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
-
Характер и степень влияния химических загрязняющих веществ на общую экологическую обстановку, отдельные биогеоценозы и компоненты биосферы неодинаковы в...
-
По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тыс....
-
Введение - Влияние химических загрязнителей на биосферу
В середине XX столетия резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящим к острым токсико-экологическим...
-
Под совместным воздействием природных энергетических факторов -- солнечной радиации, гравитационных и тектонических сил, химической и биогенной энергии...
-
Поверхностные слои почв легко загрязняются. Большие концентрации в почве различных химических соединений -- токсикантов пагубно влияют на...
-
Загрязнения почв минеральными удобрениями - Загрязнения почвы химическими веществами
Почвы загрязняются и Минеральными удобрениями, Если их используют в неумеренных количествах, теряют при производстве, транспортировке и хранении. Из...
-
Мир опасностей, угрожающих человеку, весьма широк и непрерывно нарастает. В производственных, городских, бытовых условиях на человека воздействуют...
-
Атмосферный воздух и действие загрязняющих веществ на растения Воздушная оболочка Земли выполняет многочисленные функции. Она служит средой обитания и...
-
Вещества, попадающие с выхлопными газами в атмосферный воздух, а затем, оседают на почву. Почвы обладают способностью удерживать и сохранять как...
-
Влияние химических веществ на организм человека - Загрязнения окружающей среды
В настоящее время хозяйственная деятельность человека все чаще становится основным источником загрязнения биосферы. В природную среду во все больших...
-
Основные загрязняющие вещества Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот...
-
Химические превращения загрязняющих кислотных веществ в атмосфере. - Кислотные дожди
Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим воздействиям в атмосфере. Эти процессы идут...
-
В этой главе рассмотрим последствия негативного влияния человека на окружающую среду: на атмосферу, гидросферу, почвы, растительный и животный мир....
-
Атмосфера обладает мощной способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Движение воздуха приводит к рассеиванию примесей. Пылевые частицы выпадают...
-
Вступление, Химическое загрязнение биосферы. - Химическое загрязнение среды
Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и...
-
Органические загрязнители Десятки миллионов тонн органических соединений, в том числе миллионы тонн ПАВ, ежегодно поступают в атмосферу и водоемы из...
-
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ, Основные загрязняющие вещества - Загрязнения атмосферы
Основные загрязняющие вещества Свой контрольную я начну с обзора тех факторов, которые приводят к ухудшению состояния одной из важнейших составляющих...
-
Загрязняющие вещества: определение и анализ В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными...
-
Кислород играет важнейшую роль в жизни большинства живых организмов на нашей планете. Он необходим всем для дыхания. Кислород не всегда входил в состав...
-
Химическое загрязнение природных вод - Биосфера. Воздействие человека на биосферу
Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного...
-
Химическое загрязнение биосферы, Источники загрязнений - Химическое загрязнение окружающей среды
В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем...
-
Функции биосферы в развитии Земли - Основы экологии
В развитии природы Земли одной из важнейших функций биосферы является превращение космических излучений в электрическую, химическую, механическую,...
-
Стойкость заражения - Экологические последствия применения химического оружия
Под стойкостью ОВ, с одной стороны, понимают продолжительность их нахождения на местности или в атмосфере как реальных материальных веществ, с другой...
-
К Общепланетарным экологическим проблемам в современном обществе относятся: Производство в интересах господствующих групп, наносящее ущерб окружающей...
-
Кислотный "дождь" - Влияние атмосферных загрязнителей на растительность
В последние годы обнаружено еще одно явление, связанное с загрязнением атмосферы и оказывающее влияние на биологические объекты. Это - кислотный "дождь",...
-
Влияние радиоактивных веществ на растительный и животный мир - Загрязнения атмосферы
Некоторые химические элементы радиоактивны: их самопроизвольный распад и превращение в элементы с другими порядковыми номерами сопровождается излучением....
-
Классификация загрязняющих веществ - Проблемы экологии биосферы
Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - газообразные и...
-
При исследовании антропогенного воздействия загрязняющих веществ на почвенный покров необходимым является комплексная оценка степени загрязнения почвы. О...
-
Введение - Влияние производства серной кислоты на биосферу
Цель моего реферата - изучить влияние производства серной кислоты на биосферу. Для этого я поставил следующие задачи: - Изучить литературу по данному...
-
Кругооборот веществ в биосфере - Биохимические кругообороты в природе
Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических компонентов длятся миллионы лет и за такое время химические элементы должны были перейти из...
-
Влияние радиоактивных веществ на растительный и животный мир - Загрязнение атмосферного воздуха
Некоторые химические элементы радиоактивны: их самопроизвольный распад и превращение в элементы с другими порядковыми номерами сопровождается излучением....
-
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ, ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА - Атмосфера. Проблемы загрязнения
ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА Хочется начать с обзора факторов, приводящих к ухудшению состояния атмосферы - одной из важнейших составляющих биосферы....
-
Пестициды, Синтетические поверхностно-активные вещества - Химическое загрязнение окружающей среды
Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие...
-
Геохимические циклы (geochemical cycles; н. geochemische Kreisprozesse, geochemischer Kreislauf; ф. cycles gйochimiques; и. ciclos geoquнmiсоs) -...
-
На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное...
-
Различают природную, сточную и денатурированную воду. Природная вода - это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием...
-
Современная цивилизация осуществляет невиданное давление на природу. Загрязнение природной среды промышленными выбросами оказывает вредное действие на...
-
Загрязнение окружающей природной среды есть внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных...
-
Какие загрязнители (поллютаны) представляют наибольшую опасность - Основы экологии
Поллютанты - техногенные загрязнители среды обитания живых существ: воздуха (аэрополлютанты), воды (гидрополлютанты), земли (терраполлютанты). Различают...
-
Влияние загрязнения окружающей среды на человека - Влияние загрязнения окружающей среды на человека
Загрязнение окружающей природной среды есть внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных...
Техногенные потоки веществ в биогеоценозе - Влияние химических загрязнителей на биосферу