Вопросы:

1. Какие источники загрязнения (природные, антропогенные) почвы присутствуют?

1. Назовите, какие загрязнители почвы (жидкие, твердые, газообразные) и как они влияют на почву?

2. Имеются ли процессы самоочищения почвы и назовите их значение?

3. Скажите, присутствуют ли биогеохимическая провинция или техногенная аномалия загрязнения почвы? Чем они характеризуются?

4. Эпидемиологическая опасность загрязнения почвы, какие факторы оказывают влияние?

5. Рассчитайте коэффициент концентрации загрязнителей почвы.

6. Рассчитайте суммарный показатель загрязнения почвы и степень опасности для здоровья населения.

7. Какие необходимы гигиенические рекомендации по охране почвы от загрязнения?

Тесты самоконтроля

Начало формы

1. Круговорот каких элементов связан с фотосинтезом? Кислорода, железа, кальция; Кислорода, Азота, калия; Кислорода, водорода, углерода.

2. Чем отличается почвенный воздух от приземного? Большим количеством азота; Большим количеством кислорода; Большим количеством углерода и метана.

3. Где годовая продукция превышает биомассу? На суше; Во влажных тропических лесах; В океане.

4. Может ли один и тот же элемент быть избыточным в одной системе и дефицитным в другой? Может; Не может; Может, но при определенных условиях.

5. С какой биогеохимической функцией живого вещества связана аккумуляция элементов? Энергетической; Концентрационной; Транспортной.

6. Что является основой биологического круговорота элементов? Миграция; Концентрация; Рассеивание элементов.

7. Чем почвы отличаются от коры выветривания? Биохимическими реакциями; Биогенной аккумуляцией элементов под влиянием растений; Скоростью химических реакций.

8. Чем обусловлено существование естественных биогеохимических провинций на поверхности Земли? Загрязнением окружающей среды в результате деятельности человека; Естественным обогащением почв микроэлементами; Неблагоприятными метеусловиями и геохимическими барьерами.

9. Что такое ноосфера? Область планеты, населенная людьми; Область планеты, в которой происходит активный техногенез; Oбласть планеты, охваченная разумной человеческой деятельностью.

10. Назовите 4 элемента, составляющих в сумме 98,8% сырой массы живого вещества: Предельно допустимые концентрации элементов (ПДК) в воде, воздухе и почве; Пороги вредного воздействия элемента-токсиканта (ксенобиотика); Ежегодные нормы выброса вредных веществ.

*Природные (естественные) биохимические провинции это:

А) загрязнение почвы патогенной микрофлорой

В) дефицит микроэлементов в почве

С) загрязнение почвы гельминтами

Д) дисбаланс содержания микроэлементов в почве

Е) избыток микроэлементов в почве, который может приводить к развитию эндемий

АВС

ВДЕ

ВСД

АДЕ

СДЕ

* Антропогенные (искусственные) биогеохимические провинции это:

А) дефицит микроэлементов в почве на больших территориях

В) интенсивное химическое загрязнение почвы на больших территориях

С) интенсивное загрязнение почвы гельминтами

Д) интенсивное загрязнение почвы радионуклидами на больших территориях

Е) интенсивное загрязнение почв, накопление вредных веществ в организме (растениях, животных, человеке), вызывающих различные заболевания

* Основные направления инженерной защиты окружающей среды это:

А) ресурсосбережение

В) биотехнология

С) широкое применение пестицидов

Д) безграничное освоение новых земель под с/х угодья

Е) утилизация отходов

АВС

СДЕ

ВДЕ

АВЕ

ВСЕ

* Биотехнологические процессы осуществляются при помощи:

А) животных

В) растений

С) водорослей

Д) микроорганизмов

Е) дождевых червей

*К мероприятиям, направленным на ликвидацию последствий вредного действия на ОС относят:

А) ликвидация очагов загрязнения водоемов

В) очистка газовых выбросов

С) рекультивация нарушенного почвенного покрова

Д) разработка ПДК

Е) восстановление способности почвы к самоочищению после её загрязнения

АВС

СДЕ

ВДЕ

АВЕ

АСЕ

Раздаточный материал

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОВИНЦИИ

В природе часто возникают ситуации, когда в почве значительно больше каких либо химических элементов (одного или нескольких), чем требуется растению и наоборот.

