Содержание
1. Концентрационныеинтервалы элементов в биотической и абиотической среде
2. Факторыобразования почвенных аномалий. Рельеф
3. Сущностьгеохимической оценки урбанизированных территорий
4. Практическаязадача 1 (проба 2168)
Список использованных источников
1. Концентрационныеинтервалы элементов в биотической и абиотической среде
Воздействие человека на биосферусложно и многообразно, весьма часто оно ведет к необратимым изменениям. В товремя как изменения поверхности Земли, обусловленные геологическими ибиологическими процессами, очень медленны, изменения, вносимые и/илиинтенсифицируемые человеком, накапливаются в последние годы чрезвычайно быстро.Все изменения антропогенной природы нарушают естественный баланс каждойэкосистемы, сформировавшийся постепенно в течение длительного периода времени.Поэтому такие изменения ведут чаще всего к деградации естественной средыобитания человека. В результате расширения сельскохозяйственной деятельностинекоторые экосистемы превратились в искусственные агроэкосистемы. Хотявоздействие человека на биосферу началось еще в неолите, проблема ухудшениясостояния экосистем, вызванного их загрязнением, стала резко обостряться впоследние десятилетия XX в.
Микроэлементы-загрязнения,проникшие в растительные ткани, играют активную роль в метаболическихпроцессах, но они могут также сохраняться в виде неактивных соединений вклетках и на клеточных мембранах. В любом случае химический состав растенийможет меняться без появления явно видимых повреждений. Вариации элементногосостава живых организмов в «нормальных» условиях, а также при умеренном избыткеи недостатке химических элементов и относительный уровень токсичных дозподчиняются одной и той же закономерности. Общим в этой закономерности являетсяувеличение интервалов варьирования с уменьшением средней концентрации элемента.Вероятно, любая биологическая система имеет определенные концентрационныеинтервалы как для внутренней, так и для внешней среды.
В нормальныхфизиологических и биогеохимических условиях содержание каждого элемента в любомсубстрате и в организме в целом осциллирует около средних значений. Это могутбыть естественные вариации, коротко периодичные, суточные, сезонные, возрастныеи т.д., а также вариации, вызванные какими-то внешними воздействиями. При этоминтервалы варьирования увеличиваются с уменьшением как среднего содержанияэлемента, так т степени организованности объекта (положение на эволюционнойлестнице). Аналогичным образом может изменяться элементный состав окружающейсреды (поступление элементов питания). Важно, что в биотической и абиотическойсредах эти колебания не связаны с какими-то существенными нарушениями.
Аналогично можнопредположить наличие интервала концентраций с несколько большим размахомварьирования. В этот интервал укладываются изменения элементного состававнутренней среды, вызванные патологическим состояниями организма,экстремальными внешними воздействиями и экстремальными изменениямибиогеохимической обстановки (поступление элементов). Такой же интервал должен существоватьв случаях избыточного или недостаточного поступления химических элементов, врезультате которого отмечаются более или менее серьезные нарушенияфизиологического состояния организмов.
Таким образом, для биотической среды(элементного состава органов, тканей и всего организма) или абиотической средывозможны три концентрационных интервала.
Первый интервал(нормальный, или интервал нормальных концентраций) включает физиологическиевариации состава или вариации внешней среды, не вызывающие патологическихсостояний. Иными словами, это интервал концентраций элементов во внутренней ивнешней средах, в пределах которого нормально функционируют гомеостатическиепроцессы.
Второй интервал(патологический, или интервал патологических концентраций) включает вариации,связанные с патологическим состояниями. Этот стрессовый интервал можно рассматриватькак предельную нагрузку нормальных гомеостатических процессов.
Третий интервал(парабиотический, или интервал парабиотических концентраций) можнорассматривать как интервал вариаций состава внутренней среды при критическихпатологических процессах или интервал критического избытка или недостаткаэлемента в абиотической среде. Достижение границ этого интервала вызываетгибель организмов в связи с летальным избытком или дефицитом элемента вовнутренней или внешней среде.
