Зверев В.Л. Экология России. Проблемы природопользования и среды обитания. Краеведение. Учебные практикумы
Подождите немного. Документ загружается.
151
выделяются зональные биогеохимические провинции, где распределение
микроэлементов и биологические реакции организмов соответствуют признакам
зон. Например, в таежно-лесной нечерноземной зоне биологические реакции
организмов определяются недостатком в почвах Co, Cu, I, Mo, B, Zn при
достаточном содержании Mn и относительном избытке Sr.
Поскольку все живые организмы зависят от геохимических условий среды
обитания, в биосфере существует обязательное единство жизни и геохимической
среды. Поэтому в разных регионах биосферы, в зависимости от геохимических
условий почвенного покрова и природных вод, у живых организмов изменяется
обмен веществ и адаптация к среде обитания. При этом поглощение
микроэлементов живыми организмами зависит не только от геохимических
условий среды обитания и биологических свойств организмов, но и от характера
биогеохимических
пищевых цепей, которыми осуществляется связь организмов и
среды.
В пределах биогеохимических провинций с избытком или недостатком
некоторых микроэлементов биологическая реакция живых организмов может
проявиться в виде специфических эндемических заболеваний. Еще в середине
XIX в. врач Н.И. Кашин описал поражение костного скелета /искривление и
ломкость костей, боль и ограничение подвижности в
суставах/ у жителей долины
р.Уров в Забайкалье. В 1930-х годах работы нескольких, биогеохимических
экспедиций показали, что в биогеохимической провинции уровской болезни
почвы и питьевые воды беднее кальцием и богаче стронцием и барием,
относительно прилегающих мест, где это заболевание у населения не встречается.
Отношение Ca / Sr' в пастбищных растениях из районов уровской эндемии
152
составило 80 против 160 в здоровых местностях, а кости скелета больных
животных оказались обогащены стронцием в 5-8 раз относительно здоровых.
Биогеохимическими провинциями с дефицитом иода являются
высокогорные ландшафты, где /например, в Альпах/ в прошлом широкое
распространение имела зобная болезнь, против которой сейчас эффективно
используют йодную профилактику / снабжение населения иодированной
поваренной солью/. В доиндустриальное время
токсическое действие
микроэлементов ограничивалось биогеохимическими эндемическими
провинциями и сказывалось на незначительном контингенте населения. В
результате антропогенного влияния биогеохимические провинции с
искусственными потоками микроэлементов /техногенные ландшафты/ получили
значительное распространение в промышленных районах. Там с начала 1950-х
годов стали происходить случаи массовой гибели животных и людей в результате
микроэлементного загрязнения природных вод, сельхозпродукции
и т.д.
Все микроэлементы - простые вещества, они не подвержены процессам
разложения подобно органическим загрязнителям сложного состава, которые
вовлекаются в природные реакции и постепенно превращаются в минеральные,
относительно мало токсичные соединения типа воды и углекислоты. Поэтому
процессы самоочищения биосферных подсистем оказываются эффективными
только по отношению к органическим загрязнителям и совершенно не
действенны для микроэлементов, освободить от избытка которых природную
среду можно только изъятием или экстракцией. Другой способ очистки -
разбавление до безопасных концентраций - используется в ограниченных
пределах и не сможет иметь серьезного значения по отношению к огромным
153
объемам и площадям биосферы, тем более, что необходимые количества чистых
разбавителей - воды, воздуха, почвы уже практически не осталось.
Таким образом, следует заключить, что микроэлементное загрязнение
биосферы происходит необратимо. Антропогенное влияние, изменившее
естественное геохимическое распределение микроэлементов в биосфере привело
к тому, что токсикантами природной среды стали не только Se, Sr, I и другие
химические элементы
, известные в эндемических биогеохимических провинциях,
а все микроэлементы. Благодаря техническое прогрессу микроэлементное
загрязнение биосферы существует на импактном /локальном/, региональном и
глобальном уровнях. Микроэлементное загрязнение стало планетарным,
всеобщим, создало приоритетную глобальную экологическую проблему.
Поскольку большинство микроэлементов является металлами, можно говорить об
антропогенном металлическом давлении на биосферу, которому не могут
препятствовать природные процессы.
В настоящее время, согласно оценкам экспертов ООН микроэлементы
конкурируют с пестицидами по степени экологической опасности среди
приоритетных загрязнителей биосферы. Ожидается, что в будущем
микроэлементы возглавят список приоритетных загрязнителей, вторыми будут
радиоактивные отходы атомной энергетики и третьими твердые отходы.
Токсическое действие микроэлементов характеризуется двумя
экологическими особенностями: 1/ микроэлементы накапливаются в живых
организмах; 2/ токсичность даже низких концентраций микроэлементов может
иметь отдаленные последствия для нескольких поколений людей.
Особенность микроэлементов как токсикантов биосферы состоит в том,
154
что они не просто накапливаются в живых организмах, но и концентрируются в
жизненно важных органах с интенсивными биохимическими процессами - в
печени, почках, легких, эндокринных железах. Воздействие микроэлементов на
данную популяцию и отдельный организм /человека/ может проявиться через
несколько лет, десятилетий, а также в последующих поколениях.
