Лекція № 8 Основні поняття щодо аномальності в розподілі хімічних елементів в природних системах План

1. Розподіл хімічних елементів в природних системах.

У результаті міграції хімічних елементів за природними транспортним каналам в навколишньому середовищі утворюються геохімічні аномалії. Геохімічна аномалія - ​​ділянка території, в межах якого хоча б в одному з складають його природних тіл статистичні параметри розподілу хімічних елементів достовірно відрізняються від геохімічного фону. Поява геохімічних аномалій завжди пов'язане з тими або іншими природними та неприродними джерелами впливу, які не є обов'язковим компонентом даного типу геологічної структури або ландшафту. У разі антропогенних джерел впливу утворюються антропогенні геохімічні аномалії. Техногенні геохімічні аномалії та зони забруднення - поняття, широко використовувані в природоохоронній літературі, не є повними синонімами. Під зоною забруднення зазвичай мається на увазі частина геохімічної аномалії , в межах якої забруднюючі речовини досягають концентрації , що надає несприятливий вплив на живі організми. Хімічні елементи в повітрі і воді мігрують у вигляді двох основних груп форм: розчиненої і зваженою. У водних потоках багато хімічні елементи мігрують переважно у зваженій формі. Тому при оцінці забруднення водних систем великого значення набуває каламутність води. Загальна концентрація хімічних елементів у розчиненої формі в умовах забруднення визначається насамперед ступенем, а також взаємодією в системі «вода - біота - тверда речовина». Хімічні елементи, пов'язані зі зваженим речовиною, можуть бути присутніми у вигляді геохімічних рухомих форм (тобто вони можуть відносно легко трансформуватися при зміні умов середовища) - сорбовані, пов'язані з органічною речовиною, гідроксиди заліза і марганцю, карбонати; і у вигляді нерухомих форм - сульфіди, силікати, що входять до складу решіток, які не розкладені уламкові і глинисті мінерали (кристалічна форма). В атмосферному повітрі елементи можуть перебувати в аерозольній фазі (зважена в повітрі, дисперсна) і парогазової фазі. На біосферних заповідниках, тобто в еталонних фонових умовах, більшість важких металів (Cd, Co, Cr, Cu, Zn, Pb, і Hg), а також Se, As, Br, Sb знаходяться в атмосфері, головним чином в парогазової формі. В атмосферному повітрі житлових територій великого промислового міста роль суспензій у складі атмосфери для більшості елементів зростає до 70-90%. Однак для ряду елементів парогазова фаза, або, вірніше, не вловлюється фільтром субмікронного фракція, становить значну частину змісту (As -66%, Sb-67%, Hg-60%). При аналізі особливостей освіти техногенної аномалії за рахунок випадінь з атмосфери також дуже важливі уявлення про форми знаходження хімічних елементів і насамперед про співвідношення розчинених і зважених форм . Практично для всіх досліджених хімічних елементів на відносно віддалених і порівняно чистих територіях в випаданнях з атмосфери переважають розчинні форми. Поблизу джерел викидів одночасно із збільшенням загальної маси випадає пилу і ступеня концентрації в ній елементів різко зменшується частка розчинних форм (крім Cd). У ході досліджень з'ясувалося, що випадіннями фіксується всього лише 20-30 % маси викидів. Інша частина викиду розсіюється, вступаючи в регіональні та глобальні міграційні цикли, створюючи «фонове» забруднення. Центр найбільш високих випадінь приурочений до джерела викиду. Вплив процесів глобального переносу антропогенних забруднюючих речовин призвело до того, що зараз, по суті, не вдається зібрати надійні дані про природний фоновий стан повітря і випадінь, визначених космогенним, вулканогенним і літогенним надходженням хімічних елементів. Морфологія потоків розсіювання в урбанізованих зонах і особливості розподілу хімічних елементів та їх асоціацій визначається, перш за все, закономірностями просторового розподілу випадінь з атмосфери на земну поверхню. Мається радий фізико-математичних моделей, що описують процеси випадання забруднюючих речовин. Основними параметрами моделей поширення є потужність і висота джерела, висота шару вимивання, швидкість і напрямок повітряних потоків, гравітаційні характеристики домішок, інтенсивність опадів. Елементи, що надходять з випадіннями з атмосфери, концентруються в самій верхній частині ґрунтів (0-20 см і 0-40 см). У результаті техногенних випадінь і акумулювання ґрунту починають трансформувати сполуки важких металів, і в ґрунтових горизонтах виникають нові металоорганічні з'єднання, яких не було до техногенного забруднення. Локалізація і інтенсивність надходження техногенних потоків хімічних елементів обумовлює формування техногенних геохімічних аномалій і біогеохімічних провінцій з різним ступенем екологічної напруженості. Під дією техногенних викидів відбувається деградація родючості ґрунтів. У поверхневих горизонтах ґрунтів в районах промислових вузлів вміст мікроелементів, в тому числі і важких металів, збільшується в десятки і сотні разів відносно фонових концентрацій, і забруднені ґрунти самі стають джерелом забруднення навколишнього середовища. У результаті на таких промислових територіях утворюються техногенні біогеохімічні