osnovy_geokhimii

Легкие аэроионы с отрицательным зарядом, по утверждениям исследователей, положительно влияют при терапии бронхиальной астмы и гипертонии, как болеутоляющее и защитное действие и регуляторный стимул при усталости. Было доказано, что биологическая активность их связана с радикальной природой супероксидного анион-радикала кислорода (О2· –) и с образующейся при его дисмутации перекисью водорода (Н2О2). Лечебное действие О2· – и Н2О2 позволили разработать способы борьбы с болью и лечением болезни Паркинсона, с синдромом Дауна, рассеянного склероза и детского церебрального паралича (Н. И. Гольдштейн, Р. Н. Гольдштейн,

2009).

По А. А. Минху и А. Л. Чижевскому (1971) , в воздухе над лесом в 1 см3 содержится 2000–2500 легких аэроионов, в закрытых помещениях – 25– 100, в атмосфере над океаном легких отрицательных ионов – 500–1785, положительных – 600–900. Тяжелые аэроионы отрицательно влияют на трудоспособность человека. Их много в непроветриваемых помещениях, загрязненном воздухе, в узких горных ущельях и котловинах (Б. П. Токин,

1967).

Биологические объекты, которые находятся в атмосфере во взвешенном состоянии и переносятся потоками воздуха, относятся к аэропланктону. Размеры этих биологических объектов составляют 0,01–100 мкм. В состав аэропланктона входят бактерии, вирусы, споры плесневых грибов, дрожжевые грибы, актиномицеты, цисты простейших, водоросли, споры растений. С высотой численность жизнеспособных организмов снижается. Наиболее высокая концентрация аэропланктона летом, низкая – зимой и ранней весной. В воздухе г. Минска были обнаружены бактерии, которые относятся к 86 видам (В. В. Влодавец, 1972).

Впереносе химических элементов участвуют птицы, насекомые. Стая бабочек саранчи в количестве 43 млн особей переносит 2,2 тыс. кг воды, 1,3 тыс. кг органического вещества, 46,4 кг минеральных веществ (4,6 кг Р, 2,8 –

Mg, 1,2 – Na, 1,2 – Ca, 0,5 кг Si и др.).

Фитонциды и эфирные масла относятся к летучим органическим соединениям. Химическая природа фитонцидов находится в стадии изучения. Фитонциды герани, хвойного леса успокаивают нервную систему человека, продлевают время сна. Одни гектар можжевелового леса за сутки может выделить до 30 кг фитонцидов, хвойного леса – 5 кг, лиственного – 2 кг. Некоторые эфирные масла обладают фитонцидными свойствами. Эфиромасличные растения выделяют в атмосферу ежегодно 175 млн т эфирных масел.

Ватмосфере постоянно содержится до 4 % водяных паров, которые при конденсации преобразуются в жидкую или твердую воду (лед, снег).Атмосферные осадки являются активными переносчиками химических элементов в составе различных примесей.

7.3. География переноса и	111	отложения химических элементов

Общая циркуляция атмосферы способствует переносу химических элементов за сотни и тысячи километров. В данном случае понятие зональности отсутствует, но следует различать закономерности переноса и отложения различных соединений в соответствии с господствующим направлением движения воздушных масс для той или иной территории, в соответствии с уточным, сезонным, годовым и многолетним режимом скорости и направления ветра и степенью увлажнения. Следует различать перенос химических элементов с твердыми и жидкими аэрозольными частицами.

Перенос и отложение элементов в виде пыли характерны для ландшафтов с аридным климатом. Например, в районе Центрального Копетдага за 10 мин. пыльной бури выпало до 10 т / км2 пыли.

Более значительны по масштабам перенос и отложение химических элементов с атмосферными осадками. На поверхность Земли, включая Мировой океан, с атмосферными осадками выпадает до 12 т / км2 в год растворенных веществ, что составляет половину соединений, выносимых реками в океан за это время. На территории бывшего СССР с осадками выпадает за год 285 млн. т солей.

