Круговорот фосфора в природе

Фосфор – относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%.

В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ.

Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са₅F(РO₄)₃ или хлорапатит Са₅Сl(PO₄)₃. Они содержат от 5 до 36% P₂O₅.

В изверженных породах обычно всегда есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его запасы находятся в зоне магмы, но он встречается и в тех местах, где изверженные породы образуют контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение апатитов находится на Кольском полуострове, в Хибинах, где оно было открыто в 1925 г.(рис.5).

Рис. 5. Мировое месторождение апатитов находится в Хибинах

Под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот, выделяемых корнями растений, апатиты вовлекаются в биохимический круговорот, который в отличие от круговорота азота, углерода, кислорода и серы ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает атмосферы.

Растениями фосфор поглощается только из растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь при наличии в почвенном растворе солей фосфорной кислоты, например Са(Н₂РО₄)₂, СаНРО₄, К₂НРО₄ и др. Скапливается он главным образом в продуктовых частях – семенах, плодах. Наиболее богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и человека. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше

и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно (рис. 6).

Рис.6. Схема круговорота фосфора.

Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он является один из основных компонентов (главным образом в виде и ) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов.

В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора (1,4 кг в костях, 130 г в мышечных и 12 г в нервных тканях). Ежесуточная потребность взрослого человека в фосфоре от 1 до 1,2 г.

Больше всего его содержится в костях (свыше 5%). Твердость скелету придает кальциевая соль фосфорной кислоты. Очень много фосфора в зубах (в дентине – 13%, а в зубной эмали – 17%). Физиологические процессы, протекающие в животном организме, постоянно связаны с химическими превращениями фосфорсодержащих веществ (расщепление их в пищеварительных органах, синтез новых фосфорсодержащих органических соединений). Сложным изменениям подвергаются и минеральные фосфорные соединения в крови и печени. Фосфор – биогенный элемент. Академик А.Е.Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.

Таков круговорот и значение фосфора в природе. Крайне ядовитое и реакционноспособное вещество (в одной из его аллотропных форм – белом или желтом фосфоре) в своих соединениях является существенно необходимым элементом растительной и животной жизни.

В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ (рис.7)

 

Рис. 7. Некоторые области применения фосфора и его соединений

Главный же потребитель фосфатов – сельское хозяйство. Со времени химика Ю.Либиха земледельцы, поняв значение фосфора для повышения урожая культурных растений, начали отыскивать природные фосфаты (апатиты, фосфориты), превращать их механическим или чаще всего химическим путем в удобрения и вносить в почву.

Надо заметить, что в 100 кг пшеницы находится около 1 кг фосфора (в виде Р₂О₅). Столько же фосфора содержится в 200 кг сена, 300 кг соломы, 1500 кг зеленых кормов. Можно себе представить, какие громадные количества фосфора уносятся с наших полей вместе с урожаем. Часть его, конечно, возвращается в почву, но фосфор, например, содержащийся в продуктовых частях растений, идущих на промышленную переработку, пропадает. Не обладая бесконечными запасами фосфора, почва вследствие этого процесса постепенно истощается, что приводит к сильному снижению урожая и необходимости восполнения потери фосфора. Культурные растения в большинстве случаев очень благоприятно отзываются на внесение в почву фосфорных удобрений в легкоусвояемой форме.

Фосфорное удобрение получается также в качестве побочного продукта при переработке богатого фосфором чугуна в сталь при томасовском процессе. Если «грушу», в которой получается сталь по методу Г.Бессемера, выстлать внутри известковой футеровкой, то известь поглотит фосфор из расплавленного чугуна. В этом и состоит сущность предложенного англичанином С.Дж.Томасом процесса, при котором сразу достигаются две цели: получение доброкачественной стали и ценного удобрения. Последнее достигается путем размалывания поглотившей фосфор известковой футеровки. Получаемый таким путем сухой темно-серый порошок, называемый томасшлаком, содержит от 11 до 24% Р₂О₅ и является высокоэффективным удобрением, особенно на кислых почвах.

В общем, антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:

1. Добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте;

2. Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению фосфат- ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.

Круговорот водорода

На Земле водород играет очень большую роль. Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % - это девятый по распространенности элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 %.

Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

Важно то, что водороду в природе не существует аналогов. хотя любому химическому элементу можно найти замену. Объясняется это тем, что ядро атома водорода является элементарной частицей.

Водород и кислород входят в состав всех органических соединений. Они поглощаются продуцентами в составе воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, всеми другими организмами, с органическим веществом, созданным продуцентами, во время дыхания (из атмосферы или водного раствора) и потребления питьевой воды. Как конечные продукты биологического круговорота, водород и часть кислорода возвращается в неживую среду так же в виде воды, а кислород, кроме того, выделяется в молекулярной форме в атмосферу растениями-продуцентами как один из конечных продуктов фотосинтеза.

