Миграция токсических веществ в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Миграция токсических веществ в окружающей среде

Содержание

Введение

1. Миграция токсических веществ в окружающей среде

1.1 Биогеохимический цикл

1.2 Миграция антропогенных загрязнений

1.3 Поступление токсических веществ в организм человека

2. Миграция радионуклидов

2.1 Миграция радионуклидов в атмосфере

2.2 Миграция радионуклидов в почве

2.3 Миграция радионуклидов из почв в растения

Заключение

Список литературы

Введение

Под термином «миграция» понимают движение химических элементов в компонентах окружающей среды. Дело в том, что в природе все элементы, особенно если это элементы, которые образовывают верхний слой почвенного покрова Земли, находятся в движении. Необходимо отметит, что интенсивность движения каждого из этих элементов разная. Например, элементы, которые обеспечивают развитие растений, интенсивно извлекаются из почвы и с отмиранием растений опять поступают в почву. Так образуется малый круговорот веществ (элементов) в природе.

Существует разные уровни организации миграции веществ (их химических соединений), которые происходят как в пределах почвенно-растительного покрова, так и в пределах целого ландшафта.

Перемещение и преобразование загрязнителей окружающей среды в геосфере играет принципиальную роль в формировании условий существования биосферы и населяющих ее организмов, начиная от простейших форм до человека. Перемещение загрязнителей, поставляемых транспортом и сопутствующими ему коммуникациями, может осуществляться через атмосферу, при выпадении осадков, с поверхностным стоком, при таянии снежного покрова и дождевыми потоками.

Вся накопленная информация о влиянии транспортных средств на окружающую среду в большей степени касается загрязнения атмосферы и в меньшей степени почвы. Хотя транспорт вносит существенный вклад в загрязнение гидросферы, внимание уделяется только сточным водам. Особое направление представляет миграция токсичных веществ с грунтовыми водами, особенно на территории автозаправочных и автомоечных станций. Движение грунтовых вод способствует переносу нефтепродуктов, тяжелых металлов, оксидов азота и серы.

Перемещение подземных потоков воды зависит как от характеристики почвы (плотность, пористость, температура и т. д.), так и от внешних факторов, таких как изменение климата. Свой вклад вносят организмы, населяющие почвы, принимая участие в трансформации и деструкции различных органических веществ, входящих в состав топлива и выбросов от транспортных средств.

Очень важно подчеркнуть такой аспект как перенос тепла с водными массами. Это может изменить характеристики потока жидкости направленность химических реакций, особенно на территориях с вечной мерзлотой (крайний Север и Дальневосточный регион).

Сложные процессы перемещения токсикантов в биосфере в настоящее время только моделируются, и адекватность такого моделирования во многом определяется сбором фактических данных, которых пока недостаточно. Ненарушенные природные системы, а тем более измененные в результате хозяйственной деятельности, достаточно сложны для их описания, поэтому подготовка геохимической модели требует детализации множества процессов, ответственных за движение и распределение загрязнителей по всем компонентам биосферы. Среди этих процессов можно выделить наиболее важные: миграция токсин радионуклид антропогенный

* химические реакции, которые преобразуют массу загрязнителей, переводя их в различные состояния;

* перенос химических элементов при растворении в воде и рассеивание их внутри геологических структур;

* биологическое разложение и преобразование опасных химических элементов в безвредные формы;

* процессы осаждения и растворения, которые могут увеличивать или уменьшать пористость, проницаемость среды и тем самым изменять скорости водных потоков (например, при загрязнении высокомолекулярными углеводородами).

1. Миграция токсических веществ в окружающей среде

Химический состав компонентов экосистем определяет качество среды обитания организмов и их биологическое разнообразие. Химические элементы способны оказывать воздействие на адаптационные механизмы, выработанные в ходе эволюции биоты. Некоторые химические элементы и их соединения, накапливаясь в живом организме и превышая биологическую потребность, оказывают на него токсическое воздействие. К ним относятся соединения азота, серы, фосфора, галогены (F, Cl, Вг, I) и многие металлы, прежде всего тяжелые (As, Mn, Mo, Ag, Sn, Sb, Ba, W). Наиболее опасными элементами являются Hg, Cd, Pb, Co и Be. Катионы некоторых из перечисленных металлов (Hg, Pb, As, Sn и Cd) легко алкилируются, образуя метил- и этилпроизводные, чрезвычайно токсичные для живых организмов, например диметилртуть (СНз)2Hg, тетраэтилсвинец (С2Н5)4РЬ.

