Содержание

Концентрационные интервалы элементов в биотической и абиотической среде

Факторы образования почвенных аномалий. Рельеф

Сущность геохимической оценки урбанизированных территорий

Практическая задача 1 (проба 2168)

Список использованных источников

1. Концентрационные интервалы элементов в биотической и абиотической среде

Воздействие человека на биосферу сложно и многообразно, весьма часто оно ведет к необратимым изменениям. В то время как изменения поверхности Земли, обусловленные геологическими и биологическими процессами, очень медленны, изменения, вносимые и/или интенсифицируемые человеком, накапливаются в последние годы чрезвычайно быстро. Все изменения антропогенной природы нарушают естественный баланс каждой экосистемы, сформировавшийся постепенно в течение длительного периода времени. Поэтому такие изменения ведут чаще всего к деградации естественной среды обитания человека. В результате расширения сельскохозяйственной деятельности некоторые экосистемы превратились в искусственные агроэкосистемы. Хотя воздействие человека на биосферу началось еще в неолите, проблема ухудшения состояния экосистем, вызванного их загрязнением, стала резко обостряться в последние десятилетия XX в.

Микроэлементы-загрязнения, проникшие в растительные ткани, играют активную роль в метаболических процессах, но они могут также сохраняться в виде неактивных соединений в клетках и на клеточных мембранах. В любом случае химический состав растений может меняться без появления явно видимых повреждений. Вариации элементного состава живых организмов в «нормальных» условиях, а также при умеренном избытке и недостатке химических элементов и относительный уровень токсичных доз подчиняются одной и той же закономерности. Общим в этой закономерности является увеличение интервалов варьирования с уменьшением средней концентрации элемента. Вероятно, любая биологическая система имеет определенные концентрационные интервалы как для внутренней, так и для внешней среды.

В нормальных физиологических и биогеохимических условиях содержание каждого элемента в любом субстрате и в организме в целом осциллирует около средних значений. Это могут быть естественные вариации, коротко периодичные, суточные, сезонные, возрастные и т.д., а также вариации, вызванные какими-то внешними воздействиями. При этом интервалы варьирования увеличиваются с уменьшением как среднего содержания элемента, так т степени организованности объекта (положение на эволюционной лестнице). Аналогичным образом может изменяться элементный состав окружающей среды (поступление элементов питания). Важно, что в биотической и абиотической средах эти колебания не связаны с какими-то существенными нарушениями.

Аналогично можно предположить наличие интервала концентраций с несколько большим размахом варьирования. В этот интервал укладываются изменения элементного состава внутренней среды, вызванные патологическим состояниями организма, экстремальными внешними воздействиями и экстремальными изменениями биогеохимической обстановки (поступление элементов). Такой же интервал должен существовать в случаях избыточного или недостаточного поступления химических элементов, в результате которого отмечаются более или менее серьезные нарушения физиологического состояния организмов.

Таким образом, для биотической среды (элементного состава органов, тканей и всего организма) или абиотической среды возможны три концентрационных интервала.

Первый интервал (нормальный, или интервал нормальных концентраций) включает физиологические вариации состава или вариации внешней среды, не вызывающие патологических состояний. Иными словами, это интервал концентраций элементов во внутренней и внешней средах, в пределах которого нормально функционируют гомеостатические процессы.

Второй интервал (патологический, или интервал патологических концентраций) включает вариации, связанные с патологическим состояниями. Этот стрессовый интервал можно рассматривать как предельную нагрузку нормальных гомеостатических процессов.

Третий интервал (парабиотический, или интервал парабиотических концентраций) можно рассматривать как интервал вариаций состава внутренней среды при критических патологических процессах или интервал критического избытка или недостатка элемента в абиотической среде. Достижение границ этого интервала вызывает гибель организмов в связи с летальным избытком или дефицитом элемента во внутренней или внешней среде.

Концепция концентрационных интервалов позволяет рассматривать феноменологию такого явления, как привыкание к повышенному поступлению токсичных элементов. Так, известны регионы, где большая часть населения потребляла мышьяковистые соединения в количествах, близких или даже превышающих летальные дозы. Это принято объяснять уменьшением всасываемости таких соединений в желудочно-кишечном тракте. Процесс привыкания можно объяснить и с позиций концентрационных интервалов. Если при постоянном умеренном поступлении соединений мышьяка постепенно увеличивается концентрация этого элемента в организме, то при таком «привычном» содержании мышьяка изменятся и границы концентрационных интервалов. Так, при увеличении концентрации мышьяка границы концентрированных интервалов сузятся, причем допустимым окажется меньшее относительное увеличение поступления мышьяка, чем в норме. В абсолютном выражении это означает, что летальная для нормального организма доза станет допустимой для организма, «обогащенного» мышьяком. Однако при этом нормальное поступление элемента станет ниже границ допустимого дефицита (поскольку границы концентрационных интервалов станут уже) и организм будет испытывать недостаток элемента. В литературе описано не только привыкание организма человека к повышенному поступлению мышьяка, по и явления специфической мышьяковой недостаточности для «привыкшего» организма при нормальной диете, устраняемые повышением поступления мышьяка в организм. Мышьяковый дефицит для «привыкших» организмов не объясняется уменьшением всасываемости. Это можно считать подтверждением концепции концентрационных интервалов.

