С чем связано загрязнение почвы тяжелыми металлами и как с этим бороться?

Почва — это сложная экосистема, которая под действием техногенных факторов подвергается постоянным изменениям. Любые процессы, в результате которых в грунте оседают нетипичные микро- и макроэлементы с высоким токсичным воздействием, называются загрязнением почвы. Особую опасность представляют тяжелые металлы.

Особенности

Почва — динамичная и сложная система. Грунт оказывает воздействие на активность живых организмов и даже может изменять климат. Почве отводится ключевая роль в защите грунтовых вод, она способствует связыванию токсичных соединений и таким образом выступает как накопитель органических и неорганических веществ. В связи с интенсивным развитием промышленности в последние годы резко увеличился объем загрязнения земель тяжелыми металлами. Это приводит к серьезному ухудшению окружающей среды, оказывает негативное воздействие на здоровье людей и животных.

Основными источниками токсичных солей становятся заводы и мусор. Каждый день люди вырабатывают десятки тонн отходов, из них только 4% идет на переработку, остальные попадают на свалку. Их валовое содержание с каждым годом растет, и это негативно сказывается на экологической обстановке. В огромных количествах в почве оказываются ртуть, кадмий, свинец и другие металлы. При превышении фоновой концентрации металла в 10 раз начинаются физиологические изменения состава грунта, а после преодоления значения в 16 ПДК происходит загрязнение. По оценкам экспертов, сегодня эти показатели крайне высоки.

Перечислим источники загрязнения почвы.

• Твердые бытовые отходы. Площади свалок во всем мире занимают миллионы километров, а разложение отходов растягивается на десятки и сотни лет. Все эти годы токсичные металлы медленно поступают в землю, отравляя территорию вокруг и делая ее непригодной для жизни животных и растений.
• Окружающая среда. Тяжелые металлы концентрируются в воде и воздухе. Любые водоемы, кроме озер и прудов, проходят естественную фильтрацию через грунт. Таким образом в земле оказываются химические элементы, которые со временем приводят к загрязнению плодородного слоя.
• Промышленные предприятия. Крупные производства представляют наибольшую опасность для экосистем.

Так, по подсчетам экологов, одно металлургическое или химическое предприятие загрязняет землю в радиусе 10–15 км вокруг производства.

Какие металлы загрязняют почву?

Перечислим наиболее токсичные вещества.

Ртуть

Это вещество поступает в землю вместе с пестицидами, использующимися в земледелии для борьбы с вредителями и болезнями сельхозкультур. Второй источник ртути — бытовые и промышленные отходы, элемент присутствует в люминесцентных лампах, термометрах и многих измерительных приборах.

Каждый год в почву поступает до 5 т ртути. Это вещество выделяется в виде паров, оно попадает в воду, а также накапливается в зеленых тканях растений, которыми питаются сельскохозяйственные животные — через них происходит миграция металла в человеческий организм. Ртуть вызывает сильнейшую интоксикацию, приводит к тяжелым патологиям центральной нервной системы и зачастую становится причиной смерти.

Свинец

Больше всего свинца попадает в землю в месте его добычи. Так, на каждую тонну добытого металла приходится 20–30 кг свинцовой пыли, оседающей на земле. Источниками загрязнения также становятся автомобили — металл присутствует в выхлопных газах, выделяемых двигателями внутреннего сгорания. Именно поэтому много свинца содержится на участках около шоссе и автомагистралей, радиус поражения достигает 200 м.

Оттуда токсины поступают в культивируемые растения, из которых изготавливают продукты питания или заготавливают корм для скота. Вместе с едой свинец попадает в человеческий организм, откладывается в печени и почках.

Микроэлемент поражает головной мозг и нервную систему, он становится провокатором онкологических заболеваний и часто вызывает врожденные аномалии у детей.

Кадмий

Основным источником кадмия становятся промышленные отходы в ходе добычи медной и свинцовой руды. Кроме того, кадмий поступает в землю вместе с фунгицидами, суперфосфатом и выхлопными газами.

Цинк и медь

Эти микроэлементы входят в состав почти всех веществ, вызывающих загрязнения тяжелыми металлами. В малых дозировках никакой угрозы они не несут, но по мере накопления становятся токсичными. Особенно велико заражение в местах добычи этих металлов, а также в нескольких километрах от предприятий, изготавливающих кабели, электронную технику и лакокрасочные изделия.

Молибден

Поступает в землю в ходе добычи и переработки медных и молибденовых руд. Относится к веществам второго класса опасности — ежедневно в минимальных дозах поступает в организм человека вместе с пищей, суточная норма составляет 250 мкм. Но в случае попадания более 15 мг вызывает сильнейшую интоксикацию, провоцирует развитие подагры, поражает костный мозг и селезенку.

Сурьма

Попадает в землю в результате деятельности предприятий, занимающихся производством и переработкой цветных металлов, сплавов, лакокрасочных изделий и удобрений. Опасность сурьмы заключается в том, что она формирует летучие соединения и может вместе с ветром распространяться на значительные расстояния.

Мышьяк

Этот металл поступает в грунт вместе с пестицидами и гербицидами, которые используются в земледелии для борьбы с насекомыми-вредителями. Мышьяк известен своей высокой токсичностью.

При попадании в организм человека он вызывает серьезное поражение нервной системы — нейротоксикоз, который приводит к отказу жизненно важных органов.

Марганец

В землю марганец попадает в результате деятельности промышленных предприятий. Из почвы оно поступает в растения и воду. По биологическим цепочкам проникает в организм животных и людей. Относится к незаменимым микроэлементам, которые нужны организму для полноценного развития. Однако при превышении необходимых концентраций оказывает негативное воздействие на органы и ткани. При переизбытке марганца происходит отмирание нервных клеток, это вызывает серьезные расстройства и зачастую приводит к гибели живых существ.

Последствия

Тяжелые металлы оказывают самое неблагоприятное действие на почву. К числу последствий относят:

• снижение плодородия грунта;
• замедление роста и развития культур;
• гибель растений;
• ухудшение качества воды;
• токсичное воздействие на фауну;
• патогенное влияние на микробиологические характеристики.

Загрязнение земли солями тяжелых металлов вызывает нарушение круговорота веществ в природе, и это губительно отражается на основных компонентах биосферы.

Методика определения

Для определения объема загрязнений грунтов используют разные методики, каждая из которых имеет свою специфику и может быть неодинаково эффективной для разных источников загрязнения. Ниже представлен их список.

• Биоиндикация. Это оценка состояния почвы на основе биоиндикаторов. К ним относят активность почвенных микроорганизмов, состояние растений на территории, реакция лишайников и мхов на изменения в структуре субстрата.
• Анализ снежного покрова. В промрегионах с развитой промышленностью токсичные металлы поступают в воздух в виде техногенной пыли и оседают на снегу. Оценка состояния снежного покрова в зимнее время помогает рассчитать приблизительное количество металлов, которое попадает в землю за определенный период времени.
• Расчет магнитной восприимчивости грунта. Это экспресс-методика, она определяет наличие в почве оксидов железа. Именно эти вещества становятся основными разносчиками тяжелых металлов при выбросах в атмосферу.

В районах, где земля загрязнена тяжелыми металлами, ведется обязательный учет численности микроорганизмов в грунте. Их количество показывает активность грунта, параметры разложения и адсорбции органических веществ.

Способы очистки

Для минимизации неблагоприятных последствий, связанных с попаданием солей тяжелых металлов в землю, выделяют два основных направления мероприятий. Первое связано с уменьшением общей концентрации металла, попавшего в землю. Второй предполагает восстановление качественных характеристик грунта, который уже подвергся отрицательному влиянию. Для этого используются разные методики, которые предполагают уменьшение доли токсичных элементов в земле и их нейтрализацию.

• Промывка. При слабой концентрации токсичных металлов используют метод промывки с использованием специальных реагентов. Обычно для этого применяют растворимые соли железа — они характеризуются низкой токсичностью для флоры и фауны. Однако такой способ имеет свои недостатки. В частности, некоторые металлы при промывке оказываются в грунтовых водах. Кроме того, вместе с тяжелыми металлами из земли вымываются и полезные микроэлементы.
• Известкование. Добавление извести благотворно влияет на физические, химические и биологические особенности грунта. В комбинации с известью микроэлементы формируют труднорастворимые соединения, которые со временем рассасываются в ходе химического поглощения. При попадании известняка изменяется уровень кислотности грунта, это приводит к уменьшению подвижности частиц тяжелых металлов и увеличению их растворимости.
• Глинование. Хороший эффект дает глинование грунтов. При внесении в землю глины возрастает ее катионная емкость. Глинистые компоненты выступают в качестве мощного сорбента. В результате подвижность тяжелых металлов сводится к минимуму.
• Природные и искусственные сорбенты. Эта методика предполагает внесение природных сорбентов — цеолитов. Они многократно увеличивают объем впитывания микроэлементов. Обычно для биоремедиации используют червей, насекомых и активные грибы. Искусственными сорбентами выступают биоактивные отходы и активированный уголь.
• Удобрения. Активные компоненты минеральных подкормок могут оказывать влияние на подвижность тяжелых металлов. Однако этот способ не всегда бывает полезен, а при неправильном расчете концентрации может причинить вред экосистеме.

