Зверев В.Л. Экология России. Проблемы природопользования и среды обитания. Краеведение. Учебные практикумы

Подождите немного. Документ загружается.

161

7.4. Экологические свойства физиологически необходимых и токсичных

микроэлементов ( Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Mo, As, Se, I, F, V, Ag, Hg, Pb, Cd,).

Медь.

Медь оказалась первым металлом человека, который научившись делать

медные изделия шагнул из каменного века в медный. Известняковые глыбы

пирамиды Хеопса египтяне добывали и обтесывали с помощью медных

инструментов около 5000 лет назад. Древние греки разрабатывали месторождение

медной руды на острове Кипр, от имени которого медь получила латинское имя

"купрум". Русское слово

медь , очевидно, скифского происхождения. Словом

"смида"' древние кочевнику бронзового века называли медь. Медный век

сменился бронзовым, когда в государствах Передней и Ближней Азии 6тыс.лет

назад, а в Средиземноморье и Европе 5-4 тыс. лет назад научились выплавлять

сплав меди и олова. Изготовление бронзовых орудий способствовало развитию

горного дела и металлургии, ремесел,

торговли, транспорта, пахотного

земледелия и скотоводства. В бронзовом веке произошло второе крупное

разделение труда между ремеслом и земледелием.

Оловянная бронза на тысячелетия стала важнейшим скульптурным и

литейным материалом. Более двух тысячелетий назад чеканными бронзовыми

листами эгейские мастера покрыли гигантскую скульптуру бога солнца Гелиоса,

установленную в порту острова Родос. Высота одного из

семи чудес света

Колосса Родосского достигала 36 метров.

Российскими и московскими чудесами литейного искусства являются

бронзовая 40-тонная Царь-пушка работы Андрея Чохова /ХVI в./ и 200-тонный

Царь-колокол, изготовленный отцом и сыном Моториными в ХVШв. Добыча и

162

потребление меди ежегодно увеличивается на 5%. В мировом производстве

металлов медь занимает третье место после железа и алюминия. Среди металлов

медь выделяется высокой электропроводностью, несколько уступая серебру, но

вдвое превосходит алюминий и в шесть раз железо. Медь и ее сплавы широко

применяются в электротехнике и производстве средств связи, в авиационной,

приборостроительной, химической

, электронно-вычислительной и автомобильной

промышленности. Большое применение имеют медные сплавы с цинком /латунь,

томпак/, оловянные, свинцовые, алюминевые, бериллиевые бронзы, медно-

никелевые сплавы /мельхиор, константан, нейзильбер/.

Бронзовые сплавы не искрят при ударе, и имеют особое значение для

взрывобезопасного оборудования и инструмента в газо-нефтяной и

угледобывающей отраслях, взрывоопасных производствах. Медно-никелево-

алюминевые сплавы используют для чеканки монет.

Древнейшие разработки меди на территории России известны в Печорском

крае на р.Цилме с ХVв. Позже в ХVПвеке медные руды сыскали в Олонецком

крае и на Урале, где медеплавильное производство получило основное развитие,

особенно при Петре I. В 1760 г. в России действовало свыше 50 медеплавильных

заводов, которые ежегодно давали 180 тыс. пудов или около 3 тыс. т. меди и

находились на Урале, Алтае, Кавказе и в Казахстане. Сейчас на Урале

разрабатываются медно-колчеданные месторождения - Гайское, Блявинское,

Дегтярское, Сибаевское, в Красноярском крае - медно-никелевые - Норильское и

Талнахское, в Забайкалье - Удоканское медистых песчаников и др.

Литосфера содержит меди /кларк 5,0•10

-3

%/ в 1000 раз меньше, чем титана

и в 800 раз меньше, чем железа. Медь - типичный халькофильный элемент,

163

концентрирующийся в сульфидных минералах. Известно 240 медьсодержащих

минералов, из которых промышленность использует не более 15 - это самородная

медь, халькопирит / медный колчедан -Cu,FeS

, ковелин - CuS, халькозин - Cu

борнит - Cu

FeS

, энаргит - Cu,AsS

, куприт-Cu

O, малахит - CuCО

• Cu(OH)

азурит - 2CuCO

•Сu(OH)

, хризоколла - CuSiO

•nH

O, блеклые руды -

3Cu

S(Sb,As)

Промышленное значение имеют медистые колчеданы, меднопорфиро-вые

руды и медистые песчаники, а также сульфидные медно-никелевые руды,

контактово-метасоматические, скарновые и жильные гидротермальные

месторождения.

