Добровольский В.В. Основы биогеохимии
Подождите немного. Документ загружается.
использования металлов в мировом хозяйстве заключается в их активном
рассеянии. Пути техногенного рассеяния металлов разнообразны; важнейшим
служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Значительная
часть металлов теряется еще раньше — при транспортировке, обогащении,
сортировке руды. Как указывает А. А. Беус с соавторами (1976), таким путем в
1965 — 1975 гг. во всем мире было рассеяно (тыс. т): меди — 600, цинка —
500, свинца — 300, молибдена — 50.
После получения металлов вся технология современного производства
сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Огромные массы
металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и других
отраслях промышленности и уходят с промышленными стоками. Столь же
крупные массы металлов истираются и рассеиваются во время работы
различных машин и механизмов. Значительная часть некоторых металлов и
других рассеянных элементов добывается лишь для того, чтобы их рассеять на
поверхности Земли. Примером могут служить производство алкидов свинца,
применяющихся в качестве добавок в бензин для автомобилей, а также
использование ртути и мышьяка для изготовления ядохимикатов в сельском
хозяйстве.
Кроме отраслей промышленности, производящих или использующих
металлы, существуют и другие пути их техногенного рассеяния, среди которых
особенно важную роль играет сжигание минерального топлива, главным
образом каменного угля.
Массы тяжелых металлов, ежегодно поступающие в окружающую среду
в результате хозяйственной деятельности человечества, сопоставимы с
количеством металлов, участвующих в глобальных процессах массообмена.
Годовая добыча некоторых металлов, прежде всего меди и свинца,
значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват
растительностью.
Как указано в разд. 3.2, из тропосферы непрерывно осаждаются
дисперсные частицы, захваченные ветром с поверхности почвы. Оказавшись в
тропосфере, эти частицы играют роль центров конденсации и осаждаясь
выводят из тропосферы рассеянные химические элементы, поступающие туда с
вулканическими и техногенными выбросами. Чем больше промышленные
предприятия выбрасывают в воздух тяжелых металлов в составе дыма и пыли,
тем выше концентрация металлов в атмосферных осаждениях, поступающих на
поверхность почвы. По причине того, что поверхность почвы беспрестанно
подвергается смыву дождевыми и талыми водами, взвеси дисперсных
почвенных частиц переносятся плоскостным стоком и затем входят в состав
пойменных отложений. Таким образом, илистые отложения речных пойм
чувствительно отражают уровни содержания рассеянных металлов в атмосфере.
В связи со сказанным большой интерес представляет определение тяжелых
металлов в донных отложениях рек и озер, дренирующих районы активной
индустриализации. Согласно данным Дж. Мура и С. Рамамурти концентрация
тяжелых металлов в илах Рейна, протекающего через
высокоиндустриализированные районы Западной Европы, с конца XVITI в. по
331
1975 г. возросла: хрома — в 9, меди и свинца — в 13, цинка — в 19, ртути — в
50 и кадмия — в 100 раз.
После активного обсуждения широкой общественностью и научными
кругами проблемы развития технического прогресса и роста загрязнения
окружающей среды тяжелыми металлами, завершившегося принятием
итоговых документов внеочередной сессии ООН в Стокгольме в 1972 г., в
странах Западной Европы и США были предприняты энергичные действия,
направленные на ограничение загрязнения тяжелыми металлами. Результаты не
замедлили сказаться. Уже в начале 80-х гг. XX в. высокие уровни металлов в
донных отложениях рек и озер существенно снизились (рис. 16.6).
Рис. 16.6. Изменение содержания тяжелых металлов в пойменных отложениях
низовьев Рейна на протяжении XX в. (по данным Дж.Джапенда и В.Саломонса, из
А.И.Перельмана и Н.С.Касимова, 1999)
Однако проблема остается. Если бы выбрасываемые в воздух массы
металлов распространялись, как газы, на большое пространство, а затем
вымывались из тропосферы дождями и снегом, то их поступление на
поверхность всей Мировой суши или даже на поверхность суши Северного
полушария не превышало бы пределов природных поступлений, к которым
растительные и животные организмы толерантны. Но основная масса металлов
индустриальных выбросов выпадает в непосредственной близости от источника
эмиссии. В результате живые организмы испытывают импактные (ударные)
нагрузки и вокруг предприятия-загрязнителя формируются биогеохимические
аномалии.
Тяжелые металлы являются необходимым компонентом
биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов.
