1. Химические элементы биосферы

Как известно, любое вещество состоит из химических элементов, которые по своему распространению и роли в биосфере в значительной степени отличаются один от другого.

Химический состав Земли, законы распространения и рас­пределения химических элементов, пути их миграции и превра­щения в условиях Земли изучает наука геохимия. В создание и развитие геохимии как науки большой вклад внесли американ­ский исследователь Ф. У. Кларк (1847—1931) и русские ученые В. И.Вернадский (1863-1945) и А. Е.Ферсман (1883—1945). Раздел геохимии, изучающий химические процессы в земной коре с участием живых организмов, называют биогеохимией. Часть земной оболочки, занятую растительными и животными орга­низмами, называют биосферой. Ее верхняя граница (тропосфера) находится на высоте 12—15 км, а нижняя (литосфера) — на глу­бине до 5 км. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосфе­ры (тропосферу), всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Около 90 элементов существует в природе, остальные получе­ны искусственно, с помощью ядерных реакций. Распростра­ненность химических элементов в природе различна, их сред­нее содержание оценивается кларками. В 1889 г. Ф. У. Кларк рассчитал и составил таблицу среднего содержания в земной коре 50 наиболее распространенных элементов. Академик А. Е. Фер­сман предложил частоту встречаемости элементов в природе называть «кларком». Позднее, в 1925—1930 гг., академик В. И. Вернадский уточнил значения для многих элементов.

Сравнительно неболь­шое число элементов составляет земную кору. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% — на кремний. Основную массу земной коры (99,8%) составляют 18 элемен­тов — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород, титан, углерод, хлор, фосфор, сера, азот, марганец, фтор, барий. На долю всех остальных элементов приходится лишь 0,2%. Организм человека содержит около 70 эле­ментов.

Согласно учению В. И. Вернадского активное участие в пере­распределении химических элементов в земной коре принима­ют живые организмы (живое вещество). Минералы, природные химические вещества образуются в биосфере в различных количествах благодаря деятельности живых организмов.

Примером геохимической роли живого вещества является кальциевая функция, характерная для всех организмов, имею­щих кальций-фосфатный (карбонатный) скелет. Концентрируя кальций в своих телах, живые организмы энергично извлекают его из окружающей среды. Другой пример геохимической роли живого вещества — образование железных руд в результате дея­тельности микроорганизмов.

Предположение В. И. Вернадского о сходстве химического состава земной коры и живых организмов получает подтвержде­ние. Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных и человека показали, что в живых организмах, в том числе и у человека, можно обнару­жить почти все те же элементы, которые есть в земной коре и морской воде (табл. 1).

Таблица 1.

Содержание химических элементов (масс.%) в земной коре, почвах, морской воде, растениях, животных (по А. П. Виноградову)

