Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 14. Характерный геохимический профиль через крупную урбанизированную

территорию с различными типами техногенных аномалий:

I, III, VII — фоновые зоны, II — регрессивная аномалия на освоенной свалке,

IV — регрессивная аномалия промышленного района, V — трансгрессивная ано-

малия давно сложившегося промышленного района, VI — неотрансгрессивная

аномалия нового промышленного района

— суммарный показатель загрязне-

ния, сплошная линия — распределение загрязняющих веществ в выпадениях из

атмосферы,

п\нктир

распределение загрязняющих веществ в почвах

Яркий пример наблюдался в районе недавно созданной

пром-

зоны

приборостроительного профиля. Здесь нами зафиксированы

наиболее высокие из отмечавшихся где-либо выпадения

Сс1

(до

23,5

г/км

в сутки, что более чем в 10000 раз выше

фонового),

Н§

(до 1,1

г/км

в сутки, что в 1000 раз выше фонового),

РЬ

(81,7

г/км

в сутки, что в 500 раз выше фонового). Однако,

время воздействия невелико (несколько лет), и геохимическая

аномалия в почвах пока проявлена слабо.

В другой

промзоне

с приборостроительными предприятиями,

существующей уже более 30 лет, при близких порядках уровня

выпадений оценены запасы металлов, привнесенных в почву.

Установлено, что за время существования зоны количество

В!

в почвах возросло в 60 раз,

5Ь

Аз

— в 20 раз,

Сс1

Мо

— в

10 раз, РЬ,

7.п,

Си,

Ад

и 5п — в 7 раз. Это довольно высокий

темп загрязнения — до 200% в год.

Синхронный анализ ореолов рассеяния в транспортирующих

и депонирующих природных средах показывает динамику про-

цесса и позволяет охарактеризовать новейшую историю загряз-

нения окружающей среды. Более «древние» этапы истории также

запечатлены в геохимии компонентов окружающей среды. Это

специальная задача, которая пока не очень хорошо разработана,

особенно для локальных ситуаций — техногенных ореолов и пото-

ков рассеяния. С этой целью перспективно прежде всего деталь-

ное изучение разрезов с исследованием абсолютного возраста.

Для донных отложений, где скорость седиментации фиксируется

довольно точно и разрез сравнительно легко расчленяется на

Рис.

15.

Уровни загрязнения почв (а) и строительных материалов (б) в различные

исторические эпохи:

1—7—

почвы разного возраста (1 — ранее культурного слоя, 2 — I в до

э.—

VII в

3 - XIII в

4 -

XIV—XVI

вв

5 - XVII

-XVIII

вв

6 -

XIX—XX

вв

7—XX

в),

I—IV

—

строительные материалы разного возраста

—

известняк

XVI в

II — кирпич

XVI—XVIII

вв

III — кирпич XX в

IV — бетон XX в

)

хронологически привязанные горизонты, данных такого рода до-

вольно много

[30].

Для почвенного покрова материалов почти

нет. Приведем полученные результаты по геохимическому сопо-

ставлению

разновозрастных горизонтов культурного слоя г. Моск-

вы и строительных материалов (рис. 15). Тенденция к расшире-

нию геохимической ассоциации и росту концентрации химических

элементов в мелкоземе по мере развития города выражена весь-

ма отчетливо. По сравнению с началом нашей эры суммарный

уровень загрязнения вырос в десятки раз При этом до XIX в. рост

был существенно меньшим. Обращает внимание возросший уро-

вень концентрации химических

.элементов

в современных строи-

тельных материалах. Это делает их серьезным потенциальным

источником загрязнения.

Одна из важнейших задач прикладных геохимических иссле-

дований окружающей среды — установление пространственной

структуры ее загрязнения, дифференцирующей территорию по

степени экологической опасности. Техногенные ореолы опреде-

ляют общий размер и морфологию зоны воздействия отдельного

источника загрязнения или группы сближенных источников.

• Внутренняя структура ореола может быть дифференцирована

лишь условно, так как миграционные процессы чаще всего соз-

дают непрерывное распределение, внутри которого нет естествен-

ных природных границ. Общая структура загрязнения террито-

рии зависит от пространственного соотношения источников за-

грязнения и взаимоналожения контуров техногенных ореолов и

потоков, сопровождающих эти источники. Таким образом, при

всех вариантах пространственного анализа

морфоструктуры

за-

грязнения границы могут быть лишь условными.

В пределах ореола удобно различать ядро и периферическую

часть.

