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

Подождите немного. Документ загружается.

191

Чернобыльской катастрофы Полесье - район кислых селендефицитных почв.

Государственный опыт преодоления дефицита селена имеет Финляндия,

где импорт пшеницы с высоким содержанием селена способствовал улучшению

здоровья населения. Другим источником селена для жителей Финляндии служит

лекарственный препарат "селена" из пекарских дрожжей, обогащенных селеном.

Дрожжи в процессе роста могут накапливать селен до концентрации 500 мг/кг

хорошо усвояемой форме аминокислоты селенметионина. В Финляндии в 1985-91

гг. осуществлена специальная государственная программа по преодолению

селенового дефицита и оптимизации обеспеченности населения этим элементом.

Иод.

Первым фиолетовые пары неизвестного вещества наблюдал в 1811 г.

французский химик Б.Куртуа, заметивший, что медный котел, где выпаривали

щелок, приготовленный из морской капусты, быстро разъедается. Спустя два года

элементарную природу фиолетовых кристаллов определил Г.Дэви, а затем Ж.

Гей-Люссак, который назвал новый элемент иодом от греческого "иодес" -

филетовый.

Иод используется в медицине и фармакологии, в производстве красителей

и сверхчистых материалов - титана, циркония, кремния, в электротехнике для

изготовления йодных ламп накаливания и как микроэлементная добавка к

удобрениям.

Первоначально промышленным источником иода служили морские

водоросли, со второй половины XIX века стали использовать отходы селитряного

производства, а затем подземные воды. Российское йодное производство началось

в 1915 году в Екатеринославе, где иод извлекали из черноморской водоросли

192

филлофоры. В первые годы Советской власти иод добывали из нефтяных вод

Кубани, где его обнаружил в 1882 году русский химик А.Л.Потылицын. В 1930-х

годах добычей иода из подземных вод занимались три завода Бакинский,

Челекенский и Лапоминский под Архангельском. Технологию концентрирования

иода на угле разработал инженер В. П. Денисович.

Среднее содержание

иода в подземных водах составляет 18 мг/л, достигая

1400 мг/л в месторождениях США. Наибольшими запасами иода в России

обладают артезианские бассейны Северного Кавказа /Азово-Кубанский, Терско-

Прикаспийский/, Предуральского прогиба, Западной Сибири, о-ва Сахалин.

Иод - элемент редкий и рассеянный, его кларк в земной коре составляет

1,4•10

-5

%, это меньше, чем кларк наиболее редких лантаноидов. Зато

микроколичества иода присутствуют в биосфере практически всюду.

Иод образует несколько самостоятельных минералов, среди которых

известны иодиды металлов /АgI,CuI /, полигалиды, иодаты и периодаты. Большая

часть иода изоморфно входит в состав многих минералов. В поверхностных

условиях иодные минералы легко растворяются, поэтому при выветривании

горных

пород происходит активная миграция иода с поверхностными водами.

Значительное влияние на геохимию иода в коре выветривания оказывает сорбция

органическим веществом и глинистыми минералами.

Геохимические свойства иода как физиологически активного элемента

живого вещества в значительной степени определяются его поглощением в

биологических системах. Накопление иода в почвах и донных отложениях

обусловлено фиксацией органическим

веществом или планктоном. Поэтому иод

накапливается в верхнем гумусовом горизонте почв. Почвы значительно

193

обогащены иодом, относительно горных пород и в среднем, содержат его 2,8

мг/кг при колебаниях от 0,1 до 40 мг/кг. Наиболее обогащены иодом почвы

океанических островов - Ирландии, Японии, Новой Зеландии, а также морских

побережий, что связано, с поступлением иода через атмосферу из морской воды.

В горных почвах Японии концентрация иода поднимается до 135 мг

/кг, при

среднем значении 46 мг/кг.

