ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2021
Просмотров: 1386
Скачиваний: 9
51
Тема 4. ПРЕВРАЩЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ.
ПОСТУПЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
В ОРГАНИЗМЫ. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ СРЕДЫ
И СВОЙСТВ ОРГАНИЗМА НА СТЕПЕНЬ
ТОКСИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
1. Микроэлементы в экосистемах
Загрязняющими биосферу веществами могут быть соединения
практически всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева.
При изучении загрязнения минеральными веществами обычно ис-
следуют отдельные химические элементы, а не их соединения. При этом
в отношении микроэлементов с начала 60-х годов ХХ в. очень широко
используется термин
«тяжелые металлы»
, или «токсичные металлы»,
в англоязычной литературе эти металлы называются также «следовы-
ми» (trace metals). Для них характерны высокая токсичность, мутаген-
ный и канцерогенный эффекты.
Термин «тяжелые металлы» принято использовать, когда речь идет
об опасных уровнях концентрации металлов с атомной массой более 40.
Термин
«микроэлемент»
строгого понятия не имеет. Под терми-
ном «микроэлементы» понимают все химические элементы, содержание
которых в живых организмах и природной среде не превышает 0,01%.
Живые организмы эволюционировали в геохимической среде, их
состав формировался и приспосабливался к химическому составу окру-
жающей среды. В связи с этим В.В. Ковальский отмечает, что следует
исключить выражение «токсический элемент» (в том числе и «токсич-
ный металл»), а указывать дозу и форму соединения, в которых прояв-
ляется токсичность элемента. Любой из микроэлементов при опреде-
ленном уровне будет проявлять токсичность по отношению к живым
организмам.
По степени опасности химические элементы подразделяются на
три класса (ГОСТ 17.4.1.02-83):
1.
As, Cd, Hg, Se, Pb, Zn, F.
2.
B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr.
3.
Ba, V, W, Mn, Sr.
Все виды источников загрязнения (рассеиваемые пыли, твердые
отходы, стоки) содержат широкую группу загрязняющих веществ поли-
элементного состава. Сочетание химических элементов характеризует
специфические индивидуальные особенности источников загрязнения.
Загрязнение окружающей среды происходит в результате миграции
загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения.
52
Геохимическая миграция
– неразрывный комплекс процессов,
приводящих к перераспределению химических элементов в природных
телах.
Основной геохимической мерой качества окружающей среды явля-
ется содержание химических элементов: массовая доля химического
элемента (мкг/г, мг/кг, г/т или %) либо объемная концентрация – масса
химического элемента в единице объема (мкг/л, мг/л, г/м
3
).
Каждая миграционная природная система является одновременно
транспортирующей
и
вмещающей средой
. В результате геохимиче-
ской миграции может происходить как рассеяние химических элемен-
тов, так и их концентрирование. Процесс рассеяния химических элемен-
тов обусловливается их разбавлением или осаждением из транспорти-
рующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в
силу тех или иных физических или химических причин скорость транс-
портирующего потока в целом или скорость перемещения каких-либо
составляющих частиц потока резко уменьшается. Такие участки явля-
ются
геохимическими барьерами
. Вся система от источника поставки
элементов до геохимического барьера может быть названа
миграцион-
ным потоком
или цепью распространения загрязняющего вещества.
Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы,
растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются
депонирующими. Перемещение происходит в транспортирующих сре-
дах в вводно-миграционных и воздушно-миграционных потоках, а так-
же путем биологического поглощения элементов растительностью и
далее по цепям питания живых организмов. Транспортирующие среды
для живых организмов являются главными жизнеобеспечивающими
природными средами. Распространение химических элементов в антро-
погенезе может происходить и техническими средствами (автомобиль-
ные и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.д.).
В процессе миграции происходит распределение химических эле-
ментов между природными телами.
