Виды влияния химических загрязнений на окружающую среду

Таблица 5. Подвижность химических элементов в зоне гипергенеза (по А.И. Перельману)

Подвижность	Элемент	Условия подвижности
Очень подвижные	S,Cl,B,Br	Растворы
Подвижные	Ca,Na,Mg,Sr,Ra,F	Растворы
Слабоподвижные	K,Ba,Pb,Li,B,Cs,Hg,Ag	Особенно в форме растворов
Подвижные и слабоподвижные в окислительной среде	Zn,Ni,Cu,Pb,Cd,Hg,Ag	Энергичная миграция в  кислых растворах и слабая подвижность  в нейтральных и щелочных растворах, особенно в форме катионов.
Инертные в восстановительной  среде	U,V,Mo,Se,Ra	Энергичная миграция в  кислых и щелочных растворах, особенно в форме анионов.
Подвижные и слабоподвижные в восстановительной среде	Fe,Mn,Co	Умеренная миграция
Слабоподвижные в большинстве  сред	Al,Ti,Zr,Cr,Nb,Ga,Th,Ta,W, Bi,Ti,Pb,Rn,Pt,Au,Rh	Миграция слабая, с образованием химических комбинаций, миграция в  форме природных металлов.

 

Резкие изменения в  скорости миграции и темпов накопления химических элементов вызываются наличием так называемых геохимических барьеров. Выделяют следующие геохимические барьеры:

1) биогеохимические, вызванные интенсивным закреплением значительного числа макро- и микроэлементов живыми организмами;

2) физико-химические, увеличивающие  или уменьшающие подвижность  элементов за счет изменения степени окисления, адсорбции, образования гидроксидов, сульфидов и т.д. Различают барьеры окислительные, восстановительные, глеевые, восстановительные сульфидные, сульфидно-карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические.

3) механические возникающие при изменении скорости воздушных и водных потоков, и вследствие фильтрационных эффектов. Роль механического барьера могут исполнять пористые известняковые породы, песчаные и глинистые поросли в толще породы и т.п.

Геохимические барьеры не останутся вечно неизменными; по мере накопления на геохимических барьерах различных веществ возможно разрушение исходных и образование новых барьеров. Например, первоначально иллювиальный карбонатный горизонт формируется в результате миграции кальция или интенсивного поступления СO₂ ; при этом образуется кальцит. Далее горизонт кальцита выступает, как щелочной карбонатный барьер для большой группы элементов: Sr,Pb,Zn,Cd,Co,Cu/

Ряд веществ при миграции теряет подвижность и задерживается на геохимическом барьере. В случаях кумулятивного накопления на геохимических барьерах тяжелых металлов даже в слабоподвижных формах нарушается геохимическая устойчивость систем  и они загрязняются, но при этом потоки вещества очищаются за счет удержания токсинов, что ограничивает сферу загрязнения. Например, при поступлении вредных компонентов в составе газопылевых выбросов растительный покров является барьером, задерживающим техногенные потоки. Загрязненные воды проходят почву, очищаются от техногенных продуктов, но сама почва в результате загрязняется. Компоненты техногенного потока, не задерживаются почвой, проникают в нижележащие горизонты, достигают уровня почвенногрунтовых вод  и загрязняют их. Однако в водоносном горизонте и над ним продолжают действовать геохимические барьеры различного типа: сорбционные, восстановительные.

Ландшафтно-геохимические  барьеры обладают различной проницаемостью для техногенных потоков и  определенной емкостью по отношению  к отдельным техногенным компонентам  и ко всей их совокупности. Так, емкость щелочного барьера в почвах изменяется количеством карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки. Емкость сорбционного барьера зависит от емкости поглощения почв и мощности сорбирующего слоя. Емкость восстановительных и окислительных барьеров зависит от количества окислителей и восстановителей, что обусловлено микробиологической активностью среды. (М.А.Глазовская, 1998).

Мощные техногенные потоки могут разрушить геохимические  барьеры, создавать новые и вызывать компонентные изменения сопряженных ландшафтов, образуя (по А.И. Перельману) «техногенные химические барьеры». Техногенные барьеры можно создавать усиливая некоторые природные барьеры или формируя новые пути техногенных потоков.

4. Миграция химических  загрязняющих веществ в биогеоценозе

 

Миграция химических загрязняющих веществ (ХЗВ) в биогеоценозе как наиболее геохимически активном блоке геосистемы тесно связана с их поведением в сопряженных с почвой природных водах.