Иод не считается жизненно необходимым элементом растений. Известны

единичные сведения о его фитотоксичности при удобрении почв золой морских

водорослей. В таких случаях наблюдались симптомы йодной токсичности в виде

хлороза взрослых листьев и изменения окраски молодых. Человеческий организм

обладает стабильной концентрацией иода в крови / 10

-5

-10

-6

%/. Всего в теле

человека находится около 25 мг иода, больше половины которого входит в состав

гормонов щитовидной железы. Поступающий в организм иод поглощается

кровью, откуда избирательно извлекается щитовидной железой с накоплением

более чем в 10000 раз. В щитовидной железе ион иода окисляется до

молекулярного и иодирует аминокислоту тирозин с образованием гормонов -

тироксина и трииодидтиронина

. Большое влияние на йодный обмен в щитовидной

железе оказывает центральная нервная система, на которую в свою очередь,

воздействует гормон тироксин.

Нарушение гормонального синтеза происходит при внутренней иодной

недостаточности, создаваемой некоторыми лечебными препаратами, а также в

случае внешнего дефицита иода в пищевой цени. В обоих случаях щитовидная

железа реагирует патологическим разрастанием - зобом, последствиями которого

бывают кретинизм и вырождение.

194

Главным источником поступления иода в организм животных и человека

служат пищевые продукты - яйца, молоко, растительность, рыба. Наиболее богата

иодом морская капуста, которая содержит его около 5 кг/т сухой массы. В

почвенно-геохимических условиях недостатка иода заболеваемость зобом

наблюдается как у людей, так и у животных. Биогеохимические провинции с

дефицитом иода известны

в Прибайкалье и Забайкалье, Бурятии, Иркутской и

Читинской областях, Кабардино-Балкарии, Чувашии.

Фтор.

Элементарный фтор впервые получил французский химик А.Муассан в

1886 году. Однако, основной природный минерал фтора - плавиковый шпат или

флюорит средневековые металлурги давно использовали для понижения

температуры плавления руд. В 1529 г. Г.Агрикола писал о камнях флуорес,

которые полезны, когда плавятся металлы, потому что материал в огне становится

более текучим / флуор - по латински - течение/.

Флюорит / фторид кальция/ - основной минерал фтора и главное сырье для

его получения. Флюорит по-прежнему применяется в черной металлургии как

флюсовая добавка при выплавке сталей и сплавов. В цветной металлургии

флюорит служит сырьем для

получения искусственного криолита, из которого

извлекают алюминий и глинозем. В химической промышленности из флюорита

получают элементарный фтор и плавиковую /фтористоводородную/ кислоту, из

которой готовят различные фторсодержащие соединения - хладоагенты фреоны,

специальные виды топлив, полимеры - поливинилфторид, тефлон,

фторсодержащие каучуки.

В атомной промышленности разделение изотопов урана проводят в виде

195

летучих гексафторидов. Из бездефектных кристаллов оптического флюорита

делают оптические линзы, пропускающие ультрафиолетовые и инфракрасные

лучи.

Кларк фтора в литосфере равен кларку марганца и составляет 9,5•10

-2

Фтор - элемент литофил, тяготеет к кислым магматическим породам. Замещая

гидроксильные группы фтор входит в состав многих минералов. Наиболее

распространенными минералами фтора являются: флюорит -CaF

, криолит -

(AlF

), чароит - (Ca,Na,K,Sr,Ba )

(Si

)(OH,F)•H

O, топаз - Al

(F,OH)

(SiO

фосфатные минералы / фторапатит - Ca

F(PO

)

Почвы мира содержат около 0,032% фтора, концентрация которого зависит

от наличия глинистых минералов, кальция, фосфора и величины рН. Обычной

минеральной формой фтора в почвах служит фторапатит, но встречаются

ратовкит и алюмосиликаты. Фтор в поверхностных условиях малоподвижен и не

концентрируется в верхних горизонтах почв, особенно

кислых, откуда он вымывается в виде легкораотворимых фторидов натрия и

калия.

Токсичность фтора первыми ощутили ученые, занимавшиеся получением

элемента в свободном виде. Тяжело отравились Г.Дэви, Л.Тенар и Ж. Гей-

Люссак, ирландским химикам братьям Нокс опыты с фтористым водородом

стоили жизни.