332
По этой причине сильное повышение их концентрации в окружающей среде в
высокоактивном рассеянном состоянии оказывает сильное влияние на живые
организмы. В первой программе глобального мониторинга (Манн Р., 1973)
среди 12 наиболее опасных загрязнителей фигурировало три металла: ртуть,
свинец и кадмий. Но уже через несколько лет в докладе исполнительного
директора Программы ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) за 1980 г.
на втором месте (после проблемы СО
2
в связи с глобальными изменениями
климата) рассматривалась опасность загрязнения тяжелыми металлами. Среди
металлов-загрязнителей помимо трех указанных выше рассматривались семь
других: марганец, олово, медь, молибден, хром, никель, кобальт. Это
свидетельствует о значительном воздействии импактных техногенных
поступлений металлов и близких им элементов на живые организмы и их
сообщества.
В пределах техногенных биогеохимических аномалий обычно выделяют
две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения,
характеризуется сильным поражением природной экогеосистемы. В этой зоне
часто отсутствует растительность, разрушена биокосная система почвы, в
значительной мере уничтожены почвенные животные и микроорганизмы. Во
второй, более обширной, зоне заметно угнетение, реже — исчезновение
отдельных составных частей биоты. На периферии этой зоны природная
экогеосистема сохраняется без внешних изменений, но в ее компонентах
(почвах, растениях, почвенных животных) отмечено повышенное содержание
элементов-загрязнителей, которое, возможно, окажет влияние на последующие
поколения.
Вокруг крупного медно-никелевого комбината в Садбери (Канада) зона
сильного повреждения имеет радиус 3 — 5 км. Вторая зона распространяется
до 20 км В первой зоне биота и почва были практически уничтожены, на
поверхность поступало меди и никеля в несколько сотен и даже тысяч раз
больше по сравнению с глобальным фоном. Концентрация никеля в почве по
направлению от источника убывает очень быстро в степенной зависимости. На
территории второй зоны происходит постепенное убывание концентрации по
линейной зависимости до уровня местного геохимического фона. В этой зоне
имеет место угнетение лишь отдельных видов растений и животных.
Аналогичная ситуация сложилась на севере Сибири в районе крупного
Норильского металлургического комбината, а также на Кольском полуострове
в результате деятельности двух медно-ни-келевых комбинатов. Вокруг них
образовались обширные биогеохимические аномалии, в центральной части
которых концентрация никеля и меди превышала фоновую более чем в 100 раз
Одна из этих аномалий распространяется на северную часть Норвегии (рис.
16.7).
В степных ландшафтах протяженность техногенных геохимических
аномалий увеличивается — заводы цветной металлургии сопровождаются
ореолами рассеяния свинца, цинка, меди, мышьяка с радиусом от 5 до 20 км.
Вокруг крупного Чимкентского свин-цово-плавильного завода,
расположенного в условиях сухих степей Южного Казахстана, ореол
333
техногенного рассеяния распространяется до 25 — 30 км. Содержание
металлов-загрязнителей от источника к фону убывает в степенной зависимости
независимо от того, является металл главным компонентом или примесью в
руде (рис. 16.8).
Рис. 16.7. Загрязнение растительности Кольского полуострова медью (а)
и никелем (б) (по данным А В.Евсеева, 1998)
334
Рис 16.8. Распределение выпадающих масс металлов на площади импакт-
ной биогеохимической аномалии, образованной свинцово-плавильным)
заводом в г. Чимкент, Казахстан
Концентрация техногенно рассеиваемых элементов в снежном покрове
значительно меньше, чем в почве. По сообщению М.А.Тойкка (1980), вокруг
небольшого свинцово-плавильного завода в Тиккурила, расположенного в
окрестностях Хельсинки (Финляндия), выделяется зона сильного загрязнения
почвы с содержанием свинца в 24 раза больше местного геохимического фона
(37810
-4
% в пахотном горизонте) Ее протяженность около 500 км от завода.
Далее до 2 км концентрация металла снижается, но остается в несколько раз
выше фоновой. В четырехмесячном покрове снега содержание свинца убывает
очень быстро: на расстоянии 100 —- 200 м от завода — 10 — 47 кг/га, на
расстоянии 1 км — 1,1 — 1,3 кг/га, на расстоянии 2,5 — 3,5 км — 0,3 — 0,2
кг/га.
