7099

31

Для характеристики биогенной миграции элементов важно определить химический состав организмов, а также интенсивность вовлечения элементов в биологический круговорот.

Кларк живого вещества – это среднее содержание элемента в биосфере.

Он не связан пропорциональной зависимостью с кларком литосферы,

поскольку живое вещество состоит в большей степени из элементов,

образующих газообразные соединения и воду. Если в составе литосферы по массе преобладают слабоподвижные элементы (Si, Al, Fe), то в живом веществе их мало, зато существенно больше биофильных элементов – S, P, Ca, K. Если кислород в литосфере содержится в основном в составе силикатов, то в живом веществе он вместе с водородом образует воду и входит в состав органических соединений.

Наиболее обобщенный показатель интенсивности биогенной миграции элемента – его биофильность (Б), равная отношению кларка элемента в живом веществе к его кларку в литосфере (на сырую массу, т. е. с учетом воды и органических соединений, содержащихся в живых организмах).

Интенсивность поглощения элементов разными сообществами организмов чаще всего определяют через коэффициент биологического поглощения (КБП):

КБП = l/n,

где l – содержание элемента в золе растения; n – его содержание в почве или горной породе, на которых это растение произрастает.

Ранжированные значения КБП образуют ряды биологического поглощения элементов, отражающие особенности биологических циклов элементов на той или иной территории, а также видовые особенности организмов.

Химический состав организмов – важный систематический признак вида.

Геохимический портрет живого организма сформировался в ходе эволюции и закрепился наследственностью. Например, виды растений различаются по

32

содержанию одного и того же элемента. Так, содержание Na в клевере составляет 0,02 %, в люцерне – 0,03 %, в солянке – 3,0 %; содержание Si в

грибах составляет 0,02 %, в клевере – 0,2 %, в хвоще – 3,0 %, в диатомовых водорослях – 3,0 %.

Химический состав вида несет информацию о центре видообразования.

Исследования ученых выявили, что виды растений, центры происхождения которыхнаходились в гумидных областях (береза, осина, зеленые мхи и др.),

концентрируют преимущественно катионогенные микроэлементы (свинец,

цинк, медь) и менее активно поглощают анионогенные (молибден, хром,

ванадий). Виды, сформировавшиеся в аридных ландшафтах (полынь, солянки и др.), накапливают преимущественно анионогенные микроэлементы. Такие биогеохимические особенности видов закрепляются наследственностью и сохраняются даже при смене условий произрастания.

Однако химический состав вида растений не является постоянным, он может изменяться в пределах инварианта в зависимости от химического состава субстратов, на которых произрастают растения. Показатель биогеохимическая активность вида (БХА) выражает активность растений к накоплению микроэлементов. Он рассчитывается как сумма коэффициентов биологического поглощения микроэлементов в золе растения:

БХА = Σ КБП элементов.

Анализ показал, что наибольшая биогеохимическая активность характерна для древесных пород, а из них – для хвойных (сосна). Довольно высоки показатели БХА для растений семейства бобовых и разнотравья.

Пониженную биогеохимическую активность к поглощению микроэлементов проявляют осоки и злаки. Иногда показатель БХА рассчитывают отдельно для катионо- и анионогенных элементов, чтобы выявить центры их видообразования.

33

Практическая работа 4

Цель работы: проанализировать интенсивность биологического поглощения микроэлементов растениями. Выявить видовые особенности накопления элементов растениями, а также сопоставить полученные результаты со средними данными о поглощении элементов растениями суши Земли.

Задание 1. Рассчитать коэффициенты биологического поглощения элементов (КБП) для двух растений, используя данные таблицы 13 по формуле:

КБП = l/n.,

где l – содержание элемента в золе растения, n - содержание элемента в почве.

Определить биогеохимическую активность (БХА) растений:

БХА = ∑ КБПрастения.

Внести результаты вычислений в таблицу 14.

Таблица 13. Среднее содержание микроэлементов в некоторых растениях Беларуси

(n10-3% на золу)

Таблица 14.

Коэффициенты биологического поглощения (КБП) растений

Задание 2. Построить ряды биологического поглощения для двух

исследуемых растений.