Интенсивность миграции
определяется скоростью обмена, пере-
распределения химических элементов между компонентами природной
среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологиче-
ских свойств природных систем. В конечном счете интенсивность ми-
грации зависит от ландшафтно-геохимических условий, т.е. от специ-
фики сочетания гидрометеорологических, литолого-геохимических и
почвенно-ботанических характеристик конкретной территории. Чис-
ленно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-
либо индекса или коэффициента, т.е. относительного показателя, сопос-
тавляющего содержание химических элементов или их объемную кон-
центрацию в фиксированном наблюдении, массе или моменте, по отно-
шению к такому же состоянию природного объекта, принимаемого за
53
базовый (исходное состояние – до начала геохимического преобразова-
ния). Применительно к прикладным геохимическим исследованиям в
качестве базового чаще всего принимается фоновое содержание.
Фоно-
вое содержание
– среднее содержание химических элементов в при-
родных телах по данным изучения их естественной вариации (статисти-
ческих параметров распределения).
Геохимический фон
– понятие ме-
стное, локальное – средняя величина природной вариации содержаний
химических элементов. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по
отношению к геохимическому фону, называются
коэффициентами
аномальности
(контрастности).
Коэффициенты концентрации
, под-
считанные по отношению к среднему содержанию химического элемен-
та в литосфере (
кларку
), в какой-либо геохимической системе (почве,
горной породе, растительности и т.д.) или ее таксономической части
(тип почвы, тип горной породы и т.д.), называются
кларками концен-
трации
.
В результате миграции химических элементов по природным
транспортным каналам в окружающей среде образуются геохимические
аномалии.
Геохимическая аномалия
– участок территории, в пределах кото-
рого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические
параметры распределения химических элементов достоверно отличают-
ся от геохимического фона.
Появление геохимических аномалий всегда связано с теми или
иными природными и неприродными источниками воздействия, не яв-
ляющимися обязательным компонентом данного типа геологической
структуры или ландшафта. В случае антропогенных источников воздей-
ствия образуются антропогенные геохимические аномалии.
Техногенные геохимические аномалии и зоны загрязнения – поня-
тия, широко используемые в природоохранной литературе, не являются
полными синонимами. Под зоной загрязнения обычно подразумевается
часть геохимической аномалии, в пределах которой загрязняющие ве-
щества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное влия-
ние на живые организмы.
Химические элементы в воздухе и воде мигрируют в виде двух ос-
новных групп форм: растворенной и взвешенной.
В водных потоках многие химические элементы мигрируют пре-
имущественно во взвешенной форме. Поэтому при оценке загрязнения
водных систем большое значение приобретает мутность воды.
Общая концентрация химических элементов в растворенной форме
в условиях загрязнения определяется прежде всего степенью, а также
взаимодействием в системе «вода – биота – твердое вещество».
Химические элементы, связанные со взвешенным веществом, могут
присутствовать в виде геохимически подвижных форм (т.е. они могут
54
относительно легко трансформироваться при изменении условий сре-
ды) – сорбированные, связанные с органическим веществом, гидрокси-
ды железа и марганца, карбонаты; и в виде неподвижных форм – суль-
фиды, силикаты, входящие в состав решеток неразложившихся обло-
мочных и глинистых минералов (кристаллическая форма).
В атмосферном воздухе элементы могут находиться в аэрозольной
фазе (взвешенная в воздухе, дисперсная) и парогазовой фазе.
На биосферных заповедниках, т.е. в эталонных фоновых условиях,
большинство тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Zn, Pb, и Hg), а также
Se, As, Br, Sb находятся в атмосфере, главным образом в парогазовой
форме.
В атмосферном воздухе жилых территорий крупного промышлен-
ного города роль взвесей в составе атмосферы для большинства элемен-
тов возрастает до 70–90%. Однако для ряда элементов парогазовая фаза,
или, вернее, не улавливаемая фильтром субмикронная фракция, состав-
ляет значительную часть содержания (As – 66%, Sb – 67%, Hg – 60%).