Элемент	Земная кора	Почвы	Морская вода	Растения	Животные
О	49,4	49,0	85,82	70,0	62,4
Si	27,6	33,0	5 · 10-5	0,15	1· 10-5
А1	7,45	7,12	1· 10-6	0,02	1· 10-5
Fe	5,0	3,8	5· 10-6	0,02	0,01
С	0,15	2,0	0,002	18	21
Са	3,5	1,37	0,04	0,3	1,9
К	2,5	1,36	0,038	0,3	0,27
Na	2,6	0,63	1,06	0,02	0,1
Mg	2,0	0,6	0,14	0,07	0,03
Ti	0,6	0,46	1· 10-7	1· 10-7	1· 10-6—1· 10-5
N	0,02	0,1	1· 10-5	0,3	3,1
Н	1,0	—	10,72	10	9,7
Р	0,08	0,08	5· 10-6	0,07	0,95
S	0,05	0,05	0,09	0,05	0,16
Мn	0,09	0,085	4· 10-7	1· 10-3	1· 10-5
Zr	0,04	0,62	—	5· 10-4	—
Sr	0,04	0,03	1· 10-3	1· 10-4	1· 10-3
Ва	0,04	0,04	5· 10-6	1· 10-4	1· 10-5
Се	0,02	0,02	1· 10-7	—	1· 10-6
Сг	0,02	0,019	—	5· 10-4	1· 10-5
F	0,027	0,02	1· 10-4	1· 10-5	1· 10-5—1· 10-4
V	0,03	0,01	5· 10-8	1· 10-4	1· 10-5
Сl	0,048	0,01	1,89	1· 10-2	0,08
Rb	0,03	5· 10-3	2· 10-5	5· 10-4	1· 10-5
Zn	5· 10-3	5· 10-3	5· 10-6	3· 10-4	1· 10-3
Ni	1· 10-3	5· 10-3	3· 10-7	5· 10-5	1· 10-6
Сu	1· 10-2	2· 10-3	2· 10-6	2· 10-4	1· 10-4
Со	4· 10-3	1· 10-3	1· 10-7	2· 10-5	1· 10-6 – 1 · 10-5
Li	6,5· 10-3	3 · 10-3	1,5· 10-5	1· 10-5	1· 10-4
Pb	1,5· 10-4	5· 10-4	5· 10-7	1· 10-5	1· 10-6
В	3· 10-4	5· 10-4	5· 10-4	1· 10-4	1· 10-5
I	3· 10-5	5· 10-4	1· 10-6	1· 10-5	1· 10-5 – 1 · 10-4
Mo	1,5· 10-2	3 · 10-4	1· 10-7	2· 10-5	1 · 10-6 – 1 · 10-5
As	5· 10-4	4· 10-4	1,5· 10-6	3 · 10-5	1· 10-6—1· 10-5
Br	1,5· 10-4	2· 10-4	7· 10-3	—	1· 10-4
Cd	5· 10-5	5· 10-6	–	1· 10-6	1· 10-4
Th	1· 10-3	6· 10-4	4· 10-8	6· 10-4	1· 10-7
W	—	1· 10-4	—	—	—
U	2· 10-4	1· 10-4	2· 10-7	—	1· 10-8
Se	6· 10-5	1· 10-6	4· 10-7	1· 10-7	—
Bi	1,7· 10-6	2· 10-8	2· 10-8	—	2· 10-6
Hg	7· 10-6	1· 10-6	3· 10-9	1· 10-7	1· 10-6—1· 10-7
Ag	1· 10-5	—	1· 10-9	—	3· 10-5—5· 10-6
Аu	5· 10-7	—	4· 10-10	—	1· 10-7
Ra	2· 10-10	8· 10-11	1· 10-14	1· 10-14	1· 10-12

Из данных табл. 1. следует, что большую долю веществ жи­вых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в земной коре. Например, содер­жание кислорода в земной коре составляет 49%, в организме жи­вотных и человека — 62%. Это показывает и рис. 1.

Рис. 1.Содержание химических элементов в земной коре

(см. цифры наружного ряда) и в организме человека (приведены данные

только для макроэлементов)

Однако эта закономерность соблюдается не всегда. Так, в зем­ной коре содержится много кремния (27,6%), а в живых организ­мах, особенно в животных, его мало: в растениях — 0,15%, в жи­вотных — 1·10^-5% (табл. 1.). Аналогично алюминий в больших количествах содержится в земной коре (7,45%) и в очень незна­чительных — в живых организмах. В растениях алюминия содер­жится 0,02%, в животных — 1 • 10^-5%.

Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с тем, что на усвоение элементов влияет раствори­мость их природных соединений в воде. Природные соединения кремния (SiO₂) и алюминия (А1₂О₃) практически нерастворимы в воде, поэтому они и не усваиваются живыми организмами. Об­ратная картина наблюдается, например, для углерода, который в незначительных количествах содержится в земной коре, а по содержанию в живых организмах занимает второе (после кисло­рода) место. Увеличенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей средой называется биологическим кон­центрированием элемента.

Процесс эволюции от неорганических веществ к биооргани­ческим, основанный на использовании тех или иных химиче­ских элементов для создания биосистем, подчинен законам ес­тественного отбора. В итоге этого отбора основу живых систем образуют только шесть элементов — С, Н, О, N, P, S — получив­ших название органогенов. На долю этих элементов в организме приходится 97,4%. Характерное для органогенов образование водорастворимых соединений и способствует их концентриро­ванию в живых организмах.

