Учение об окружающей среде

Космическая распространенность калия, как элемента нечетного, невелика по сравнению с четными кальцием и кислородом. По размерам ион калия наиболее крупный среди других ведущих катионов литосферы. Поэтому объемный кларк калия занимает второе место после кислорода в земной коре.

Калий - химически активный металл, в самородном состоянии не встречается. Во всех химических соединениях на Земле выступает как одновалентный металл. Металлический калий на воздухе «сгорает», быстро окисляясь до К2О. Число минеральных видов - 115 (втрое меньше, чем у кальция и вдвое меньше, чем у натрия).. Важнейшие минералы: галоиды - сильвин, карналлит, нитраты - К-селитра, силикаты - К-полевые шпаты (ортоклаз, микроклин), флогопит, мусковит, биотит, глауконит, лейцит. По химическим свойствам калий близок к натрию, что определяет их совместную миграцию. Но их поведение в зоне гипергенеза и биосфере в целом резко различно. Большая часть калия в ходе гипергенного преобразования силикатов остается в составе вторичных глинистых минералов, поэтому калий гораздо прочнее удерживается в пределах Мировой суши, чем натрий и, как мы увидим далее, кальций. И все же частичное высвобождение ионов калия в процессах гипергенеза происходит и он активно вовлекается в биогеохимический круговорот.

Обусловлено это тем, что калий играет очень важную роль в жизни живых организмов. В условиях влажного климата при выветривании калийсодержащих минералов калий легко выщелачивается и переносится водными растворами. Однако вынос калия в коре выветривания происходит менее интенсивно, чем кальция и натрия. Это связано с тем, что крупный ион калия в большей степени сорбируется тонкодисперсными минералами. Давно известно, что ионы калия легче сорбируются и некоторыми коллоидами (например, гидроокислами железа и алюминия), чем ионы натрия. Реакции катионного обмена с глинистыми минералами также способствуют фиксации калия. В почвах также происходит обмен между ионами калия и гидроксония, которые имеют сопоставимые ионные размеры. Таким способом калий может фиксироваться в гидрослюдах, каолините, монтмориллоните. Калий в большей степени, чем натрий, поглощается наземной растительностью.

Поэтому значительная часть калия сохраняется в почвах, в то время как большая часть натрия выносится в океан. В составе стока с материков натрия почти в 2,5 раза больше, чем калия.

Калий - важнейший элемент живых организмов. Они содержат от 0,1 до 0,01% калия. В золе культурных растений до 25-60% К2О. Некоторые организмы способны концентрировать калий в значительных количествах. Так, в некоторых водорослях содержание калия достигает 3% живой массы. Наземные растения поглощают калий из почвы. При недостатке калия листья бледнеют и отмирают, семена теряют всхожесть. Калий легко проникает в клетки организмов и увеличивает их проницаемость для различных веществ. Он оказывает значительное влияние на обмен веществ и необходим растениям для фотосинтеза. Кроме того, калий улучшает поступление воды в клетки растений и понижает процесс испарения, тем самым увеличивая устойчивость растений к засухе. При недостатке или избытке калия интенсивность фотосинтеза снижается, а интенсивность дыхания повышается. Недостаток калия в почвах приводит к значительному снижению урожайности растений.

Именно поэтому кларк калия в живом веществе такой же высокий, как у азота. Особенно много калия накапливают некоторые морские водоросли (до 5%).

В биологический круговорот на суше вовлекается ежегодно около 1,8х109 тонн калия (Добровольский, 1998). Освобождающаяся из системы биологического круговорота на суше масса калия частично задерживается в мертвом органическом веществе и сорбируется минеральным веществом почвы (глинистыми минералами), а частично вовлекается в водную миграцию.

Количество калия в настоящее время связанное в мертвом органическом веществе педосферы составляет по данным разных авторов от 3х109 до 6х109 тонн. Ежегодно с континетальным водным стоком в океан поступает более 61х106 тонн калия в растворенном состоянии (виде свободных ионов) и 283х106 тонн калия в составе взвесей (глинистые частицы, органическое вещество и т.д.). Калий активно мигрирует также в системе поверхность океана-атмосфера в составе аэрозолей: средняя концентрация этого элемента в атмосферных осадках над океаном - 15%. Концентрация калия в атмосферных осадках над континентами заметно выше, в среднем 0,7%. Значительное количество калия переносится с пылью с суши в океан. По оценке В.В. Добровольского эта величина составляет не менее 43х106 тонн в год.

В гипергенной зоне крупные концентрации калия встречаются редко и представлены эвапоритами - сильвином и карналлитом. Еще реже встречаются нитраты калия в виде калиевой селитры органогенного происхождения (образуется в условиях аридного климата).

Кларк натрия в живом веществе очень низок - 0,008 (более чем на два порядка ниже, чем у калия), что свидетельствует о низком потреблении натрия живым веществом. Однако, в малых количествах натрий необходим всем живым организмам.

В условиях влажного климата натрий легко выходит из биологического круговорота и выносится с жидким стоком за пределы ландшафта. В результате наблюдается общее обеднение последнего натрием. Содержание натрия в растительных организмах обычно очень низкое. Животные организмы нуждаются в повышенных количествах этого элемента., так как он входит в состав крови. Влияет на деятельность сердечно-сосудистой системы и почек. Поэтому животные иногда нуждаются в подкормке поваренной солью.

В сухом климате натрий концентрируется в грунтовых и озерных водах и накапливается в солончаковых почвах (действие испарительного барьера). Соответственно, и растительность галофитных сообществ содержит повышенные количества натрия.

Тем не менее, роль биологического круговорота натрия, в отличие от калия, сравнительно невелика. Зато очень значительна его водная миграция. По особенностям миграции в биосфере натрий весьма схож с хлором. Он образует легко растворимые соли, поэтому накапливается в Мировом океане, участвует в атмосферной миграции.