Отмечаются следующие закономерности распределения атмосферных осадков по их химическому составу. Наиболее часто осадки выпадают над океаном. Над континентами степень минерализации осадков определяется климатическим фактором, максимальная минерализация характерна для ландшафтов пустынь. Техногенные процессы усиливают минерализацию осадков над крупными промышленными центрами и изменяют свойства атмосферной воды. Однако не всегда по количесту осадков можно определить содержание поступающих с ними солей. Во влажных тропических лесах, где в воздухе пыли мало, атмосферные осадки имеют меньшую минерализацию, осадки таежной зоны – более высокую. Однако суммарное количество солей , поступающих с атмосферными осадками, во влажных тропиках будет выше, чем в тайге, так как количество выпадающих в 2–3 раза больше.

Внутри континента по природным зонам выпадение солей зависит от количества выпадающих осадков, влажности воздуха, запыленности атмосферы. В сухих степях и полупустынях, где выпадает около 150 мм осадков в год при низкой относительной влажности воздуха, поступление солей составляет 26,4 т / км2. В тайге выпадает осадков больше (до 700 мм в год), но в почву поступает всего лишь до 10 т / км2 солей.

В каждой ландшафтной зоне минерализация атмосферных осадков зависит от времени года: зимой, весной и во влажный летний период минерализация осадков ниже, чем в сухой период.

Передвижение воздушной масы, сформировавшейся над океаном, в глубь континента приводит к постепенному обеднению ее химическими элементами по мере выпадения осадков. С осадками на морских побережьях

выпадает 47 мг / дм3, а в пределах			112	континента на расстоянии 150–200 км
от	побережья	количество		выпадающих солей снижается до 28 мг

/ дм3. Химический состав осадков представлен макро- и микроэлементами. Наблюдается определенная приуроченность химических элементов к

осадкам по месту происхождения последних. Различают ионы «морские» (Cl– , Na+), «континентальные» (HCO3–, Ca2+, Mg2+) и «техногенные» соединения (оксиды серы, азота, углерода и др.). Количество химических элементов над Антарктидой ниже, чем над освоенными регионами материков.

Для оценки атмосферной миграции М. А. Глазовская (1967) рекомендует следующие коэффициенты:

КА – коэффициент атмогеохимической активности (отношение количества элемента, поступающего с осадками за год, к их количеству, потребляемому растениями за гол);

КИ – коэффициент гидрогеохимической активности (отношение количества элемента, выносимого ионным стоком за год, к его количеству, поступающему с атмосферными осадками).

8. ТЕХНОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ

Техногенная миграция – процесс концентрации, рассеяния и перемещения атомов под воздействием геохимической деятельности человека. Она протекает в ноосфере – той части ландшафта, где человек активно преобразует природу. По мнению В. И. Вернадского (1854), до появления человека организмы влияли на историю тех атомов, которые нужны были для их роста, питания, размножения, дыхания. Человек расширил этот круг, вовлекая в миграцию элементы, которые необходимы для создания техники и цивилизованных форм жизни.

Стехногенной миграцией тесно связаны понятие «техногенез»,

«техногенный ландшафт».	113

Термин «техногенез» предложил А. Е. Ферсман (1955). Это понятие объединяет совокупность химических и технических процессов, вызванных хозяйственной деятельностью человека. Геохимический аспект техногенеза проявляется в извлечении химических элементов из природной среды с их последующей перегруппировкой, в создании новых искусственных соединений, ускорении их круговорота.

Под влиянием хозяйственной деятельности человека природный ландшафт трансформируется в техногенный, именуемый в физической географии как антропогенный ландшафт. В научной литературе нет его общепринятого определения. Под техногенным ландшафтом нами понимается относительно однородный территориальный комплекс, сформированный на основе природного ландшафта, компоненты которого прямо или косвенно в разной степени трансформированы в результате производственно-хозяйственной и рекреационной деятельности человека.

В природе все процессы и явления взаимосвязаны. Всеобщая связь явлений ведет к тому, что каждое изменение в природе человеком влечет к преобразованию всей цепи сложной взаимозависимости, появлению положительных и нежелательных отрицательных последствий как для самой природы, так и человека. Поэтому техногенная миграция атомов должна быть управляемой и прогнозируемой в соответствии с законами природы.