В разное время многие ученые пытались классифицировать химические элементы, находящиеся в живых организмах. В со­ответствии с классификацией, предложенной В. И. Вернадским, элементы, составляющие живые организмы, подразделяются в зависимости от их среднего содержания (масс.%) на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы — это элементы, содержание которых в орга­низме выше 10^-2%. К ним относятся О (62), С (21), Н (10), N (3) Са (2), Р (1), К (0,23), S (0,16), С1 (0,1), Na (0,08), Mg (0,027). В скобках указана массовая доля элемента (масс.%).

На рис. 1. приведено содержание макроэлементов в организ­ме человека. Обычно к ним относят 11 элементов (они указаны на рисунке), в свою очередь они подразделяются на две группы, из которых одна объединяет основные макроэлементы. Из ос­новных макроэлементов (их шесть) — С, Н, О, N, P, S — построе­ны биомолекулы клетки: белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Остальные пять макроэлементов — Са, Mg, Na, К, Сl — составляют вторую группу.

Микроэлементы — это элементы, содержание которых в орга­низме находится в пределах от 10^-3% и ниже. К ним относятся I, Сu, As, F, Br, Sr, Ba, Со и др. Иногда выделяют ультрамикроэле­менты — это элементы, содержание которых в организме ниже 1-10^-5%. К ним относятся Hg, Au, U, Th, Ra и др. В настоящее время их объединяют в одну группу с микроэлементами.

Однако данная классификация не отражает биологической роли и физиологического значения того или иного элемента.

Известный биохимик и биогеохимик В. В. Ковальский (1899— 1984), исходя из значимости элементов для жизнедеятельности, разделил их на три группы.

1. Жизненно необходимые (незаменимые) элементы — посто­янно содержатся в организме человека, входят в состав фермен­тов, гормонов и витаминов; это Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, Cl, С, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Дефицит этих элементов приво­дит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.

2. Постоянные примесные элементы — элементы, которые всегда содержатся в организме животных и человека, — Ga, Sb, Sr, Br, F, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se; но их биологическая роль мало изучена или неизвестна.

3. Примесные элементы — это обнаруженные в организме че­ловека и животных Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др. Данные об их количестве отсутствуют, их биологическая роль не выяснена.

Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельно­сти различных клеток и организмов, называют биогенными эле­ментами. Точно перечислить все биогенные элементы в настоя­щее время еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их био­логических функций. Для 24 элементов биогенность установле­на надежно. Это элементы 1-ой и некоторые элементы 2-ой груп­пы по В. В. Ковальскому. Остальные элементы, кроме биоген­ных, называют второстепенными элементами.

Подводя итог сказанному выше, отметим, что примерно 50 эле­ментов встречаются в природе в существенных количествах, из них примерно поровну составляют биогенные и второстепенные элементы. Биогенные элементы разделяют на макро- и микро­элементы, к макроэлементам относят 11 элементов, а из 14 мик­роэлементов роль одних для жизни человека доказана (Сu, Мn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se), а роль других вероятна (Cr, Ni, V, Sn, As, Si).

Главный критерий, по которому различают макро- и микро­элементы, — это потребность организма в элементе, выражаемая в мг/кг массы или мг/сутки. Ежедневная потребность человека в макроэлементах составляет примерно 100 мг/сут., а необходимое количество микроэлементов не превышает нескольких мг/сут.

Есть и другие различия между макро- и микроэлементами. Первые (преимущественно С, Н, О, N, S, Р) представлены в организме в основном органическими веществами, вторые входят в состав неорганических или комплексных соединений. Отклонения в содержании макроэлементов не вызывают серьез­ных нарушений в жизнедеятельности организма, в то время как даже незначительные изменения в количестве микроэлементов приводят к заболеваниям.