Обычно для детоксикации используют фторсодержащие формы. Они эффективны при сильных загрязнениях, но если объем металлов невелик — ухудшают состояние грунта.

Методы защиты

Для рекультивации почвы проводят комплекс мероприятий, направленных на восстановление естественного состава субстрата.

Тяжелые металлы — наиболее опасные элементы, способные загрязнять экосистемы в течении длительного времени

Главный источник тяжелых металлов – промышленность. Выбросы проникают в водоемы, атмосферу, почву, а из нее – в сельхозкультуры. Самые токсичные – свинец, ртуть, мышьяк, кадмий и хром.

Ртуть

Ртути присвоен I класс опасности. Ее естественное состояние в земной коре – безвредные сульфидные остатки, но вследствие атмосферных процессов возникло загрязнение мирового океана. В нем было обнаружено 50 млн. т ртути. Если 5 000 т/год – естественный вынос, то еще столько же – результат деятельности человека.

В мире создается свыше 10 000 т ртути в год. В океане ртуть под воздействием анаэробов превращается в метилртуть и диметилртуть, опасные для всего живого. Метилртуть с кровью поступает в мозг, разрушая его, проникает в плаценту. При проглатывании и вдыхании паров металлической ртути чернеют и крошатся зубы. Ртутные соли просачиваются сквозь кожу, разъедая ее и слизистые.

Свинец

Свинцу присвоен I классу опасности. Он выделяется при выплавке из руды. Каждый год в мире используется до 180 000 т свинца, а наибольшее загрязнение наблюдается на автомобильных выхлопных газах. При движении машины в атмосферу выбрасывается свинец содержащийся в бензине. Основная масса оседает на землю, но часть остается в воздухе.

Еще свинцовая пыль покрывает почву в промышленных зонах. Другие источники загрязнения – угольные электростанции и бытовые печи, глиняная посуда с глазурью, красящие пигменты.

Неорганические соединения свинца расстраивают метаболизм, металл может замещать кальций в костях. Органические еще более токсичны.

Кадмий и цинк

1 млн. кг кадмия ежегодно выбрасывается в атмосферу вследствие его выплавки. Это 45% общего загрязнения. Другие 55% – следствие сжигания или переработки кадмийсодержащих изделий. Заводы по выплавке цинка – крупнейшие источники загрязнения данным металлом. Оба элемента проникают в водоемы, попадают в рыбу, скапливаются в печени и почках.

Значительные загрязнения цинком обнаруживаются вблизи автомагистралей. Источником загрязнения кадмием также являются удобрения. Элемент внедряется в растения, используемые в пищу, и отравляет организм. При этом кадмий намного токсичнее цинка, ему присвоен I класс опасности. Вдыхание воздуха, в котором его больше 5 мг/м3, в течение 8 ч. чревато смертью.

Сурьма, мышьяк, кобальт

Каждый год в мире производится около 70 т сурьмы. Она входит в состав сплавов, применяется для изготовления спичек, а в чистом виде идет на полупроводники. Хроническое отравление нарушает функции ЖКТ.

У мышьяка II класс опасности, он летучий и легко попадает в воздух. Сильнейшие источники загрязнения – гербициды, фунгициды и инсектициды. Элементарный мышьяк – слабый яд, но нарушает развитие плода. Отравление вызывает болезни ЦНС, изменения печени, атрофию костного мозга.

Кобальт задействуют в сталелитейном деле, изготовлении полимеров. Это элемент I класса опасности.

Медь и марганец

Медь относится ко II классу опасности. По воде и воздуху металл переносится на огромные расстояния. Аномальным содержание меди в почвах и растениях остается на расстоянии больше 8 км от плавильного завода. Ее излишки откладываются в тканях мозга, коже, печени, поджелудочной. Она провоцирует болезнь Вильсона.

У марганца тоже II класс опасности. Источники загрязнения – производства легированной стали, сплавов, электробатарей. Превышение нормы марганца в воздухе разрушает ЦНС.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ – обратите на них внимание!

Токсичные минералы даже в очень малых количествах ведут к нарушению работы нервной системы, заболеваниям почек и др. Тяжелые металлы — микроэлементы, которые присутствуют в промышленных отходах, материале для зубных пломб, смок на улицах от выхлопных газов автолюбителей, рыбных и морских продуктах, а также в краске, которой окрашено большинство строений. Они могут причинить серьезный вред здоровью человека.

Вы можете этого не знать, но в тканях вашего организма содержится некоторое количество токсичного свинца. Ранее большое количество данного металла присутствовало в бензине. И это действительно было проблемой. Свинец особенно опасен для здоровья детей, поскольку ухудшает способность к учебе и нарушает поведение. В последние годы во всем мире на первый план выходит загрязнение ртутью: в наше время ею отравлена большая часть вод и, соответственно, рыбы. Исследователи связывают, воздействие такого тяжелого метала, как алюминий, с ослаблением функций центральной нервной системы при болезни Альцгеймера.

Наше тело состоит из 70 триллионов клеток, в каждой клетке находится вся таблица Менделеева. Если клетка не дополучает, например: цинк, то сразу это место в клетке занимает металл антагонист – алюминий. Теперь подробно рассмотрим, как действуют на наш организм токсичные металлы.

Алюминий (Al) присутствует в дезодорантах, некоторых видах кухонной посуды и пищевой фольге. В естественном виде этот метал встречается в почве и продуктах питания. Избыток его может принести вред здоровью человека. Тепловая обработка продуктов, содержащих кислоту (например, томатов), в алюминиевой посуде или фольге опасна проникновением в пищу большого количества алюминия. Он входит в состав средств, нейтрализующих кислоту, а также порошков для выпечки и соли.

Отложения алюминия обнаружены в мозге людей, которые страдали болезнью Альцгеймера и другими видами старческого слабоумия. Алюминиевые добавки в соли и порошках для выпечки, а также те, которые проникают в кожу из дезодорантов, могут откладываться в тканях и со временем вызывать заболевания мозга.

Избыток алюминия может вызвать высыпания на коже, расстройства кишечник, а также причинить вред костям и почкам.

Избыточное накопление алюминия в организме взрослого человека в течение длительного времени может влиять на состояние опорно-двигательного аппарата (склонность к развитию остеопороза, остеохондроза, остеопатий, и других заболеваний, почек (риск мочекаменной болезни, нефропатия), ЦНС (риск прогрессирующей энцефалопатии у пациентов, подвергшихся диализу, у пожилых — риск развития болезни Альцгеймера и Паркинсонизма, у молодых — нарушения внимания, памяти и др.) Отложение алюминия в мягких тканях может способствовать развитию в них фиброзных изменений. Токсичность алюминия во многом связана с его антагонизмом по отношению к кальцию и магнию, способностью влиять на функции околощитовидных желез, легко образовывать соединения с белками, накапливаясь в почках, костной ткани, центральной нервной системе. Признаками воздействия алюминия на ЦНС могут быть ухудшение памяти, нервозность, склонность к депрессии, трудности в обучении, более быстрое наступление старческого слабоумия.

Накопление алюминия оказывает токсическое влияние на клетки мозга, (снижение памяти, концентрации внимания), повышает риск переломов.

Накопление алюминия на фоне селен- и цинкдефицита, приводит к снижению памяти, концентрации внимания, аллергическим реакциям, нарушению процессов остеогенеза.

Как избежать избытка алюминия?

Наилучший способ предотвратить избыток алюминия – принимать препарат, в котором есть металл-антогонист алюминия – селен, цинк.

Ртуть (Pv) Каждый знает, что это «металл смерти». В древности ртуть называли «живым серебром». «Невозможно перечислить болезней, вызванных «живым серебром» (ртутью)», — говорил Парацельс.

Этот тяжелый металл присутствует почти во всех морских продуктах, материале для зубных пломб, многих косметических средствах, пестицидах и фунгицидах (противогрибковых препаратах) Всюду, где развивается тяжелая промышленность и не находят средств на очистные сооружения, дело всегда кончается отравлением окружающей среды.

Эльба считается самой загрязненной рекой в Западной Европе. Ее воды постоянно отравляются отбросами промышленных комбинатов Германии, Чехии, Словакии. Воды этой реки несут ежедневно 112 кг ртути, 186 кг олова. Подсчитано, что ежегодно в природную среду Германии выбрасывается около 370 тонн ртути (!) и, конечно, эта цифра будет расти.

Ртуть коварна, так как действует бессимптомно. И это самое страшное. Необратимые процессы в организме начинаются незаметно: появляются головная боль, головокружение, воспаление десен, затруднения в концентрации внимания, подташнивание, бессонница, выпадение волос. И только спустя какое-то время нарушается речь, появляются состояние страха, нервозность или сонливость, количество белых кровяных телец уменьшается — все это признаки потери иммунитета, состояние, при котором даже незначительная инфекция может оказаться смертельной. В завершение этого «ползучего» отравления исчезает подвижность суставов, человек превращается в одеревеневшую куклу.

Ртуть накапливается в организме животных и людей понемногу, но те, кто живет вблизи от предприятий, загрязняющих воздух отравляющими веществами, накапливают в себе огромное количество этих ядов, причем их накопления могут дать о себе знать и в последующих поколениях.

