Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов

 

Среди последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. Различные металлы (как использовавшиеся с отдаленного времени, так и получившие применение недавно) используются в индустриальном производстве в нарастающем количестве. Это хорошо видно на рис. 16.5.

Рис. 16 5. Рост добычи металлов на протяжении XX в.

 

На графике показан рост добычи руд меди, разрабатывающихся с глубокой древности, и руд молибдена и урана, промышленная разработка которых началась в XX в.

Как видно из приведенных цифр, металлы извлекаются в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре и педосфере, применительно к составу которых развивались формы наземной жизни. Например, кларк алюминия в тысячу раз больше кларка меди, а современная добыча этих металлов очень близка и различается всего в несколько раз. Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ванадия, а производят молибдена значительно больше.

Самая главная, на первый взгляд парадоксальная, особенность использования металлов в мировом хозяйстве заключается в их активном рассеянии. Пути техногенного рассеяния металлов разнообразны; важнейшим служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Значительная часть металлов теряется еще раньше — при транспортировке, обогащении, сортировке руды. Как указывает А. А. Беус с соавторами (1976), таким путем в 1965 — 1975 гг. во всем мире было рассеяно (тыс. т): меди — 600, цинка — 500, свинца — 300, молибдена — 50.

После получения металлов вся технология современного производства сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Огромные массы металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и других отраслях промышленности и уходят с промышленными стоками. Столь же крупные массы металлов истираются и рассеиваются во время работы различных машин и механизмов. Значительная часть некоторых металлов и других рассеянных элементов добывается лишь для того, чтобы их рассеять на поверхности Земли. Примером могут служить производство алкидов свинца, применяющихся в качестве добавок в бензин для автомобилей, а также использование ртути и мышьяка для изготовления ядохимикатов в сельском хозяйстве.

Кроме отраслей промышленности, производящих или использующих металлы, существуют и другие пути их техногенного рассеяния, среди которых особенно важную роль играет сжигание минерального топлива, главным образом каменного угля.

Массы тяжелых металлов, ежегодно поступающие в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человечества, сопоставимы с количеством металлов, участвующих в глобальных процессах массообмена.

Годовая добыча некоторых металлов, прежде всего меди и свинца, значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью.

Как указано в разд. 3.2, из тропосферы непрерывно осаждаются дисперсные частицы, захваченные ветром с поверхности почвы. Оказавшись в тропосфере, эти частицы играют роль центров конденсации и осаждаясь выводят из тропосферы рассеянные химические элементы, поступающие туда с вулканическими и техногенными выбросами. Чем больше промышленные предприятия выбрасывают в воздух тяжелых металлов в составе дыма и пыли, тем выше концентрация металлов в атмосферных осаждениях, поступающих на поверхность почвы. По причине того, что поверхность почвы беспрестанно подвергается смыву дождевыми и талыми водами, взвеси дисперсных почвенных частиц переносятся плоскостным стоком и затем входят в состав пойменных отложений. Таким образом, илистые отложения речных пойм чувствительно отражают уровни содержания рассеянных металлов в атмосфере. В связи со сказанным большой интерес представляет определение тяжелых металлов в донных отложениях рек и озер, дренирующих районы активной индустриализации. Согласно данным Дж. Мура и С. Рамамурти концентрация тяжелых металлов в илах Рейна, протекающего через высокоиндустриализированные районы Западной Европы, с конца XVITI в. по 1975 г. возросла: хрома — в 9, меди и свинца — в 13, цинка — в 19, ртути — в 50 и кадмия — в 100 раз.

После активного обсуждения широкой общественностью и научными кругами проблемы развития технического прогресса и роста загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, завершившегося принятием итоговых документов внеочередной сессии ООН в Стокгольме в 1972 г., в странах Западной Европы и США были предприняты энергичные действия, направленные на ограничение загрязнения тяжелыми металлами. Результаты не замедлили сказаться. Уже в начале 80-х гг. XX в. высокие уровни металлов в донных отложениях рек и озер существенно снизились (рис. 16.6).