Основной источник подвижного натрия в биосфере - выветривающиеся изверженные породы (основной источник хлора - вулканизм).

Техногенез внес существенные коррективы в биогеохимические пути миграции натрия. Основное значение имеет добыча галита (поваренной соли), соды и мирабилита. На характер биогеохимических циклов натрия существенное влияние оказывает и орошение земель в засушливых районах.

Биогеохимические циклы кальция и магния

Атомы кальция содержат магическое число протонов: 20 в ядре и это определяет прочность его ядерной системы. Среди легких элементов кальций представлен максимальным числом стабильных изотопов - 6, имеющих распространение: 40Са - 96,97% (дважды магический Z=N=20) 42Са - 0,64, 43Са - 0,145, 44Са - 2,06, 46Са-0,0033, 48Са -0,185%. По распространению в Солнечной системе он занимает 15 место, но среди металлов находится на 5 месте.

В природе он ведет себя как химически активный металл. Легко окисляется с образованием СаО. В геохимических процессах выступает как двухзарядный катион Са+2

Его ионный радиус очень близок к радиусу натрия. Число минеральных видов - 390, поэтому он относится к главным минералообразующим элементам. По числу образуемых минералов он занимает 4 место после кислорода, водорода и кремния. Например: карбонаты - кальцит, арагонит, доломит; сульфаты - ангидрит, гипс; галоиды- флюорит; фосфаты: апатит; силикаты - гранаты, пироксены, амфиболы, эпидот, плагиоклазы, цеолиты.

Плагиоклазы - наиболее распространенные минералы земной коры. Кларк кальция в литосфере составляет 2,96. Кальциевые силикаты слабо устойчивы в зоне гипергенеза и при выветривании горных пород разрушаются в первую очередь.

Кальций обладает относительно высокой миграционной способностью, во многом определяемой особенностями климата. В процессах химического выветривания кальций выщелачивается из минералов природными водами. По отношению к выветриванию кальциевые минералы образуют следующую последовательность: плагиоклаз - кальциевый авгит- кальциевый амфибол. В группе плагиоклазов богатые кальцием разности выветриваются скорее, чем натриевые. При этом природные растворы, энергично удаляющие кальций, содержат значительные количества гидрокарбонатного иона. Зато в почвах гумидных зон наблюдается значительный дефицит кальция. Очень мало его и в корах выветривания. Объясняется это высокой миграционной подвижностью данного элемента.

В ионном стоке с материков кальций занимает первое место среди катионов. Реками он выносится главным образом в виде взвесей карбонатов, сульфатов и бикарбоната в растворенном состоянии. Геохимическая история кальция в океане связана с карбонатной системой равновесия, температурой воды и деятельностью живых организмов.

Кальций - один из важнейших элементов живых организмов - от простейших до высших млекопитающих. Холодные воды высоких широт и морские глубины недосыщены СаСО3 из-за низких температур и рН, поэтому содержащаяся в воде угольная кислота растворяет СаСО3 донных отложений. Именно поэтому морские организмы в высоких широтах избегают строить свои скелеты из СаСО3. В экваториальных широтах установлена область пересыщения СаСО3. Здесь наблюдается массовый рост коралловых рифов, у многих живущих здесь организмов массивные карбонатные скелеты и раковины.

Миграция кальция в океане с участием живых организмов - наиболее важное звено в его круговороте. По А.П. Виноградову реки ежегодно приносят в океан и1*1015т СаСО3. Куда же он делся? Примерно столько же его ежегодно захороняется в донных отложениях океана. Живые организмы океана концентрируют кальций в виде арагонита и кальцита. Арагонит, однако, неустойчив и со временем переходит в кальцит. В океане мы сталкиваемся с уникальными явлениями быстрого роста крупных кристаллов в отдельных организмах. В некоторых раковинах двустворчатых моллюсков встречаются кристаллы кальцита длиной более 7 см, в тропических морях обитают морские ежи, имеющие длинные иголки из кальцита. У многих иглокожих наблюдается адаптация живого тела организмов к форме кристаллов. В этом случае мы встречаем особый вид симбиоза между организмами и кристаллами.

В аридном климате кальций легко выпадает из растворов в виде карбонатов, формируя толщи хемогенных карбонатных пород и иллювиально-карбонатные горизонты в почвах.

Небольшая часть ионов кальция морской воды осаждается в замкнутых водоемах в эвапоритовых условиях химическим путем.

Кальций играет важную роль в процессах почвообразования. Он входит в состав почвенно-поглощающего комплекса, участвует в обменных реакциях почвенного раствора, обусловливая буферную способность почв в кислом интервале среды. Гуматы кальция играют важную роль в формировании структуры почвы. Кроме того, кальций активно участвует в процессах осаждения полуторных окислов, марганца, нередко образуя конкреции совместно с этими элементами и кремнеземом.

В почвах кислого ряда, характеризующихся значительным проявлением процесса выщелачивания, наблюдается явление биогенного накопления кальция в подстилке и аккумулятивных поверхностных горизонтах почв. Он входит в группу элементов-биофилов. Поэтому кальций активно участвует в биологическом круговороте. Масштабы вовлечения кальция значительно различаются в разных природных зонах.

В агроландшафтах значительная часть кальция отчуждается вместе с урожаем.

Но нарушение биогеохимического круговорота кальция в настоящее время происходит не только и не столько за счет отчуждения части его с сельскохозяйственной продукцией, но и за счет использования карбонатных пород в строительстве, сельском хозяйстве (известкование почв), металлургической промышленности.

Клак магния уступает кларку кальция и составляет 1,87, но распределение магния очень неоднородно. По размеру ион магния близок к ионам двухвалентного железа и никеля и совместно с ними входит в состав оливинов и пироксенов, концентрируясь в основных и особенно ультраосновных магматических горных породах.