В действии микроэлементов на живые организмы
, и в том числе на
человека, различают два вида влияния:
1/ специфическое, приводящее к возникновению определенных заболеваний в
результате избирательного токсического действия микроэлементов на различные
органы и биологические системы организма. Специфическое хроническое
действие высоких концентраций микроэлементов установлено для свинца, цинка,
ртути, кадмия, бериллия, хрома, марганца, мышьяка. Оно проявилось в виде
случаев массовой гибели и заболеваний людей, описанных как болезнь
"минамата", "ита-ита" и др.
2/ неспецифическое, оно способствует развитию болезней причинно
обусловленных другими факторами. Хроническое неспецифическое воздействие
низких концентраций микроэлементов охватывает большие массы населения,
особенно в городах, где наблюдается рост числа респираторных заболеваний, в
первую очередь у детей за счет ослабления
организма при микроэлементной
интоксикации относительно невысокими дозами.
Общая схема реакции населения на воздействие микроэлементного
загрязнения окружающей среды по данным экспертов Всемирной организации
здравоохранения / ВОЗ / приведена на рис.10, где выделено 5 уровней
биологических ответов организма на воздействие интоксикации - от сдвигов в
155
организме, биологическое значение которых недостаточно ясно, до смертельных
исходов. Пунктирная линия отделяет повышенные уровни воздействия,
приводящие к заболеваниям, от более низких, с неясной биологической
значимостью. Реакция организма на действие невысоких уровней часто
оценивается как защитно-приспособительная. Однако, возникновение такой,
защитно-приспособительной реакции служит показателем того, что среда уже не
соответствует биологическому
оптимуму. При длительном обитании в условиях
загрязнения может произойти срыв защитно-приспособительных механизмов, и
возникнуть то, или иное заболевание.
Экологическая опасность микроэлементного загрязнения зависит от
условий среды. Для почвенных микроорганизмов, а также водных животных
особенно токсичны Ag, Hg, Cu, Cd. Относительная токсичность микроэлементов
для водных организмов может быть представлена следующим образом Hg >Ag
>Cu >Cd >Zn >Pb >Cr >Ni >Co.
7.3. Потоки микроэлементов
в биосфере.
Геохимическая миграция микроэлементов в биосфере определяется
сложным комплексом взаимодействий миграционных элементов с физико-
химическими параметрами природных сред. Поэтому природные миграционные
системы являются одновременно транспортирующими и вмещающими средами,
где благодаря геохимической миграции элементов происходит их рассеяние в
одних условиях и концентрация в других.
Изучение природных миграционных систем позволяет выявить
геохимическую меру качества природной среды - содержание химического
156
элемента в единице массы или объема природного образования. Процесс
рассеяния и концентрирования химических элементов происходит при их
разбавлении или осаждении из транспортных потоков. Обедненные химическими
элементами участки ландшафта, называемые зонами выщелачивания,
формируются в зависимости от окислительно-восстановительных и щелочно-
кислотных условий, концентрации органического вещества.
По этим признакам в ландшафтно-геохимических исследованиях
выделяются три типа окислительно-восстановительных условий и
соответствующих зон выщелачивания: окислительные, восстановительные
глеевые и восстановительные сероводородные. Выявление зон выщелачивания
имеет большое значение при эколого-геохимических исследованиях
трансформации загрязнения в ландшафтах, и изучении процессов их
самоочищения. Не менее важно изучение геохимических барьеров - участков
концентрации химических элементов, вызывающих резкое падение скорости
миграционного
потока (А.И. Перельман, 1966), при уменьшении механической,
физико-химической или биогенной миграции.
В биогенных ландшафтах Средней России основные геохимические
особенности определяются деятельностью живого вещества или биогенной
аккумуляцией химических элементов в почвенных горизонтах. Таким образом
формируется почвенно-геохимический фон, характеризующий средние уровни
химических элементов в пределах их естественных вариаций для однородного
ландшафтно
-геохимического участка.
Изменения почвенно-геохимического фона происходят в результате
накопления химических элементов при их выпадении из потоков рассеяния. При
157
значительной динамичности потоков рассеяния и высоких концентрациях в них
химических элементов происходит формирование техногенных геохимических
ореолов, которые представляют поля аномальных концентраций загрязняющих
веществ, отражающие кумулятивное действие загрязнения на данный ландшафт
ко времени проведения исследований.
Во многих геохимических исследованиях и оценках используется фоновое
содержание - средняя концентрация химических элементов в
природных объектах, определенная по их естественным вариациям
/статистическим параметрам распределения/ в пределах однородного в
геологическом или ландшафтно-геохимическом отношении участка.
Геохимический фон характеризует локальные участки. Коэффициенты
концентрации, рассчитанные к геохимическому фону, называются
коэффициентами контрастности /аномальности/. Коэффициенты концентрации
рассчитанные по отношению к среднему содержанию химического элемента в
литосфере / кларку / в определенной геохимической системе / почве
, горной
породе /, называются кларками концентраций.