Кроме химической природы элемента на его токсические свойства влияет и химическое строение соединения, в состав которого входит данный элемент. Например, жизненно необходимые микроэлементы азот и сера, поступающие в живые организмы в составе растительных белков, усваиваются ими в процессе синтеза животных белков. Однако соединения азота и серы в виде оксидов NOx, SO3, их гидроксидов HNO3, H2SO4 или органических производных (CH3)2N-NH2 оказывают сильное повреждающее воздействие.

Поэтому антропогенное нарушение естественных концентраций химических элементов и их соединений в природной среде, а через нее и в живых организмах губительно отражается на их развитии и жизнедеятельности.

Повреждающее (токсическое) воздействие химического элемента или его соединения проявляется на разных структурных уровнях организма:

- на молекулярном уровне имеют место процессы ингибирования ферментов, необратимые изменения макромолекул белков и нуклеиновых кислот и, как следствие, нарушение процессов метаболизма;

- на клеточном уровне происходят изменения структуры и проницаемости мембран, нарушение нормальной жизнедеятельности клеток вызывает расстройство функций органа, образуемого данными клетками;

- на уровне организма изменение функционирования органов проявляется характерными признаками отравления в виде замедления роста, ослабления репродуктивной функции (способности к самовоспроизведению и размножению), аномальных изменений физиологических параметров, хронических и онкологических заболеваний, преждевременного старения.

Повреждающее воздействие токсичного химического элемента (соединения) зависит от единовременной дозы химического вещества и продолжительности поступления его в организм. В качестве критериев используют среднелетальные дозы - ЛД50 (доза химического вещества, вызывающая при введении в организм гибель 50 % подопытных животных) и среднелетальные концентрации - ЛК50 (концентрация вещества (мг/л), вызывающая в течение 2 ч гибель 50 % подопытных животных).

На основании экспериментально устанавливаемых на подопытных животных значениях ЛД50 и ЛК50 вычисляют предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных для живых организмов (человека) веществ. Специфика токсического повреждающего действия химических элементов определяется механизмом их воздействия на разных уровнях организма. В связи с этим в токсикологии введены понятия: критический орган, критическая концентрация для клетки и органа, критический эффект. Органы, в которых при введении в организм химического вещества наблюдаются критические токсические эффекты, называют органами-мишенями для данного вещества.

Знание биохимических основ токсичности химических элементов и устойчивости живых организмов к действию загрязняющих веществ позволяет дать адекватную оценку влияния хозяйственной деятельности общества на природную среду. Для этого необходимо знание принципов и путей миграции, превращения и воздействия загрязняющих веществ на живые организмы и среду их обитания. Изучение экологической опасности загрязнения природной среды веществами антропогенного происхождения включает рассмотрение путей их миграции и трансформации в природных средах и живых организмах. Современный качественный и количественный химический состав незагрязненной среды обитания живых организмов (биосферы) формировался на протяжении миллионов лет развития жизни на Земле. Между природной средой и живыми организмами установилось динамическое равновесие обмена веществом и энергией, которое достигалось путем миграции, непрерывного кругооборота жизненно необходимых (биогенных) макро- и микроэлементов.Антропогенный фактор внес существенную дестабилизацию в динамику природных процессов, о чем уже было сказано выше (изменение климата, выпадение «кислотных» дождей, формирование озоновых «дыр», загрязнение всех компонентов биосферы и др.).

1.1 Биогеохимический цикл

Непрерывный биогенный круговорот химических элементов в биосфере включает три экологические категории живых организмов:

1) продуценты - синтезируют органические вещества из неорганических соединений с использованием внешнего источника энергии - Солнца;

2) консументы - потребляют органические вещества растительного происхождения;

3) редуценты - разлагают мертвые органические остатки до неорганических составляющих.

В начале цикла продуценты (зеленые растения) усваивают из почвенного раствора и атмосферного воздуха необходимые для их развития биогенные химические элементы. Под воздействием солнечного излучения при участии хлорофилла они осуществляют первичную биологическую продукцию растительных белков, углеводов, жиров и выделяют кислород.

