Министерство образованияи науки Российской Федерации
Пензенский ГосударственныйУниверситет
Кафедра: Экологиии безопасности жизнедеятельностиРеферат
Круговорот второстепенныхэлементов: цезия и стронция
Выполнил: студент гр. 06-лф-1
Карев С.А.Руководитель: д.б.н.,профессорСтаценко А.П.
Пенза 2009
Круговорот второстепенныхэлементов
Второстепенные элементы, подобножизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляюткакой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общемосадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однакомогут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека.Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическимсвойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костяхи оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям [4].
Це́зий — элемент главной подгруппы первой группы,шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомнымномером 55. Обозначается символом Cs (лат. Caesium). Простое вещество цезий — мягкий щелочной металл серебристо-жёлтогоцвета. Своё название цезий получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионномспектре (от лат. caesius — небесно-голубой). Цезий был открыт в1860 году немецкими учёными Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Дюрхгеймскогоминерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, ставпервым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. Цезий — один из редчайшихэлементов, но всё же следы его можно найти во многих горных породах, в морской воде,а также в воде минеральных источников. Любопытно, что «крохи» цезия обнаруженыв сахарной свекле, зернах кофе, чайных листьях. Знаком с ним и каждый курильщик:об этом свидетельствуют две голубые линии в спектре табачного пепла.
Основными цезиевыми минераламиявляются поллуцит и очень редкий авогадрит (K,Cs)[BF4]. Кроме того, в виде примесейцезий входит в ряд алюмосиликатов: лепидолит, флогопит, биотит, амазонит, петалит,берилл, циннвальдит, лейцит, карналлит. В качестве промышленного сырья используютсяполлуцит и лепидолит [1].
При промышленном получениицезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита.
В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита не велась,хотя в Вороньей тундре под Мурманском ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала.
Цезий входит в группу химическихэлементов с ограниченными запасами вместе с гафнием, танталом, бериллием, рением,металлами платиновой группы, кадмием, теллуром. Общие выявленные мировые ресурсыруд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте на окись цезия), но они крайне распылены,и, к сожалению, сверхвысокие цены — это неотъемлемая черта, сопровождающая цезийи рубидий в прошлом, настоящем и будущем. Мировой объём добычи цезия составляетоколо 9 тонн в год, а потребность свыше 85 тонн в год и она постоянно растёт. Подобыче цезиевой руды (поллуцита) лидирует Канада. В месторождении Берник-Лейк (юго-восточнаяМанитоба) сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добываетсяв Намибии и Зимбабве. В России его мощные месторождения находятся на Кольском полуострове,в Восточном Саяне и Забайкалье. Месторождения поллуцита также имеются в Казахстане,Монголии и Италии (о. Эльба), но они обладают малыми запасами и не имеют важногоэкономического значения. У цезия есть и недостатки, которые обусловливают постоянныйпоиск его минералов: во-первых, его извлечение из руд неполное, в процессе эксплуатацииматериала он рассеивается и потому безвозвратно теряется, запасы его руд очень ограниченыи не могут обеспечить постоянно растущий спрос на металлический цезий.
Природный цезий — мононуклидныйэлемент, состоящий из единственного стабильного нуклида 133Cs. На сегодняшний деньизвестно 39 искусственных радиоактивных изотопов цезия с массовыми числами от 112до 151. Самым долгоживущим искусственным радиоактивным нуклидом цезия является 135Csс периодом полураспада t1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущийизотоп 137Cs (t1/2=30,17 года). Оба эти долгоживущих радионуклида являются продуктамиядерного распада.
Ученые из индийского Институтагеофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришлик выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматическойактивности недр.
Повышенная концентрация радиоактивногоизотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусскоговзрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которыеотносятся к 1908 году, когда произошло это событие [3].
Цезий в живых организмах
Цезий в живых организмах —постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водорослинапример содержат от 0,01-0,1 мкг цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения— 0,05—0,2. Животные получают цезий с водой и пищей. В организме членистоногих около0,067—0,503 мкг/г цезия, пресмыкающихся — 0,04, млекопитающих — 0,05. Главное депоцезия в организме млекопитающих — мышцы, сердце, печень; в крови — до 2,8 мкг/лцезий относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животныхокончательно не раскрыта.