Человечество активно использует водород и научилось находить промышленные способы его получения. Ученые считают водород одним из источников энергии. Так как запасы водорода в природе неограниченны, его можно использовать в промышленности, быту, как топливо для транспорта, в качестве энергии, которая способствует сохранению чистоты окружающей среды, так как при его использовании выделяется только пары воды.

Помимо его важного свойства быть использованным как энергия, водородочень удобен для транспортировки и хранения. Возможность передачи водорода по обычным трубопроводам, его способность хранится длительное время в обычной емкости делает его очень выгодной находкой для промышленности, так как он не требует больших материальных затрат. Ко всему прочему производство водорода возможно из обычной воды, каменного угля, запасы которого на земле огромны, что делает водород очень ценным.

Также существует такой препарат как перекись водорода. Перекись водорода активно и эффективно используется в медицине. Она является безболезненным антисептиком для обработки ран и царапин, используется при вирусных, грибковых, гнойных заболеваниях и т.д. Явным плюсом перекиси водорода является экологическая безопасность, поскольку она не является искусственным соединением, а встречается в природе.

Перекись водорода применяется также в целлюлозно-бумажной промышленности, при отбеливании тканей, в металлургии, электронной промышленности, для производства полимеров, косметики многого другого.

Говоря о водороде и его широком использовании в промышленности, быту, транспорте нельзя забывать о его взрыво-, пожароопасных свойствах. Недостаточная подготовленность и нестрогое выполнение правил при использовании водорода может привести к гибели людей.

Круговорот серы

Сера – биогенный элемент, который почти не бывает в дефиците. В живых организмах сера – основной компонент некоторых аминокислот (цистеин, метионин). Основные звенья круговорота серы:

1) сера усваивается в виде сульфатов растениями и грибами. При этом сера переходит в двухвалентное состояние (S2-) и встраивается в белковые молекулы;

2) сера окисляется до сульфатов (SO32-) микроорганизмами при распаде мертвых тел. Меньшая часть сульфатов снова усваивается растениями, большая часть за счет подвижности сульфат-ионов вымывается в океан;

3) на дне океана бактерии из рода Десульфовибрио отбирают у сульфатов кислород и, тем самым, восстанавливают серу до сероводорода (H2S). Сероводород выносится к поверхности, а затем часть его поступает в воздух;

4) в воздухе сероводород (H2S) быстро окисляется до сернистого газа (SO2), а затем серного ангидрида (SO3), последний соединяется с парами воды и образует серную кислоту (H2SO4);

5) H2SO4 с дождями возвращается на сушу. Таким образом, на сушу попадает две трети серы, смытой в океан;

6) происходит приток серы через извержение вулканов;

7) происходит приток сульфидов (S2-) через разрушение горных пород (пирит – серный колчедан FeS2, медный колчедан CuFeS2);приток сероводорода происходит через аэробное разложение органики в болотах.

Основная доступная форма серы — SO₄ — восстанавливается автотрофами и включается в белки. Для растений серы требуется меньше, чем азота и фосфора, поэтому лимитирующим фактором (фактор, который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает какое- либо проявление жизнедеятельности организмов) она бывает реже. Тем не менее круговорот серы — ключевой в общем процессе продуцирования и разложения биомассы.

В последнее время на круговороты серы все большее влияние оказывает промышленное загрязнение атмосферы. При сжигании топлива, выплавке металлов, при получение элементарной серы из сероводорода горючих газов в атмосферу в виде оксидов попадает ежегодно около 10млн. т серы. Это превышает природный сток серы. Количество серной кислоты в атмосфере сейчас вдвое больше, чем 150 лет назад. Кислотность (рН) чистой воды равна 7, рН дождевой – 5,6 за счет растворенного в ней СО2, рН кислотных дождей может достигать 2,5 (концентрация столового уксуса).

Особенно токсичны соединения серы — в форме SO₂, которые являются промежуточными продуктами круговоротов серы. В большинстве местообитаний концентрация серы невелика, но в связи с неумеренным сжиганием топлива содержание в воздухе соединений SO₂, особенно в крупных промышленных центрах, увеличилось до такой степени, что сера представляют опасность для важных биотических компонентов экосистем. Основным источником сернистого газа — продукты сжигания угля. Особенно большой вред наносит SO₂ растениям. Реагируя с водяным паром, он образует слабую серную кислоту, которая выпадает с осадками, известными как «кислотные дожди». Попав на листовую поверхность, H₂SO₄ вызывает химические ожоги, что снижает фотосинтезирующую поверхность растений

Круговорот калия

Калий, как известно, принимает участие в процессах фотосинтеза, оказывает влияние на углеводный, азотный и фосфорный обмен, существенным образом сказывается на осмотических свойствах клеток. Он концентрируется в плодах и семенах, в интенсивно растущих тканях и органах растений.