В последующем химические соединения растительного происхождения в виде зеленой растительной массы потребляются консументами 1-го порядка (травоядными животными), которые в процессе обмена веществ, происходящем в их организмах с участием атмосферного кислорода, трансформируют органические вещества растительного происхождения во вторичную биологическую продукцию в виде животных белков, углеводов, жиров и других биогенных соединений. Травоядные животные служат пищей для консументов 2-го порядка - хищников. В конце цикла круговорота веществ редуценты (микроорганизмы-деструкторы), используя в качестве пищи погибшие растения, экскременты животных и их трупы, осуществляют минерализацию органических соединений, возвращая в среду обитания (в почву) жизненно необходимые химические элементы.

Минерализуются и поступают в почву и токсичные химические элементы, которые накапливались в живых организмах в процессе их жизнедеятельности в загрязненной среде обитания. Одновременно консументы и редуценты в процессе своего развития потребляют кислород и выделяют в атмосферу диоксид углерода.

Экологическая опасность химического элемента и его соединений определяется, с одной стороны, токсическим действием на живые организмы, а с другой - физико-химическими свойствами, от которых зависит способность элемента к миграции в природных средах и живом организме. Из соединений с одинаковым уровнем токсического воздействия наибольшую экологическую опасность представляют вещества, отличающиеся наибольшей миграционной способностью в природных средах и живых организмах, в том числе в организме человека.

В атмосфере загрязняющие вещества находятся в газообразном, парообразном состоянии и в виде аэрозолей переносятся воздушными потоками. В атмосфере же происходит их окисление кислородом воздуха (например: 2SO2 + О2 = 2SO3) с последующим образованием кислот путем растворения оксидов в атмосферной влаге (например: SO3 + Н2О = H2SO4). Эти процессы, как отмечалось в предыдущем разделе, являются причиной выпадения «кислотных дождей».

Миграция аэрозолей зависит от степени дисперсности твердых частиц загрязняющего вещества: чем выше степень дисперсности, тем на большие расстояния от источника поступления переносятся загрязнения. Перенос загрязнений в виде аэрозолей сопровождается их седиментацией (осаждением) под действием гравитационных сил.

Загрязняющие вещества при попадании в водные природные среды подвергаются реакциям окисления - восстановления, гидролиза, гидратации и комплексообразования, что отражается на их способности к миграции и последующему проникновению во внутреннюю среду живого организма. Загрязнения после их попадания в водоемы и почву переносятся реками, грунтовыми водами и почвенными растворами. Атмосферный воздух и природная вода - основные среды миграции антропогенных загрязнений.

Кислотность природных вод. Основное влияние на состояние и перенос загрязнений в природных водах оказывает кислотность водной среды рН. Большинство ионов металлов (Сu2+, Cr3+, Pb2+, Cd2+, Hg2+ и др.) при рН > 6 осаждаются в виде плохо растворимых гидроксидов, карбонатов, сульфидов и концентрируются в донных отложениях. При подкислении природных вод за счет выпадения «кислотных дождей», сброса сточных вод, содержащих кислоты, происходит обратный процесс - металлы в виде катионов переходят в растворимое состояние. Поэтому кислотные дожди оказывают негативное влияние не только на почвенно-растительный покров, но и на состояние гидробионтов и миграцию элементов в водных экосистемах.

Температура природных вод. Состояние и перенос загрязнений в природных водах зависит от температуры. Поэтому сезонные изменения температуры и глобальное изменение климата будут влиять на динамику миграции токсичных веществ. В настоящее время интенсивно растет не только количество, но и число разновидностей загрязняющих веществ, попадающих в водоемы и реки. Температура Мирового океана повышается из-за неконтролируемого техногенного поступления СО2, что приводит к так называемому «парниковому эффекту». Растворимость углекислого газа может уменьшаться при повышении температуры, что будет обусловливать увеличение рН водной среды и протекание реакций с образованием карбоната кальция СаСО3.

Повышение температуры интенсифицирует процессы жизнедеятельности водных организмов, что нарушает равновесие экосистем.

