microbik.ru
1
ЛЕКЦИЯ:

ГЕОХИМИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТЕ



ПЛАН:

1. Геохимическая классификация элементов.

2. Биологическая роль химических элементов и их соединений и их участие в процессах происходящих в организмах
Геохимическая классификация элементов
Классификация в любой науке обобщает и отражает современные взгляды и свидетельствует о развитии данного научного направления.

Цель классификации объектов - суммирование знаний на определенном этапе развития науки, выявления взаимосвязей между объектами, отражение эволюции и на основе этого объединение изучаемых объектов по определенным критериям в таксоны.

В основе любой геохимической классификации элементов лежит периодическая система Д.И. Менделеева. Положение элемента в таблице указывает на его геохимические свойства, т.е. способность мигрировать, рассеиваться или концентрироваться в определенных условиях.

В настоящее время в геохимии известны классификации элементов В.М. Гольдшмидта, А.Е. Ферсмана, В.И.Вернадского, А.Н. Заварицкого, а в геохимии ландшафта А.И. Перельмана.

Классификация В.А. Гольдшмидта

По способности создавать определенные химические соединения в природе и концентрироваться в среде, все элементы разделены на 5 групп.

1. Литофильные (литофиллы) - отличаются сродством к кислороду и в условиях биосферы образуют минералы, представленные оксидами, гидроокисями, солями кислородных кислот. Образуют кислородные соединения, их ионы имеют 8 электронную оболочку. К ним относятся 54 элемента, и в первую очередь, это кремний, титан, сера, фосфор, фтор, хлор, алюминий, натрий, калий, кальций, магний.

2. Халькофильные (халькофиллы) - для них характерно взаимодействие с серой и ее аналогами - селеном, теллуром. Внешняя оболочка имеет 18 электронную конфигурацию. Это - цинк, свинец, медь, кадмий, серебро, железо и другие. Природные соединения представлены сульфидами.

3. Сидерофильные (сидерофиллы) - растворяются в железных расплавах и дают соединения и сплавы с железом. Это - железо, никель, кобальт, углерод, фосфор, платина, молибден, золото, олово. Они представлены атомами, которые образуют переходные ионы с внешней оболочкой 9-17 электронной конфигурацией.

4. Атмофильные (атмофиллы) - элементы, входящие в земную атмосферу, их атомы имеют электронную конфигурацию инертных газов (2 и 8 электронную) - водород, азот, углерод, кислород, гелий, аргон, хлор и др.

5. Биофильные (биофиллы) - концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений - углерод, кислород, азот, сера, калий, магний, железо, медь и др.

Конечно, в классификации Гольдшмидта было много условного, наблюдаются взаимопроникновения (повторы). Например, Железо обладает литофильными, халькофильными и биофильными свойствами. Т.е. некоторые элементы сочетают в себе свойства разных выделенных групп. Классификация Гольдшмидта характеризует поведение элементов преимущественно в жидких фазах (растворах), а также распределение элементов между твердыми и жидкими фазами.

Классификация В.И.Вернадского.

В ее основе лежит история поведения химического элемента в земной коре. В соответствии с этим все элементы разделены Вернадским на 6 групп:

1. Благородные газы:

ксенон, неон, аргон, криптон, ксенон;

2. Благородные металлы:

рубидий, родий, палладий, осмий, иридий, платина;

3. Циклические элементы:

водород, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, натрий и др.

(всего 44);

4. Рассеянные:

литий, скандий, бром, иттрий, иод;

5. Сильно радиоактивные:

полоний, уран, актиний, протактиний, радий;

6. Редкие земли:

лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, тербий и др.
Классификация Б.Б. Полынова.

Полынов вычислил условные единицы миграции элементов путем деления содержания компонента в горной породе на его количество в омывающих породы водах. Это позволило ему объединить химические элементы по геохимической подвижности в группы, названные им рядами миграции (табл).
МИГРАЦИОННЫЕ РЯДЫ ЭЛЕМЕНТОВ В КОРЕ

ВЫВЕТРИВАНИЯ



Ряд элементов

Состав ряда

Показатель порядка величины миграции

Энергично выносимые

Cl, Br, I. S

2n * 10

Легко выносимые

Ca, Na, K, Mg

n

Подвижные

Si (силикатов), P, Mn


n*10-1

Инертные

F, Al, Ti

n*10-2

Практически неподвиж-

ные


Si (кварца)


n*10-3



Классификация Перельмана


Более подробная геохимическая классификация элементов по особенностям их миграции в ландшафтах была дана А.И. Перельманом. Она соответствует поведению химических элементов в условиях зоны гипергенеза. В основу классификации положены интенсивность, контрастность, виды миграции элементов в различных геохимических обстановках, а также их свойства и кларки.

