Характеристика естественных и искусственных биогеохимических провинций.

В.И.Вернадский, а позднее А.П.Виноградов разработали теорию биогеохимических провинций, под которыми понимают территории, характеризующиеся повышенным или пониженным содержанием одного или нескольких химических элементов в почве или воде, а также в организмах животных и растений, обитающих на этой территории. На таких территориях могут наблюдаться определенные болезни, непосредственно связанные с недостатком или избытком этих элементов. Эти болезни получили название эндемических. Существуют территории, избыточно насыщенные токсическими элементами (ртутью, кадмием, таллием, ураном), и дефицитные регионы по содержанию йода, фтора, селена и других химических элементов. Почти 2/3 территории Российской Федерации характеризуются недостатком йода, около 40% - селена

 

Территория земного шара по геохимическим особенностям весьма различна. Таежно-лесная нечерноземная зона характеризуется недостатком кальция, фосфора, калия, кобальта, меди, йода, бора, цинка, достаточным количеством магния и относительным избытком стронция, особенно по речным поймам. В лесостепной и степной черноземной зоне наблюдается достаточное количество кальция, кобальта, меди, марганца. Сухостепная, полупустынная и пустынная зоны отличаются повышенным содержанием сульфатов, бора, цинка. В некоторых пустынях наблюдается избыток нитратов и нитритов

 

В горных зонах биогеохимический характер территорий, лежащих на разных высотах, различается. Отмечается недостаток йода, иногда кобальта, меди, а в некоторых случаях - избыток молибдена, кобальта, меди, свинца, цинка

 

В процессе эволюционного развития организм выработал способность к избирательному поглощению определенных химических элементов и их избирательной концентрации в определенных тканях. Такие способности реализуются в процессе обмена веществ с окружающей средой. Обмен осуществляется через пищевые цепи. В эти цепи включаются микроэлементы горных пород, почвы, воздуха и воды, поглощаемые растениями, входящие в состав организмов животных, которые с пищей и питьевой водой поступают в организм человека

 

Существенное значение для жизни организма имеют пороговые концентрации химических элементов, т. е. те концентрации, за пределами которых происходит срыв регулирующих функций организма, и в результате этого возникают эндемические болезни

 

Различают начальные пороговые концентрации, от которых начинается недостаток элементов для организма, и верхние - от которых начинается избыток. Следовательно, и недостаток, и избыток могут вызвать заболевание организма

 

Кроме естественных биогеохимических районов и провинций, выделяют искусственные. Образование их обусловлено поступлением в окружающую среду неочищенных или плохо очищенных сточных вод, твердых отходов, содержащих химические вещества различных классов опасности, пестицидов, минеральных удобрений

 

В искусственных биогеохимических провинциях отмечается повышение уровня заболеваемости населения, связанное как с отдаленными последствиями их воздействий, так и с непосредственным их воздействием на организм. Отдаленные последствия проявляются в виде врожденных уродств, аномалий развития, нарушений физического и психического развития детей. Непосредственное воздействие встречается в виде случаев острых и хронических отравлений при проведении сельскохозяйственных работ

 

Биогеохимической провинции – это различные по величине участки территории Земли с различным уровнем концентрации химических элементов. И как следствие этого – соответствующий уровень концентрации их в организмах и возникновение ответных биологических реакций со стороны организма человека. Влияние различных химических элементов на организм особенно сильно проявляется при резко выраженном избытке или недостатке в почве отдельных химических элементов, что ведет к различным формам нарушения обмена веществ и возникновению эндемических заболеваний, которые могут оканчиваться гибелью организма.

Подобные эндемии известны – при большом содержании в почве стронция (хондродистрофия), бора (борный энтерит), фтора (флюороз), кальция (ломкость костей), кобальта (гипо- и авитаминоз, витамина В₁₂). При недостатке йода развивается эндемический зоб и т.д.

Эндемический зоб – компенсаторное увеличение щитовидной железы. Это ярко проявляется в местах (провинциях) с одновременным недостатком йода и кобальта.

В провинциях бедных фтором распространен эндемический кариес зубов и у животных и у человека (пример – содержание фтора в питьевой воде в крупных городах Беларуси) от 0,1 до 0,3 мг/л.

Всего на территории стран СНГ насчитывается более 30 естественных биогеохимических провинций.

Искусственные биогеохимические провинции. В настоящее время, кроме естественных эндемических почвенных регионов, появились искусственные биогеохимические районы и провинции. Их появление связано с поступлением в почву промышленных выбросов (дымовые выбросы заводов, сбросы сточных вод и твердых отходов).

Фабричная пыль, оседая на поверхности земли, покрывает ее все более толстым слоем, что наблюдается в крупных промышленных районах. Чаще всего оседают частицы, содержащие активные химические вещества. Под их действием в почве происходят реакции, совершенно изменяющие ее состав.