В загрязненной воде с повышением температуры начинают бурно размножаться сапрофитные и болезнетворные микроорганизмы. При интенсивном загрязнении органическими веществами и биогенными элементами, в результате нарушения внутриводоемных процессов происходит вторичное загрязнение водных объектов и гидросферы в целом. Попадая в питьевую воду некоторые токсичные вещества и патогенные формы микроорганизмов, могут вызывать вспышки различных заболеваний.

Существует в экологии такое правило, как правило биологического усиления - накопление живыми организмами ряда химических неразрушающихся веществ (пестициды, радионуклиды и др.), ведущее к биологическому усилению их действия по мере прохождения в биологических циклах и по пищевым цепям. В наземных экосистемах с переходом на каждый трофический уровень происходит, по крайней мере, 10-кратное увеличение концентрации токсических веществ. В водных экосистемах накопление многих токсических веществ (например, хлорсодержащих пестицидов) коррелирует с массой жиров (липидов). Могут вызвать мутагенный, канцерогенный, летальный и другие эффекты. Кроме того, такие загрязнители могут образовывать другие ядовитые вещества в окружающей среде. Единственный пока возможный способ предотвратить их -- правильное их применение в народном хозяйстве с последующим изъятием из системы жизнеобеспечения окружающей среды.

1.2 Миграция антропогенных загрязнений

Во всех случаях вещества, хорошо растворимые в воде, быстрее и в больших количествах переносятся в природных средах от источника их образования к органам-мишеням живых организмов. В принципиальной схеме миграции загрязнений антропогенного происхождения в природных средах выделяют пять стадий.

Первая стадия. Это стадия поступления загрязнений из источников их образования в природные среды. В атмосферный воздух летучие вредные вещества поступают в виде газов, паров и мелкодисперсных частиц 1. В водоемы загрязнения сбрасывают в виде промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, в которых загрязняющие вещества находятся в виде растворов, эмульсий или взвесей 2. Сточные воды перед сбросом в водоемы должны подвергаться предварительной очистке от загрязнений на очистных сооружениях. Перегрузка очистных сооружений, а в ряде случаев их отсутствие или устаревшие технологии очистки приводят к тому, что со сточными водами в водоемы поступают значительные количества самых разных загрязнений. Еще один путь поступления в природную среду загрязнений - накопление в почве на свалках и в местах захоронения твердых производственных и бытовых отходов, в том числе выработавшей ресурс и уничтожаемой техники и материалов.

Вторая стадия. На этой стадии происходит миграция загрязнений внутри природных сред - перенос воздушными массами, стоком рек и морскими течениями. Одновременно происходит миграция загрязнений между геосферами в виде «кислотных дождей» и седиментации взвешенных в атмосферном воздухе твердых частиц на поверхность почвы и водоемов.

Например, при сжигании различных видов топлива (каменного угля, мазута, бензина и дизельного топлива) в топочных котлах и двигателях внутреннего сгорания в результате прямой реакции между молекулярным азотом и кислородом в условиях высоких температур образуются оксиды азота NOx - предшественники «кислотных дождей». Они оказывают непосредственное вредное воздействие на растения, вызывая химические ожоги, и косвенное, заключающееся в закислении водоемов и почвы.

В незагрязненной среде показатель рН природных водоемов и почвы находится в пределах 6,5-8,5. Эти пределы рН определяются двумя природными факторами:

1) растворением в воде диоксида углерода с образованием слабой угольной кислоты (рН = 6,5);

2) растворением природных известняков, придающих воде щелочной характер.

Кроме биохимического воздействия и закисления водоемов и почвы «кислотные дожди» вызывают ускоренную коррозию металлических конструкций, разрушение неметаллических строительных материалов (бетона, известняков и т. д.) и лакокрасочных покрытий. Незначительное закисление (5 < рН < 6) природных водоемов снижает численность популяций водорослей, фито- и зоопланктона. При значительном закислении (рН < 5) погибают многие виды рыб. Особенно чувствительны к закислению водоемов икра и молодь рыбы. Повышение кислотности среды приводит к растворению многих токсичных тяжелых металлов.

Миграция химических веществ между геосферами происходит в результате испарения с поверхности почвы и водоемов летучих веществ, поступающих в атмосферу 6, 7. Летучие вещества в почве и водоемах образуются в процессе химических и биохимических превращений твердых отходов природного и антропогенного происхождения. Растворимые в воде вещества, содержащиеся в почвах, в том числе и на свалках, вымываются атмосферными осадками, талыми и грунтовыми водами и затем транспортируются в водоемы. Растворенные в воде водоемов биогенные вещества и антропогенные загрязнения при поливе сельскохозяйственных угодий и во время весенних паводков накапливаются в почве.