Пока что малоизученным остается круговорот калия в водной среде. Каждый год с водным стоком в Мировой океан поступает около 90 млн т этого элемента. Какая-то часть поглощается водными организмами, но значительное количество нигде не фиксируется, и последующее его перемещение неизвестно.

Калий вместе с другими щелочными и щелочно-земельными химическими элементами аккумулировался в земной коре в процессе ее выплавления. Калий входит в состав наиболее распространенных силикатов. При их разрушении этот элемент, в основном, переходит в глинистые минералы. В то же время он частично высвобождается и вовлекается в водную миграцию. Ионы калия активно абсорбируются дисперсным минеральным веществом, а также поглощаются высшими растениями, поэтому калий более прочно удерживается в пределах суши, чем кальций и натрий. В океан некоторое количество калия выносится в виде ионов, однако большая масса элемента переносится в форме взвесей глинистых частиц. Калий активно мигрирует в системе поверхность океана – атмосфера – поверхность океана в составе аэрозолей.

Этот элемент играет важную роль в жизни растений и животных. Он принимает участие в фотосинтезе, влияет на обмен веществ, частично сохраняется в мертвом органическом веществе.

Широкое использование минеральных удобрений пока не оказывает заметного влияние на круговорот калия, однако миграция его сильно возросла в результате эрозии почв.

Круговорот кальция

Кальций относится к главным элементам земной коры. Содержание этого элемента уменьшается от глубин Земли к гранитному слою литосферы. Кальций в земной коре образует многочисленные минералы. При выветривании силикатов освобождается большое количество этого элемента. Его водорастворимые соединения, главным образом гидрокарбонат, поступают в природные воды и мигрируют с ними в океан. Хотя этот процесс развивается на протяжении более 2 млрд. лет, концентрация элемента в океанической воде всего лишь в 30 раз больше, чем в речных водах. Это обусловлено низкой растворимостью карбоната кальция, а главное – активным поглощением элемента планктонными организмами и выведением его в осадок. Данные процессы способствуют накоплению кальция в составе мощных толщ известняков, доломитов, известковых глин.

Известняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли кальция (двууглекислые и др.) реками сносятся в море. Ежегодно в море сбрасывается с континента около 5-108 т кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потребляется низшими организмами - фораминиферами, кораллами и др. – на постройку своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из углекислого кальция образуют осадки на дне морей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формируется порода - известняк. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается процесс его разрушения. Но состав вновь образующегося известняка несколько иной. Так, оказалось, что палеозойские известняки более богаты углекислым магнием и сопровождаются доломитом, известняки же более молодые - беднее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в современную эпоху почти не происходит.

Кальций играет важную роль в физиологии организмов. В растениях он участвует в углеводном и азотном обмене, животным он необходим для построения костного скелета. Кальций участвует и во многих других биохимических процессах.

Таким образом, для процессов глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция иона в системе суша – океан.

Круговорот йода

Как и большинство жизненно важных элементов, йод в природе совершает круговорот.

Основное количество йода в природе содержится в Мировом океане (около 87 860 млн тонн, в среднем 5 х 10-5 г в одном литре морской воды). В пресных водах концентрация этого элемента составляет 5 мкг/л, глобальный годовой вынос с речным стоком - 185 тыс. тонн.

Поскольку многие соединения йода хорошо растворяются в воде, йод выщелачивается из магматических пород, выносится в моря и океаны. Также в морскую воду йод смывается с поверхности почвы ледниками, снегом, дождем, ветром и водными потоками. В морской воде йод находится в виде йодида. Ионы йодида окисляются под воздействием солнечного света в элементарный йод (J²). Морская вода, испаряясь, поднимает в атмосферу летучие соединения йода, растворенные в каплях морской воды. Массы йода переносятся ветрами на континенты. Таким образом, ежегодно около 400 тыс. тонн йода улетучивается с поверхности моря. Больше всего йода накапливается в иловых водах.

Из атмосферы йод возвращается в почву с дождевой водой концентрация йода в которой колеблется в пределах 1,8-8,5 мкг/л. Йод легко поглощается как органическими веществами почвы, так и морских илов. При уплотнении этих веществ и образовании осадочных горных пород происходит переход части соединений йода в подземные грунтовые воды. Йод также попадает и в живые организмы, которые его концентрируют, но, отмирая, возвращают йод в почву, откуда он снова вымывается, попадает в океан, испаряется и все начинается заново. Цикл, таким образом, замыкается.

Основные природные источники йода - почва и почвенные воды и, следовательно, все, что растет на земле, а также морепродукты (водоросли, рыбы, морские животные).