Особенностью антропогенных потоков является их большая динамичность,
т.е. высокая скорость поступления загрязняющих веществ и большое значение в
их рассеянии атмосферных процессов. Интенсивность участия микроэлементов в
биологическом круговороте можно оценить величиной коэффициента
биологического поглощения /К /, который показывает во сколько раз содержание
микроэлемента в золе растений больше, чем в литосфере в целом / или в
определенной горной породе, почве/. Эти расчеты впервые выполнил
выдающийся русский геохимик и почвовед Б.Б.Полынов. В целом для
158
растительности суши можно определить К , разделив средние содержания
микроэлементов в золе наземной растительности на величины их кларков в
литосфере. Такие распространенные в земной коре в весовых количествах
металлы как железо и алюминий характеризуются невысокой интенсивностью
биологического поглощения и присутствуют в живом веществе в качестве
микроэлементов. Весьма слабо поглощают растения ртуть, кадмий
, цирконий.
Относительно умеренным можно считать поглощение растительностью никеля,
кобальта, ванадия, стронция и свинца, для которых концентрация в золе и земной
коре достаточно близки.
Наиболее значительное поглощение и активность в биологическом
круговороте, обнаруживают бор, цинк, молибден, марганец, медь, хром. Известно
множество растений, которые избирательно накапливают определенные
микроэлементы. Бобовые концентрируют молибден и
селен, пасленовые литий.
Итогом биосферной миграции микроэлементов в древней биосфере является их
накопление в каустобиолитах / углях, нефтях, торфах, битумах и т.д./.
Сжигая ископаемое топливо / уголь, нефть, торф / человек согревается
солнечным теплом, накопленным живым веществом древних биосфер. "Дымные
горести не терпев, тепла не видати",- гласит древняя русская пословица. Не
случайно в
русском языке слова гореть, греть, горький и горе - одного корня,
раньше "горький" значило' "огненный", а синоним "горя" -"печаль"' происходит
от "печь". Когда-то "дымными горестями"' были твердые и газообразные
продукты горения в виде сажи, копоти, угарного газа, серного ангидрида и т.д., а
в последние десятилетия к ним добавились микроэлементы.
Благодаря
антропогенной деятельности происходит глобальное загрязнение современной
159
биосферы микроэлементами, которые человек искусственно включает в
современный биологический круговорот, извлекая из ископаемого топлива -
минерализованного органического вещества древней биосферы.
Расчеты показывают, что масса химических элементов, вылетающих из
дымовых труб сравнима с их количеством, добываемым из месторождений
полезных ископаемых, а для некоторых элементов намного превышает размеры
добычи. Для мышьяка, германия, бериллия, кобальта
, никеля, молибдена,
ванадия, марганца, урана, цинка, ванадия, стронция каменноугольная зола может
служить богатой рудой. Торфяная зола содержит много цинка, ванадия, кобальта,
меди„ никеля, урана.
Продукты сгорания ископаемого топлива поступают в биосферу в виде
золы, отходящих аэрозольных частиц и газов. Поднимаясь в тропосферу они
включаются в глобальные процессы массопереноса воздушными атмосферными
потоками, перемещаясь за тысячи километров от места выброса и оседая на
земную поверхность с атмосферными осадками или аэрозольными выпадениями.
Техногенный характер микроэлементного состава атмосферных аэрозолей
определяется высокими значениями коэффициентов обогащения/КО/. Этот
коэффициент выражается отношением концентраций пары химических элементов
в атмосферных осадках, деленным на отношение этих же элементов в литосфере:
Cu/осадки/
Si/осадки/
КО=
_______________
Cu/литосфера/
Si/литосфера/
Очевидно, что КО, близкий к 1, служит показателем естественного
микроэлементного состава атмосферных аэрозолей, образовавшихся при
160
выветривании горных пород. В зонах влияния техногенных транспортных
геохимических потоков значения КО в десятки, сотни и тысячи раз будут выше.
Атмосферный перенос микроэлементного загрязнения биосферы - характерное
свойство антропогенных потоков химических элементов. По данным
исследователей различные физико-химические процессы, которым подвергаются
микроэлементы в транспортных потоках, а также различные условия их
выпадения и
осаждения создают определенную геохимическую зональность в
техногенных ореолах рассеяния на земной поверхности, в почвенном покрове и
природных ландшафтах. Выполненные геохимические расчеты показывают, что
процесс микроэлементного загрязнения биосферы имеет прогрессирующий
характер. Прогнозные оценки свидетельствуют, что благодаря сжиганию
ископаемого топлива современные запасы микроэлементов в верхнем,
гумусированном горизонте почв / гумусовая оболочка / могут возрасти
в десятки
и сотни раз.
Ситуация усугубляется неравномерным распределением на поверхности
планеты урбанизированных территорий и населения. Районы с высокой
плотностью /более 200 человек на 1 км
2
/ занимают только 2% обитаемой суши, но
там обитает 37% населения Земли. Поскольку масштабы загрязнения являются
функцией урбанизации, то можно с оправданным пессимизмом полагать, что
основная масса микроэлементов будет наиболее интенсивно вовлечена в
биологический круговорот на 2% территории обитаемой суши.