Ядро ореола — зона наиболее сильного загрязнения, наблю-

даемого в связи с данным источником. Структурно ядро ореола

характеризует центр воздействия отдельного предприятия или

блока предприятий и по ассоциации загрязняющих веществ

четко фиксируется источник загрязнения. По особенностям про-

странственного распределения отдельных загрязняющих веществ

или их ассоциаций внутреннее строение территории ядра ореола

однородно.

Периферическая часть ореолов — зона среднего и слабого

загрязнения. На территории со множеством мозаично располо-

женных источников загрязнения из-за взаимных наложений орео-

лов по периферическим частям источники загрязнения не всегда

четко идентифицируются.

Следующей таксономической единицей пространственной

структуры является очаг ореолов (очаг загрязнения) Он пред-

ставляет собой территорию сплошного проявления загрязнения.

В ее пределах ореолы и потоки отдельных источников сливаются

на уровне зон среднего уровня загрязнения. Таким образом,

очаг ореолов представляет собой создаваемое несколькими ис-

точниками некое поле загрязнения среднего уровня, в пределах

которого могут быть ядра загрязнения, характеризующие зоны

наибольшего воздействия. Часто очаги загрязнения приурочены

к промышленным зонам.

Очаги ореолов, соприкасаясь зонами слабого уровня загряз-

нения, образуют узлы ореолов. Узлы, также как и очаги, пред-

ставляют собой территорию с практически сплошным развитием

поля загрязнения, но на более слабом уровне. Узлы ореолов

являются геохимическим пространственным проявлением воз-

действия промышленного района.

Серия сближенных узлов ореолов формирует региональное

поле. Оно обычно не является хорошо прослеживаемой сплош-

ной геохимической структурой и

оконтуривается

очень условно

по границам зон слабого загрязнения периферических частей

узлов загрязнения.

Загрязнение окружающей среды, связанное с формированием

региональных геохимических полей и узлов, в гигиене окружаю-

щей среды и в гидрометеорологии называют фоновым загряз-

нением (уровень загрязнения, сложившийся на данной террито-

рии от всей совокупности источников загрязнения в настоящее

время).

Для количественного анализа особенностей и интенсивности

развития загрязнения в пространстве может быть использована

плотность загрязнения. Она рассчитывается как соотношение

площадей ядер, очагов и узлов или как отношение их площади

к некой общей исследуемой площади загрязненной геотории

(например, площади административного района). В каждом слу-

чае может быть намечена или задана критическая плотность

Таблица 6 Зависимость площадей техногенных аномалий химических элемен-

тов в почвах от характеристик промышленного выброса

Элемент

Свинец

Цинк

Медь

Никель

Хром

Выбросы

Р,

т/год

12,6

7,4

2,1

0,7

1,1

к;

383

112

Об

щая

пло

шаль

ано

малий,

км

24,2

12,3

6,6

0,6

0,4

Площади аномалий (в

км

)

контуре

Кс

1,5

11,2

8,6

4,4

0,6

0,4

9,5

2,7

0,9

2,1

0,7

0,8

0,3

0,2

100

0,6

Примечания

Р — количество металла, поступившее с пылевым выбросом в атмосферу,

К<

— коэффициент концентрации

металла

в промышленной пыли,

— коэффициент

концентрации металла в почвах

(например,

отношение площади, выделенной под промышленную

деятельность, к общей

площади).

Морфоструктурные особенности аномалий обусловлены, с од-

ной стороны, пространственными закономерностями распределе-

ния потоков рассеяния, с другой стороны, ландшафтными усло-

виями территории, испытывающей техногенное геохимическое

воздействие. Общая морфология ореолов химических

элементов

в аэрогенных аномалиях определяется розой ветров, при этом

центр высоких содержаний обычно близок к кругу и обрамляет

источник выброса.

Размеры аномалий корреляционно связаны с интенсивностью

выбросов. Это особенно хорошо прослеживается при наблюдении

за единичными источниками с выбросом полиэлементной ассо-

циацией (табл. 6).

Естественно, что размеры аномалий сильно связаны с вре-

менем воздействия. И. В. Токарев наблюдал однотипные источ-

ники выбросов свинца, функционирующие соответственно около

10, около 20 и около 100 лет. На участках наблюдения (1

км

)

общая плотность аномалий свинца составила соответственно

10, 70 и 100%. Аномалии свинца с содержанием более 500 кг/км

в первом случае отсутствовали, во втором — занимали около

1%,

а для столетнего объекта — 50% территории.