Концепция концентрационных интерваловпозволяет рассматривать феноменологию такого явления, как привыкание кповышенному поступлению токсичных элементов. Так, известны регионы, где большаячасть населения потребляла мышьяковистые соединения в количествах, близких илидаже превышающих летальные дозы. Это принято объяснять уменьшениемвсасываемости таких соединений в желудочно-кишечном тракте. Процесс привыканияможно объяснить и с позиций концентрационных интервалов. Если при постоянномумеренном поступлении соединений мышьяка постепенно увеличивается концентрацияэтого элемента в организме, то при таком «привычном» содержании мышьякаизменятся и границы концентрационных интервалов. Так, при увеличении концентрациимышьяка границы концентрированных интервалов сузятся, причем допустимымокажется меньшее относительное увеличение поступления мышьяка, чем в норме. Вабсолютном выражении это означает, что летальная для нормального организма дозастанет допустимой для организма, «обогащенного» мышьяком. Однако при этомнормальное поступление элемента станет ниже границ допустимого дефицита(поскольку границы концентрационных интервалов станут уже) и организм будетиспытывать недостаток элемента. В литературе описано не только привыканиеорганизма человека к повышенному поступлению мышьяка, по и явления специфическоймышьяковой недостаточности для «привыкшего» организма при нормальной диете,устраняемые повышением поступления мышьяка в организм. Мышьяковый дефицит для«привыкших» организмов не объясняется уменьшением всасываемости. Это можносчитать подтверждением концепции концентрационных интервалов.
2. Факторы образованияпочвенных аномалий. Рельеф
абиотическая рельеф почвенная геохимическая
Являясь неотъемлемой частьюрегуляторной системы организмов, микроэлементы имеют важное экологическоезначение. Распределение элементов на поверхности суши очень неравномерно.Неоднородность микроэлементарного состава почвенного покрова планеты заложеназадолго до его образования благодаря дифференциации элементов по минераламносителям. Даже в пределах одной минералого-геохимической провинции содержаниемеди в обломочном кварце и глинистых минералах различается в 10-20 раз, а цинка- в 100 раз и более. Разные соотношения обломочного кварца и высокодисперсныхчастиц, складывающиеся в процессе переотложения продуктов выветривания,определяют геохимическую неоднородность почвообразующих пород. Ее дальнейшемууглублению способствуют процессы почвообразования.
В результате почвообразованияобразуется почва, которая при хорошей сформированности состоит из ряда слоев — горизонтов, подразделяющихся в свою очередь на подгоризонты. Верхний горизонт Аобычно является наиболее гуминовым, но содержание органических веществ неуклонноуменьшается по направлению к нижним горизонтам профиля. Материал выщелачиваетсяиз горизонта А, который называется элювиальным вследствие удаления растворимыхсолей и коллоидного материала. Этот материал отлагается в иллювиальномгоризонте В. Горизонт С образуется в результате эрозии материнских пород. Этотпроцесс называется полигенезом.
Подгоризонты получилиобозначения соответственно А0, А1 А2, В1,В2 и т. д., и их классификация представляется достаточно сложной. Нотак как в персонал поисковой партии редко включают почвоведов, то в геохимическомисследовании при классификации горизонтов следуют простому подходу, используятолько три основных горизонта (т. е. А, В и С). Такая упрощенная классификацияобъясняется тем, что часто не хватает времени для тщательного предварительногоизучения почв, которое подтвердило бы наличие более трех горизонтов.
