Техногенные потоки веществ в биогеоценозе - Влияние химических загрязнителей на биосферу

Характер распределения химических элементов в биосфере -- один из чувствительных параметров изменения геохимической среды при выветривании и загрязнении. Различные микроэлементы образуют устойчивые ассоциации с макроэлементами в разнообразных геохимических условиях. Элементы с ионными потенциалами менее 3 преимущественно существуют в виде свободных ионов, элементы с ионными потенциалами от 3 до 12 стремятся образовывать гидролизованные и комплексные формы. Легкоподвижные элементы дают в водных растворах гидратированные ионы меньших размеров по сравнению с элементами малоподижными (таблица 5). Свободная энергия, которая требуется для образования этих ионов, обычно ниже, чем энергия образования ионов менее подвижных элементов. Поведение элементов в процессах выветривания и почвообразования существенно зависит от устойчивости исходных минералов и пород, а также от электрохимических свойств элементов [12].

По определению А. Е. Ферсмана, Геохимическая миграция -- перемещение атомов химических элементов в земной коре, обычно ведущее к их рассеянию или концентрации. Геохимическое изучение пород и почв показало, что круговорот химических элементов в процессе экзогенеза зависит от физико-химических условий, влияющих на растворимость элементов, которые присутствуют в определенной среде (таблица 6). В зависимости от этих условий химические элементы находятся или в рассеянном состоянии, или накапливаются в процессе миграции. Поведение элементов в почвах и их геохимическая миграция существенно зависят от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий.

Таблица 5

Геохимические ассоциации и некоторые свойства химические элементов

Главные элементы (выделены шрифтом) и ассоциирующиеся с ними микроэлементы

PH осаждения гидроксидов

Ионный радиус, нм

Электроотрица-тельность, кДж/моль

Ионный потенциал(заряд : радиус)

Диаметр гидратирован-ного иона в водном растворе, нм

Fe2+

5,1 - 5,5

0,09 - 0,07

7,5

2,6

0,60

Cu2+

5,4-6,9

0,08

8,4

2,5

0,60

Mo4+

--

0,07

--

5,5

--

Mn2+

7,9 - 9.4

0,1-0,08

6,3

2,0

0,60

Zn2+

5,2 - 8,3

0,09 - 0,07

7,5

2,6

0,60

Fe3+

2,2-3,2

0,07 - 0,06

7,9

4,4

0,90

Со2+

7,2 - 8,7

0,08 - 0,07

7,1

2,6

0,60

Cd2+

8,0 - 9,5

0,103

--

--

--

Ni2

6,7 - 8,2

0,08

7,1

2,6

0,60

Cr3+

4,6 - 5,6

0,07

6,7

4,3

0,90

Mn4+

--

0,06

--

6,5

--

Mo6+

--

0,05

7,5

12,0

--

V5+

--

0,05

--

11,0

--

Al3+

3,8 - 4,8

0,06 - 0,05

6,3

5,5

0,90

Cr6+

--

0,04

--

16,0

--

Sn2+

2,3 - 3,2

0,13

7,5

1,5

--

Ti4+

1,4-1,6

0,07

6,3

5,8

--

Таблица 6

Подвижность элементов в зависимости от условий среды

Степень подвижности

Среда

Элементы

Высокая

Окислительная и кислая

В, Вr, I

Нейтральная или щелочная

В, Вr, I, Mo, Re, U, V, W

Восстановительная

Вr, I

Средняя

Окислительная и кислая

Cs, Mo, Ra, Rb, Se, Si, Zn

Кислая

Ag, Au, Cd, Co, Cu, Hg, Ni

Восстановительная, с переменным потенциалом

As, Cd, Co, Cr, F, Fe, Ge, Mn, Nb, Sb, Sn, Ti, U, V

Низкая

Окислительная и кислая

Ba, Be, Bi, Cs, Fe, Ga, Ge, La, Li, Th, Ti, I

Нейтральная или щелочная

Ba, Be, Bi, Ge, Hf, Та, Fe, Zr

Очень низкая

Окислительная и кислая

Cr, Os, Pt, Rh, Ru, Та, Zr

Нейтральная или щелочная

Ag, Au, Cu, Co, Ni, Th, Ti, Zn

Восстановительная

Ag, B, Ba, Be, Bi, Co, Cu, Cs, Ge, Hg, Li, Mo, Ni, Ra, Re, Se, Zn, Zr

В число важнейших процессов, обусловливающих распределение различных элементов в почвах, входят:

