Трофимов В.Т., Зилинг Д.Г. Экологическая геология

Подождите немного. Документ загружается.

флюорозом за счет избыточного накопления фтора в воде. Перемещения водных

масс сопровождаются не только привносом новых минеральных веществ, но и на-

рушают естественное химическое равновесие в системе вода-порода, что иниции-

рует формирование новых геохимических типов подземных вод.

Как уже отмечалось выше, в случае избыточных внесений удобрений, есте-

ственные процессы денитрификации не успевают нивелировать техногенный при-

внос

NO3

и происходит возрастающее накопление нитратов в грунтовых водах.

Наиболее интенсивно данные процессы наблюдаются в южных засушливых райо-

нах, где рост концентрации нитратов в грунтовых водах происходит параллельно

росту их минерализации.

Формирование нитратных гидрогеохимических аномалий - явление, харак-

терное для развитых стран (Англия, Нидерланды, Россия, США, и др). При суще-

ствующих темпах внесения удобрений скорость увеличения нитратов в таких во-

дах составляет 0,1-6,0 мг/л в год. Это способствует росту токсичности грунтовых

вод и увеличению эндемических заболеваний. Скорость вертикального движения

нитратов в водоносных известняках и песчаниках составляет около 1 м/год, вслед-

ствие этого загрязнение напорных вод продуктивных горизонтов артезианских

бассейнов нитратами - уже широко распространенное явление (рис.

31).

Под воздействием техногенеза

региональное экологическое значе-

ние в подземных водах приобретают

алюминий, железо, марганец, берил-

лий, ртуть, кадмий и целый ряд дру-

гих технофильных элементов. Все

они увеличивают свою миграцион-

ную способность в кислых подзем-

ных водах. Поэтому в случае кислых

дождей, стоков полигонов твердых

бытовых отходов или горно-добыва-

ющих предприятий, в подземных

водах идет накопление отмеченных

элементов, растет количество комп-

лексных их соединений с органиче-

скими веществами гумусового ряда.

Помимо отмеченных соедине-

ний, не меньшие экологические

проблемы создают в сельскохозяй-

ственных регионах пестициды, а в

промышленных - диоксины. По-

следние - кислородные соединения

хлор- и бромзамещенных аромати-

ческих углеводородов (особенно

бензолов и фенолов). Особенность

231

диоксинов состоит в том, что в условиях заполненной сорбционной емкости мел-

кодисперсных пород верхних водоносных горизонтов диоксины ведут себя как

консервативные вещества и их миграция не может сдерживаться геохимическими

барьерами.

Современная хозяйственная деятельность обусловливает снижение Eh верх-

них водоносных горизонтов за счет поступления неокисленных органических сое-

динений с промышленными, сельскохозяйственными и коммунально-бытовыми

стоками. В результате Eh подземных вод уменьшается до +250 мВ и менее, созда-

вая условия для миграции и накопления в водах аммония, а также соединений хи-

мических элементов с органическими веществами.

Атмогеохимические аномалии

Техногенные атмогеохимические аномалии формируются в результате разра-

ботки месторождений углеводородного сырья, утечек из газохранилищ и газопро-

водов, образования газов в хранилищах бытовых отходов и др. Как правило,

их формирование идет на локальном уровне.

Образование газов в хранилищах твердых бытовых отходов связано с протека-

нием анаэробных микробиологических реакций с органическими компонентами

бытовых отходов. Эти газы содержат преимущественно метан, диоксид углерода

и азот, кроме того, образуются дурно пахнущие газы - сероводород, меркаптаны

(R-SH), альдегиды

(R-CHO)

в различной концентрации (вплоть до 150 млн'

). Га-

зовый состав зависит от длительности хранения и фазы брожения. Аэробная фаза

протекает в течение нескольких недель, а анаэробное кислое брожение (гниение)

может продолжаться в течение нескольких лет. На рис. 32 представлены отдель-

ные фазы брожения. Удельное выделение газов в хранилищах ФРГ оценивается

60-180

/т

мусора.

В хранилищах специальных (промышленных) отходов обычно не протекают

микробиологические процессы, так как концентрация ядовитых веществ в отхо-

232

дах далеко превосходит предел их токсичности для микроорганизмов. Выделение

газообразных веществ большей частью объясняется перемещением находящихся

в хранилище веществ на поверхность складированных материалов.