Там, где почва бедна этим микроэлементом (таежно-лесная нечерноземная, сухостепная, пустынная, горная зоны), значительная часть населения страдает йододефицитными заболеваниями (эндемический зоб).

Йод находится в глубоких слоях почвы и обнаруживается в содержимом нефтяных скважин. В целом, чем старее поверхность почвы и чем более она была подвержена в прошлом различным разрушительным воздействиям (например, эрозиям), тем меньше в ней йода. Наиболее обеднены йодом почвы в горных местностях, которые подвергались частому выпадению дождей со стоком воды в реки. Важную роль в потере йода из почвы в данных регионах играют и ледники. Нередко недостаточность йода наблюдается и в долинах крупных рек.

В приморских областях количество йода в 1 м³ воздуха может достигать 50 мкг, в местностях, удаленных от океана или отгороженных от морских ветров горами, - 1-3 или даже 0,2 мкг. Фелленберг, принимая содержание элемента в воздухе за 100, получил высотное распределение йода. Так, на высоте 1000 м над уровнем моря воздух теряет 62,5 % йода, а 50% теряется уже на высоте 707 м. Движение атмосферы и некоторые другие условия незначительно изменяют эти данные.

Возвращение йода в почву с дождевой водой происходит очень медленно и в относительно малом по сравнению с предшествовавшей потерей количестве. Содержание йода в почве варьирует в значительных пределах (в среднем около Зх 10-4 %) и связано с уровнем ее промерзания в течение последнего ледникового периода: когда ледники таяли, йод из почвы перемещался в лежащие ниже плодородного слоя уровни. Повторные смывы влекли за собой формирование дефицита йода в почве. Содержание йода в растениях, выросших на обедненных йодом почвах, часто не превышает 10 мкг/кг сухого веса по сравнению с 1000 мкг/кг в растениях, культивируемых на почвах без дефицита йода.

Среднее содержание йода в растениях составляет примерно 2 х 10-5 % и зависит не только от содержания в почвах его соединений, но и от вида растений. Некоторые организмы (так называемые накопители йода), например морские водоросли (пузырчатая водоросль - Fucus vesiculosus, бурая морская водоросль, ламинария (морская капуста), филлофора), накапливают йода до 1% от общего веса, а некоторые морские губки (Spongia maritima) - до 8,5-10% (в скелетном веществе спонгине).

Содержание йода в местной питьевой воде отражает концентрацию йода в почве. В поверхностных питьевых водах йода мало (от 0~7 до 10~9%), а в йододефицитных регионах обычно уровень йода составляет менее 2 мкг/л. Вода, как правило, не является серьезным источником поступления йода в организм человека.

Суточная потребность в йоде для взрослого человека состовляет 0,15мг.

Дефицит йода вызывают и некоторые деяния рук человека, в том числе разрушение почвы из-за интенсивного ведения сельскохозяйственных работ (уничтожение растительности при расчистке территории под посадки, выпас домашнего скота), вырубка деревьев.

Круговорот селена

Содержание селена в земной коре около 500 мг/т. Селен, распространен повсеместно, однако, неравномерное распределение этого элемента по поверхности земли приводит к существованию регионов с естественно повышенной и пониженной концентрацией селена в окружающей среде. Основным источником селена для животных являются растения, которые потребляют, селен из почвы. Концентрация селена в почвах различных типов изменяется в очень широких пределах от 10-6 до 10-3%, концентрация селена в морской воде 4×10⁻⁴ мг/л.Основная масса этого элемента в почве находится в виде элементарного селена, селенидов, селенитов, и в составе сложных органических соединений.

Сегодня селен, признан незаменимым микроэлементом. Его высокая биологическая активность определяется возможностью замещения в отдельных случаях функцией витамина Е, повышением выработки эндогенных антиоксидантов, влиянием на некоторые стороны метаболических и синтетических процессов (тканевое дыхание, иммунобиологическую реактивность организма). Исследования последних лет показали, что селен в малых дозах выполняет важные биохимические функции, главная из которых – способность связывать свободные радикалы, предотвращая их разрушительное действие.

До настоящего времени нет систематизированных данных о содержании селена в основных типах почв, в растениях, произрастающих на этих почвах, и животноводческой продукции местного производства. С учетом того, что биологический круговорот химических элементов происходит в пищевой цепи: почва – растение – животное – животноводческая продукция - человек, информация о содержании в различных звеньях этой цепи тех или иных элементов, в частности селена, имеет большое теоретическое и практическое значение.

Круговорот фтора

Круговорот фтора в природе охватывает литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Основная масса фтора находится в рассеянном состоянии в различных горных породах. Фтор содержится также в почвах, в воде, растениях, в живых организмах, шлаках и флюсах. В состав вулканических газов всегда входит фтористый водород, который попадает в почву вместе с атмосферными осадками.