Экологи считают, что гибель диких птиц, живущих в районах с высокоразвитой промышленностью, также вызвана отравлением вод и близлежащих земель. Соединения ртути постепенно накапливаются в таких районах, осаждаются в мышцах, почках, нервах, мозге. Сильнее всего ртуть атакует плод, вызывая нередко наследственные заболевания. Трагическим примером могут служить высокоразвитые страны: Япония, Германия, а также Аргентина, Ирак.

Ртутью отравляются мука, хлеб, рыба. Так, в 1980 г. были обнаружены признаки отравления 1600 младенцев в Аргентине, пеленки которых были продезинфицированы препаратом, содержащим ртуть. Недаром наши бабушки впадали в панику, когда разбивался термометр и «живое серебро» раскатывалось по полу, дробясь на мелкие шарики.

Чистая ртуть, т. е. ртуть в своем первозданном виде, не так опасна, как ее пары или органические производные, образующиеся в воде под действием микроорганизмов. Именно эти пары накапливаются в виде цепочки живых организмов, пока не оказываются в рыбе, а затем и в человеческом организме.

Большое количество ртути содержится у людей, постоянно питающихся рыбой, выловленной из вод, омывающих промышленно развитые побережья Канады, США, Балтийского моря. Противоядием в таких случаях может служить селен, цинк. Например, рыба тунец: в ней, как правило, обнаруживают огромное количество ртути, но поскольку она содержит много селена и цинка, то ни сама рыба, ни люди, употребляющие ее в пищу не отравляются.

При хроническом отравлении ртутью развиваются астеновегетативный синдром, тремор, психические нарушения, эретизм, лабильный пульс, тахикардия, гингивит, протеинурия, изменения со стороны крови. При пероральном поступлении ртути наблюдаются язвенно-некротический гастроэнтерит, в дальнейшем развивается некротический нефроз с гибелью эпителия проксимальных отделов почечных канальцев.

Отравление органическими соединениями ртути приводит к болезни Минамата, энцефалопатии, мозжечковой атаксии, нарушению зрения и слуха. При продолжающемся воздействии заболевание прогрессирует до патогномоничной триады — атаксия, дизартрия и сужение полей зрения.

Техногенные локусы избыточного присутствия в почве и в воде ртути встречаются при несоблюдении технологии утилизации ламп «дневного света», при производстве красителей. Меркуриализм — это профессиональное заболевание зеркальщиков, ювелиров, скорняков. Важным источником поступления алкилированной ртути являются фунгициды, применяющиеся для протравливания семян.

Отравление ртутью может требовать того же лечения, что и отравление свинцом. Ртуть трудно выводится из тканей мозга. Вывести ртуть из организма и понизить ее всасывание возможно путем потребления селена – металла-антогонист.

Кадмий (Cd)

Избыточное хроническое поступление кадмия в организм может приводить к поражению печени, кардиопатии, эмфиземе легких, остеопорозу, деформации скелета, развитию гипертонии. Наиболее важным в кадмиозе является поражение почек, выражающееся в дисфункции почечных канальцев и клубочков с замедлением канальцевой реабсорбции, протеинурией, глюкозурией, последующими аминоацидурией, фосфатурией. При этом увеличивается экскреция микроглобулина с мочой.

Для многих промышленных районов России характерно индустриальное загрязнение кадмием, связанное, прежде всего, с металлургическим производством и хранением и переработкой бытовых и промышленных отходов.

NB! Следует помнить, что кадмий в большом количестве накапливается в листьях табака, что определяет его высокое содержание в табачном дыме и содействует повышению содержания элемента в среде обитания человека.

Кадмий усиленно накапливается при недостатке цинка и/или селена и усиливает дефицит этих микроэлементов.

Свое название этот «опасный» элемент получил от греческого слова, означающего цинковую pyду, поскольку кадмий представляет собой серебристо-белый мягкий металл, применяемый в легкоплавких и других сплавах, для защиты покрытий, в атомной энергетике. Это побочный продукт, который получают при переработке цинковых руд. Кадмий очень опасен для здоровья.

Люди отравляются кадмием, употребляя воду и зерновые овощи, растущие на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Появляются невыносимая боль в мышцах, непроизвольные переломы костей (кадмий способен вымывать кальций из организма), деформация скелета, нарушения функций легких, почек и других органов. Излишек кадмия может вызывать злокачественные опухоли.

Канцерогенное действие никотина, находящегося в табачном дыме как правило, связано с присутствием кадмия.

Выделяется кадмии с калом и мочой, но не более 48 мг в день. Больше всего он накапливается в печени и почках, немного — в крови.

Чем больше развита промышленность в стране, тем больше, к сожалению, концентрация этого элемента в почве. В присутствии суперфосфатов растения усваивают кадмий в больших количествах, а если суперфосфатов мало, то кадмий может не усваиваться.

Кадмий — тяжелый металл тесно связанный в обмене с цинком и медью (все эти элементы транспортируются в организме одним и тем же белком — металлотионеином). Кадмий очень токсичен, легко проникает в организм человека через желудочно-кишечный тракт, через плаценту матери к плоду, против него неэффективны фильтры применяемые для очистки воды.

Механизм токсического воздействия кадмия на организм связан с его прямым воздействием на ткани, нарушением белкового обмена, так и с вытеснением из организма цинка, в меньшей степени меди, селена, эти элементы являются и антагонистами кадмия, способны защищать организм от его токсического влияния.

Источниками кадмия служат курение, припой, аккумуляторы, краски, выбросы предприятий цветной и черной металлургии, угледобычи, ТЭЦ.

Избыточное накопление в организме кадмия обычно приводит к нарушению функций: почек (нефропатия, появление белка в моче), простаты, иммунодефицитам, кожным заболеваниям, может вызывать анемию, снижение аппетита, повышению артериального давления, приводит также к изменениям и болям в костях и суставах (болезнь Итай-Итай). У мужчин может приводить к нарушению функций предстательной железы (риск аденомы).

Накопление кадмия часто отмечается при активном и даже пассивном табакокурении и является одним из факторов, отрицательно влияющих на функцию легких.

Уменьшить токсичность кадмия и вывести его из тканей можно применяя препараты, содержащий цинк, селен.

Свинец (Рb)

Заражение свинцом, по всей видимости, способствовало в какой-то мере падению Римской империи. В Риме произошло отравление воды, текущей по свинцовым трубам, что привело к неадекватному поведению римлян. Как мы полагаем, им нужно было в первую очередь избавиться от свинца, чтобы защититься от готов и гуннов!

Воздействие свинца и на сегодняшний день остается серьезной проблемой, особенно для детей. Отравление этим тяжелым металлом обычно происходит через старые краски, загрязненную воду и продукты, а также через косметику, кухонную утварь, запаянные консервные банки и бензин.

При свинцовом токсикозе поражаются, в первую очередь, органы сердечно-сосудистой системы и кроветворения (ранее развитие артериальной гипертензии и атеросклероза, анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия), почки (нефропатия). При начальных формах хронического сатурнизма отмечаются изменения в порфириновом обмене (ДАЛК, копропорфирин, уробилиноген), ретикулоцитоз (до 20-25%), увеличения количества эритроцитов с базофильной зернистостью до 25-40%, но при этом уровень гемоглобина и количество эритроцитов обычно в пределах нормы.

Для всех регионов России свинец — основной антропогенный поллютант из группы тяжелых металлов, что связано с высоким индустриальным загрязнением и выбросами автомобильного транспорта, работающего на этилированном бензине (Скальный, Есенин, 1996).

Свинец усиленно накапливается при недостатке цинка и усугубляет его дефицит.

Сравнение данных по средним уровням свинца у человека в Западной Европе, США и России показывает, что в целом по России ситуация неблагополучна. В качестве причины этого «отставания» России от других индустриально развитых стран можно указать широкомасштабное, практически неконтролируемое загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями и повсеместное широкое использование этилированных сортов бензина в качестве автомобильного топлива.

Особое место при оценке содержания свинца в окружающей среде и его влияния на организм человека занимает оценка уровней свинца в организме детей как наиболее уязвимой части популяции. Значительная часть детского населения из различных регионов России имеют превышение по БДУ свинца. Проведенные исследования позволили установить четкую зависимость между содержанием свинца и других тяжелых металлов в организме детей и состоянием их здоровья. Можно с уверенностью говорить о наличии достаточно тяжелых патологий у детей, живущих в экологически неблагоприятных районах, из-за высокого содержания тяжелых металлов в окружающей среде, об очевидной связи психического здоровья детей с экологической обстановкой.

В настоящее время в странах Европейского Сообщества реализуется проект создания банка проб и базы данных по содержанию микроэлементов, включая тяжелые металлы, в биосубстратах человека. В нашей стране такой целенаправленной работы не ведется.

Загрязнение свинцом окружающей среды одна из основных проблем профилактики и лечения экологозависимых хронических заболеваний.

С учетом того, что значительная часть детского населения и большое количество взрослых людей в различных регионах России страдают от избытка свинца и дефицита необходимых макро- и микроэлементов, интересы защиты детского населения и генофонда нации в целом диктуют необходимость проведения массовых мероприятий по профилактике свинцовой и «тяжелометальной» интоксикации.