В то же время, магний накапливается в океане и соляных озерах и помиграционной способности приближается к таким элементам как натрий и калий. Обусловлено это хорошей растворимостью хлоридов и сульфатов магния. В отличие от других щелочноземельных и щелочных металлов магний, благодаря малому размеру ионов, легко входит в кристаллическую решетку глинистых минералов, образуя вторичные магнезиальные алюмосиликаты.

Магний - биофильный элемент. Он входит в состав хлорофилла, который при недостатке этого элемента разрушается. Растение реагирует на недостаток магния в почве оттоком хлорофилла из старых листьев к молодым. Передвижение идет по жилкам листа. Поэтому они долгое время остаются зелеными, в то время как межпрожилковые участки листа желтеют. Известны и болезни животных. Связанные с недостатком магния. Тем не менее, биофильность магния меньше, чем у кальция и калия.

В гумидных ландшафтах магний, как и кальций выщелачивается из почв, хотя его подвижность ниже. Чем у кальция. Связано это с действием нескольких геохимических барьеров. Во-первых, магний активно поглощается живым веществом; во- вторых - он, так же как и калий входит в кристаллические решетки вторичных силикатов и, наконец, сорбируется глинистыми коллоидами и гумусом. Все же значительная часть магния выносится с жидким стоком и в составе грунтовых и речных вод магний находится на втором месте после кальция.

В аридных условиях на распределение магния влияет высокая растворимость его хлоридов и сульфатов. В результате наблюдается накопление этих солей на испарительных барьерах и формирование солончаков.

В океан магний попадает из выветривающихся горных пород и масштабы этого поступления значительны (особенно в прошлом). По подсчетам В.М. Гольдшмидта за время геологической истории с материков в океан поступило 12,6 г магния на каждый килограмм океанической воды. Однако. Содержание магния в воде современных океанов составляет всего 1,3 г. Это обусловлено многократным участием каждого атома магния в большом геологическом круговороте, отложением доломитов и других содержащих магний осадочных пород.

Миграция магния на протяжении геологической истории существенно менялась. Если в докембрийских известняках содержится до 12,6% магния, то в современных - только 1%. Образование доломитов в открытых морях прекратилось еще в конце палеозоя. В настоящее время доломиты осаждаются только в некоторых лагунах.

Технофильность магния пока значительно ниже, чем у кальция и натрия. До начала ХХ века использовались только доломит и магнезит. Только в последнее время стали широко использовать сплавы, содержащие магний. В обедненных магнием ландшафтах наблюдается незначительное его накопление за счет внесения магнийсодержащих удобрений и известкования почв с применением доломита.

Таким образом, в целом для биогеохимических циклов всех щелочных и щелочноземельных металлов характерна незамкнутость глобальных годовых циклов. В результате наблюдается интенсивная аккумуляция этих элементов в осадках Мирового океана: до 99% кальция, 98% калия и свыше 60% натрия сосредоточено по данным В.В. Добровольского в осадочных породах.

Биогеохимический цикл кремния.

Кремний является вторым по распространенности (после кислорода) химическим элементом в земной коре. Его кларки в земной коре - 29,5, в почве - 33, в океане - 5х10-5. Однако, несмотря на огромную распространенность кремния и его соединений в природе (кварц и силикаты составляют 87% литосферы), биогеохимические циклы кремния (особенно на суше) изучены еще недостаточно.

Содержание кремнезема в водах современных озер и рек составляет 10-30 мг/л, а в морской воде еще меньше - 0Ю5-3 мг/л, то есть он присутствует в виде резко ненасыщенного раствора. Это связано с тем. Что кремний непрерывно поглощается из воды живыми организмами.

Недаром В.И. Вернадский считал, что никакой организм в биосфере не может существовать без кремния, необходимого для образования клеток и тканей растений и животных, их скелетов. Живое вещество извлекает кремний из природных вод и почв для питания и функционирования биохимических процессов, высвобождая его затем с экскрементами и при отмирании. В результате отмирания миллиардов организмов огромные массы кремнезема откладываются на дне водоемов. Так формируется биогеохимический цикл кремния. В.И. Вернадский подчеркивал, что историю кремнезема нельзя понять без изучения результатов жизнедеятельности организмов.

М.Страхов доказал возможность исключительно биогенного извлечения SiO2 из поверхностных вод. Однако, поступление растворенного кремнезема в океан с суши недостаточно для нормального развития фитопланктона. Именно поэтому в умеренных и тропических широтах в океане слабо развиты организмы с кремнистым скелетом. При существующей насыщенности воды кремнеземом для нормального развития фитопланктона диатомовых водорослей каждый атом кремния должен в течение года использоваться многократно (десятки и даже сотни раз). Из всей массы кремнезема, продуцированного в поверхностном фотосинтезирующем слое, донных отложений достигает не более 0,1части, а нередко это только 0,05-0,01 часть. Остальной кремнезем снова переходит в водорастворимое состояние. В дальнейшем, он захватывается из воды новыми поколениями диатомовых водорослей, кремнистых губок и радиолярий. Тем не менее, доходящая до дна 0,1-0,01 часть остатков скелетов диатомового планктона приводит к значительным по масштабам накоплениям осадочных кремнистых пород. Эта ветвь кругооборота кремния относительно статична и необратима и часть кремнезема именно таким путем выводится из биогеохимического круговорота.

Для нас важнее другая, более динамичная ветвь круговорота, которая и является собственно цикличной. Это тот кремний, который много раз за год переходит из организмов фитопланктона в окружающую среду и обратно. В этих переходах проявляется наиболее важная функция водного биогеохимического цикла кремния -функция массо- и энергопереноса вещества из поверхностных более глубокие зоны Мирового океана.