В растения фтор поступает из почвы путем перекачивания микроэлементов из нижних горизонтов в верхние, из тех накоплений пыли, которые образуются из самой почвы или путем оседания аэрозолей промышленных выбросов. Растения, которые произрастают на почвах, не перегруженных фтором, содержат его от 1 до 15 мг/кг. Повышение концентрации водорастворимых соединений фтора в воздухе, почве и воде приводит к накоплению фтора в растениях. Способность растений накапливать фтор (главным образом фтористый водород, соли плавиковой кислоты) дает возможность использовать их как биоиндикаторы для мониторинга загрязнения окружающей среды соединениями фтора.

В круговороте фтора в природе принимает участие не только растительный, но и животный мир. Некоторые организмы содержат фтор в виде минералов - франколита Са5(РО4,СО3)зР (брахиоподы, моллюски, позвоночные), флюорита CaF2 (аннелиды, моллюски, иглокожие), аморфного флюорита CaF2 (аннелиды, хордовые).

Этот элемент передается животным через воду и пищу в нормальных, недостаточных или чрезмерных количествах. Животные, также как и растения способны ассимилировать растворимые в воде соединения фтора. Подобно растениям, животные также могут накапливать фтор в органах, тканях и секретах, что представляет определенную опасность для человека. Так, в естественных условиях в молоке коров, потребляющих растения с повышенным содержанием фтора, концентрация этого элемента в несколько раз превышает допустимые значения, составляя 64-118 мкг%. Содержание фтора в мясе этих животных превышает допустимые нормы в 4 раза, в печени и молоке - в 1,5 -1,8 раз. Возможность живых организмов ассимилировать водорастворимые соединения фтора, накапливать их в повышенных концентрациях представляяется особо важной проблемой.

Человек является конечным звеном сложной цепи биогеохимической системы: горные породы - почвы - воды - растения -животные. Пути поступления фтора из окружающей среды в организм человека могут быть разнообразными и довольно сложными. В каждой конкретной ситуации имеет значение лишь непосредственный источник поступления этого элемента.

Главным источником фтора (фтористых соединений) для человека является питьевая вода, т.е. концентрация фторид-иона в питьевой воде представляется фактором, определяющим уровень поступления фтора в организм. Кроме воды фтор поступает в организм человека с пищей. Пищевые продукты имеют меньшее значение в обеспечении потребности человека во фторе по сравнению с водой - с пищей в организм поступает фтора в 4-6 раз меньше, чем с питьевой водой, содержащей оптимальное его количество, что объясняет большое гигиеническое значение содержания фтора в питьевой.

Питьевая вода с концентрацией фтора более 0,2 мг/л является основным источником его поступления в организм. Воды поверхностных источников характеризуются преимущественно низким содержанием фтора (0,3-0,4 мг/л). Высокие содержания фтора в поверхностных водах являются следствием сброса промышленных фторсодержащих сточных вод или контакта вод с почвами, богатыми соединениями фтора. Максимальные концентрации фтора (5-27 мг/л и более) определяют в артезианских и минеральных водах, контактирующих с фторсодержащими водовмещающими породами.

Повышенное содержание фтора в воде (более 1,5 мг/л) оказывает вредное влияние на людей и животных, у населения развивается эндемический флюороз. Отмечается характерное поражение зубов, нарушение процессов окостенения скелета, истощение организма. Пониженное содержание фтора (менее 0,7мг/л) приводит к возникновению кариеса. Содержание фтора в питьевой воде нормируется (0,7-1,5мг/л). Установлено, что систематическое использование населением фторированной воды снижает и уровень заболеваний, связанных с последствиями одонтогенной инфекции (ревматизм, сердечно-сосудистая патология, заболевания почек и др.).

Следует отметить, экологическое равновесие между организмами, населяющими планету и фтором, обусловленное низкой растворимостью в воде большинства его природных соединений.

Круговорот металлов.

Тяжелые металлы в небольших количествах постоянно существуют в естественной природной среде и являются важными элементами в развитии водных растений, планктона, рыбы и других водных организмов. Но в течение последнего столетия в результате технического прогресса баланс тяжелых металлов в окружающей среде был нарушен - и произошло глобальное загрязнение природы тяжелыми металлами. Наиболее распространены ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь и алюминий.

Поведение металлов в природных средах во многом зависит от специфичности миграционных форм и вклада каждой из них в общую концентрацию металла в экосистеме. Для понимания миграционных процессов и оценки токсичности тяжелых металлов недостаточно определить только их валовое содержание. Необходимо дифференцировать формы металлов в зависимости от химического состава и физической структуры: окисленные, восстановленные, метилированные, хелатированные и др.

