, Сd. Подщелачивание осадков в зонах ТЭЦ, цементных заводов приводит к повышению рН коры и листьев. При значениях рН больше 8 оно токсично и может вести к растворению содержащихся в аэрозолях анионогенных элементов — Мо, Сг, V.
Биогеохимическая индикация и оценка состояния городской среды основаны на способности растений аккумулировать загрязняющие вещества вблизи техногенных источников. Она включает определение содержания тяжелых металлов и других загрязняющих веществ в растениях, выбор индикаторных видов и органов для опробования, выявление биогеохимических ореолов.
В отличие от анализа снега биогеохимическая индикация дает информацию о загрязнении преимущественно в период вегетации и достаточно активной водной миграции загрязнителей, поступающих в растения из загрязненных почв.
В небольших и средних городах широко распространены садово-огородные участки, нередко примыкающие к индустриальным зонам. Почвы и сельскохозяйственная продукция, в основном овощные культуры, здесь испытывают интенсивное техногенное воздействие, ведущее к загрязнению и ухудшению качества продуктов. Содержание загрязняющих веществ в овощах может превышать предельно-допустимые концентрации (ПДК) и вызывать у населения токсикозы. Овощи и фрукты используются и как тестовые биообъекты для оценки состояния городской среды, для которых разработаны наиболее достоверные предельно-допустимые уровни содержания загрязняющих веществ (ПДК в продуктах питания).
Загрязнение овощей металлами зависит от фазы вегетации, времени экспонирования и вида растения. По мере созревания к началу осени содержание токсичных элементов увеличивается примерно в 2 — 5 и более раз, что особенно опасно для населения, потребляющего овощи в стадии "товарной" зрелости. В зрелых овощах содержание кадмия, никеля, хрома достигает и даже превышает санитарно-гигиенические нормы (ПДК).
Для большинства тяжелых металлов — никеля, хрома, свинца, цинка, меди хорошим индикатором техногенеза является морковь, загрязнение кадмием лучше фиксируется картофелем и помидорами. Предельно допустимые концентрации в овощах, как правило, достигаются при превышении фоновых значений в 15 — 20 раз.
Загрязнение овощей обусловлено главным образом атмотехногенными потоками металлов вблизи промышленных зон и хорошо коррелирует с поставкой пыли на поверхность почвы. В парниковых овощах содержание металлов низкое. Влияние промышленного города на состав овощей зависит от розы ветров и при отсутствии местных источников загрязнения сказывается на расстоянии 15 — 20 км.
Почвы огородов меньше загрязнены металлами, чем почвы застроенной и тем более промышленной части города, и не могут служить основным источником загрязнения овощей. Поступающие из атмосферы металлы не образуют приповерхностных аномалий и более равномерно распределены по профилю почвы за счет рыхления и выщелачивания при поливе. Почвы огородов загрязняются также при удобрении илами очистных сооружений, при поливе сточными водами. В этих случаях содержание металлов в почвах и овощах хорошо коррелируется и достигает в овощах токсичных уровней.