 

Рис. 16.6. Изменение содержания тяжелых металлов в пойменных отложениях низовьев Рейна на протяжении XX в. (по данным Дж.Джапенда и В.Саломонса, из А.И.Перельмана и Н.С.Касимова, 1999)

 

Однако проблема остается. Если бы выбрасываемые в воздух массы металлов распространялись, как газы, на большое пространство, а затем вымывались из тропосферы дождями и снегом, то их поступление на поверхность всей Мировой суши или даже на поверхность суши Северного полушария не превышало бы пределов природных поступлений, к которым растительные и животные организмы толерантны. Но основная масса металлов индустриальных выбросов выпадает в непосредственной близости от источника эмиссии. В результате живые организмы испытывают импактные (ударные) нагрузки и вокруг предприятия-загрязнителя формируются биогеохимические аномалии.

Тяжелые металлы являются необходимым компонентом биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов. По этой причине сильное повышение их концентрации в окружающей среде в высокоактивном рассеянном состоянии оказывает сильное влияние на живые организмы. В первой программе глобального мониторинга (Манн Р., 1973) среди 12 наиболее опасных загрязнителей фигурировало три металла: ртуть, свинец и кадмий. Но уже через несколько лет в докладе исполнительного директора Программы ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) за 1980 г. на втором месте (после проблемы СО₂ в связи с глобальными изменениями климата) рассматривалась опасность загрязнения тяжелыми металлами. Среди металлов-загрязнителей помимо трех указанных выше рассматривались семь других: марганец, олово, медь, молибден, хром, никель, кобальт. Это свидетельствует о значительном воздействии импактных техногенных поступлений металлов и близких им элементов на живые организмы и их сообщества.

В пределах техногенных биогеохимических аномалий обычно выделяют две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным поражением природной экогеосистемы. В этой зоне часто отсутствует растительность, разрушена биокосная система почвы, в значительной мере уничтожены почвенные животные и микроорганизмы. Во второй, более обширной, зоне заметно угнетение, реже — исчезновение отдельных составных частей биоты. На периферии этой зоны природная экогеосистема сохраняется без внешних изменений, но в ее компонентах (почвах, растениях, почвенных животных) отмечено повышенное содержание элементов-загрязнителей, которое, возможно, окажет влияние на последующие поколения.

Вокруг крупного медно-никелевого комбината в Садбери (Канада) зона сильного повреждения имеет радиус 3 — 5 км. Вторая зона распространяется до 20 км В первой зоне биота и почва были практически уничтожены, на поверхность поступало меди и никеля в несколько сотен и даже тысяч раз больше по сравнению с глобальным фоном. Концентрация никеля в почве по направлению от источника убывает очень быстро в степенной зависимости. На территории второй зоны происходит постепенное убывание концентрации по линейной зависимости до уровня местного геохимического фона. В этой зоне имеет место угнетение лишь отдельных видов растений и животных.

Аналогичная ситуация сложилась на севере Сибири в районе крупного Норильского металлургического комбината, а также на Кольском полуострове в результате деятельности двух медно-ни-келевых комбинатов. Вокруг них образовались обширные биогеохимические аномалии, в центральной части которых концентрация никеля и меди превышала фоновую более чем в 100 раз Одна из этих аномалий распространяется на северную часть Норвегии (рис. 16.7).

В степных ландшафтах протяженность техногенных геохимических аномалий увеличивается — заводы цветной металлургии сопровождаются ореолами рассеяния свинца, цинка, меди, мышьяка с радиусом от 5 до 20 км. Вокруг крупного Чимкентского свин-цово-плавильного завода, расположенного в условиях сухих степей Южного Казахстана, ореол техногенного рассеяния распространяется до 25 — 30 км. Содержание металлов-загрязнителей от источника к фону убывает в степенной зависимости независимо от того, является металл главным компонентом или примесью в руде (рис. 16.8).