Наибольшую опасность представляют лабильные формы, которые характеризуются высокой биохимической активностью и накапливаются в биосредах. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Cu > Zn > Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al.

Особенностью металлов как загрязнителей является то, что в отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению. Металлы-токсиканты в различных формах способны загрязнять все три области биосферы - воздух, воду и почву.

Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Техногенная доля меди и цинка в атмосфере - 75%, кадмия и ртути - 50%, никеля 30%, кобальта - 10%. Наиболее высокая эмиссия в атмосферу характерна для свинца - 50...80%.

В атмосфере тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). Основные механизмы выведения тяжелых металлов из атмосферы - вымывание с осадками и осаждение на подстилающую поверхность.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах: взвешенной, коллоидной и растворенной. Последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами (нейтральные молекулы, ионы или радикалы, связанные с центр. атомом комплексного соединения). Для неорганических соединений - это галогениды, сульфаты, фосфаты, карбонаты и др.. Среди органических лигандов наиболее прочными являются комплексы гуминовых и фульвокислот (преимущественно низкомолекулярных), входящих в состав гумусовых веществ почвы и природных вод. Следует заметить, что значительная часть тяжелых металлов переносится поверхностными водами во взвешенном состоянии.

Сорбция металлов донными отложениями зависит от особенностей их состава и содержания органических веществ. В конечном итоге тяжелые металлы в водных экосистемах концентрируются в придонных осадках и в биоте, в то время как в самой воде они остаются в сравнительно небольших концентрациях. Так, при концентрации ртути в донных отложениях 80-800 мкг/кг ее содержание в воде не превышает 0,1-3,6 мкг/кг.

По опасности для здоровья человека тяжелые металлы делятся на следующие классы:

1 класс (самый опасный): Cd, Hg, Se, Pb, Zn

2 класс: Co, Ni, Cu, Mo, Sb, Cr

3 класс: Ba, V, W, Mn, Sr

Круговорот свинца

Свинец накапливается в земной коре не только за счет выплавления его из вещества мантии, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (²³⁸U, ²³⁵U) и тория (²³²Th). При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, большая часть их сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа, а меньшая поступает в грунтовые воды. В составе взвесей, а также в виде органических соединений, простых и комплексных ионов свинец выносится с речным стоком и осаждается преимущественно в дельтах и узкой прибрежной полосе шельфа. Небольшое количество свинца, попадающее в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. Таким образом, Мировой океан – глобальный аккумулятор растворимых форм свинца.

На суше свинец поглощается растениями. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. «Время жизни» свинецсодержащих аэрозолей составляет около 7 суток.

Годовая добыча свинца значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью этого элемента. Техногенное рассеяние свинца, в отличие от рассеяния газообразных веществ, не распространяется на большие пространства, а сосредотачивается, в основном, вдоль автомагистралей, это связано с использованием соединений свинца в качестве добавок и присадок в бензин - для повышения октанового числа последнего.

Свинец влияет на нервную систему человека, что приводит к снижению интеллекта, вызывает изменение физической активности, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеванию сердца. Поражает все отделы головного мозга, угнетая синтез необходимых веществ. Вызывает хроническую слабость, головокружение, головные боли, судороги, поражение нервной системы, умственную отсталость. Активно накапливается в костных тканях скелета, причем естественное время полувыведения свинца из крови составляет около 25 суток, из мягких тканей - около 40 суток, а из костей - более 25 лет!

Это оказывает негативное влияние на состояние здоровья населения и в первую очередь детей, которые наиболее восприимчивы к свинцовым отравлениям.При одинаковых условиях поступления в организм - биодоступность свинца у взрослых составляет 10%, а у детей 40%.

Круговорот кадмия

Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды, он значительнее токсичнее свинца. Кадмий практически не встречающийся в природе в чистом виде, но в последние 30-40 лет он находит все большее техническое применение. Основной источник поступления в природу – выбросы горнорудных и металлургических предприятий. Попадая в организмы гидробионтов, кадмий активно трансформируется в различных органах, связывается с белками. Наиболее активно аккумулируется моллюсками и рыбой, которая этими моллюсками питается. Растения аккумулируют до 70% кадмия содержащегося в почве.

В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеренарные учреждения предостерегают от употребления печени, почек и легких лосей, оленей, косуль и зайцев, в связи с высоким содержанием в них кадмия.

Примером отравления людей кадмием из рыбы стало заболевание "итай-итай" (в переводе на русский звучит как "Ох-ох, как больно"). Эта болезнь была впервые описана в Японии в 50-е годы XX века, где вследствие деятельности цинкового рудника произошло загрязнение кадмием реки Дзинцу. Болезнь сопровождалась сильными болями в поясничной области, в мышцах, а также деформацией скелета, хрупкостью и размягчением костей. Также наблюдалось необратимое поражение почек. Были зафиксированы более 150 смертельных исходов.