    1) выщелачивание из почвы; 2) осаждение; 3) включение в минералы; 4) адсорбция компонентами почвы; 5) сорбция органическим веществом.

В почвенной среде одновременно протекают разнообразные процессы взаимодействия между твердыми и газообразной фазами почвы, живым веществом и почвенным раствором, от которых зависят доминирующая форма соединения элемента и характер его распределения между фазами [12, 13].

Знание доминирующей реакции и формы соединения позволяет прогнозировать миграцию как природных, так и техногенных элементов между компонентами биосферы.

Химические свойства элементов играют ведущую роль при миграции в земной коре, причем растворимость соединений имеет важное значение для главных элементов литосферы.

Химические соединения с ионными связями в водных растворах диссоциируют и тогда мигрируют в форме ионов.

Низкая растворимость кремний и алюмокислородных соединений в воде в условиях земной поверхности препятствует их активной миграции. Наиболее низкую растворимость имеют сульфиды переходных элементов.

Соединения с преобладанием ковалентных связей иногда хорошо растворимы в воде, однако они слабо диссоциируют в водных растворах и мигрируют в виде комплексных ионов или комплексных радикалов.

Осаждение хорошо растворимых соединений и образование твердых фаз возможно только при упаривании природных растворов в условиях малого количества осадков и повышенной температуры. Для слаборастворимых соединений типа СаСО3, MgCO3, CaSO4 выпадение в осадок контролируется произведением растворимости (ПР).

С ионами группы переходных элементов анионы поверхностных водбразуюткомплексные соединения, что играет важную роль в (геохимической миграции тяжелых металлов, в том числе свинца, ртути, кадмия, олова. Многие внутрикомплексные соединения -- хелаты -- хорошо растворимы в воде и способствуют переносу ионов металлов в поверхностных и грунтовых водах. По мнению А. И. Перельмана, образование комплексных ионов способствует повышению растворимости большинства металлов. Химический элемент связывается в форме устойчивого, хорошо растворимого комплексного соединения. Так, например, растворимость ртути значительно возрастает вследствие образования устойчивых ртутьорганических комплексов [13,14].

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов в первую очередь характеризуется значениями рН и окислительно-восстановительного потенциала ЕH среды миграции. В условиях низких значений рН значительно возрастают растворимость и миграционная способность металлов. Такие катионы, как Со3+, Cr3+, Bi3+, Sn2+, Th4+, Zn4+, Sb3+, Fe3+, могут мигрировать только в кислых растворах и легко осаждаются при повышении рН. В обычных незагрязненных природных водах, имеющих нейтральную реакцию, содержание таких элементов невелико. А. И. Перельман (1965) отмечал, что низкое содержание в водах таких катионов, как Zn2+, Pb2+, Ni2+, Co2+, Mn2+, Ag+ Cd2+, V3+, La3+, вызвано возможностью их нахождения в растворе при относительно высоких уровнях кислотности, тогда как повышение рН растворов вызывает выпадение в осадок гидроксидов. Высокие значения рН способствуют миграции таких элементов, как Cr6+, Мо6+, As5+, V5+, подвижных в щелочных растворах с рН > 7.

