5.3 Перенос и трансформация загрязнителей в биосфере

Общая характеристика. В биосфере происходит непрерывный перенос разных видов загрязнения, как в пространстве, так и из одной компоненты окружающей среды в другие ее компоненты. Существуют два вида переносов в биосфере: абиотический и биотический. Кроме того, важное экологическое значение имеет трансформация загрязняющих веществ, т.е. образование за счет физико-химических процессов новых веществ, иногда значительно более вредных, чем исходные. Эти процессы являются основной причиной вторичного загрязнения окружающей среды. В качестве примера такой трансформации можно привести образование ядовитого смога в результате фотохимических процессов в атмосфере промышленных центров, которые могут происходить при некоторых особых метеорологических условиях.

Абиотический перенос загрязнения в окружающей среде. Абиотический перенос загрязнения в пространстве обусловлен действием физических механизмов в компонентах окружающей среды, например, атмосферный перенос фтор- и хлорсодержащих углеводородов в верхние слои атмосферы, рассматриваемый как основная причина разрушения озонового экрана биосферы. Другим примером может служить перенос радиоактивного загрязнения в результате Чернобыльской катастрофы с атмосферными массами под действием ветра в Подмосковье, Беларусь, Скандинавию. В качестве третьего примера может быть назван перенос речными водами химических загрязняющих веществ, сбрасываемых в реки промышленными предприятиями Кузбаса, в северные районы Сибири, являющийся одной из причин загрязнения речного бассейна Оби и прибрежных морей Северного Ледовитого океана.

Абиотический перенос загрязнения из одной компоненты среду в другую также обусловлен действием физических факторов. Например, загрязнение гидросферы пестицидами происходит в результате их смыва дождями с полей. Это пример переноса загрязнений из почвы в водную среду. Кислотное загрязнение почвы (серной и азотной кислотами) может быть вызвано путем вымывания осадками из атмосферы оксидов серы и азота (перенос из атмосферы в почву).

Биотический перенос загрязнения. Этот вид переноса загрязнения связан с движением пищи по трофическим цепям в экосистемах. Загрязняющие вещества, присутствующие в пище, не усваиваются организмами согласно принципу Линдемана, а накапливаются в них, что приводит к аккумуляции загрязнения в организмах, располагающихся на верхних трофических уровнях экосистем. Выделяют несколько типов миграции. 1. Механическая миграция (механогенез) происходит под действием работы рек, течений, ветра, ледников, вулканов, тектонических сил и других подобных факторов (сползание грунта по склону – тоже вид механической миграции). Характерное явление при механогенезе – раздробление горных пород и минералов; при этом изменяются их физико-химические свойства: повышается степень дисперсности, растворимости, сорбции. Некоторые минералы при диспергировании разлагаются, например, сульфиды частично распадаются на металл и серу, гидратные минералы выделяют воду. Механическая миграция почти всегда сопровождается физико-химическими, а часто и биогеохимическими процессами. Интенсивность механической миграции зависит от абразивной прочности минералов (способности к истиранию), климата, геологического строения местности и рельефа. Перенос взвешенных частиц (песчинок) на большие расстояния осуществляется реками, океанскими течениями и ветрами. Частицы пыли, заброшенные в стратосферу (например, в результате извержения вулкана) могут многократно обогнуть Землю. 2. Физико-химическая миграция включает в себя процессы растворения, диффузии (в воде, воздухе), конвекции, фильтрации (в горных породах, почве), сорбции (адсорбции, абсорбции, ионного обмена). При этом происходит перемещение небольших (по сравнению с механической миграцией) объектов – ионов, молекул, коллоидных частиц (мицелл). Многие металлы мигрируют в составе растворенных или взвешенных комплексов с природными органическими веществами. Физико-химическая миграция может сопровождаться химическими превращениями элементов, например, окислительно-восстановительными реакциями. 3. Биогенная миграция представляет собой захват и удерживание элементов живыми организмами. В качестве примера можно привести наземные растения, которые выполняют роль своеобразных насосов, «перекачивающих» элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Корневая система собирает вещества из большого объема грунта и транспортирует их в надземные части дерева. После их отмирания накопленные элементы сохраняются в составе разложившихся растительных остатков и оттуда поступают в верхние слои почвы, повышая ее плодородие. Однако на этот процесс накладывается физико-химическая миграция элементов с дождевой водой сверху вниз. Помимо необходимых для них элементов растения одновременно могут накапливать и вредные элементы, например, тяжелые металлы (до 1% от сухой биомассы побегов). Методики фиторемедиации почв включают в себя выращивание на загрязненной почве специально подобранных видов растений с последующим удалением и утилизацией обогащенной металлами надземной биомассы. В некоторых районах поступление элементов обеспечивается путем биогенной миграции с участием животных. Например, тихоокеанские лососевые рыбы, нагулявшие вес в океане, возвращаются в реки (на Камчатке, на Аляске и в Канаде) на нерест, после которого погибают. Биогенные элементы (углерод, азот, фосфор, микроэлементы), накопленные в тушке лосося, поступают в экосистему реки и питают прибрежную растительность, мальков лосося, а также десятки видов птиц и млекопитающих, которые разносят биогенные элементы от берегов реки. 4. Техногенная миграция связана с хозяйственной деятельностью человека. Ее процессы делят на две группы.

К первой группе относят процессы, унаследованные от биосферы (хотя и с некоторыми изменениями). Это круговорот воды, биологические круговороты, рассеяние элементов при отработке полезных ископаемых, распыление вещества и другие процессы. При изучении таких явлений можно использовать ранее полученные наработки для природных процессов.

Ко второй группе относят процессы, чуждые биосфере. Это изготовление веществ, в биосфере не встречающихся – например, металлов (железа, никеля, хрома, которые в природе существуют в виде солей, оксидов, гидроксидов), искусственных полимеров (пластмасс), радиоактивных изотопов. В этом случае ранее полученных знаний недостаточно, и требуются новые подходы к изучению миграции таких компонентов. В распределения элементов на Земле важная роль принадлежит геохимическим барьерам, учение о которых начал разрабатывать около 50 лет назад А.И. Перельман.

Геохимические барьеры – это участки земной коры и связанных с ними геосфер, где на коротких расстояниях происходит резкое уменьшение интенсивности миграции элементов и, как результат, их накопление.

В зависимости от масштабов выделяют глобальные, региональные, локальные барьеры. По происхождению выделяют два типа барьеров – природные и техногенные, в каждом типе выделяют по три класса: механические, физико-химические, биогеохимические (биологические) барьеры, на которых происходит замедление миграции соответствующего типа. Техногенные барьеры в некоторых случаях создают целенаправленно, чтобы локализовать загрязнение. Например, один из способов борьбы с эвтрофикацией водоемов – это высаживание лесополосы вдоль берега. Корни деревьев улавливают биогенные вещества из почвенных вод, направляющихся в сторону водоема.