Круговорот ртути

Ртуть мало распространена в земной коре (5-10 %), однако она концентрируется в сульфидных минералах, главным образом, в виде киновари HgS.

Глобальный круговорот ртути включает в себя 2 основных компонента: природная составляющая и антропогенная эмиссия.

К природным составляющим относят: дегазацию земной коры, вулканические и геотермические выбросы, рудные месторождения.

Антропогенная эмиссия происходит при сжигании природного топлива, использовании в промышленности и сельском хозяйстве ртутьсодержащих приборов и химических соединений от промышленных и бытовых отходов.

В результате усилившихся техногенных выбросов в атмосферу и гидросферу ртуть из естественного компонента природной среды, участвующего во всех круговоротах, превратилась в весьма опасный компонент для здоровья человека и всего живого.

Под воздействием анаэробных микроорганизмов ртуть в воде переходит в крайне токсичные элементы - метил-ртуть и диметил-ртуть. Основная опасность состоит в том, что эти производные ртути очень хорошо аккумулируются фито- и зоопланктоном, включаясь в пищевые цепи и быстро накапливаясь в экосистемах водоемов. Проникая в организм человека вместе с пищей, ртуть попадает в кровь и разносится по кровеносной системе, накапливаясь в тканях, внутренних органах и головном мозге. Резко уменьшает жизнеспособность клеток головного мозга, вызывая болезнь Альцгеймера.

Печальную известность приобрела так называемая "болезнь Минамата", впервые обнаруженная японскими учеными в 1952-53 г.г у людей, употреблявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата. Ртуть попала в залив со сточными водами фабрики, расположенной на берегу залива. Прибрежные воды и рыба оказались отравленными, что привело к гибели местных жителей. Тяжелые психо-паралитические заболевания получили сотни людей.

Хотя загрязнение ртутью в гидросферы является основной проблемой, ртуть присутствует и в атмосфере, так как имеет относительно высокое давление паров. Природное содержание ртути составляет примерно 0,003—0,009 мкг/м3, но в районах добычи сульфидных руд ее содержание увеличивается на несколько порядков. Так, воздух над рудником Мазатзал Маунти в Аризоне содержит 20 мкг/м3 ртути. Этот факт может быть использован для поисков месторождений ртути при помощи измерения содержания ртути в воздухе около земли.

Ртуть применяют в металлургической, химической, электротехнической, электронной, целлюлозно-бумажной и фармацевтической промышленности, используют для производства взрывчатых веществ, люминесцентных ламп, лаков и красок. Промышленные стоки и атмосферные выбросы, горно-обогатительные фабрики при ртутных рудниках, теплоэнергетические установки, использующие минеральное топливо, являются главными источниками загрязнения биосферы этим токсичным компонентом. Известно, что каждый 2й кг добытой ртути не доходит до потребителя, а улетучивается в атмосферу или теряется. На предприятиях, использующих ртуть в технологических целях (например, амальгамирование при добыче золота), ее потери достигают 100%.

Кроме того, ртуть входит в состав некоторых пестицидов, которые используются в сельском хозяйстве для протравливания семян и защиты их от вредителей (гранозан). Однако, в настоящее время все актуальнее становится проблема ртутного загрязнения в непроизводственной сфере, когда в результате аварий или бесконтрольного использования ртутьсодержащих приборов значительное количество токсического металла оказывается в школах, детских садах, жилых зданиях, просто на городских

 

Круговорот воды

Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды

на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе (рис.8).

 

 

Рис.8. Круговорот воды

 

Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути.

Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора.

Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод.

Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот.

Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу.

Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений. Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Самоочищение водоемов.

Водоемы обладают свойством под влиянием естественных факторов постепенно очищаться от попавших в них загрязнений: взвешенных частиц, бактерий, растворенных органических и неорганических веществ.

Факторы самоочищения водоемов можно условно разделить на три группы: физические, химические, биологические.

Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.

Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.

Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода — БПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода — ХПК.

Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно быть не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий, а также находящихся в черте населенных пунктов.

К биологическим факторам самоочищения водоема относятся:

Совокупность беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов, зоопланктон;

Сообщества макрофитов (прикреплённые или плавающие водные растения крупных размеров), которые задерживают часть биогенов (белковые тельца, от которых зависит жизнедеятельность клетки) и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории;

Бентос, задерживающий и поглощающий часть биогенов и поллютантов (химические вещества, которые в высоких концентрациях могут вызывать ухудшение здоровья человека и животных), мигрирующих на границе раздела вода/донные осадки;

Микроорганизмы, сорбированные на взвешенных частицах, перемещающихся относительно водной массы вследствие гравитационного оседания под действием сил тяжести; в результате водная масса и микроорганизмы перемещаются относительно друг друга, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микроорганизмами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены;

Водоросли и фитопланктон;

Механизм самоочищения от органических загрязнений складывается из:

1) сортировки твердых частиц по их удельному весу (оседание их на дно),

2) распределения загрязнения в массе воды водоема, что ведет к более тесному соприкосновению загрязнения с растворенным в воде 0₂, который является одним из существенных агентов в процессе минерализации органического вещества,

3) биохимических процессов разрушения органических веществ в результате жизнедеятельности бактерий и прочих представителей флоры и фауны водоема, главным образом, их низших форм,

4) хим. процессов обмена и окисления продуктов распада органического вешества.