Контуры аномалий чаще всего извилисты. Очень характерно

снижение интенсивности аномалии выпадений на участках сель-

скохозяйственной деятельности (рис. 16). При этом уменьшение

концентрации происходит не только за счет механического пере-

мешивания при вспашке, но и за счет общего уменьшения тех-

ногенного запаса. Это установлено специальными исследова-

ниями, проведенными И. Л.

Борисенко

в ходе параллельного

изучения естественных и сельскохозяйственных почв в зоне

равных выпадений из атмосферы (рис. 17).

Большое значение имеет и расчлененность рельефа, опреде-

ляющая многие морфологические черты техногенных аномалий.

Для техногенных аномалий в донных отложениях речных

систем в связи с природной

дифференциацией

условий накопле-

ния аллювиального и техногенного материала (участки замед-

ления течения, микрогрязи и т. д.), а также из-за обычно су-

ществующих искусственных механических барьеров

(гидродехни-

ческие

сооружения), характерна неоднородная (пятнистая) мор-

фология геохимической аномалии на площади дна даже неболь-

ших водотоков.

Оценка результатов антропогенного

геохимического воздействия на живые организмы

Техногенные геохимические аномалии фиксируют простран-

ственные положения зон воздействия источников загрязнения,

т.

е.

территорий на которых современными методами исследо-

вания фиксируются неблагоприятные последствия загрязнения

окружающей среды как для живых организмов, так и для при-

родных систем, определяющих условия жизни (состояния воз-

духа, воды, пищи).

Углубленное изучение и оценка биологических и медицин-

ских последствий загрязнения выходит за рамки предмета иссле-

дований прикладной геохимии и является задачей геогигиены

(гигиены окружающей среды) — науки о медицинских послед-

ствиях воздействия человека на природные системы, и эколо-

гии — науки, исследующей взаимосвязь между живыми орга-

низмами и средой их обитания.

Геохимические данные позволяют изучить пространственные

и статистические связи между геохимическими аномалиями раз-

личной интенсивности и состоянием

биоты

— совокупности всех

категорий живых организмов, населяющих исследуемую терри-

торию. Эти связи изучаются прежде всего на уровне биогео-

химии — т. е. на основе распределения химических элементов

биоте

в связи с их миграцией в среде обитания — компонентах

окружающей среды.

Изучение результатов геохимического воздействия на живые

организмы проводится на стыке различных научных и отрасле-

вых направлений изучения окружающей среды. Именно здесь

необходимы взаимопонимание между специалистами различного

профиля и увязка различных понятийных баз.

Система контроля за состоянием окружающей среды и по-

следствиями ее загрязнения состоит из трех групп регламенти-

рующих (нормативных) показателей, оценивающих состояние:

1) источника загрязнения; 2) природных сред в зоне загрязне-

ния; 3) биоты в зоне воздействия.

Оценка и контроль источника загрязнения происходит по

предельно-допустимому выбросу (сбросу), т. е. массы (объема)

загрязняющих веществ, рассеяние которых в природных усло-

виях данного конкретного источника загрязнения с учетом уров-

ня общего фонового загрязнения от совокупности других источ-

ников, не создаст за границей так называемой

санитарно-за-

щитной

зоны превышения допустимых уровней загрязнения.

Санитарно-защитной

зоной называется часть общей зоны воз-

действия, в пределах которой происходит рассеяние (разбавле-

ние) концентраций

поллютантов

до безопасных уровней или их

разложение (нейтрализация) до безопасных соединений.

санитарно-защитной

зоне в связи с реальным или

прогно-

зируемым

неблагоприятным воздействием, выраженным прежде

всего в отклонении показателей состояния окружающей среды

от гигиенических норм — предельно-допустимых концентраций

(ПДК),—

запрещено размещение жилья; в ряде случаев запре-

щена всякая деятельность.

В основе большей части оценок состояния природных сред

лежат представления о наличии сложных корреляционных свя-

зей между концентрацией загрязняющих веществ в компонентах

окружающей среды, их поступлением в

биоту

и появлением не-

благоприятных биологических реакций живых организмов,

достоверно фиксируемых существующими методами исследова-

ний. Под биологическими реакциями подразумеваются любые от-

клонения в организмах, достоверно связанные с загрязнением

окружающей среды. Во многих случаях считается, что нали-

чие у живых организмов адаптационных (приспособительных)

свойств — способности переносить изменяющиеся условия внеш-

ней среды — приводит к появлению вариации допустимых пре-

делов физиологических характеристик, в частности биохимиче-

ских Одной из таких характеристик считается уровень концент-

рирования в организме загрязненного вещества. Многочислен-

ные наблюдения за биологическими реакциями на загрязнение,

материалы токсикологии (науки о действии ядов на живые орга-

низмы) привели к представлению о

пороговости

воздействия,

химических соединений на живой организм. Под

пороговостью

подразумеваются такие уровни поступления химического соеди-

нения (загрязняющего вещества) в живой организм, в пределах

которых реакция не выходит за вариацию колебаний физиологи-

ческой нормы.