Почва – это весьмаспецифический компонент биосферы, поскольку она не только геохимическиаккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер,контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу,гидросферу и живое вещество. Микроэлементы, поступающие из различныхисточников, попадают в конечном итоге на поверхность почвы, и их дальнейшаясудьба зависит от ее химических и физических свойств. Хотя химия веществ,загрязняющих почву, была в последнее время предметом большого числаисследований, наши знания о поведении микроэлементов-загрязнений еще далеки отсовершенства. Продолжительность пребывания загрязняющих компонентов в почвахгораздо больше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв, особенно тяжелымиметаллами, по-видимому, практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах,медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии идефляции. Первый период полуудаления (т. е. удаления половины от начальнойконцентрации) тяжелых металлов, по расчетам Иимуры и др., для почв в условияхлизиметра сильно варьирует: для Zn – от 70 до 510 лет, для Cd – от 13 до 1100лет, для Сu – от 310 до 1500 лет и для Рb – от 740 до 5900 лет.
Рис. 1. Схематическоеизображение почвенных профилей. а — характерные почвенные профили; б —климатические вариации. Ао—В — почва, образованная механическими, химическими иорганическими процессами: Ао — частично разложившиеся органические остатки; А1 — гумус, зонаорганического накопления, имеет темную окраску; Аз — зона выщелачивания, имеетсветлую окраску; В — зона накопления, коричневая до красно-бурой, плотная; С —зона эрозии коренных пород и структуры остаточных коренных пород; D — коренная порода.
/>
Баланс привноса – выносаметаллов в почвах показал, что концентрации микроэлементов в поверхностном слоепочв в глобальном масштабе, по-видимому, возрастают с расширениеминдустриальной и сельскохозяйственной деятельности. Есть признаки того, чтоповерхностный слой почв, вероятно, подвергается как локальному загрязнению, таки региональному переносу загрязнений. Первес [634] указывает, что степеньзараженности почв в городах сейчас настолько велика, что можно идентифицироватьбольшинство проб почв как городские или сельские по содержанию в них несколькихмикроэлементов, известных как главные компоненты загрязнения в городской среде.
Рис. 2. Воздействиеклимата на почвенную зональность (а) и роль органического материала вобразовании почв в соотношении с климатом (б). Границы а и б совпадают.
/>
Региональное загрязнениепочв, как указывается в большинстве публикаций, происходит главным образом впромышленных районах и в центрах крупных населенных пунктов. Наиболее важнымиисточниками микроэлементов здесь являются предприятия, транспорт и коммунальныесточные воды. Однако из-за воздушного переноса на большие расстояния микроэлементов-загрязнений,особенно тех, которые образуют летучие соединения (например, As, Se, Sb, Hg),стало трудно определять природный фоновый уровень некоторых микроэлементов впочвах.
В дополнение к воздушнымисточникам микроэлементов следует также отметить поступление последних в почвыс удобрениями, пестицидами и при орошении. Важным источником загрязнения почв внекоторых промышленных районах могут быть отвалы металлургических заводов ирудников за счет мобилизации и переноса тяжелых металлов просачивающейся черезних водой или разноса пыли ветром. Влияние орошения сточными водами на составпочв вызывает особенно серьезное беспокойство, оно было предметом большогочисла исследований и многих законодательных мер. Рекомендуемые стандарты иинструкции по предотвращению накопления микроэлементов при орошении полей стокаминаходятся еще в стадии разработки и обсуждения. Есть участки почв, на которыхпредельные уровни уже превышены – в огородах, фруктовых садах и других местах –за счет загрязнения от промышленных источников или обильного и многократного орошениясточными водами. Высокое содержание тяжелых металлов в стоках – наиболее важноепрепятствие для использования последних в сельском хозяйстве.
Рельеф создаетмикроклимат и вызывает значительные различия в развитии профилей. Наиболеекрутые склоны образуют более поверхностные почвы и меньшую профильнуюдифференциацию. Подвижные элементы быстро выщелачиваются с верхних слоев почвыи вновь осаждаются в нижней части склона на площадях с более пологим рельефом.Известь часто отлагается в таких районах и придает почве более высокуюкислотность (рН) в нижней части склона. Плохо дренированные почвы в районах снизким рельефом обычно имеют более высокое содержание органических веществ, чемдренированные участки ландшафта. Именно здесь образуются торфяные болота.
