» » Характеристика элементов исследуемых при изучении экологии

Характеристика элементов исследуемых при изучении экологии

Сера(S) занимает 15 место среди элементов по содержанию в земной коре, она встречается в природе в свободном состоянии (самородная сера) и в виде минералов сульфидных (пирит FeS2, халькопирит FeCuS2, галенит PbS, цинковая обманка ZnS) и сульфатных, в основном сульфатов кальция (гипс, ангидрит) и бария (барит). Сера отличается переменной степенью окисления, причем наиболее характерны IV и VI. Основное значение имеет сульфатион. Причем сульфаты щелочных металлов, магния, железа, цинка, меди, никеля, кобальта, кадмия хорошо растворимы, а сульфаты свинца - труднорастворимы. Эти закономерности имеют большое геохимическое значение. В окружающую среду сера поступает с вулканическими газами, в составе минеральных источников, при окислении сероводорода в результате жизнедеятельности бактерий - десульфуризаторов, а в почвы - главным образом из разрушающихся горных пород и руд. Естественным источником серы в почве являются пириты, содержащие серу в восстановленной форме. Поступление техногенной серы в окружающую среду происходит как в виде сернистого газа, так и в окисленной до серной кислоты форме. Отмечается, что с пылевой фракцией серы может выпадать в десятки раз больше, чем с кислыми дождями. Закисление почвы является одним из основных аспектов проблемы воздействия на состояние природных биоценозов кислотных осадков. Соединения серы относятся к наиболее опасным загрязнителям атмосферы. Если учесть, что продолжительность жизни в атмосфере соединений серы колеблется от нескольких часов до 20 суток, а скорость ветра в километровом слое в среднем составляет 20 км/час, то эти вещества могут переноситься на расстояния более тысячи км от источников их выбросов. Сера может служить индикатором антропогенного воздействия на природную среду, а также косвенным показателем эмиссий тяжелых металлов, являясь их спутником. Большое количество серы в виде SO2 поступает в атмосферу при сжигании различных видов топлива, работе целлюлозно-бумажных и горнообогатительных предприятий. Она широко используется для производства серной кислоты, в резиновой промышленности при вулканизации каучука, в химической промышленности для получения сероуглерода и некоторых красителей, а также минеральных удобрений и др. Роль серы в жизни растений неоднозначна. Она служит важным элементом питания, активно вовлекаемым в биологический круговорот и накапливающимся в растениях и почвах. С другой стороны, техногенная сера - агрессивный поллютант, оказывающий негативное действие на растительность и почвенную биоту. В присутствии сульфатов, как правило, усиливается потеря питательных элементов и возрастает миграция тяжелых металлов.