Результаты массовых профилактических и лечебных мероприятий, проведенных в крупных промышленных центрах и городах России, наглядно продемонстрировали практическую доступность и высокий терапевтический эффект этого, достаточно нового для отечественной врачебной практики, направления, которое основано на восстановлении нарушений минерального обмена и лечении с использованием комплексных растительных и минеральных препаратов. Убедительные положительные результаты лечения свинцовых интоксикаций с помощью минеральных препаратов делают это направление терапии весьма перспективным для оздоровления населения России.

Отравление свинцом способно также вызвать боли в мышцах, ослабление аппетита, головные боли, анемию и проблемы с пищеварением. Кроме того, свинец угнетает иммунитет.

Вывод: принимать препараты, в которых есть суточная доза селена, цинка.

Олово (Sn)

Очень часто дома строят вдоль автострад. Исследования показали, что в жилых помещениях, расположенных на расстоянии не более 500 м от автострады, содержится избыток олова. Каждый знает, что пыль от автомобилей канцерогенна. И действительно, олово создает условия для появления злокачественных заболеваний. Отсюда появилось выражение «раковые дома».

Олово относится к тяжелым металлам с умеренно выраженным токсичным эффектом и может оказывать неблагоприятное воздействием на организм человека.

С избытком олова в организме может быть связано снижение аппетита, металлический привкус во рту, боли в животе, поносы, тошнота.

Олово может стать причиной психических заболеваний. В крупных городах в узких улочках воздух заполнен выхлопными газами и пылью, и людям приходится дышать этим воздухом.

Городские дети, живущие в среде, отравленной выхлопными газами и оловом, отличаются повышенной возбудимостью, агрессивностью, отсутствием интереса к играм, чтению, учебе.

Олово вызывает нарушение функции мозга, причем больше всего страдают дети и жители городов, не имеющие возможности выезжать за город или живущие в трущобах, вблизи от автодорог: они беззащитны перед выхлопными газами. И ничего нет удивительного в том, что среди этой части населения царят агрессия, грубость, преступления.

Мировое производство олова достигает в настоящий момент около 3,3 млн. тонн в год. Из них более четверти миллиона тонн попадает в атмосферу в виде выхлопных газов.

Ученые подвергли анализу кости древних индейцев Северной Америки, возраст которых составил около 1600 лет, и сравнили их с костями американцев и англичан, умерших за последние годы. Оказалось, что в костях наших современников олова содержится больше, чем в костях древних жителей земного шара.

Американский историк медицины Сибэри Дж. Джилфиллан выдвинул гипотезу, что…Рим пал из-за олова. Известно, что в древнем Риме употребляли много вина, которое подслащивали сгущенным соком винограда (своего рода сиропом). Готовили этот сироп в оловянных котлах. Олово, проникающее в вино, оказалось губительным для здоровья римлян. Тем временем обычай подслащивать вино перекочевал и в другие европейские страны, где монахи готовили вино в такой же посуде. Поэтому в средневековье одной из самых распространенных болезней монахов, которые любили попивать это вино, была так называемая кишечная колика. Только в VII веке выяснилось, что причиной колики являлось олово.

Каковы же симптомы отравления оловом? Вначале ухудшается общее самочувствие, появляются запоры, тошнота, бесплодие, сердечное недомогание и т.п. На основании этих симптомов трудно предположить, что причиной их появления служит загрязнение воздуха и воды оловом. Но позднее возникает кишечная колика (ее называют еще «оловянной коликой»), появляется сине-черная обводка десен, бледно-серый цвет кожи, малокровие, и в конце концов поражаются нервы и мозг (все это происходит годами).

Для детей и пожилых людей отравление даже небольшим количеством олова может быть фатальным. Конечно, индивидуальная переносимость этого металла различна, как и разнообразны реакции организма на его воздействие.

Растения также неодинаково абсорбируют олово. Например, брусника и черника, собранные в лесу, расположенном даже в 25 км от автострад с большим движением, содержат около 40 мг олова на 1 кг ягод (норма 2 мг/ кг). Во много раз больше способны накапливать олово корень фиалки, листья бузины, лишайники. Пожелтевшие листья говорят о накоплении в них олова.

Живущим вблизи шоссе необходимо профилактически строго следить за тем, чтобы дети и взрослые получали достаточно цинка, хрома. Очень жаль, что мировое сообщество недооценивает угрозу, исходящую от этого элемента, и не принимает активных мер к тому, чтобы ввести эти меры в культуру людей.

Что необходимо сделать прежде всего?

Не пользоваться посудой, содержащей олово и кадмий, строить дома вдали от дорог и магистралей, оставлять нетронутыми, экологически чистыми луга, леса, участки рек, озер, сохраняя тем самым в чистоте окружающую среду.

В Максифаме содержится достаточное количество МЭ.

Бериллий (Be)

Загрязнение окружающей среды этим металлом также связано с развитием промышленности. Бериллий служит источником нейтронов в атомных реакторах. Там, где концентрация этого элемента достигает 0,01 мг на 1 мЗ воздуха, могут появиться признаки отравления. Различаются три стадии:

1. лихорадка литейщиков, которая проходит через 24-48 часов;
2. токсическое воспаление легких, которое может проявиться по прошествии даже нескольких лет после отравления бериллием;
3. хроническое отравление бериллием — бериллиоз, или промышленный саркоидоз легких.

Статистика свидетельствует о том, что на 100 таких отравлений бывает, как правило, 10 смертельных случаев.

Бериллий принадлежит к нерадиоактивным элементам. Но его использование за последнее время увеличилось примерно на 500%.

Бериллий — редкий элемент на нашей планете. Он имеет много ценных свойств: очень легок (в 4,5 раза легче железа) и при определенных условиях становится богатым источником нейтронов. Бериллий не ржавеет!

Долгие годы бериллием вместе с цинком заполняли цветные уличные фонари, свет которых оказался, как выяснилось впоследствии, вредным.

И еще одно его свойство: порошок бериллия, постоянно используемый в топливных смесях для ракет, при сгорании выделяет большое количество энергии. Но все его преимущества перевешивает один недостаток: бериллий ядовит даже в самых минимальных количествах. Он действует губительно на половые функции.

Интенсивное использование бериллия в промышленности, в том числе оборонной, серьезно беспокоит врачей, диетологов, население страны.

Мышьяк (As)

Вы можете подвергнуться воздействию слишком больших доз мышьяка, употребляя океаническую пищу, а также пользуясь средствами для уничтожения насекомых. Некоторое количество мышьяка имеется в почве и, следовательно, потребляется вместе с продуктами питания.

Хотя мышьяк выводится из организма через почки, слишком большое его количество может разрушительно повлиять на функционирование почек, сердца и ухудшить состав крови.

Главными осложнениями острой интоксикации являются внутрисосудистый гемолиз, острая почечная, печеночная недостаточность, кардиогенный шок. Отдаленными последствиями острых отравлений у детей может быть значительное снижение остроты слуха. Поражение нервной системы проявляется в виде токсической энцефалопатии (нарушение речи, координации движений, эпилептиформных судорог, психозов). Арсеникозные миелополиневриты имеют свои особенности и характеризуются болевым синдромом, симметричностью поражения, амиотрофией, нарушением чувствительности, развитием вторичных контрактур. Среди типичных причин бытовой интоксикации мышьяком следует упомянуть табакокурение и злоупотребление виноградным вином.

Мышьяк усиленно накапливается при недостатке селена, цинка и может способствовать дефициту этих микроэлементов.

Источниками мышьяка могут служить выбросы предприятий стекольной, радиоэлектронной (полупроводниковой), металлургической промышленности, ТЭЦ, автомобилей, загрязненная мышьяком питьевая вода, овощи, фрукты, особенно виноград (и виноградные вина) и морепродукты, некоторые медикаменты и минеральные воды (при неконтролируемом употреблении), а также табакокурение (1 пачка сигарет содержит 2-3 дозы мышьяка).

Поступая в организм человека в повышенных количествах мышьяк, в первую очередь, может вызвать нарушение функций печени, аллергические реакции, изменения состояния кожи (гиперкератоз, дерматит), поражение сосудов (в первую очередь — нижних конечностей), снижение слуха, повышенную возбудимость ЦНС, раздражительность, головные боли, угнетение иммунитета, кроветворения.

При длительном воздействии мышьяк представляет опасность как канцероген (увеличивает риск новообразований кожи, печени, легких).

Алексеев А.А. профессор, доктор наук в своей книге «От чего погибнет человечество» пишет, что врачи, лечащие своих пациентов умирают на 10-15 лет раньше, доктор Уоллок награжден Нобелевской премией за книгу «Умершие доктора не лгут», где он пишет:

«… после того, как я произвел 17500 вскрытий: на 14501 животных со всего мира и на 3000 людей, и всегда сам хотел быть здоровым, имея детей, внуков да еще и правнуков, я считаю, что не инвестируя в самого себя на минералы и витамины, вы инвестируете в благосостояние докторов от медицины».

«Каждое животное и человек, умершие естественной смертью — умирают от неполноценного питания, т.е. от дефицита минеральных веществ.

Результаты химических и биохимических анализов с документальной точностью показывают это. Если у вас есть возможность предотвратить болезнь, в особенности неизлечимую, вы должны обязательно ею воспользоваться.