3. Сущность геохимическойоценки урбанизированных территорий
В настоящее время сетькрупных городов становится главным источником локальных влияний на природнуюсреду, что определяет необходимость специальных исследований по геохимическойоценке урбанизированных территорий. Опыт исследований в области геохимиитехногенеза свидетельствует о том, что степень концентрации в ландшафтенекоторых веществ-загрязнителей в общем отражает интенсивность поступления их вокружающую среду с отходами различных производств. Выявление икартографирование техногенных аномалий могут быть положены в основу оценкиантропогенного воздействия на исследуемую территорию. При изученииантропогенных потоков непременно предполагается анализ их распространения сфиксацией на местности в зонах или сферах влияния тех или иных хозяйственныхобъектов. Зона влияния рассматривается как область обмена геотехническойсистемы со средой веществом и энергией через подвижные компоненты: водные ивоздушные массы, животные и растения. Выявление т оконтуривание зон влиянияпроводятся в процессе картографирования территории.
Целесообразный уровеньисследований загрязнения — мезотерриториальный, соответствующий уровню районныхпланировок, когда картографирование ведется в определенном диапазоне масштабов- от 1:25000 до 1:300000. Карты инвентаризации антропогенных комплексов сами посебе должны быть результатом анализа и синтеза экономико-географических и химико-технологическихданных; они основываются на оценке хозяйственного объекта как потенциальногоисточника загрязнения. Содержание такой карты должно опираться, с однойстороны, на классификацию типов производства, с другой — на классификациювыбросов, загрязняющих компоненты природной среды.
Наиболее доступны дляколичественного измерения показатели изменения состава, количества исоотношения веществ в природных комплексах. В первую очередь это относится квеществам-загрязнителям, вредным для здоровья человека. При этом особенно важенвопрос о выборе веществ-индикаторов, наиболее ярко характеризующих изучаемыйтип воздействия. Карты такого рода позволяют восстановить пути распространенияантропогенных потоков, оконтурить зону влияния хозяйственных объектов и выявитьпространственную структуру таких зон.
Таким образом, работа посоставлению оценочных карт должна включать следующие этапы: 1)картографирование природных ландшафтно-геохимических систем и определения ихустойчивости к антропогенным воздействиям; 2) инвентаризационноекартографирование хозяйственных объектов и определение их как потенциальныхисточников загрязнения; 3) выбор показателя, дающего качественную иколичественную характеристику загрязнения, и составление карт распределенияэтого показателя; 4) картографирование антропогенных ландшафтов и их групп сбонитировкой по выбранному показателю. Общее свойство всех типов промышленныхотходов — широкий комплекс микроэлементов-примесей, в составе которого частонаблюдаются элементы, известные отрицательным влиянием на живые организмы(кадмий, ртуть, свинец, мышьяк). Учитывая токсичный и канцерогенный характернекоторых микроэлементов, необходимо проводить специальные исследования позагрязнению среды микроэлементами. Кроме того, концентрация их в ландшафте служиткосвенным индикатором распространения других вредных веществ, связанных свыбросами промышленного производства: мелкодисперсной пыли, окислов углерода,серы, азота, органических соединений и т.п.
Эти обстоятельствапозволяют рассматривать накопление микроэлементов в природных средах в качествеодного из важных оценочных показателей загрязнения территории промышленнымиотходами. Техногенные аномалии в снеговой пыли и в верхнем горизонте почвотражают загрязнение атмосферного воздуха. Такая аномалия представляет собойореол рассеяния, центр которого — территория источника. Поскольку механизмформирования техногенных ореолов и потоков рассеяния во многом сходен смеханизмом формирования вторичных ореолов рудных месторождений, к изучениютехногенных аномалий целесообразно применять методы прикладной геохимии,разработанные для целей геохимических поисков полезных ископаемых. Выделение икартографирование аномалий проводится на примере почв как депонента, фиксирующегокартину многолетнего распределения выпадений из атмосферы пыли антропогенногопроисхождения.
