Перенос и трансформация загрязнителей в биосфере

Загрязнение окружающей среды происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения.

Геохимическая миграция – неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах.

Основной геохимической мерой качества окружающей среды является содержание химических элементов: массовая доля химического элемента (мкг/г, мг/кг, г/т или %) либо объемная концентрация – масса химического элемента в единице объема (мкг/л, мг/л, г/м3).

Каждая миграционная природная система является одновременно транспортирующей и вмещающей средой. В результате геохимической миграции может происходить как рассеяние химических элементов, так и их концентрирование. Процесс рассеяния химических элементов обусловливается их разбавлением или осаждением из транспортирующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в силу тех или иных физических или химических причин скорость транспортирующего потока в целом или скорость перемещения каких-либо составляющих частиц потока резко уменьшается. Такие участки являются геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки элементов до геохимического барьера может быть названа миграционным потоком или цепью распространения загрязняющего вещества.

Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими. Перемещение происходит в транспортирующих средах в вводно-миграционных и воздушно-миграционных потоках, а также путем биологического поглощения элементов растительностью и далее по цепям питания живых организмов. Транспортирующие среды для живых организмов являются главными жизнеобеспечивающими природными средами. Распространение химических элементов в антропогенезе может происходить и техническими средствами (автомобильные и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.д.).

В процессе миграции происходит распределение химических элементов между природными телами.

Источники антропогенного химического загрязнения имеют, как правило, конкретный адрес. Это могут быть источники, например дымовые трубы или сточные воды, а могут быть и рассредоточенные сельскохозяйственные поля, городские территории. В силу миграции загрязнений в объектах среды они могут складываться от различных источников. В масштабах региона действие множества локальных источников можно рассматривать как один рассредоточенный источник.

Физические процессы массопереноса делят на две группы.

Первая группа — процессы массопереноса в пределах каждой из фаз (почва, вода, атмосфера).

Миграция веществ в пределах одной сферы определяется:

- в водной среде – гидрологическими параметрами;

- в атмосфере – скорость и направление атмосферных течений, определяющиеся метеорологическими условиями;

- в почве – перемещение веществ в результате диффузии и массопереноса.

Миграция веществ в пределах одной сферы определяется только характеристиками процесса переноса в данной сфере. Влияние характеристик переносимого вещества минимально.

Для многих ЗВ с высокой летучестью основной вклад в миграцию в окружающей среде дает перенос с воздушными массами, т.е. определяется не прогнозируемыми пока с достаточной точностью метеоролическими факторами. Для слаболетучих соединений растворимых в воде, массоперенос определяется движением с поверхностным водостоком, перемещением по почвенному профилю с восходящими или нисходящими потоками воды, а также течением реки или перемешиванием, т.е. определяется гидродинамическими факторами. Нелетучие и водонерастворимые соединения могут долго находиться в почве и либо смываются поверхностным стоком в водоемы, либо постепенно проникают в глубинные слои почвы и в грунтовые воды.

Во вторую группу входят процессы, протекающие на границах раздела фаз: улетучивание ЗВ с границы раздела почва — атмосфера, испарение с границы раздела жидкость — атмосфера, процессы сорбции — десорбции растворенных веществ. Сюда же относятся эффекты биоконцентрирования.

Наибольшее значение при перемещении через различные поверхности раздела фаз имеет следующие свойства вещества:

- вода «воздух: давление паров вещества и его растворимость в воде;

- вода «почва: сорбция – десорбция, зависящая от растворимости вещества в воде и от факторов, определяющих его адсорбцию на твердой фазе. Важную роль играет растворимость, коэффициент распределения и теплота растворения данного вещества.

- почва «воздух: адсорбция вещества на поверхности почвы, давление его паров и присутствие воды, которая влияет на перемещение вещества к границе раздела фаз.

- физическая система «биологическая система:

Элементы, поступающие с выпадениями из атмосферы, концентрируются в самой верхней части почв (0–20 см и 0–40 см). В результате техногенных выпадений и аккумулирования почвы начинают трансформировать соединения тяжелых металлов, и в почвенных горизонтах возникают новые металлорганические соединения, которых не было до техногенного загрязнения.

Роль химических свойств вещества становиться более существенной в процессе его перемещения между сферами. Определяющими оказываются термодинамические и кинетические параметры, характеризующие превращение веществ.

Все элементы биосферы в той или иной мере участвуют в процессах массопереноса загрязняющих веществ.

