Современное понятие экологии человека

Стремительная урбанизация и развитие промышленности начали менять сам характер духовного мира человека. А это, в свою очередь, стало рождать разобщенность, сказываться на социальной структуре общества, приводить к явлениям, опасным для его развития. Стал заметно меняться характер культуры -- искусства, музыки. Понятия красоты, доброжелательства, участия, сопереживания становятся исключением, а не нормой жизни. Развивается наркомания, патология во взаимоотношениях полов и т. д. Духовный мир становится грубее, примитивнее. «Максимум», если так можно выразиться, достигнутый в европейских странах в XVIII-XIX вв. (а в России, вероятнее всего, в начале XX в.), стал постепенно расплываться. Распространение в последние десятилетия поп-музыки, увлечение бульварной литературой и порнографией, утеря чувства ценности прекрасного -- все это говорит о большем, чем о кризисе культуры. Я думаю, что речь идет уже о кризисе цивилизации.

Загрязнение» духовного мира, вытеснение из него светлого, не побоюсь сказать, божественного начала, рождает необходимость изучать описанные явления. Все это в целом часто и обоснованно называется экологией цивилизации (или экологией культуры) -- еще один термин, который получил хождение в последние годы.[3]

Вспомним теперь, что первоначальным значением слова «экология» было изучение совместного существования видов, принадлежащих некой экосистеме, в конкретных условиях окружающей среды. Поэтому по аналогии и вполне обоснованно возникло понятие «экология человека», включающее в себя и экологию культуры, и изучение социальных проблем урбанизации, и промышленную экологию, и многие другие вопросы: новые условия жизни порождают новую синтетическую дисциплину -- экологию человека.

Перед человечеством во весь рост поднимается проблема выживания. Сама будущность нашего биологического вида ставится под вопрос, ему может грозить судьба динозавров. Только причиной исчезновения бывших властителей Земли были внешние причины, а человечество может погибнуть от неумения разумно использовать свое могущество.

Сформулированная проблема и есть центральная проблема современной науки (хотя, может быть, это и не всеми пока еще осознано). Дисциплина, которая ее изучает и носит название экологии человека.

Точный перевод с греческого слова «экология» означает изучение собственного дома, то есть биосферы, в которой мы живем и частью которой являемся.

Изначальная цель любого знания, любой научной дисциплины -- познать законы собственного дома, то есть того мира, той окружающей среды, от которой зависит наша общая судьба. С этой точки зрения все науки, рожденные человеческим Разумом, есть составные части некой общей науки о том, как человеку следует жить на Земле, чем он должен руководствоваться в своем поведении, чтобы не только сохранить самого себя, но и обеспечить будущее своим детям, внукам, своему народу и человечеству в целом. Экология -- наука, устремленная в будущее. И она строится на принципе: ценности будущего не менее важны, чем ценности настоящего.

Экология -- наука системная, она опирается на множество других дисциплин. Но это не единственное ее отличие от традиционных наук.

Но экология в современном мире не заменяет традиционных дисциплин. Просто в отличие от них экология имеет вполне определенную и заранее заданную цель: такое изучение собственного дома, такое изучение возможного поведения в нем человека, которое позволило бы ему жить в этом доме, то есть выжить на планете Земля!

В отличие от многих дисциплин экология имеет многоярусную конструкцию, и каждый из этажей этого здания опирается на целое множество традиционных дисциплин.

С середины 80-х гг. мы начали избавляться от идеологии, от ее тотального диктата. Конечно, человеку для раскрытия потенциала, заложенного в него Природой, необходима свобода поиска. Его мысль не должна быть стесненной, ему должно быть доступно видение всего многообразия путей развития и возможности выбора. А рамки, какие бы они ни были -- всегда помеха. Не стесненной может быть только мысль -- она может быть сколь угодно революционна. Но действовать следует осмотрительно, опираясь на проверенные принципы. Вот почему свободный выбор должен опираться на мировоззрение, формирующееся опытом многих поколений. Человек должен видеть свое место в мире, во Вселенной. Он должен знать, что ему недоступно и запрещено -- во все времена погоня за иллюзиями, фантомами была одной из главных опасностей, подстерегающих человека.