Вы должны делать только то, что приносит пользу – употреблять микроэлементы, иначе у вас разовьются заболевания, связанные с их дефицитом.

Сегодня об этом пишут в газетах, говорят по радио, по телевидению. Об этом знают, т.к. интересуются здоровьем, долголетием, пищевыми добавками.

Моя любимая статья появилась в журнале «Таймс» 6.04.92 года, и если вы ее не читали, я настоятельно рекомендую достать ее в любой публичной библиотеке, сделать несколько фотокопий и приклеить их на дверь, в ванной, на холодильнике.

Это всеобъемлющая статья, в которой говорится, что микроэлементы в состоянии побороть рак, сердечно-сосудистые и др.

Как избежать избытка мышьяка?

Так же, принимать препараты, содержащие металлы-антогонисты – цинк, селен.

Натрий (Na)

Это внеклеточный макроэлемент, электролит, играющий важнейшую роль в водно-солевом обмене, регуляции нервно-мышечной деятельности, функции почек.

Излишек Na отражает, как правило, нарушение водно-солевого обмена, дисфункцию коры надпочечников, сахарный диабет, нарушение выделительной функции почек, склонности к гипертонии. Люди с избытком Na часто легко возбудимы, впечатлительны, гиперактивны, у них может быть повышена жажда, потливость.

Накопление натрия в организме, приводит к агрессивному отложению солей, отекам, повышенному риску камнеобразования (в почках, желчном пузыре), кризовым колебаниям внутричерепного, внутриглазного и/или артериального давления, неврозам, расширению желудочков мозга.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами

Самые долгие последствия вызывает загрязнение почв тяжелыми металлами вследствие добычи, плавки руд, промышленных выбросов, применения удобрений. Особенно опасны кадмий, медь, свинец, цинк, поскольку они стойкие, биоаккумулятивные и токсичные.

Последствия загрязнения почвы

Из-за загрязнения почв металлами ухудшается рост и метаболизм почвенных микробов. Это может затруднить поглощение растениями питательных веществ из почвы. Плюс тяжелые металлы токсичны для растений. Все это приводят к замедлению роста, низкой урожайности.

Растения, накопившие токсиканты, могут поступать в пищу. Это опасно для здоровья. Еще они из почвы проникают в питьевую воду, вызывая болезни.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Перед рекультивацией земель, загрязненных тяжелыми металлами, важно выявить источник загрязнения, реализовать меры по его ликвидации и уменьшению выбросов. Только так достигается эффективность работ.

Рекультивация земельных участков проводится несколькими способами:

1. Выращивание устойчивых к загрязнению растений (колосовые зерновые, капуста, картофель, хлопчатник, свекла).
2. Фиторекультивация растениями, накапливающими металлы.
3. Контроль подвижности токсикантов в почве.
4. Регулирование соотношения элементов в почве.
5. Организация рекультивационного слоя.

Загрязнение водоемов тяжелыми металлами

Загрязнения нефтепродуктами и токсичными металлами ухудшают качество среды обитания водных биоресурсов. Они негативно влияют на кормовую базу рыб, выживаемость молоди и размножение взрослых особей.

Источники загрязнения водоемов – стоки горнодобывающих, металлургических заводов, химическая и легкая промышленность. Соли хрома сбрасывают фабрики по дублению кожи, хром с никелем используют для гальванического покрытия изделий из металла. Соединения цинка, кобальта, меди, титана – это красители.

Наибольшую опасность представляет загрязнение вод ртутью. При взаимодействии с микробами со дна образуются водорастворимые органические соединения высокой токсичности.

Некоторые металлы содержатся в пестицидах и удобрениях. Уровень загрязнения ими растет вследствие кислотных дождей, то есть закисления.

Предельно допустимые концентрации в воде

При оценке состояния экосистем учитывается загрязненность водных объектов токсичными веществами. Особенно опасны тяжелые металлы. Поэтому установлены их предельно допустимые концентрации, которые при ежедневном влиянии не допускают развития у людей патологий.

Металл	ПДК в обычной воде	ПДК в рыбохозяйственных прудах
Ртуть	0,5 мкг/л	до 0,1 мкг/л
Свинец	0,03 мг/л	0,1 мг/л
Кадмий	1 мкг/л	до 0,5 мг/л
Кобальт	0,1 мкг/л	0,01 мг/л
Марганец	0,1 мкг/л	0,1 мкг/л
Мышьяк	50 мкг/л	50 мкг/л
Медь	0,1 мкг/л	0,001 мг/л

Текст книги «Геохимическое землеведение: учебное пособие»

Столь же неодинаково относительное распределение масс рассматриваемых элементов в Мировом океане. В нем сосредоточено около 40 % массы натрия, немногим более 1 % калия, около 0,01 % фосфора и менее 0,001 % кремния. Вне зависимости от этого, наибольшие массы, участвующие в биологическом круговороте на суше, принадлежат кальцию, в океане – фосфору и натрию. Вовлечение масс калия и кремния в биологический круговорот континентов и океана различается слабо. Элементы, массы которых растворены в океане более 0,1 % от всего их количества, находящегося в географической оболочке, активно участвуют в годовом массообмене океан – атмосфера, мигрируют от океана на сушу, частично восполняя годовой вынос с континентальным стоком. Таковы натрий и кальций, 35 и 2 % массы которых находятся в системе Мирового океана. Эти элементы, а также серу и хлор из группы дегазированных, геохимики называют циклическими, имея в виду участие их значительных масс в годовых миграционных циклах в составе суша – океан – атмосфера – суша.

Особенности геохимических циклов тяжелых металлов.

Тяжелые металлы играют особую роль в биосфере. Они находятся преимущественно в рассеянном состоянии, но при этом способны образовывать природные локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает кларковые уровни. Металлы не входят в состав органических соединений, из которых состоят ткани живых организмов. В то же время устройство электронных оболочек атомов металлов обусловливает переменную валентность, благодаря чему металлы, являясь необходимой частью биологических активаторов и регуляторов важнейших физиологических процессов, служат мощным фактором развития органического мира. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов мирового хозяйства, металлы вместе с тем образуют группу опасных загрязнителей природной среды. Выяснение глобальных закономерностей массообмена и распределения масс металлов в географической оболочке представляет весьма актуальную проблему.

Данные о распределении масс тяжелых металлов в географической оболочке, учитывающие результаты миграции и перераспределения масс химических элементов на поверхности Земли на протяжении последних 600–700 млн лет, приведены в табл. 27. Осадочные отложения более древнего возраста настолько глубоко трансформированы процессами метаморфизма, в том числе метаморфизма с привносом химических элементов, что восстановить исходное содержание металлов в составе дофанерозойских осадков очень сложно.

Распределение масс тяжелых металлов в географической оболочке

* При условии, что концентрации в гумусе равны концентрациям в напочвенном органическом веществе.

Данные таблицы указывают, что более 99,9 % массы металлов, захваченных в миграцию в процессе гипергенного преобразования верхнего (гранитного) слоя земной коры континентов, были затем выведены из миграционных потоков и аккумулированы в осадках древних морей. Количество металлов, содержавшихся в воде современного Мирового океана и живом веществе, в миллионы раз меньше, чем в толще осадочных отложений.

Тяжелые металлы поступали в водную и газовую оболочку Земли с начала образования оболочек. Содержание газообразных и водорастворимых форм металлов регулировалось соответствующими физико-химическими равновесиями, а избыточные массы выводились в осадки. В этот процесс встроилась биогеохимическая деятельность живых организмов, которая трансформировала структуру первичного абиогенного процесса в систему геохимических циклов, взаимно связанных массообменом. При этом осадочная толща устойчиво сохраняла значение колоссального геохимического отстойника, в котором аккумулировались избыточные массы металлов. Из этого отстойника металлы возвращались в миграционные циклы лишь в том случае, когда осадочные толщи в силу тектонических явлений оказывались на поверхности Мировой суши. Напомним, что масса каждого химического элемента, поступившего в миграционные циклы в результате мобилизации из вещества верхней части земной коры континентов и в дальнейшем выведенного в осадочную оболочку, составляет 17–20 % от исходного количества элемента. Из данных табл. 27 видно, что относительное содержание (%) в осадочной оболочке масс рассеянных тяжелых металлов превышает относительное содержание (%) в осадочной оболочке железа, поступившего в систему миграционных циклов в фанерозое в основном благодаря выветриванию верхней части земной коры континентов. Массы рассеянных металлов, как правило, больше 20 % от суммы масс в осадочной оболочке и «гранитном» слое земной коры. Это дает основание предполагать, что металлы не только поступали в биосферу в результате их мобилизации при выветривании горных пород Мировой суши, но также некоторое количество металлов было вынесено в результате дегазации. Вполне понятно, что особенно активно дегазировался наиболее легко возгоняемый металл – ртуть, масса которого в осадочной оболочке превышает его количество в гранитном слое и составляет более 70 % от суммы масс этого металла в осадочной оболочке и гранитном слое коры континентов.

Полученные данные позволяют сделать вывод, что на протяжении всей геологической истории природные воды характеризовались насыщенностью тяжелыми металлами, постоянный избыток которых непрестанно удалялся в осадки. По этой причине живые организмы, существовали и эволюционировали в условиях насыщения природных вод металлами, концентрация которых поддерживалась в системе вода – осадок.