Основное загрязнение почв фтором создают алюминиевые заводы и

химические производства фосфорных удобрений, плавиковой кислоты,

полимеров. Вносят свой вклад в биосферное загрязнение фтором

металлургические, стекольные и керамические производства вместе в с

196

промышленным сжиганием каменного и бурого угля. Существенное почвенное

загрязнение фтором могут создавать фосфорные удобрения, осадки сточных вод и

фторорганические пестициды. Экологические последствия почвенного

загрязнения фтором определяются агрессивным влиянием плавиковой /фтористо-

водородной/ кислоты, которая образуется в почве из фтористых соединений.

Плавиковая кислота разрушает минеральную фазу почв, растворяя силикатные

минералы, что вызывает деструкцию

минеральных комплексов гумуса и его

выщелачивание. Избыток фтора также отрицательно сказывается на

ферментативной активности почв.

К физиологическим свойствам фтора сперва обратились палеонтологи,

обнаружившие элемент 19 в зубах ископаемого слона, чей скелет нашли в

окрестностях Рима. Дальнейшие исследования показали, что фтор в виде

минерала фторапатита входит в состав костного скелета и зубной

эмали

животных и человека. У людей зубы содержат 0,02% фтора, который организм

поглощает из питьевой воды. Дефицит фтора приводит к разрушению, кариесу

зубной эмали. В кариозных зубах понижено содержание фтора и стойкий

фторапатит частично замещен более растворимым кислотами гидроксилапатитом.

Однако, избыточное фторирование воды оказалось вредным, вызывая

острое заболевание - флюороз или пятнистую эмаль, когда происходит

разрушение эмали и зубов. В настоящее время фтор считают наиболее

фитотоксичным среди загрязнителей атмосферного воздуха / СО

, SO

, NO

Токсическое действие воздушного фтора на растительность проявляется в

расстройстве дыхания, падении содержания хлорофилла, повреждении клеточных

мембран, уменьшении синтеза крахмала и ассимиляции питательных веществ,

197

распаде ДНК и РНК и синтезе высокотоксичного фторацетата. Растения чутко

реагируют на загрязнение фтором уменьшением скорости роста, падением

урожайности и воспроизводства. Характерные биологические реакции на

фторный токсикоз проявляются в повреждении листьев и плодов.

Экологическую опасность представляет накопление фтора в кормовой и

сельскохозяйственной растительности - элементах пищевой цепи домашних

животных и человека. Наиболее опасна аккумуляция овощной растительностью

фторорорганических соединений.

Хроническое отравление животных и человека фтором увеличивает

хрупкость костей и создает деформации скелета вместе с общим истощением

организма. Симптомы эндемического флуороза наблюдаются в вулканических

районах и местах залегания фторапатитов. Промышленный флуороз может

наступить у работников контактирующих с фтористыми соединениями,

например, при переработке фторапатита в

суперофосфат, производстве эмалей и

цемента, в металлургии с фтористыми флюсами, в различных химико-

технологических процессах.

Ванадий.

В начале XIX века у шведских металлургов иногда получалась особенно

ковкая сталь. Ее исследовал в 1830 году шведский химик Н.Сефстрем и

обнаружил неизвестное вещество, которое назвал ванадием по имени

скандинавской богини красоты - Ванадис. Спустя 39 лет

английский химик и

минералог Г.Роско получил металлический ванадий.

Чистый, ванадий - светло-серый ковкий металл, в полтора раза легче

198

железа. Основное применение ванадий имеет в черной металлургии для

легирования сталей и сплавов. Ванадиевые сплавы отличаются высокой

твердостью, вязкостью, жаростойкостью и антикоррозионными свойствами. Их

применяют в кораблестроении, космической и авиационной технике, для

изготовления режущих инструментов. Хромованадиевая сталь используется в

военной технике для изготовления броневой защиты, бронебойных снарядов и т.д.

химической промышленности большое значение имеют ванидиевые

катализаторы / например, V

и Ag

/, используемые в производстве серной

и уксусной кислот, крекинге нефти.

Первый российский ванадий нашли в окрестностях перевала Тюя-Мун: /по

киргизски "Верблюжий горб"/. Из тамошних руд "ферганское общество по

добыче редких металлов" получало соединения ванадия и урана для продажи за

границу. При советской власти ванадий обнаружили в керченских железных

рудах, что

обеспечило производство отечественного феррованадия. Затем рудные

концентрации ванадия установили в месторождениях Красноярского края и

Оренбуржья.