 

 

Рис. 16.7. Загрязнение растительности Кольского полуострова медью (а)

и никелем (б) (по данным А В.Евсеева, 1998)

 

 

Рис 16.8. Распределение выпадающих масс металлов на площади импакт-

ной биогеохимической аномалии, образованной свинцово-плавильным)

заводом в г. Чимкент, Казахстан

 

 

Концентрация техногенно рассеиваемых элементов в снежном покрове значительно меньше, чем в почве. По сообщению М.А.Тойкка (1980), вокруг небольшого свинцово-плавильного завода в Тиккурила, расположенного в окрестностях Хельсинки (Финляндия), выделяется зона сильного загрязнения почвы с содержанием свинца в 24 раза больше местного геохимического фона (378×10^-4 % в пахотном горизонте) Ее протяженность около 500 км от завода. Далее до 2 км концентрация металла снижается, но остается в несколько раз выше фоновой. В четырехмесячном покрове снега содержание свинца убывает очень быстро: на расстоянии 100 —- 200 м от завода — 10 — 47 кг/га, на расстоянии 1 км — 1,1 — 1,3 кг/га, на расстоянии 2,5 — 3,5 км — 0,3 — 0,2 кг/га.

Размеры аномалий зависят не только от производительности предприятий, но и от других факторов, длительности работы производства, технологии и др. Весьма важную роль играет высота источника выбросов в атмосферу Согласно расчетам М.Е.Бер-лянда, при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии (10— 14)Н, где Н — высота трубы. Для труб высотой 10—15 м максимальные концентрации в воздухе образуются в непосредственной близости от источника.

Соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве сложные. Вокруг свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника. В этой зоне содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100— 1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге — в 500—1000 раз. От 2 до 4 км располагается вторая зона, где концентрация металлов в воздухе примерно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью от 4 до 10 км, в которой лишь отдельные пробы показывают повышенную концентрацию металлов.

Первая и вторая зоны загрязнения приземного слоя воздуха совпадают с зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности. Площадь рассеяния металлов в снеговом покрове меньше, чем в атмосфере, но область осаждения продуктов выбросов на листьях деревьев практически совпадает с распространением высоких концентраций в воздухе. На протяжении существования снежного покрова в пределах первой зоны выпало (г/км²): меди — 2,4, цинка — 5,5, свинца — 615, кадмия — 16,6, мышьяка — 18,8. Во второй зоне поступление (г/км²) свинца — 26, цинка — 3, мышьяка — 1,2.

По мере удаления от источника соотношение разных форм рассеивающихся элементов меняется. В первой зоне водорастворимые формы составляют всего 5—10%, а основную массу выпадений образуют мелкие пылеватые частицы сульфидов и оксидов. С удалением от завода относительное содержание водорастворимых форм свинца возрастает: на расстоянии 1,5 км от завода оно достигает 55 %, а в 4 — 5 км — 80 — 90 %. Следовательно, вблизи источника загрязнения осаждается основная часть твердых пылеватых частиц, а водорастворимые формы переносятся дальше и вымываются из атмосферы осадками.

Теоретически биогеохимические аномалии техногенного происхождения должны представлять собой систему концентрических окружностей, где от источника загрязнения к периферии в растениях и почве убывает концентрация рассеивающегося металла. В реальных условиях под влиянием преобладающих ветров, особенностей рельефа и растительности, режима атмосферных осадков концентричность нарушается, ширина зон сильно меняется. В силу этого биогеохимические аномалии тяжелых металлов могут быть вытянутыми и иметь неправильные очертания.

Конфигурация аномалий в почвенном покрове усложняется соотношением техногенных поступлений металлов с их природными концентрациями в минеральном субстрате почв. В качестве примера рассмотрим геохимические аномалии тяжелых металлов на восточном побережье залива Спенсера (Южная Австралия). Район расположен на прибрежной равнине и остаточном денудационном плато, возвышающемся на 600 м над уровнем моря. Равнина сложена молодыми наносами, в строении плато принимают участие протерозойские кристаллические породы. Плато, вытянутое в виде кряжа в меридиональном направлении, задерживает атмосферные осадки, поступающие с залива. В результате этого на плато выпадает 500 — 600 мм, на равнине — всего 300 — 450 мм осадков в год.