Интенсивность миграции определяется скоростью обмена, перераспределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологических свойств природных систем. В конечном счете интенсивность миграции зависит от ландшафтно-геохимических условий, т.е. от специфики сочетания гидрометеорологических, литолого-геохимических и почвенно-ботанических характеристик конкретной территории. Численно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого-либо индекса или коэффициента, т.е. относительного показателя, сопоставляющего содержание химических элементов или их объемную концентрацию в фиксированном наблюдении, массе или моменте, по отношению к такому же состоянию природного объекта, принимаемого за базовый (исходное состояние – до начала геохимического преобразования). Применительно к прикладным геохимическим исследованиям в качестве базового чаще всего принимается фоновое содержание. Фоновое содержание – среднее содержание химических элементов в природных телах по данным изучения их естественной вариации (статистических параметров распределения). Геохимический фон – понятие местное, локальное – средняя величина природной вариации содержаний химических элементов. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к геохимическому фону, называются коэффициентами аномальности (контрастности). Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к среднему содержанию химического элемента в литосфере (кларку), в какой-либо геохимической системе (почве, горной породе, растительности и т.д.) или ее таксономической части (тип почвы, тип горной породы и т.д.), называются кларками концентрации.

В результате миграции химических элементов по природным транспортным каналам в окружающей среде образуются геохимические аномалии.

Геохимическая аномалия – участок территории, в пределах которого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов достоверно отличаются от геохимического фона.

Появление геохимических аномалий всегда связано с природными и неприродными источниками воздействия, не являющимися обязательным компонентом данного типа геологической структуры или ландшафта. В случае антропогенных источников воздействия образуются антропогенные геохимические аномалии.

Химические элементы в воздухе и воде мигрируют в виде двух основных групп форм: растворенной и взвешенной.

В водных потоках многие химические элементы мигрируют преимущественно во взвешенной форме. Поэтому при оценке загрязнения водных систем большое значение приобретает мутность воды.

Общая концентрация химических элементов в растворенной форме в условиях загрязнения определяется прежде всего степенью, а также взаимодействием в системе «вода – биота – твердое вещество».

Химические элементы, связанные со взвешенным веществом, могут присутствовать в виде геохимически подвижных форм (т.е. они могут относительно легко трансформироваться при изменении условий среды) – сорбированные, связанные с органическим веществом, гидроксиды железа и марганца, карбонаты; и в виде неподвижных форм – сульфиды, силикаты, входящие в состав решеток неразложившихся обломочных и глинистых минералов (кристаллическая форма).

В атмосферном воздухе элементы могут находиться в аэрозольной фазе (взвешенная в воздухе, дисперсная) и парогазовой фазе.

При анализе особенностей образования техногенной аномалии за счет выпадений из атмосферы также очень важны представления о формах нахождения химических элементов и прежде всего о соотношении растворенных и взвешенных форм. Практически для всех исследованных химических элементов на относительно удаленных и сравнительно чистых территориях в выпадениях из атмосферы преобладают растворимые формы. Вблизи источников выбросов одновременно с увеличением общей массы выпадающей пыли и степени концентрации в ней элементов резко уменьшается доля растворимых форм (кроме Cd).

В ходе исследований выяснилось, что выпадениями фиксируется всего лишь 20 – 30 % массы выбросов. Остальная часть выброса рассеивается, поступая в региональные и глобальные миграционные циклы, создавая «фоновое» загрязнение.

Центр наиболее высоких выпадений приурочен к источнику выброса. Морфология потоков рассеяния в урбанизированных зонах и особенности распределения химических элементов и их ассоциаций определяется, прежде всего, закономерностями пространственного распределения выпадений из атмосферы на земную поверхность. Имеется рад физико-математических моделей, описывающих процессы выпадения загрязняющих веществ. Основными параметрами моделей распространения являются мощность и высота источника, высота слоя вымывания, скорость и направление воздушных потоков, гравитационные характеристики примесей, интенсивность осадков.

Миграция загрязняющих веществ на большие расстояния стала международной проблемой, поэтому большое значение имеет наблюдение (констатация) за распространением ЗВ и источниками их поступления в окружающую среду. Принципиальное значение имеют выявление путей миграции ЗВ, количественное описание скорости их распространения в окружающей среде, позволяющее осуществлять математическое моделирование процессов массопереноса и в конечном итоге прогнозировать и регулировать уровень загрязнения окружающей среды в допустимых пределах.