Вторая особенность биогеохимического цикла кремния в Мировом океане - его неразрывная связь с углеродом.

Континентальная ветвь круговорота кремния сложна. Водная миграция кремнезема тесно связана с ландшафтно-геохимическими условиями: составом растительности, и литологией подстилающих отложений. Подвижность кремнезема резко возрастает с увеличением рН среды, особенно, в щелочном интервале. При рН=10-11 концентрация кремнезема может достигать 200 мг/л. Сильно увеличивает растворимость аморфного кремнезема и повышение температуры. Сульфаты, бикарбонаты и карбонаты магния и кальция резко снижают растворимость кремнезема и вызывают его осаждение. В условиях сильнокислой среды рН=1-2 растворимость кремнезема также сильно повышается. Некоторые растения являются концентраторами кремния.

Мощным механизмом, приводящим в движение этот круговорот является растительный покров суши, в котором происходят разнообразные процессы образования содержащих кремний органогенных минералов (биолитов). Под биолитами в данном случае понимаются минералы, образующиеся внутри организма в процессе его жизнедеятельности. Их роль в круговороте кремния чрезвычайно велика, но изучена недостаточно. В основном, кремнезем инкрустирует клеточные оболочки. Больше всего биолитов кремнезема содержат злаки, осоки, хвощи, папоротники, мхи, пальмы, хвоя сосен, елей, листья и кора вяза, осины, дуба. В золе ковылей содержание кремнезема по данным Парфенова и Ярилова может достигать 80%. В стволах бамбука иногда обнаруживаются образования, сложенные опалом, достигавшие в длину 4 см и имевшие массу до 16 г! Генезис почвенной кремнекислоты в некоторых условиях напрямую связан с накоплением этого элемента живыми организмами. Наиболее яркий пример - образование солодей, кремнекислота которых накапливалась благодаря деятельности диатомовых водорослей. В процессе жизнедеятельности сине-зеленых водорослей происходит «захват» железа, марганца и кремнезема с образованием биолитов. Соотношение процессов накопления и выноса кремнезема в условиях умеренной зоны сдвинуто в сторону накопления. Растительный покров суши, особенно хвойные леса, выступает как мощный механизм, перекачивающий массы кремнезема из горных пород, почв и природных вод, и возвращающий их снова в ландшафт в форме биолитов. В дальнейшем опал биолитов переходит в халцедон и даже во вторичный кварц. Значительная же часть кремнекислоты биолитов включается в активную миграцию в почвенно-грунтовых водах в форме коллоидных и истинных растворов.

В результате воздействия аэрозолей кремнезема на живые организмы (животные и человек) развивается серьезное заболевание - силикоз.

Биогеохимические циклы алюминия, железа и марганца

Как Вы уже знаете, алюминий один из трех наиболее распространенных элементов земной коры. Его кларк - 8,05. Железо по распространенности занимает второе место после алюминия среди металлов и четвертое среди всех элементов земной коры. Его кларк составляет 4,65. Содержание марганца в земной коре значительно ниже -0,1%. Эти два элемента занимают соседние места в периодической системе элементов Д.И. Менделеева и имеют сходное строение электронных оболочек. Однако марганец мигрирует более активно, т.к. значение рН, при котором выпадает в осадок его гидроксид, выше, чем для железа. Железо и марганец активно вовлекаются в биологический круговорот, так как входят в состав многих ферментов. Железо участвует в образовании хлорофилла и входит в состав гемоглобина. Марганец принимает участие в окислительно-восстановительных реакций - дыхании, фотосинтезе и усвоении азота. Участие алюминия в биологическом круговороте ограничено. Хотя в земной коре это самый распространенный металл, биофильность его очень низкая, кларк живого вещества всего 5х10-3.

Биогеохимичекие циклы железа и марганца в решающей степени зависят от условий увлажнения, реакции среды, степени аэрации почвы, условий разложения органического вещества. Миграция алюминия в меньшей степени зависит от окислительно-восстановительных условий, так как он обладает постоянной валентностью. В то же время, амфотерность этого элемента обуславливает сильную зависимость его миграции от кислотно-основных условий среды: в сильно кислой среде он ведет себя как катион, а в сильно щелочной - как анион. В нейтральных и слабощелочных водах степей и пустынь он почти не мигрирует, наиболее высока подвижность этого металла в сильно кислых водах районов активного вулканизма и зон окисления сульфидных месторождений. Под защитой органических коллоидов алюминий активно мигрирует в болотных водах. Тем не менее, интенсивность миграции алюминия в целом значительно ниже, чем у железа и марганца, а его минералы более устойчивы. Слабая подвижность алюминия определяет остаточное (за счет выноса более подвижных элементов) накопление его гидроксидов в коре выветривания влажных тропиков и образование бокситов.

Известно, что соединения алюминия, железа и марганца в почвах с промывным режимом мигрируют в вертикальном направлении и образуют иллювиальные горизонты, обогащенные полуторными окислами и марганцем. Многими исследователями доказано, что миграция полуторных окислов в условиях промывного типа водного режима происходит в виде высокодисперсных золей, стабилизированных кислым гумусом. При этом немаловажную роль играет создание анаэробной обстановки, обуславливающей образование соединений двухвалентного железа и марганца. Решающее значение имеют агрессивные фульвокислоты, разрушающие почвенные минералы и образующие с алюминием, железом и марганцем легкоподвижные комплексные соединения.

Соединения железа и марганца активно мигрируют с боковым внутрипочвенным стоком, образуя скопления конкреций в болотах. Луговых и глеевых почвах, мелководных озерах и лагунах. Это свидетельствует о способности этих соединений мигрировать на весьма большие расстояния. Осаждение железа в аккумулятивных ландшафтах происходит в виде карбонатов железа, окислов разной степени гидратированности, а также фосфатов и гуматов. В степях и пустынях в условиях щелочной среды эти элементы мигрируют слабо.