Геохимически медь тяготеет к основным и средним магматическим

породам. Минимальные концентрации меди / 2 - 10 мг/кг/ свойственны

карбонатным осадкам. Сульфидные минералы меди в коре выветривания

подвергаются окислению с

образованием подвижных соединений меди особенно

в кислой среде. Взаимодействие меди с органическими и минеральными

компонентами почв, однако делает ее малоподвижным элементом почвенного

профиля, с аккумуляцией в верхних горизонтах. Почвы мира имеют, в среднем, 20

мг/кг меди, обнаруживая колебания по регионам и различным типам почв.

Медь - элемент жизненно необходимый биофил и одновременно один из

сильнейших и токсичных загрязнителей биосферы. Медь совершенно необходима

растениям, где она почти вся сосредоточена в хлоропластах и в процессе

фотосинтеза участвует в образовании хлорофилла.

Животным медь необходима для превращения железа в органически

связанную форму, т.е. для синтеза дыхательного пигмента - гемоглобина крови. В

164

крови животных и человека в среднем содержится 1-2 мг меди на 1 л сыворотки, в

органах и тканях животных и человека содержание меди в среднем составляет

0,5- 1 мг на 100 г сухого вещества. Больше всего меди содержится в печени / 5-15

мг на 100 г сухого вещества/. При недостатке меди железо не участвует в синтезе

гемоглобина и

отлагается в тканях. Поэтому в печени животных с явлениями

медной недостаточности содержание железа может увеличиваться в 80-170 раз.

Потребность меди у взрослого человека составляет 2 мг в день /~ 0,035 мг/кг веса

тела/. Детский организм еще более нуждается в меди, особенно в грудном

возрасте, когда потребность в меди достигает 0,1мг на 1 кг веса тела.

Для профилактики и лечения медной недостаточности следует употреблять

пищу, богатую медью. Из растительных продуктов богаты медью морковь,

свекла, картофель, шампиньоны, шпинат, томаты, баклажаны, зеленый горошек,

перец, а также фруктовые соки, особенно абрикосовый. Из животных пищевых

продуктов богаты медью печень рогатого скота, птиц и рыб, яичный желток,

морские моллюски / устрицы, мидии

и др./. Морские беспозвоночные содержат

наибольшие концентрации меди до 0,02%, поскольку у этих животных основным

дыхательным пигментом является медьсодержащий гемоцианин, вместо

железосодержащего гемоглобина у высших животных и человека.

Медный купорос широко используется в качестве ядохимиката в сельском

хозяйстве, что приводит к возникновению в некоторых районах медных

биогеохимических аномалий в почвах, где естественное содержание меди в

среднем составляет 0,002%. Дозы медного купороса более 0,6 г могут вызвать

рвоту у человека, а 1-2 г приводят к тяжелым отравлениям с возможным

смертельным исходом.

165

Повышенное содержание меди в почвах угнетает ферментативную

активность микроорганизмов, что подавляет процесс нитрификации органических

остатков и приводит к снижению концентрации подвижного азота и развитию

патогенных микроорганизмов. По токсичности для водных организмов медь

конкурирует со ртутью. Безопасной считается концентрация меди менее 20 мкг/л

в пресных и морских водах. Последними исследованиями у меди

обнаружено

терратогенное и эмбриоцидное действие.

Цинк.

Твердый раствор меди с цинком - латунь люди выплавили значительно

раньше, чем металлический цинк. Латунные сплавы могут иметь различные

соотношения двух металлов, определяющие кристаллическую структуру и

свойства. Латунный сплав, содержащий 4% цинка /томпак/ цветом не отличается

от золота, а по стоимости дешевле чистой меди.

Среди цветных

металлов цинк занимает третье место в мировой экономике

после алюминия и меди. Цинковые руды добывают более 40 стран мира,

наибольшими запасами обладают Канада, США, Австралия.