Значительное число реакций в зоне активной миграции химических элементов происходит по типу окислительно-восстановительных реакций. Активными окислителями являются кислород, галогены, Fe3+, Mn4+, As5+, V5+, Cr6+, S6+; активными восстановителями -- Fe2+, Co2+, Mn2+, S2-. Окислительно-восстановительный потенциал ЕH является важной геохимической константой природных растворов, определяющей способность к окислению или восстановлению ионов. Эта способность зависит от присутствия одного или нескольких компонентов, определяющих направление окислительно-восстановительных реакций; к ним относятся свободный кислород, органические соединения, сероводород, ионы Fe2+ и Fe3+, Мn2+ и Мn4+. Удобным индикатором окислительно-восстановительного состояния среды может быть железо. Присутствие железа (II) говорит о наличии восстановительных процессов, а железа (III) (бурые, желтые, красноватые гидроксиды) -- окислительных.

Важную роль в процессах геохимической миграции химических элементов играют алюмосиликатные и органические коллоиды, имеющие отрицательный заряд и обладающие значительной способностью к сорбции катионов калия, бария, никеля, кобальта, меди, цинка, магния, золота, вольфрама, аммония, натрия. Коллоиды гидроксидов железа адсорбируют анионы фосфорной кислоты, ванадия, мышьяка. Адсорбционная способность ионов обычно хорошо коррелирует со скоростью выщелачивания.

Резкие изменения скорости миграции и темпов накопления химических элементов вызываются наличием так называемых геохимических барьеров. Выделяют следующие геохимические барьеры:

    1) биогеохимические, вызванные интенсивным закреплением значительного числа макро - и микроэлементов живыми организмами; 2) физико-химические, увеличивающие или уменьшающие подвижность элементов за счет изменения степени окисления, адсорбции, образования гидроксидов, сульфидов и т. п.

Различают барьеры окислительные, восстановительные, глеевые, восстановительные сульфидные, сульфатно-карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические;

3) механические, возникающие при изменении скорости воздушных или водных потоков, и вследствие фильтрационных эффектов. Роль механического барьера могут исполнять пористые известняковые породы, песчаные и глинистые прослои в толще породы и т. п.

Геохимические барьеры не остаются вечно неизменными; по мере накопления на геохимических барьерах различных веществ возможно разрушение исходных и образование новых барьеров. Например, первоначально иллювиальный карбонатный горизонт формируется в результате миграции кальция или интенсивного поступления СО2; при этом образуется кальцит. Далее горизонт кальцита выступает как Щелочной карбонатный барьер для большой группы элементов: Sr, Pb, Zn, Cd, Со, Сu.

Ряд веществ при миграции теряет подвижность и задерживается на геохимическом барьере. В случае кумулятивного накопления на геохимических барьерах тяжелых металлов даже в слабоподвижных формах нарушается геохимическая устойчивость систем и они загрязняются, но при этом потоки вещества очищаются за счет удержания токсикантов, что ограничивает сферу загрязнения. Например, при поступлении вредных компонентов в составе газопылевых выбросов растительный покров является барьером, задерживающим техногенные потоки. Загрязненные воды проходят через почву, очищаются от техногенных продуктов, но сама почва в результате загрязняется. Компоненты техногенного потока, не задержанные почвой, проникают в нижележащие горизонты, достигают уровня почвенно-грунтовых вод и загрязняют их. Однако в водоносном горизонте и над ним продолжают действовать геохимические барьеры различного типа: сорбционные, восстановительные.

Ландшафтно-геохимические барьеры обладают различной проницаемостью для техногенных потоков и определенной емкостью по отношению к отдельным техногенным компонентам и ко всей их совокупности. Так, емкость щелочного барьера в почвах измеряется количеством карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки. Емкость сорбционного барьера зависит от емкости поглощения почв и мощности сорбирующего слоя. Емкость восстановительных и окислительных барьеров зависит от количества восстановителей или окислителей, что обусловлено микробиологической активностью среды [14].

Мощные техногенные потоки могут разрушить геохимические барьеры, создавать новые и вызывать коренные изменения в системе сопряженных ландшафтов, образуя (по А. И. Перельману) "техногенные геохимические барьеры". Техногенные барьеры можно создавать, усиливая некоторые природные барьеры или формируя новые на пути техногенных потоков (рис. 12).

Похожие статьи




Техногенные потоки веществ в биогеоценозе - Влияние химических загрязнителей на биосферу

Предыдущая | Следующая