8.1. Химия техногенной миграции

Первобытный человек представлял всего лишь одно из звеньев трофической цепи консументов. С появлением земледелия уже при подсечноогневой системе человек ускорял или нарушал естественные процессы (выжигание лесов, выращивание монокультуры). В результате некоторые химические элементы вовлекались в искусственный круговорот, выбывали (отчуждались) из ландшафта. Плодосменная система земледелия способствовала более равномерному выносу из ландшафта всех химических элементов, что восполнялось внесением органических и минеральных удобрений.

Добыча полезных ископаемых превратилась в глобальное явление, создала условия для образования некоторых химических соединений не свойственных природе (пестициды, полимеры, разнообразные полезные и токсические органические и минеральные соединения. Если в XIII столетии человечество использовало 18 химических элементов, в XVIII – 29, в XIX – 47, в XX – 80 элементов, то в XXI столетии используются все известные химические элементы, часть из них созданы искусственным путем и неустойчивы. Постоянно совершенствуются технологические процессы промышленного производства, вредные отходы которого нуждаются в нейтрализации. Разрабатываются новые технологии по извлечению микроколичеств химических элементов из руд, по использованию отходов в народном хозяйстве.

Химия

органического114синтеза. Один из результатов

техногенеза – синтез органических соединений. Химия органического синтеза создает соединения двух типов:

–искусственные аналоги природных соединений;

–искусственные соединения, не свойственные природе.

К искусственным соединениям, свойственным природе, относятся каучук, спирты, волокна, красители и др. Часть из них представляют собой сильнодействующие яды. Познание физических и химических законов природы дало возможность синтезировать разнообразные полимеры, ядохимикаты и другие вещества, которые не имеют аналогов в природе.

Рост промышленности органического синтеза постоянно увеличивает опасность загрязнения ландшафта токсическими соединениями. Большая часть таких соединений разлагается с образованием менее ядовитых или нейтральных. Однако в природе известна и обратная трансформация. Например, фторзамещенные олефины при окислении образуют перекисные соединения, которые путем гидролиза преобразуются в токсические фторфосфоген и фтористый водород.

Внастоящее время известно около тысячи канцерогенных соединений, которые по химической структуре делятся на следующие классы: полициклические и гетероциклические ароматические углеводороды, ароматические амины, аминоазотсоединения, нитрозамины, гепатоксические яды, производные металлов бериллия, хрома, свинца, никеля и др.

Впрактике сельского хозяйства широкое применение нашли пестициды

(биоциды). Они делятся на группы: инсектициды, фунгициды, гербициды,

дефолианты, десиканты. Инсектициды используются как средство борьбы с вредными насекомыми. Группа фунгицидов более разнообразна по составу. Среди них выделяют неорганические и органические вещества и антибиотики. Они применяются для борьбы с возбудителями болезней растений. Гербициды по характеру их воздействия на растения бывают избирательные (селективные) – поражают только сорные растения и сплошные (общеистребительные, используемые в качестве биологического оружия), повреждающие всю растительность. Дефолианты применяют для удаления листьев и ускорения созревания растений. Десиканты подсушивают растения на корню для улучшения качества механизированной уборки.

Пестициды более ранних лет производства могли сохранять структуру от месяца до двух и более лет. В настоящее время выпускают пестициды, которые разлагаются в 20–30 дней. Попадая в пищевую цепь, пестициды частично обезвреживаются путем микробиологического и фотохимического разложения в почве, а также в результате окисления и распада в живых организмах. В организме человека они могут вызвать органические заболевания.

Особую группу органических соединений создают вещества, используемые в качестве пищевых добавок. К ним относятся антимикробные вещества, антиокислители, стабилизаторы, эмульгаторы, консерванты,

пищевые	красители,115подсластители, антибиотики. Они
допущены	к использованию в пищевой промышленности, но многие

из них, как показывают эксперименты с животными, проявляют мутагенные и другие вредные свойства на организма человека.

Устойчивость и медленный износ изделий из полимерных материалов не позволяют пока дать ответ на вопрос о взаимодействии полимеров с пищевыми продуктами. Имеется лишь некоторая информация о вреде для здоровья искусственных материалов, используемых для изготовления строительных материалов, одежды, обуви, пищевой тары. Например, пластмассовые бутылки обогащают организм бифенолом А, который по строению похож на женский половой гормон эстроген. Избыток эстрогена приводит развитию рака простаты и молочной железы, ускорению полового созревания, ухудшению качества спермы. Токсические свойства могут придавать некоторые пластификаторы, хлорированные нафталины, дефинилы. Из полимеров эти соединения постепенно выделяются и попадают в атмосферу или в жидкости. Поэтому рациональный выбор добавок при синтезе стабилизаторов, катализаторов, пластификаторов – важная гигиеническая задача.