Биогеохимические аномалии

Формирование техногенных биогеохимических аномалий происходит вслед-

ствие активного вовлечения поллютантов в биогеохимический цикл в связи с ин-

тенсивным применением минеральных и органических удобрений, развитием

промышленности. В настоящее время в наибольшей степени изменены биогеохи-

мические циклы основных биофильных элементов: азот, фосфор, углерод, калий,

кальций, магний. Так, в степных ландшафтах техногенное подкисление чернозе-

мов (кислотные дожди, внесение удобрений и пр.) приводит к интенсивному вы-

носу оснований

(Са,

Mg), эссенциальных элементов (Fe,

Cu,

Zn,

Mn,

Со и др.), гу-

муса. Вследствие этого резко снижается урожайность сельскохозяйственных куль-

тур, животные и человек не получают жизненно важных элементов. Возникают за-

болевания

гипомикроэлементозы: обусловленные медью - болезнь Менкеса с тя-

желым поражением центральной нервной системы, цинком - врожденные пороки

развития, марганцем — диабет и др. Развиваются болезни гипермикроэлементозы

при накоплении в приповерхностной части литосферы токсикантов:

РЬ

- свинцо-

вая энцефалопатия, невропатия,

- болезнь Минамата, энцефалопатия,

- кад-

миевые рениты, нефропатия, кардиомиопатия и др.

Таким образом, в зоне формирования геохимических техногенных аномалий ток-

сиканты включаются в биогеохимический цикл, что ведет к возникновению обшир-

ных патогенных для живых организмов провинций, опасных для здоровья людей.

Резюмируя приведенную информацию, можно констатировать, что на совре-

менном этапе идет формирование техногенных геохимических полей и аномалий

во всех компонентах литосферы; зачастую инициаторами их развития выступают

вещества и процессы, не характерные для природной литосферы. Современные

техногенные комплексы сильно трансформируют природные геохимические эко-

логические свойства литосферы как биотопа экосистемы. Это негативно воздей-

ствует на ее биотическую составляющую, превышая адаптационные возможности

организмов и провоцируя развитие патогенных явлений.

7.4. Влияние

геохимичеких

неоднородностей литосферы

на живые организмы и человека

Влияние геохимических неоднородностей литосферы

на растительность и животный мир

Геохимические поля могут характеризоваться уровнем содержания эле-

ментов, существенно отличающимся от допустимых санитарно-гигиенических

(либо медико-биологических) норм и обусловливают патогенез живых орга-

233

низмов . В этой ситуации мы имеем дело с патогенными геохимическими анома-

лиями**. Их выявление - одна из актуальных задач экологической геологии.

Развитие патологических отклонений у биоты возможно как в пределах геохи-

мических аномалий избытка, характеризующихся повышенным содержанием ря-

да элементов (As, Hg, Sr, P и т.д), так и недостатка при пониженном содержании F,

I, Са, Се и других элементов. Особо следует подчеркнуть возможность формирова-

ния патологических отклонений при дисбалансе определенных химических эле-

ментов - Sr/Ca, Са/Р и др. Районы с таким распределением элементов относятся

к дисгармоничным геохимическим аномалиям.

Действие химических элементов определяется интервалом концентраций,

при которых возможна нормальная реакция обменных процессов, обусловленная

адаптивными возможностями организмов и живого вещества, программирован-

ными и разрешенными генотипом. В соответствии с теорией пороговых концент-

раций В.В.Ковальского (1982), организм может регулировать функции только

в условиях определенных пределов изменчивости геохимической среды (табл. 50).

Ниже концентрации, соответствующей нижней пороговой концентрации (недо-

статочное поступление химических элементов в организм) и выше концентрации

верхнего порога (избыточное поступление химических элементов), функция гомео-

статической регуляции нарушается.

За пределами нижних и верхних

пороговых концентраций химиче-

ских элементов в экстремальных

условиях геохимической среды на-

блюдаются биологические реакции

организмов, возникают мутации,

возможно изменение наследствен-

ной природы организма. Это обус-

ловлено тем, что микроэлементы и

минералы исключительно важны

для организмов. Они входят в состав

костных тканей, являются активато-

рами и составной частью ферментов

и гормонов. Металлы, поглощаемые

организмами и содержащиеся в тка-

нях и тканевых жидкостях, могут яв-

ляться активизаторами действия

ферментов (Zn,

Mn,

Fe, Cd,

Co,

Ni,

* Патогенез - (от греческого pathos - страдание, болезнь) механизмы развития заболеваний

и патологических процессов, например, воспаления.