Химический элемент, находящийся в недостаточном количестве для нормального развития растения, называется дефицитным. Добавление подвижных форм дефицитных элементов в среду увеличивает продукцию живого вещества. В разных условиях к дефицитным элементам чаще всего принадлежат азот, фосфор, калий, фтор, бор, йод, медь и многие другие микроэлементы. Чаще всего в дефиците – именно подвижные формы элемента, хотя валовое содержание элемента в почве может быть достаточно высоким. Это обусловлено влиянием внешних факторов геохимической среды: ее кислотностью (щелочностью), величиной окислительно-восстановительного потенциала, присутствием других элементов.

Избыток элементов в геохимической среде также может сдерживать развитие растений и снижать их урожайность. Элементы, удаление которых из среды увеличивает продукцию живого вещества, называются избыточными. Чаще всего это хлор, сера, натрий, медь, никель, железо, фтор, алюминий и др.

Таким образом, один и тот же элемент может быть дефицитным в одних условиях и избыточным в других.

Резкий дефицит или избыток элементов в среде может приводить к серьезным заболеваниям растений, животных и человека. Такие болезни А.П. Виноградов назвал биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения – биогеохимическими провинциями.

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 эндемий или эндемических заболеваний. К наиболее типичным эндемическим болезням относятся эндемический зоб при дефиците в продуктах йода, кариес зубов при дефиците в питьевой воде фтора, флюороз при избытке в окружающей среде фтора. 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 СНГ характеризуется недостатком йода, около 40% — селена. Территория земного шара по геохимическим особенностям весьма различна. Таежно-лесная нечерноземная зона характеризуется недостатком кальция, фосфора, калия, кобальта, меди, йода, бора, цинка, достаточным количеством магния и относительным избытком стронция, особенно по речным поймам. В лесостепной и степной черноземной зоне наблюдается достаточное количество кальция, кобальта, меди, марганца. Сухостепная, полупустынная и пустынная зоны отличаются повышенным содержанием сульфатов, бора, цинка. В некоторых пустынях наблюдается избыток нитратов и нитритов. В горных зонах биогеохимический характер территорий, лежащих на разных высотах, различается. Отмечается недостаток йода, иногда кобальта, меди, а в некоторых случаях — избыток молибдена, кобальта, меди, свинца, цинка. Основателем учения о биогеохимии является Вернадский В.И. Им была создана первая биогеохимическая лаборатория. В результате её деятельности (ныне институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН), появилось учение о биогеохимической провинции. Помимо природных биогеохимических провинций, границы которых чаще всего совпадают с распространением тех или иных горных пород или типов почв, появились антропогенные (техногенные) биогеохимические провинции. Их возникновение связано с технологической деятельностью человека, загрязнением окружающей среды, обусловленным развитием промышленности.