Хром (Сr) - широко распространенный элемент, занимает 22 место по содержанию в земной коре. Имеет разную степень окисления (II—VI) и отличается способностью формировать комплексные ионы. Часто встречается в виде хромитов, магнохромитов, алюмохромитов. Большая часть хрома в почвах присутствует в виде Сr (III), который в очень кислой среде инертен, а при рН 5,5 почти полностью выпадает в осадок, поэтому его соединения в почвах считаются весьма стабильными. Легкость, с которой растворимый Сr (VI) при нормальных почвенных условиях переходит в нерастворимый Сг (III) (под влиянием восстановителей), является главным свойством этого элемента, именно с ней связана относительная доступность хрома для растений. Поведение хрома в почвах зависит от величины рН, а уровень содержания - от количества его в материнских породах. Главным источником хрома являются некоторые промышленные отходы (гальванические осадки, отходы кожевенных заводов и производств, где хром используется в составе пигментов и красителей) и осадки сточных вод. Большое количество его поступает в атмосферу при сжигании угля. Он является компонентом нержавеющих сталей, применяется для нанесения декоративных и коррозионностойких покрытий. Высокие концентрации легкорастворимого хрома (VI) токсичны, поэтому важное значение имеют проблемы окружающей среды в районах добычи и переработки хромсодержащих руд. Хром является важным элементом питания, поскольку жизненно необходим для животных и человека. Снижение подвижности хрома в почвах может приводить к его дефициту в растениях, что отражается на их физиологических функциях.
Марганец (Мn) - широко распространенный в земной коре элемент, занимает 11 место по встречаемости. В рудах содержится в основном в виде оксидов. Его значительные запасы сосредоточены в железомарганцевых конкрециях. В массивных горных породах находится в виде Мn (II). Катион Мn обладает способностью замещать двухвалентные катионы некоторых элементов (Fe , Mg ) в силикатах и оксидах. Кристаллическая структура оксидов и гидроксидов марганца имеет важное геохимическое значение. По мнению исследователей А. Кабаты-Пендиас и X. Пендиас, она определяет высокую степень ассоциации с марганцевыми конкрециями некоторых тяжелых металлов, в частности, Со, Ni, Cu, Zn. Формы марганца хорошо растворимы и легкоподвижны по сравнению с оксидами более высокой валентности. Растворимые формы марганца легко извлекаются из почв растениями. Для его концентрации в растениях характерна отрицательная корреляция с величиной рН почв и положительная с содержанием органического вещества. Марганец не считается загрязняющим почвы металлом. В то же время при продолжительном использовании сточных вод в качестве удобрений накопление его в верхних слоях почв может оказывать токсическое воздействие на некоторые виды растений, особенно на кислых почвах (рН ниже 5,5). Антропогенными источниками загрязнения окружающей среды марганцем являются металлургия, фармацевтическая промышленность, производство минеральных удобрений и др. Он входит в состав различных сплавов и является активным катализатором в органическом синтезе. Марганец необходим для живых организмов, так как участвует в окислительно-восстановительных процессах, фотосинтезе, дыхании, углеводном и белковом обмене, входит в состав ферментных систем. Животные и растительные организмы страдают как от недостатка марганца, так и от его избытка.
Железо (Fe) занимает второе после алюминия место среди металлов и четвертое среди элементов земной коры, образует свыше 300 собственных минералов — оксидов, сульфидов, силикатов, карбонатов, фосфатов и др. Наиболее богаты им железные руды. Вследствие относительно высокого содержания в земной коре и первостепенной роли в живых организмах железо не считается микроэлементом горных пород и почв, и по своей значимости для растений занимает промежуточное положение между макро- и микроэлементами питания. В почвах железо присутствует в виде оксидов и гидроксидов, наиболее часто встречающейся формой считается гетит. Как правило, щелочные условия среды способствуют осаждению железа, а кислые - растворению его соединений. Количество его в почвах определяется как составом материнских пород, так и характером почвенных процессов. Содержание железа в отдельных группах материнских пород резко колеблется: в глинистых породах — в пределах 5,5-8,5%; в песках - около 1% и в известняках - только 0,5%. Даже для растений, произрастающих на бедных железом почвах, не отмечается его дефицита, фиксируется лишь недостаток его легкорастворимых форм. В почве же, обогащенной растворимыми формами железа, чрезмерное поглощение его растениями может привести к токсическому воздействию. Эмиссии железа в атмосферу связаны с металлургической, химической промышленностью и сжиганием угля. Этот металл используется в основном в виде сплавов и применяется как конструкционный материал в строительстве, при производстве труб для газо- и нефтепроводов, деталей машин и механизмов и т. п.
Кобальт (Со), его содержание в земной коре 18 мг/кг. Собственные породообразующие минералы отсутствуют, он входит в состав минералов мышьяка, серы и селена, а наиболее часто - минералов железа. Кобальт, освободившийся при выветривании первичных минералов, находится в почве в виде его солей в двух- и трехвалентной форме. Двухвалентный кобальт легко мигрирует в растворенной фазе в виде хлоридов, сульфатов и бикарбонатов. Наибольшую растворимость из перечисленных солей имеет C0SO4. В почвах кобальт в присутствии комплексообразователей быстро окисляется до Со и прочно связывается органическим веществом. С увеличением рН среды подвижность его соединений уменьшается, тогда как в кислых почвах (болотных и торфянистых) он высокоподвижен и может легко вымываться из почвенной толщи. В геохимических циклах кобальт тесно связан с железом и марганцем. Естественное содержание его в почвах унаследовано от материнских пород. Почвы, образовавшиеся на основных породах и на глинистых отложениях, содержат наибольшие его количества. В природных условиях высокие концентрации обычно наблюдаются в почвах, развитых на серпентинитах (магниевый силикат) и над рудными телами. Существенные источники загрязнения природной среды этим элементом связаны в основном с выплавкой цветных металлов, сжигание угля и других видов топлива имеет меньшее значение. Кобальт является необходимым элементом для жизнедеятельности животных и растений, он входит в состав важнейшего витамина В12, однако при высоких концентрациях становится токсичным.