мікропровінціі з аномально високим вмістом мікроелементів, і в кінцевому рахунку сильно змінюються склад і властивості ґрунту аж до зникнення на їх поверхні природної рослинності. На таких ґрунтах культурні рослини настільки змінюють свій хімічний склад, що стають непридатними для вживання в їжу людини і в якості фуражу для тварин. Хімічне забруднення ґрунтів важкими металами - найбільш небезпечний вид деградації ґрунтового покриву, оскільки самоочищення ґрунтів від важких металів мінімальна, ґрунту міцно акумулюють їх, чому сприяє органічну речовину. Тим самим грунт стає одним з найважливіших геохімічних бар'єрів для більшості токсикантів на шляху їх міграції з атмосфери в ґрунтові і поверхневі води. Так як на більшій частині урбанізованих територій антропогенний вплив переважає над природними факторами ґрунтоутворення, то в містах ми маємо специфічні типи ґрунтів, характерною особливістю яких є високий рівень забруднення. При максимальному прояві процесів хімічного забруднення грунт повністю втрачає здатність до продуктивності та біологічному самоочищенню, що веде до порушення її екологічних функцій. Міграційні процеси хімічних в ґрунтах зумовлені низкою факторів, найважливішими з яких є окислювально-відновні та кислотно- основні властивості ґрунтів, вміст в них органічної речовини, гранулометричний склад, а також водно- тепловий режим і геохімічний фон регіону. Захоплення хімічних елементів рослинністю знаменує їх залучення в особливу форму руху - біологічну міграцію. Враховуючи неоднакове фізіологічне значення різних елементів, можна припустити, що інтенсивність залучення різних елементів в цей процес неоднакова. Б.Б. Полинов запропонував характеризувати інтенсивність біологічного поглинання хімічного елемента приватним від ділення його вмісту в золі і гірських породах. Цей параметр А.І. Перельман (1975) назвав коефіцієнтом біологічного поглинання Кб. Так , наприклад, розрахунки показують, що молібден в десятки разів інтенсивніше акумулюється рослинністю, ніж титан. Всі елементи можна розділити за інтенсивністю біологічного поглинання на дві групи. До першої належать ті, концентрація яких в золі більше, ніж у земній корі. Особливо активно захоплюються бор, бром, йод, цинк і срібло (Кб > 10). До другої групи належать елементи з низькою інтенсивністю поглинання, мають Кб < 1. Деякі з них присутні в земній корі переважно у формах, важко доступних для рослин ( галій, цирконій, титан, ітрій, лантан), інші токсичні, тому і поглинаються обмежено (фтор, уран). Інтенсивність біологічного поглинання хімічних елементів не залежить від їх вмісту в земній корі. Цирконію в гранітному шарі континентів дещо більше, ніж цинку, але інтенсивність біологічного поглинання цирконію в 13 разів менше. Причина - його слабке участь у біологічних процесах і переважання форм, важко доступних для рослин. Глобальні геохімічні закономірності рослинності суші, очевидно, мають глибоке фізіологічне і еволюційне обгрунтування. Поглинання хімічних елементів рослинами - процес, значною мірою регульований організмом в залежності від характеру будови та хімічного складу клітинних оболонок у різних видів, складає всього 2-3% від всієї маси засвоєних мінеральних елементів. Однак регулювання рослиною поглинання елементів має місце тільки при харчуванні з врівноважених розчинів з низькою концентрацією мінеральних речовин. При підвищенні концентрації процеси регуляції в значній мірі пригнічуються, в результаті чого відбувається значне накопичення елементів в рослинному організмі. При підвищенні рівня забруднення інактивація токсикантів у грунті стає неповною і потік іонів починає атакувати коріння. Частина іонів рослина здатна перевести в менш активний стан ще до проникнення їх в коріння: хелатувати (пов'язувати) за допомогою кореневих виділень і адсорбувати на зовнішній поверхні коренів. І все ж велика кількість токсикантів потрапляє в корінь, де частково адсорбується на стінках. Якщо в клітинах кореня виявиться іонів все ж таки більше допустимого рівня, то починає діяти ще один механізм захисту, що переводить надлишок у вакуолі. При просуванні по проводять тканинам рослини елементи можуть поглинатися її стінками, а також закомплексовиваться присутніми в клітинному соку органічними сполуками. Для проникнення в клітину аркуша елементу необхідно подолати клітинну мембрану, тобто за аналогією з країнами тут діє механізм виборчого поглинання. Крім надходження важких металів в рослину через коріння із забруднених грунтів існує ще один шлях - поглинання металів через листову поверхню з газопилових викидів і аерозолів. При збільшенні надходження хімічних елементів в природні середовища можлива зміна хімічного складу живих організмів. Мігруючи по харчових ланцюгах, мікроелементи можуть накопичуватися в органах і тканинах рослинних і тваринних організмів у токсичних концентраціях. Цю обставину необхідно враховувати, так як кінцевою ланкою трофічного ланцюга є людина. Сільськогосподарська продукція і промислові об'єкти з перевищенням рівня ГДК мікроелементів можуть виявитися небезпечними для здоров'я людини при використанні їх в їжу і як сировину для виготовлення медичних препаратів.