ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 203
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
* Без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющей около 40106 т/год азота.
Особого внимания заслуживает существующее распределение масс азота в мировом сельском хозяйстве. Как видно из табл. 16.2, в 1970 г. в обрабатываемые почвы всего мира с минеральными удобрениями вносилось около 30109 т/год азота, в 1990 г. — около 60109, в 2000 г. — до 120109 т/год. В связи с агрохимической интенсификацией сельского хозяйства возникла проблема азота, имеющая не только биогеохимическое, но также экологическое значение.
Во-первых, искусственное введение крупных масс азота в обрабатываемые почвы нарушает сбалансированность массообмена в системе почва —растительность. Избыточные массы азота, не включенные в биологический круговорот, активно вовлекаются в водную миграцию. В геохимически подчиненных экогеосистемах (отрицательных элементах рельефа, озерах, а также водохранилищах, образованных плотинами гидростанций) аккумулируются соединения азота. Это вызывает усиленный рост водной растительности, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Во-вторых, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышенную концентрацию этих элементов в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Установлено, что попадающие в организм человека нитриты образуют соединения, нарушающие кислородный обмен в крови человека и вызывающие метгемоглобинемию. Это сопровождается серьезными заболеваниями, особенно у детей. Не менее опасно образование нитрозоаминов, обладающих канцерогенными свойствами.
Имеющиеся данные позволяют заключить, что благодаря сильной незамкнутости природных циклов массообмена, связывающих отдельные экогеосистемы, нормальное функционирование глобального цикла азота сохраняется. Однако в некоторых сельскохозяйственных районах избыточные массы азота, которые не могут быть захвачены в биологический круговорот, вовлекаются в водную миграцию и нарушают нормальное функционирование биогеохимически подчиненных экогеосистем в районах интенсивного сельскохозяйственного производства.
Наиболее интенсивный поток веществ, поступающих в глобальную среду в результате хозяйственной деятельности людей, в настоящее время связан с добычей, транспортом, переработкой и сжиганием горючих полезных ископаемых. Включение огромной массы природных органических соединений в систему биогеохимических циклов биосферы пока еще полностью не осознаны, но многие негативные последствия этого процесса очевидны.
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами Мирового океана нарушает всю систему биогеохимических циклов и является одной из наиболее актуальных инвайронментальных проблем начала III тысячелетия. Потери нефти при эксплуатации скважин и авариях нефтепроводов глубоко поражают отдельные наземные биогеосистемы. Тяжелые компоненты нефти, попадая в почву на длительное время изменяют ее водно-физические свойства и направленность микробиологических процессов. Излияние нефтяных вод приводит к образованию техногенных солончаков в ландшафтах, где по природным условиям их образование невозможно Выбросы в атмосферу вместе с нефтяными газами сероводорода деформируют биогеохимические циклы многих элементов. Среди химических компонентов нефти и ее дериватов для организма человека особую опасность представляют полициклические ароматические углеводороды, часть которых канцерогенна. В силу изложенных обстоятельств в развитых странах осуществляются разнообразные и дорогостоящие мероприятия, направленные на предотвращение и нейтрализацию последствий загрязнения нефтью. В частности, затраты на охрану окружающей среды в нефтяной промышленности США в 1980-х гг. составили около 2 млрд долл.
Вблизи мест разлива нефти образуются специфические геохимические аномалии, имеющие сложную структуру, обусловленную дифференциацией в процессе фильтрации. Формирование таких аномалий детально изучено Н.П.Солнцевой в условиях тундровых и таежных ландшафтов России (рис. 16.3)
Рис 16 3 Модель загрязнения сырой нефтью
(по Н.П.Солнцевой, упрощено):
зоны загрязнения 1 — преимущественного осаждения тяжелых фракций нефти, 2 — преимущественного осаждения легких фракций, 3 — преимущественного накопления минерализованных вод и легких фракций нефти, 4 — направления миграции нефти, 5 — поступление нефти с пленки на поверхности грунтовых вод, 6 — зона вторичного загрязнения над уровнем грунтовых вод, 7 — уровень грунтовых вод
Еще более значительные массы отходов образуются при эксплуатации месторождений каменного угля. Вблизи шахт и открытых разработок атмосфера загрязнена угольно-силикатной пылью и дымом, почвы погребены под отвалами вскрышных пород, состав поверхностных и грунтовых вод трансформирован продуктами окисления сульфидов железа, содержащихся в углях. Вокруг шахт и разрезов образуются поликомпонентные геохимические аномалии. В районах длительной эксплуатации отдельные техногенные аномалии сливаются в обширные техногенные геохимические поля, которые служат мощными источниками эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Влияние этих полей распространяется далеко за их границами. Достаточно вспомнить случаи трансграничного переноса воздушных масс, обогащенных при сжигании угля оксидами серы и обусловленные этим кислотные дожди.
Следует отметить, что во многих развитых странах дальнейшая эксплуатация угольных месторождений сокращена или даже полностью прекращена и районы, многие десятилетия служившие примером губительных для природы разработок каменного угля (бассейн Рура в Германии, «Черная долина» в области среднего течения Роны во Франции), благодаря энергичным социально-экономическим и инженерным действиям рекультивированы и их природа возрождена.
В последние годы возник новый вид загрязнения органическими веществами, входящими в состав топлива космических ракет. Токсичными компонентами реактивного топлива является несимметричный диметилгидразин, хорошо растворимый в воде и свободно вовлекаемый в биологический круговорот.