Известно 70 минералов ванадия, но промышленное значение имеют

немногие - это роскоэлит - KV

(AlSi

)•(ОН)

, названный по имени английского

химика Г.Э.Роско, получившего металлический ванадий, карнотит - K

(VO

)

•2H

O, назван в честь французского горного инженера и химика М.А.Карно,

натронит - VS

или V

, ванадинит -Pb

(VO

)

Cl, кулcонит - Fe(Fe,V)

.•O

В России основное количество ванадия добывают при разработке.

комплексных титано-магнетитовых и ильменит-магнетитовых руд Урала,

Забайкалья, Карелии.

199

Кларк ванадия в литосфере весьма высок - 1,9 • 10

-2

% - это больше, чем у

меди, цинка, свинца, никеля и хрома. Повышенные содержания и месторождения

ванадия связаны с основными породами, где он ассоциирует с железом, титаном и

алюминием. В осадочных породах ванадий концентрируется в глинистых осадках

и сланцах. Геохимические свойства определяются переменной валентностью

элемента, мигрирующего в катионной /VO

ванадил/ и / анионной / VO

, VO

- ванадаты/ форме с проявлением литофильных и сидерофильных свойств.

Для ванадия также как и для никеля характерно накопление в

каустобиолитах - каменном угле и нефти, где он участвует в образовании

металлпорфириновых комплексов / см. Никель/. В каменноугольной золе среднее

содержание ванадия составляет 100 - 200 г/т, а в самих углях 25 - 50 г/т.

Наибольшее обогащение ванадием

имеют угольные включения, где его

концентрация достигает 1000 г/т или 7% на золу.

Ванадий хорошо накапливается в ванадил-порфириновых комплексах.

Поэтому высокие концентрации ванадия характерны для высокопорфириновых

нефтей, где он присутствует в количествах порядка З •10

-3

% и выше. В Германии

зола венесуэльской нефти, содержавшая 10% ванадия использовалась для

промышленного получения этого металла. Нефтяная зола может иметь

обогащение ванадием около 30%, что вдвое выше, чем максимальное содержание

этого металла в наиболее богатом ванадием минерале роскоэлите.

В коре выветривания ванадий обладает высокой подвижностью и

мигрирует в водной среде в виде истинных растворов и взвесей, а также

сорбируется гидрооксидами железа, титана и алюминия, образует комплексные

органические соединения в каустобиолитах и фосфоритах.

200

Среднемировой уровень ванадия в почвах оценивается величиной 90 мг/кг,

повышенные концентрации характерны для почв, развитых на коре выветривания

основных пород /до 460 мг/кг/, наиболее низкие содержания встречаются в

торфяных почвах.

Подвижность и усвоение ванадия растениями определяется его

почвенными формами в виде ванадил-катиона VO

, образующего комплексы с

гуминовыми кислотами, а также анионами VO

, VO

--.

Антропогенное поступление ванадия складывается из переработки руд,

цементного сырья, фосфоритов, сжигания угля, нефти и особенно мазута, т.е.

практически полностью определяется добычей и переработкой полезных

ископаемых.

Физиологическая роль ванадия продолжает оставаться не вполне ясной.

Доказана необходимость ванадия как регулятора фотосинтеза у зеленых

водорослей. Возможно ванадий служит катализатором в процессах азотфиксации,

однако

у высших растений не обнаружено случаев ванадиевого дефицита, что

считается доказательством физиологической пассивности этого элемента. В

природных условиях фитотоксичность ванадия не установлена, но в

экспериментах с его высокими концентрациями наблюдалось ослабление темпов

роста и хлороз при содержании ванадия в растительных тканях порядка 2 мг/кг

сухой массы. Среднее содержание ванадия в

высших растениях составляет 1,0

мг/кг сухой массы.

В организме животных и человека ванадий проявляет высокую

биохимическую активность, влияет на углеводный и липидный обмен, являясь

катализатором процессов окисления ряда гидроксильных соединений, включая