Естественные биогеохимические циклы и их техногенные изменения. Типы и классы геохимических барьеров

В зависимости от непосредственного фактора, вызывающего концентрирование того или иного элемента, выделяются следующие типы и классы геохимических барьеров, для которых характерны определенные ассоциации накапливающихся элементов:

I. Биогеохимические барьеры (О, С, Н, Са, К, N, Si, Mg, Р, S, Na, Cl, Fe, Ba, Sr, Sn, Zn, F, Cu, V, Ge, Ni, As, Co, Li, Mo, I, Se, Ra).

II. Физико-химические барьеры:

1) окислительные: железный или железисто-марганцевый (Fe, Mn, Со), марганцевый (Мn), серный (S);

2) восстановительный: сульфидный (Fe, V, Zn, Ni, Cu, Co, Pb, U, As, Cd, Hg, As, Se);

3) сульфатный и карбонатный (Ba, Са, Sr);

4) щелочной (Fe, Са, Mg, Sr, Zn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd);

5) кислый (S1O2);

6) испарительный (Са, Na, К, Mg, F, S, Sr, CI, Rb, Zn, Li, U, Mo);

7) адсорбционный (Са, К, Mg, P, S, Pb, V, Cr, Zn, Ni, Cu, Co, P, U, As, Mo, Hg, Ra);

8) термодинамический (Са, Sr).

III. Механические барьеры (Fe, Ti, Zr, Cr, Nb, Th, Та, Sn, W, Hf, Os, Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Pb).

С точки зрения миграции вещества в водной среде, а это основной миграционный поток на земной поверхности, вся поверхность Земли может быть разделена на 3 главных элемента, или геохимические зоны: элювиальные (или зоны выноса), транзитные (или зоны переноса) и аккумулятивные (или зоны накопления).

Важно подчеркнуть, что это разделение сохраняется в любом масштабе рассмотрения: от отдельно взятого холма (его вершина, склон и подножие) до континентов и суши и океана в целом.

Зоны, в которых происходит концентрирование техногенных веществ, называют нео- или антропоаномалиями.

В числе причин (условий, факторов), формирующих эти аномалии, можно выделить следующие техногенные продукты:

1. аэрозольные и пылевые отходы сгорания топлива разных отраслей производства;
2. газовые - в результате биогеохимических реакций продуктов техногенного загрязнения с природными минеральными и органическими веществами;
3. солевые аккумуляции - вторичные засоления в районах орошения, выветривания соленосных отвалов, а также вследствие процессов испарения в водоемах, почвах и т.п.;
4. минеральные и органические продукты коллоидной сорбции - токсичные элементы и их соединении в ионной, молекулярной, газовой и других формах;
5. металлоорганические соединения - металлозамешенные углеводороды и их производные;
6. продукты геомикробиологического синтеза - многочисленные органические и минералоорганические соединения, продуцируемые Fe-, S- и азотобактериями в условиях техногенного загрязнения природной среды азотом, серой, железом и биоцидными веществами;
7. искусственные материалы и минералы геопетрогенного синтеза (образовавшиеся при формировании горных пород) -драгоценные камни, строительные материалу из стекла, бетона, глины, песка, и др.;
8. геохимические ореолы и аномалии отдельных химических элементов техногенных контаминации, особенно Hg, Al, Fe, Pb, Zn и др., накапливающихся в литосфере, гидросфере, атмосфере, органическом веществе биосферы;
9. минеральные, особенно мутабельные, образования окислительно-восстановительных процессов, гидролиза, выщелачивания, гидратации, дегидратации, карбонизации и других геохимических процессов, активно протекающих в биосфере под воздействием техногенного загрязнения (оксиды, гидроксиды, фосфаты и др. новообразования);
10. геохимические типы и классы природных вод (рек, озер, эстуариев), образующиеся в результате загрязнения техногенными кислотами, щелочами, солями и др. соединениями.

В последние годы сформировался новый фактор - загрязнение (контаминация)(Контаминация - от лат contaminatio - соприкосновение, смешение. Здесь — соприкосновение (и взаимопроникновение) среды обитания организма (человека) с чужеродной средой, представляющей опасность (содержащей радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды и пр.)) окружающей среды.

В настоящее время уже 75...80% эндемических заболеваний связано с окружающей средой. Объяснение таких заболеваний, как и заболеваний, связанных с загрязнением природной среды техногенными выбросами, можно найти в анализе БГХЦ.

Биологическая составляющая циклов является мощным концентратором. Так, среди морских беспозвоночных, обладающих способностью к аккумуляции, выделяются двухстворчатые моллюски. Некоторые устрицы накапливают ДДТ в концентрациях, превышающих его содержание в воде в 70000 раз.

Этими же свойствами накапливать токсиканты в пищевых цепочках можно объяснить болезнь Минамото. Вода залива с одноименным названием содержала следы ртути, сброшенной промышленными предприятиями. Эти предприятия получали щелочь электрохимическим способом с ртутным катодом, а отработанная ртуть сбрасывалась в залив.

Под воздействием микроорганизмов ртуть переходила в водорастворимые органические соединения и концентрировалась сначала в водорослях (концентрация 100 частей/млрд), затем в рыбе (0,12 частей/млн) и крабах, которые питались рыбой (24 части/млн), а затем поступала в организм человека. Почки погибших людей содержали ртуть в количестве 144 части/млн при норме, не превышающей 0,5 части/млн.

Такое прогрессирующее накопление токсикантов в пищевых цепочках может быть представлено пирамидой загрязнений (рис. 3.12), являющейся частным случаем известной пирамиды биомасс.

Рис. 3.12. Схема пирамиды загрязнений:
1 - содержание токсиканта в среде; 2 - в первичных продуцентах; 3 - в первичных консументах; 4 - во вторичных консументах; 5 - в консументах третьего уровня

Ситуация, при которой концентрация токсичных элементов возрастает в тысячи и десятки тысяч раз при переходе от основания пирамиды к се вершине (от продуцентов к консументам верхнего уровня), показывает, что санитарно-гигиеническая концепция предельно-допустимой концентрации - ПДК, являющаяся основой принятого в настоящее время нормирования, при длительном времени существования данной экосистемы не обеспечивает безопасности высших звеньев пищевой цепочки. Отсюда понятен полный запрет на сброс токсичных веществ в природную среду, даже в количествах значительно ниже ПДК.