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

Подождите немного. Документ загружается.

171

марганца у растений способствует недостатку железа.

Нормальное развитие травянистых растений происходит при соотношении

Mn/Fe в пределах 0,4-0,7. У культурных растений марганцовый токсикоз

наблюдается при отношении Mn/Fe в листьях более 30, повышение этого

отношения до 100 вызывает гибель растений. Почвенные микроорганизмы

/бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты/ окисляют и аккумулируют марганец.

Значение марганца для почвенного плодородия определяется его

собственными физиологическими свойствами, а также влиянием на катионный

обмен кальция и магния, некоторых микроэлементов и равновесие системы Eh-

рН. Животным организмам марганец физиологически необходим как активатор

процессов окисления. Он входит в состав ферментов - дипептидазы, аргиназы,

оксидазы, фосфатазы, способствует развитию костной ткани и половых функций.

Марганцевый дефицит у животных вызывает поражение костного

скелета.

Оптимальной считается концентрация марганца в сухом веществе корма в

пределах 20-100 мг/кг. Избыток марганца вызывает у животных снижение уровня

гемоглобина, угнетение роста, патологию щитовидной железы.

У человека марганцевая недостаточность неизвестна. Мировые данные,

показывают довольно узкие, нормальные пределы /2-3 мг в сутки/ поступления

марганца в ежедневном пищевом рационе взрослого населения. Изучение

отдельных

групп населения, получавших с пищей до 10 мг в сутки марганца, не

обнаружило проявлений токсичности. Однако избыток марганца в организме

человека отрицательно влияет на баланс иода, способствуя развитию кариеса. В

организм горняков, добывающих марганцевую руду, через легкие и желудочно-

кишечный тракт поступает пыль оксидов марганца, вызывающая хроническое

172

отравление /марганцевая пневмония, цирроз печени/, переходящее в тяжелое

психическое расстройство по неврологическим нарушениям сходное с болезнью

Паркинсона.

Изучение биологических показателей местного населения в районе

Чиатурского марганцевого месторождения обнаружило эндемическое увеличение

щитовидной железы у значительного числа лиц. В Чиатурском районе истинный

зоб установлен у 18% детей, и у 18% взрослых, а также обнаружено значительное

развитие кариеса у младших школьников, что подтверждает известную связь

кариеса с патологией щитовидной железы. Обследование физического развития

детей в Чиатурском районе показало отрицательное воздействие избытка

марганца на рост и половое развитие, вызванное патологией щитовидной железы.

За пределами марганцевых биогеохимических аномалий вокруг

месторождений, этот жизненно важный химический элемент, очевидно, не

создает экологических проблем для растений, животных и человека. Однако,

необходимо учитывать мутагенность марганца, которая может проявляться при

низких концентрациях.

Хром.

Яркие, оранжево-красные, блестящие кристаллы неизвестного минерала из

Березовских рудников Урала привлекли внимание российского минералога и

химика, академика И.Г.Лемана. В 1766 году И. Г. Леман описал химические и

физические свойства красной

свинцовой руды, ее парагенезис и морфологию в

разных жилах Березовского завода. Спустя 30 лет в красной свинцовой руде

французский химик Н.Воклен открыл твердый, тугоплавкий металл, названный

хромом / от греческого "цвет", "краска"/ за разноцветную окраску его соединений.

173

Через 40 лет после открытия хрома, красная свинцовая руда получила свое

современное имя - крокоит, тоже по цвету / от названия растения крокус-шафран,

дающего оранжевую краску/.

Литосфера содержит 0,01% хрома, который входит в состав 30 минералов,

но только хромит, хромшпинелид или хромистый железняк /FeCr

/ служит

промышленной рудой. Месторождения хромитов приурочены к ультраосновным

магматическим породам, образующим хромитовые пояса Урала, Турции, Балкан.

Освоение хромитовых месторождений Среднего Урала началось в первой

половине XIX века. Недалеко от Перми была открыта Сарановская группа

месторождений и организовано химическое производство хромистых солей. К

началу XX века Россия вышла на первое место в мире

по добыче хромитов.

Недалеко от Челябинска в 1910 году пустили первый завод, выплавляющий

феррохром. Всего на Урале насчитывается 25 районов добычи хромитов.