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 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. Загрязнение почвы фтором за счет промышленных выбросов приводит к накоплению его в растениях, а затем к развитию флюороза у людей, потребляющих культурные растения, выращенные на этой почве. Повышенное содержание фтора неблагоприятно влияет на функцию кроветворения, фосфорно-кальциевый обмен, нарушает функции печени, почек и т. д. Недостаток фтора в воде приводит к нарушению процессов ее самоочищения. Ртуть, поступая в почву, изменяет ее биологические свойства — снижает аммонифицирующую и нитрифицирующую активность. Увеличение ртути в почве населенных мест учащает заболевания нервной и эндокринной систем, мочеполовых органов. Накопление в почве свинца и попадание его с продуктами питания в организм приводит к патологическим изменениям иммунной, кроветворной, репродуктивной систем, органов внутренней секреции, аллергическим заболеваниям. Из микроэлементов, повышенное содержание которых в почве вызывает неблагоприятное воздействие на человека, следует отметить бор, ванадий, таллий, вольфрам и др. 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. 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. Эндемический зоб — болезнь распространенная. На земном шаре ею болеют более 200 млн. человек. Особенно тяжело она протекает в горных странах, но наблюдается и на равнинах. Она регистрируется во всех климатических поясах, на материках и островах, на побережьях морей и океанов. Практически болезнь не встречается в пустынях, полупустынях, сухих степях, на большей части лесостепей. Наиболее значительные очаги эндемического зоба расположены в Азии — по отрогам Гималаев в Индии и в Западном Китае; в Европе — в Швейцарии и в прилегающих к ней частях стран Центральной и Западной Европы, в Карпатах; в Северной Америке — в некоторых районах США; в Африке — в Эфиопии. На территории Российской Федерации эндемический зоб более часто наблюдается в лесных районах Сибири, Урала; в последние годы зарегистрировано его распространение в европейской части средней полосы России. Уровская болезнь определена по названию реки Уров, где она была впервые выявлена, иначе именуется болезнью Кашина — Бека, по именам подробно описавших ее врачей. Это заболевание впервые обнаружено в 50-е годы XIX столетия. Болезнь проявляется в ограничении подвижности суставов, изъязвлении хрящей, ограничении роста и деформации костей. С возрастом костно-суставные изменения нарастают и приводят к резко выраженной деформации скелета, в первую очередь конечностей. Заболевание ведет к обезображиванию, к потере трудоспособности. Болезнь встречается в Приангарье, Прибайкалье, в Иркутской области. Отдельные случаи этого заболевания были отмечены в Японии, Китае, Монголии, Швеции. Болезнь распространена отдельными очагами, охватывая общую площадь 180 000 км2. В Забайкалье ареал заболевания ограничен на севере рекой Шилкой, на юго-востоке — Аргунью, на западе — устьем реки Онона. Это горно-таежный болотистый район с резко континентальным климатом и развитием вечной мерзлоты. Признаки уровской болезни были обнаружены на костях людей, найденных при раскопках поселений различного возраста: эпохи позднего неолита, эпохи бронзы и в погребениях VIII — X вв. Относительно происхождения болезни существуют различные точки зрения. Однако большинство исследователей считают, что ее причины — геохимические: недостаток в почвах и водах кальция (может быть, также калия и натрия) и избыток содержания стронция и бария. В Армении обнаружены биогеохимические провинции с высоким содержанием молибдена и недостатком меди в природных объектах окружающей среды. У населения этих провинций выявляется специфическая патология, связанная с нарушением пуринового обмена, названная молибденовой подагрой. Врожденный вывих бедра отмечается в Италии (долина реки По), во Франции, Болгарии (близ города Плевен). В нашей стране — на территории Ямало-Ненецкого, частично Ханты-Мансийского автономных округов, в долине реки Таз и в верховьях рек Пура, Турухан и Вах. В этих районах наблюдается выраженная недостаточность многих макро- и микроэлементов. Анемии большей частью связаны с дефицитом во внешней среде элементов, участвующих в образовании красных кровяных телец. Свыше 10 микроэлементов принимают участие в этом процессе. Но особенно важны железо, кобальт, медь, марганец, никель и цинк. Каждый из этих элементов дополняет другие, действуя на разных этапах кроветворения. Так, марганец влияет на созревание эритроцитов; медь участвует в синтезе гемоглобина; кобальт и никель способствуют утилизации резервного железа и образованию ретикулоцитов (молодых эритроцитов). Очаги анемии распространены в Индии, на Шри-Ланке, Филиппинах, в Малайзии, Финляндии, Ирландии, в южных штатах США среди негров, в Таджикистане. Злокачественные заболевания. Различия в условиях, способствующих развитию злокачественных опухолей разных локализаций, многообразие возможных причин развития этого патологического процесса требуют применения многоаспектного анализа. Однако имеются факты, свидетельствующие о геохимических причинах. Так, в частности, специалисты обнаружили, что в области повышение заболеваемости раком желудка совпадает с выходом тектонических структур, к которым приурочены глубинные и поверхностные воды своеобразной минерализации. Анализ показал, что их химический состав включает уран, титан, цирконий, цинк, медь, свинец, хром, бериллий. Специалисты отмечают, что если каждый из этих элементов способствует заболеванию раком желудка, то их совокупность, несомненно, весьма опасна. Известно, что в среде обитания человека циркулирует свыше 10 тыс. химических соединений и в течение суток они могут попадать в организм человека разными путями в количестве до 3 г. По рисунку 26 можно определить, где в организме человека происходит накопление различных химических соединений. Факторы, способные вызвать превращение нормальной клетки в опухолевую, получили название бластомогенных, или канцерогенных (blastoma — опухоль, cancer — рак). Это могут быть химические, физические и биологические факторы, имеющие одну общую для всех особенность: они воздействуют на генетический аппарат, нарушая регуляцию клеточного деления и приводя к образованию опухоли. Из химических канцерогенов наиболее распространены полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Наиболее известные из них — бензопирены. Они широко распространены: находятся в дыме, смоле табака, в пережаренном масле, в выхлопных газах автотранспорта, в копченых продуктах, в продуктах переработки нефти, битуме, асфальте и др. Физические канцерогены — это ионизирующая радиация, ультрафиолетовые лучи, возможно, инфракрасные лучи. В последнее время обнаружены канцерогены биологического происхождения. Это особые грибы, способные синтезировать афлатоксин — вещество, обладающее резко выраженными канцерогенными свойствами. Гриб паразитирует на земляных орехах, кукурузе, рисе, яйцах, в порошковом молоке. Продукты питания животного происхождения, получаемые от животных в биогеохимической зоне, особенно при избыточном содержании некоторых токсичных элементов, представляют непосредственную опасность для человека.