Третья стадия. На этой стадии происходит перемещение загрязнений из атмосферы, почвы суши в виде почвенного раствора через корневую систему в растения. Аналогичный процесс происходит и в водоемах, отличающихся тем, что в водные растения поступают загрязнения, содержащиеся в донных отложениях и в воде водоемов.

Почвенный раствор - это жидкая фаза почвы, ее наиболее подвижная, активная и изменчивая часть. Почвенный раствор является основным источником химических элементов питания растений и микроорганизмов почвы. Формирование химического состава почвенного раствора определяется составом пород, образующих почву, растительного опада, атмосферных осадков и техногенной пыли. Почвенный раствор участвует во всех процессах превращения минеральных и органических веществ, в том числе и загрязнений антропогенного происхождения, их миграции. Изменение химического состава почвенного раствора позволяет судить о влиянии антропогенных загрязнений на биосферу.

В составе почвенных растворов в регионах с повышенным антропогенным загрязнением имеет место повышенная концентрация ионов Н+, SO42-, Al3+, Mn2+, Cu2+, Mg2+ и многих тяжелых металлов. Снижение рН почвенного раствора, как и воды водоемов, приводит к тяжелым экологическим последствиям, которые заключаются в увеличении растворимости в кислой среде многих высокотоксичных металлов. В кислых почвенных растворах и в воде водоемов с рН < 6 концентрации тяжелых металлов (Сu, Pb, Hg, As, Sb и др.) достигают 10-1 000 мг/л, тогда как в «чистых» почвенных растворах и водоемах их содержание измеряется микрограммами.

Увеличение кислотности почв отражается на жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и приводит к повышенному содержанию тяжелых металлов в растительности, в том числе и в овощах, употребляемых человеком. Антропогенное закисление почв и загрязнение их тяжелыми металлами в подвижной форме тормозят процессы разложения растительных остатков и нарушают естественный кругооборот биогенных элементов. При закислении почвы уменьшается количество доступных для растений питательных элементов (Са, Mg) в результате их взаимодействия с серной кислотой и образования малорастворимых солей (CaSO4, MgS04). Одновременно в кислой среде алюминий переходит в растворимую форму и блокирует усвоение растениями биологически необходимого фосфора за счет связывания катионами алюминия фосфат ионов с образованием нерастворимого фосфата алюминия (АlРО4). При рН < 5 погибают азотфиксирующие бактерии, что приводит к нарушению азотного питания растений.

Серьезную экологическую опасность представляют грунтовые и поверхностные воды, формирующиеся в местах расположения организованного и стихийного складирования производственных и хозяйственно-бытовых отходов. В этих водах могут присутствовать самые разные химические элементы и вещества в непредсказуемых концентрациях.

Четвертая стадия. Поступление загрязнений в организмы животных, обитающих на суше, с растительными кормами, в процессе дыхания и с питьевой водой. В организмах гидробионтов концентрируются загрязнения, растворенные в воде, содержащиеся в водной растительности и планктоне. Например, планктон концентрирует в своей массе свинец в 12 000, кобальт в 16 000, а медь в 90 000 раз больших концентрациях по сравнению с их концентрациями в водоеме.

Пятая стадия. Поступление антропогенных загрязнений, содержащихся в злаках, овощах, фруктах, ягодах, в мясе животных, рыбы и морепродуктов, при их переработке в пищевые продукты в организм человека. Одновременно в процессе дыхания и употребления питьевой воды в организм человека поступают загрязнения, находящиеся в атмосферном воздухе и питьевой воде.

1.3 Поступление загрязняющих веществ в организм человека

Поступление жизненно необходимых химических соединений и токсичных веществ в организм человека осуществляется тремя путями: ингаляционным, через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) и кожные покровы.

Быстрее всего токсичные вещества поступают в организм ингаляционным путем при вдыхании воздуха, загрязненного газообразными и пылеобразными химическими соединениями. Через дыхательные пути токсичные соединения поступают в виде молекул и микрочастиц (аэрозолей). В виде молекул в легкие проникают пары летучих и газообразных веществ (аммиака, оксидов серы и азота, пары ртути, низших углеводородов, простых эфиров и др.), в виде аэрозолей - большинство химических элементов в форме оксидов, солей, гидроксидов и кислот.