2. Факторы образования почвенных аномалий. Рельеф

абиотическая рельеф почвенная геохимическая

Являясь неотъемлемой частью регуляторной системы организмов, микроэлементы имеют важное экологическое значение. Распределение элементов на поверхности суши очень неравномерно. Неоднородность микроэлементарного состава почвенного покрова планеты заложена задолго до его образования благодаря дифференциации элементов по минералам носителям. Даже в пределах одной минералого-геохимической провинции содержание меди в обломочном кварце и глинистых минералах различается в 10-20 раз, а цинка - в 100 раз и более. Разные соотношения обломочного кварца и высокодисперсных частиц, складывающиеся в процессе переотложения продуктов выветривания, определяют геохимическую неоднородность почвообразующих пород. Ее дальнейшему углублению способствуют процессы почвообразования.

В результате почвообразования образуется почва, которая при хорошей сформированности состоит из ряда слоев - горизонтов, подразделяющихся в свою очередь на подгоризонты. Верхний горизонт А обычно является наиболее гуминовым, но содержание органических веществ неуклонно уменьшается по направлению к нижним горизонтам профиля. Материал выщелачивается из горизонта А, который называется элювиальным вследствие удаления растворимых солей и коллоидного материала. Этот материал отлагается в иллювиальном горизонте В. Горизонт С образуется в результате эрозии материнских пород. Этот процесс называется полигенезом.

Подгоризонты получили обозначения соответственно А0, А1 А2, В1, В2 и т. д., и их классификация представляется достаточно сложной. Но так как в персонал поисковой партии редко включают почвоведов, то в геохимическом исследовании при классификации горизонтов следуют простому подходу, используя только три основных горизонта (т. е. А, В и С). Такая упрощенная классификация объясняется тем, что часто не хватает времени для тщательного предварительного изучения почв, которое подтвердило бы наличие более трех горизонтов.

Почва – это весьма специфический компонент биосферы, поскольку она не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различных источников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшая судьба зависит от ее химических и физических свойств. Хотя химия веществ, загрязняющих почву, была в последнее время предметом большого числа исследований, наши знания о поведении микроэлементов-загрязнений еще далеки от совершенства. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелыми металлами, по-видимому, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии и дефляции. Первый период полуудаления (т. е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов, по расчетам Иимуры и др., для почв в условиях лизиметра сильно варьирует: для Zn – от 70 до 510 лет, для Cd – от 13 до 1100 лет, для Сu – от 310 до 1500 лет и для Рb – от 740 до 5900 лет.

Рис. 1. Схематическое изображение почвенных профилей. а — характерные почвенные профили; б — климатические вариации. Ао—В — почва, образованная механическими, химическими и органическими процессами: Ао — частично разложившиеся органические остатки; А1 — гумус, зона органического накопления, имеет темную окраску; Аз — зона выщелачивания, имеет светлую окраску; В — зона накопления, коричневая до красно-бурой, плотная; С — зона эрозии коренных пород и структуры остаточных коренных пород; D — коренная порода.

Баланс привноса – выноса металлов в почвах показал, что концентрации микроэлементов в поверхностном слое почв в глобальном масштабе, по-видимому, возрастают с расширением индустриальной и сельскохозяйственной деятельности. Есть признаки того, что поверхностный слой почв, вероятно, подвергается как локальному загрязнению, так и региональному переносу загрязнений. Первес [634] указывает, что степень зараженности почв в городах сейчас настолько велика, что можно идентифицировать большинство проб почв как городские или сельские по содержанию в них нескольких микроэлементов, известных как главные компоненты загрязнения в городской среде.

Рис. 2. Воздействие климата на почвенную зональность (а) и роль органического материала в образовании почв в соотношении с климатом (б). Границы а и б совпадают.