Многие тяжелые металлы очень токсичны. Но хорошо известно, что марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден и другие тяжелые металлы в малых концентрациях необходимы растениям.

Диапазон содержаний тяжелых металлов в природе очень велик. Например, по данным В.В. Ковальского, в почвоообазующих породах содержание меди может различаться в 30-60 раз, цинка в 25-170 раз, кобальта – в 2000 раз, марганца – в 20 раз, стронция – в 200 раз, молибдена в 5 раз. При среднем содержании меди в почвах, равном 2,5х10-3%, ее количество в различных почвах может отличаться в 1500 раз! Если же принять во внимание и почвы, подверженные техногенному загрязнению, - то даже в несколько тысяч раз. Содержание цинка может меняться в почвах в 1000 раз.

Как считал В.В. Ковальский, эти примеры свидетельствуют о геохимической неоднородности (мозаичности) биосферы. При этом живые организмы поглощают из среды все доступные химические элементы, образующие растворимые соединения, или активно превращают нерастворимые соединения в доступные формы.

Отсюда вытекает необходимость биогеохимического районирования биосферы. Термин «биогеохимическая провинция» был введен в науку в 1938 году А.П. Виноградовым.

Биогеохимическая провинция – это область на поверхности Земли, отличающаяся содержанием химических элементов в почвах, водах и других средах.

Кларк– единица измерения количества химических элементов в почве. 1 кларк – это количество мг элемента на 100 г сухой почвы, содержащееся в чернозёме.

Следует иметь в виду, что содержание химических элементов в пределах каждой биогеохимической провинции может быть как выше, так и ниже биологического оптимума.

В настоящее время, когда природные и техногенные миграционные потоки веществ образуют единый техно-биогеохимический поток, многие ученые объединяют биогеохимические, техногенные и геохимические аномалии в техно-биогеохимические провинции.

На территории СНГ существуют биогеохимические провинции с дефицитом йода в почвах и кормах; дефицитом и избытком фтора в питьевой воде; избытком и дефицитом меди в почвах; дефицитом кобальта, бора, избытком стронция и т.д.

Таким образом, биогеохимические провинции с пониженным содержанием отдельных элементов связаны с особенностями состава почвообразующих пород. Биогеохимические провинции с повышенным содержанием элементов обычно формируются в районах рудных месторождений. Кроме того, повышенные концентрации некоторых элементов могут быть обусловлены выбросами промышленных предприятий и автотранспорта.

Ранее мы отмечали, что биогеохимические эндемии обусловлены избытком или недостатком тех или иных химических элементов. Давайте кратко рассмотрим влияние концентраций некоторых элементов на живые организмы.

Медь. В концентрациях свыше 60х10^-4% токсична для живых организмов. Но есть культуры, нуждающиеся в повышенных количествах этого элемента. Например, чай, который может накапливать меди до 15 мг/кг сухого вещества.

При резком недостатке меди (менее 6-15х10^-4%) нарушаются процессы метаболизма растений, они заболевают: засыхают листья, задерживается развитие корневой системы, проявляется хлороз, у злаков не формируются колосья, у фруктовых деревьев – желтеют листья. У животных наблюдаются анемии, заболевания костной системы. Но и при избыточных количествах меди также наблюдаются анемии, возможны поражения печени. На переизбыток меди растения также реагируют хлорозом, как и на недостаток.

Цинк. В больших количествах (более 7х10^-3%) токсичен для растений, так как наблюдается угнетение процессов окисления. Недостаток цинка (3х10-3%) приводит к задержке или прекращению роста большинства растений. Заболевают паракератозом свиньи.

Марганец. У многих растений при недостатке марганца (менее 4х10²%) снижается усвояемость йода,. Большинство растений при дефиците марганца накапливает железо. У животных и человека развиваются заболевания костной системы, возможно развитие зобной болезни.

Избыток марганца, особенно в кислых почвах, (более 30х10^-2%) приводит к уменьшению содержаний железа в растениях и вызывает у них хлороз, проявляющийся в пятнистости листьев.