Так, выбросы продуктов сгорания каменного угольного угля с большим содержанием SO₂ (диоксид серы) приводит к образованию в почве серной кислоты (H₂SO₄).

Поступление в почву ртути даже в незначительных количествах оказывает большое влияние на ее биологические свойства. Повышенное содержание ртути в почве оказывает неблагоприятное воздействие на организм человека: наблюдается увеличение частоты заболеваний нервной и эндокринной систем.

Свинец при попадании в почву угнетает деятельность микроорганизмов-антагонистов кишечной и дизентерийной палочек, удлиняет сроки самоочищения почвы, а у людей, проживающих в этих районах наблюдаются патологические изменения со стороны кроветворной системы, органов внутренней секреции, а также отмечается учащение случаев злокачественных новообразований.

Искусственные геохимические провинции с повышенным содержанием канцерогенных веществ в почве наблюдаются вблизи ТЭЦ, аэродромов, вблизи автомагистралей и в районах лесных пожаров.

В искусственных биогеохимических районах, как правило, отмечается повышение уровня заболеваемости, врожденные уродства детей и аномалии развития, нарушение физического и психического развития детей. Помимо отдаленных последствий, в искусственных геохимических провинциях наблюдаются случаи не только хронических, но и острых отравлений, особенно при проведении сельскохозяйственных работ.

 

Миграция и круговорот микроэлементов в биосфере.

 

Микроэлементы — преимущественно ионы тяжелых металлов являются компонентами ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений. Они столь же необходимы для жизнедеятельности, как макроэлементы, но требуются в значительно меньших концентрациях. Содержание их изменяется от 0,001 до 0,00001% массы тела. В данную группу входят марганец, бор, кобальт, медь, молибден, цинк, йод, бром, алюминий и др.

В 1940 г. В.И. Вернадский открыл фундаментальные законы (принципы) геохимической деятельности живых организмов в биосфере (биогеохимические принципы):

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Это означает, что жизнь стремится заполнить в максимальном объеме любое пригодное для нее пространство. В процессе эволюции биосферы живое вещество, по мере захвата жизнью все новых зон обитания, усиливает свое преобразующее давление на окружающую неживую природу и на самое себя (например, на абиогенные химические элементы).

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы. Данный принцип весьма важен не только для понимания истории жизни, но и для решения современных задач выведения культурных растений, поскольку «увеличение биогенной миграции атомов» есть не что иное как увеличение продуктивности растений и животных.

3. В течение всей истории планеты ее заселение было максимально возможным для живого вещества, которое тогда существовало.

Все химические элементы в биосфере постоянно перемещаются как в пределах отдельных сфер (литосфера, гидросфера, атмосфера, педосфера), так и между ними. Темпы миграции химических элементов неодинаковы, и наиболее активно они передвигаются в атмосфере и природных водах, в связи с чем А.И. Перельман разделил их на воздушные и водные мигранты, хотя и в пределах каждой группы выделяются подгруппы более или менее подвижных элементов в зависимости от свойств их соединений, кислотно-основной и окислительно-восстановительной обстановки в той среде, где они мигрируют. Повторяющиеся перемещения и превращения химических элементов в биосфере при активном участии живого вещества называют биогеохимическими циклами элементов. Предложено большое число биогеохимических циклов элементов, все их рассмотреть невозможно, и поэтому в качестве примера приведен только один из вариантов биогеохимического цикла бора по В.В. Ковальскому. Соединения бора встречаются во всех природных телах. Из расплавленной магмы при застывании они могут поступать в изверженные породы, а в результате деятельности вулканов попадать как в атмосферу, так и в гидросферу. На этом этапе преобладают чисто геохимические процессы практически без участия живых организмов. Выветриваясь, изверженные породы дают начало почвам; часть их снова может превратиться в магму или частично раствориться в природных водах. Живое вещество свойственно преимущественно педосфере и гидросфере, откуда организмы черпают бор, но в результате разложения остатков живых организмов соединения бора вновь поступают в почву и природные воды. Характерно, что на рис. 5 многие блоки связаны двумя стрелками, показывающими возможность протекания процессов в прямом и обратном направлениях.

Нетрудно видеть, что в целом биогеохимический цикл бора замкнут, но в его пределах есть циклы меньших масштабов, ограниченные небольшим числом блоков. Скорости передвижения соединений бора между отдельными блоками различаются на несколько порядков, поэтому бор накапливается в глинистых и окисленных морских осадках, особенно в железных рудах, но это не означает, что биогеохимический цикл бора разорван. Биогеохимические циклы других элементов построены аналогично, но они различаются по числу блоков, по доминирующим процессам, скоростям и массам мигрирующих элементов.