В основе этой классификации лежит деление на:

Воздушные мигранты

Водные мигранты

Мигрируют как в газообразном состоянии, в виде летучих соединений, так и с водным раствором.

В газообразном состоянии не мигрируют или мигрируют слабо.

В классификации учтена зависимость миграционной способности химических элементов в разных окислительно восстановительных средах.

Воздушные мигранты делятся на активные и пассивные. Активные - образуют химические соединения: кислород, азот, углерод, водород, иод. Из них в основном состоит живое вещество, природные воды. Они в значительной мере определяют рН и Ен природных вод. Пассивные - не образуют химических соединений: аргон, неон, ксенон, криптон, гелий, радон. Не играют существенной роли в ландшафте.

Водные мигранты. Элементы мигрируют в почвенных, грунтовых и поверхностных водах и делятся на катионогенные и анионогенные. Делятся на 8 групп.

1. Очень подвижные, Кх= n( 10-100). Относятся только к анионогенным элементам - это хлор, бром, сера. Активно накапливаются при испарении, входят в состав легкорастворимых минералов.
2. Подвижные. Кх=n( 1-10). Среди катионогенных: кальций, натрий, магний, стронций, радий. Среди анионогенных: фтор и бор. Эти элементы образуют легко и труднорастворимые соли. Энергично мигрируют в природных водах.
3. Слабо подвижные. Кх=n(0.1 -1)

K, Ba, Rb, Li, Be, Cs Si, P, Ge, Sn, Sb, As
4. Подвижные и слабоподвижные в окислительной обстановке Кх=n(0.1 -1), инертные в сероводородной среде Кх меньше 0.n, осаждаются на щелочных барьерах, мигрируют в окислительной обстановке. Элементы относятся к катионогенной группе - цинк, медь, никель, свинец, кадмий хорошо мигрируют в кислых водах и осаждаются на щелочном барьере. Ртуть, серебро - мигрируют в кислых и щелочных водах окислительной обстановки.
5. Подвижные и слабо подвижные в окислительной обстановке, инертные в восстановительной среде, осаждаются на сероводородных и глеевых средах Кх=n(0.1-1). В этой группе встречаются только анионогенные элементы - ванадий, молибден, селен, уран, рений, осаждаются на сероводородной и глеевых барьерах.
6. Подвижные и слабоподвижные в восстановительной глеевой среде Кх= 0.n - n, инертные в окислительной и восстановительной сероводородных средах. К катионогенным - железо, марганец, кобальт. Осаждаются на кислородных и сероводородных барьерах.
7. Малоподвижные в большинстве обстановок Кх= n(0.1 -0.01)

Алюминий, титан, хром, технеций- катионогенные, частично мигрируют в сильно кислой среде. Цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, гольмий, европий - анионогенные, частично мигрируют в щелочной среде.

8. Не мигрируют, не образуют химических соединений. Для них характерно самородное состояние - осмий, платина, палладий, рутений, золото, цирконий.

Конечно, все эти классификации довольно условны и их следует воспринимать примерно так же, как и распределение элементов по различным средам. Там выявляется общий тип распределения элементов по различным оболочкам, но в конкретных средах могут сложиться совсем иные соотношения, не отвечающие среднему содержанию. Точно также и оценка подвижности элементов дана в целом для биосферы как некая общая характеристика, тогда как в реальной природной обстановке могут складываться условия, резко изменяющие подвижность химических элементов.


2. Биологическая роль химических элементов и их соединений и их участие в процессах происходящих в организмах, а также в проявлении эндемий.

Исключительное значение для понимания биохимической роли элементов имеет отмеченная А.П. Виноградовым общая закономерность уменьшения содержания металлов в организмах по мере их эволюции от низших форм к высшим.

