Лекция 4. Экологическая геохимия ГЕОХИМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ В БИОСФЕРЕ И ИХ ОЦЕНКА Начало

Лекция 4. Экологическая геохимия
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ АНОМАЛИИ В БИОСФЕРЕ И ИХ ОЦЕНКА
Начало
геохимическому
изучению
биосферы
положил
В.И
Вернадский. Он же сформулировал четыре главных закона геохимии как
постулаты.
Первый закон
Вернадский. сформулировал образно. Это закон
всюдности. В каждой песчинке или капле воды, можно обнаружить все
известные химические элементы. Это постулат о вездесущем присутствии
химических элементов. Если какой либо из них вы не обнаружили в вашем
образце, это не означает, что его здесь нет -
просто недостаточна
чувствительность того метода, которым вы определяете этот элемент. Этот
постулат пока находит подтверждение практикой. До сих пор не удалось
обнаружить
абсолютно чистых веществ,
даже при самой высокой
чувствительность современных методов анализа. Что это означает? А
означает то, что не существует
значений
концентраций нулевых или
наоборот - сто процентных.
Второй закон - закон о миграции химических элементов, о вечном их
движении. Они постоянно мигрируют,
хотя и скорость миграции имеет
широкий диапазон от скоростей близких к скорости света и до диффузии
атомов или ионов, когда скорость может составлять всего доли мм за сотни
или тысячи лет.
Третий закон. О многообразии
структурных форм химических
элементов. Нет абсолютно застывших форм материи, все течет,
все
изменяется, но с очень разной скоростью. Химические элементы находятся в
природе в различных формах - атомарном и ионном состоянии, самородном,
как золото и углерод, или в молекулярной форме - вода, газы; химические
соединения. оксиды, сульфиды, силикаты. Растворы - жидкие и твердые, в
разных растворителях; минералы и изоморфные смеси, горные породы и их
1
расплавы, живые организмы, планеты и звезды, звездная пыль и т.д. Разные
структурные комбинации атомов это способность их соответствовать
изменяющимся внешним условиям природной среды. При этом более
сложные
комбинации
это
возможность
большей
аккумуляции
потенциальной энергии, но с минимумом энтропии. Жидкая магматическая
лава горячая и плохо структуирована. При остывании она часть энергии
аккумулирует в связи между атомами в зарождающихся кристаллах, а часть
энергии теряется
бесполезно для данной системы в виде теплового
рассеяния.
Четвертый закон. О преобладании рассеянного состояния над
концентрированным. Этот постулат достаточно очевиден. Мы видим, что на
земле много пустых горных пород и гораздо меньше руд. Мы видим сколь
огромные массы планет, а еще больше солнца и звезд, но в межзвездном
пространстве общая масса материи
намного
ее превосходит. Почему
рассеянного вещества больше, чем концентрированного? Наверное, потому,
что, согласно второму закону термодинамики, самопроизвольно идут те
процессы, направленность которых связана с уменьшением свободной
энергии, а это и есть рассеивание. Теория Большого Взрыва также
показывает, что рассеивание вещества и энергии для нынешнего состояния
Вселенной есть главная характеристика ее состояния.
Понятия нормы и аномалия в геохимии, в том числе и поисковой
геологии тесно связаны с математическими понятиями среднего и вариаций
как отклонения от среднего, т.е подчиняется законам теории вероятности.
Дело в том, что распределение концентраций химических элементов в
земной коре как и биосфере связано с действием многих законов
и
наложение их определяет вероятностный характер численного значения в
каждой конкретной точке на данный момент времени.. Но величина
отклонения при этом имеет ограничение, связанное с доминирующим
влиянием некоторого закона. Например, возьмем гранит. Мы знаем, что,
2
несмотря, на то, что гранит в разных районах Земли будет по химизму
несколько отличаться, но лишь в определенных рамках, иначе это будет уже
другая порода. Студенты по такому случаю говорят: «гранит он и в Африке
гранит». Точно также каждый ландшафт биосферы характеризуется своими
рамками или диапазоном колебаний всех химических веществ и элементов, к
которому биота была вынуждена приспособиться, если хотела освоить
данное
пространство.