Цезий-137 — радиоактивныйизотоп цезия, испускающий бета излучение и гамма-кванты, и один из главных компонентоврадиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивныхотходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивносорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится преимущественно в видеионов. Содержится в растениях и организме животных и человека. Коэффициент накопленияCs-137 наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений,особенно лишайников. В организме животных Cs-137 накапливается главным образом вмышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен у северных оленейи североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах, ряд которых (маслята,моховики, свинушка, горькушка, польский гриб) считается «аккумуляторами» радиоцезия[1].
Стронций
Стро́нций — элемент главной подгруппы второй группы,пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомнымномером 38. Обозначается символом Sr (лат. Strontium). Простое вещество стронций — мягкий,ковкий и пластичный щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета.
Содержание стронция в земнойкоре — 0,384 % в свободном виде стронций не встречается. Он входит в состав около40 минералов. Из них наиболее важный — целестин SrSO4. Добывают также стронцианит SrCO3. Эти два минерала имеют промышленноезначение [2].
Стронций содержится в морскойводе (0,1 мг/л), в почвах (0,035 масс%).
В природе стронций встречаетсяв виде смеси 4 стабильных изотопов 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,02 %),88Sr (82,56 %).
Стронций все увереннее прокладываетсебе дорогу в промышленность, спрос на него непрерывно растет. Большинство минераловстронция встречается довольно редко; лишь уже знакомый нам стронцианит и целестин(по-латыни — «небесный») образуют иногда солидные скопления.
Вот как описывает свою встречус целестином замечательный советский геохимик и минералог академик А. Е. Ферсман:"… вдруг в одном разломанном желвачке я увидел какой-то голубой кристаллик:о, это был настоящий целестин! Чудесная прозрачная голубая иголочка, как светлыйсапфир с острова Цейлон, как светлый, выгоревший на солнце василек".
Но целестин бывает не толькоголубым — не менее чудесны его нежно-фиолетовые, розоватые или дымчато-черные кристаллы,встречающиеся в пустотах горных пород. Необыкновенно красивы зеленоватые россыпиего мелких зерен на друзах янтарно-желтой серы. Пути образования в природе целестина(он представляет собой сернокислую соль стронция) различны, и, чтобы поведать ободном из них, мы снова предоставим слово академику А. Е. Ферсману, поскольку врядли кто-нибудь сможет рассказать об этом интереснее и поэтичнее, чем он: "… Давно-давно,несколько десятков миллионов лет тому назад верхнеюрское море докатывало свои волныдо мощных, тогда уже существовавших Кавказских хребтов...
На дне прибрежной полосы,на камнях в бесчисленных количествах жили маленькие радиолярии; некоторые из нихбыли прозрачны, как стекло, другие представляли собой мелкие белые шарики не большеодного миллиметра, с маленьким стебельком, в три раза большим, чем туловище. Онисидели на камнях, на красивых зарослях мшанок, а иногда покрывали даже иглы морскихежей, путешествуя с ними по морскому дну. Это были знаменитые радиолярии-акантарии,скелеты которых состояли из иголочек, числом от 18 до 32. Долгое время никто незнал, из чего они образованы, и только случайно было обнаружено, что они состоятне из кремнезема, не из опала, а из сернокислого стронция. Эти бесчисленные радиоляриинакапливали в сложном жизненном процессе соль сернокислого стронция, извлекая ееиз морской воды, и постепенно строили свои кристаллические иголочки.
Отмирающие радиолярии падалина дно моря. Так было положено начало скоплениям одного из редких металлов..."Добавим, что не только радиолярии, но и другие морские организмы неравнодушны кстронцию: ученые находили спиральные раковины давно вымерших моллюсков, состоящиеиз целестина. Некоторые из них достигали внушительных размеров — до 40 сантиметровв поперечнике. В природе имеются довольно крупные так называемые вулканогенно-осадочныеместорождения стронция, например в пустынях Калифорнии и Аризоны в США. (Кстати,замечено, что стронций «любит» жаркий климат, поэтому в северных странахон встречается гораздо реже.). В третичную эпоху этот район был ареной бурной вулканическойдеятельности. Термальные воды, поднимавшиеся вместе с лавой из земных недр, былибогаты стронцием. Расположенные среди вулканов озера накапливали этот элемент, образуяза тысячелетия весьма солидные его запасы. Есть стронций и в водах Кара-Богаз-Гола.Постоянное испарение вод залива приводит к тому, что концентрация солей непрерывновозрастает и наконец достигает точки насыщения — соли выпадают в осадок. Содержаниестронция в этих осадках иногда составляет 1-2 %.