** Патогенные геохимические аномалии - участки территории с отклонением параметров (рас-

пределение, концентрация) химических элементов от геохимического фона, отличающимся от сани-

тарно-гигиенических норм и приводящим к патологии флоры, фауны и человеческого организма.

234

Hg, Re, Cs, Li, La,

и др.) или ингибиторами (Be, Sr,

Ba,

Cd, Hg, Ni, Fe, Pb и др.).

Ионы кальция активируют многочисленные ферменты, участвуют в передаче нерв-

ных импульсов и регулируют проницаемость клеточных мембран, тонус сердеч-

ной мышцы. Магний, марганец и молибден в качестве составляющей части фер-

ментов участвуют в многочисленных важных для организма реакциях. Железо,

медь, магний и марганец наряду с витаминами группы В необходимы для образо-

вания эритроцитов. Кальций и фосфор играют исключительную роль в минерали-

зации костей и зубов.

Токсичность неорганических соединений в порядке убывания можно предста-

вить следующим образом: нитраты > хлориды > бромиды > ацетаты > йодиды >

перхлораты > сульфаты > фосфаты > карбонаты > фториды > гидроксиды > окси-

ды. Этот ряд хорошо коррелируется с растворимостью соединений в биологиче-

ских субстратах. Токсичность солей металлов снижается в следующей последова-

тельности:

Сг,

Mn,

Ni, Си, Ва.

Растительность и микроорганизмы являются, как неоднократно подчеркива-

лось ранее, прекрасными биондикаторами содержания токсикантов в компонентах

литосферы. В сопоставлении с абиотическими индикаторами растения и микроор-

ганизмы, биосубстраты млекопитающих и человека суммируют действие всех без

исключения биологически важных природных и техногенных факторов в окружа-

ющей среде. Именно они указывают места скопления в экологических системах

различного рода поллютантов и возможные пути попадания токсичных веществ

в пищу животных и человека, позволяют судить о вредности элементов и их соеди-

нений для живой природы, включая человека. Современные методы оценки позво-

ляют использовать их для диагностики геохимического качества среды обитания.

Физиологические и морфологические изменения растений, обусловленные

токсичностью металлов, охарактеризованы в табл.

51,

а роль рассеянных элемен-

тов в формировании здоровья животных и человека - в табл. 52.

Учет экологического состояния водных систем, как правило, также ведется

по биоиндикаторам. Химический состав донных отложений водных бассейнов иг-

рает существенную роль в определении состояния водных экосистем и здоровья

человека, являющегося последним звеном трофической цепи "донные осадки-

водная растительность-водная фауна-человек". Влияние различных тяжелых ме-

таллов и их комбинаций на живые сообщества фитопланктона и водную расти-

тельность, моллюсков и рыб довольно хорошо изучено. Наибольшую токсиколо-

гическую опасность для водорослей и фитопланктона, следовательно, и для всей

экосистемы, представляет загрязнение водоемов и донных осадков семью тяжелы-

ми металлами: Cd,

Си,

Cr,

Hg, Pb, Zn, Ni.

Следует отметить, что рядом авторов отмечается способность рыб и моллю-

сков адаптироваться к плохим условиям обитания. При этом в их организмах про-

исходит накопление тяжелых металлов в концентрациях, опасных для человека.

Так, в мясе рыб р.Эльбы, кроме ее приливной части, содержание ртути находится

в пределах 0,1-3,0 мг/кг в Чехии и в пределах 1,0-3,0

мг/кг

и более в Германии

при официальных санитарных нормах до 1,0 мг/кг.

235

В Московской и Владимирской областях максимальную техногенную нагруз-

ку испытывают водные экосистемы р.Клязьмы от Щелково до Владимира. В Кля-

зьме и ее притоках Поле, Пекше и Уводи с ухудшением качества воды участились

случаи инвазионных заболеваний рыбы, нередки локальные заморы рыбы, что

в первую очередь характерно для р.Поли, испытывающей сильную техногенную

нагрузку по ртути. Выловленная в Клязьме рыба, особенно на участке чрезмерно-

го загрязнения от Щелково до Ногинска, часто непригодна в пищу. По данным Ок-

ского экологического фонда (г.Пущино), даже выловленная на участках умерен-

ной техногенной нагрузки рыба пригодна в пищу без голов и икры, где происходит

накопление тяжелых металлов в первую очередь.