Структура глобального массообмена тяжелых металлов полностью не выяснена, поэтому в табл. 28 показаны лишь главные, наиболее изученные миграционные потоки, охватывающие Мировую сушу. Для сравнения приведены также данные о круговороте металлов, обусловленном жизнедеятельностью фотосинтезирующих организмов океана. Для расчетов использованы средние значения концентрации металлов в фитопланктоне, определенные английским океанологом-геохимиком Г. Брайеном (1976).

Главные миграционные потоки металлов в географической оболочке

Прочерк означает отсутствие исходных данных.

Наибольшее количество металлов мигрирует в системе большого биологического круговорота, происходящего благодаря фотосинтезу растительности суши и деструкции отмирающего органического вещества беспозвоночными и микроорганизмами педосферы. Значительные массы металлов выносятся в составе речных взвесей, но этот материал почти полностью уходит в осадки при поступлении пресных вод в систему Мирового океана.

Вовлечение тяжелых металлов в биологический круговорот на суше сопровождается селективной дифференциацией их масс.

Подчеркнем, что при этом отсутствует пропорциональность между количеством металлов в земной коре и относительной интенсивностью их поглощения растительностью. Коэффициент биологического поглощения Кб, растительности суши для большинства металлов – от 1 до 9; для цинка, молибдена и серебра – больше 9; для железа, ванадия и хрома – меньше 1. В результате селективного поглощения металлов в биомассе растительности существенно изменяются соотношения металлов, существующие в земной коре. Особенно сильно уменьшается соотношение железа с другими металлами. Биологический круговорот и дифференциация металлов, осуществляемые фотосинтетиками океана, имеют свои особенности. Массы металлов, проходящие в течение года через биологические круговороты на суше и в океане, соизмеримы, хотя их соотношение неодинаково. Растительность Мировой суши захватывает больше марганца и свинца, фотосинтезирующие организмы океана – больше молибдена и кобальта.

С суши в океан с речным стоком выносятся крупные массы водорастворимых и фиксированных во взвесях металлов. Значения коэффициента водной миграции Кв металлов указывают, что наиболее активно вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка (Кв > 10), а также молибдена, кадмия и меди, Кв которых от 2 до 9. Фиксированные во взвесях формы железа, марганца, хрома, ванадия, свинца, кобальта мигрируют в количестве 97–98 % общей массы выносимых с речным стоком металлов. Кроме того, в океан выносятся ветром значительные массы металлов, фиксированных на пылевых частицах. В свою очередь, с акватории с воздушными массами переносятся водорастворимые формы металлов. Этот процесс недостаточно изучен, и данные по переносу масс отдельных металлов отсутствуют. Тем не менее очевидно, что миграционный поток масс тяжелых металлов с океана на сушу значительно меньше, чем в противоположном направлении. По этой причине годовые циклы металлов в системе Мировая суша – океан сильно незамкнуты. Значительные массы металлов накапливаются в воде морей и океанов и уходят в осадки. Повторное вовлечение металлов из осадочных толщ в циклы массообмена происходит по мере развития тектонических процессов. При этом мобилизация металлов из осадочных пород часто более затруднена, чем из глубинных кристаллических пород.

В последнее время все более отчетливо выявляется важная роль аэральной миграции тяжелых металлов. С поверхности океана в атмосферу выделяются газообразные органические соединения металлов. Высшие растения выделяют летучие органические соединения (терпены, изопрены), содержащие металлы. Еще большие массы металлов выделяются в воздух в составе газообразных метаболитов бактерий. Особо важную роль играют процессы биометилизации металлов. Ветром в тропосферу захватываются мелкие почвенные частицы, также содержащие металлы. Все перечисленные формы металлов входят в состав аэрозолей и вымываются атмосферными осадками.

В качестве примера укажем, что концентрация меди в атмосферных осадках над океанами обычно около 1 мкг/л, цинка – больше, свинца и никеля – в несколько раз меньше. Следовательно, воздушные массы океанического происхождения, приносящие на сушу около 40–1015 л атмосферных осадков, одновременно приносят до 40–103 т меди, а также тысячи тонн других металлов. Возврат металлов из океана на сушу в процессе массообмена океана с атмосферой изучен пока еще недостаточно, но очевидно, что в годовом балансе вещества этот миграционный поток значительно меньше выноса с речным стоком.

Благодаря взаимосвязям миграционных потоков тяжелых металлов в системе их геохимических циклов на поверхности суши, как правило, не создается избыточных масс геохимически активных форм металлов, которые энергично удаляются в океан. В то же время для нормальной жизнедеятельности организмов суши присутствие указанных форм необходимо. Функцию глобального регулятора миграционных форм металлов, сохраняющего известный их запас в составе органического вещества и в сорбированном состоянии, выполняет педосфера.

1. Какие особенности жизнедеятельности организмов имеют определяющее значение для геохимической эволюции окружающей среды?

2. Приведите пример природного миграционного цикла какого-либо химического элемента и покажите роль жизнедеятельности организмов в этом цикле.

3. Изложите современные представления о химическом составе газовой оболочки Земли в период образования первичной земной коры.

4. Какой химический элемент играл особо важную роль в преобразовании химического состава Мирового океана и газовой оболочки Земли? Какие существуют пути образования свободного кислорода?

5. Благодаря какой особенности структуры глобального геохимического цикла углерода происходило прогрессирующее накопление кислорода?

6. Как развивалось изменение химического состава первичного океана и атмосферы?

7. Какие существуют два источника поступления химических элементов в глобальные геохимические циклы, связывающие наружные оболочки Земли? Приведите примеры химических элементов, преимущественно поступающих в геохимические циклы из одного источника.

8. Каковы главные черты глобальных геохимических циклов тяжелых металлов?

Задания для самостоятельной работы

1. По литературным данным обобщите сведения о миграционных циклах химических элементов и геохимическом эффекте жизнедеятельности организмов.

2. На примере эволюции глобального цикла углерода рассмотрите проблему связи геохимических процессов, происходящих в недрах Земли, с развитием жизни.

3. Изложите главные положения учения В.И. Вернадского о живом веществе и биосфере.

Геохимическая неоднородность географической оболочки и изменение миграционных циклов в разных географических условиях

Планетарный уровень оценки геохимических особенностей географической оболочки – подход, необходимый при ее изучении как единого целого, – предполагает максимально возможное усреднение геохимических данных для каждой ее составной части: земной коры, океана, атмосферы, живого вещества. В действительности же географическая оболочка состоит из разнообразных пространственных комплексов, в которых сочетаются различные горные породы, воды и биоценозы. Изучая не географическую оболочку в целом, а конкретные территории, мы на каждом шагу убеждаемся в неоднородности окружающей нас природной среды, в том числе в ее геохимической неоднородности.

В главе I уже отмечались пестрота и фрагментарность состава земной коры в силу неодинаковой концентрации химических элементов в разных горных породах. Если бы имелась техническая возможность увидеть состав земной коры со спутника, то поверхность суши предстала бы перед космонавтом в виде сложной мозаики участков, отличающихся неодинаковым содержанием элементов. Контрасты пород разного состава отчасти нивелируются толщей рыхлых отложений, на которых образованы почвы. Эти отложения сформированы за счет денудации и переотложения продуктов выветривания как местных горных пород, так и обломков, принесенных издалека. В зависимости от соотношения местных и дальнеприносных обломков и особенностей их состава содержание химических элементов в толще рыхлого покрова закономерно меняется.

Большая часть переотложенных продуктов выветривания состоит из мелких обломков величиной от 0,01 до 1 мм. Эти обломки выносились из разных районов. В северной половине европейской части России преобладают обломки минералов, принесенные из области Балтийского кристаллического щита (Карелия, Финляндия, Кольский полуостров). В Заволжье и Приуралье обломочный материал поступал с Уральских гор. В почвах Украины много обломков минералов, слагающих породы Украинского кристаллического массива. Особенности минералогического и химического состава горных пород областей сноса сильно влияют на состав почв. Так, среди обломков, принесенных с территории Карелии, много кварца, а в массе обломков, поступивших с хребтов Средней Азии, больше глубинных силикатов (полевых шпатов, слюд и др.), чем кварца. На Урале очень распространены так называемые зеленокаменные горные породы, содержащие много минералов зеленого цвета – эпидота, актинолита, хлорита. Среди них наиболее устойчив эпидот. Поэтому им обогащены наносы, на которых образованы почвы Приуралья.

Изменение в составе почвообразующих пород сказывается на составе почв, поверхностных и грунтовых вод, а также растений. Например, на территории Эстонского плато рыхлые почвообразующие породы насыщены обломками известняков ордовикского возраста, слагающих цоколь плато. Обилие карбонатов кальция способствует образованию темных дерново-карбонатных почв, а не подзолистых, как в соседних Ленинградской и Псковской областях России. Из естественной растительности распространены требовательные к кальцию широколиственные деревья с обильным травостоем, а не хвойные леса.