Через ЖКТ поступают токсичные вещества, содержащиеся в пище и питьевой воде. В процессе движения пищи по ЖКТ токсичные вещества растворяются и всасываются через стенки тонкого кишечника и далее поступают в кровеносную систему. Кровь из ЖКТ вместе с растворенными веществами проходит через печень, где происходит детоксикация токсинов, вырабатываемых болезнетворными бактериями, и частично задерживаются некоторые химические токсиканты. При этом некоторые инородные для организма вещества - токсиканты - подвергаются в печени метаболизму, а продукты разложения токсикантов повреждают печень.

Через кожные покровы проникают в организм те вещества, которые растворяются в жировой составляющей кожных покровов; это прежде всего органические соединения и некоторые неорганические вещества. Загрязнения проникают в организм чаще всего в производственных условиях при непосредственном контакте человека с загрязняющим веществом.

Транспорт питательных и токсичных веществ, кислорода и продуктов обмена веществ (метаболизма) в организме человека осуществляется системой кровообращения. Поступившие в организм соединения транспортируются с током крови и распределяются по отдельным органам и тканям, где и накапливаются (эффект биоаккумуляции).

Неравномерность распределения химических элементов по органам и тканям определяется их свойствами и структурой органа, в котором они накапливаются. Как уже отмечалось выше органы, в которых накапливаются токсичные вещества, называют органами-мишенями для данного соединения (элемента). В них происходят патологические изменения, степень которых определяется химической природой загрязняющего вещества и его дозой (концентрацией).

Наиболее чувствительны к токсическому воздействию неорганических соединений белки, нуклеиновые кислоты и ферменты. Ионы неорганических соединений включаются в эти биополимеры на всех этапах биосинтеза, построения макромолекулярных структур органов и тканей.

Одновременно с токсическим влиянием действует гомеостатический механизм клеток организма, который противодействует интоксикации (отравлению организма вредными веществами) путем их изолирования и выведения. Токсичные вещества выводятся из организма через почки (с мочой), кожные покровы (с потом); летучие вещества удаляются через легкие (с выдыхаемым воздухом).

Обмен веществ составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Этот непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся ее постоянным самообновлением, называют обменом веществ.

Обмен веществ - сочетание многих разнообразных и противоположно направленных процессов. Одним из них является метаболизм, сущность которого заключается, с одной стороны, в образовании в организме сложных биоорганических веществ (белков, нуклеиновых кислот и др.) из более простых, поступающих из внешней среды в виде пищи; с другой стороны - в распаде биоорганических веществ живого организма на более простые, называемые метаболитами, с их последующим выведением из организма. Понятие «обмен веществ» кроме метаболизма включает физиологические процессы, протекающие в организме (питание, выделение), и физические (сорбция, перенос веществ в организме). Появление в среде чужеродных для организма токсичных соединений (химических элементов) неизбежно отражается на его состоянии. В этом смысле любой организм представляет собой систему, закономерно изменяющуюся в зависимости от условий среды, с которой организм постоянно взаимодействует.

Присущие организмам молекулярные механизмы преобразования, воспроизводства и разрушения биоорганических и неорганических соединений действуют лишь в определенных, ограниченных интервалах химического состава и концентраций веществ во внешней среде.

2. Миграция радионуклидов

По своей сути, механизмы обеспечивающие миграцию радиоактивных веществ в окружающей среде, ни чем не отличаются от механизмов миграции других элементов. В большинстве отличия обусловлены физико-химическими свойствами каждого радионуклида.

По происхождению миграцию радионуклидов разделяют на несколько типов: природную и техногенную (иногда ее называют антропогенной). По природной миграцией радионуклидов понимают миграцию, вызванную природными явлениями - разливы рек и паводки, пожары, дожди, ураганы и т.д. Под техногенной миграцией понимают движение элементов, обусловленное деятельностью человека - ядерные взрывы, аварии на ядерных энергетических установках, предприятиях по добыче и переработке урана, каменного угля, руды и т.д.)