На берегу залива в г. Порт-Пири с 1989 г. действует плавильный завод, который является единственным в районе индустриальным предприятием и источником загрязнения. Австралийские геохимики Б.Картрайт, Р.Мерри и К. Тиллер (1977) изучили содержание металлов в почвенном покрове и установили, что выделяются две геохимические аномалии (рис. 16.9). Одна из них окружает плавильный завод, другая приурочена к остаточному плато. Техногенное происхождение свинцовых аномалий не вызывает сомнений. В породах, слагающих равнину и плато, концентрация металла не превышает 25×10^-4 %, а в пределах аномалии — больше 50×10^-4 % (см. рис. 16.9, а). Аномалия вокруг завода образована осаждением из атмосферы продуктов выброса из труб завода и вытянута на юг-юго-восток под воздействием преобладающих ветров. Аномалия свинца, приуроченная к остаточному плато, по-видимому, обусловлена выпадением обильных атмосферных осадков, которые вымывают значительную часть аэрально мигрирующих форм свинца из атмосферы. Наряду с аномалией свинца в почвенном покрове образовались аномалии цинка и кадмия, отличающиеся своими параметрами (см. рис. 16.9, б, в).

Рассеяние металлов осуществляется не только металлургическими и металлообрабатывающими заводами, но и другими промышленными предприятиями. Так как сырье для изготовления фосфорных удобрений содержит примеси меди, цинка, свинца, урана и других элементов, то они рассеиваются вокруг соответствующих заводов. Производство бумаги сопровождается рассеянием ртути. Крупные тепловые электростанции создают ореолы рассеяния оксидов серы и тяжелых металлов в радиусе 10—- 20 км.

 

Рис. 16.9. Техногенные аномалии свинца (а), цинка (б), кадмия (в)

врайоне Порт-Пири, Австралия (по Б.Картрайту и др., 1977)

 

Своеобразные биогеохимические аномалии свинца образуются вдоль автомагистралей. Тетраалкилы свинца добавляют в бензин в качестве антидетонационного средства для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания. С выхлопными газами свинец выносится в форме мелких твердых частиц оксидов, хлоридов, фторидов, нитратов, сульфатов и др. Примерно 20 % частиц имеют размер более 0,005 мм. Они оседают в непосредственной близости от дороги. Более мелкие частицы, составляющие около 60 % выбросов свинца, оседают не так быстро и в пределах относительно широкой полосы. Остальные 20 % захватываются воздушными массами и могут переноситься на значительные расстояния.

Концентрация металла в почве зависит от интенсивности движения автотранспорта. Ширина придорожных аномалий в почве сильно варьирует в зависимости от местных условий и по данным исследований, проведенных в Бельгии, Швейцарии, Германии и других странах, достигает 100 м.

До принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин в странах Западной Европы его концентрация в травах, растущих в зоне загрязнения автомагистралей, составляла 40 — 50 мкг/г.

Наиболее сильно загрязнена растительность на расстоянии до 5—10 м от края дороги и растительность газонов, разделяющих полосы движения на шоссе. Зона более низких концентраций распространяется до 50—100 м от края шоссе, но известны случаи и более широких аномалий. На расстоянии 200 — 300 м содержание свинца, как правило, снижается до уровня местного фона. Имеющиеся данные позволяют заключить, что ширина аномалий в растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове.

При изучении концентрации свинца в древесных посадках вдоль дорог установлено, что максимум загрязнения приходится на интервал 1 — 2 м над уровнем земли, а выше начинает быстро уменьшаться. Таким образом, автотранспортные биогеохимические аномалии свинца имеют сильно вытянутую форму, ограниченную эллипсоидальной поверхностью шириной около 100 м и высотой не более 5 —8 м.