Несколько лет назад геологиобнаружили значительное месторождение целестина в горах Туркмении. Голубые пластыэтого ценного минерала залегают на склонах ущелий и глубоких каньонов Куштангтау-горногохребта в юго-западной части Памиро-Алая. Нет сомнения, что туркменский «небесный»камень успешно послужит нашему народному хозяйству.… Природе не свойственна торопливость:сейчас человек использует запасы стронция, которые она начала создавать миллионылет назад. Но и сегодня в глубинах земли, в толще морей и океанов происходят сложныехимические процессы, возникают скопления ценных элементов, рождаются новые клады,но достанутся они уже не нам, а нашим далеким-далеким потомкам [3].
Стронций в живых организмах
Стронций — составная часть микроорганизмов, растенийи животных. У морских радиолярий (акантарий) скелет состоит из сульфата Стронций — целестина. Морские водорослисодержат 26—140 мг Стронцийна 100 г сухого вещества, наземные растения — 2,6, морские животные — 2—50, наземныеживотные — 1,4, бактерии — 0,27—30. Накопление Стронций различными организмами зависит не только от ихвида, особенностей, но и от соотношения в среде Стронций с др. элементами, главным образом с Ca и Р, а такжеот адаптации организмов к определённой геохимической среде.
Животные получают Стронций с водой и пищей. ВсасываетсяСтронций тонким, а выделяетсяв основном толстым кишечником. Ряд веществ (полисахариды водорослей, катионообменныесмолы) препятствует усвоению СтронцийГлавное депо Стронций ворганизме — костная ткань, в золе которой содержится около 0,02% Стронций (в др. тканях — около 0,0005%).Избыток солей Стронцийв рационе крыс вызывает «стронциевый» рахит. У животных, обитающих на почвах созначительным количеством целестина, наблюдается повышенное содержание Стронций в организме, что приводит кломкости костей, рахиту и др. заболеваниям. В биогеохимических провинциях, богатыхСтронций (ряд районов Центральнойи Восточной Азии, Северной Европы и др.), возможна т. н. уровская болезнь.
Стронций-90
Среди искусственных изотоповСтронций его долгоживущийрадионуклид 90Sr — один из важных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы.Попадая в окружающую среду, 90Sr характеризуется способностью включаться (главнымобразом вместе с Ca) в процессы обмена веществ у растений, животных и человека.Поэтому при оценке загрязнения биосферы 90Sr принято рассчитывать отношение 90Sr/Caв стронциевых единицах (1 с. е. = 1 мк мккюри 90Sr на 1 г Ca). При передвижении90Sr и Ca по биологическим и пищевым цепям происходит дискриминация Стронций, для количественного выражения которойнаходят «коэффициент дискриминации», отношение 90Sr/Ca в последующем звене биологическойили пищевой цепи к этой же величине в предыдущем звене. В конечном звене пищевойцепи концентрация 90Sr, как правило, значительно меньше, чем в начальном.
В растения 90Sr может поступатьнепосредственно при прямом загрязнении листьев или из почвы через корни (при этомбольшое влияние имеет тип почвы, сё влажность, pH, содержание Ca и органическихвеществ и т.д.). Относительно больше накапливают 90Sr бобовые растения, корне- иклубнеплоды, меньше — злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах и плодах накапливаетсязначительно меньше 90Sr, чем в др. органах (например, в листьях и стеблях пшеницы90Sr в 10 раз больше, чем в зерне). У животных (поступает в основном с растительнойпищей) и человека (поступает в основном с коровьим молоком и рыбой) 90Sr накапливаетсяглавным образом в костях. Величина отложения 90Sr в организме животных и человеказависит от возраста особи, количества поступающего радионуклида, интенсивности ростановой костной ткани и др. Большую опасность 90Sr представляет для детей, в организмкоторых он поступает с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.