При определении воздействия загрязняющего вещества

(пол-

лютанта)

важно оценить его количество, поступившее в орга-

низм. Оно зависит от уровня содержания химического соедине-

ния в жизнеобеспечивающих природных средах и времени воз-

действия. Для отдельных

поллютантов

используются уже упоми-

навшиеся гигиенические нормативы допустимого загрязнения —

предельно-допустимые концентрации (ПДК).

ПДК

—

макси-

мальная концентрация

поллютанта

в природном теле за опре-

деленный период осреднения наблюдений (сутки, месяц, год),

не оказывающая при принятой по результатам эксперименталь-

ных наблюдений вероятности появления какого-либо вредного

воздействия на живой организм.

Предельно-допустимые концентрации по большей части ори-

ентированы на человека. В этом случае они отмечают уровень,

при котором не наблюдается ни прямых, ни косвенных вредных

воздействий, включая отдаленные последствия для настоящего

и следующих поколений, а также на снижение работоспособ-

ности или ухудшение самочувствия.

В последнее время начаты разработки ПДК,

ориентирован-

ные

на ряд других категорий живых организмов (рыбы, рас-

тения)

Естественно, что

ПДК

— не постоянная величина ПДК ме-

няется при установлении новых, ранее не замеченных эффектов

воздействия.

Опасность

воздействия

неодинакова для различных загряз-

няющих веществ. Это связано как с контрастным различием

величин ПДК, так и с качественной неоднородностью тех небла-

гоприятных реакций организмов (лимитирующих признаков

вредности),

превышение которых послужило причиной для назна-

чения норматива. В связи с этим

поллютанты

разделяются по

классам опасности, т.

е.

группам, объединяющим их по признаку

близости ПДК и типу реакции организма при воздействии. Эти

классы устанавливаются раздельно для каждого природного

тела.

Для случаев многокомпонентных комплексных по составу

зон загрязнения (наиболее широко

распространенных),

эффект

воздействия системы не эквивалентен воздействию индивидуаль-

ных загрязняющих веществ.

Как правило, фиксируется кумулятивное

синергическое

воз-

действие, при котором происходит усиление реакции организма

на группу химических соединений, по сравнению с его реакцией

на индивидуальные вещества, входящие в эту группу. Значи-

тельно менее изучены антагонистические реакции, когда реги-

стрируется ослабление действия одного фактора под влиянием

другого.

Данные по повсеместно проявленной комплексности

(поли-

элементности)

состава зон загрязнения показывают, что предель-

но-допустимые уровни индивидуальных загрязняющих веществ

не могут быть уточнены эпидемиологическими и

фитопатологи-

ческими

исследованиями. Это тем более верно, что большинство

реакций живых организмов в зонах загрязнения неспецифичны

для индивидуальных веществ, а итог воздействия столь большой

суммы веществ (которая обычно наблюдается) предугадать

трудно. При

геохимических

исследованиях особенно ярко выяви-

лось, что пока нет способа их гигиенической оценки. Особенно

это проявлено при изучении донных отложений. В ряде случаев

уровни их загрязнения ураганны, но при анализе водной системы

содержания выше предельно допустимых встречаются редко.

Несмотря на выраженные последействия для

гидробионтов,

нет

гигиенических

причин для природоохранных мероприятий, и они

организуются практически на эмоциональной основе (например,

очистка

русел).

В очень трудном положении оказались курортные зоны и

заповедники. Так, на известнейшем грязевом курорте оз. Саки

завод, загрязняющий его стоками и выбросами, формально не

создает гигиенически опасной ситуации. И это несмотря на то,

что экспериментальные и натурные исследования загрязнения

донных отложений (в данном случае грязевой залежи) и лечеб-

ной рапы показали отрицательное воздействие на

бентосные

диатомовые водоросли,

хирономиды,

сульфатредуцирующие

цел-

люлозоразрушающие

тионовокислые

бактерии —

гидробионты,

формирующие лечебные свойства озера.

Вероятно, для курортных, рекреационных и заповедных тер-

риторий должны быть разработаны свои критерии оценки, исхо-

дящие из флуктуации фоновых состояний.