Характерная особенность техногенных биогеохимических аномалий — динамичность и непостоянство их параметров. В значительной мере это связано с тем, что в образовании этих аномалий важную роль играет атмосферная миграция. В случае смены сухой и дождливой погоды и изменения направления ветра конфигурация биогеохимической аномалии в разное время года может быть неодинаковой. В частности, концентрация свинца на поверхности почвы в условиях интенсивного придорожного загрязнения возрастает от весны к осени. То же самое происходит в растениях на протяжении вегетационного периода. Нарастание концентрации металла в почве и растениях, по-видимому, обусловлено постепенной аккумуляцией высокодисперсных частиц, выбрасываемых с выхлопными газами автомобилей. Указанная закономерность нарушается дождями, которые смывают свинецсодержащие осадки с растений и поверхности почвы. Под влиянием ветра распределение свинца в растениях по обе стороны шоссе часто несимметричное (рис. 16.10).

Рис. 16.10. Распределение концентраций свинца в листьях корнеплодов

по профилю, поперечному направлению шоссе Намюр-Марш (Бельгия)

 

Металлы в урбогенезе. Самая многочисленная группа антропогенных биогеохимических аномалий тяжелых металлов связана с возникновением городов. Каждый город представляет собой небольшой, но полностью антропогенно преобразованный участок биосферы. Городские грунты, почвы и растительность искусственно скомбинированы людьми. Вода находится в закрытой сети водопроводных труб, поступая в которые она получает не свойственные исходному природному ландшафту макро- и микропримеси. В городах в той или иной степени аккумулируются все химические элементы, используемые современной техноцивилизаци-ей, в первую очередь — металлы. При этом процесс урбанизации сопровождается не только неуклонным обогащением исходного ландшафта продуктами технологических и бытовых отходов, но и образованием новых, характерных для этого процесса соединений, форм нахождения и парагенетических ассоциаций металлов.

Не менее сильно изменен состав атмосферы городов, куда поступает основная часть промышленных и строительных выбросов. В качестве показателя, характеризующего интенсивность загрязнения воздушной среды городов может быть использован коэффициент эмиссионной нагрузки, Е, предложенный Н.С. Касимовым и А. И.Перельманом (1991):

Е = P/N,

где Р — масса выбросов, т/год; N — число жителей, тыс. чел.

Используется также показатель пылевой нагрузки, измеряемый в кг/(км²-сут). По данным Н.С.Касимова и А.И.Перельмана, для большей части городов России этот коэффициент составляет 0,1 — 0,2 т на человека в год, возрастая до 0,3 — 0,7 т/год в городах с химической и нефтехимической промышленностью, как, например, Омск, Тольятти, Уфа, Ярославль, и тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула). В городах с черной и цветной металлургией и тяжелым машиностроением этот показатель достигает 1 — 3 (Липецк, Нижний Тагил, Ангарск) и даже превышает 2 т/год на человека, как в Череповце и Магнитогорске.

Наряду с отмеченными различиями геохимия окружающей среды городов имеет общие черты. Известно, что пыль предприятий разных типов промышленности характеризуют определенные парагенетические ассоциации металлов. Для твердых отходов черной металлургии типична ассоциация Мn—Сг—V, а цветной металлургии Zn—Pb—Сu—Сг—Ni—Со. Для пыли металлообрабатывающих предприятий характерна ассоциация W—Mo—Mn—Cr—Ni—Со —Си, химической промышленности Cd — Zn — Со — Мn — As — Сг. В золе теплоэлектростанций представлен широкий набор рассеянных тяжелых металлов, содержащихся на уровне геохимического фона, а строительная пыль со значительной долей цемента отличается повышенным содержанием стронция. В городской пыли все перечисленные особенности интегрируются и отчасти сглаживаются в результате поступления значительного количества продуктов развеивания местных почв.

На графике микроэлементного состава пыли города (рис. 16.11) показано, что определяющий вклад в состав пыли вносят деятельность теплоэлектростанций и строительные работы при значительной доле выбросов предприятий металлообрабатывающей промышленности. Таким образом становление любого города и его дальнейшая история сопровождается аккумуляцией рассеянных тяжелых металлов, большая часть которых связаны с твердыми высокодисперсными частицами. Эти частицы многократно захватываются ветром, перемешиваются с такими же по размерам частицами местных почв и грунтов, в результате чего происходит гомогенизация городской пыли и ее состава с одновременно происходящим поступлением техногенных рассеянных металлов.