В советское время большой рудный район был освоен в Мугоджарах,

восточнее Актюбинска, где построили крупнейший ферросплавный завод.

Мировое производство хрома в начале 1990-х годов составило 12 млн. т, из них

1/4 часть выплавлена

в России.

Основное количество / 80%/ хрома в виде металла или легирующего

сплава с железом - феррохрома используется в металлургии для производства

нержавеющей стали и других сплавов. Магнезито-хромитовыми кирпичами

создают огнеупорное покрытие сводов мартеновских печей.

Третьим потребителем хрома служит химическая промышленность,

выпускающая бихроматы калия и натрия, оксид хрома. Хромовые соединения

используют для дубления кож /хромовая кожа/, приготовления красителей, а

174

также хромирования металлических изделий.

Геохимически хром сидерофильный элемент, концентрирующийся в

ультраосновных породах, где его содержание /3,4 г/кг/ в 300 раз выше, чем в

гранитах. В осадочных породах хром накапливается в глинах. В природных

условиях хром образует две устойчивые валентные формы: Cr

/хромиты/ и Cr

/хроматы/. Трехвалентный хром концентрируется в минерале хромите /FeCr

/ и

других минералах, где он изоморфно замещает железо и алюминий. С

трехвалентным железом и алюминием трехвалентный хром близок ионным

радиусом и геохимическими свойствами.

Среднемировой уровень хрома в почвах оценивается величиной 90 мг/кг.

Трехвалентный хром обладает слабой подвижностью и доступностью для

растений. Шестивалентный хром напротив легко мобилизуется и включается в

биологический круговорот, создавая основные экологические проблемы для

растений, животных и человека. Широкое промышленное использование создает

антропогенное загрязнение хромом природной среды. Основную экологическую

опасность представляет хромовое загрязнение почв и водоемов, куда попадают

промышленные стоки и осадки гальванических цехов, отходы кожевенных,

красильных, и химических производств.

Хром входит в число жизненно необходимых микроэлементов. Он

незаменим

в обмене веществ млекопитающих, поскольку участвует в

метаболизме нуклеиновых кислот и углеводов, входит в состав ферментов.

Дефицит хрома способен вызвать сахарный диабет, а также атеросклероз сердца.

Избыток хрома нарушает процессы окисления, угнетает тканевое дыхание,

подавляет энергетический обмен в клетках.

175

Токсичность хрома существенно отличается у разных валентных форм.

Соединения более подвижного шестивалентного хрома примерно в 100 раз

токсичнее трехвалентного. Шестивалентный хром обладает общетоксическим

действием, вызывает воспаление желудочно-кишечного тракта, дистрофические

изменения почек и печени, проявляет канцерогенность и мутагенность.

Никель.

Медно-красную руду, из которой не получилось ни меди, ни железа

немецкие

горняки прозвали "купферникель" или чертова медь. В тайну

купферникеля проник в 1751 году шведский химик А. Кронстедт, который

обнаружил в красном минерале серебристо-белый тугоплавкий химически

стойкий металл, получивший имя саксонского горного духа - Никеля.

Купферникель представляет арсенид никеля и сейчас называется никелин. В

литосфере основными минеральными формами никеля служат сульфиды,

арсениды и

железо-магнезиальные силикаты. Известно 45 никелевых минералов,

но промышленное значение имеют 7 - это никелин - NiAs , хлоантит NiAs

пентландит или железо-никелевый колчедан /сульфид железа и никеля / (FeNi)S,

сульфид никеля миллерит NiS, силикат никеля гарниерит или нумеит Ni

(Si

)•

(OH)

•H

O, ревдинскит (Ni Mg)

•(Si

)• (OH)

, аннабергит Ni

(AsO

) •8H

Основные промышленные типы никелевых месторождений связаны с

сульфидными медно-никелевыми рудами в ультраосновных породах,

гидротермальными жилами гранитоидов "пятиэлементной" формации / Co - Ni -

Ag - U- Bi /, и силикатными рудами коры выветривания ультраосновных пород.

