Расчёт коэффициентов биологического поглощения, биогеохимической подвижности и биофильности химических элементов

Целью задания является ознакомление студентов с основами биогеохимии.

В задачи работы входит обучение методике расчётов биофильности коэффициентов биологического поглощения, биогеохимической подвижности химических элементов, рядов биологического поглощения, типов биогеохимических провинций и видов концентрации химических элементов растениями.

Методические материалы. Биогеохимия ландшафтов является составной частью геохимии и изучает состояние и поведение биофильных химических элементов и их соединений в ландшафтах. Таким образом, если предметом изучения геохимии ландшафтов могут быть как абиотические и биотические процессы, косные и биокосные соединения, то предметом изучения биогеохимии ландшафтов являются соединения и процессы в ландшафтах только с участием живых организмов.

Содержание большинства элементов в золе значительно отличается от их среднего содержания в земной коре, так как растения избирательно поглощают элементы. Интенсивность поглощения Б.Б. Полынов предложил характеризовать частным от деления количества элемента, содержащегося в золе растений, на количество элемента, содержащегося в почве или горной породе. Это частное называется коэффициентом биологического поглощения (Ах).

А_х = I_х/n_х где, (1)

I_х – содержание элемента х в золе растений;

n_х – содержание элемента х в горной породе или почве, на которой произрастает данное растение.

Интенсивность биологического поглощения элементов в данном ландшафте прямо пропорциональна коэффициенту биологического поглощения.

Ранжированные значения А_х образуют ряды биологического поглощения, отражающие особенности биологических циклов элементов в конкретных ландшафтах. Эта модификация А_х отражает потенциальную биогеохимическую подвижность элементов в ландшафтах. Элементы, коэффициент биологического накопления которых превышает 1 называются элементами биологического накопления.

А.И. Перельман выделил пять рядов биологического поглощения химических элементов:

1. Энергично накапливаемые; 2. Сильного накопления; 3. Слабого накопления и сильного захвата; 4. Слабого захвата; 5. Слабого и очень слабого захвата.

Среди них выделяется I группа – энергично накапливаемые (P, S, Cl) и II – сильно накапливаемые (Ca, K, Mg, Na, Sr, B, Zn).

Содержание остальных элементов в золе обычно ниже, чем в горных породах.

Некоторые элементы III группы имеют А_х более 1 и также могут концентрироваться биогенным путем (Cu, Ni, Co и др.). Интенсивность их биологического накопления все же ниже, чем у элементов II группы

Рассматривая ряды биологического поглощения, устанавливаем очень интенсивное поглощение сильных анионов (Cl, S, P), для которых А_х составляет n·10 – 100·n и значительно более слабое поглощение катионов (Ca, Mg, Na, K), для которых А_х равен n. Из этого вытекает один из основных законов биогеохимии ландшафтов – интенсивность поглощения организмами сильных анионов (Cl, S, P) в десятки раз больше, чем интенсивность поглощения сильных катионов (Ca, Mg, Na, K).

Более объективную картину дает сравнение содержания химических элементов в составе сухого вещества растений с подвижными, доступными для растений формами элементов (водорастворимыми, солевыми, органно-минеральными), извлекаемые из почв слабыми растворителями. Это отношение называется коэффициентом биогеохимической подвижности (В_х).

Значения В_х для большинства элементов значительно выше, чем значения А_х, рассчитанные для валовых содержаний.

В 1937 году В.И. Вернадский ввёл в науку понятие кларк концентрации, под которым он понимал отношение среднего содержания элемента в данной системе к его среднему содержанию в земной коре. А.И. Перельман предложил кларк концентрации в живых организмах называть биофильностью. Биофильность (Б) химических элементов колеблется в очень широких пределах. Данный показатель рассчитывается по формуле:

Б_х = 1_x / N_x,

где 1_х — содержание элемента х в золе растения; N_х – кларк литосферы.

Биогеохимические провинции – это области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в их почвах, водах и т.п.) химических элементов (или соединений), с которыми связаны определённые биологические реакции со стороны местной флоры и фауны.

По генезису выделяются 2 типа биогеохимических провинций:

1. Биогеохимические провинции, приуроченные к определенным почвенным зонам в виде отдельных пятен или областей и определяемые недостаточностью того или иного химического элемента в среде. Этот тип биогеохимических провинций носит негативный характер, так как возникает в результате недостаточности того или иного химического элемента в среде.

2. Биогеохимические провинции и эндемии, встречающиеся в любой зоне. В этом смысле они имеют интразональный характер и возникают на фоне первичных или вторичных ореолов рассеяния рудного вещества месторождений, солёных отложений, вулканогенных эманаций и т.п. Этот тип провинций и эндемий имеет преимущественно позитивный характер, поскольку связан с избыточным содержанием химических элементов в среде.

В пределах биогеохимической провинции различают 2 вида концентрации организмами химических элементов:

- групповой – когда все виды растений в данной провинции в той или иной степени накапливают определённый химический элемент;

- селективный – когда имеются определённые организмы концентраторы того или иного химического элемента вне зависимости от уровня содержания этого элемента в среде.

Известно более 30 химических элементов (Li, В, Be, С, N, F, Na, Mg, Al, Si, P, S Cl, K, Са, V, Mn, Cu, Zn, As, Se, Br, Mo, I, Ba, Pb, U и др.), с которыми связано образование биогеохимических провинций, эндемий и появление организмов-концентраторов.