Геохимическая динамика тяжелых металлов на урбанизированных территориях осложняется еще одним обстоятельством, типичным исключительно для городов. Поверхность городских почв почти полностью покрыта асфальтом, нарушающим свободный газообмен в системе почва — приземный слой атмосферы и способствующим дефициту кислорода в почвах и грунтах. В такой обстановке развивается анаэробная микробиологическая деятельность, сопровождаемая продуцированием специфических легко возгоняемых углеводородов, способных образовывать комплексные соединения с рассеянными тяжелыми металлами. Указанные соединения диффундируют в атмосферу, вступают во взаимодействие с ядрами аэрозолей и фиксируются на них.

 

Рис. 16.11. Поступление рассеянных элементов с городской пылью

(по Б. А. Ревичу и др., 1990):

1 — поступление с пылью с аномальным содержанием элементов; 2 — поступление с пылью, содержащей элементы на уровне местного геохимического фона

 

Автор в 1980 г., обобщив имеющиеся к тому времени данные, показал, что избирательная аккумуляция рассеянных тяжелых металлов в аэрозолях является неотъемлемой частью биосферной геохимии металлов, и ввел в качестве количественного показателя интенсивности этого процесса коэффициент аэрозольной концентрации металлов (см. разд. 3.2). Численное значение данного коэффициента для некоторых металлов, особенно для кадмия, свинца и ртути существенно возрастает в аэрозолях над городами. Американские исследователи П.Джил и Г.Гридел в 1983 г. обнаружили, что твердые и жидкие частицы аэрозолей над городами покрыты пленками углеводородов. Можно предполагать, что эффект аккумуляции рассеянных тяжелых металлов в аэрозолях связан с хелатированием определенных металлов летучими органическими соединениями, образующимися анаэробными микроорганизмами, деятельность которых на суше сосредоточена в гидроморфных ландшафтах, а активизируется на урбанизированных территориях под асфальтовыми покрытиями.

Многочисленные данные свидетельствуют, что процесс преобразования природной среды, сопровождающий жизнь городов, настолько своеобразен, что наряду с процессом техноге-неза, происходящим в результате индустриальной деятельности, следует учитывать особый процесс урбогенеза в качестве важной стороны геохимического воздействия человечества на биосферу.

Геохимические аномалии городов имеют сложную структуру, в которой на общем геохимически аномальном урбаногенном фоне выделяются отдельные более интенсивные аномалии, связанные с деятельностью определенных производственных предприятий и крупными транспортными артериями. В качестве примера может служить структура урбаногенной аномалии одного из городов Украины — Мелитополя, изученной Т.А.Алексеевой. На основании данных о содержании цинка в почвенном покрове и коре деревьев можно считать, что на всей территории города урбаногенный фон в 1,5 раза превышает уровень местного природного геохимического фона. На убраногенном аномальном фоне выделяются отдельные участки с более высокой концентрацией цинка, обусловленной производственной деятельностью машиностроительных предприятий и тепловой станции. В центре города, где сосредоточена значительная часть промышленных предприятий, локальные аномалии соединяются в более крупную, где концентрация цинка в 2 раза и более превышает уровень урбаногенного фона (рис. 16.12).

Итак, современные мегаполисы и индустриальные урбанизированные агломерации представляют собой огромные антропогенные геохимические и биогеохимические аномалии. Парадоксальность ситуации заключается в том, что абсолютная и относи- тельная численность городского населения неуклонно возрастает, в то время как эмиссия всех видов отходов индустриальной цивилизации наиболее интенсивно происходит именно в городах. Геохимически аномальная окружающая среда не только отражается на состоянии здоровья населения в настоящем, но будет иметь непредсказуемые последствия для последующих поколений. Биогеохимия городов должна стать одной из приоритетных проблем науки в третьем тысячелетии нашей эры.

 

Рекомендуемая литература

Апексеенко В. А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. — М.: Наука, 1990. - 140 с.