Необходимо знать, что невозможно провести четкого разде­ления биогенных элементов на макро- и микроэлементы и что, по данным разных источников, оно не всегда совпадает для раз­ных групп организмов (человека, животных и растений). В растениях к макроэлементам относят такие, которых содержится довольно много (от нескольких процентов до сотых долей про­цента сухого вещества). Содержание микроэлементов в растени­ях составляет тысячные и стотысячные доли процента (В, Мn, Mo, Cu, Zn, Со, V и др.). Например, если натрий не столь сущест­вен для растений, как для животных, то бор, напротив, имеет большое значение в жизнедеятельности растений, так как он не­обходим для азотистого обмена. При недостатке бора в почве клубеньковые бактерии перестают фиксировать азот и питаются за счет растений.

Органы человека по-разному концентрируют в себе различ­ные химические элементы, т. е. распределение химических эле­ментов между разными органами и тканями человека оказывает­ся неравномерным. Данные по распределению (топографии) не­которых макро- и микроэлементов в организме человека представлены на рис. 2.

Десять металлов, жизненно необходимых для живого орга­низма, получили название металлы жизни — это Са, К, Na, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co (расположены в порядке уменьшения их содержания). Некоторые макроэлементы (Mg, Са) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с лигандами — аминокислотами, белками, нуклеиновыми кис­лотами, гормонами, витаминами и т. д. Так, ион Fe²⁺ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина, Со²⁺ — в витамин В₁₂, Mg²⁺ — в хлорофилл.

Рис. 2. Концентрирование некоторых химических элементов в органах, тканях и биожидкостях человека

Биологическая роль химических элементов в организме чело­века разнообразна. Главная функция макроэлементов — это по­строение тканей, поддержание постоянства осмотического дав­ления, ионного и кислотно-основного состава. Микроэлементы участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсичных веществ, влияют на про­цессы кроветворения, окисления —восстановления, проницае­мость сосудов и тканей.

Необходимо знать, что для организма вреден не только недо­статок, но и избыток биогенных элементов, так как при этом на­рушается химический гомеостаз. Гомеостаз (от греч. homoios — подобный, одинаковый; stasis — состоя­ние) — относительное динамическое постоянство состава и свойств внутрен­ней среды и устойчивость основных физиологических функций организма. В применении к биоценозам — сохранение постоянства видового состава и числа особей

Например, избыток цинксодержащих компонентов пищи вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (проявляется антагонизм Zn иFe.

На рис. 3. показана кривая зависимости реакции организ­ма от концентрации веществ в пище. Элементы считаются ток­сичными, если попадание их в организм приводит к тяжелой па­тологии. К такому ряду токсичных элементов относятся, например, Hg, Cd, Pb и др. Данные элементы в организме человека и животных находятся в качестве примесных.

Рис. 3. Характер изменения реакции организма в зависимости от концентрации веществ в пище

Наряду с заболеваниями, вызванными загрязнением окру­жающей среды, существуют заболевания, связанные с аномаль­ным содержанием некоторых элементов в почве, водоемах той или иной географической зоны. Такие заболевания называются эндемическими. Например, в Белгородской области обнаружено много железа (особенно в районах добычи и переработки желез­ной руды), избыток кальция вследствие распространения место­рождений мела. Растворимыми солями кальция обусловлена довольно высокая жесткость белгородской воды. Этот фактор спо­собствует распространению мочекаменной болезни, тогда как дефицит йода в белгородской воде приводит к заболеванию щи­товидной железы.

2. Естественные биогеохимические циклы и их антропогенные изменения

Химические элементы в биосфере циркулируют, т. е. совер­шают круговорот. В таких циклических процессах происходит обмен химическими элементами между различными компонен­тами биосферы. Из внешней среды химические элементы поступают в тела живых организмов, в которых претерпевают пре­вращение в сложные соединения, и затем возвращаются в почву, воду, атмосферу либо в виде продуктов жизнедеятельности, либо в виде полностью отмерших организмов.

Круговорот биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и др.) в биосфере представляет собой переход их из неживых (абиотических) компонентов в живые (биотиче­ские) компоненты и обратно за счет множества химических и биохимических превращений. Элементы могут многократно циркулировать между организмами и окружающей средой. Цир­куляция биогенных элементов обычно сопровождается их пере­ходом из одних химических веществ в другие. Круговые движения химических элементов называются биогеохимическими цик­лами («био» относится к живым организмам, а «гео» — к почве, воздуху, воде на земной поверхности). Термин «биогеохимиче­ский цикл» ввел В. И. Вернадский. С круговоротом химических элементов тесно связан круговорот веществ, например кругово­рот воды в природе (гидрологический цикл), который известен вам из курса географии.