Региональное загрязнение почв, как указывается в большинстве публикаций, происходит главным образом в промышленных районах и в центрах крупных населенных пунктов. Наиболее важными источниками микроэлементов здесь являются предприятия, транспорт и коммунальные сточные воды. Однако из-за воздушного переноса на большие расстояния микроэлементов-загрязнений, особенно тех, которые образуют летучие соединения (например, As, Se, Sb, Hg), стало трудно определять природный фоновый уровень некоторых микроэлементов в почвах.

В дополнение к воздушным источникам микроэлементов следует также отметить поступление последних в почвы с удобрениями, пестицидами и при орошении. Важным источником загрязнения почв в некоторых промышленных районах могут быть отвалы металлургических заводов и рудников за счет мобилизации и переноса тяжелых металлов просачивающейся через них водой или разноса пыли ветром. Влияние орошения сточными водами на состав почв вызывает особенно серьезное беспокойство, оно было предметом большого числа исследований и многих законодательных мер. Рекомендуемые стандарты и инструкции по предотвращению накопления микроэлементов при орошении полей стоками находятся еще в стадии разработки и обсуждения. Есть участки почв, на которых предельные уровни уже превышены – в огородах, фруктовых садах и других местах – за счет загрязнения от промышленных источников или обильного и многократного орошения сточными водами. Высокое содержание тяжелых металлов в стоках – наиболее важное препятствие для использования последних в сельском хозяйстве.

Рельеф создает микроклимат и вызывает значительные различия в развитии профилей. Наиболее крутые склоны образуют более поверхностные почвы и меньшую профильную дифференциацию. Подвижные элементы быстро выщелачиваются с верхних слоев почвы и вновь осаждаются в нижней части склона на площадях с более пологим рельефом. Известь часто отлагается в таких районах и придает почве более высокую кислотность (рН) в нижней части склона. Плохо дренированные почвы в районах с низким рельефом обычно имеют более высокое содержание органических веществ, чем дренированные участки ландшафта. Именно здесь образуются торфяные болота.

3. Сущность геохимической оценки урбанизированных территорий

В настоящее время сеть крупных городов становится главным источником локальных влияний на природную среду, что определяет необходимость специальных исследований по геохимической оценке урбанизированных территорий. Опыт исследований в области геохимии техногенеза свидетельствует о том, что степень концентрации в ландшафте некоторых веществ-загрязнителей в общем отражает интенсивность поступления их в окружающую среду с отходами различных производств. Выявление и картографирование техногенных аномалий могут быть положены в основу оценки антропогенного воздействия на исследуемую территорию. При изучении антропогенных потоков непременно предполагается анализ их распространения с фиксацией на местности в зонах или сферах влияния тех или иных хозяйственных объектов. Зона влияния рассматривается как область обмена геотехнической системы со средой веществом и энергией через подвижные компоненты: водные и воздушные массы, животные и растения. Выявление т оконтуривание зон влияния проводятся в процессе картографирования территории.

Целесообразный уровень исследований загрязнения - мезотерриториальный, соответствующий уровню районных планировок, когда картографирование ведется в определенном диапазоне масштабов - от 1:25000 до 1:300000. Карты инвентаризации антропогенных комплексов сами по себе должны быть результатом анализа и синтеза экономико-географических и химико-технологических данных; они основываются на оценке хозяйственного объекта как потенциального источника загрязнения. Содержание такой карты должно опираться, с одной стороны, на классификацию типов производства, с другой - на классификацию выбросов, загрязняющих компоненты природной среды.

Наиболее доступны для количественного измерения показатели изменения состава, количества и соотношения веществ в природных комплексах. В первую очередь это относится к веществам-загрязнителям, вредным для здоровья человека. При этом особенно важен вопрос о выборе веществ-индикаторов, наиболее ярко характеризующих изучаемый тип воздействия. Карты такого рода позволяют восстановить пути распространения антропогенных потоков, оконтурить зону влияния хозяйственных объектов и выявить пространственную структуру таких зон.

Таким образом, работа по составлению оценочных карт должна включать следующие этапы: 1) картографирование природных ландшафтно-геохимических систем и определения их устойчивости к антропогенным воздействиям; 2) инвентаризационное картографирование хозяйственных объектов и определение их как потенциальных источников загрязнения; 3) выбор показателя, дающего качественную и количественную характеристику загрязнения, и составление карт распределения этого показателя; 4) картографирование антропогенных ландшафтов и их групп с бонитировкой по выбранному показателю. Общее свойство всех типов промышленных отходов - широкий комплекс микроэлементов-примесей, в составе которого часто наблюдаются элементы, известные отрицательным влиянием на живые организмы (кадмий, ртуть, свинец, мышьяк). Учитывая токсичный и канцерогенный характер некоторых микроэлементов, необходимо проводить специальные исследования по загрязнению среды микроэлементами. Кроме того, концентрация их в ландшафте служит косвенным индикатором распространения других вредных веществ, связанных с выбросами промышленного производства: мелкодисперсной пыли, окислов углерода, серы, азота, органических соединений и т.п.