Беус А. А, Грабовская Л. И., Тихонова Н. В. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра, 1976. - 248 с.

Биогеохимическая оценка состояния природной среды: В.В.Батоян, В. С. Вшивцев, Н. С. Касимов и др. // Тр. Биогеохимической лаборатории. — М.: Наука, 1990.-Т. 21. - С. 108-125.

Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. — 335 с.

Глазовский Н. Ф. Техногенные потоки вещества в биосфере // Добыча | полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. — М.: Наука, 1982.-С. 7-28.

Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем / Под! ред. М.А. Глазовской — М.: Наука, 1982. — 272 с.

Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта — М.: Астрея-2000, 1999. - 768 с.

Петров К. М. Общая экология. — СПб.: Химия, 1998. — 352 с.

Контрольные вопросы

 

1. Проанализируйте развитие воздействия человеческого общества на биогеохимические процессы на протяжении истории человечества.

2. Рассмотрите деформацию глобальных, региональных и локальных биогеохимических циклов в результате производственной деятельности человеческого общества.

3. Какие глобальные проблемы возникают в результате включения в природный цикл углерода масс СО₂ индустриального происхождения?

4. Каковы последствия техногенной эмиссии двуокиси серы? Какие территории подвержены «кислотным дождям» и где это явление отсутствует?

5. Рассмотрите деформацию биогеохимических циклов массообмена под воздействием сельскохозяйственного производства на примере циклов азота, фосфора и калия.

6. Дайте оценку явлениям импактного загрязнения на примере образования техногенных аномалий тяжелых металлов.

7. Раскройте понятие «урбогенез». Каковы специфические биогеохимические проявления урбогенеза?

8. Каковы особенности структуры геохимических аномалий городов?

Темы для самостоятельной работы

 

1. Поданным, приведенным в гл. 7 и 16, сопоставьте массы углерода азота, серы и фосфора, участвующие в природных глобальных цикГх массообмена, и поступление в биосферу масс этих элементов в результате производственной деятельности человека.

2. По опубликованным статистическим данным проследите динамику изменения соотношения городского и сельского населения России в аб солютном (млн чел.) и относительном (%) выражении. Сравните с показателями роста производства угля, нефти, металлов и минеральных удобрений в эти же годы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Характерная черта естествознания XX в. — возникновение на стыке устоявшихся классических наук комплекса новых научных направлений. Эта черта — следствие естественного хода развития научной мысли и ее определенный этап, когда решение очередных задач одной отрасли естествознания становится невозможным без использования достижений других, соседних, отраслей. Целенаправленное взаимопроникновение наук не только позволяет обнаружить неизвестные ранее факты, но также способствует открытию новых областей познания.

Как отражение этого этапа развития естествознания, на контакте проблем биологии и геохимии возникла биогеохимия, призванная, по мнению ее основоположника В.И.Вернадского, оценить жизнь как планетарное явление. Роль и значение живого вещества (постоянно существующей совокупности живых организмов) в истории Земли можно выяснить путем изучения биогеохимических процессов, т.е. результатов воздействия жизнедеятельности организмов на миграцию и распределение масс химических элементов. В.И.Вернадский обосновал совершенно новый взгляд на феномен жизни как на фактор геохимической организации планеты.

Каждый организм биогеохимически индивидуален. В то же время состав организмов, образующих систематические группы или обитающих в сходных эколого-геохимических условиях, имеет общие черты. При генерализации результатов химических анализов различных организмов обнаруживаются общие черты состава всей планетарной совокупности организмов. Можно констатировать, что в живом веществе преобладают компоненты, активно дегазировавшиеся в процессе формирования Земли: вода и газы атмосферы. Вместе с тем в состав живого вещества входят все химические элементы, содержащиеся в земной коре. Они присутствуют в совершенно особых соотношениях, неадекватных соотношениям в других наружных оболочках нашей планеты. При этом имеются сходные черты относительной распространенности атомов химических элементов в составе живого вещества, с одной стороны, и в составе межзвездного газа и газового вещества комет — с другой. Отмеченное обстоятельство наряду с другими фактами дает основание рассматривать жизнь как космическое явление.