Изучение участков, загрязненных остатками топлива, поступающими на поверхность почвы с остатками отделяемых ступеней ракет, было проведено в ландшафтах Центрального Казахстана Н.С.Касимовым и сотрудниками. Установлено, что диметилгидразин задерживается в гумусовом горизонте каштановых почв (средняя концентрация n0,01 мг/кг), где образует ясно выраженные геохимические аномалии. Благодаря хорошей растворимости токсикант распространяется по почвенному профилю на глубину промачивания атмосферными водами, активно вовлекается в водную миграцию с поверхностным стоком и накапливается в бессточных депрессиях рельефа. В то же время диметилгидра-зин активно поглощается растениями, в результате чего его средняя концентрация в степной растительности почти на порядок выше, чем в почве (рис. 16.4). Соответственно размеры аномалий в растительности превышают размеры аномалий в почвах.
Рис. 16.4. Распределение концентраций несимметричного диметилгидра-
зина в почвах (7) и растениях (2) в районе запуска ракет в Центральном
Казахстане (по Н.С.Касимову и др., 1994)
Учитывая химические свойства несимметричного диметилгид-разина, можно предполагать, что в ландшафтно-геохимических условиях гумидных областей он будет более активно вымываться и образовывать менее ясные аномалии в почвах.
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Среди последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. Различные металлы (как использовавшиеся с отдаленного времени, так и получившие применение недавно) используются в индустриальном производстве в нарастающем количестве. Это хорошо видно на рис. 16.5.
Рис. 16 5. Рост добычи металлов на протяжении XX в.
На графике показан рост добычи руд меди, разрабатывающихся с глубокой древности, и руд молибдена и урана, промышленная разработка которых началась в XX в.
Как видно из приведенных цифр, металлы извлекаются в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре и педосфере, применительно к составу которых развивались формы наземной жизни. Например, кларк алюминия в тысячу раз больше кларка меди, а современная добыча этих металлов очень близка и различается всего в несколько раз. Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ванадия, а производят молибдена значительно больше.
Самая главная, на первый взгляд парадоксальная, особенность использования металлов в мировом хозяйстве заключается в их активном рассеянии. Пути техногенного рассеяния металлов разнообразны; важнейшим служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Значительная часть металлов теряется еще раньше — при транспортировке, обогащении, сортировке руды. Как указывает А. А. Беус с соавторами (1976), таким путем в 1965 — 1975 гг. во всем мире было рассеяно (тыс. т): меди — 600, цинка — 500, свинца — 300, молибдена — 50.
После получения металлов вся технология современного производства сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Огромные массы металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и других отраслях промышленности и уходят с промышленными стоками. Столь же крупные массы металлов истираются и рассеиваются во время работы различных машин и механизмов. Значительная часть некоторых металлов и других рассеянных элементов добывается лишь для того, чтобы их рассеять на поверхности Земли. Примером могут служить производство алкидов свинца, применяющихся в качестве добавок в бензин для автомобилей, а также использование ртути и мышьяка для изготовления ядохимикатов в сельском хозяйстве.
Кроме отраслей промышленности, производящих или использующих металлы, существуют и другие пути их техногенного рассеяния, среди которых особенно важную роль играет сжигание минерального топлива, главным образом каменного угля.
Массы тяжелых металлов, ежегодно поступающие в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человечества, сопоставимы с количеством металлов, участвующих в глобальных процессах массообмена.
Годовая добыча некоторых металлов, прежде всего меди и свинца, значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью.
Как указано в разд. 3.2, из тропосферы непрерывно осаждаются дисперсные частицы, захваченные ветром с поверхности почвы. Оказавшись в тропосфере, эти частицы играют роль центров конденсации и осаждаясь выводят из тропосферы рассеянные химические элементы, поступающие туда с вулканическими и техногенными выбросами. Чем больше промышленные предприятия выбрасывают в воздух тяжелых металлов в составе дыма и пыли, тем выше концентрация металлов в атмосферных осаждениях, поступающих на поверхность почвы. По причине того, что поверхность почвы беспрестанно подвергается смыву дождевыми и талыми водами, взвеси дисперсных почвенных частиц переносятся плоскостным стоком и затем входят в состав пойменных отложений. Таким образом, илистые отложения речных пойм чувствительно отражают уровни содержания рассеянных металлов в атмосфере. В связи со сказанным большой интерес представляет определение тяжелых металлов в донных отложениях рек и озер, дренирующих районы активной индустриализации. Согласно данным Дж. Мура и С. Рамамурти концентрация тяжелых металлов в илах Рейна, протекающего через высокоиндустриализированные районы Западной Европы, с конца XVITI в. по 1975 г. возросла: хрома — в 9, меди и свинца — в 13, цинка — в 19, ртути — в 50 и кадмия — в 100 раз.
После активного обсуждения широкой общественностью и научными кругами проблемы развития технического прогресса и роста загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, завершившегося принятием итоговых документов внеочередной сессии ООН в Стокгольме в 1972 г., в странах Западной Европы и США были предприняты энергичные действия, направленные на ограничение загрязнения тяжелыми металлами. Результаты не замедлили сказаться. Уже в начале 80-х гг. XX в. высокие уровни металлов в донных отложениях рек и озер существенно снизились (рис. 16.6).