Миграция железа и марганца возможна и в составе живого вещества. После отмирания организмов и их минерализации в почве часть этих элементов закрепляется в почве, другая же часть поступает в природные воды. Возвращаясь в почву, они начинают новый биогеохимический цикл.

В результате процессов выветривания железо в огромных количествах выносится в океаны. Вынос железа реками в океан происходит в разнообразных формах - в виде грубых взвесей обломков минералов и пород, содержащих железо в кристаллической решетке (силикатов, в т.ч. глинистых минералов), в виде коллоидов, содержащих железо в абсорбированном состоянии, в виде гидратов, гуматов и органических содинений закисного железа.

Недостаток железа приводит у растений к заболеванию, известному под названием хлороз. Однако непосредственное накопление железа в значительных количествах характерно лишь для немногих организмов. В этом отношении уникальны железобактерии, окисляющие двухвалентное железо, в результате чего образуется лимонит. Диатомовые водоросли способны усваивать железо из нерастворимых коллоидов. Железо потребляет и зоопланктон с красной кровью (мелкие рачки). При гибели этих организмов и растворения детритовых частей определенное количество железа также переходит в раствор в виде гидратов и других форм. В качестве особых случае концентрации железа организмами можно отметить наличие магнетита и гетита в зубах некоторых современных гастропод.

Биогеохимический цикл железа и марганца существенно нарушается техногенными процессами, причем, несмотря на значительно более высокое содержание в земной коре железа, технофильность этих элементов примерно равна. В ноосфере алюминий играет исключительно важную роль, но технофильность его почти в 100 раз ниже, чем у железа.

Биогеохимические циклы тяжелых металлов.

Тяжелыми металлами обычно называют химические элементы, имеющие атомную массу более 50 единиц. Несмотря на сравнительно низкую распространенность этих элементов в природе, они оказывают большое влияние на биогеохимические процессы в биосфере. Так как многие из них оказывают выраженное токсическое действие на живые организмы.

Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее токсичными являются следующие 9 элементов: Cr, As, Ni, Sb, Pb, Vo, Cd, Hg, Ta. Польские ученые провели ранжирование тяжелых металлов по потенциалу загрязнения на 4 группы. К группе элементов с очень высоким потенциалом загрязнения отнесены кадмий, ртуть, свинец, медь, таллий, олово, хром, сурьма, серебро, золото.

К группе элементов с высоким потенциалом загрязнения относятся висмут, уран. Молибден, барий, марганец, титан, железо, селен, теллур. К группе элементов со средним потенциалом загрязнения относятся фтор, бериллий, ванадий, рубидий, никель, кобальт, мышьяк, германий, индий, цезий, вольфрам. Элементы со слабым потенциалом загрязнения - стронций, цирконий, лантан, ниобий.

Как видно, 4 металла из первой группы (с очень высоким потенциалом загрязнения) - свинец, ртуть, кадмий и хром

В известной степени каждый крупный город является причиной возникновения биогеохимических аномалий, в том числе и опасных для человека.

Общеизвестно, что накопление свинца и цинка происходит в зонах интенсивного движения автотранспорта, вдоль автострад и в индустриальных центрах. Почвы в сельской местности содержат в 10-20 раз меньше свинца. Чем почвы городов. Свинец обладает способностью накапливаться в органическом веществе почв.

Доступность тяжелых металлов растениям зависит от вида растений, почвенных и климатических условий. У каждого вида растений концентрации тяжелых металлов могут варьировать в различных частях и органах, а также зависят от возраста растений.

К почвенным факторам, существенно влияющим на доступность для растений тяжелых металлов относятся: гранулометрический состав, реакция среды почвы, содержание органического вещества, катионообменная способность и дренаж. В более тяжелых почвах меньшая опасность возможной адсорбции растениями избыточного (токсичного) количества тяжелых металлов. С повышением рН почвенного раствора возрастает вероятность образования нерастворимых гидроксидов и карбонатов. Сложилось мнение, что для снижения до минимума доступности токсичного металла в почве необходимо поддерживать рН не ниже 6,5. Металлы могут образовывать сложные комплексные соединения с органическим веществом почвы, и поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения растениями. Обменная емкость катионов зависит, главным образом, от содержания и минералогического состава глинистой части почв и содержания в них органического вещества. Чем выше обменная емкость катионов, тем больше удерживающая способность почв по отношению к тяжелым металлам.

Избыток воды в почве способствует появлению в ней металлов с низкой валентностью в более растворимой форме.

Приоритетные загрязнители биосферы - ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь. Увеличение их концентрации в воде, почве, воздухе и биоте является прямым показателем опасности для животных и человека.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

Какие основные геохимические функции выполняет живое вещество?

Охарактеризуйте основные особенности биологического круговорота элементов?

Охарактеризуйте фотосинтез с биогеохимических позиций.

Какова геохимическая роль хемосинтеза?

Перечислите основные газовые функции живых организмов.

Назовите основные факторы, определяющие геохимическую обстановку в зоне гипергенеза.

Какие факторы определяют биогеохимическую неоднородность биосферы?

Что такое «биокосная система»?

Приведите примеры биокосных систем в биосфере.

Перечислите основные компоненты почв.

Охарактеризуйте роль живого вещества в создании почв.

Охарактеризуйте основные геохимические ряды почв.

Какова общая направленность биогеохимической трансформации минерального вещества почвы?

Охарактеризуйте процесс почвообразования с точки зрения геохимии.

Каковы особенности концентрации и рассеяния химических элементов в почвах в зависимости от климатических условий и рельефа?

Какие геохимические барьеры могут возникать в почвах? Приведите примеры.

В чем причина формирования зональности почвенных разрезов? Приведите примеры такой зональности.

Что такое «илы»? В чем их сходство и каковы отличия от почв?

