Биогеохимические барьеры - это компоненты или части компонентов геосистем, в которых на относительно коротком расстоянии в результате специфического сочетания механических, физико-химических, биологических процессов происходит избирательное накопление одних химических элементов и удаление других. В этих барьерах резко изменяются условия миграции веществ, что часто приводит к накоплению химических элементов. Наиболее значимые природные биогеохимические барьеры - это растительный покров, почва, толща водо-ненасыщенных горных пород, особенно мелкоземов, области застойного скопления подземных вод. Биогеохимические барьеры могут быть вертикальными или горизонтальными (латеральными), препятствующими, соответственно, вертикальным или горизонтальным потокам загрязняющих веществ. Человек может управлять биогеохимическими барьерами, усиливая или ослабляя их действие, создавать искусственные барьеры.
Природные биогеохимические барьеры обеспечивают, наряду с другими процессами, естественную самоочищаемость природы, так как в них происходит не только накопление, но и связывание до недоступных для биоты форм токсичных веществ, разрушение токсичных веществ, преобразование их в безвредные вещества.
Механизмы накопления, связывания и разрушения веществ очень разнообразны, но их объединяет общая закономерность: интенсивность этих процессов во многом зависит от обеспеченности территории теплом и влагой. При оптимальном сочетании тепла и влаги биогеохимические барьеры работают эффективней. Человек может в известных пределах регулировать тепло-влагообеспеченность территорий путем мелиораций и, тем самым, повышать естественную самоочищаемость.
Естественный или искусственно созданный растительный покров является эффективным биогеохимическим барьером: прежде всего, это перехват воздушных потоков, содержащих пыль, аэрозоли, капельножидкие вещества. Токсичные вещества не только накапливаются на листовых пластинах, но и проникают в устьица, аккумулируясь в тканях листьев. Очищая воздух, осо-
бенно в городах и вдоль крупных магистралей, деревья накапливают вредные вещества в кронах. Так, в листьях городских деревьев в местах с интенсивными транспортными потоками (г. Москва) содержится цинка - свыше 500 мг/кг сухого вещества, свинца - 90, меди - 45, никеля - 10, хрома - 4, кадмия - 0,8 мг/кг. Осенью все эти вещества попадают на поверхность почвы, загрязняя ее. Количество токсичных веществ, попадающих на поверхность почвы можно подсчитать, зная массу опавших листьев на единицу поверхности, в городе это
- 34 -
0,1…0,2 кг/м2. Во избежание загрязнения почвы, опавшие листья нужно собирать и складировать.
Вторая роль растений как биогеохимического барьера - это утилизация ряда веществ в процессе метаболизма (обмена веществ): например, хорошо развитый и интенсивно продуцирующий биомассу травянистый покров ежегодно потребляет азота 300…500 кг/га, фосфора (в форме P2O5) 60…120, калия (в форме K2O) 300…600 кг/га, в меньших количествах - металлы, в том числе и тяжелые. Это свойство растений используется при утилизации сточных вод путем орошения. Известны растения, выносящие из почвы тяжелые металлы в повышенных количествах, их используют для очистки почвы.
Мощным биогеохимическим барьером является почва - активно функционирующее органоминеральное тело, в котором идут разнообразнейшие физико-химические и биологические процессы, в том числе присутствует широкая гамма микроорганизмов. Почвоведы одним из основных свойств, отличающих почву от инертной горной породы, называют поглотительную способность, умеют количественно оценивать емкость поглощения.
Почва способна задерживать или поглощать газы, растворенные вещества, минеральные или органические частицы и суспензии. Во многом поглотительная способность связана с высокодисперсной, главным образом, коллоидной частью почвы, имеющей большую удельную поверхность (суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу массы почвы).
Различают несколько видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.
Механическая поглотительная способность выражается в том, что почва работает как фильтр, задерживая в своих мелких порах пыль, суспензии. Зависит она от размера пор, механического состава (песчаные или глинистые почвы), наличия микро- и макроагрегатов, наличия гумуса.
Физическая поглотительная способность (аполярная адсорбция) - свойство почвы поглощать из раствора молекулы электролитов, продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований, а также коллоиды при их коагуляции (слипании). Аполярная адсорбция - это сгущение молекул на поверхности раздела фаз (твердой и жидкой или твердой и газообразной) благодаря наличию свободной энергии на поверхности твердых частиц почвы. При таком поглощении вещества удерживаются почвой от вымывания и уменьшается загрязнение подземных вод.
Физико-химическая или обменная поглотительная способность - свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов твердой фазы на эквивалентное количество катионов или анионов из соприкасающихся растворов. Ионы из раствора переходят в слой компенсирующих ионов мицелл почвенных коллоидов и наоборот.
Химическая поглотительная способность проявляется при образовании нерастворимых или трудно растворимых соединений.
- 35 -
Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью организмов почвы (главным образом микрофлоры), которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества. При борьбе с загрязнением, при очистке почвы важно то, что микроорганизмы способны разрушать очень вредные вещества: нефтепродукты, поверхностно активные вещества, различные химикаты (гербициды, пестициды), другие токсичные органические и органоминеральные вещества.
Поглотительную способность почвы можно регулировать доступными агротехническими и мелиоративными приемами: внесением в почву органических удобрений для повышения количества гумуса - особого вещества, состоящего из органических остатков разной степени разложения и модификации; изменением химических свойств: уменьшение кислотности или щелочности; уменьшением степени засоления; регулированием количества влаги в почве (орошение или осушение). В настоящее время довольно широко применяются специальные сорбенты естественного или искусственного происхождения, вносимые в почву для очистки ее от тяжелых металлов, радионуклидов. Эффективным является обогащение микрофлоры почвы специальными бактериями, способными разлагать нефтепродукты и другие вредные вещества.
Очищающая способность почвы далеко не безгранична. Она может только до определенного предела защищать растения, подстилающие грунты и подземные воды от загрязнения. Поэтому, решая задачу защиты территорий от загрязнения, задачу очистки (восстановления, рекультивации), необходимо брать на вооружение и другие барьеры. Одним из них может быть гидрофизический барьер - регулирование направления и величины потоков влаги в неполностью- (зона аэрации) и полностью водонасыщенных горных породах. Например, уменьшая промываемость почвы и верхних горизонтов грунтов, можно в определенной степени защитить жизненно важные водоносные горизонты, или наоборот, усилить промываемость почв для их очистки. Для локализации области загрязнения, например, нефтепродуктами, гидрофизический барьер можно выполнить в виде системы нагнетательных и откачивающих скважин, позволяющих не допустить поток загрязненных подземных вод к водотокам или к водозаборам. Очень эффективно совместное использование барьеров разной природы.
При мелиорации земель по сути дела регулируют действие биогеохимических барьеров, применяя глубокое рыхление плотных подпочвенных го-
ризонтов, увеличение естественной дренированности, изменение скорости впитывания воды, противофильтрационные барьеры, разрушение гипсоносных или оглеенных горизонтов и т.п.