Отдельной задачей является исследование миграции ХЗВ в геосистемах, испытывающих активное техногенное воздействие поскольку, например, включение металлов в металлоорганические соединения может иметь иные физиологические последствия для биоты, нежели нежели присутствие элементов в обычных для геосистем формах. Техногенно аномальные геосистемы можно рассматривать как полигоны, в пределах которых особенности миграции техногенных продуктов проявляются наиболее ярко. Это имеет большое значение для разработки методики наблюдений в системе геохимического мониторинга, выявления наиболее чувствительных звеньев миграционной цепи, сигнализирующих о переходе геосистемы из фонового состояния в аномальное.

В вопросах миграции химических загрязняющих веществ особое место  занимает комплексообразование. Многие органические вещества, связывая ионы металлов в комплексы, способствуют их стабилизации и переносу в растворенном состоянии. Путем прямых наблюдений с меченными соединениями установлено, что миграционная способность железа в форме, связанной с различными органическими компонентами почвенных растворов, на 1-2 порядка и более превосходит миграционную способность ионных форм железа.

Образование металлоорганических  комплексов иногда имеет положительное  биологическое значение, инактивируя избыточные количества активных ионов тяжелых металлов или благоприятствуя растворению труднодоступных, но биологически важных элементов.

На растворимость соединений тяжелых металлов большое влияние  оказывает концентрация их в растворе. При очень низкой концентрации микроэлементы  не выпадают в осадок при соответствующем изменении реакции среды и при добавлении осадителей. Этот фактор играет важную роль в случае металлов, образующих труднорастворимые соединения при величинах рН и Е_h , характерных для природных вод. Миграционная способность микроэлементов в форме комплексных соединений не безгранична: она лимитируется устойчивостью самого соединения, возможностью конкуренции со стороны другого элемента, дающего более стойкий комплекс, выпадением в осадок, самой комплексной соли.

Растворимые комплексы с органическими соединениями образует большинство металлов. К ним, прежде всего необходимо отнести комплексы, образуемые гуминовыми веществами и другими органическими кислотами с двух- и трехвалентными металлами. Роль гуминовых веществ в переносе металлов в растворенном состоянии велика. От 50 до 75% марганца, никеля, кобальта переносят в качестве органических соединений речные воды.

В настоящее время установлено (Г.М.Варшал и др. 1983,1985):

что низкомолекулярные соединения неспецифической природы играют небольшую роль в переносе ХЗВ, хотя их набор довольно широк – щавелевая, фумаровая, лимонная и другие кислоты, танины, сахара, аминокислоты и пр.;

органические соединения типа фульвокислот образуют комплексы  с поливалентными катионами;

более высокомолекулярные фракции способны связывать больше поливалентных катионов.

В работах В.С. Аржановой  и П.В. Елпатьевского (1981,1985) показана важная роль гумусового горизонта как  физико-химического барьера для поллютантов, а также как арены изменения форм миграции. Специфику геохимических процессов в гумусовом горизонте почв обуславливают процессы превращения органических соединений, поэтому можно ожидать значительной роли последних в закреплении или, наоборот, в дальнейшей миграции ХЗВ.

В почвенных растворах и вытяжках обнаружены аминокислоты и кислоты жирного ряда, оксикислоты, полифенолы, фульвокислоты, т.е. весь набор органических соединений, свойственный многим типам природных вод. Все эти вещества содержат функциональные группы, которые участвуют в координационных связях и образовании комплексных и внутрикомплексных соединений. Таким образом, ведущая роль водорастворимых органических веществ в миграции ХЗВ выявлена многими исследованиями.

Взаимодействие гумусовых  веществ с ионами металлов  другими  ХЗВ включает физические (адсорбция, пептизация, коагуляция) и химические (ионный обмен, солеобразование, образование комплексных соединений) процессы. Адсорбция катионов на гуминовых кислотах может быть в некоторых случаях описана уравнением Ленгмюра. Устойчивость образующихся комплексов зависит от ряда факторов и в первую очередь от рН и ионной силы.

Эти же условия определяют связывание тяжелых металлов почвой в целом и ее компонентами. Увеличение рН от 4 до 5,5 ведет к возрастанию  сорбции цинка на гидрооксидах железа и алюминия. При рН 7,5 растворимость цинка увеличивается из-за образования комплексов с органическим веществом. Таким образом с изменением рН меняется роль почвенных компонентов в сорбции тяжелых металлов. Медь (II) образует комплексы в более широком интервале рН. Добавление меди к почвенному раствору, содержащему цинк, ведет рН 5 к снижению сорбции последнего, что является примером взаимного влияния ионов тяжелых металлов (Д.С.Орлов, 1985).

Кислые почвы поглощают  тяжелые металлы из растворов в меньшей степени, чем нейтральные или содержащие карбонаты.

Высокое соединение металлов, приходящееся на единицу органического  вещества, в ряде случаев можно  объяснить образованием многоядерных комплексов.