Около 40% металлического цинка используется для коррозийной защиты

железа и стали в виде листов, труб, проволоки, стальных, конструкций в

строительстве. 20% цинка идет на производство сплавов с медью, алюминием,

магнием, дающих латуни, бронзы, мельхиор, типографский сплав. Еще 20%

металла расходуется на литье под давлением в автомобильной промышленности

для изготовления карбюраторов и разной арматуры. Из цинка делаются также

гальванические элементы /в том числе автомобильные аккумуляторы/, цинковые

белила и т.д.

166

Земная кора содержит в полтора раза больше цинка /кларк 7,5•10

-3

%/, чем

меди. Халькофильный цинк тяготеет к породам основного состава и

накапливается в постмагматических растворах, отлагающих полиметаллические

руды, где основными минералами служат сульфиды и сульфосоли цинка, свинца,

меди, железа, серебра, висмута.

В поверхностных условиях сульфидные минералы окисляются с

образованием значительного числа гипергенных цинковых минералов -

карбонатов, фосфатов, арсенатов, силикатов. Значительное количество цинка

мигрирует в водных растворах в виде хорошо растворимого сульфата, с

поверхностными и подземными водами цинк выносится в моря и океаны.

Морские железомарганцевые конкреции имеют повышенное содержание цинка до

0,08%.

Из осадочных пород цинк предпочитает глинистые, где его концентрации

составляют 80-120 мг/кг, падая в песчаных и карбонатных породах до 10-30 мг/кг.

Основной

природной формой цинка является сульфид - минерал сфалерит ZnS.

В силикатных минералах, цинк нередко изоморфно замещает магний. В почвах

цинк чаще накапливается в верхних горизонтах, ассоциируя с глинистыми

минералами, гидрооксидами железа и алюминия и органическим веществом.

Среднемировой уровень цинка в почвах и его региональное содержание в

почвах Московской области совпадают /50 мг/кг/, мало отличаясь от средней

концентрации в осадочных породах /80 мг/кг/. Изучение баланса цинка в

ландшафте показало, что атмосферное поступление металла существенно

превосходит его удаление при водной миграции и поглощении растительностью.

Основной подвижной формой цинка в почвах выступает ион Zn

, а основным

167

фактором, контролирующим подвижность выступает органическое вещество.

Цинк считается наиболее подвижным из микроэлементов-металлов, поэтому его

концентрация в почвенном растворе может достигать 270 мкг/л и более.

Подвижность и доступность цинка растениям подавляют высокие содержания

кальция и фосфора.

Антропогенные источники цинкового загрязнения в основном связаны с

добычей и переработкой руд цветных металлов, ореолами рассеяния городских

свалок и сточными водами, используемыми в оросительных системах. В развитых

странах техногенные цинковые аномалии в почвах изменяются от 185 до 66400

мг/кг. При этом вырастающие на загрязненных почвах растения содержат

высокие уровни цинка, опасные для здоровья людей.

Цинк - один из самых физиологически и биохимически активных

элементов, незаменим в жизнедеятельности животных и растений. Цинк входит в

состав карбоангидразы эритроцитов, участвует в синтезе. РНК и входит в ее

состав, стабилизируя структуру. Дефицит цинка снижает скорость синтеза белка.

Цинк принимает участие в активации секреции инсулина. Относительно других

микроэлементов содержание цинка в организме человека значительно выше,

составляя 1,5-2,3 г на 70 кг массы. Особо чувствительны к

дефициту цинка

поджелудочная железа, волосы, кости, плазма крови. Исследования А.О.Войнара

/1955/ показали обогащение цинком поджелудочной железы, гипофиза и половых

желез.

Недостаток или избыток цинка вызывает нарушение обмена

макроэлементов - кальция, фосфора, магния. Цинковый дефицит проводит к

угнетению роста, карликовости и половому недоразвитию. Избыток цинка

168

способствует развитию диабета, атеросклероза, гипертонии, повышает

восприимчивость организма к инфекционным, заболеваниям. Наибольшую

экологическую опасность представляет канцерогенность цинка, поэтому он

входит в число приоритетных микроэлементов-токсикантов окружающей среды.

Марганец.

Марганец обнаружил в минерале пиролюзите в 1774 г. великий шведский

химик К.В.Шееле - первооткрыватель кислорода, хлора, молибдена и вольфрама.