Отсутствие полной адекватности экспериментальной норма-

тивной модели, натурных параметров и методических технологи-

ческих приемов выявления уровня и характера загрязнения в

ряде случаев переводят нормы в разряд ориентирующих показа-

телей вредности того или иного загрязняющего вещества. В ре-

зультате создаются различия между замеренной и реальной

опасностью загрязнения. Количественная оценка состояния сре-

ды становится

недостоверной,

и решения о затратах на ее охрану

становится обоснованными.

Выход из создавшегося положения видится в создании эмпи-

рических

эколого-геохимических

моделей «среда — организм»,

которые позволили бы по результатам исследований простран-

ственной геохимической структуры экспертных оценок прогнози-

ровать характер и объем неблагоприятных реакций организмов.

Реакции живых организмов на загрязнение рациональнее

рассматривать по степени возрастающей опасности антропоген-

ных воздействий. В этом плане возможно рассмотрение резуль-

татов воздействия как по уровням общей организации живой

материи (онтогенетическим — для отдельных особей,

популя-

ционным

—

видовом и

биогеоценотическим

—

биосферным), так

и по глубине ущерба, наносимого в среднем отдельному орга-

низму, испытывающему антропогенную геохимическую нагрузку

[48,

49].

•

Онтогенетические и

популяционно-видовые

аспекты оценок

состояния живых организмов в зонах загрязнения более близки

к возможностям, следующим из материалов прикладных гео-

химических исследований. Важнейшими ранжированными по

опасности уровнями реакций организмов на состояние окружаю-

щей среды в антропогенных геохимических аномалиях являются:

1) биологическое (биохимическое) концентрирование

поллютан-

тов;

2) появление физиологических и функционально-морфологи-

ческих отклонений; 3) рост заболеваемости (общей и по кон-

кретным группам болезней); 4) снижение функций размножения

и воспроизводства, уменьшение биопродуктивности, генератив-

ной способности, мутагенные изменения; 5) смертность и (или)

уменьшение численности популяции.

Изучение интенсивности проявления перечисленных реакций

в соответствии с геохимической структурой загрязнения

окру-

4-3486

жающеи

среды, выявленной при изучении техногенных ореолов

и потоков рассеяния, позволяет подойти к построению эмпири-

ческой биогеохимической и геогигиенической модели «среда —

организм». Разработка таких моделей даст возможность (мы

это покажем ниже) по методу «аналогии» проводить оценку

неблагоприятных последствий загрязнения окружающей среды

и обосновывать природоохранные мероприятия

Биологическое (биогеохимическое поглощение) — способ-

ность живых организмов извлекать из окружающей среды и

накапливать химические элементы. Склонность химических эле-

ментов к концентрированию, выраженная в виде того или иного

соотношения между содержанием элемента в живом организме

и его содержанием в окружающей среде, определяется его

био-

фильностью.

При любом способе количественного выражения

биофильности

отмечается лишь относительный уровень содержа-

ния химического элемента в организме, доля его участия в хими-

ческой структуре организма, но не его значимость, «нужность»

Широко распространены для растений расчеты коэффициента

биологического поглощения — отношение содержания химиче-

ского элемента в золе к его содержанию в почве или

почво-

образующей

породе Эти расчеты позволяют построить ряды

биологического поглощения — ассоциации элементов по интен-

сивности их концентрирования растениями.

Степень концентрирования элементов различными видами

организмов и разными органами и тканями одного организма

неодинакова. Это связано с существованием физиологических

барьеров, ограничивающих возможность поступления элементов

в организм и регулирующих остаточную концентрацию элемента

после завершения биохимических процессов использования эле-

ментов в ходе минерального обмена Физиологические барьеры

определяют величину содержания, до которого может происхо-

дить накопление химических элементов органами и тканями.

В связи с наличием таких барьеров коэффициент биологического

поглощения является не очень удачным показателем для характе-

ристики интенсивности концентрирования химических элементов

в связи с геохимическими аномалиями. Кроме того, для техноген-

ных аномалий содержание химических элементов в

растениях,

например, определяется не только биологическим концентрирова-

нием из почв, но и механической способностью листьев удерживать

пыль и

.аэрозоли.

Химические элементы или соединения, поступающие в живые

организмы и вызывающие в них неблагоприятные биологические

реакции, называются ксенобиотиками.

При проведении биогеохимических исследований в зависи-

мости от поставленной задачи проводится отбор проб какого-

либо выбранного для исследования вида живого организма (био-

объекта). Отбираемые в пробу части организма (орган, вид

тка-