Существуют отличия в направлении движения радионуклидов в окружающей среде. Выделяют вертикальную миграцию радионуклидов (извержение вулканов, дожди, вспашка почвы, выращивание леса и т.д.), а также горизонтальную миграцию (разливы рек, перенос радиоактивной пыли и аэрозолей ветром, миграция живых организмов и т.д.). Существует смешанный тип миграции радионуклидов (ядерные взрывы, большие пожары, добыча и переработка нефти, производство и внесение минеральных удобрений и т.д.). Загрязнение радионуклидами наземных и водных экосистем приводит к вовлечению этих элементов в трофические (пищевые) цепочки. Пищевые цепочки представляют собой ряд последовательных этапов по которым осуществляется трансформирование вещества и энергии в экосистеме. Все живые организмы связаны между собой, поскольку они являются объектами питания. При загрязнении одной из цепей радиоактивными веществами осуществляется миграция и последовательное накопление нуклидов в других элементах трофической цепи.

2.1 Миграция радионуклидов в атмосфере

Наиболее опасным следствием аварии на ЯЭУ является выход в окружающее пространство радиоактивных продуктов реакций деления ДВ (делящегося вещества) активной зоны ядерного реактора. При этом формируются источники, очаги радиоактивного заражения, обусловленные такими последовательными процессами:

- образованием радиоактивных аэрозолей и распределением радиоактивных продуктов по их размерам и массам;

- распределением образовавшихся радиоактивных аэрозолей по объему источника в соответствии с закономерностями его формирования;

- переносом и рассеиванием радиоактивных аэрозолей в воздушной среде, водах, на земной поверхности, в помещениях и т.д .

Под источником радиоактивного заражения подразумевается область пространства, в которой находятся инжектированные радиоактивные продукты, т.е. выбросы из ЯЭУ. В дальнейшем под действием атмосферных факторов источник деформируется, меняется его форма и размеры, а так же распадается на множество других менее мощных источников. Распространение выбросов в атмосфере происходит по механизмам турбулентной диффузии и конвективного (ветрового) переноса. Турбулентность атмосферы характеризуется крупно- и мелкомасштабными пульсациями ее параметров - плотности, давления, температуры, скорости, возникновением вихрей, переносом значительных воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях. В эти процессы вовлекаются выбросы, и при их проникновении из тропосферы в стратосферу радиоактивное заражение может принимать глобальный характер.

Характер распространения выбросов в атмосфере в значительной степени зависит от скорости ветра и распределения температуры в вертикальном направлении (по высоте), что, в свою очередь, определяется температурой воздушной массы, поверхности Земли, тепловыми потоками солнечной радиации, влажностью воздуха, облачностью, степенью загрязнения воздуха и т.д.

Вторичное загрязнение атмосферы токсичной пылью, осевшей на подстилающую поверхность и вновь поднятой ветром в воздух, есть всегда, но особенно оно заметно при сильном загрязнении местности либо в экстремальных погодных условиях: при пыльных бурях, снежных черных буранах и других подобных явлениях.

В окрестностях АЭС вторичное загрязнение приземной атмосферы становится опасным, если на местности образовалась радиоактивная зона. Возможен также ветровой вынос токсичной пыли с загрязненной территории соседних промышленных предприятий. Поднятая ветром с земли радиоактивная пыль проникает в органы дыхания, загрязняет водоемы и растительность, в том числе сельскохозяйственные культуры, в результате чего радионуклиды по пищевым цепочкам попадают в организм человека. Кроме того, летом при выраженной ветровой эрозии почвы или зимой при метелевом переносе радиоактивного снега возможно смещение границ радиоактивной загрязненной зоны.

2.2 Миграция радионуклидов в почве

Миграция радионуклидов в почве происходит благодаря совокупности разных процессов, которые приводят к перемещению радионуклидов в почве или к перераспределению разных форм и состояний радионуклидов, что приводит к перераспределению нуклидов в глубь почвенного покрова.

Основными «движущими силами», которые приводят к миграции радионуклидов в почве являются: конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков вглубь почвы, капиллярный поток влаги к поверхности почвы, который вызван испарениями, теплоперенос влаги под действием градиента температуры), диффузия свободных и адсорбированных ионов, перенос радионуклидов корневыми системами растений, перенос радионуклидов коллоидными частичками (лессиваж), роющая деятельность животных (дикие кабан, крот и т.д.) и хозяйственная деятельность человека.