34

Элементы располагаются в ряд в порядке убывания величин их КБП.

Например:

Ель Mn (36,6) > Cu (15) > Ni (6,3) > …..

Рожь Cu (4,5) > Ni (2,2) > Mn (1,6) > …….

Задание 3. Внести символы элементов (согласно величины их КПБ в каждом исследуемом растении) в таблицу 15.

Таблица 15.

Интенсивность биологического поглощения химических элементов растениями.

Задание 4. Заключение. Сравнить БХА двух исследуемых растений.

Сопоставить их ряды биологического поглощения. По интенсивности поглощения микроэлементов сравнить растения между собой и с растениями Земли (в среднем).

Глава 4 Геохимия почв

4.1 Кларки почв

Почвы Земли несколько отличаются от литосферы по содержанию химических элементов. С точки зрения геохимии почвообразование – это сложный динамичный процесс обмена химическими соединениями между литосферой, атмосферой и наземными организмами. На химический состав

35

почвы оказывают влияние процессы биологического поглощения и водной миграции. Высшие растения обеспечивают круговорот химических элементов в системе почвы, синтез органического вещества.

В результате отмирания растений и разложения органических остатков высвобождаются элементы, которые накапливаются в верхних горизонтах почв.

Прежде всего это биофильные элементы: N, C, O, H, K, P, S, Cu, Co, Mn, Zn и

др. Состав химических элементов в почве значительно колеблется в зависимости от материнской породы почвообразования. Почвообразующие породы глинистого, песчаного или карбонатного состава с различным содержанием оксидов кремния, железа, алюминия, карбонатных соединений образуют разные комплексы основных и связанных с ними редких элементов.

В среднем содержание элементов в почвах Земли близко по значениям к кларкам литосферы (табл. 16).

Таблица 16

Среднее содержание элементов в литосфере и почвах, весовые % (по А. П. Виноградову)

Практическая работа 5

Цель работы: раскрыть закономерности концентрации химических элементов в почвах на различных иерархических уровнях.

36

Индивидуальные задания содержат данные о среднем содержании 15

химических элементов в почвах, а также кларки этих элементов в почвах мира.

Задание 1. Подсчитать кларки концентрации и рассеяния (КК и КР)

элементов по отношению к кларкам почв мира, используя следующие формулы:

ККі = Сі/Кі, КРі = Кі/Сі,

где Сі – содержание і-го элемента в почве; Кі – кларк і-го элемента в почвах мира.

Занести результаты в свободные ячейки таблицы 17.

Таблица 17

Среднее содержание химических элементов в почвах

37

Задание 2. Составить геохимические индексы почв путем ранжирования значений КК (по убыванию) и КР (по возрастанию). Записывать ранжированные показатели в виде дроби, где размещены:

  возле дроби – элементы с околокларковыми содержаниями (КК, КР 1,0–

1,1);

  в числителе – элементы с содержаниями выше кларка (КК > 1,1);  в знаменателе – элементы с содержаниями ниже кларка (KP > 1,1).

Задание 3. Построить графики геохимических спектров почв.

Геохимический спектр почв Беларуси принимается за эталонный объект

(строится в виде монотонно убывающей линии). Для этого по оси ординат располагаются значения КК (вверх) и КР (вниз) от величины КК(КР) = 1, по оси абсцисс через равные интервалы проставляются символы анализируемых элементов в порядке ранжирования эталонного объекта. Спектры других анализируемых почв имеют вид ломаных линий .

Задание 4. Написать заключение, в котором дать краткую сравнительную характеристику распределения химических элементов; в почвах преобладает концентрация или рассеяние элементов по сравнению с кларком в почвах мира;

какова контрастность каждого спектра (разница между крайними значениями КК и КР); какие элементы в анализируемой почве характеризуются околокларковыми значениями КК и КР; относятся к концентрирующимся (КК > 1,1), слаборассеивающимся (КР > 1,3), средне- (КР > 3) и

высокорассеивающимся (КР > 5); как генезис почвообразующих пород отражается на особенностях химического состава анализируемых почв.

Глава 5. Техногенная миграция.

Под техногенной миграцией элементов понимают совокупность геохимических и минералогических процессов, вызванных хозяйственной деятельностью человека. Основу геохимического изучения техногенной миграции заложили в начале XX в. В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман.