Что такое кора выветривания?

Какова роль живого вещества в формировании кор выветривания?

Что такое ландшафт?

Дайте определение «элементарного ландшафта»

Как живое вещество участвует в общем круговороте вещества Земли?

Как связаны между собой геологический и биологический круговороты элементов?

Каковы следствия неполной замкнутости биологического круговорота элементов?

Дать определение баланса питательных веществ для системы почва-растение

Как рассчитывается баланс химических элементов в системе почва-растение?

Перечислить основные статьи прихода и расхода в балансе биологического круговорота в системе почва-растение

Чем различаются максимальный и экологически оптимальный урожаи?

Каковы особенности биогеохимического цикла кислорода?

Каковы особенности биогеохимического цикла углерода?

Каковы особенности биогеохимического цикла водорода?

Каковы особенности биогеохимического цикла азота?

Каковы особенности биогеохимического цикла серы?

Каковы особенности биогеохимического цикла фосфора?

Каковы особенности биогеохимического цикла калия и натрия?

Каковы особенности биогеохимического цикла кальция и магния?

Каковы особенности биогеохимического цикла алюминия, железа и марганца?

Каковы особенности биогеохимического цикла кремния?

Какие элементы называются тяжелыми металлами? Какое влияние они оказывают на живые организмы?

Каковы особенности биогеохимического цикла тяжелых металлов?

Что такое «дефицитные» и «избыточные» химические элементы?

Что такое «биогеохимическая провинция»?

С какой целью проводится геохимическое картирование и районирование почвенного покрова?

Что такое отрицательная аномалия элемента в почве?

Что такое оптимальное содержание элемента в почве?

Какими аномалиями отражается избыток элементов в почве?

Практическая работа №6. Биогенные формы химических элементов

Одной из наиболее актуальных проблем философии науки была и остается проблема возникновения на Земле современных форм жизни, в том числе и человека. В этой области противоборствуют воззрения креационистов, утверждающих, что человек, как, впрочем, и другие формы жизни, был создан единовременным актом творения, и эволюционистов, отстаивающих точку зрения, что разнообразные формы жизни являются продуктом длительной эволюции.

Как бы там ни было, ни те, ни другие не могут отрицать того факта, что тело любого существующего на Земле организма, растительного или животного, состоит из вполне определенного набора химических элементов, генетически строго контролируемого и передаваемого в тех же соотношениях из поколения в поколение. И вопрос лишь в том, является ли такая передача абсолютно стабильной на протяжении поколений (что льет воду на мельницу креационистов), либо же меняется в процессе геохимической эволюции земной поверхности, но со скоростью, мало доступной человеческому восприятию. Будучи по натуре "эволюционистом", я постараюсь обосновать в дальнейших рассуждениях вторую точку зрения, взяв за постулат следующее.

Минеральный состав современных организмов складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюция состава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом соотношения химических элементов из-за выщелачивания, вулканической деятельности. С другой стороны, это "необходимое" для организма генетическое контролирование уже имеющихся внутри него на том или ином этапе соотношений, ведь, по словам знаменитого К. Бернара, "постоянство внутренней среды - необходимое условие свободной жизни организма". История взаимоотношений среда - организм исполнена драматизма. Лишь изучив прошлое организмов, их эволюцию и адаптацию к меняющейся геохимической среде обитания, вымирание и расцвет отдельных видов, родов и семейств растений и животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем, решать актуальные проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.

С этих позиций была поставлена задача создания естественной классификации химических элементов, которая может быть решена на стыке эволюционной геологии, генетики и медицины.

Предпосылки к естественной классификации.

Человечество вообще любит систематизировать полученные знания. Вернее, это диктуется необходимостью, поскольку лишь классификация тех или иных фактов и понятий приводит к осознанию глубинных закономерностей в системе. Но происходит это, на мой взгляд, лишь тогда, когда искусственная классификация в той или иной области знаний сменяется естественной.

Возьмем два примера из естественных наук. Первый - систематика в растительном и животном царствах. До тех пор, пока исследователи основывали ее на объединении различных видов животных (растений) в группы по сходству отдельных, часто случайных, морфологических признаков (длина хвоста или форма ушей), такая искусственная систематика была "пустой забавой". Лишь когда в основу систематики был заложен эволюционный компонент, не только выстроилась достаточно стройная иерархия в растительном и животном мирах: тип - раздел - класс - отряд - семейство - род - вид, - но и появилась возможность предсказывать свойства вновь открытых видов животных или растений исходя из их системной принадлежности.

Второй пример, классический, - из области химии, а именно, создание периодической системы элементов. Задачу систематики химических элементов (в середине XIX в. их было известно около 60) решали Одлинг и Ньюлэндс, Дюма и Шанкуртуа, Деберейнер и Мейер, знаменитый Нильс Бор... В основу систематики закладывались самые разные признаки элементов, часто основанные на случайном сходстве их физических или химических свойств, и эти признаки использовались для объединения элементов в группы, порядки и т.д. Все же все исторически ранние системы классификации оказались несостоятельными, искусственными. Лишь в 1969 г. Д.И. Менделеев , выбрав, казалось бы, немудреный принцип классификации химических элементов по расположению их в порядке возрастания атомных масс, обнаружил не только связь свойств элементов с их атомными массами, но и сформулировал знаменитый периодический закон, позволивший, наряду со всем прочим, предсказать наличие в природе новых, доселе неизвестных элементов, но уже с известными свойствами (он назвал их экабором, экаалюминием и т.п.), которые должны были заполнить "пропуски" в его таблице!