Способность обеспечивать круговорот элементов (и веществ) является важным свойством биосферы. С ним связана неисчер­паемость отдельных химических элементов и их соединений. Например, при отсутствии круговорота углерода за короткое время был бы исчерпан этот основной «строительный материал» всего живого, способный образовывать связи углерод—углерод и создавать тем самым огромное число органических соедине­ний. Именно благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность процессов в биосфере.

Своей деятельностью человек нарушает естественный баланс круговорота элементов в биосфере. Рассмотрим круговороты важнейших биогенных элементов и воздействие на них антропо­генных факторов.

Круговорот углерода (рис. 4). Углерод в атмосфере содер­жится в основном в виде углекислого газа СО₂ (0,03 об.%). Масса углерода, содержащегося в атмосфере в виде СО₂, составляет около 600 млрд т, что примерно в 2 раза больше массы углерода в живых организмах. Круговорот углерода в биосфере начинает­ся с поглощения атмосферного СО₂ зелеными растениями (и не­которыми микроорганизмами) в процессе фотосинтеза. При этом из углекислого газа и воды образуются углеводы (в первую очередь глюкоза) и кислород, который выделяется в атмосферу (новая концепция фотосинтеза будет рассмотрена в разделе лекции«Биологическая роль воздуха»):

Рис. 4. Схема круговорота углерода:

1 – фотосинтез; 2 — дыхание; 3 — разложение; 4 — растворение; 5 — осаждение.

Большинство растений и животных потребляют кислород при дыхании, выделяя при этом СО₂ как конечный продукт об­мена. Углерод в виде органического вещества из растений поступает в пищевые цепи животных. В экосистеме углерод переме­щается с одного трофического уровня на другой до тех пор, пока не возвратится в атмосферу в результате дыхания или пока орга­низмы, в которых он содержится, не погибнут. Мертвые расте­ния и животные разлагаются микроорганизмами почвы, в ре­зультате углерод этих растений и животных окисляется до СО₂ и возвращается в атмосферу. Естественными источниками по­ступления углекислого газа в атмосферу являются также извер­жения вулканов и лесные пожары.

Углекислый газ атмосферы не только потребляется зелеными растениями при фотосинтезе, но и растворяется в океанах. Океан содержит углекислого газа в 50 раз больше, чем атмосфера. При растворении СО₂ в воде образуется непрочная угольная кислота, которая может разлагаться с выделением углекислого газа:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃ (1.3).

Угольная кислота диссоциирует на гидрокарбонат- и карбонат-ионы:

Н₂СО₃ = НСО₃^- + Н⁺ (1.4);

НСО₃^- = СО₃^2- + Н⁺ (1.5).

Эти ионы реагируют с кальцием и магнием, попадающими в во­ду вследствие выветривания пород. При взаимодействии ионов кальция с карбонат-ионами образуется нерастворимый карбо­нат кальция — известняк:

Са²⁺ + СО₃^2- = СаСО₃ (1.6).

При совместном взаимодействии ионов кальция и магния с карбонат-ионами образуется доломит СаСО₃ · MgCO₃. Благо­даря этим реакциям, сопровождающимся выпадением карбона­тов в осадок, происходит дальнейшее растворение СО₂ в воде. При этом может происходить частичное превращение нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂ (1.7).

На поверхности водоема раствор согревается, и из него вновь выпа­дает СаСО₃ и выделяется СО₂, т. е. происходит обратная реакция.

Таким образом океаны поддерживают концентрацию СО₂ в атмосфере на постоянном уровне, играя роль своеобразного буфера. Именно этот механизм до появления интенсивной тех­ногенной деятельности человека обеспечивал относительное постоянство содержания СО₂ в атмосфере Земли.

