Процессы геохимической миграции химических элементов в биосфере

роцессы  геохимической миграции химических  элементов  в биосфере

Геохимическая  миграция – неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Она включает в себя:

-         перевод химических элементов в такое структурное состояние, которое обеспечивает их подвижность в данных внешних условиях;

-         транспортировку элементов в физических и химических градиентных полях природных сил;

-         осаждение и концентрирование химических элементов при взаимодействии с веществом транспортирующего потока или вмещающей его природной системы;

-         перевод осажденных химических элементов в неподвижное для данных внешних условий структурное состояние.

В результате геохимической миграции может происходить как рассеивание, так и концентрирование химических элементов.

Процесс рассеивания элементов обусловлен их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков.

Процесс концентрирования химических элементов происходит на геохимических барьерах.

Вся система от источника поставки химических элементов до геохимического барьера может быть названа миграционным потоком или цепью распространения химических элементов.

Природные среды, осуществляющие процессы накопления химических элементов и их соединений, называются депонирующими средами.

К ним относятся:

-         почвы;

-         растительный покров;

-         снеговой покров;

-         донные отложения водоемов.

Перемещение химических элементов и веществ в биосфере происходит в водно - воздушных миграционных  потоках, а также путем биологического поглощения элементов растительностью (транслокация) и далее по цепям питания живых организмов (трофическая цепь распространения).

Перемещение химических элементов в техносфере, кроме перечисленных миграционных потоков, происходит с помощью чисто технических средств – транспорта. В этом случае  миграционные потоки называются техногенными.

Интенсивность миграции (масса вещества переносимого потоком в единицу времени) определяется скоростью обмена и перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологических свойств природных систем, обуславливающих то или иное соотношение между скоростями перехода элементов в подвижное (мобильное) состояние, скоростями их транспортировки и осаждения из миграционного потока.

В конечном счете интенсивность миграции зависит от конкретных ландшафтно – геохимических условий, т.е. от сочетания гидрометеорологических, литогеохимических и почвенно – ботанических характеристик конкретной территории.

Количественно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо коэффициента, сопоставляющего содержание химических элементов в фиксированном наблюдении (место, момент времени) по отношению к такому же состоянию объекта, принимаемого за базовое.

Обычно за базовое состояние принимается исходное, до начала геохимического преобразования, либо аналогичный геохимический объект, не затронутый исследуемым геохимическим процессом.

В этом случае количественно интенсивность миграции оценивается величиной коэффициента концентрации (Кк):

Кк = Сэ ф, (4)

где Сэ – концентрация химического элемента при фиксированном наблюдении;

Сф – концентрация химического элемента при базовом состоянии объекта.

Коэффициент концентрации, определенный по отношению к геохимическому фону исследуемой территории, называется коэффициентом аномальности. Если коэффициент концентрации определяется по отношению к кларку элемента для соответствующей геосферы, то он носит название кларка концентрации.

Миграционные потоки химических элементов  играют основную роль в загрязнении биосферы продуктами техногенеза. В.И. Вернадским было показано, что проблема антропогенного воздействия на окружающую природную среду является проблемой геохимическойибиогеохимическоймиграциихимическихэлементов. В качестве нового для биосферы вида геохимической миграции В.И. Вернадский выделял биогенную миграцию элементов, вызванную человеческой деятельностью.

Огромная интенсивность этой миграции позволила сформулировать положение о сопоставимости деятельности человека с геологическими процессами.

А.Е. Ферсман, назвавший промышленное геохимическое воздействие на окружающую среду техногенезом, на примере распределения годовой добычи металлов наглядно показал, что их концентрирование при переработке руд и последующем хозяйственном использовании – временный, промежуточный этап процесса, конечным итогом которого является безвозвратное распыление, рассеивание вещества. А.Е. Ферсман также отмечал, что геохимическая миграция, обусловленная деятельностью человека, превышает по скорости природные процессы геохимической миграции.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, показывают соизмеримость масс транспортируемого в природе вещества (речной сток и атмосферный аэрозоль) с массами антропогенного происхождения.

Так, при общем природном транспорте вещества речным стоком в 19 ×109 т/год атропогенный вклад – 2 ×109 т/год  (более 10%). Для атмосферы антропогенный вклад по пыли составляет             5 – 10% от общего ее количества в атмосфере.

Химические элементы, поступающие в биосферу в результате техногенеза, в большинстве своем не включаются в процессы самоочищения.

В ходе своей миграции они меняют лишь уровень своего содержания или формы нахождения в том или ином объекте биосферы. Включаясь во все типы миграционных потоков и биологические круговороты, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воздуха, воды, пищи.

Особую опасность представляют миграционные потоки так называемых «тяжелых металлов» (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Co, Ni и др.). Вследствие очень низких кларков этих элементов в биосфере живые организмы не способны адаптироваться к их высоким концентрациям, поэтому токсичность этих элементов для живых организмов проявляется уже на клеточном уровне, воздействуя на аппарат наследственности (табл. 4).

Таблица 4

Токсичность химических элементов

Элемент

Кларк,%

ПДК

Токсичность

воздух, мг/м3

вода,

мг/л

1

2

3

4

5

Цинк Zn

8.3×10-3

0.5

0.01

длительная интоксикация приводит к желудочно-кишечным расстройствам, увеличению числа ОРЗ, кариесу, изменению морфологического состава крови, повышению уровня заболеваемости детей; мутаген, гонадо- и эмбриотоксичен

Медь Cu

4.7×10-3

0.1

0.01

соединения меди раздражают слизистые оболочки верхних дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта. При хронической интоксикации функциональные расстройства нервной системы, почек, печени; канцероген, гонадотоксичен

Свинец Pb

1.6×10-3

0.0007

0.1

политропный яд, вызывает патологические изменения в нервной системе, в крови и сосудах, приводит к легочным заболеваниям у детей, угнетает ферменты крови и ткани; гонадо- и эмбриотоксичен, при содержании в воде более 0.8 мг/л - канцероген

Мышьк As

1.7×10-4

0.03

0.05

функциональные расстройства нервной системы, некрозы печени, почек, кишечника, сердца, кожные заболевания, нарушение жирового и углеводородного обмена, поражение периферических сосудов; эмбриотоксичен, мутаген и канцероген

Сурьма Sb

5.0×10-5

0.2

0.05

хроническая интоксикация приводит к изменению обмена веществ, к функциональным расстройствам нервной системы и патологическим изменениям миокарда

Кадмий Cd

1.3×10-5

0.1

0.005

повышенная смертность от сердечно-сосудистых заболеваний, увеличение числа ОРЗ, поражение нервной системы, сердца, печени, почек, скелетной мускулатуры и костных тканей. Гонадо-и эмбриотоксичен, мута-и канцероген

Никель Ni

5.8×10-3

-

0.01

бронхогенный рак, гипотония, гастриты, патологические изменения печени, функциональные изменения нервной системы; гонадотоксичен, канцероген

Кобальт Со

1.8×10-3

0.5

0.01

при хроническом воздействии- бронхиты, анемия, гипотония, известны случаи нарушения щитовидной железы; аллерген и канцероген

Ртуть Hg

8.3×10-6

0.0003

0.005

токсична в ионной форме; вызывает ртутную неврастению, общее снижение сопротивляемости организма к заболеваниям, поражает центральную и периферическую нервные системы;

мутаген, гонадо- и эмбриотоксична

Талий Tl

1.0×10-4

0.01

-

политропный яд, по действию напоминающий мышьяк, поражает центральную и периферическую нервные системы, желудочно-кишечный тракт, вызывает выпадение волос, психические расстройства, полиневриты