В
математике
этот
диапазон
называется
математическим ожиданием случайной величины. Однако в некоторых
уголках этого ландшафта, могут возникнуть условия, в которых этот
диапазон окажется преодоленным и это будет уже аномалия. Другой вопрос
как отреагируют организмы на эту геохимическую аномалию. Возможно
одни виды никак, а другие плохо. Поэтому в биогеохимии вопросы
нормирования химического состава достаточно сложные и неоднозначные. И
здесь вместо понятия геохимической аномалии чаще используется понятие
химического загрязнения как существенного отклонения от нормы, хотя
строго определения этому нет. Для оценки степени
загрязнения
используется большое количество показателей.
Классы опасности
К числу вредных веществ относятся многие из металлов, которые в
экологии именуют тяжелыми металлами (с атомной массой большей, чем у
железа, хотя это вовсе и не обязательно). По степени токсичности
загрязняющие вещества например в почве делятся на три класса опасности,
первый из которых объединяет наиболее токсичные вещества: мышьяк,
кадмий, ртуть, свинец, селен, фтор, бензапирен, ко второму классу - бор,
кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром; к третьему классу –
марганец, ванадий, вольфрам, барий, стронций
Показатели вредности
3
Само по себе содержание того или иного количества в компонентах
окружающей среды металла в почве еще ни о чем не говорит: важно знать
форму его присутствия, от чего зависит
растворимость и подвижность
металла. Например, бериллий металл весьма опасный в растворах, но
присутствие его в таких минералах как слюды или бериле совершенно
безразлично для организмов, так как в решетках этих минералов он прочно
связан. Другое дело если металлы находятся в растворах, тогда они легко
попадают
в
питательные
для
растений
растворы
и
потом
могут
накапливаться в их тканях и попадать к нам на стол.
Но растворы растворам рознь – есть кислые есть щелочные и они
обладают разной растворяющей способностью к тем или иным металлам,
хотя большинство из них легче растворяются в кислых. Поэтому оценка
загрязнения
учитывает
и
так
называемые
показатели
вредности:
)транслокационный, водный, воздушный, валовый, которые учитывают
форму и степень подвижности веществ в изучаемых средах.
Предельно допустимые концентрации и категории загрязнения
Для некоторых элементов и их соединений разработаны так
называемые ПДК предельно допустимые концентрации, которые более всего
соответствуют Са – наименьшему (пороговому) значению, выше которого
уже лежит область аномальных значений. Казалось бы ну и прекрасно. Коль
для меня эти концентрации уже недопустимые, следовательно, я здесь жить
не должен, но если государство полагает, что для блага общества я должен
пожертвовать свои здоровьем, оно мне обязано компенсировать его потерю.
Однако не все так просто. Давайте посмотрим, что говориться по этому
поводу в так называемых СНИПах (санитарно-нормативные правила,
регламентирующие в РФ оценку уровней
неорганического химического
загрязнения сред). В них ПДК вовсе не является границей чистой и
загрязненной почвы. И даже для того малого круга веществ для которых
4
разработаны ПДК или ОДК, оценка загрязнения все равно ужасно
усложнена. Создается впечатление, что специально, чтобы «напустить
туману»
Основным
критерием
гигиенической
оценки
загрязнения
почв
химическими веществами является предельно допустимая концентрация
(ПДК), или ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) химических
веществ в почве.
Оценка степени опасности загрязнения почвы химическими веществами
проводится
по
каждому
веществу
с
учетом
следующих
общих
закономерностей:
- Опасность загрязнения тем выше, чем больше фактическое содержание
компонентов загрязнения почвы превышает ПДК, что может быть выражено
коэффициентом Ко=С/ПДК, т.е. опасность загрязнения тем выше, чем
больше Ко превышает единицу.
- Опасность загрязнения тем выше, чем выше класс опасности
контролируемого вещества, его персистентность, растворимость в воде и
подвижность в почве и глубина загрязненного слоя.
- Опасность загрязнения тем больше, чем меньше буферная способность
почвы, которая зависит от механического состава, содержания органического
вещества, кислотности почвы. Чем ниже содержание гумуса, рН почвы и
легче механический состав, тем опаснее ее загрязнение химическими
веществами.