Бор. Недостаток бора оказывает влияние только на растения, так как животным этот элемент не нужен. При содержании бора в почвах менее 6х10^-4% растения, как правило, погибают. Заболевание начинается с гибели точки роста, отмирания корней, у свеклы недостаток бора вызывает гниль сердечка.

Избыток бора ( более 30х10^-4%) вызывает заболевания животных и человека (борные энтериты).

Кобальт. Недостаток кобальта в почве (менее 7х10^-4%) приводит к развитию у растений заболевания – безлепестковая анемона. Систематический недостаток кобальта в пище животных и человека также приводит к тяжелым нарушениям и даже вызывает тяжелые заболевания, обусловленные недостатком витамина В12. Эти заболевания выражаются в разрушении волосяного покрова, нарушении функции печени, приводящем к развитию анемии и малокровия.

Молибден. Остро реагирует на недостаток молибдена (до 1,5х10^-4%) клевер. Животные, питающиеся растениями, выросшими на почвах с недостатком молибдена, болеют анемией, так как в их организме наблюдается накопление меди.

Наоборот, избыток молибдена в кормах является причиной недостатка меди в организме животных и приводит к развитию молибденоза. При недостатке кальция в пище животных высокое содержание молибдена приводит к развитию заболевания –эндемическая атаксия (поражается желудочно-кишечный тракт) и человек страдает эндемической подагрой – заболеванием суставов.

Свинец. Содержится в почвах в небольших количествах (Кларк – 1,6х10^-3%). Повышенное количество свинца обнаруживается в почвах промышленных зон, особенно вдоль автомагистралей. Повышенное содержание свинца в почвах приводит к накоплению его в растениях. Повышение концентрации свинца в пищевых продуктах свыше 10^-4% вызывает токсические явления. Поражаются все органы, но наиболее сильно – нервная система. Для человека токсичной считается суточная доза более 0,35 мг. Нейтрализовать свинец в организме человека можно высокими дозами аскорбиновой кислоты, а предотвратить поступление свинца в растения – внесением ме6ди в почву.

Йод. Недостаток этого элемента в пище вызывает заболевание эндемичным зобом. Обусловлено это тем, что йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы. Хотя бы один раз в 30-50 дней организм должен получать новые порции йода в количестве 10-15 мг на каждые 70 кг массы тела. Если йод поступает в организм в меньших количествах, щитовидная железа начинает увеличиваться в размерах и образуется зоб. Это заболевание может сопровождаться резким ухудшением умственных способностей. Причем болезнь может поразить человека в любом возрасте. Если же йода не хватает в пище грудного ребенка, то это может вызвать развитие слабоумия, причем кретинизм сопровождается ухудшением деятельности сердца, теряется слух, зрение, слабеют мышцы, наступает стадия идиотии. В настоящее время многие территории Земли относятся к эндемическим по йоду. В России дефицит йода проявляется в Центрально-европейском регионе, Восточной Сибири, на Урале, Северном Кавказе и Крайнем Севере.

Для предотвращения этих заболеваний в районах с недостатком йода в почвах необходимо вводить в пищу небольшие порции этого элемента. Однако, здесь необходимо проявлять осторожность, т.к. избыток йода также может привести к заболеванию – базедовой болезни (увеличение щитовидки, пучеглазие, сердцебиение).

Следует иметь в виду, что во время хранения йодированной соли потери йода составляют 15-20% в месяц.

Фтор. Недостаток фтора приводит к развитию кариеса, т.к. постепенно разрушается эмаль (в которую входит 0,02% фтора). У некоторых организмов наблюдается деформация костей, их повышенная хрупкость и переломы.

Повышение содержаний фтора может привести к нарушению функций щитовидной железы. При избытке фтора в пище и воде также возникают заболевания зубов – флюороз (разрушение эмали). У животных наблюдаются явления, усиливающие выделение из организма йода, при этом тормозится активность некоторых ферментов.

Установлено, что оптимальной суточной дозой для взрослых людей является 0,6-1,5 мг фтора. Для некоторых животных эта доза может быть выше (до 20 мг на 1 кг массы). Сверх этих норм фтор и его соединения токсичны.

Вдыхание воздуха, содержащего более 0,5 мг/л действует на людей отравляюще, а 0,8 мг/л – смертельно. Средство первой помощи при отравлении фторидами -2% раствор хлорида кальция.