Местные отклонения концентрации химического элемента в почвообразующих породах от общепланетарных величин – кларков – оказывают влияние на геохимические процессы, протекающие в данном территориальном комплексе. Степень такого отклонения характеризует уже известный нам показатель: кларк концентрации. Он показывает, насколько изменяется содержание какого-либо химического элемента в данной породе по сравнению со значением его кларка. Особенно показательны кларки концентрации рассеянных элементов, содержание которых в почвообразующих породах и почвах меняется в сотни и тысячи раз.

Концентрация большей части рассеянных элементов, особенно металлов в рыхлых покровных отложениях, ниже, чем в «гранитном» слое земной коры. Это вполне естественно, так как покровные отложения образованы многократно переотлагавшимися продуктами выветривания, из которых часть химических элементов вынесена. Кларк концентрации некоторых элементов (например, галлия, свинца) близок к единице и иногда превышает ее. Особое положение занимают стронций и барий, кларки концентрации которых сильно меняются в зависимости от географических условий.

Таковы самые общие особенности концентрации рассеянных элементов в почвах и почвообразующих породах. На этом фоне обнаруживаются некоторые отклонения, свойственные определенным территориям. Так, в почвообразующих породах Северного Казахстана относительно повышена концентрация титана, свинца и меди, на Устюрте – стронция, на Восточно-Европейской равнине – циркония, в Приуралье – меди и кобальта. В результате этого толща рыхлых отложений и сформированный на ней почвенный покров разделяются на обширные минералого-геохимические провинции. В качестве примера на рис. 17 приведена карта минералого-геохимических провинций почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины.

Внутри провинций выделяются площади распространения отложений, обогащенных высокодисперсными минералами, и площади, покрытые песчаными отложениями. Каждый минерал – это носитель рассеянных элементов с определенными уровнями их концентрации. В песках обычно много обломков кварца, в котором очень низкие концентрации всех химических элементов, кроме кремния. Соответственно уровни концентрации элементов в песчаных отложениях пониженные. В глинистых минералах, слагающих фракцию частиц величиной менее 0,001 мм, концентрация многих рассеянных элементов повышена. Соответственно она увеличена в глинистых отложениях. Наши исследования показали, что на в суглинистых отложениях ВосточноЕвропейской равнины больше, чем в песках: ванадия – от 1,5 до 2,5; меди – от 1,5 до 3,2; никеля – от 1,3 до 2,2; галлия – от 1,4 до 2,5; титана – от 1,2 до 2,2; кобальта – от 1,9 до 2,0 раз. Кроме того, в суглинистых почвах и почвообразующих породах значительно больше элементов, находящихся в сорбированном состоянии, что очень важно для участия этих элементов в биологическом круговороте. Геохимическая мозаичность педосферы и рыхлого покрова континентов не только одно из проявлений неоднородности географической оболочки как фундаментального ее свойства, но также важный фактор развития органического мира. В какую бы сторону не было направлено отклонение концентрации химического элемента – превышения или понижения от кларкового значения, – оно должно отражаться на биологическом круговороте элементов и на составе местных живых организмов. В первую очередь это относится к растениям, так как в них элементы поступают непосредственно из почвы.

Рис. 17. Минералого-геохимические провинции почвообразующих пород Восточно-Европейской равнины

(по В.В. Добровольскому, 1964)

Минералого-геохимические провинции: I

– Кольско-Карельская,
II
– Прибалтийско-Архангельская,
III
– Центрально-Русская,
IV
– Украинская,
V
– Волжско-Донская,
VI
– Приуральская,
VII
– Заиманская,
VIII
– Предкавказская,
IX
– Предкарпатская,
1
– границы провинций (по автору),
2
– границы максимального оледенения,
3
– граница верхнечетвертичного оледенения,
4
– северная граница сплошного распространения третичных отложений,
5
– площади близкого расположения кристаллических пород,
6
– площади концентрации кварца с пониженным содержанием рассеянных элементов,
7
– горы

Обратимся к проявлениям геохимической неоднородности географической оболочки, обусловленным другими причинами. Любые процессы, в том числе геохимические, должны быть обеспечены энергией. На поверхности Земли основным источником энергии всех процессов служит лучистая энергия Солнца. Как известно, поступление солнечной энергии закономерно уменьшается от экватора к полюсам. Однако реализация этой энергии для химических, физико-химических, биологических процессов возможна лишь при наличии воды. Согласно В.Р. Волобуеву (1974), на поверхности суши основная часть энергии расходуется на испарение и транспирацию воды растениями (от 95 до 99,5 %). Затраты на биологические процессы составляют от 0,5 до 5 %, большей частью около 1 %. По-видимому, это связано с тем, что на фотосинтез идет 1–0,1 % поглощенной солнечной энергии. На гипергенное преобразование минералов расходуются сотые и тысячные доли процента всей энергии. Полнота использования поступающей солнечной энергии на перечисленные процессы определяется отношением суммарных затрат энергии на эти процессы к величине радиационного баланса. Величина указанного отношения зависит от степени увлажнения: в засушливых районах эта величина очень мала, в хорошо увлажняемых районах достигает 70–80 %.

Атмосферное увлажнение поверхности континентов не повторяет термическую зональность. Годовое количество атмосферных осадков, режим их выпадения обусловливают неодинаковую степень увлажнения разных территорий внутри термических поясов. Это влечет за собой, с одной стороны, неодинаковую величину водного стока, а также выноса ионов и дисперсных частиц. С другой стороны, климатические условия обусловливают распространение растительных формаций, имеющих различную фитомассу, продуктивность и, следовательно, в разной мере влияющих на газообмен и вовлечение химических элементов в биологический круговорот из почвы.

Основная часть выпавших осадков в результате испарения и транспирации возвращается в атмосферу. Испаряющаяся влага регулирует тепловой режим, что делает возможным существование живых организмов. Обмен воды на конкретной территории имеет определяющее значение для всех видов миграции химических элементов. Для количественной оценки этого процесса используется коэффициент относительной увлажненности (К). Коэффициент, предложенный в своем первоначальном виде В.В. Докучаевым и Н.Г. Высоцким, в настоящее время определяется как отношение суммы атмосферных осадков к величине испаряемости.

В.Г. Волобуев (1974) проанализировал ареалы распространения почв всех типов и установил следующие интервалы однотипной относительной увлажненности ландшафтов (табл. 29).

Интервалы относительной увлажненности ландшафтов

Первые три интервала характеризуют территории различной степени аридности, три последние – гумидные. Интервал относительной увлажненности, характеризуемый коэффициентом 0,75—1,20, намечает области с уравновешенным водным балансом.

В условиях одинаковой относительной увлажненности интенсивность обмена вещества в ландшафтах возрастает с увеличением поступающей солнечной энергии (радиационного баланса). При низкой относительной увлажненности аридных территорий влияние изменения величины рационального баланса отражается слабо. Поэтому обмен вещества в экстрааридных ландшафтах высоких и низких широт имеет много общего. Совершенно иное положение имеет место в пределах гумидных территорий, где с увеличением относительной увлажненности возрастает влияние величины радиационного баланса. Вследствие этого интенсивность обмена вещества в гумидных ландшафтах тропиков и высоких широт сильно различается.

Определенное количество атмосферной воды, не израсходованное на испарение и транспирацию, стекает с территории, обеспечивая водную миграцию химических элементов. Величина стока определяется не только соотношением количества атмосферных осадков и испаряемостью, но сильно зависит от рельефа, водоустойчивости почвообразующих пород и почв, характера растительности, режима выпадения осадков, климатических условий и пр. Водный сток на большей части суши измеряется величиной от n-10 до 300—400-103 м3/км2 в год, в экстрааридных областях он резко уменьшается. Массы химических элементов, вовлекаемые в водную миграцию, также очень неодинаковы и зависят от всего комплекса географических условий водосборной площади. Величина суммарного годового выноса химических элементов в растворимой форме на равнинах и крупных возвышенностях составляет единицы – десятки т/км2, в горных районах – десятки и сотни т/км2. Вынос взвесей (твердый сток) на равнинах соизмерим с массами, мигрирующими в виде растворов, но в условиях пересеченного рельефа превышает их в несколько раз, а в горных областях твердый сток на математический порядок больше выноса растворенных масс.

Рис. 18. Ионный сток рек Восточно-Европейской равнины

В силу многих факторов, влияющих на формирование ионного и твердого стоков, величина выноса растворенных и взвешенных веществ с единицы площади не является прямой функцией географической зональности и может сильно изменяться на сравнительно небольшом расстоянии. Даже на Восточно-Европейской равнине, где имеются идеальные условия для проявления широтной зональности, величина модулей ионного и твердого стока распределяется очень мозаично. Это хорошо видно на картах (рис. 18 и 19), на которых на любой широте – от полярного круга до южных районов – можно обнаружить почти всю градацию величин модулей ионного и твердого стоков.

Рис. 19. Сток речных взвешенных наносов Восточно-Европейской равнины

Наиболее реагентными компонентами водного стока являются растворимые формы химических элементов. Интенсивность вовлечения их в миграции оценивается коэффициентом водной миграции (Кв), равным отношению концентрации элемента в воде к его концентрации в почвообразующей породе данного района. Этот показатель не применим к таким циклическим элементам, как хлор, а также к элементам, которые в результате микробиологической деятельности или испарения переходят в газообразную форму и активно мигрируют в атмосфере (сера, йод, ртуть). Для большей части других химических элементов, особенно тяжелых металлов, использование этого коэффициента вполне оправданно.