И хотя все химические вещества разделены на три класса опасности,
введены словесные четыре категории опасности, но при этом численно они
соответствуют трем диапазонам содержаний. Первый диапазон
- от 2
фоновых значений до ПДК это слабое загрязнение для всех трех классов
веществ. Второй диапазон - от ПДК до максимального значения (Кмах)
любого из так называемых показателей вредности, учитывающему форму
присутствия вещества: воздушную, водную, транслокационную, валовую.
5
Для
веществ первого класса опасности этот диапазон считается очень
сильным загрязнением, а вот для второго класса, лишь сильным, а для
третьего класса вообще средним. И третий диапазон – значение выше К мах.
Для веществ первого и второго класса опасности это очень сильное
загрязнение, а для третьего – сильное.
Оценочная шкала для органических веществ предусматривает деление
их на три класса опасности, те же четыре словесные категории, три
численных диапазона, но иные; 1) от 1 до 2ПДК; 2) от 2 до 5ПДК; 3) свыше 5
ПДК. Спрашивается, почему загрязнение выше 5ПДК очень сильное для
второго класса и просто сильное для третьего класса. Предельная допустимая
концентрация она предельная для любого вещества. Просто для очень
токсичного оно численно должно быть меньше чем для менее токсичного.
Европейские оценочные шкалы загрязнения более жесткие, но более
конкретные, они просто численные для каждого вещества свои значения
нормы и все тут.
Существует
своя
методика
поликомпонентного
загрязнения
несколькими веществами. Прежде всего, надо вспомнить, что все познается в
сравнении. И не просто в сравнении, но с эталонами.
Коэффициент концентрации и коэффициент загрязнения.
Если поделим численное значение содержания вещества в конкретной
пробе на его фоновое значение, то это будет показатель отклонения от фона
Кс=Сi/Сф. Если
это отношение больше единицы, то можно говорить о
коэффициенте концентрации, если меньше единицы, то
это
будет
коэффициент рассеивания.
И если взять отношение Ci к ПДК, то если оно будет больше единицы,
то это будет коэффициент загрязнения
6
Суммарный показатель загрязнения
Применяется для оценки поликомпонентного загрязнения и для
валового определения содержания металлов спектральным анализом.
Суммарный показатель загрязнения
равен
сумме
коэффициентов
концентраций
химических
элементов-
загрязнителей
и выражен формулой:
Zc = сумма (Ki + ... + Kn) - (n-1), где
n - число определяемых суммируемых вещества;
Кi - коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения.
Анализ распределения геохимических показателей, полученных в
результате апробирования почв по регулярной сети, дает пространственную
структуру загрязнения селитебных территорий и воздушного бассейна, и
позволяет выделить зоны риска для здоровья населения
Оценка степени опасности загрязнения почв комплексом металлов по
показателю Zс, отражающему дифференциацию загрязнения воздушного
бассейна
городов
как
металлами,
так
и
другими
наиболее
распространенными ингредиентами (пыль, окись углерода, окислы азота,
сернистый ангидрид), проводится по оценочной шкале, приведенной в
СНИПах
Определение химических веществ при оценке уровня загрязнения почв
населенных пунктов по Zc проводят методом эмиссионного анализа в
соответствии с методическими указаниями
Оценка неблагоприятных последствий загрязнения почв при их
непосредственном воздействии на организм человека важна для случаев
геофагии у детей при играх на загрязненных почвах. Такую оценку проводят
по наиболее распространенному в населенных пунктах загрязняющему
7
веществу - свинцу, повышенное содержание которого в почвах города, как
правило, сопровождается увеличением содержания и других элементов. При
систематическом нахождении свинца в почве игровых площадок в пределах
300 мг/кг можно ожидать изменение психоневрологического статуса у детей
Безопасным считается загрязнение свинцом на уровне ПДК в почве.
Оценка почв сельскохозяйственного использования проводится в
соответствии с принципиальной схемой, приведенной в приложении 6 СНИП
Для принятия административных решений о характере использования
земель
в
разной
степени
загрязненных
химическими
веществами
рекомендуется руководствоваться РД "Порядок определения ущерба от
загрязнения земель химическими веществами" (24) с учетом характера
землепользования.
8