Размеры аномалий зависят не только от производительности
предприятий, но и от других факторов, длительности работы производства,
технологии и др. Весьма важную роль играет высота источника выбросов в
атмосферу Согласно расчетам М.Е.Бер-лянда, при высоких дымовых трубах
значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы
на расстоянии (10— 14)Н, где Н — высота трубы. Для труб высотой 10—15 м
максимальные концентрации в воздухе образуются в непосредственной
близости от источника.
Соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в
воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве сложные. Вокруг
свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях
умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, зона
максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от
источника. В этой зоне содержание металлов в приземном слое атмосферы в
100— 1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге — в 500—1000
раз. От 2 до 4 км располагается вторая зона, где концентрация металлов в
воздухе примерно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона
протяженностью от 4 до 10 км, в которой лишь отдельные пробы показывают
повышенную концентрацию металлов.
Первая и вторая зоны загрязнения приземного слоя воздуха совпадают с
зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности.
Площадь рассеяния металлов в снеговом покрове меньше, чем в атмосфере, но
область осаждения продуктов выбросов на листьях деревьев практически
совпадает с распространением высоких концентраций в воздухе. На
протяжении существования снежного покрова в пределах первой зоны выпало
(г/км
2
): меди — 2,4, цинка — 5,5, свинца — 615, кадмия — 16,6, мышьяка —
18,8. Во второй зоне поступление (г/км
2
) свинца — 26, цинка — 3, мышьяка —
1,2.
335
По мере удаления от источника соотношение разных форм
рассеивающихся элементов меняется. В первой зоне водорастворимые формы
составляют всего 5—10%, а основную массу выпадений образуют мелкие
пылеватые частицы сульфидов и оксидов. С удалением от завода относительное
содержание водорастворимых форм свинца возрастает: на расстоянии 1,5 км от
завода оно достигает 55 %, а в 4 — 5 км — 80 — 90 %. Следовательно, вблизи
источника загрязнения осаждается основная часть твердых пылеватых частиц, а
водорастворимые формы переносятся дальше и вымываются из атмосферы
осадками.
Теоретически биогеохимические аномалии техногенного происхождения
должны представлять собой систему концентрических окружностей, где от
источника загрязнения к периферии в растениях и почве убывает концентрация
рассеивающегося металла. В реальных условиях под влиянием преобладающих
ветров, особенностей рельефа и растительности, режима атмосферных осадков
концентричность нарушается, ширина зон сильно меняется. В силу этого
биогеохимические аномалии тяжелых металлов могут быть вытянутыми и
иметь неправильные очертания.
Конфигурация аномалий в почвенном покрове усложняется
соотношением техногенных поступлений металлов с их природными
концентрациями в минеральном субстрате почв. В качестве примера
рассмотрим геохимические аномалии тяжелых металлов на восточном
побережье залива Спенсера (Южная Австралия). Район расположен на
прибрежной равнине и остаточном денудационном плато, возвышающемся на
600 м над уровнем моря. Равнина сложена молодыми наносами, в строении
плато принимают участие протерозойские кристаллические породы. Плато,
вытянутое в виде кряжа в меридиональном направлении, задерживает
атмосферные осадки, поступающие с залива. В результате этого на плато
выпадает 500 — 600 мм, на равнине — всего 300 — 450 мм осадков в год.
На берегу залива в г. Порт-Пири с 1989 г. действует плавильный завод,
который является единственным в районе индустриальным предприятием и
источником загрязнения. Австралийские геохимики Б.Картрайт, Р.Мерри и К.
Тиллер (1977) изучили содержание металлов в почвенном покрове и
установили, что выделяются две геохимические аномалии (рис. 16.9). Одна из
них окружает плавильный завод, другая приурочена к остаточному плато.
Техногенное происхождение свинцовых аномалий не вызывает сомнений. В
породах, слагающих равнину и плато, концентрация металла не превышает
2510
-4
%, а в пределах аномалии — больше 5010
-4
% (см. рис. 16.9, а).
Аномалия вокруг завода образована осаждением из атмосферы продуктов
выброса из труб завода и вытянута на юг-юго-восток под воздействием
преобладающих ветров. Аномалия свинца, приуроченная к остаточному плато,
по-видимому, обусловлена выпадением обильных атмосферных осадков,
которые вымывают значительную часть аэрально мигрирующих форм свинца
из атмосферы. Наряду с аномалией свинца в почвенном покрове образовались
аномалии цинка и кадмия, отличающиеся своими параметрами (см. рис. 16.9, б,
в).