Мы живем в доме, имя которому биосфера. Но она, в свою очередь, лишь малая частица Великого Мироздания. Наш дом лишь ничтожная частица необъятного космоса. И человек обязан чувствовать себя частицей необъятной Вселенной. Он должен знать, что возник не в силу чьей-то потусторонней воли, а в результате развития, и, как апофеоз этого развития, он обрел Разум, способный предвидеть результаты своих действий и влиять на события, которые происходят вокруг него, а значит и на то, что происходит во Вселенной! Вот эти принципы я и хочу называть основой, фундаментом экологического мировоззрения. А значит и основой экологии.

Владимир Иванович Вернадский использовал словосочетание «эмпирическое обобщение». Этим термином он называл любое утверждение, которое не противоречит нашему прямому опыту, наблюдениям или выводимо строгими логическими методами из других эмпирических обобщений. Так вот -- в основе экологического мировоззрения лежит утверждение, четко сформулированное Бором: мы можем считать существующим лишь то, что является эмпирическим обобщением! Только такая основа может защитить человека от неоправданных иллюзий и ложных шагов, от непродуманных и опасных действий, только она способна закрыть доступ в юные головы различным фантомам, которые на развалинах марксизма начинают путешествовать по нашей стране. Человеку предстоит решать проблемы огромной практической значимости -- как выжить на оскудевающей Земле. И только трезвое рационалистическое миропредставление может служить нитью Ариадны в том страшном лабиринте, куда нас загнала эволюция.

Биосфера -- это часть верхней оболочки Земли, в которой существует или способно существовать живое вещество. К биосфере принято относить атмосферу, гидросферу, то есть моря, океаны, реки и другие водоемы и верхнюю часть земной тверди. Биосфера не находится и никогда не находилась в состоянии равновесия. Она получает энергию Солнца и, в свою очередь, излучает энергию в космос. Получает Земля коротковолновое излучение -- свет, который, трансформируясь, нагревает Землю. А в космос от Земли уходит длинноволновое тепловое излучение. И баланс этих энергий не соблюдается: Земля излучает в космос несколько меньше энергии, чем получает от Солнца. Эту разность -- небольшие доли процента -- и усваивает Земля, то есть ее биосфера, которая все время накапливает энергию. И этого небольшого количества энергии оказывается достаточно, чтобы поддерживать все те грандиозные процессы развития планеты, участниками которых мы являемся. Ее оказалось достаточно для того, чтобы однажды на поверхности нашей планеты вспыхнула жизнь и возникла биосфера, чтобы в процессе развития биосферы появился человек и возник Разум.

Итак, биосфера -- живая развивающаяся система, система, открытая космосу -- потокам его энергии и вещества. И первая основная, практически очень важная задача экологии человека -- знать законы развития биосферы и те процессы, которые в ней происходят.

Эти сложнейшие процессы взаимодействия атмосферы, океана, биоты -- процессы неравновесные. Последнее означает, что все кругообороты веществ не являются замкнутыми: какая-то материальная субстанция непрерывно добавляется, а что-то выпадает в осадок, образуя со временем огромные толщи осадочных пород. Но планета и сама по себе не является инертным телом. Ее недра все время выбрасывают в атмосферу и океан различные газы и, прежде всего, углекислоту и водород. Они включаются в кругооборот веществ в Природе, причем значительная часть водорода уходит в космос. Наконец, человек, как сказал Вернадский, превратился в основную геологообразующую силу планеты и оказывает решающее влияние на структуру геохимических циклов (кругооборот веществ).

Изучение общих свойств биосферы и ее взаимодействия с человеческой деятельностью получило название глобальной экологии. Изучение биосферы как целостной системы -- совершенно новое направление научной деятельности. Биосфера -- объект уникальный, он существует в единственном экземпляре, причем сегодня он не такой, каким был вчера, а завтра не будет таким, как сегодня. И какие-либо эксперименты с биосферой невозможны в принципе. Мы можем лишь наблюдать происходящее, рассуждать по аналогии, изучать компьютерные модели, а если и использовать эксперименты, то только локального характера, позволяющие исследовать лишь отдельные региональные особенности биосферных процессов.

