Экологическая геохимия

Рассмотрены фундаментальные положения экологической геохимии, история ее становления и развития, а также задачи, стоящие перед этой наукой, в том числе связанные с возможными негативными последствиями антропогенной деятельности. Теоретические положения экологической геохимии излагаются в тесной связи с практическими вопросами хозяйственной деятельности. Содержит большое число иллюстраций.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Геохимия», «Экология», «Геология», «География», «Биология», «Геология и геохимия горючих ископаемых», «Прикладная геохимия, петрология, минералогия», другим естественно-научным специальностям и направлениям. Представляет интерес для широких кругов ученых и специалистов в области химии, биологии, охраны окружающей среды и всего комплекса наук о Земле.

Как известно, разные виды животных тесно связаны между собой. Уничтожение одного из видов приводит к нарушению существующего в природе равновесия, в результате чего начинают исчезать другие виды. Изменение видового разнообразия ведет к изменению растительности. Все это в конечном счете не может не сказаться на человеке. Осознавая надвигающуюся опасность, люди выпускают «Красные книги», куда заносят исчезающие (в биосфере в целом и в отдельных регионах) виды животных и растительных организмов, пытаются создать специальные условия для их сохранения.Однако опасность представляет не только прямое уничтожение отдельных организмов, но и непродуманная антропогенная деятельность. Так, на юге Западной Африки для борьбы с засухой создали систему водохранилищ со ступенчатым водосливом. Это оказалось идеальным местом для развития личинок Simulium damnosum. Появляющиеся из них мошки являются переносчиками страшной болезни, получившей название слоновой.Широко используемые дешевые и быстрые методы анализа почв, вод, воздуха показали, что жизнь и здоровье животных и растительных организмов зависят от содержания химических элементов в окружающей среде. Было установлено, что различные живые организмы могут нормально развиваться только при определенных концентрациях химических элементов. Это послужило основой для развития новой науки — экологической геохимии.Настоящая книга - первый учебник по указанной дисциплине. Написанию учебника способствовали выполнение проекта «Геохимия биосферы» по программе «Университеты России: фундаментальные исследования», получение автором Соросовской стипендии и его научная стажировка на кафедре экологии Билефельдского университета по программе Немецкой службы академических обмейов.Автор приносит свою благодарность сотрудникам НИИ геохимии биосферы РГУ Л.П. Алексеенко, В.Ф. Теюбовой, И.Ю. Матасовой за помощь, оказанную при подготовке книги к изданию.Экологическая геохимия — как определить эту отрасль науки, которая только в настоящее время становится самостоятельной? Судя ло наименованию, в первую очередь можно сказать, что это составная часть другой крупной научной системы — общей геохимии.В курсе геохимии рассматриваются закономерности перемещения и концентрации атомов (чаще ионов) различных химических элементов в зависимости от внешних и внутренних факторов. Внутренние факторы определяются особенностями строения самих атомов (ионов), внешние — зависят от условий среды, включая формы нахождения как изучаемых элементов, так и элементов, создающих среду, в которой они находятся.Очень часто геохимию определяют как химию Земли. В этом определении есть доля истины. Но есть и существенные различия между химией и геохимией. Простое перенесение всех химических закономерностей на поведение химических элементов в Земле не позволит ни объяснить их истинное поведение в различных оболочках, ни дать прогноз их поведения в результате каких-то изменившихся условий. А.И. Перельман даже особо отмечает (1990) различия «химического» и «геохимического» мышлений. Чем же объясняются отличия поведения химических элементов в Земле, а точнее — даже в отдельных ее оболочках, от их поведения в лабораторных условиях?Во-первых, это крайне неравномерная распространенность химических элементов в земной коре (см. гл. 4). В лабораториях обычно не возникает проблемы для осуществления реакций с равными молярными концентрациями элементов. В земной коре содержание одних элементов в миллиарды раз меньше, чем других. В этих условиях у части из них остаются нереализованными многие химические свойства. Так, элементы с малой концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей (закономерных и случайных) в «чужие» минералы.