Небольшая часть углерода, по выражению В. И. Вернадского, «ускользает» от круговорота (прежде всего в бескислородной среде) и «уходит в геологию», образуя захоронения в литосфере в качестве торфа, угля, горючих сланцев, нефти, или концентри­руется в донных отложениях океана в виде известняка и доломита. Этот углерод в последнее столетие в значительной степени высвобождается человеком, использующим указанные вещества в качестве энергетических, строительных и других ресурсов.

До того времени как человечество начало сжигать ископаемое топливо, скорости поступления углекислого газа в атмосферу и его удаления из цикла были примерно равны. Техногенная дея­тельность человека нарушила естественный баланс круговорота углерода. Сжигание топлива происходит в промышленных произ­водствах, в тепловых электростанциях (ТЭС), при отоплении жи­лых домов и предприятий, при горении нефтепродуктов в двига­телях внутреннего сгорания и т. д. За последние 150 лет количество сжигаемого топлива увеличивается ежегодно примерно на 4,3%. В результате ежегодно в атмосферу выбрасывается около 6 млрд т СО₂. Отрицательным экологическим последствием интен­сивного сжигания топлива является увеличение в атмосфере ядо­витого угарного газа СО.

Увеличению содержания СО₂ в атмосфере способствует также интенсивное сведение лесов, особенно тропических, с целью расширения сельскохозяйственных земель и увеличения произ­водства изделий из древесины. Сельскохозяйственные культуры потребляют в 10—20 раз меньше СО₂ на единицу площади по­верхности, чем тропические деревья. Наконец, фактором влия­ния человека на круговорот углерода можно назвать его воздей­ствие на почву в процессе сельскохозяйственного производства (разрушение почвенного покрова, выделения с полей, культива­ция). Итогом деятельности человека на планете стал неуклон­ный рост содержания СО₂ в атмосфере Земли, начиная с 50-х гг. XX в. Глобальное экологическое последствие этого — парниковый эффект.

Таким образом, складывается биогеохимический цикл (БГХЦ), или круговорот, углерода — одного из наиболее важных биоген­ных элементов (органогенов), входящих в состав всех живых организмов.

В настоящее время представление В. И. Вернадского о биогео­химических циклах как основе организованности биосферы углублено и расширено до представления о технобиогеохимических циклах (ТБГХЦ) как основе организованности экосферы и антропосферы в целом. Вовлечение того или иного химиче­ского элемента в процессы ТБГХЦ зависит от многих факторов: химических свойств элемента (в частности, растворимости об­разуемых им соединений), его земного кларка (среднего содер­жания в земной коре); роли элемента в ТБГХ-процессах (биофильности — необходимости участия этого элемента в построе­нии живого организма, технофильности — включения элемента в производственные процессы, геохимической активности), со­отношения биологического, техногенного и геологического циклов этого элемента. Баланс элемента в конкретной экосистеме может быть как положительным (прогрессивная аккумуляция), так и отрицательным (прогрессивное рассеяние).

На рис. 5. представлен технобиогеохимический цикл свин­ца, не являющегося жизненно необходимым элементом, а, на­против, относящегося к группе тяжелых токсичных металлов. Свинец ингибирует ферментативные реакции, вступая в химическое взаимодействие с белками и осаждая их. Присутствие по­вышенных концентраций свинца в воздухе, воде и продуктах питания представляет угрозу для здоровья человека.

Рис. 5. Технобиогеохимический цикл свинца в окружающей среде

(по А. С. Бобкову, 1997):

1 — загрязнение воды в трубах, изготовленных из свинца; 2 — употребление людьми загрязненной питьевой воды; 3 — проникновение свинца в воду из земной коры; 4 — горнодобывающие процессы; 5 — производство чушкового свинца; 6— поглощение свинца корневой системой растений; 7— загрязнение воздуха в процессе выплавки свинца; 8— употребление в пищу растений, со­держащих свинец; 9— осаждение свинца из воздуха; 10 — загрязнение воздуха свинцом в процессе работы автомобильных двигателей; 11 — употребление животными в пищу загрязненной растительности; 12 — животные, употреб­ляемые в пищу человеком; 13 — поглощение детьми свинца, содержащегося в красках; 14 — попадание свинцовой глазури в пищевые продукты