Вот почему единственным способом изучения проблем глобальной экологии являются методы математического моделирования и анализ предшествующих этапов развития Природы. Здесь уже сделаны первые значительные шаги. За последнюю четверть века многое понято, и самое главное -- общепризнанной стала необходимость такого изучения.

Я думаю, что систематическое изучение биосферы как целостной системы было начато в России, и основателем этого учения я склонен считать В. И. Вернадского. Еще в самом начале XX в. он первым сформулировал: человек становится «основной геолого-образующей силой планеты». Проблема взаимодействия человека и Природы входит в число основных фундаментальных проблем современной науки. Надо заметить, что русское естествознание внесло решающий вклад в понимание взаимодействия общих процессов, протекающих в биосфере, в понимание их взаимосвязанности. И Вернадский не случайное явление в череде замечательных отечественных естествоиспытателей. У него были учителя, были предшественники и главное -- были традиции. Из учителей надо вспомнить прежде всего В. В. Докучаева, который раскрыл тайну наших южных черноземов и заложил основу почвоведения. Благодаря Докучаеву мы сегодня понимаем, что основой биосферы, ее связующим звеном как раз и являются почвы с их микрофлорой. Процессы, которые происходят в почвах, определяют все особенности круговорота веществ в Природе.

Сложно перечислить труды учеников и последователей Вернадского -- Сукачева, Тимофеева-Ресовского, Ковды и многих других. Все те, кто сегодня занимаются у нас в стране процессами эволюции биосферы, являются последователями Великой школы русского естествознания.

Виктору Абрамовичу Ковде принадлежит очень важная оценка роли антропогенного фактора на современном этапе эволюции биосферы. Так, он показал, что человечество производит, по меньшей мере, в 2000 раз больше отбросов органического происхождения, чем вся остальная биосфера. (Отходами или отбросами условимся называть вещества, которые надолго исключаются из биогеохимических циклов биосферы, то есть из кругооборота веществ в Природе.) Другими словами, человечество совершенно кардинальным образом меняет характер функционирования основных механизмов биосферы.

Известный американский специалист в области вычислительной техники, профессор Джей Форрестер в конце 60-х гг. разработал упрощенные методы описания динамических процессов с помощью компьютеров. Они получили название методов системной динамики и языка «Динамо». Ученик Фор-рестера Медоуз применил эти подходы для изучения процессов изменения характеристик биосферы и человеческой активности. Вместе со своими коллегами он опубликовал свои расчеты в книге, которую назвал «Пределы роста».

Используя очень простые математические модели, которые никак нельзя было отнести к числу научно обоснованных, он провел расчеты, позволяющие сопоставить перспективы промышленного развития, роста населения и загрязнения окружающей среды. Несмотря на упрощенность анализа (а может быть, и благодаря ей), расчеты Медоуза и его коллег сыграли весьма важную и положительную роль в становлении современного экологического мышления. Дело в том, что впервые на конкретных числах было показано, что человечеству уже в самом ближайшем будущем (вероятнее всего, в середине наступающего столетия) грозит глобальный экологический кризис. Это будет кризис продовольствия, кризис ресурсов, кризис загрязнения. Сейчас уже точно можно сказать, что расчеты Медоуза во многом ошибочны, но основные тенденции он уловил правильно. Еще важнее то, что благодаря своей простоте и наглядности результатов они привлекли внимание мировой общественности.

По-иному развивались исследования в области глобальной экологии в Советском Союзе. В Вычислительном Центре Академии наук была предпринята попытка построить компьютерную модель, способную имитировать протекание основных биосферных процессов. Она описывала динамику крупномасштабных процессов, протекающих в атмосфере и океане, и их взаимодействие. Специальный блок описывал динамику б йоты. Важное место занимало описание энергетики атмосферы, образование облачности, выпадение осадков и т. д. Человеческая деятельность задавалась в форме сценария, так что появлялась возможность оценить ее перспективы в эволюции параметров биосферы.

Уже в конце 70-х гг. с помощью подобной вычислительной системы были получены первые важные результаты. Впервые удалось оценить так называемый «тепличный эффект». Его физический смысл достаточно прост. Некоторые газы -- водяной пар, углекислота и некоторые другие -- пропускают солнечный свет, который нагревает земную поверхность, но экранируют длинноволновое тепловое излучение Земли.