23Р

237

Для техногенных зон загрязнения в горно-рудных районах наблюдается широ-

кий спектр отрицательных биологических реакций. Так, в Уэльсе и Сомерсете

в 100-500 м от старых природных отвалов вследствие ветровой и водной эрозии

образовались аномалии с содержанием свинца в растениях до 275 мкг/г. При выпа-

се на этих участках регистрировались случаи гибели домашнего скота. При этом

в фекалиях коров содержание кадмия достигало 6-50 мкг/г при норме 1-2 мкг/г.

Интенсивное освоение рудных месторождений приводит к усугублению эко-

лого-геохимической ситуации в районе вследствие дополнительных техногенных

потоков вещества. Так, по данным И.А.Авессаломовой, А.В.Хорошева (1996),

в районе Тырныаузского рудного узла наблюдается резкий избыток Мо в травах -

30-300

мг/кг,

а суммарный показатель концентрации токсичных элементов

)

ко-

леблется от 16 до 128. Среди типичных заболеваний отмечены пневмокониозы,

хронические пылевые бронхиты, пылевые ларингофарингиты. Широкое распро-

странение получила молибденовая подагра.

Таким образом, можно констатировать, что в районах развития техногенных

лито- и гидрогеохимических аномалий развиваются негативные реакции у живых

организмов как на микро-, так и на макроуровне.

Геохимические неоднородности литосферы

и здоровье человека

Проявления патологии человека, связанные с микро- и макроэлементами,

крайне многообразны (см. табл.

51).

Зависимость здоровья человека от содержания микроэлементов послужила

основанием для выделения нового класса болезней - микроэлементозов, т.е. забо-

леваний и синдромов , в этиологии которых главную роль играет недостаток или

избыток в организме человека элементов или их дисбаланс.

Принципы классифицирования заболеваний, обусловленных биогеохимиче-

скими факторами, разработаны А.П.Авцыном, А.А.Жаворонковым,

Л.С.Стручко-

вым (1983). Из всего многообразия выделяемых на сегодня групп микроэлементо-

зов с позиции экологической геологии, в первую очередь, представляют интерес

природные экзогенные и техногенные группы микроэлементозов (табл. 53), обус-

ловленные поступлением микроэлементов из естественной или техногенно преоб-

разованной литосферы.

Примерами природных и техногенных экзогенных микроэлементозов (энде-

мий) могут служить селенодефицит, железодефицит, молибденовая подагра и др.

Развитие заболеваний может быть провоцировано как недостатком и избытком од-

ного химического элемента (Са,

Си,

Zn, J, Sr и др.), так и соотношением многих хи-

* Синдром (от греческого syndrome - скопление) - закономерное сочетание симптомов, обус-

ловленное единым патогенезом; рассматривается как самостоятельное заболевание (например, син-

дром Меньера) или как стадия (форма) какого-либо заболевания (например, нефротический синд-

ром, уремия при хроническом нефрите).

238

мических элементов (Co-Cu, Sr-Ca, Са-Р и др.). В первом случае оперируют поня-

тием "мономикроэлементозы", во втором - "полимикроэлементозы" (табл. 54).

Тяжелые металлы обычно накапливаются в организме человека совместно.

Установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздействия. При си-

нергизме эффект действия многократно усиливается. Токсичность иона свинца

усугубляется недостатком по кальций-иону, а лития - по натрию. Из-за антагониз-

ма цинка и кадмия введение избыточных количеств первого приводит к уменьше-

нию содержания последнего, отличающегося повышенной токсичностью. Токсич-

ность тяжелых металлов сильно зависит от форм нахождения их в окружающей

среде. Особенно опасны металлоорганические соединения (метилртути, свинца

и др). Летучие тяжелые металлы (ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма, селен, литий)

легко проникают в организм человека через органы дыхания.

Анализ данных по распространению заболеваний человека и патогенных гео-

химических полей показывает на их взаимообусловленность. Так, эндемический

уролитиаз развивается в условиях повышенного поступления в организм кремния

в сочетании с высоким содержанием в биосфере фтора, марганца, нитратов, суль-

фатов и хлоритов. На рис. 33 показано распространение кремнистых пород и энде-

мического уролитиаза на территории нашей страны, где отмечено нарушение

239

у млекопитающих фосфорно-кальциевого обмена, характеризующегося снижени-

ем реабсорбции фосфора в почках.

На всех обитаемых континентах земного шара выявлены очаги эндемического

флюороза, развивающегося в результате избытка в компонентах литосферы фтора.

Флюороз - явление межнационального масштаба; он наблюдается в Северной

240