В природных условиях свинец находится в основном в земной коре, он входит в состав более 200 минералов, из них промышленное значение имеют только три: галенит PbS, англезит PbSO₄ и церуссит РЬСО₃. Из земной коры свинец может попадать в подземные воды, а при выветривании горных пород — в атмосферу и поверхностные воды. Добыча, переработка и выплавка этого ме­талла сопровождаются рассеиванием свинца в биосфере, причем часто в более активной миграционно-способной форме, чем его природные соединения. Показатель технофильности свинца очень высокий и уступает лишь углероду, хлору и золоту. Мировое производство свинца составляет 34 млн т в год и постоянно возрас­тает, причем выбросы свинца в атмосферу достигают 4,3 млнт в год, и его антропогенное поступление значительно превышает природное. При сжигании нефти и бензина в окружающую среду поступает не менее 50% всего антропогенного свинца, что является важной составляющей в ТБГХЦ элемента.

Районы, в которых концентрация химических элементов (со­единений) в силу природных причин оказывается выше или ниже оптимального уровня, называют, по А.П. Виноградову (1895— 1975), биогеохимическими провинциями. Этот известный русский ученый-геохимик ввел данное понятие в науку. Формирование биогеохимических провинций обусловлено особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, а также присутствием рудных аномалий. При загрязнении биосферы про­исходит образование техногенных аномалий, в которых содержа­ние химических элементов превышает в 10 и более раз так называемое фоновое (или среднестатистическое содержание в неза­грязненных ландшафтах). Потоки элементов в их ТБГХЦ играют большую роль в возникновении как зон повышенной концент­рации тех или иных веществ, так и зон обеднения, т. е. в образо­вании различных геохимических провинций. Происходят су­щественное перераспределение вещества на земной поверхно­сти, дифференциация в пространстве элементов экосферы.

На техногенные геохимические аномалии указывал еще известный геохимик А. И. Перельман, подразделяя их на три типа:

1) гло­бальные, охватывающие весь земной шар;

2) региональные, охва­тывающие части материка, страны, области;

3) локальные, радиу­сом до нескольких десятков километров и связанные с определенным источником загрязнения.

Вопросы и задания

1. Что можно сказать о соответствии содержания химических элементов в организ­ме человека, в земной коре и морской воде? 2. Что такое биологическое концентриро­вание элементов? Приведите примеры по табл. 1. и рис. 1. 3. Из перечисленных ниже элементов, содержащихся в организме человека, выбрать а) биогенные; б) примесные; в) макроэлементы; г) микроэлементы: С, N, Са, Hg, Cd, О, Н, Mg, S, Zn, Fe, Na, К, Си, Cl, Mo, P, I. 4. Назовите отличительные особенности макро- и микроэлементов. 5. По рис. 2 дайте характеристику топографии элементов в организме человека. 6. По рис. 3 охарактеризуйте зависимость реакции организма от концентрации веществ в пище. 7. Как называются заболевания, вызванные аномальным содержанием некоторых эле­ментов в воде, почве? Какие аномалии существуют в вашей области? 8. Что представляет собой круговорот биогенных элементов? 9. Что такое биогеохи­мический цикл (БГХЦ)? 10. По рис. 5 охарактеризуйте а) два механизма удаления угле­кислого газа из атмосферы; б) природные источники поступления СО₂ в атмосферу; в) антропогенные источники поступления углекислого газа в атмосферу. 11. Назовите основные факторы воздействия человека на круговорот углерода и экологические по­следствия этого воздействия. 12. Что такое ТБГХЦ? Пояснение дайте на примере свин­ца. 13. От каких факторов зависит вовлечение химического элемента в процессы ТБГХЦ? 14. Что такое биофильность и технофильность элемента? 15. Что такое «биогеохимиче­ские провинции» и «техногенные геохимические аномалии»?

Тема № 4. Химико-экологические проблемы атмосферы.

План

1. Состав, изменение температуры атмосферы.

2. Химические процессы в атмосфере.

3. Проблема стратосферного озона.

4. Воздух, которым мы дышим.