Благодаря промышленной деятельности непрерывно возрастает концентрация углекислоты в атмосфере: в XX в. она возросла на 20%. Это обстоятельство служит причиной повышения средней температуры планеты, что, в свою очередь, меняет характер циркуляции атмосферы и перераспределение осадков. Последнее отражается на жизнедеятельности растительного мира, меняется характер полярного и материкового оледенения -- ледники начинают таять, уровень океана поднимается и т. д.

И все эти явления будут зависеть от характера производственной деятельности людей. Если сохранятся современные тенденции развития и темпы роста промышленного производства, то к 30-м гг. наступающего столетия концентрация углекислоты в атмосфере удвоится. Как это может сказаться на продуктивности биоты? В 1979 г. А. М. Тарко впервые провел анализ этого явления. Все расчеты проведены с помощью тех компьютерных моделей, которые к этому времени были уже разработаны в Вычислительном Центре.

Оказалось, что общая продуктивность биоты практически не изменится, но произойдет ее перераспределение по различным географическим зонам. Так, например, резко возрастет засушливость районов Средиземноморья, стран Сахеля, кукурузного пояса США и т. д. Пострадает и наша степная зона: здесь урожаи могут снизиться на 15-20 и даже 30%. Зато резко возрастет продуктивность таежных зон и тех районов, которые мы называем Нечерноземьем. Земледелие может продвинуться на Север.

Таким образом, уже первые расчеты показывают, что производственная деятельность в ближайшие десятилетия, то есть при жизни нынешних поколений, может привести к значительным климатическим сдвигам. А следовательно, и к изменениям в производстве сельскохозяйственной продукции. В целом для планеты, эти изменения будут отрицательными, но для Севера Евразийского суперконтинента, то есть для России, последствия парникового эффекта могут быть и положительными.

Однако в существующих оценках глобальной экологической ситуации много дискуссионного, и окончательные утверждения делать очень опасно. Так, например, по нашим расчетам, к началу следующего столетия средняя температура планеты должна повыситься на 0,5-0,6 градуса. По-видимому, этот эффект наблюдается. Но средняя естественная климатическая изменчивость -- плюс-минус градус. Так что до сих пор климатологи спорят, является ли наблюдаемое потепление результатом естественной изменчивости или проявлением тепличного эффекта.

Есть еще один процесс, опасность которого предвидел в конце XVIII в. английский монах Мальтус. Он высказал гипотезу о том, что человечество растет быстрее, чем способность планеты создавать продовольственные ресурсы. Долгое время это было не совсем так -- люди повышали эффективность сельского хозяйства. Но в принципе Мальтус был прав: любые ресурсы планеты ограниченны, а пищевые прежде всего. И Земля может прокормить даже при самой совершенной технологии производства пищи лишь ограниченное население. И вот, по-видимому, этот рубеж уже пройден: в последние десятилетия количество пищи, производимой на душу населения, стало медленно, но неотвратимо уменьшаться. Это грозный признак, требующий незамедлительной реакции всего человечества.

Итак, человечество подошло к новому рубежу своей истории, за которым стихийное развитие производительных сил, неконтролируемый рост населения и отсутствие дисциплины индивидуального поведения могут поставить человечество, то есть биологический вид Homo Sapiens, на край гибели. Мы стоим перед проблемами новой организации жизни, новой организации общества, нового миропредставления. Мы должны чувствовать себя «детьми Земли», не ее покорителями.

Все возвращается на круги своя, и мы должны, подобно нашим далеким кроманьонским предкам, охотникам доледникового периода, снова воспринимать себя как часть окружающей Природы. Мы должны относиться к Природе как к матери, как к собственному дому. Но есть огромное совершенно принципиальное отличие человека, принадлежащего современному обществу, от нашего доледникового предка: у нас есть знания и мы способны ставить себе цели развития, у нас есть потенциальная возможность следовать этим целям. Другими словами, у нас есть исторический шанс снова сделаться детьми Природы, но детьми, обладающими знаниями о том, как надо себя вести в этом нашем доме.

