Геохимия окружающей среды

Биологическое отношение – отношение содержания хим эл в золе растений к содержанию этого же элемента в почве или литосфере.

Основной  источник поступления  хим эл в почву – почвообразующие породы

Почвы обогащены  определенными эл если этими эл обогащены почвообразующие породы.

Грунтовые воды также влияют на формирование хим состава почв:

Почвы обогащаются  - бором, йодом, железом, кобальтом, никелем, цинком, ванадием , стронцием, барием, медью, литием, цезием, рубием.

В гумидных ландшафтах кислые почвы обогащаются бикарбонатом грунтовых вод = в рез – те нейтрализуются.

В аридных ландшафты почвы обогащаются легкорастворимыми соединениями = в рез – те происходить их засоление.

На формирование хим состава почв так же оказывают влияние:

• Метеоритная и космическая пыль = обогащение почв многими микроэлементами
• Вулканические газы = поступление легколетучих соединений – HF HCL HBr HJ B (OH)3, Выделяются при дегазации в- ва верхней мантии
• Минерализованные брызги с пов морей, и океанов = поступление CL Br FJ Rb CS

Формы нахождения хим элементов в почве.

1. Адсорбция на поверхности коллоидных частиц
2. Кристаллическая решетка глинистых минералов
3. Собственные коллоидные минералы в рез – те изоморфного замещения
4. Почвенный раствор
5. Почвенный воздух
6. Элементорганические соединения органических остатков
7. Составная часть почвенной микробиоты

Основной  сорбент хим элементов в почве илистая (0,001 – 0,0001 мм) и мелкопылеватая (0,005 – 0,001 мм) фракции.

Исключение  составляет Si – он накапливается в крупных частицах.

Накопление  микроэлементов зафиксировано в почвенных новообразованиях

Новообразования – хорошо оформленные, обособленные от почвенной массы скопления  минералов, возникших в процессе гипергенеза и почвообразования.

Представлены: нитритами, сульфидами. Карбонатами, фосфатами, галоидными соединениями. Окислами. Силикатами.

Железистые  новообразования (гидроокисы железа) – аккумулируют марганец (Mn) марганцевые новообразования накапливают Ba Ni Pb

Карбонатные новообразования – накапливают  Ba Cl

Гипсовые  новообразования – Sr

 В Накоплении хим элементов так же участвует ГУМУС

Состав гумуса: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин

Фульвокислоты образуют комплексные элементорганические соединения с трехвалентными металлами – фульвоаты = разрушение минералов

Гуминовые кислоты  растворяются в щелочах = гуматы меди, железа, никеля

Главные компоненты гумусового в – ва почв: Углерод, водород. Кислород азот

Второстепенные компоненты: S P K Ca галоиды и некоторые микроэлементы

Антропогенные факторы накопления химических эл в  почвах

1. Разработка месторождений полезных ископаемых
2. Обогащение руд
3. Металлургическое производство
4. Применение ядохимикатов = накопление пестицидов, производных удобрений = попадание в продукты питания
5. Нефтепереработка – загрязнение почв углеводородами, серой. Сероводородом.
6. Химическая промышленность – загрязнение почв Co Mo Mn Zn Ni
7. Транспорт – выхлопные газы = пыль

В почвах накапливаются: Cr Hg Cd Mo Sr Ni Zn Cu

Аккумуляция токсических эл происходит в верхних 3 05 см почвы – физические и морфологические  изменения растений = по трофической  цепи в организмы людей и животных = заболевания = влияние на безопасность жизнедеятельности.

 Почва – депонирующая среда, в отличие от атмосферы и гидросферы – загрязняющие в – ва сохраняются в ней десятилетиями и дольше – постепенно поступают в воздух . воду и живое в – во

В настоящее  время в почвах техногенных. Природных  и биогенных ландшафтов в больших количествах стали попадать соединения, Не имеющие природных аналогов. Они практическими не разлагаются почвенными организмами

 

Беогеохимия

Живое вещество – совокупность живых организмов, выраженная в единицах массы и энергии (В. И. Вернадский)

Биогеохимия – наука о влиянии жизни на геохимические процессы (Вернадский)

Живое вещество, захватывая энергию Солнца, создает химические соединения, при распаде которых эта энергия освобождается в форме производящей химическую работу.

Живые организмы не второстепенные участники геологических процессов, лишь оказывающие влияние на общий ход неорганический явлений в земной коре, а главный фактор миграции хим эл.

 Биогенная миграция хим эл в ландшафте определяется 2 мя противоположными и взаимосвязанными процессами:

1. Образование живого вещества из элементов окружающей среды;
2. Разложение органических веществ

В совокупности эти процессы образуют единый биологический круговорот атомов – БИК

Из CO2 и H2O под влиянием хлорофилла или другого пигмента, играющего роль катализатора, и солнечной энергии зеленые растения синтезируют углеводы и другие органические соединения, условно изображаемые как [CH2O]

Одновременно  в результате разложения воды выделяется свободный кислород.

Исходные  вещества фотосинтеза -  CO2 и H2O на земной поверхности не являются ни окислителями, не восстановителями.

В ходе фотосинтеза эта «нейтральная среда» раздваивается на противоположности:

• Сильный окислитель -  свободный кислород
• Сильные восстановители – органические соединения.

C и H органических соединений, а так же выделявшийся при фотосинтезе свободный O2 «Заряжаются» солнечной энергией, становясь «геохимическими аккумуляторами»

Однако растения состоят не только из С, H и О, но и N P K Ca Fe из других химических элементов, которые они получают в виде сравнительно простых минеральных соединений из почв и водоемов.