Химия органического синтеза создает большое разнообразие лекарственных препаратов. Они могут вызывать аллергию, обезвоживание организма, распад микробных тел, побочное вредное влияние на различные органы и системы организма.

Таким образом, химия органического синтеза, являясь составной частью научно-технического прогресса, является важным геохимическим фактором, ускоряющим развитие техногенной миграции во всех компонентах ландшафта. Лишь всесторонний мониторинг техногенной миграции и разработка способов геохимической оптимизации ландшафтов позволит создать благоприятные условия для жизни всех видов живых организмов.

Техногенная миграция и атмосфера. Живые организмы постоянно соприкасаются с атмосферой – одной из жизненно важных сред. В ней наблюдается активный приток и перенос техногенных газов и соединений. Ведущими газами техногенного происхождения являются СО2, СО, SO2, NO, NO2, Cl, углеводороды, минеральные компоненты летучей золы, сложные органические соединения. Очагами загрязнения атмосферы являются продукты жизнедеятельности населения городов, промышленные и горнодобывающие предприятия, автотранспорт, в меньшей степени животноводческие фермы. Концентрация загрязняющих атмосферу газов и соединений не одинакова во времени и пространстве. Это зависит от совершенства технологических процессов, концентрации промышленных предприятий и погодных условий.

Масштаб выделения продуктов техногенеза в атмосферу определяется миллиардами тонн для земного шара. Лидером загрязнения атмосферы является транспорт (автомобильный, авиационный и в меньшей степени железнодорожный) – до 300 млн т в год. Однако общая масса искусственного загрязнения по сравнению с массой и объемом тропосферы относительно

мала. К тому же атмосфера	116	способна к	самоочищению путем
рассеивания загрязнений при		постоянном	движении воздушных

потоков, выпадения взвешенных веществ, осаждения пыли и сажи, а также различных соединений вместе с выпадающими осадками. Например, содержание ртути в каменном угле в среднем составляет 0,1 г / т угля, в угольной саже дымоходов – 28 г / т., в саже донецких углей – 41 г / т (Я. Э. Юдович и др., 2009). Химические и фотохимические процессы в атмосфере проводят окисление низших оксидов в высшие (СО в СО2, сернистого ангидрида в серную кислоту, которая нейтрализуется аммиаком или щелочами).

Для снижения загрязнения атмосферы промышленными выбросами на предприятиях используются механические, электрические и мокрые фильтры, строятся высокие дымоходы для рассеивания газообразных отходов в более высоких слоях атмосферы. Предприятия размещаются с учетом господствующего переноса воздушных масс.

Несмотря на самоочищение атмосферы, в воздухе постоянно присутствуют токсические вещества. Они способны вызвать хроническую интоксикацию: острые катаральные процессы в виде ринита, ларингита, фарингита, трахеита, бронхита. Происходит расстройство нервной системы, раздражение кожного покрова, слизистой оболочки глаз.

Для оценки степени загрязнения атмосферы техногенными мигрантами используют пороговые, или предельно допустимые, концентрации (ПДК) химических элементов и соединений. Если содержание элемента или соединения выше его ПДК, то делается заключение о техногенном загрязнении атмосферы. К сожалению, в настоящее время нет единой величины ПДК для предложенных элементов и соединений. Например, ПДК сернистого ангидрида для стран СНГ установлено 0,5 мг / м3, в Германии –

0,75, в США – 4,4 мг / м3.

Техногенная миграция и гидросфера. Деятельность человека непрерывно влияет на состав природных вод. темп этих изменений постоянно возрастает. Изменяются гидрогеологические процессы, режим подземных вод путем их извлечения на поверхность. По мере расширения промышленного производства отмечается увеличение объема промышленного стока. Среди производственных выбросов опасными ингредиентами являются радиоактивные вещества и детергенты (синтетические вещества с высокой поверхностной активностью и бактериальным действием). Химические соединения сточных вод промышленных и коммунально-бытовых предприятий изменяют физические и органолептические свойства речных вод, которые иогда приобретают токсические свойства. Например, отходы только животноводства составляют более 1 млрд т / год. В результате этого концентрация нитратов в водах отдельных регионов достигает 100–200 мг / л при допустимой норме 45 мг / л.