Около четверти века тому назад я начал использовать термин «коэволюция человека и биосферы». Он означает такое поведение человечества и каждого человека в отдельности, которые способны обеспечить совместное развитие и биосферы, и человечества. Сегодняшний уровень развития науки и наших технических возможностей делает принципиально реализуемым этот режим коэволюции. Здесь только надо сделать одно важное замечание, предохраняющее от разнообразных иллюзий.

Стало более или менее принятым говорить о всесилии науки. И хотя наше знание об окружающем мире невероятно расширилось за последние два века, наши возможности остались пока весьма ограниченными. Мы лишены способности предвидеть развитие природных и общественных явлений на более или менее отдаленные времена. Поэтому я всегда очень боюсь далеко идущих планов: надо уметь вычленить то, что заведомо достоверно, и опираться на него в своих действиях.

А достоверным, чаще всего, бывает то, что приносит заведомый вред. Поэтому главная задача научного анализа, главная, но далеко не единственная,-- сформулировать систему запретов. Этот факт поняли еще во времена нижнего палеолита наши человекоподобные предки. Уже тогда начали возникать различные табу. По существу, современная наука и должна сформировать новую систему запретов. И рекомендаций -- как эти запреты реализовать.

Для того, чтобы жить в нашем общем доме, мы должны не только выработать некие общие правила поведения, если угодно -- правила общежития, но и стратегию своего развития. Правила общежития носят в большинстве случаев локальный характер. Они сводятся чаще всего к разработке и внедрению малоотходных производств, к очищению окружающей среды от загрязнений и, очень грубо, к охране Природы.

Но решение подобных проблем доступно только человечеству в целом. А это потребует изменения всей организации планетарного сообщества, то есть формирование новой цивилизации, перестройки самого главного -- тех систем ценностей, которые утверждались веками.

2. Биогеохимическая характеристика меди

Медь (лат. Cuprum) - мягкий, ковкий металл красного цвета, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Латинское слово Cuprum произошло от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Человечество знакомо с медью вот уже 10 тысячелетий. Медь стала одним из первых металлов, оказавшихся в руках человека, так как из семи «доисторических» металлов лишь три - золото, серебро и медь - встречаются на земле в свободном состоянии. Люди чеканили из меди монеты, изготавливали посуду, украшения, из бронзы (сплава меди и олова) отливали статуи, пушки, колокола.

Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева; атомный номер 29, атомная масса 63,546. По геохимической классификации В.М. Гольдшмидта, медь относится к халькофильным элементам с высоким сродством к S, Se, Te, занимающим восходящие части на кривой атомных объемов; они сосредоточены в нижней мантии, образуют сульфиднооксидную оболочку. Халькофилы имеют ионы с 18-электронной оболочкой (также как Zn, Pb, Ag, Hg, Sb и др.)

Вернадским в первой половине 1930 г были проведены исследования изменения изотопного состава воды, входящего в состав разных минералов, и опыты по разделению изотопов под влиянием биогеохимических процессов, что и было подтверждено последующими тщательными исследованиями.

Как элемент нечетный состоит из двух нечетных изотопов 63 и 65 На долю изотопа Cu(63) приходится 69,09% , процентное содержание изотопа Cu (65) - 30,91%. В соединениях медь проявляет валентность +1 и +2,известны также немногочисленные соединения трехвалентной меди.

Из изложенного выше описания ионов вытекает общий тип миграции меди: слабая миграция ионов w=1 и очень сильная - ионов w=2 с рядом довольно легко растворимых солей галоидов и аниона (So); равным образом осаждаемость благодаря активной поляризации ионами:

(Co ),(SiO),(PO ), (AsO ).

Типы распределения и концентрации меди весьма многочисленны и разнообразны. Мы можем выделить шесть главных типов, причем в основе будут лежать следующие геохимические положения:

1) легкое отщепление меди из магм с переходом в пневматолиты еще при дифференциации основных пород и даже может быть при ликвации ультраосновных;

2) при гидротермальном процессе главное осаждение меди в геофазы процессов G-H, т.е. около 400-300 50 0;

3) в гипергенной обстановке фиксация меди преимущественно анионами (So),(SiO ) при общей большой миграционной способности меди (особенно в виде легкорастворимого сульфата).

С.С. Смирнов характеризует миграцию так: "миграция меди тем более облегчается, чем выше в рудах отношение серы к меди, чем менее активна обстановка, чем менее влажен климат и чем более проницаема рудная масса".