Биологическое действие 90Srсвязано с характером его распределения в организме (накопление в скелете) и зависитот дозы b-облучения, создаваемого им и его дочерним радиоизотопом 90Y. При длительномпоступлении 90Sr в организм даже в относительно небольших количествах, в результатенепрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и рак костей. Существенныеизменения в костной ткани наблюдаются при содержании 90Sr в рационе около 1 мккюрина 1 г Ca. Заключение в 1963 в Москве Договора о запрещении испытаний ядерного оружияв атмосфере, космосе и под водой привело к почти полному освобождению атмосферыот 90Sr и уменьшению его подвижных форм в почве [2].
Основным источником загрязненияприроды радиоактивным стронцием были испытания ядерного оружия и аварии на атомныхэлектростанциях. Поэтому из радиоактивных изотопов стронциянаибольший практический интерес представляют нуклиды с массовыми числами 89 и 90,выход которых, в большом количестве наблюдается в реакциях деления урана и плутония.
Выпавший на поверхность Землирадиоактивный стронций попадает в почву. Из почвы радионуклиды через корневую системупоступают в растения. Следует заметить, что на этом этапе большую роль играют свойствапочвы и вид растения.
Выпадающие на поверхностьпочвы радионуклиды на протяжении многих лет могут оставаться в её верхних слоях.И ТОЛЬКО если почва бедна такими минералами как кальций, калий, натрий, фосфор создаютсяблагоприятные условия для миграции радионуклидов в самой почве и по цепи почва –растение. В первую очередь это относится к дерново-подзолистым и песчано-суглинистымпочвам. В чернозёмных почвах подвижность радионуклидов крайне затруднена. Теперьо растениях. В наибольших количествах стронций накапливается в бобовых, корнеплодах,и в меньшей мере (в 3-7 раз) в злаковых.
Животным радиоактивный стронцийв основном поступает с кормом. Так как стронций относится к типичным остеотропнымрадионуклидам, он откладывается в костях. По величине отложений нуклида в скелетесельскохозяйственных животных их располагают в следующей последовательности: крупныйрогатый скот, козы, овцы, свиньи, куры. Помимо скелета наибольшая концентрация стронцияотмечена в печени и почках, минимальная – в мышцах и жире.
У лактирующих животных стронцийвыводится с молоком. Суточноевыведение у коров разной продуктивности достигает 0,2 — 5%, у коз – 1,3%, овец 1-6%в литре от суточного поступления. Переход нуклида Sr90 из корма в молоко оцениваетсякак 0,1% в 1 литр удоя. При переработке молока в масло переходит лишь около 1% стронция90.
Переход 90Sr из кормовогорациона курей в яйцо достигает 40% суточного поступления радионуклида, а у низкопродуктивныхкур может достигать 60%. Содержание стронция в скорлупе достигает 96%, в желткеи белке содержится соответственно 3,5% и 0,2%.
Содержание стронция в морепродуктахзависит от содержания нуклида в воде и степени её минерализации. Так у рыб выловленных их Балтийскогоморя содержание стронция оказалось в 5 раз больше, чем у рыб Атлантического океана.У рыб стронций также в основном накапливается в скелете. Поэтому после кулинарнойобработки рыбы можно получить более загрязненный продукт, чем тот, что был в начале.Так при приготовлении ухи часть радионуклидов содержащихся в костях переходит вбульон. Может также увеличиваться поступление Sr90 из рыбы при её консервированииза счёт высокой температуры под давлением, в результате которой обычно несъедобныекости размягчаются и превращаются в съедобные.
Биологическому действию радиоактивногостронция посвящены многочисленные научные публикации. Однако насколько опасно хроническоепоступление в организм человека малых количеств стронция до конца не изучено.
В попытках докопаться до истины,учёные исследовали биологическое действие радиоактивного стронция на многих видахживотных. Самый большой практический интерес представляют опыты, проведенные насобаках, поскольку радиочувствительность их примерно такая же, как и у человека.Результаты опытов показали, что и у собак, и у крыс отклонения фиксировались толькопри достаточно больших дозах [3].
Список литературы:
1) Моисеев А. А., Рамзаев П. В. «Цезий-137в биосфере» / М. / 1975;
2) Бурков В. В., Подпоряна Е. К. «Стронций»/ М. /1962;
3) Юдинцева Е. В., Гулякин И. В. «Агрохимиярадиоактивных изотопов стронция и цезия» / М. / 1968;
4) Ковальский В. В. «Геохимическая экология»/ М. / 1974.