Никель (Ni) по частоте встречаемости в земной коре занимает 25 место. Высоким содержанием его характеризуются серпентиниты. Из-за высокого сродства с серой этот элемент часто ассоциируется с сернистыми минералами, а также с карбонатами, фосфатами и силикатами. В почвах он легко адсорбируется глинами и образует растворимые комплексы с органическими соединениями. Его растворимость в почвах находится в зависимости от величины рН, она наиболее высокая в интервале рН 5-7,5, очень слабая при рН 4,0 и 8,5. Содержание никеля в почвах во многом определяется наличием их в материнских породах, а также зависит от почвообразующих процессов и техногенного загрязнения. Применение осадка сточных вод и некоторых фосфорных удобрений также является причиной его накопления в почвах. Никель необходим для животных, растений и микроорганизмов. Отдельные соединения его, такие как ацетат никеля, сульфид никеля оказывают канцерогенное или аллергическое воздействие на организмы. Поэтому весьма своевременным и актуальным является организация мониторинга содержания никеля в природных экосистемах.
Медь (Сu) встречается в природе в самородном состоянии в виде кристаллов октаэдрической или кубической формы. В поверхностных средах обычно преобладает медь со степенью окисления II. В почвах медь проявляет большую склонность к химическому взаимодействию с минеральными и органическими компонентами. Катионы меди могут легко осаждаться анионами (сульфидами, карбонатами или гидроксидами), поэтому Си - относительно малоподвижный элемент в почвах. Естественное содержание этого элемента в почвах определяется материнской породой и почвообразовательными процессами. Загрязнение почв медью происходит при использовании медьсодержащих веществ: удобрений, сельскохозяйственных и коммунальных отходов, а также в результате поступления ее от индустриальных источников. Локальные микроаномалии в почвах могут возникать в результате коррозии конструкционных материалов, содержащих сплавы меди, например, электрических проводов, труб и пр. Медь - необходимый элемент для животных и растений, присутствует в составе энзимов, играет значительную роль в фотосинтезе и дыхании, в азотном и углеводном обмене. Для растений толерантный диапазон 4—20 мг/кг, за его пределами отмечается недостаток меди или ее токсическое действие.
Цинк (Zn) занимает 23 место среди элементов по количеству в земной коре. Высокий кларк цинкаобусловливает сравнительно большое количество его природных соединений. Существует 72 цинковых минерала, в породах он присутствует, главным образом, в виде сульфида ZnS (сфалерит). В почвах основной и наиболее подвижной формой считается Zn (II). Главными факторами, контролирующими его подвижность в почвах, являются содержание глинистых минералов и различных оксидов, а также величина рН. Как правило, в кислой среде подвижность его соединений выше, чем в нейтральной. В области высоких значений рН на растворимость и доступность этого элемента оказывает влияние образование растворимых Zn-органических анионных комплексов. Основные антропогенные источники поступления цинка в атмосферу - это цинкоплавильная промышленность, производство строительных материалов, энергетические установки, сжигание горючих веществ. Он является компонентом латуни и др. сплавов, используется в качестве антикоррозионного покрытия железных и стальных изделий. Этот металл находит широкое применение в фармакологии, производстве красителей, удобрений, фунгицидов. Некоторые соединения цинка токсичны (цинковый купорос) или канцерогенны (хромат цинка). Цинк необходим растениям и животным, является составной частью энзимов. Он токсичен лишь в очень высоких концентрациях. При остром цинковом отравлении отмечается гибель листьев и побегов растений, у животных поражаются органы дыхания, печень и почки, нарушается кожный покров.
Кадмий (Cd) занимает 64 место по встречаемости в земной коре. Его минералы в природе не образуют рудных скоплений, а встречаются лишь как спутники цинка в цинковых и полиметаллических рудах, в которых кадмий в основном замещает Zn (II) в сфалерите. Геохимия кадмия тесно связана с цинком, но в отличие от Zn он обладает большим сродством к сере и обнаруживает высокую подвижность в кислых средах. Главным фактором, определяющим содержание кадмия в почвах, является состав материнских пород. Его соединения наиболее подвижны в кислых почвах в интервале рН 4,5—5,5, тогда как в щелочных он относительно неподвижен. В условиях гумидного климата его миграция вниз по профилю почв более вероятна, чем накопление в верхних горизонтах, поэтому обогащение их кадмием будет прежде всего свидетельствовать о его антропогенном происхождении. Естественными источниками поступления кадмия в атмосферу являются природные процессы: извержение вулканов, дым лесных пожаров, космическая пыль и др. К антропогенным источникам поступления в окружающую среду относится производство цветных металлов, аккумуляторных батарей и пластиков, сжигание горючих веществ и мусора. В почву он может попадать при орошении ее сточными водами и как примесь с фосфорными удобрениями. Следует отметить, что кадмий в любой форме считается токсичным для растений, а доза 30-40 мг может быть смертельной для человека.
Свинец (РЬ), его среднее содержание в земной коре составляет около 16 мг/кг. Важнейшей и почти единственной свинцовой рудой, из которой извлекают этот металл, является галенит (свинцовый блеск PbS). При выветривании сульфиды свмнца медленно окисляются. Свинец в окисленной форме может образовывать карбонаты, входить в состав глинистых минералов, взаимодействовать с оксидами железа и марганца, а также иммобилизироваться органическим веществом. Природное содержание свинца в почвах тесно связано с составом подстилающих пород. В почвах он ассоциируется главным образом с глинистыми минералами, оксидами марганца, гидроксидами железа и А1 и органическим веществом. Среди тяжелых металлов свинец наименее подвижен. В почвах, развивающихся в условиях гумидного климата, он преимущественно мигрирует в бикарбонатной форме РЬ(НСОз)2, в составе органо-минеральных комплексов, а также с глинистыми частицами. Из почв выносится слабее, чем медь и цинк. Основными источниками загрязнения окружающей среды свинцом являются автотранспорт, продукты сгорания каменного угля, металлургическая промышленность. Значительное количество РЬ в почву поступает со сточными водами, используемыми в качестве удобрений. Свинец при попадании в пищеварительный тракт живых организмов вызывает острые отравления, токсичен для протоплазмы всех клеток организма, но в основном для мышц, кровеносной и нервной систем. Он негативно влияет на биологическую активность почв, вызывает нарушение метаболизма микроорганизмов, особенно процессов дыхания и клеточного деления. Уровень содержания cdbywf, при котором он становится токсичным для растений, колеблется в пределах 100-150 мг/кг.