Эти обстоятельства позволяют рассматривать накопление микроэлементов в природных средах в качестве одного из важных оценочных показателей загрязнения территории промышленными отходами. Техногенные аномалии в снеговой пыли и в верхнем горизонте почв отражают загрязнение атмосферного воздуха. Такая аномалия представляет собой ореол рассеяния, центр которого - территория источника. Поскольку механизм формирования техногенных ореолов и потоков рассеяния во многом сходен с механизмом формирования вторичных ореолов рудных месторождений, к изучению техногенных аномалий целесообразно применять методы прикладной геохимии, разработанные для целей геохимических поисков полезных ископаемых. Выделение и картографирование аномалий проводится на примере почв как депонента, фиксирующего картину многолетнего распределения выпадений из атмосферы пыли антропогенного происхождения.

Изучение промышленного загрязнения проводится путем геохимического картирования ключевых участков, связанных с промышленно селитебными территориями и зонами их влияния. Первый этап исследования - характеристика содержания микроэлементов в природных почвах в зависимости от ландшафтных особенностей территории. В результате устанавливаются опорные фоновые содержания всех исследуемых элементов; эти данные ложатся в основу определения уровня аномальности наблюдаемых концентраций элементов. Второй этап - характеристика промышленно-селитебных территорий и их частей путем исследования геохимических выборок. Третий этап связан с исследованием пространственного распределения содержания микроэлементов и их комплексов, с оконтуриванием аномалий разного уровня, т.е. непосредственно с геохимическим картографированием городских территорий и зон их влияния.

4. Практическая задача 1 (проба 2168)

На основе справочных материалов устанавливается фоновое содержание микроэлементов в почвенном покрове АР Крым.

На основе фактических материалов вычислить коэффициент концентрации.

Проанализировать вычисленный коэффициент концентрации (сгруппировать данные в три блока: 1- накапливающиеся по сравнению с фоном; 2 - находящиеся на уровне фона; 3 - содержащиеся ниже фоновых значений). Построить гистограмму.

Рассчитать суммарный показатель загрязнения для пробы и района.

Расчёт выполнить последовательно для 3-х уровней стандартов – СОГ, СОР, СОЛ.

Таблица 1. Фоновое содержание элементов (стандарты сравнения)

Химический элемент	Знак	Глобальный уровень (кларк), СОГ мг/кг	Региональный уровень, мг/кг, СОР	Локальный уровень, мг/кг, СОЛ
Литий	Li	32	20	20
Бериллий	Be	3,8	2	2,5
Бор	B	12	53	50
Натрий	Na	25000	5900	4000
Магний	Mg	18700	6100	8000
Алюминий	Al	80500	54800	63000
Кремний	Si	295000	443000	250000
Фосфор	P	930	740	630
Хлор	Cl	170	690	-
Калий	K	25000	19000	-
Кальций	Ca	29600	11600	40000
Скандий	Sc	10	12	20
Титан	Ti	4500	4400	5000
Ванадий	V	90	77	100
Хром	Cr	83	82	50
Марганец	Mn	1000	590	1000
Железо	Fe	465000	26600	25000
Кобальт	Co	18	10	15
Никель	Ni	58	33	32
Медь	Cu	47	22	25
Цинк	Zn	83	52	100
Галлий	Ga	19	10	10
Германий	Ge	1,4	-	1,2
Мышьяк	As	1,7	-	-
Селен	Se	0,05	-	-
Бром	Br	2,1	-	-
Рубидий	Rb	150	84	-
Стронций	Sr	340	130	-
Иттрий	Y	29	39	25
Цирконий	Zr	170	450	200
Ниобий	Nb	20	17	15
Молибден	Mo	1	1	1
Серебро	Ag	0,7	-	0,32
Кадмий	Cd	0,13	-	-
Олово	Sn	2,5	3,9	8
Сурьма	Sb	0,5	-	-
Йод	I	0,4	-	-
Цезий	Cs	3,7	3,7	-
Барий	Ba	650	430	320
Лантан	La	29	38	25
Церий	Ce	70	-	-
Иттербий	Yb	0,33	4	3,2
Гафний	Hf	1	-	-
Ртуть	Hg	0,083	16	-
Таллий	Ta	1	-	-
Свинец	Pb	16	-	20
Торий	Th	13	-	-
Уран	U	2,5	-	-
Висмут	Bi	0,009	-	-
Вольфрам	W	1,3	-	-