Но как ни замечательна таблица Менделеева с точки зрения физиков и химиков, биологам ее недостаточно. Ведь место, занимаемое в ней каким-либо элементом, еще не определяет место этого элемента в живом организме. В настоящее время наблюдается неимоверная путаница в делении элементов по их отношению к живым организмам - на биогенные и абиогенные, на макро-, микро- и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, на ятрогенные (т.е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницу усугубляет антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или "вредность" того или иного элемента для человека отнюдь не означает таковых свойств для других представителей животного мира или для представителей мира растительного.

Все перечисленные выше классификации по сути своей искусственны. В самом деле, само деление биогенных элементов на макро- и микроэлементы напоминает попытку подразделить всех животных на "больших" (бегемот, кит, акула...) и "маленьких" (мышь, колибри, кузнечик...). Так, железо в животном организме до сравнительно недавнего времени относили к макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше 90% его связано с гемоглобином, "перевели" его в микроэлементы.

Более того, всех химических элементов в природе чуть больше ста, из них стабильных - всего 92. Из списка потенциальных претендентов на роль жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо не участвующие в метаболизме инертные газы и классические "тяжелые металлы". Этот список становится совсем коротким. Тем не менее, несмотря на огромное количество исследований, посвященных функциям отдельных химических элементов в животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемого элемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно необходимы, а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой и воздухом или по крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в метаболических цепях, остается открытым.

Общее число элементов, определяемых как жизненно важные, варьирует у разных авторов в весьма широких пределах. Например, один из классиков биохимии А. Ленинджер полагает, что таковых лишь 22 (табл.1), да и то, с его точки зрения, только 16 из них (выделенные в таблице курсивом) встречаются во всех классах организмов.

Таблица 1 - Жизненно важные элементы, входящие в состав организмов (по А. Ленинджеру)

Элементы, входящие в состав органических веществ	Одноатомные ионы	Элементы, обнаруживаемые в следовых количествах
Кислород	Натрий	Марганец	Алюминий
Углерод	Калий	Железо	Ванадий
Азот	Магний	Кобальт	Молибден
Водород	Кальций	Медь	Йод
Фосфор	Хлор	Цинк	Кремний
Сера	-	Бор	-

Согласно классификации П. Аггетта, к четырем органогенам (кислород, углерод, водород и азот) и семи макроэлементам (фосфор, сера, натрий, калий, магний, кальций, хлор) как важнейшим эссенциальным элементам следует добавить еще девять: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт. Всего жизненно важных элементов - 20.

Один из выдающихся специалистов по микроэлементам В.Мерц, предлагает к 11 органогенам и макроэлементам (о количественном и качественной составе этой группы, по сути, никто не спорит) добавить следующие элементы, избыток или дефицит которых имеет значение для здоровья человека: железо, медь, цинк, хром, селен, молибден, йод, кадмий, свинец и ртуть. Таким образом, всего получается 21, но состав группы другой.

Согласно более широкой трактовке, предлагаемой Анке, к эссенциальным микроэлементам наряду с "классическими" эссенциальными элементами Аггетта (см. выше) следует отнести "новые" эссенциальные: фтор, кремний, олово, ванадий, никель, мышьяк, кадмий, литий, свинец. Всего их будет 29.

Все эти разночтения относительно количества, свойств и участия различных химических элементов в метаболизме животных организмов связаны, как мне представляется, в первую очередь с отсутствием системного подхода. Здесь можно лишь повторить, что необходимо создать естественную классификацию химических элементов, - это способствовало бы наряду с прочим устранению подобных противоречий.

Элементы первичной жизни на заре эволюции

К органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот, - именно в данной последовательности исходя из их весовых отношений (т.е. г/т). Более правильным будет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород, углерод, азот, - поскольку биология оперирует соотношениями атомов в живом веществе.

В таблице 2, основанной на данных Боун и Фортескью, показано содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, но это содержание приведено в перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества.

Таблица 2 - Содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, моль/т

Элемент	Наземные растения	Наземные животные
Водород	55000	70000
Углерод	37833	38750
Кислород	25625	11625
Азот	2143	7143
Кальций	450	5-212,5
Калий	360	190
Магний	132	41
Сера	106	156
Фосфор	74	548-1420
Хлор	57	79
Натрий	52	174
Кремний	7-179	4-214
Алюминий	19	0,15-3,70
Марганец	11,45	0,004
Бор	4,63	0,046
Железо	2,5	2,9
Цинк	1,53	2,45
Стронций	0,3	0,16
Рубидий	0,23	0,20
Медь	0,22	0,04
Барий	0,1	0,005
Никель	0,051	0,014
Ванадий	0,03	0,003
Фтор	0,026-2,105	7,9-26,3
Титан	0,02	0,004
Литий	0,014	0,003
Свинец	0,013	0,01
Кобальт	0,008	0,0005
Цирконий	0,007	0,003
Хром	0,0044	0,0014
Галлий	0,0008	0,00008

Действительно, из первых четырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких как простые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. Академик А.И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природные условия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти же элементы являются каркасом любой органической молекулы.

Причина того, что эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций, заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду - два, азоту - три, и углероду - четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них - углерод, азот и кислород - образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему могут образовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие, и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы "выбрали" именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп. Из других элементов только атомы кремния могут соединяться друг с другом ковалентными связями. Но, несмотря на то, что кремний значительно более распространен в литосфере, чем углерод, он оказался менее пригоден для живых организмов, - по всей видимости, потому, что, во-первых, соединения кремния труднорастворимы и, во-вторых, в присутствии кислорода связи кремний - кремний нестабильны. Впрочем, о роли кремния, этого интереснейшего "элемента-изгоя" речь пойдет ниже.

Мне представляется, и я постараюсь это обосновать, что к четырем указанным выше элементам, описанные свойства которых и их несомненное преобладание в атмосфере и гидросфере древней Земли явились гарантией включения еще в доклеточные формы жизни, необходимо добавить в качестве первичных элементов жизни еще два - фосфор и серу.