Комментарии к статье:

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем




Новое на сайте


Леса юга Сибири и современное изменение климата


По данным информационной системы «Биам» построена ординация зональных категорий растительного покрова юга Сибири на осях теплообеспеченности и континентальности. Оценено изменение климата, произошедшее с конца 1960-х по 2007 г. Показано, что оно может вести к трансформации состава потенциальной лесной растительности в ряде регионов. Обсуждаются прогнозируемые и наблюдаемые варианты долговременных сукцессии в разных секторно-зональных классах подтайги и лесостепи.


Каждая популяция существует в определенном месте, где сочетаются те или иные абиотические и биотические факторы. Если она известна, то существует вероятность найти в данном биотопе именно такую популяцию. Но каждая популяция может быть охарактеризована еще и ее экологической нишей. Экологическая ниша характеризует степень биологической специализации данного вида. Термин "экологическая ниша" был впервые употреблен американцем Д. Гриндель в 1917 г.


Экосистемы являются основными структурными единицами, составляющих биосферу. Поэтому понятие о экосистемы чрезвычайно важно для анализа всего многообразия экологических явлений. Изучение экосистем позволило ответить на вопрос о единстве и целостности живого на нашей планете. Выявления энергетических взаимосвязей, которые происходят в экосистеме, позволяющие оценить ее производительность в целом и отдельных компонентов, что особенно актуально при конструировании искусственных систем.


В 1884 г. французский химик А. Ле Шателье сформулировал принцип (впоследствии он получил имя ученого), согласно которому любые внешние воздействия, выводящие систему из состояния равновесия, вызывают в этой системе процессы, пытаются ослабить внешнее воздействие и вернуть систему в исходное равновесное состояние. Сначала считалось, что принцип Ле Шателье можно применять к простым физических и химических систем. Дальнейшие исследования показали возможность применения принципа Ле Шателье и в таких крупных систем, как популяции, экосистемы, а также к биосфере.


Тундры


Экосистемы тундр размещаются главным образом в Северном полушарии, на Евро-Азиатском и Северо-Американском континентах в районах, граничащих с Северным Ледовитым океаном. Общая площадь, занимаемая экосистемы тундр и лесотундры в мире, равно 7 млн ​​км2 (4,7% площади суши). Средняя суточная температура выше 0 ° С наблюдается в течение 55-118 суток в год. Вегетационный период начинается в июне и заканчивается в сентябре.


Тайгой называют булавочные леса, широкой полосой простираются на Евро-Азиатском и Северо-Американской континентах югу от лесотундры. Экосистемы тайги занимают 13400000 км2, что составляет 10% поверхности суши или 1 / 3 всей лесопокрытой территории Земного шара.
Для экосистем тайги характерна холодная зима, хотя лето достаточно теплое и продолжительное. Сумма активных температур в тайге составляет 1200-2200. Зимние морозы достигают до -30 ° -40 °С.


Экосистемы этого вида распространены на юге от зоны тайги. Они охватывают почти всю Европу, простираются более или менее широкой полосой в Евразии, хорошо выраженные в Китае. Есть леса такого типа и в Америке. Климатические условия в зоне лиственных лесов более мягкие, чем в зоне тайги. Зимний период длится не более 4-6 месяцев, лето теплое. В год выпадает 700-1500 мм осадков. Почвы подзолистые. Листовой опад достигает 2-10 тонн / га в год. Он активно вовлекается в гумификации и минерализации.


Тропические дождевые леса - джунгли - формируются в условиях достаточно влажного и жаркого климата. Сезонность здесь не выражена и времени года распознаются по дождливым и относительно сухим периодами. Среднемесячная температура круглогодично держится на уровне 24 ° - 26 ° С и не опускается ниже плюс восемнадцатого С. Осадков выпадает в пределах 1800-2000 мм в год. Относительная влажность воздуха обычно превышает 90%. Тропические дождевые леса занимают площадь, равную 10 млн. кв. км.