При всем многообразии их составов у разных групп растений и животных также выявляется прямая зависимость тех и других от состава Среды обитания. Например, у морских и наземных видов. Меньше, но также заметно, отличается состав организмов в экосистемах разных ландшафтов - пустынных, степных, таежных, высокогорных.

Подразделяют все элементы на 5 резко отличающихся дискретных групп:

1. Макровитафилы (O, H, C, N) и 2. микровитафилы (K, Fe, Zn, Co, Se) - необходимы для жизнедеятельности организма. Коэффициент биологического поглощения от 0.3 до 100.

3. Витафобы - (Hg, Cd, Te, Tl, As и др, всего 12) - отличаются неизвестной реакцией организмов на снижение содержание элементов в их составе, и остро негативной реакцией на малейшее повышение их концентраций.

4. Фитофилы - накапливаются в растениях и почвах, но снижаются у животных (Si, Al, B, Li, Be). Положительной роли не установлено, но токсичность проявляется.

5. Толеранты ( Ba, Zr, Ag, W) - содержание в организмах менее токсично даже в повышенных концентрациях, дефицит их патологии не вызывает.

Подразделение элементов по биоактивности с их классификациями по токсичности не совпадает. Многие биофилы в аномальных содержаниях не менее опасны для организмов, чем биофобы.

Существуют классы токсичности для почвы:

1 класс - мышьяк, кадмий, ртуть, селен, цинк, фтор, бензапирен.

2 класс - вор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром.

3 класс - барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций.

Существуют классы опасных элементов для питьевой воды:

1 класс - бериллий, ртуть, бензапирен.

2 класс - алюминий, барий, кадмий, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций.

3 класс - хром, медь, марганец, цинк, фосфаты, нитраты

Биогеохимические эндемии обусловлены избытком или недостатком тех или иных химических элементов в природной среде. Иногда это может быть прямое воздействие химического элемента, но в большинстве случаев эндемии связаны с нарушением соотношения содержания микроэлемента с другими химическими элементами. В настоящее время относительно хорошо изучено взаимное влияние следующих микроэлементов: J -Co - Cu - Mn; Cu - Mo - Pb; Ni - Cu; Mo - Cu.

Бериллий - один из самых токсичных. Усиливает морфологическую трансформацию клеток млекопитающих. Вызывает заболевания раком. Заболевания раком легких характерно для людей контактирующих с бериллием или проживающих вблизи его соединения. В атмосферу 88% диспергированного бериллия поступает из дымовых труб.

Кадмий - самый опасный элемент, оказывающий влияние на образование всех форм рака, костных заболеваний (влияет на обмен кальция болезнь “итай-итай” - в Японии широко распространено костное заболевание - результат загрязнения кадмием воды на рисовых полях при обработке их фунгицидами. Болезнь выражается в сильной хрупкости костей, развивает наследственное предрасположение к гипертонии. Широко используется для нейтронной защиты в ядерных реакторах, в качестве припоя, в аккумуляторных батареях, при производстве стабилизаторов для пластмасс, в фосфатных удобрениях.

Ртуть - принадлежит к весьма редким, но очень важным элементам. Среднее содержание ее в земной коре небольшое. По своим физическим и химическим свойствам ртуть представляет своеобразный металл. Основные источники паров ртути в биосфере - горные породы, почвы, вулканы, зоны глубинных разломов, месторождения полезных ископаемых, технологические процессы. В небольших количествах ртуть представлена в почвах. Она - составная часть многих растительных и животных организмов и содержится в них в миллионных долях процента. В организме ртуть накапливается главным образом в почках и печени.

Ртутные заболевания связаны, прежде всего, с ее летучестью, а степень токсического действия определяется главным образом тем, какое количество ее успело прореагировать в организме. Острое отравление ртутью проявляется в расстройстве кишечника, рвоте, набухании десен, упадке сердечной деятельности, обмороках. При хроническом отравлении ртутью и ее соединениями появляются металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, ослабление памяти, слуховые и обонятельные галлюцинации, бредовые идеи, постоянные головные боли. Все это пагубно сказывается на физическом и психическом состоянии человека.