Химический состав живого вещества обусловлен соотношением состава и массы разных групп организмов. На протяжении геологической истории органический мир непрерывно менялся. Соответственно происходили колебания среднего состава живого вещества, но они не изменяли его основных особенностей. В настоящее время доминирующую часть живого вещества составляют высшие растения суши, средний состав которых определяет состав всего живого вещества Земли.

Главной чертой живого вещества является его биогеохимическая динамичность. Каждый организм и вся генеральная совокупность организмов находятся в постоянном геохимическом взаимодействии с веществом окружающей среды.

Принципы и подходы биогеохимии позволили обнаружить глобальную биокосную систему биосферы, в которой газовая, жидкая и твердая оболочки Земли связаны циклическими процессами массообмена химических элементов. Деятельное начало системы — непрестанно действующее живое вещество — захватывает из окружающей среды соединения определенных химических элементов, закономерно трансформирует эти соединения в другие и выделяет их в окружающую среду, изменяя ее состав. В свою очередь, химический состав среды обусловливает особенности состава организмов и геохимическую направленность их жизнедеятельности. Следовательно, жизнь формирует химический состав окружающей среды, непрерывно взаимодействуя с ее существующим составом. Акцентируя внимание на развитии биогеохимических процессов во времени, В.И.Вернадский отмечал, что биогеохимия должна изучать жизнь в аспекте истории атомов.

Масса живого вещества по сравнению с наружными оболочками Земли ничтожна. Соотношение масс живого вещества, атмосферы, Мирового океана, земной коры составляет соответственно 1: 1000: 100 000n:1 000 000n. Несмотря на такое соотношение, живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления и по этой причине медленно, но неотвратимо изменяет состав вещества наружных фазовых оболочек Земли. Наиболее глубокое изменение претерпела газовая оболочка. Существенно изменился состав вод суши и Мирового океана. Была преобразована наружная часть земной коры, которая подверглась воздействию наземных биоценозов. На поверхности Мировой суши сформировалась биокосная система педосферы.

В основе всех жизненных процессов лежит обмен веществ. По этой причине биогеохимическое взаимодействие организмов с окружающей средой происходит в форме циклических процессов массообмена. Для большинства природных процессов, происходящих на поверхности Земли, также характерна цикличность.

Биогеохимическая деятельность отдельных групп организмов первоначально развивалась применительно к отдельным звеньям природных абиогенных циклов миграции химических элементов. Благодаря непрерывному возобновлению поколений и столь же непрерывному их массообмену с окружающей средой биогеохимическая деятельность соответствующих групп организмов все более расширялась и совершенствовалась. Постепенно эта деятельность приобрела значение фактора, регулирующего процессы циклического массообмена и миграции химических элементов.

Функционирование современной биосферы обусловлено сочетанием множества циклов массообмена химических элементов, совершающихся с неодинаковой скоростью и имеющих различную протяженность. Одни ограничены сферой биогеохимической деятельности единичного организма, другие распространяются на площадь элементарной экогеосистемы, третьи охватывают значительные территории бассейнов стока, четвертые — еще более обширные области циркуляции воздушных масс между материками и океанами. Циклы разных рангов в совокупности обусловливают глобальную систему массообмена химических элементов во всей биосфере, между земной корой, Мировым океаном и атмосферой. Как писал В.И.Вернадский: «...биосфера представляет огромной важности часть организованности планеты. Она определяет и поддерживает атомы Земли... в энергичном непрерывном движении новой формы — в разнообразных миграциях, главным образом в круговых геохимических процессах. Биосфера в этом смысле может быть рассматриваема как своеобразный закономерный механизм»[14].

Биогеохимическая деятельность живых организмов обеспечивается энергией Солнца. Соответственно циклы массообмена в разных природных поясах и зонах имеют определенные различия. При вовлечении химических элементов в тот или иной цикл, равно как и в процессе миграции, происходит их закономерная дифференциация. В определенных условиях одни элемен