38

Вовлечение химических элементов в циклы техногенной миграции характеризует показатель технофильность элемента (Т), рассчитываемый как отношение ежегодной добычи элемента (Д) к его кларку в земной коре:

Т= Д/К.

Врезультате техногенного воздействия в компонентах природной среды

(атмосфера, вода, почва, растения) формируются участки с повышенным содержанием некоторых химических элементов – техногенные геохимические аномалии. По охвату территории аномалии могут быть глобальными,

региональными или локальными.

Оценка аномальности химического состава природного компонента,

измененного техногенезом, основывается на сопоставлении с фоновыми аналогами. Для этого используется показатель коэффициент содержания (Кс),

показывающий, во сколько раз содержание элемента в атмосферном воздухе,

водах, почвах или растениях выше содержания элемента в соответствующем природном компоненте на фоновом участке, выбранном на достаточном удалении от техногенных источников:

Кс = С / Сф.

На измененных или загрязненных техногенезом территориях, как правило, аномальные концентрации в компонентах среды характерны для целого ряда химических элементов, который в таких случаях называют ассоциацией элементов-загрязнителей. Интенсивность загрязнения объекта

(например, почвы) ассоциацией элементов отражает суммарный показатель загрязнения (Zc):

Zс = ΣKc – (n – 1),

где ΣКс – сумма коэффициентов содержания элементов, величина которых превышает значение 1,5; n – число элементов с Кс > 1,5.

На основе значений суммарного показателя загрязнения разработана ориентировочная шкала оценки эколого-геохимического состояния почв (табл.

18).

Для эколого-геохимической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения компонентов среды отдельными химическими элементами и веществами используются предельно допустимые (ПДК) и ориентировочно допустимые (ОДК) концентрации элементов и соединений, установленные экспериментально. ПДК (ОДК) – это порог опасного для живых организмов содержания элемента или химического соединения в природных компонентах

(почва, вода, воздух, растения, донные отложения). Для почв разного гранулометрического состава и кислотности установлены различные ориентировочно допустимые концентрации ряда микроэлементов (Cu, Zn, Ni и

др.): максимальные значения ОДК предусмотрены для нейтральных почв суглинистого и глинистого состава.

Содержание химических элементов в выбросах, стоках, отходах ряда производств (лакокрасочное, металлообработка и др.) в сотни раз превышает содержание элементов в почвах. В тех местах, где загрязнители поступают в природную среду, образуются контрастные геохимические аномалии в воде,

почве, донных отложениях.

40

Химический состав отходов, складируемых на полигонах промышленных и коммунальных отходов, сложен и разнообразен. Наиболее токсичные отходы машиностроения и металлообработки – гальванические осадки, в которых в высоких концентрациях присутствуют Cd, Cu, Cr, Pb. Для химических производств характерно образование шламов, обогащенных Cd, Zn, Cu, Pb и

другими элементами. Промышленный мусор, состоящий из отходов бумаги,

резины, бетона и полиэтилена, обогащен Zn, Cu, Pb, Sb. Отходы, образование которых связано с производством кож, отличаются высоким содержанием Cr.

Химический состав коммунальных отходов характеризуется высоким содержанием органического вещества, биогенных элементов (N, P, K),

микроэлементов. Так, концентрации Hg, Cd, Pb, Cu, Zn и Ni значительно превышают их содержание в почвах.

Практическая работа № 6

Цель работы: Проанализировать уровень накопления микроэлементов в почвах зон влияния полигонов отходов. Сравнить исследуемые почвы по количественным показателям загрязнения и составу ассоциации элементов-

загрязнителей.

Задание 1. Рассчитать коэффициенты техногенной концентрации элементов (Кс), используя данные табл. 19 по формуле:

Кс = Сi / Сфон ,

где Сi - содержание элемента в данной почве, Сфон - его фоновое содержание в почвах.

Сравнить содержание элементов в почвах с величинами ПДК:

КПДК = Сi / ПДК ,

где Сi - содержание элемента в почве, ПДК - его предельно допустимая концентрация.

Внести результаты расчетов в табл. 19.