Россия раcполагает крупнейшими месторождениями сульфидных медно-

никелевых руд /Норильское, Талнахское, Октябрьское в Красноярском

176

крае, Печенга, Мончегорское на Кольском полуострове.

Основное количество никеля расходует металлургическое производство

сталей и сплавов для военной техники /броневая и орудийная сталь, сплавы в

реактивной авиации и ракетостроении/, атомной, химической и радиоэлектронной

промышленности. Из никеля делают щелочные аккумуляторы, антикоррозионные

покрытия металлоизделий, чеканят монеты.

Кларк никеля в литосфере составляет 8•10

-3

%, геохимически никель

проявляет халькофильные и сидерофильные свойства, концентрируясь /до 2000

мг/кг/ в ультраосновных породах в качестве изоморфной примеси в минералах

пироксене и оливине. В гранитоидах содержание никеля падает до 15-5 мг/кг,

примерно как в песчаниках и карбонатных осадках. Глинистые породы

накапливают никель до 70-90 мг/кг.

Никель концентрируется также в каустобиолитах - каменном

угле и нефти,

где он входит в состав геопорфиринов, органических пигментов. Порфирины

играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов. В группу

порфиринов входят растительный пигмент хлорофилл и животный пигмент -

гемин, основа гемоглобина, красного пигмента эритроцитов крови человека и

высших животных. Никель накапливается в металлопорфиринах углей, нефтей и

битумов конкурируя с

ванадием в порфириновой микроэлементной ассоциации /

Ni, V, Mo, Cr, Co /. Средние концентрации никеля в каменных углях составляют

16 г/т и 90 г/т в золе углей. В нефтях Урало-Поволжья, обогащенных ванадий-

никелевыми порфиринами, никель и ванадий присутствуют в весовых

количествах, превышающих n •10

-3

В коре выветривания двухвалентные ионы никеля, марганца и железа

177

хорошо мигрируют в водных растворах. Геохимическая ассоциация никеля с

железом и марганцем, определяет его доступность растениям. Другая часть

почвенного никеля может находится в легкоподвижных хелатных комплексах,

также хорошо поглощаемых корнями растений. Среднемировой почвенный

уровень никеля оценивается в 20 мкг/кг, его накопление определяется

глинистостью, гумусом, а также геохимическими условиями кор выветривания на

основных и вулканических породах. Естественное обогащение никелем имеют

торфяные серпентиновые и солончаковые почвы.

В современных условиях никель в значительных количествах рассеивается

в биосфере при добыче медно-никелевых руд, деятельности

металлообрабатывающих, заводов, сжигании каменного угля и нефти. Некоторые

виды фосфорных удобрений и осадки сточных вод также могут загрязнять

пахотные земли никелем.

Экологические свойства никеля вполне соответствуют злому нраву

саксонского горного духа. Никель - физиологически необходимый элемент для

птиц, млекопитающих, некоторых микроорганизмов, высших растений. В

животных организмах никель входит в состав ферментов, гормона инсулина,

участвует в образовании спиральной структуры нуклеиновых кислот, играет

важную роль в окислительных процессах. Никель незаменим в деятельности

фермента уреазы, катализирующего

гидролиз мочевины до аммиака и

углекислоты.

Никель необходим микроорганизмам, влияющим на нитрификацию и

минерализацию азота, а также на метаболизм водорода и мочевины в организме

млекопитающих. Токсичность избытка никеля для человека проявляется в

178

поражениях нервной, сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной

систем. Происходят изменения в кроветворении углеводном и белковом обмене,

нарушаются функции щитовидной железы и репродуктивные функции,

развиваются аллергические реакции. Никель также проявляет канцерогенные,

терратогенные, эмбриоцидные свойства. Мутагенность никеля установлена для

микроорганизмов, почвенных ферментов и растений.

В лесных фитоценозах в окрестностях никелевых комбинатов резко

уменьшается продолжительность

жизни хвойных деревьев. Фитотоксичность

никеля проявляется в подавлении фотосинтеза /падение концентрации железа/,

нарушении метаболизма, угнетении роста, снижении азотфиксации.

Кобальт.