Изучение промышленногозагрязнения проводится путем геохимического картирования ключевых участков,связанных с промышленно селитебными территориями и зонами их влияния. Первыйэтап исследования — характеристика содержания микроэлементов в природных почвахв зависимости от ландшафтных особенностей территории. В результатеустанавливаются опорные фоновые содержания всех исследуемых элементов; этиданные ложатся в основу определения уровня аномальности наблюдаемыхконцентраций элементов. Второй этап — характеристика промышленно-селитебныхтерриторий и их частей путем исследования геохимических выборок. Третий этапсвязан с исследованием пространственного распределения содержаниямикроэлементов и их комплексов, с оконтуриванием аномалий разного уровня, т.е.непосредственно с геохимическим картографированием городских территорий и зоних влияния.
4. Практическая задача 1(проба 2168)
1. На основесправочных материалов устанавливается фоновое содержание микроэлементов впочвенном покрове АР Крым.
2. На основефактических материалов вычислить коэффициент концентрации.
3. Проанализироватьвычисленный коэффициент концентрации (сгруппировать данные в три блока: 1-накапливающиеся по сравнению с фоном; 2 — находящиеся на уровне фона; 3 — содержащиеся ниже фоновых значений). Построить гистограмму.
4. Рассчитать суммарныйпоказатель загрязнения для пробы и района.
5. Расчёт выполнитьпоследовательно для 3-х уровней стандартов – СОГ, СОР, СОЛ.
Таблица 1. Фоновоесодержание элементов (стандарты сравнения)Химический элемент Знак Глобальный уровень (кларк), СОГ мг/кг Региональный уровень, мг/кг, СОР Локальный уровень, мг/кг, СОЛ Литий Li 32 20 20 Бериллий Be 3,8 2 2,5 Бор B 12 53 50 Натрий Na 25000 5900 4000 Магний Mg 18700 6100 8000 Алюминий Al 80500 54800 63000 Кремний Si 295000 443000 250000 Фосфор P 930 740 630 Хлор Cl 170 690 - Калий K 25000 19000 - Кальций Ca 29600 11600 40000 Скандий Sc 10 12 20 Титан Ti 4500 4400 5000 Ванадий V 90 77 100 Хром Cr 83 82 50 Марганец Mn 1000 590 1000 Железо Fe 465000 26600 25000 Кобальт Co 18 10 15 Никель Ni 58 33 32 Медь Cu 47 22 25 Цинк Zn 83 52 100 Галлий Ga 19 10 10 Германий Ge 1,4 - 1,2 Мышьяк As 1,7 - - Селен Se 0,05 - - Бром Br 2,1 - - Рубидий Rb 150 84 - Стронций Sr 340 130 - Иттрий Y 29 39 25 Цирконий Zr 170 450 200 Ниобий Nb 20 17 15 Молибден Mo 1 1 1 Серебро Ag 0,7 - 0,32 Кадмий Cd 0,13 - - Олово Sn 2,5 3,9 8 Сурьма Sb 0,5 - - Йод I 0,4 - - Цезий Cs 3,7 3,7 - Барий Ba 650 430 320 Лантан La 29 38 25 Церий Ce 70 - - Иттербий Yb 0,33 4 3,2 Гафний Hf 1 - - Ртуть Hg 0,083 16 - Таллий Ta 1 - - Свинец Pb 16 - 20 Торий Th 13 - - Уран U 2,5 - - Висмут Bi 0,009 - - Вольфрам W 1,3 - -