Исследования, проведенные во многих районах, показали, что имеется группа активных водных мигрантов, величина Кв которых более единицы. К ним относятся серебро, кадмий, молибден, бор, цинк, стронций, медь, кальций, магний, натрий и некоторые другие.

Вторую группу образуют элементы, величина Кв которых обычно менее единицы. Таковы фосфор, кремний, калий, никель, кобальт, свинец, барий, хром и др. Особенно слабо вовлекаются в водную миграцию цирконий, галлий, титан, железо, алюминий. В каждом конкретном районе химические элементы имеют свою численную величину Кв, свойственную только этим районам. Это можно наглядно представить в виде кривой коэффициентов Кв, пример которой приведен на рис. 20. Имеющиеся данные свидетельствуют о значительном разнообразии водной миграции химических элементов в разных районах.

Сочетание степени увлажнения и термических условий отдельных территорий не только влияет на величину и интенсивность водной миграции элементов, но одновременно обусловливает распределение растительных формаций, а следовательно, в значительной мере обусловливает особенности биологического круговорота. В табл. 30 приведены данные, характеризующие динамику органического вещества, синтезируемого основными типами растительности земного шара.

Рис. 20. Интенсивность водной миграции некоторых химических элементов в таежных ландшафтах бассейна р. Суны (Карелия)

Наибольшее количество органического вещества содержится в лесных сообществах. Фитомасса лесов умеренного климата измеряется величиной 1–4 тыс. ц/га. Еще больше фитомасса тропических лесов. Например, в Бразилии есть леса, на каждом гектаре которых содержится до 17 тыс. ц/га органического вещества. Фитомасса травянистой растительности значительно меньше. В наших черноземных степях содержится 250 ц/га органического вещества, в сухих степях Казахстана – около 100 ц/га, а масса растительности закаспийских пустынь составляет всего несколько десятков ц/га.

Величина биомассы не дает представления о продуктивности типов растительности. Для этого необходимы показатели годового прироста, т. е. ежегодной продукции растительности. Прямой пропорциональности между фитомассой и годовым приростом нет. Правда, максимальный прирост имеется в сообществе с самой обильной фитомассой (во влажных тропических лесах), но на втором месте находятся не леса умеренного климата, как можно было бы ожидать по величине фитомассы, а наши черноземные степи. В них прирост составляет больше половины фитомассы. Третий показатель – опад, т. е. величина ежегодно отмирающего растительного материала. Количества органического вещества, заключенного в опаде и в годовом приросте, очень близки. Эти два показателя характеризуют синтез и разрушение растительного вещества на протяжении года.

Показатели биологической продуктивности основных типов растительности (по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич, 1965)

Отношение опада к фитомассе показывает, насколько прочно данный тип растительности удерживает органическое вещество; Установлено, что наиболее прочно оно удерживается в лесах умеренного климата. Так, в таежных еловых лесах на опад расходуется всего только от 2 до 4 % органического вещества фитомассы, в дубравах и того меньше – около 1,5 %. Во влажных тропических лесах в опад уходит значительно больше – 5 %, а в растительности степей ежегодно отмирает почти вся надземная часть фито-массы.

Дальнейшая эволюция отмершего растительного материала в разных биоценозах неодинакова. Опад в тропических лесах быстро разрушается, а в лесах умеренного климата не успевает полностью перерабатываться. Поэтому под покровом этих лесов на почве лежит значительное количество (300–350 ц/га) мертвого органического вещества, так называемая лесная подстилка. В тропиках это количество в десятки раз меньше. В степях величина мертвого органического вещества, которое называется «степной войлок», уменьшается с ростом сухости климата.

Если бы отмирающие части растений не разрушались, то уже через сотню лет величина мертвого органического вещества могла бы превысить величину фитомассы самых густых лесов. В этом случае вся растительность оказалась бы погребенной под продуктами опада. Этого не происходит вследствие энергичного микробиологического разрушения растительных остатков. Замедленное преобразование опада происходит в северной тайге и тундре, умеренное преобразование совершается в наших широколиственных лесах и степях. Очень интенсивно процесс преобразования продуктов опада протекает в тропиках.

Круговорот углекислого газа и степень выведения углерода из этого цикла в различных растительных формациях мира можно характеризовать коэффициентом аккумуляции углерода, который равен отношению углерода, связанного на единице площади в процессе годового фотосинтеза, к количеству углерода, выделившемуся за год из почвы в атмосферу за счет разрушения мертвого органического вещества. К сожалению, в настоящее время отсутствуют обобщенные данные по определению продуцирования СО2 в распространенных растительных формациях мира, хотя многие данные имеются в работах В.Н. Кудеярова. Ориентировочно можно считать, что крайние значения этого коэффициента относятся к влажным тропическим лесам и пустыням (1), с одной стороны, и к тундрам (около 4–5), с другой. Всем остальным формациям будут отвечать промежуточные значения.

Загрязнение атмосферы тяжелыми металлами

Техногенные выбросы металлов в виде аэрозолей поступают в атмосферу и переносятся на огромные расстояния, провоцируя глобальное загрязнение. С гидрохимическими стоками их часть попадает в бессточные водоемы, скапливается в воде и на дне. Это может вызвать вторичное загрязнение.

Металлы быстро распространяются в воде, выпадают в осадок в виде сульфатов и карбонатов и частично абсорбируются на органических осадках. При исчерпании абсорбционной способности осадков токсиканты проникают в воду, повышая ее кислотность, провоцируя зарастание водоемов и интенсивное выделение углекислого газа вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами

Пищевые цепочки – один из основных путей поступления токсикантов в организм. Они начинаются от сельхозугодий и заканчиваются человеком. Растения поглощают металлы из почвы, в продукты животноводства они поступают через антибиотики, гормоны для стимуляции роста животных. Как конечное звено пищевой цепи, человек может получать еду с концентрация токсикантов до 1000 раз выше, чем в почвах.

Загрязнение пищевых продуктов происходит при готовке еды, контакте сырья с посудой во время термообработки. При консервировании жестяные банки становятся источником загрязнения свинцом. Он попадает в состав продуктов питания из свинцового припоя в швах.

Последствия для экологии

Отличительное свойство тяжёлых металлов — это неспособность разрушаться в природной среде: наоборот, они аккумулируются в экосистемах, причиняя долговременный вред. Следуя по звеньям миграционной цепи (почва — растения — животные — человек), тяжёлые металлы оказывают токсическое и канцерогенное действие на живые организмы.

Воздействие на гидросферу

Тяжёлые металлы мигрируют в природные водоёмы в основном в растворённом виде либо в виде взвеси. Часть соединений остаётся в растворённой форме, находясь на поверхности воды. Другая часть металлов-токсикантов сорбируется и аккумулируется фитопланктоном и другими водными микроорганизмами.

Нерастворимые соединения опускаются на дно водоёма, губительно действуя на донные микроорганизмы и в дальнейшем выступая, как источник вторичного загрязнения водоёма.

Присутствие тяжёлых металлов сокращает популяции рыб, млекопитающих, ракообразных в гидросфере, губительно действует на икру и мальков. В случаях предельного превышения доз наблюдаются мутации и гибель биоты.

Основные источники химического загрязнения гидросферы

Загрязнение поверхностных вод суши промышленными, коммунально-бытовыми стоками

Современные проблемы при потреблении водных ресурсов

Гидросфера: что её загрязняет – и как её можно очистить?

На атмосферу

Испарения свалок и полигонов, газодымовые выбросы промышленных предприятий, выхлопы автотранспорта — эти техногенные факторы загрязняют нижние слои атмосферы соединениями тяжёлых металлов.

Последствия, которые наступают вследствие такого загрязнения:

• разрушение озонового слоя атмосферы, формирование озоновых дыр;
• усугубление парникового эффекта;
• формирование смога над мегаполисами;
• возникновение осадков с химическими примесями — дождей, туманов, снегопадов.

Вследствие чего образуются газы, приводящие к парниковому эффекту на планете?

Человек по отношению к природе: разрушитель или хранитель?

На почву

Почва выступает, как резервуар для тяжёлых металлов. Взаимодействуя с гумусом, металлы-токсиканты образуют труднорастворимые соединения, которые накапливаются в грунте.

Почва, в значительной степени загрязнённая тяжёлыми металлами, практически не подлежит очищению. Растения, выращенные на таком грунте, накапливают в себе аномальные дозы металлов. Они не пригодны для дальнейшего использования и подлежат уничтожению.

Восстановление почвенного покрова с загрязнением тяжёлыми металлами начинают с удаления и утилизации верхнего слоя грунта. На оставшейся почве высеивают быстрорастущие культуры, которые поглощают металлы из почвы, а после эту фитомассу удаляют.

На организм человека

Доли содержания токсичных веществ, поступающих в организм человека, попадают вместе с пищей, воздухом, водой. Поэтому отравление тяжёлыми металлами происходит через пищеварительный тракт, дыхательные пути и кожные покровы.

Источник https://stroy-podskazka.ru/pochva/s-chem-svyazano-zagryaznenie/

Источник https://baikalhangkai.ru/problemy/tyazhelye-metally-v-biosfere.html

Источник