336
Рассеяние металлов осуществляется не только металлургическими и
металлообрабатывающими заводами, но и другими промышленными
предприятиями. Так как сырье для изготовления фосфорных удобрений
содержит примеси меди, цинка, свинца, урана и других элементов, то они
рассеиваются вокруг соответствующих заводов. Производство бумаги
сопровождается рассеянием ртути. Крупные тепловые электростанции создают
ореолы рассеяния оксидов серы и тяжелых металлов в радиусе 10—- 20 км.
Рис. 16.9. Техногенные аномалии свинца (а), цинка (б), кадмия (в)
в районе Порт-Пири, Австралия (по Б.Картрайту и др., 1977)
Своеобразные биогеохимические аномалии свинца образуются вдоль
автомагистралей. Тетраалкилы свинца добавляют в бензин в качестве
антидетонационного средства для повышения КПД двигателей внутреннего
сгорания. С выхлопными газами свинец выносится в форме мелких твердых
частиц оксидов, хлоридов, фторидов, нитратов, сульфатов и др. Примерно 20 %
частиц имеют размер более 0,005 мм. Они оседают в непосредственной
близости от дороги. Более мелкие частицы, составляющие около 60 % выбросов
свинца, оседают не так быстро и в пределах относительно широкой полосы.
Остальные 20 % захватываются воздушными массами и могут переноситься на
значительные расстояния.
Концентрация металла в почве зависит от интенсивности движения
автотранспорта. Ширина придорожных аномалий в почве сильно варьирует в
зависимости от местных условий и по данным исследований, проведенных в
Бельгии, Швейцарии, Германии и других странах, достигает 100 м.
До принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин в странах
Западной Европы его концентрация в травах, растущих в зоне загрязнения
автомагистралей, составляла 40 — 50 мкг/г.
Наиболее сильно загрязнена растительность на расстоянии до 5—10 м от
края дороги и растительность газонов, разделяющих полосы движения на
337
шоссе. Зона более низких концентраций распространяется до 50—100 м от края
шоссе, но известны случаи и более широких аномалий. На расстоянии 200 —
300 м содержание свинца, как правило, снижается до уровня местного фона.
Имеющиеся данные позволяют заключить, что ширина аномалий в
растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове.
При изучении концентрации свинца в древесных посадках вдоль дорог
установлено, что максимум загрязнения приходится на интервал 1 — 2 м над
уровнем земли, а выше начинает быстро уменьшаться. Таким образом,
автотранспортные биогеохимические аномалии свинца имеют сильно
вытянутую форму, ограниченную эллипсоидальной поверхностью шириной
около 100 м и высотой не более 5 —8 м.
Характерная особенность техногенных биогеохимических аномалий —
динамичность и непостоянство их параметров. В значительной мере это связано
с тем, что в образовании этих аномалий важную роль играет атмосферная
миграция. В случае смены сухой и дождливой погоды и изменения направления
ветра конфигурация биогеохимической аномалии в разное время года может
быть неодинаковой. В частности, концентрация свинца на поверхности почвы в
условиях интенсивного придорожного загрязнения возрастает от весны к осени.
То же самое происходит в растениях на протяжении вегетационного периода.
Нарастание концентрации металла в почве и растениях, по-видимому,
обусловлено постепенной аккумуляцией высокодисперсных частиц,
выбрасываемых с выхлопными газами автомобилей. Указанная закономерность
нарушается дождями, которые смывают свинецсодержащие осадки с растений
и поверхности почвы. Под влиянием ветра распределение свинца в растениях
по обе стороны шоссе часто несимметричное (рис. 16.10).
Рис. 16.10. Распределение концентраций свинца в листьях корнеплодов
по профилю, поперечному направлению шоссе Намюр-Марш (Бельгия)
Металлы в урбогенезе. Самая многочисленная группа антропогенных
биогеохимических аномалий тяжелых металлов связана с возникновением
городов. Каждый город представляет собой небольшой, но полностью
антропогенно преобразованный участок биосферы. Городские грунты, почвы и
растительность искусственно скомбинированы людьми. Вода находится в
закрытой сети водопроводных труб, поступая в которые она получает не
338
свойственные исходному природному ландшафту макро- и микропримеси. В
городах в той или иной степени аккумулируются все химические элементы,
используемые современной техноцивилизаци-ей, в первую очередь — металлы.
При этом процесс урбанизации сопровождается не только неуклонным
обогащением исходного ландшафта продуктами технологических и бытовых
отходов, но и образованием новых, характерных для этого процесса
соединений, форм нахождения и парагенетических ассоциаций металлов.