Поглощаясь растениями, эти элементы входят в состав сложных богатых энергией органических соединений (N и S – в белки, P – в нуклеотиды и тд) и также становятся геохимическими аккумуляторами.

Данный процесс  называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений, благодаря которой элементы переходят в менее подвижное состояние, те миграционная способность их понижается.

Энергия, выделяющая при окислении используется микроорганизмами для синтеза органических веществ из CO2 и H2O , минеральных солей.

Существуют  аналогичные автотрофные микроорганизмы, окисляющие S и H2S,  Fe⁺  Mn²⁺ Sb⁺ H² Ch – процессы хемосинтеза.

Животные, и  некоторые растения и микроорганизмы, не способные создавать органические соединения из Co2 и H2O? Используя белки, жиры, углеводы и другие вещества растений, синтезируют новые белки, жиры, углеводы, своего тела – образуются сотни тысяч органических соединений =  резкий рост химической информации – «информационный взрыв»

При образовании  живого вещества происходит качественное изменение информации, возникает  более сложный ее вид – биологическая  информация. Она еще более разнообразна, так как известны сотни тысяч  видов растений и миллионы видов  животных.

При образовании  живого вещества происходит:

• Аккумуляция энергии
• Увеличивается разнообразие,
• Растет информация, возникает новый более сложный ее вид и биологическая информация
• Увеличивается упорядоченность, сложность, организация природы, растет негэнтропия
• Уменьшается информационная и термодинамическая энтропия.

В живом веществе ландшафта абсолютно преобладает  фитомасс, много меньше зоомассы и микроорганизмов.

Обычно зоомасса не превышает 2 % от массы растений и лишь изредка достигает 10 %

 

Соотношение биомассы и ежегодной  продукции. Группы и типы ландшафтов

По этому  показателю четко выделяются 5 групп  ландшафтов

Группа  А.  ландшафты с максимальной аккумуляцией солнечной энергии, лишь незначительная часть которой ежегодно превращается в энергию геохимических связей.

Это лесные ландшафты, в которых биомасса в десятки  раз превышает ежегодную продукцию (Б измеряется тысячами Ц/ГА, П – десятками и сотнями)

Для гр А характерна:

• Высокая когерентность – интенсивные прямые водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами,
• Ярко выражен водораздельный центр.

Ландшафт  отличается  сложностью и устойчивостью.

 

Группа  В. Ландшафты со средним накоплением солнечной энергии, биомассой в сотни и десятки ц/га, значительная часть которой ежегодно превращается в энергию ГХ процессов.

Это степные, луговые и частично саванные ландшафты. Ежегодная продукция (П) в данной группе значительна и местами не уступает группе А. В связи с этим Б:П на порядок меньше, чем в лесах. Запасы гумуса в 10 -20 превышают биомассу.

 

Группа  С. Это ландшафты тундр и особенно верховых болот со средним и малым накоплениям солнечной энергии и медленным ее превращением в энергию ГХ процессов.

Биомасса  в них составляет десятки и  сотни центнеров на гектар, ежегодная  продукция низкая. Способность растений улучшать среду обитания выражена слабо.

По интенсивности  прямых водных связей и величине Б:П тундры ближе к лесной группе, а по размерам биомассы, развитию обратных биокостных связей – к степям и лугам.

Большое значение имеют прямые воздушные связи. Разнообразие, самоорганизация и устойчивость низкие и напоминают пустыни.

Группа  D. Ландшафты среднего и малого накопления солнечной энергии и малого влияния не энергию ГХ процессов. Таковы многие ландшафты пустынь, для которых характерны небольшие Б и П, низкая когерентность.

Прямые водные связи ослаблены, отдельные природные  тела почти независимы друг от друга (элювиальная почва – грунтовые  воды т тд) резко выражены прямые воздушные связи. Это ландшафты с наименее  совершенной, наиболее расшатоной связью.

Центр ландшафта  выражен слабо. Пустыни характеризуются  наименьшим разнообразием, самоорганизацией, устойчивостью.

Группа  Е. ландшафты с крайне малым накоплением солнечной энергии – ничтожной биомассой.

К этой группе относятся такыры, шоровые солончаки, скалы, покрытые лишайниками, и другие примитивные пустыни.

 Биомасса  здесь местами менее 1 ц/га, отношение  Б:П различно. Организмы неглубоко проникают в толщу литосферы (мощность ландшафта низкая) разнообразие и самоорганизация, устойчивость низкие.

Границы между А В и С группами резкие (контрастные), а между В D и Е – постепенные (размытые), не всегда точно определяемые.

С этим, например связанны методические сложности разграничения сухих степей и пустынь, выделение таких « переходных образований» как полупустынь

Факторы формирования ландшафтов изменяются постепенно и  могут принимать любые значения, возможны лишь вполне определенные, четко ограниченные друг от друга («квантовые» типы ландшафтов) – принцип спускового крючка

Закон минимума – дефицитность одного из факторов тепла или влаги приводит к тому, что изменение другого в определенных пределах не оказывает существенного влияния на тип ландшафта.

Кларки  живого вещества.

В организмах обнаружены почти все элементы периодической  системы. Но кларки большинства из них очень малы. Так , Mo в живом веществе 2.10-5%, Ni – 8.10 – 5%, Cu – 3,2.10 – 4% и тд

Для биологических  объектов используется три способа  выражения хим состава:

• В расчете на живую (сырую) массу организма
• На массу сухого органического вещества
• На золу