Саксонские горняки порой находили странную руду. По цвету напоминала

серебряную, но от удара кайлом появлялся ядовитый чесночный запах. Серебро

из руды не выплавлялось. Рудокопы знали, что недра стерегут подземные духи и

злые коварные гномы, что нечистая сила вредной рудой запугивает, путает

горняков, уводит от настоящих подземных богатств. Бесполезную руду прозвали

"кобольд", кобальт.

В середине ХVI века оказалось, что из толченого кобальта получается

хорошая синяя краска для стекла и керамики. Краску назвали сафрой от имени

синего драгоценного камня сапфира.

В 1735 году шведский

химик Г.Бранд выделил из ядовитой руды металл

кобальт, а руда - арсенид кобальта и никеля теперь называется шмальтин /от

итальянского смальта - синяя кобальтовая краска/.

В литосфере кобальта в пять раз меньше, чем хрома и в четыре раза

179

меньше, чем никеля /кларк кобальта 2 • 10

-3

%/. Из 27 кобальтовых минералов

промышленное значение имеют: шмальтин - CoAs

2-3

, кобальтин или кобальтовый

блеск - CoAsS , линнеит - Co

,асболан - m(CoNi)O•MnO

•H2O , эритрин или

розовые кобальтовые цветы - Co

(AsO

)

•8H

Кобальтовые руды обычно имеют гидротермальную природу и связаны с

гранитоидами. В российских месторождениях кобальт встречается в сульфидных

и силикатных рудах никеля месторождений Норильско-Талнахской, Печенгской и

Мончегорской групп, в силикатных никелевых рудах Кротовского месторождения

на Урале.

Кобальт тугоплавок и устойчив к коррозии, окисляясь при температуре

более З00 °С. Он имеет аномальную высоту точки Кюри, оставаясь магнитным до

температуры 1121 °С. Поэтому кобальт входит в жаропрочные магнитные стали,

используется во многих тугоплавких, коррозионноустойчивых сплавах. Сплавы

кобальта с вольфрамом, никелем, хромом, молибденом, титаном используют в

реактивных двигателях, ракетной и атомной технике. Сверхтвердые сплавы

кобальта - стеллиты и победиты используются в производстве жаростойкого,

быстрорежущего инструмента, устойчивых

к истиранию подшипников, шестерен,

валов.

Кобальт по-прежнему широко используется для изготовления красящих

веществ, в стекольном и керамическом производстве, на что расходуется в 4 раза

меньше кобальта, чем на сплавы, или 20% всего производства этого металла.

В литосфере кобальт вместе с железом и никелем накапливается в

ультраосновных породах /до 100-200 мг/кг/. Кислые и средние магматические

породы относительно бедны кобальтом /1 - 15 мг/кг/. В осадочных породах, где

180

кобальт ассоциирует с глинистыми минералами и органическим веществом, его

также относительно немного/0,1-20мг/.

Геохимия кобальта тесно связана с поведением окисленных форм железа и

марганца, что проявляется в характере распределения этих элементов в

генетических горизонтах почв. На подвижность кобальта влияет также

концентрация глинистых минералов, которые легко сорбируют и слабо

удерживают его. Органические

хелаты кобальта, образуемые с почвенным

гумусом, обладают высокой подвижностью и легко поглощаются.

Среднемировой уровень кобальта в почвах составляет 10 мг/кг, причем

считается, что снижение концентрации до 5 мг/кг создает условия для

эндемического дефицита кобальта в рационе пастбищных животных, которые в

этих условиях страдают анемией, что может привести к гибели.

Для животных и человека кобальт жизненно-необходимый элемент. Он

входит в состав витамина В

, оказывает влияние на белковый, жировой,

углеводный обмен, влияет на размножение и рост. Недостаток кобальта угнетает

синтез витамина В

, приводит к анемии, эндемическому зобу, нарушению

памяти и поражению костной ткани. Суточная норма кобальта для человека

составляет 7-15 мкг.

Загрязнение кобальтом природной среды происходит при сжигании угля и

мазута, вблизи металлургических производств. По сравнению с другими

микроэлементами кобальт не создает значительного загрязнения биосферы.

Химическая кобальтовая интоксикация при поступлении высоких концентраций

его соединений через рот вызывает поражение желудочно-кишечного тракта,

почек и кроветворных органов.