Индикатором загрязнения могут быть постоянные отложения льда. Ежегодно на своей поверхности он фиксирует выпадающие химические

элементы из атмосферы.	117
Водоемы очищаются от загрязнений		естественным

(самоочищение) и искусственным путем.

Самоочищение зависит от гидрогеологических условий: проточности, скорости течения, химического состава, реакции воды, температуры и др. В основе самоочищения лежит осаждение взвеси, понижение концентрации токсических веществ, окисление органических и неорганических соединений, биохимический распад веществ. Самоочищению не

подвергаются радиоактивные стоки.
Распространены	следующие	методы	искусственной	очистки

промышленных стоков: механический (отстаивание), механико-химический

(коагуляция,	нейтрализация,		отстаивание),		физико-химический
(электростатический,		ионный	обмен,	сорбция),		биологический

(биохимическое очищение микроорганизмами). Практически полная очистка вод может быть достигнута при биологической обработке. Предельно допустимые нормы химических элементов и их соединений в воде санитарно-бытового и рыбохозяйственного назначения периодически пересматриваются и публикуются. В питьевой воде допускаются следующие нормативы качественной воды: цветность не более 40 ° по специальной шкале, запах и привкус не более 3 баллов, общая жесткость до 10 мг-экв.. / л, содержание хлоридов до 350 мг/л, фтора – до 1,5, нитратов (по азоту) – до 10, нитритов – до 0,002, аммиака – до 0,1 мг / л, общая минерализация – до 1 г./ л, окисляемость до 4 мг / л О2, микробное число до 400 в 1 мл.

Техногенез и педосфера. Техногенная миграция химических элементов в почве осуществляется пол влиянием как целенаправленной, так и случайной деятельности человека. В почву планомерно вносятся минеральные удобрения, биоциды, структурообразователи. Основные компоненты минеральных удобрений – азот, фосфор, калий. Поступление избытка нитратного азота через продукты питания и питьевую воду в организм человека вызывает метгемоглобинемию у детей грудного возраста. Избыток фосфорных удобрений приводит к повышенной концентрации в почве, а значит, и в продуктах питания фтора, что вызывает нарушение фосфорно-кальциевого обмена, заболевание печени и почек, флюороз зубов. Калий мигрирует в почве медленно и не оказывает на нее вредного воздействия. Однако большие дозы калийных удобрений привносят в почву радионуклид 40К и хлор, которые приводят к ухудшению качества растениеводческой продукции.

В индустриально развитых странах уровень применения биоцидов продолжает нарастать. Среднее расчетное содержание пестицидов в почвах земного шара составляет 0,3 кг / га. В Японии уровень применения биоцидов превышает 11 кг / га, в Германии – более 3 кг / га. Биоциды мигрируют в контактную среду (вода, воздух, растение), по пищевой цепи поступают в организм человека. Поэтому перед разработчиками биоцидов ставится задача создавать быстро разлагающиеся препараты в течение одного месяца, чтобы к уборке урожая их нейтрализовать в растениях.

Загрязнение	почвы	118	происходит случайно поступающими
хозяйственно-бытовыми	и		промышленными сточными водами, с

твердыми отходами, аэрозолями, газами и т. д. В процессе выщелачивания из твердых отходов в почву поступает ряд токсических веществ – металлов (Pb, Hg, Ni, Zn и др.) и органических соединений (сероуглерод, кислоты, разнообразные хлорорганические соединения и т. д.). По данным Л. О. Карпачевского и др. (2009), варьирование металлов для г. Москвы весьма высокое. Содержание хрома колеблется от 23 до 2535 мг / кг, цинка – 4–1423, свинца – 3–673, меди – 3–368, никеля – 3–119, марганца – 88–1840, мышьяка 3–50, циркония – 26–559 мг / кг. С промышленными аэрозолями и газами в почву поступают бластомогенные вещества, обладающие канцерогенными свойствами: бенз(а)пирен, диоксин и др. Поэтому выращивание сельскохозяйственных культур вблизи промышленных предприятий и автомагистралей приводит к накоплению в растениях токсических элементов и соединений, поэтому в пределах таких объектов необходима организация мониторинга.