Таблица 2. Результатыгеохимического изучения пол-ва Казантип, Керченский полуостров, Ленинский р-нАР Крым (проба 168)
Cu
10-4
Pb
10-4
Co
10-4
Ni
10-4
Zn
10-4
Mo
10-5
Cr
10-3
V
10-3
Ti
10-2
Sn
10-4 15 20 12 32 63 1 80 80 50 2,5
Mn
10-3
Ba
10-3
Be
10-4
Nb
10-4
Zr
10-3
Ga
10-4
Ag
10-5
Bi
10-4
Ge
10-4
Sc
10-4 100 10 2 15 40 10 2,5 1,2 12
Li
10-3
P
10-2
Y
10-3
Yb
10-4
Al
100
Fe
100
Ca
100
Si
100
Mg
10-1
Na
10-1 1,5 10 1,5 8 4 12 32 32 5
Проба 168
элемент
Фоновые содержания
Проба 168 коэффициенты концентрации
Кларк
СОР
СОЛ
Кларк
СОР
СОЛ 15 Li 32 20 20 0,46875 0,75 0,75 2 Be 3,8 2 2,5 0,05263 1 0,8 B 12 53 50 500 Na 25000 5900 4000 0,02 0,0847 0,125 32000 Mg 18700 6100 8000 1,71122 5,2459 4 80000 Al 80500 54800 63000 0,99378 1,4598 1,2698 32000 Si 295000 443000 250000 0,10847 0,0722 0,128 1000 P 930 740 630 0,10752 1,3513 1,5873 Cl 170 690 - K 25000 19000 - 120000 Ca 29600 11600 40000 4,05405 10,3448 3 12 Sc 10 12 20 1,2 1 0,6 5000 Ti 4500 4400 5000 1,1111 1,1363 1 80 V 90 77 100 0,8888 1,0389 0,8 80 Cr 83 82 50 0,9638 0,9756 1,6 1000 Mn 1000 590 1000 1 1,6949 1 40000 Fe 465000 26600 25000 0,08602 1,5037 1,6 12 Co 18 10 15 0,6666 1,2 0,8 32 Ni 58 33 32 0,5517 0,9696 1 15 Cu 47 22 25 0,3191 0,6818 0,6 63 Zn 83 52 100 0,7590 1,2115 0,63 10 Ga 19 10 10 0,5263 1 1 1,2 Ge 1,4 - 1,2 0,8571 1 As 1,7 - - Se 0,05 - - Br 2,1 - - Rb 150 84 - Sr 340 130 - 15 Y 29 39 25 0,5172 0,3846 0,6 400 Zr 170 450 200 2,3529 0,8888 2 15 Nb 20 17 15 0,75 0,8823 1 1 Mo 1 1 1 1 1 1 Ag 0,7 - 0,32 Cd 0,13 - - 2,5 Sn 2,5 3,9 8 1 0,6410 0,3125 Sb 0,5 - - I 0,4 - - Cs 3,7 3,7 - 100 Ba 650 430 320 0,1538 0,2325 0,3125 La 29 38 25 Ce 70 - - Yb 0,33 4 3,2 Hf 1 - - Hg 0,083 16 - Ta 1 - - 20 Pb 16 - 20 1,25 1 Th 13 - - U 2,5 - - 1,5 Bi 0,009 - - 166,66 W 1,3 - - Суммарный показатель загрязнения Zc (Кларк) Zc (СОР) Zc (СОЛ) 8,07637 25,1482 15,0571
Накапливающиеся элементыПроба 168 Коэффициенты концентрации Элементы Кларк Элементы СОР Элементы СОЛ Mg 1,71122 Mg 5,2459 Mg 4 Ca 4,05405 Al 1,4598 Al 1,2698 Sc 1,2 P 1,3513 P 1,5873 Ti 1,1111 Ca 10,3448 Ca 3 Zr 2,3529 Mn 1,6949 Cr 1,6 Pb 1,25 Fe 1,5037 Fe 1,6 Bi 166,66 Co 1,2 Zr 2 Zn 1,2115
/>
Рис.1. Элементы Кларк
/>
Рис.2. Элементы СОР
/>
Рис.3. Элементы СОЛ
Список использованныхисточников
1. Гончарук Е.Н.,Сидоренко Г.И. Гигиеническое нормирование химических веществ в почвах. – М.:Медицина, 1986.- 320 с.
2. Корженевский В.В.Геоаномальные зоны и биота. Конспект лекций. – Ялта: ЯИМ, 2002. – 231 с.