При анализе особенностей образования техногенной аномалии за
счет выпадений из атмосферы также очень важны представления о
формах нахождения химических элементов и прежде всего о соотноше-
нии растворенных и взвешенных форм. Практически для всех исследо-
ванных химических элементов на относительно удаленных и сравни-
тельно чистых территориях в выпадениях из атмосферы преобладают
растворимые формы. Вблизи источников выбросов одновременно с уве-
личением общей массы выпадающей пыли и степени концентрации в
ней элементов резко уменьшается доля растворимых форм (кроме Cd).
В ходе исследований выяснилось, что выпадениями фиксируется
всего лишь 20–30% массы выбросов. Остальная часть выброса рассеи-
вается, поступая в региональные и глобальные миграционные циклы,
создавая «фоновое» загрязнение.
Центр наиболее высоких выпадений приурочен к источнику выброса.
Влияние процессов глобального переноса антропогенных загряз-
няющих веществ привело к тому, что сейчас, в сущности, не удается
собрать надежные данные о природном фоновом состоянии воздуха и
выпадений, определяемом космогенным, вулканогенным и литогенным
поступлением химических элементов.
Морфология потоков рассеяния в урбанизированных зонах и осо-
бенности распределения химических элементов и их ассоциаций опре-
деляется, прежде всего, закономерностями пространственного распре-
деления выпадений из атмосферы на земную поверхность.
Имеется рад физико-математических моделей, описывающих про-
цессы выпадения загрязняющих веществ. Основными параметрами мо-
делей распространения являются мощность и высота источника, высота
55
слоя вымывания, скорость и направление воздушных потоков, гравита-
ционные характеристики примесей, интенсивность осадков.
Элементы, поступающие с выпадениями из атмосферы, концентри-
руются в самой верхней части почв (0–20 см и 0–40 см). В результате
техногенных выпадений и аккумулирования почвы начинают транс-
формировать соединения тяжелых металлов, и в почвенных горизонтах
возникают новые металлорганические соединения, которых не было до
техногенного загрязнения.
Локализация и интенсивность поступления техногенных потоков
химических элементов обусловливает формирование техногенных гео-
химических аномалий и биогеохимических провинций с различной сте-
пенью экологической напряженности.
Под действием техногенных выбросов происходит деградация пло-
дородия почв. В поверхностных горизонтах почв в районах промыш-
ленных узлов содержание микроэлементов, в том числе и тяжелых ме-
таллов, увеличивается в десятки и сотни раз относительно фоновых
концентраций, и загрязненные почвы сами становятся источником за-
грязнения окружающей среды. В результате на таких промышленных
территориях образуются техногенные биогеохимические микропровин-
ции с аномально высоким содержанием микроэлементов, и в конечном
счете сильно изменяются состав и свойства почвы вплоть до исчезнове-
ния на их поверхности природной растительности. На таких почвах
культурные растения настолько меняют свой химический состав, что
становятся непригодными для употребления в пищу человека и в каче-
стве фуража для животных.
Химическое загрязнение почв тяжелыми металлами – наиболее
опасный вид деградации почвенного покрова, поскольку самоочищаю-
щая способность почв от тяжелых металлов минимальна, почвы прочно
аккумулируют их, чему способствует органическое вещество. Тем са-
мым почва становится одним из важнейших геохимических барьеров
для большинства токсикантов на пути их миграции из атмосферы в
грунтовые и поверхностные воды.
Так как на большей части урбанизированных территорий антропоген-
ное воздействие преобладает над естественными факторами почвообразо-
вания, то в городах мы имеем специфические типы почв, характерной осо-
бенностью которых является высокий уровень загрязнения. При макси-
мальном проявлении процессов химического загрязнения почва полностью
утрачивает способность к продуктивности и биологическому самоочище-
нию, что ведет к нарушению ее экологических функций.
Миграционные процессы химических в почвах
обусловлены ря-
дом факторов, важнейшими из которых являются окислительно-
восстановительные и кислотно-основные свойства почв, содержание в