Указанные факторы не являются равнозначными, поскольку интенсивность и длительность их действия разные и зависят от конкретных условий.

Наиболее значимыми факторами, влияющими на интенсивность миграции радионуклидов в почвах (не обрабатываемых человеком) являются конвективный перенос и диффузия. Корневой перенос радионуклидов в значительной степени зависит от глубины корневого слоя и густоты корневых систем. Кроме того, корневая миграция в значительной степени зависит от физико-химических форм радионуклидов.

Дождевые черви и другая почвенная фауна также способствуют миграции радионуклидов в почвах, как благодаря механическим, так и биологическим путям, перемешивая почву и\или вовлекая радионуклиды в ткани своего организма.

Необходимо отметить, что на сегодняшнее время (20 лет после аварии на ЧАЭC) основной запас (содержание) радионуклидов размещается в 10 см слое почвы.

Миграция радионуклидов в почвах покрытых лесом имеет свою специфику, которая обуславливается наличием лесной подстилки. Этот компонент является мощным буфером на пути миграции радионуклидов в глубь почвы.

Исследования, которые проводятся в Чернобыльской зоне уже на протяжении 20-ти лет, свидетельствую о хорошей способности подстилки аккумулировать и удерживать радионуклиды. Длительное удержание радионуклидов в лесной подстилке объясняется наличием нескольких, медленно разлагающихся, слоев. Процесс разложения каждого слоя подстилки имеет свою длительность, что обеспечивает длительную (5-10 лет) изоляцию радионуклидов от минеральной части почвы.

В зависимости от режима увлажнения почвы, на которых формируются лесные экосистемы, формируется разная толщина лесной подстилки. Как свидетельствуют исследования, толщина подстилки, а также природа органического вещества является основным фактором, который влияет на вертикальную миграцию радионуклидов.

2.3 Миграция радионуклидов из почв в растения

Миграция (накопление) радионуклидов из почвы в растения зависит от комплекса факторов. Основными факторами определяющими уровни накопления радионуклидов в растениях является: физико-химические формы радионуклидов, агрохимические свойства почв, биологические особенности растений, агротехника выращивания культур.

Для определения поступления радионуклидов из почвы в растения используют следующие показатели: коэффициент биологического поглощения, коэффициент перехода и коэффициент пропорциональности. Данные показатели используются в радиоэкологии - с помощью этих показателей сравнивают и характеризуют уровни накопления радионуклидов для разных видов растений, животных и т.д.

Например, для сравнивания величины поступления радионуклидов с почвы в растения было установлено, что в зависимости от уровня увлажнения величины перехода 137Cs в растительность изменяется в 600 раз. Значительные отличия в накоплении были отмечены для разных типов почв Чернобыльской зоны отчуждения - дерново-подзолистых и торфянистых.

Заключение

Безусловно, расширение наших представлений о разнообразных процессах миграции токсикантов в организме человека и компонентах биосферы требует дополнительных исследований и повышения точности измерительного оборудования. Кроме того, все определенные параметры должны быть вписаны как в биогеохимические круговороты, так и биоценотические процессы. Именно на этом пути находится новое направление исследования роли антропогенного фактора в развитии и функционировании природных комплексов и биосферы в целом. Это направление называется глобальная экодинамика - она предусматривает изучение тонких механизмов и разнообразных процессов в системе «Природа-Общество», возможность биологической адаптации организмов различного уровня организации к условиям резкого изменения параметров окружающей среды, а также моделирование состояния биосферы в будущем.

Список литературы

1) Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля. Под ред. Ф. Уорнера, Р.Харрисона. М.: «Мир», 1999

2) Радиоактивное загрязнение и его оценки. Дурилов А.П. М.: Энергоатомиздат, 1993

3) Кюрюшин В.А., Моталова Т.В. Токсикология химически-опасных веществ и мероприятия в очагах химического поражения - Рязань: РГМУ, 2004

4) Охрана окружающей среды: учебник для студ. Учреждений высш. проф. образования / [Я.Д. Вишняков, П.В. Зозуля, А.В. Зозуля, С.П. Киселева] ; под ред.Я.Д. Вишнякова. - Москва : Издательский центр «Академия», 2013.

Размещено на Allbest.ru