Далее рассмотрим более тщательно геохимическую миграцию элемента.

В гидротермах Cu мигрирует в форме различных комплексов Cu ⁵⁺ 0и Cu 52+ и концентрируется на геохимических барьерах в виде халькопирита и других сульфидов (меднопорфировые, медноколчеданные и др. месторождения).

Однако такая миграция непродолжительна: при нейтрализации кислых вод на барьере Д1 осаждаются вторичные минералы Cu, она адсорбируется глинами, гидроксидами марганца, гумусом, кремнеземом. Так образуется повышенное содержание меди в почвах и континентальных отложениях ландшафтов на участках месторождений. Медь здесь активно вовлекается в биологический круговорот, появляются растения, обогащенные медью, крупные размеры приобретают моллюски и другие животные с голубой кровью. Многие растения и животные плохо переносят высокие концентрации меди и болеют.

Значительно слабее миграция Cu в ландшафтах влажного климата со слабокислыми водами. Медь здесь частично выщелачивается из почв. Известны болезни животных а растений, вызванные недостатком меди. Особенно бедны Cu пески и торфяники, где эффективны медные удобрения и подкормка животных.

Медь энергично мигрирует и в пластовых водах, откуда она осаждается на восстановительном сероводородном барьере. Эти процессы особенно характерны для красноцветной формации, к которым приурочены месторождения и рудопроявления типа "медистых песчаников".

Закон биогенной миграции атомов (или закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов.

Согласно классификации Вернадского медь относится к циклическим элементам, относится к эссенциальным металлам.

Добыча меди осуществляется на протяжении 44 лет. В составе живого человека содержится 0, 072 г меди.

Баланс меди в организме человека (мг):

Поступление с пищей и жидкостью (3,5) + Поступление с воздухом (0,02) = Выделение с мочой (0,05) +Выделение с фекалиями (3,4) + Выделение с потом (0,04-0,4) + Содержание в волосах (0,003)

Содержание в золе углей составляет 65 г/т, содержание в золе бурых углей мира составляет 48 г/т, в золе каменных углей мира - 80 г/т.

Мировое производство меди составляет 7*10⁶ т/год. Запасы меди равны 3,1 * 10⁸ т/год.

Технофильность меди равна:

7*10⁶ т /4,3*10^-5 * 4,7*10⁷ триллионов т =0,346*10^-5

где 4,7*10⁷ триллионов т масса Земной коры.

Биофильность меди составляет:

2*10^-4 /4,7*10^-3 = 0,0425

2.2 Биогеохимическая функция меди

Медь присутствует в различных видах во всех живых организмах (включая растения) и обеспечивает их полноценную жизнедеятельность.
Недостаточное содержание меди в почве приводит к возникновению болезней растений и животных (особенно на песках и торфяниках).

Суточная потребность человека в меди - 2-5 мг. Медь необходима для нормальной работы механизма сокращения мышц, она участвует в формировании эритроцитов, синтезе соединительной ткани, формировании и укреплении костей, передаче нервных импульсов. Обладает противовоспалительными свойствами. Дефицит меди в организме наблюдается довольно редко, поскольку обычно она входит в состав питьевой воды.

Медь - необходимый для растений и животных микроэлемент. Основная биохимическая функция медь - участие в ферментативных реакциях в качестве активатора или в составе медьсодержащих ферментов. Количество меди в растениях колеблется от 0,0001 до 0,05 % (на сухое вещество) и зависит от вида растения и содержания медь в почве. В растениях медь входит в состав ферментов-оксидаз и белка пластоцианина. В оптимальных концентрациях медь повышает холодостойкость растений, способствует их росту и развитию. Среди животных наиболее богаты медь некоторые беспозвоночные (у моллюсков и ракообразных в гемоцианине содержится 0,15-0,26 % меди). Поступая с пищей, медь всасывается в кишечнике, связывается с белком сыворотки крови - альбумином, затем поглощается печенью, откуда в составе белка церулоплазмина возвращается в кровь и доставляется к органам и тканям.[2]

2.3 Геохимическая характеристика меди в различных средах

Распространение в природе. Среднее содержание медь в земной коре (кларк) 4,7-10^-3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10^-2 %), чем в верхней (2-10^-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды медь, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов медь преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.

Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание медь в живом веществе 2-10^-4 %, известны организмы - концентраторы медь. В таёжных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит медь и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений медь наблюдается её избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.

В речной воде очень мало меди, 1*10^-7 %. Приносимая в океан со стоком медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько обогащены медь (5,7*10^-3 %), а морская вода резко недосыщена медью (3-10^-7 %).

В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление медь в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в ГДР). медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд медь в песчаниках.[4]

2.4 Ресурсный цикл меди

Ресурсный цикл меди - пирометаллургический цикл цветных металлов.

Медные руды характеризуются невысоким содержанием медью. Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный) и отвальные хвосты.

2.5 Производства по добыче меди

В мировой практике 80 % медь извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего сродства медь к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.

На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь пода 300 м² и более (30 м, 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).

Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.

Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы (35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO₂ до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.

Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu₂S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической медь и SO2. Эту черновую медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2) удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления растворённой в ней Cu₂O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO₄, подкислённым H₂SO₄. Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники медь концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой. Никель концентрируется в электролите; выводя часть растворов на упаривание и кристаллизацию, можно получить Ni в виде никелевого купороса.

Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллургические методы получения медь (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2SO4 или аммиака. Из раствора медь либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения медь растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.

Большая роль медь в технике обусловлена рядом её ценных свойств и прежде всего высокой электропроводностью, пластичностью, теплопроводностью. Благодаря этим свойствам медь - основной материал для проводов; свыше 50 % добываемой медь применяют в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность медь, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9 % Cu. Высокие теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из медь ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и т. п. Около 30-40 % медь используют в виде различных сплавов, среди которых наибольшее значение имеют латуни (от 0 до 50 % Zn) и различные виды бронз; оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и т. д. Кроме нужд тяжёлой промышленности, связи, транспорта, некоторое количество медь (главным образом в виде солей) потребляется для приготовления минеральных пигментов, борьбы с вредителями и болезнями растений, в качестве микроудобрений, катализаторов окислительных процессов, а также в кожевенной и меховой промышленности и при производстве искусственного шёлка.

2.6 Санитарно-гигиеническая характеристика меди

Медь является токсичным элементом. Токсичные элементы - химические элементы, оказывающие отрицательное влияние на живые организмы, которое проявляется только при достижении некоторой концентрации, определяемой природой организма.

Всемирная организация Здравоохранения -- ВОЗ (WHO) установила ПДК меди в питьевой воде на уровне 2 мг/л. Европейские требования (European Drinking Water Directive) устанавливают подобный ПДК усреднено за период в 2 недели.

2 мг/л -- это очень большое значение, встречающееся при наличии аномалий в составе питьевой воды.

В РФ ПДК меди в 2 раза жестче -- 1 мг/л.

2.7 Роль меди в эволюции жизни и формировании периодов взаимодействия природы и общества

Согласно биогенной классификации П.Аггетта, медь относится к важнейшим эссенциальным элементам - элементы данной группы включились в метаболизм с возникновением кровеносной системы. Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Составляющие коферментов организма.

Эссенциальные элементы удовлетворяют условию: и дефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме. Биологическая значимость меди в организме высших млекопитающих, и в том числе человека, на сегодняшний день твердо установлена.[6]

Содержание меди в наземных животных организмах составляет 0,22 моль/т, в растениях - 0,04 моль/т.

2.8 Влияние меди на здоровье человека

Медь входит в состав важного фермента - супероксиддисмутазы (СОД), которая утилизирует в организме токсичный супероксид-ион О^2- путем реакции

[СОД Cu²⁺] + > О₂^- [СОД Cu⁺] + О₂

[СОД Cu⁺] + О₂^- + 2Н⁺ > [СОДCu²⁺] + Н₂О₂

Содержание медь у человека колеблется (на 100 г сухой массы) от 5 мг в печени до 0,7 мг в костях, в жидкостях тела - от 100 мкг (на 100 мл) в крови до 10 мкг в спинномозговой жидкости; всего медь в организме взрослого человека около 100 мг. медь входит в состав ряда ферментов (например, тирозиназы, цитохромоксидазы), стимулирует кроветворную функцию костного мозга. Малые дозы медь влияют на обмен углеводов (снижение содержания сахара в крови), минеральных веществ (уменьшение в крови количества фосфора) и др. Увеличение содержания медь в крови приводит к превращению минеральных соединений железа в органические, стимулирует использование накопленного в печени железа при синтезе гемоглобина.[2]