Не менее сильно изменен состав атмосферы городов, куда поступает
основная часть промышленных и строительных выбросов. В качестве
показателя, характеризующего интенсивность загрязнения воздушной среды
городов может быть использован коэффициент эмиссионной нагрузки, Е,
предложенный Н.С. Касимовым и А. И.Перельманом (1991):
Е = P/N,
где Р — масса выбросов, т/год; N — число жителей, тыс. чел.
Используется также показатель пылевой нагрузки, измеряемый в кг/(км
2
-
сут). По данным Н.С.Касимова и А.И.Перельмана, для большей части городов
России этот коэффициент составляет 0,1 — 0,2 т на человека в год, возрастая до
0,3 — 0,7 т/год в городах с химической и нефтехимической промышленностью,
как, например, Омск, Тольятти, Уфа, Ярославль, и тяжелым машиностроением
(Челябинск, Тула). В городах с черной и цветной металлургией и тяжелым
машиностроением этот показатель достигает 1 — 3 (Липецк, Нижний Тагил,
Ангарск) и даже превышает 2 т/год на человека, как в Череповце и
Магнитогорске.
Наряду с отмеченными различиями геохимия окружающей среды городов
имеет общие черты. Известно, что пыль предприятий разных типов
промышленности характеризуют определенные парагенетические ассоциации
металлов. Для твердых отходов черной металлургии типична ассоциация Мn—
Сг—V, а цветной металлургии Zn—Pb—Сu—Сг—Ni—Со. Для пыли
металлообрабатывающих предприятий характерна ассоциация W—Mo—Mn—
Cr—Ni—Со —Си, химической промышленности Cd — Zn — Со — Мn — As
— Сг. В золе теплоэлектростанций представлен широкий набор рассеянных
тяжелых металлов, содержащихся на уровне геохимического фона, а
строительная пыль со значительной долей цемента отличается повышенным
содержанием стронция. В городской пыли все перечисленные особенности
интегрируются и отчасти сглаживаются в результате поступления
значительного количества продуктов развеивания местных почв.
На графике микроэлементного состава пыли города (рис. 16.11) показано,
что определяющий вклад в состав пыли вносят деятельность
теплоэлектростанций и строительные работы при значительной доле выбросов
предприятий металлообрабатывающей промышленности. Таким образом
становление любого города и его дальнейшая история сопровождается
аккумуляцией рассеянных тяжелых металлов, большая часть которых связаны с
твердыми высокодисперсными частицами. Эти частицы многократно
захватываются ветром, перемешиваются с такими же по размерам частицами
местных почв и грунтов, в результате чего происходит гомогенизация
339
городской пыли и ее состава с одновременно происходящим поступлением
техногенных рассеянных металлов.
Геохимическая динамика тяжелых металлов на урбанизированных
территориях осложняется еще одним обстоятельством, типичным
исключительно для городов. Поверхность городских почв почти полностью
покрыта асфальтом, нарушающим свободный газообмен в системе почва —
приземный слой атмосферы и способствующим дефициту кислорода в почвах и
грунтах. В такой обстановке развивается анаэробная микробиологическая
деятельность, сопровождаемая продуцированием специфических легко
возгоняемых углеводородов, способных образовывать комплексные соединения
с рассеянными тяжелыми металлами. Указанные соединения диффундируют в
атмосферу, вступают во взаимодействие с ядрами аэрозолей и фиксируются на
них.
Рис. 16.11. Поступление рассеянных элементов с городской пылью
(по Б. А. Ревичу и др., 1990):
1 — поступление с пылью с аномальным содержанием элементов; 2 — поступление с пылью,
содержащей элементы на уровне местного геохимического фона
Автор в 1980 г., обобщив имеющиеся к тому времени данные, показал,
что избирательная аккумуляция рассеянных тяжелых металлов в аэрозолях
является неотъемлемой частью биосферной геохимии металлов, и ввел в
качестве количественного показателя интенсивности этого процесса
коэффициент аэрозольной концентрации металлов (см. разд. 3.2). Численное
значение данного коэффициента для некоторых металлов, особенно для кадмия,
свинца и ртути существенно возрастает в аэрозолях над городами.
Американские исследователи П.Джил и Г.Гридел в 1983 г. обнаружили, что
твердые и жидкие частицы аэрозолей над городами покрыты пленками
углеводородов. Можно предполагать, что эффект аккумуляции рассеянных
тяжелых металлов в аэрозолях связан с хелатированием определенных
340