Основное применение марганец

имеет в черной и цветной металлургии как

легирующий /облагораживающий/ металл. Им улучшают механическую

прочность, жаростойкость, ковкость и твердость сталей и сплавов. Из

немагнитной марганцевой стали делают железнодорожные рельсы и вагонные

колеса, орудийные стволы и танковую броню, а также рабочие детали

камнедробильных агрегатов, шаровых мельниц и т.д. Значительно меньше

марганца /~5%/ потребляется в электротехнической /производство сухих батарей

и электродов/, керамической и химической промышленности.

Марганец образует более 150 минералов, но промышленное значение

имеют пиролюзит - МnО, псиломелан - MnO• MnO• nH

O, родохрозит - MnCO

браунит - Mn

, манганит - Mn

•H

O, вернадит - Н

MnO

O, гаусманит-

, родонит - MnSiO

Специфической марганцевой рудой служат океанические железо-

марганцевые конкреции с главными рудообразующими минералами - вер-

надитом и гидрогетитом.

Кларк марганца в литосфере составляет 0,095%. Из магматических пород

наиболее богаты марганцем ультраосновные, из осадочных -глинистые сланцы. В

169

горных породах марганец ассоциирует с железом, причем отношение Mn/Fe-

изменяется от 0,01 до 0,1, увеличиваясь от основных к кислым.

В осадочных породах поведение марганца и железа существенно

различается из-за большей растворимости соединений марганца, влияния

микроорганизмов на валентность элементов. Отношение Mn/Fe возрастает от

песчаников к карбонатным породам как следствие большей подвижности

марганца относительно железа в

морских бассейнах.

В поверхностных условиях марганец присутствует в двух-, трех- и

четырехвалентных формах, что определяет сложную зависимость биосферной

миграции от окислительно-восстановительных условий среды. По данным

А.П.Виноградова средняя концентрация марганца в почвах Русской равнины

составляет 850 мг/кг, изменяясь от 100 мг/кг в сероземах до 4600 мг/кг в лесных

почвах. Среднемировое содержание марганца в почвах оценивается в 850 мг/кг.

Нормальная регуляция функций живых организмов - животных и растений

- по данным В.В.Ковальского сохраняется при концентрации марганца в почвах в

пределах 4 - 3000 мг/кг. Растения активно поглощают марганец, среднее

содержание которого в растительности суши составляет 97 мг/кг сухой массы. Из

пищевых

продуктов растительного происхождения марганцем обогащены:

зерновые, бобовые, корнеплоды / кроме картофеля/, орехи. Речные воды

Европейской России содержат около 430 мкг/л марганца.

Концентраторами марганца в поверхностных условиях служат пиролюзит

и различные гидрооксиды, образующие марганцевые осадочные руды,

формирование которых определяется биогеохимическими процессами.

Основными носителями марганца в атмосфере служат аэрозольные частицы,

170

образующиеся при выветривании горных пород. Из атмосферы на поверхность

Мирового океана ежегодно выпадает около 800 тыс. т. марганца.

Марганец присутствует в почвах в виде оксидов и гидрооксидов,

поведение которых зависит от окислительно-восстановительных условий,

кислотности и жизнедеятельности микроорганизмов, способных восстанавливать

его в анаэробных условиях. При известковании почв подвижность марганца

уменьшается и в

условиях РН=7-8 он осаждается. Почвенно-геохимический

барьер для миграционного потока марганца определяется щелочной реакцией

почвенного раствора, наличием карбонатов и содержанием гумуса. Гумусовые

горизонты почв обычно богаче марганцем, чем элювиальные.

Биологическая роль марганца известна с конца прошлого века, когда

выяснилось его влияние на рост, развитие и продуктивность растений. Марганец

является физиологически

необходимым элементом для всех животных и

растений. Он входит в состав металлоферментов и повышает активность

карбоксилазы, декарбоксилазы, дегидрогеназы, усиливает липидный и

углеводный обмен, участвует в процессе фотосинтеза и костеобразования. В

составе фермента гидроксиламинредуктазы он участвует в реакциях азотного

обмена.

Марганец необходим для синтеза РНК и ДНК, образования аскорбиновой

кислоты и других

витаминов. Он улучшает питание растений, увеличивает их

морозо-, засухо-, солеустойчивость, повышает урожайность и продуктивность

сельскохозяйственных культур. Марганец имеет более высокий окислительно-

восстановительный потенциал относительно железа, поэтому влияя на окисление

двухвалентного железа он регулирует равновесие Fe

. Поэтому избыток