Примеры ртутных отравлений известны во многих странах. Печальную известность получила болезнь “минамата” в Японии. Здесь ртутное отравление связано с употреблением в пищу морской рыбы, выловленной в заливе Минамата, куда сбрасывались содержащие ртуть промышленные отходы предприятий химического концерна “Тисо”. Концентрации ртути в рыбах достигали 50 мг на 1 кг веса. Наиболее серьезные случаи отравления заканчивались полной слепотой, параличем, безумием, конвульсиями, нарушением речи, смертью.

Свинец - Вследствие широкого использования соединений свинца его содержание в человеческом организме за последние 5 тыс. лет возросло в 100 раз, и оно только в 5 раз меньше дозы, вызывающей отравление.

Загрязнение морской воды северного полушария превышает доисторический уровень в 10 раз, атмосферы в 50 раз, льдов Гренландии - в 300 раз.

Главный источник загрязнения свинцом - выхлопные газы. Установлен лимит на содержание в бензине свинца (до 0.15 г/л) и введен во многих странах. Много свинца в воде, попадает он и в продукты питания.

Свинец концентрируется в костях, волосах, тканях аорты, печени и почек, вызываю паралич нервной системы, анемию и спазмы кишечника. При избытке его в крови он может замещать кальций в костях животных и человека.

Единственный путь снижения поступления свинца в биосферу - переход к использованию топлива, не содержащего этот элемент. Кроме того, необходимо изъять из обращения свинцовые трубопроводы для питьевой воды, свернуть промышленность по добыче и выплавке свинца. Несмотря на то что, попадая в организм, свинец вызывает отравления, он широко используется в лечебных целях. Это свинцовые примочки и пластыри, кислоты, стимулирующие деятельности печени. Свинец защищает врачей от постоянного рентгеновского облучения, играет важную роль при диагностике и ренгенотерапии.

Селен - Противоречивый элемент. Недостаток его увеличивает риск развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний. Избыток его в растениях до 0.05 т приводит к внезапной смерти человека и животных. Больше всего селена находится в рыбе 218 мкг/ на 1 грамм, морских продуктах 406 мкг/ г. Селен в организме млекопитающих принимает активное участие в транспорте электронов. Его недостаток приводит к мышечной дистрофии, некрозу печени. Рекомендуемая норма селена 50 -200 мкг в день.

Молибден - Остро реагирует на недостаток молибдена (до 1.5 * 10-4 %) клевер. Животные, питающиеся растениями, выросшими на почвах с недостатком молибдена, болеют анемией, так как в их организме наблюдается накопление меди. Наоборот, избыток молибдена в кормах является причиной недостатка меди в организмах животных и приводит к развитию молибденоза. При недостатке кальция в пище животных большое содержание молибдена приводит к развитию заболевания - эндемическая атаксия (поражается желудочно-кишечный тракт) и человек страдает эндемической подагрой - заболевание суставов, дистрофическими изменениями в щитовидной железе.

Марганец - У многих растений при недостатке марганца ( меньше 4 * 10-2%) снижается усвояемость йода. Большинство растений при дефиците марганца накапливают железо, у кукурузы наблюдается хлороз и некроз тканей, у сахарной свеклы - желтуха. У животных и человека развиваются заболевания костной системы, возможно развитие зобной болезни. Избыток марганца в кислых почвах приводит к уменьшению в растениях железа и вызывает у них хлороз, проявляющийся в пятнистости листьев.

Бор - недостаток бора оказывает влияние только на растения, так как животным организмам этот элемент не нужен. При содержании бора в почве меньше 6 на 10 в минус четвертой степени процентов растение, как правило погибает, заболевание начинается с гибели точки роста, отмирание корней, у свеклы недостаток бора вызывает гниль сердечка. Избыток бора вызывает заболевания человека и животных (борные энтериты).

Кобальт - недостаток кобальта в почве приводит к развитию у растений заболевания - безлепестковая анемона. Систематический недостаток кобальта в пище животных и человека также приводит к различным нарушениям и даже вызывает тяжелые заболевания, обусловленные недостатком витамина В12. Эти заболевания выражаются в разрушении волосяного покрова, нарушении функции печени, приводящем к развитию анемии и малокровия.

Йод - недостаток этого элемента в пище вызывает заболевание эндемическим зобом. Обусловлено это тем, что йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы.