Большое значение для оценки трансграничного воздушного переноса ЗВ на большие расстояния имеет математическое моделирование траектории движения воздуха с определением вдоль нее так называемого сухого или влажного выпадения ЗВ на землю.

Под сухим понимается убыль примеси за счет ее взаимодействия с подстилающей поверхностью, под влажным — процесс захвата примеси облаками и осадками и осаждение вместе с дождем или снегом на почву.

Эти расчеты дают возможность представить вероятностную картину влияния того или иного источника ЗВ на загрязнение окружающей среды.

Миграционные процессы ЗВ в почвах обусловлены рядом факторов, важнейшими из которых являются окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства почв, содержание в них органического вещества, гранулометрический состав, а также водно-тепловой режим и геохимический фон региона.

Захват химических элементов растительностью знаменует их вовлечение в особую форму движения – биологическую миграцию. Учитывая неодинаковое физиологическое значение разных элементов, можно предположить, что интенсивность вовлечения разных элементов в этот процесс неодинакова. Б.Б. Полынов предложил характеризовать интенсивность биологического поглощения химического элемента частным от деления его содержания в золе и горных породах. Этот параметр А.И. Перельман (1975) назвал коэффициентом биологического поглощения Кб. Так, например, расчеты показывают, что молибден в десятки раз интенсивнее аккумулируется растительностью, чем титан.

Все элементы можно разделить по интенсивности биологического поглощения на две группы. К первой относятся те, концентрация которых в золе больше, чем в земной коре. Особенно активно захватываются бор, бром, йод, цинк и серебро (Кб > 10). Ко второй группе относятся элементы с низкой интенсивностью поглощения, имеющие Кб < 1. Некоторые из них присутствуют в земной коре преимущественно в формах, трудно доступных для растений (галлий, цирконий, титан, иттрий, лантан), другие токсичны, поэтому и поглощаются ограниченно (фтор, уран).

Интенсивность биологического поглощения химических элементов не зависит от их содержания в земной коре. Циркония в гранитном слое континентов несколько больше, чем цинка, но интенсивность биологического поглощения циркония в 13 раз меньше. Причина – его слабое участие в биологических процессах и преобладание форм, трудно доступных для растений. Глобальные геохимические закономерности растительности суши, по-видимому, имеют глубокое физиологическое и эволюционное обоснование.

Поглощение химических элементов растениями – процесс, в значительной мере регулируемый организмом в зависимости от характера строения и химического состава клеточных оболочек у разных видов, составляет всего 2–3% от всей массы усвоенных минеральных элементов. Однако регулирование растением поглощения элементов имеет место только при питании из уравновешенных растворов с низкой концентрацией минеральных веществ. При повышении концентрации процессы регуляции в значительной степени подавляются, в результате чего происходит значительное накопление элементов в растительном организме.

При повышении уровня загрязнения инактивация токсикантов в почве становится неполной и поток ионов начинает атаковать корни. Часть ионов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни: хелатировать (связывать) с помощью корневых выделений и адсорбировать на внешней поверхности корней. И все же большое количество токсикантов попадает в корень, где частично адсорбируется на стенках. Если в клетках корня окажется ионов все же больше допустимого уровня, то начинает действовать еще один механизм защиты, переводящий излишек в вакуоли. При продвижении по проводящим тканям растения элементы могут поглощаться ее стенками, а также закомплексовываться присутствующими в клеточном соке органическими соединениями. Для проникновения в клетку листа элементу необходимо преодолеть клеточную мембрану, то есть по аналогии с корнями здесь действует механизм избирательного поглощения.

Помимо поступления тяжелых металлов в растение через корни из загрязненных почв существует еще один путь – поглощение металлов через листовую поверхность из газопылевых выбросов и аэрозолей.

При увеличении поступления химических элементов в природные среды возможно изменение химического состава живых организмов. Мигрируя по пищевым цепям, микроэлементы могут накапливаться в органах и тканях растительных и животных организмов в токсичных концентрациях. Это обстоятельство необходимо учитывать, так как конечным звеном трофической цепи является человек. Сельскохозяйственная продукция и промысловые объекты с превышением уровня ПДК микроэлементов могут оказаться опасными для здоровья человека при использовании их в пищу и в качестве сырья для изготовления медицинских препаратов.

Дата добавления: 2013-12-14