При недостатке медь злаковые растения поражаются так называемой болезнью обработки, плодовые - экзантемой; у животных уменьшаются всасывание и использование железа, что приводит к анемии, сопровождающейся поносом и истощением. Применяются медные микроудобрения и подкормка животных солями медь. Отравление медью приводит к анемии, заболеванию печени, болезни Вильсона. У человека отравление возникает редко благодаря тонким механизмам всасывания и выведения меди. Однако в больших дозах медь вызывает рвоту; при всасывании медь может наступить общее отравление (понос, ослабление дыхания и сердечной деятельности, удушье, коматозное состояние).

При недостатке железа в организме развивается анемия, так как оно входит в состав гемоглобина крови. Суточное поступление в организм этого элемента должно быть 12 мг. Однако, избыток железа вызывает сидероз глаз и легких, что связано с отложением соединений железа в тканях этих органов на Урале в горных районах Сатки. В Армении в почвах повышенное содержание молибдена, поэтому 37% населения страдает подагрой. Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительной ткани. Кроме того, дефицит меди способствует раковым заболеваниям у людей пожилого возраста. Избыток меди в организме (гипермикроэлементоз) приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона). Дефицит меди вызывает заболевание мозга у детей (синдром Мениеса), так как в мозге не хватает цитохромоксидазы.

2.9 Модель устойчивого развития системы «природа-общество»

Модель (стратегия) устойчивого развития системы «природа-общество» должна быть направлена на решение следующие проблем:

· Восполнение рудной базы. Месторождения меди, которые были разведаны до 60-70-х годов, истощаются. По оценкам специалистов, в случае окончательной выработки этих месторождений падение производства меди у нас в стране составит 50-80% от текущего уровня. Особенность же момента в том, что рудная база разведанных, но неразработанных запасов несколько иная, нежели та, которая разрабатывается сейчас. Богатые медью месторождения, особенно на Урале, исчерпываются. Неразработанные месторождения в основном иного типа - медистые песчаники, с содержанием меди в несколько раз ниже. Кроме того, такие месторождения уже, как правило, не полиметаллические, поэтому "жирка" в виде получения большого количества золота и платины при их разработке не будет. Таково, например, Удоканское месторождение меди в Читинской области, которое дает почти четверть нетронутых пока разведанных запасов России. Это месторождение, кстати, фактически единственная рудная база, которая может заменить истощающиеся месторождения Урала.

· Модернизация производственных фондов. Производственные фонды медной отрасли, за исключением мощностей "Норильского никеля", крайне изношены и требуют серьезной модернизации. Например, Кыштымский медеэлектролитный завод и "Карабашмедь" были построены еще в XVIII веке, восстановлены в 1922 году и до начала 90-х годов фактически не модернизировались. "Уралэлектромедь", головное предприятие УГМК, было построено в 1934 году - это было первое советское медное предприятие, и во времена СССР оно не модернизировалось.

Список литературы

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А. и др. Микроэлементы человека. -М.: Медицина, 1991. -496 с.

2. Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.С., Книжник А.З., Михайличенко Н.И. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. -М.: Высшая школа, 1993. -560 с.

3. Ершов Ю.А., Плетнева Т.В. Механизмы токсического действия неорганических соединений. -М.: Медицина, 1989. -272 с.

4. Жолнин А.В. Комплексные соединения. Челябинск: ЧГМА, 2000. -28 с.

5. Бингам Ф.Г., Коста М., Эйхенберг Э. И др. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. -М.: Медицина, 1993. -368 с.

6. Фримантл М. Химия в действии. -М.: Мир, 1991. т.2, 620 с.

7. Хьюз М. Неорганическая химия биологических процессов. -М.: Мир, 1983. - 416 с.

8. Энтеросорбция. /Под. ред. проф. Н.А. Белякова. Центр сорбционной технологии. -Л., 1991. - 336 с.