Самоочищение почвы от вредных веществ происходит значительно медленнее, чем атмосферы и вод. Оно осуществляется путем сорбции, испарения, вымывания, фотолиза, гидролиза, окисления, участия микроорганизмов в разложении соединений в зависимости от почвенноклиматических условий (гранулометрический состав почвы, влажность, сложение, температура). Санитарно-эпидемиологическая оценка почвы дается путем контроля за жизнедеятельностью бактерий. В загрязненных почвах отмечается низкое содержание бактерий.

Техногенез и живые организмы. В живые организмы тяжелые металлы, радионуклиды и различные соединения техногенной природы поступают из почвы, с питьевой водой и воздушным путем. Живые организмы являются индикаторами, позволяющими судить о предельных концентрациях химических элементов в компонентах ландшафта. Диагностика проводится путем измерения биометрических, морфометрических и фенологических показателей. Положительные результаты дает визуальная и химическая диагностика. При избытке или недостатке питательных элементов и при избытке тяжелых металлов происходит изменение морфо-физиологических показателей (отклонение от стандарта в большую или меньшую сторону, изменение окраски и др.

При поступлении в организм растений или животных химические соединения трансформируются в полезные, нейтральные или токсичные. Токсичные химические элементы могут изоморфно замещать полезные элементы и приводит развитию различных заболеваний, часть из них выводится из организма, а многие тяжелые металлы накапливаются в течение жизненного цикла и провоцировать онкологические заболевания. Живые организмы медленно самоочищаются от токсических элементов и соединений.

Изучение и сравнение химического состава растений, животных и человека в различных природных условиях дали возможность выделить районы с избытком или119недостатком химических элементов, что привело к развитию заболеваний, вызванных геохимическим фактором.

Биологические реакции организмов на изменение геохимических факторов могут проявляться в следующих формах: толерантности (приспособляемости); образовании новых рас, видов, подвидов; эндемических заболеваний; уродства и гибели организмов. В экстремальных геохимических условиях возможны мутации организмов, возникновение новых популяций с новыми биохимическими и морфологическими признаками.

8.2. Техногенные аномалии и биогеохимические эндемии

Техногенная, как и природная, миграция химических элементов протекает не одинаково в различных физико-географических условиях. В одних регионах химические элементы постепенно выносятся, в других – накапливаются. Формируются техногенные, природные или природнотехногенные геохимические аномалии.

Выделяют три типа техногенных аномалий:

▪полезные – известкование, гипсование, иодирование и др.;

▪вредные – концентрация пестицидов и тяжелых металлов;

▪нейтральные – концентрация металлов в машинах, приборах.

На основании расчета количественного содержания химических элементов, ежегодно вовлекаемых в основные глобальные природные и техногенные потоки биосферы, были сделаны следующие выводы:

▪из недр Земли ежегодно извлекается больше элементов, чем выносится за год с речным стоком или потребляет вся растительность суши;

▪при сжигании только угля ежегодно освобождается элементов больше, чем выносится с речным стоком;

▪интенсивность техногенеза уже сейчас значительно превзошла интенсивность основных природных геохимических процессов.

Техногенная концентрация химических элементов постепенно приводит

крассеиванию их в окружающей среде, местами к концентрации. Они вовлекаются в биологический круговорот, изменяют его средние показатели, накладываются на фон, или естественные геохимические аномалии и создают новые техногенные аномалии. В настоящее время известны техногенные аномалии, вызванные избыточной концентрацией Hg, Pb, Cd и других токсических элементов.

Источником избытка ртути в воздухе могут быть предприятия химической, цементной, топливной, приборостроительной промышленности, цветной металлургии, разбитые термометры, используемые в бытовых целях. Избыток ртути в организме человека вызывает нервно-психические расстройства (болезнь минамата).

Избыток свинца в ландшафте обусловлен сжиганием горючего в двигателях транспортных средств, на некоторых промышленных предприятия, используемых свинец в технологических целях, в бытовых

отходах. Признаки свинцового отравления (анемия, головная и мышечная боли) появляются при120содержании свинца в крови 0,8 части на