Таблица 2. Результаты геохимического изучения пол-ва Казантип, Керченский полуостров, Ленинский р-н АР Крым (проба 168)

Cu 10-4	Pb 10-4	Co 10-4	Ni 10-4	Zn 10-4	Mo 10-5	Cr 10-3	V 10-3	Ti 10-2	Sn 10-4
15	20	12	32	63	1	80	80	50	2,5
Mn 10-3	Ba 10-3	Be 10-4	Nb 10-4	Zr 10-3	Ga 10-4	Ag 10-5	Bi 10-4	Ge 10-4	Sc 10-4
100	10	2	15	40	10		2,5	1,2	12
Li 10-3	P 10-2	Y 10-3	Yb 10-4	Al 100	Fe 100	Ca 100	Si 100	Mg 10-1	Na 10-1
1,5	10	1,5		8	4	12	32	32	5

Проба 168	элемент	Фоновые содержания			Проба 168 коэффициенты концентрации
		Кларк	СОР	СОЛ	Кларк	СОР	СОЛ
15	Li	32	20	20	0,46875	0,75	0,75
2	Be	3,8	2	2,5	0,05263	1	0,8
	B	12	53	50
500	Na	25000	5900	4000	0,02	0,0847	0,125
32000	Mg	18700	6100	8000	1,71122	5,2459	4
80000	Al	80500	54800	63000	0,99378	1,4598	1,2698
32000	Si	295000	443000	250000	0,10847	0,0722	0,128
1000	P	930	740	630	0,10752	1,3513	1,5873
	Cl	170	690	-
	K	25000	19000	-
120000	Ca	29600	11600	40000	4,05405	10,3448	3
12	Sc	10	12	20	1,2	1	0,6
5000	Ti	4500	4400	5000	1,1111	1,1363	1
80	V	90	77	100	0,8888	1,0389	0,8
80	Cr	83	82	50	0,9638	0,9756	1,6
1000	Mn	1000	590	1000	1	1,6949	1
40000	Fe	465000	26600	25000	0,08602	1,5037	1,6
12	Co	18	10	15	0,6666	1,2	0,8
32	Ni	58	33	32	0,5517	0,9696	1
15	Cu	47	22	25	0,3191	0,6818	0,6
63	Zn	83	52	100	0,7590	1,2115	0,63
10	Ga	19	10	10	0,5263	1	1
1,2	Ge	1,4	-	1,2	0,8571		1
	As	1,7	-	-
	Se	0,05	-	-
	Br	2,1	-	-
	Rb	150	84	-
	Sr	340	130	-
15	Y	29	39	25	0,5172	0,3846	0,6
400	Zr	170	450	200	2,3529	0,8888	2
15	Nb	20	17	15	0,75	0,8823	1
1	Mo	1	1	1	1	1	1
	Ag	0,7	-	0,32
	Cd	0,13	-	-
2,5	Sn	2,5	3,9	8	1	0,6410	0,3125
	Sb	0,5	-	-
	I	0,4	-	-
	Cs	3,7	3,7	-
100	Ba	650	430	320	0,1538	0,2325	0,3125
	La	29	38	25
	Ce	70	-	-
	Yb	0,33	4	3,2
	Hf	1	-	-
	Hg	0,083	16	-
	Ta	1	-	-
20	Pb	16	-	20	1,25		1
	Th	13	-	-
	U	2,5	-	-
1,5	Bi	0,009	-	-	166,66
	W	1,3	-	-

Суммарный показатель загрязнения
Zc (Кларк)	Zc (СОР)	Zc (СОЛ)
8,07637	25,1482	15,0571

Накапливающиеся элементы

Проба 168 Коэффициенты концентрации
Элементы	Кларк	Элементы	СОР	Элементы	СОЛ
Mg	1,71122	Mg	5,2459	Mg	4
Ca	4,05405	Al	1,4598	Al	1,2698
Sc	1,2	P	1,3513	P	1,5873
Ti	1,1111	Ca	10,3448	Ca	3
Zr	2,3529	Mn	1,6949	Cr	1,6
Pb	1,25	Fe	1,5037	Fe	1,6
Bi	166,66	Co	1,2	Zr	2
		Zn	1,2115

Рис.1. Элементы Кларк

Рис.2. Элементы СОР

Рис.3. Элементы СОЛ

Список использованных источников

Гончарук Е.Н., Сидоренко Г.И. Гигиеническое нормирование химических веществ в почвах. – М.: Медицина, 1986.- 320 с.

Корженевский В.В. Геоаномальные зоны и биота. Конспект лекций. – Ялта: ЯИМ, 2002. – 231 с.