В результате биохимических процессов распада органическое вещество разрушается и дает ряд конечных соединений—свободную угольную кислоту и ее соли, азотистые, сернокислые и фосфорнокислые соединения, которые в дальнейшем вовлекаются в кругооборот веществ растениями и микробами водоема.

К факторам, понижающим содержание бактерий в воде, принадлежат:

1) седиментация их при осаждении взвешенных в воде частиц на дно;

2) разведение воды притекающими массами более чистых вод;

3) отмирание бактерий под воздействием на них прямого солнечного света;

4) общая убыль в воде питательных для бактерий органических веществ

5) пожирание бактерий Protozoa.

Выживаемость например холерного вибриона в речной воде колеблется от 5 до 20 дней, Bact. coli—от 6 до 18 дней.

Для определения степени самоочищения воды из бактериологических методов применяются определение общего количества микробов и титра кишечной палочки, а также Вас. proteus vulgar is и Streptococcus как спутников кишечной палочки

О роли Protozoa в бактериальном самоочищении воды говорят опыты Шепилевского, отмечающие наиболее интенсивное просветление бактериальных взвесей при размножении в них Protozoa. Из числа Protozoa в бактериальном самоочищении воды существенную роль играют бесцветные Flagellata, кривая развития которых в реках, после вноса в них загрязнений, повторяет кривую развития бактерий со сдвигом ее вниз по течению реки. Особенно интенсивно Protozoa поглощают те бактериальные виды, которые не принадлежат к нормальным обитателям воды, а именно патогенные микроорганизмы и из них холерный вибрион, тифозную, кишечную, синегнойную палочки и др.

При загрязнении водоема вода в нем изменяет свой состав, изменяется и флора и фауна водоема, в дальнейшем, в результате процессов самоочищения, нормальная картина водоема постепенно восстанавливается. Степень загрязненности водоема называется сапробностью и характеризует особенности водоема: определенная концентрация органических веществ, соответствующая стадия их минерализации, условия развития и состав микроорганизмов. Различают три основные зоны сапробности: полисапробная, мезосапробная, олигосапробная.

В полисапробной зоне (зона сильного загрязнения) река характеризуется большим содержанием свежих органических веществ, число микроорганизмов достигает нескольких миллионов в 1 мл, при этом преобладают кишечные и анаэробные гнилостные бактерии, обуславливающие процесс гниения и брожения. Эта зона бедна растворенным 0₂. Заселена она гетеротрофными организмами (питающимися растворенными и взвешенными в воде органическими веществами).

В мезосапробной зоне (зона умеренного загрязнения), содержится уже меньшее количество свежих органических веществ, за счет частичного их распада, с преобладанием окислительных процессов и выраженной нитрификацией. Количество бактерий в 1 мл воды составляет сотни тысяч, причем содержание коли-бактерий значительно уменьшается. В этой зоне присутствует ряд промежуточных продуктов распада органического вещества. Наряду с гетеротрофными организмами она заселена и миксотрофными организмами (способными к. усвоению как органических веществ, так и азотистых продуктов их распада) и аутотрофными (организмами с минеральным питанием).

Еще ниже по реке, в олигосапробной зоне (зона чистой воды), река является уже освободившейся от органических азотсодержащих веществ; ее растительный планктон представлен организмами с аутотрофным питанием, которые в силу малого уже содержания в воде азотистых продуктов распада органического вещества дают здесь меньшую продукцию сравнительно с мезосапробной зоной. Количество бактерий в 1 мл воды составляет десятки, сотни, преобладают серо-и железобактерии. Содержание растворенного 0₂ в этой зоне отвечает его поглощению водой из воздуха.

Эффективность процессов естественного самоочищения водоема находится в прямой зависимости от растворенного в воде 0₂ и степени заселенности водоема растительными и животными организмами, включая сюда и микробов. При спуске сточных вод в общественные водоемы с расчетом на их естественное самоочищение необходимо учитывать емкость водоема, соотношение количества и качества воды в водоеме с количеством и качеством спускаемых сточных вод, в особенности потребность в кислороде для биохимического расщепления органических веществ сточной жидкости и содержание растворенного 0₂ в воде водоема.