В самом деле, жизнь невозможно представить без двух вещей - передачи наследственной информации и энергии. Фосфор входит в состав основы молекул наследственности - ДНК и РНК, а также молекулы, поставляющей энергию, - АТФ. Считающееся классическим определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел..." - по сути своей неверно, поскольку некоторые несомненно "живые" вирусы обходятся без белка, представляя собой лишь цепочку ДНК или РНК, способную к автономному существованию.

Что касается серы, то этот элемент входит в состав двух из 20 основных аминокислот - метионина и цистеина, единиц, образующих белки всех высших организмов, причем в их составе сера, образуя дисульфидные мостики, формирует третичную, глобулярную структуру белка.

И фосфор, и сера - продукты вулканических выбросов. Среди элементов такого происхождения они одни из самых легких и реакционноспособных. Концентрация их в древнем океане, по всей видимости, довольно рано (в эволюционном смысле) достигла уровня, необходимого для создания первичных форм жизни.

Для всех рассмотренных выше химических элементов общим является то, что они благодаря отмеченным свойствам распространены во всех клетках, органах и тканях как растительных, так и животных организмов, т.е. они эволюционно "сквозные", хотя последние два и занимают в весовом отношении, по сравнению с четырьмя первыми, сравнительно скромное место.

С усложнением живых организмов функции их расширились и специализировались. Так, с появлением опорно-двигательного аппарата два последних элемента вошли в состав скелетных структур, а с появлением кровеносной системы - в состав сульфатного и фосфатного буферов крови.

Эти шесть элементов, с точки зрения биогенной классификации, следует отнести к элементам первой группы, или к первоэлементам.

Клеточный уровень жизни и макроэлементы

Сочетание шести элементов, рассмотренных в предыдущем разделе, могло поддерживать доклеточный уровень жизни. Одноклеточные организмы, судя по всему, возникли на Земле в литорали древнего океана около 3 млрд. лет назад. Их появление знаменовало собой развитие первой системы внутреннего минерального гомеостаза: живое вещество получило возможность отгородиться от внешней среды с помощью созданной клеточной мембраны, отвоевав свою внутреннюю самостоятельность. Для этого потребовалось создание тургорной, буферной системы, которая могла быть обеспечена посредством катионов, концентрация которых в процессе выщелачивания на ранних этапах минеральной эволюции гидросферы достигла оптимальной - калия, натрия, кальция и магния, а также анионов вулканической деятельности, кроме уже используемых фосфора и серы, - хлора.

Следует обратить внимание вот на какой аспект. Большинство исследователей, занимающихся химизмом человеческого тела, сравнивают его минеральный состав с минеральным составом современной суши, тогда как 90% эволюции живых организмов прошло в океане. В таблице 3 сравнивается минеральный состав современного океана с минеральным составом крови некоторых животных. В этой таблице приводятся данные, полученные разными исследователями. Очевидно, на основании этих данных можно судить о том, как происходило формирование системы натрий-калиевого насоса в живых клетках.

Таблица 3 - Концентрация катионов в морской воде и жидкостях организмов некоторых млекопитающих и птиц, ммоль/кг

Животное	Ткань	Концентрация элемента
		Na	K	Ca	Mg	Отношение Na:K
-	Морская вода	460	10	11	55	46:1
Человек	Сыворотка	143,0	5,0	5,0	2,2	28,6:1
Крыса	Плазма	145,0	5,3	3,1	1,6	27,3:1
Собака	Сыворотка	150,5	5,3	5,3	3,7	28,4:1
Марал	Сыворотка	142,8	4,8	2,0	0,6	29,7:1
Курица	Сыворотка	154	6,0	5,.6	2,3	25,7:1

Судя по всему, если учесть химические свойства элементов, в древнем океане на начальных этапах выщелачивания концентрация калия была выше, чем концентрация натрия. Впоследствии, однако, это соотношение изменилось на противоположное. Оберегающие свой внутренний минеральный гомеостаз клетки "изобрели" фермент, закачивающий внутрь катионы калия и выбрасывающий во внешнюю среду катионы натрия - натрий-калий АТФ-азу. Обратим внимание (см. табл. 3), что в сыворотке крови животных соотношение натрия и калия достаточно стабильно и составляет приблизительно 26-28:1. В современном же океане это соотношение равняется примерно 46:1.

Отсюда можно сделать вывод, что соотношение 26-28:1 было в океане в момент возникновения многоклеточных форм жизни.

Второй оригинальный вывод касается того, почему в животном мире возник феномен солеедения (потребления хлористого натрия). Дело в том, что в момент дивергенции гетеротрофных клеток на растительные и животные у растительных клеток натрий-калиевый насос сменяется водородной помпой. Другими словами, система натрий - калий, обеспечивающая наряду с прочим проводимость клеточной мембраны, сменяется системой водород - калий. Как следствие (обратимся к табл. 1, в которой приводятся данные о содержании, в частности, этих двух элементов у растительных и животных форм) соотношение калия и натрия равняется 1:1 у животных организмов и 7:1 у организмов растительных (!). Вот почему самыми убежденными солеедами являются травоядные (коровы, овцы, лоси, олени), умеренными солеедами - всеядные животные, употребляющие как растительную, так и животную пищу (медведи, свиньи, обезьяны, человек), а хищники соль в пищу не употребляют, поскольку добывают эти два элемента в оптимальном соотношении (приблизительно 1:1) из тела жертвы.

В природе современные травоядные и некоторые всеядные животные, лишенные источников хлористого натрия (поваренной соли), посещают так называемые зверовые солонцы, являющиеся, по сути, природными ионообменниками, содержащими натрий в достаточных количествах, чтобы удовлетворить их потребности. При исследовании популяций диких и домашних животных, нами были получены данные, подтверждающие эту идею.