Во-вторых, многие внешние факторы, такие как температура, давление, освещенность и др., в условиях земной коры ограничены гораздо более узкими рамками, чем те, которые существуют в лабораториях. Разница будет особенно большой, если рассматривать не всю земную кору, а только ее внешнюю часть — биосферу, в которой обитают живые организмы. Следует отметить, что в экологической геохимии рассматривается в основном именно эта сфера Земли. Ограниченность изменения основных внешних факторов миграции ведет к ограничению проявления многих свойств элементов.В-третьих, в определенной части земной коры химические элементы находятся не только в виде солей (минералов) или растворов, но и образуют довольно разнообразные формы нахождения — системы относительно устойчивых химических равновесий. Пока элементы остаются в этих системах, они не могут проявлять свои собственные свойства. Для этого должны быть разрушены формы совместного нахождения элементов (подробнее см. гл. 3). Многие из них в условиях отдельных оболочек Земли довольно устойчивы.В-четвертых, в природных условиях практически никогда не происходят реакции только между отдельными определенными элементами. В них участвуют (хотя и в различной мере) очень многие химические элементы. (В соответствии с законом Кларка—Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы.) Конечно же, не все они, в прямом смысле, участвуют в определенных химических реакциях. Многие из этих элементов ускоряют или замедляют реакции, другие — создают определенные щелочно-кислотные и т.п. условия, часть из них входит в состав новых образований в виде закономерных и случайных примесей.Подводя итог сказанному о науке «геохимия», можно отметить, что она изучает всю историю атомов (ионов) химических элементов Земли. Именно такое определение дал геохимии ее основатель — величайший ученый Владимир Иванович Вернадский. Экологическая геохимия как часть общей геохимии занимается изучением данной проблемы в верхней оболочке Земли, населенной животными и растительными организмами,— биосфере. Одной из отличительных особенностей этой оболочки является неразрывная связь и взаимопроникновение живых организмов и неживой (по В.И. Вернадскому, «косной») материи. Об указанной особенности следует постоянно помнить, устанавливая основные геохимические и биогеохимические закономерности, характеризующие эту уникальную оболочку.Все химические реакции в биосфере происходят или с участием живых организмов, или в среде, созданной под их влиянием. Это также определяется одним из законов В.И. Вернадского и еще раз подчеркивает отличие процессов, происходящих в биосфере, от реакций, осуществляемых в лабораториях, а также от реакций, идущих в других оболочках и ядре Земли.Изучая особенности распределения и миграции химических элементов в биосфере, можно установить самые общие закономерности, характеризующие ее в целом. Однако биосфера — очень неоднородная система. Внешние факторы миграции элементов весьма существенно изменяются в ее пределах как по вертикали, так и по горизонтали — по поверхности Земли. Для установления закономерностей распределения и миграции химических элементов в отдельных, отличающихся друг от друга частях биосферы необходимо в первую очередь вьщелить такие части. Это должны быть своеобразные «блоки» или «кирпичики», сохраняющие основную особенность биосферы (ее биокосность) и отличающиеся друг от друга внешними факторами миграции элементов. Кроме того, природные «кирпичики» обязательно должны отвечать еще одному требованию — объединяться между собой по определенным признакам, и эти объединения также должны представлять единую природную систему. Только в таком случае можно, изучая особенности распределения элементов как в пределах отдельных участков, так и в их различных объединениях, установить основные геохимические законы и закономерности миграции и концентрации химических элементов в биосфере. Без знания и учета этих законов антропогенная деятельность будет постоянно вступать в противоречия с природой.Опыт многочисленных исследований показал, что для такого изучения наиболее удобным является ландшафтный уровень. При этом геохимические ландшафты должны рассматриваться как «кирпичики, составляющие биосферу». Сами же ландшафты, по определению А.И. Перельмана, «...такое же фундаментальное понятие естествознания, как "химический элемент", "живой организм", "почва", "минерал"». Являясь биокосными образованиями, ландшафты вполне отвечают первому требованию условного разделения биосферы на отдельные блоки. <...>