Раз в 30-50 дней организм должен получат новые порции йода в количестве 10 -15 мг. на 70 кг массы. Если йод поступает в организм в меньших количествах, то она начинает увеличиваться в размерах, образует зоб. Это заболевание может сопровождаться резким ухудшением умственных способностей. Причем болезнь может поразить человека в любом возрасте. Если же йода не хватает в пище грудного ребенка, то это может вызвать развитие слабоумия, причем кретинизм сопровождается ухудшением деятельности сердца, теряется слух, зрение, слабеют мышцы, наступает стадия идиотии. Известный исторический пример - среднеазиатский город Коканд. В начале 20 столетия многие жители этого города из-за недостатка йода в питании, обусловленного низким содержанием этого элемента в почвах и воде, страдали эндемическим зобом и слабоумием. В настоящее время многие территории Земли относятся к эндемическим по йоду: не менее полутора миллиардов человек проживает в этих регионах (данные Всемирной организации здравоохранения). И в России дефицит йода проявляется в Центрально-европейском регионе, Восточной Сибири, на Урале, Северном Кавказе и Крайнем Севере.

Для предотвращения этих заболеваний в районах с недостатком йода в почвах и воде вводят небольшие порции этого элемента в пищу. Однако здесь необходимо проявлять осторожность, так как избыток йода также может привести к заболеванию - базедовой болезни, известной также под названием триада Базедова (увеличение щитовидки, пучеглазие, сердцебиение).

В самые последние годы наконец-то наметились пути решения проблемы. Ученые Медицинского радиологического центра РАМН разработали препарат - йодказеин - аналог природного соединения йода с белком молока. Когда в почве и воде йода недостаточно, потребность в нем на 70 -90% реализуется за счет молока. Не опасен и излишек органического йода, так как он выводится естественным путем, минуя щитовидную железу. Йодказеин не содержит йод в свободном состоянии: при изготовлении этой пищевой добавки включение йода в белок идет по 4 незаменимым аминокислотам (тирозину, гистидину, триптофану и фенилаланину). Это очень важное преимущество йодказеина по сравнению с летучими неорганическими соединениями йода, добавляемыми, например, в поваренную соль. Кстати, во время хранения йодированной соли потери йода составляют 15-20% в месяц. А йодказеин может долго храниться, не теряя своих полезных качеств. немаловажно и то, что при добавлении йодказеина в хлебобулочные изделия последние не меняют ни вкуса, ни запаха, ни цвета.

Фтор - Недостаток фтора приводит к развитию кариеса, так как постепенно разрушается эмаль (в которую входит 0.02% фтора). У некоторых организмов наблюдается деформация костей, их хрупкость и переломы.

Пример элемента, широкое использование которого в терапевтических целях может давать побочные эффекты. Экспериментальные исследования с животными показали, что при хроническом воздействии малых доз фтора уровень содержания цинка в почках возрастает на 34%. Требуется специальное изучение неконтролируемого поглощения фтора и его влияния на органы человека.

Повышение содержания фтора может привести к нарушению функции щитовидной железы. При избытке фтора в пище и воде у людей возникают также заболевания зубов - флюороза - разрушение эмали. Установлено, что оптимальной суточной дозой для взрослых людей является 0.6-1.5 мг фтора. Для некоторых животных эта доза может быть выше (до 20 мг на 1 кг массы). Сверх этих норм фтор и его соединения токсичны.

Вдыхание воздуха, содержащего фтора более 0.5 мг/л, действует на людей отравляюще, а 0.8 мг/л - смертельно. Средство первой помощи при отравлении фторидами - 2% раствор хлорида кальция.


Элемент

НПС

Недостаток

ПДК

Избыток

B

 6 г/т

Отмирание почек роста листьев, стеблей

30

Боровой энтерит

Mn

 400

Заболевание костной системы, усиление зоба, рак кожи

1500

Заболевание косной системы

Co

 7

Анемия, зоб

 30

Угнетение синтеза В12

Zn

 30

Карликовый рост

 70

Рак, желтуха, угнетение окислительных процессов

Sr

 3




 600

Рахит

Mo

 1.5

Заболевания растений, рак

 4

Подагра, токсикоз

J

 15

Зоб, бесплодие

 40

Ослабление синтеза йодистых соединений щитовидной железы.