Химический состав биосферы в разных участках земной коры. Основные понятия и методы экологической геохимии.

11-12-2013: UEFIMA.RU:  Химический состав биосферы в разных участках земной коры закономерно различен. Данная геохимическая неоднородность, дифференциация в распределении химических элементов в компонентах окружающей среды является следствием, прежде всего, естественных причин (геологической характеристики местности, особенностей ее литологического состава, сгущения различных форм жизни).

В последнее историческое время, характеризующее собой продолжительность техногенного этапа развития общества, на природные геохимические процессы накладываются процессы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека, которые могут быть объединены общим понятием «техногенез».

При этом роль последних в геохимическом преобразовании биосферы огромна, что отмечалось еще в начале XX в. В.И.Вернадским.

Установление закономерностей изменения химического состава окружающей среды в целом и ее компонентов в частности в условиях техногенного воздействия, представляет собой важнейшую задачу естествознания, решением которой занимается и экологическая геохимия.

В настоящее время словосочетание «экологическая геохимия» довольно часто встречается в научной литературе, в то время как до недавнего времени такого понятия, обозначающего область научных знаний, не существовало.

Теперь, в связи с актуальностью проблемы загрязнения окружающей среды, являющейся выражением геохимического преобразования биосферы человеческой деятельностью, в ряде вузов страны (в частности, в Московском и Санкт-Петербургском университетах) читаются курсы, в названии которых обозначено данное сочетание слов.

Однако программы курса преимущественно составлены так, что основное внимание уделяется эколого-геохимическим исследованиям, получившим свое развитие существенно раньше самой научной дисциплины.

Экологическая геохимия, таким образом, рассматривается как область естественных знаний, в рамках которой проводятся эти исследования с целью оценки масштабов и интенсивности загрязнения и его последствий, т.е., по прежнему, в прикладном аспекте.

Внимание научным основам и общим принципам экологической геохимии, развитию и систематизации научного знания - тому, что составляет основу научной дисциплины на настоящем этапе, - в данных курсах фактически не уделяется.

Возможно, это является следствием практического отсутствия опубликованных работ, в которых была бы предпринята попытка унификации и формулирования концептуальных основ экогеохимии; возможно, не последнюю роль здесь играет обычная в учебном процессе нехватка выделенных на теоретический курс академических часов.

Все вышеуказанное привело к тому, что в настоящий момент сформировалось ошибочное понимание экологической геохимии как чисто прикладной дисциплины, научный аппарат которой еще совершенно не создан.

Написание реферата на заданную тему оказалось очень познавательным процессом для автора, которая сама, до недавнего времени, придерживалась «практической» сути этой дисциплины.

Хотелось бы надеяться, для кого-нибудь данное реферативное исследование также окажется интересным и в какой-то мере полезным.

Автор реферата выражает свою искреннюю признательность научному руководителю, доценту кафедры геохимии Ю.Н. Николаеву, который не только предложил предмет реферативного исследования, но и способствовал в ходе его написания пониманию автором особенностей развития и сущности данной дисциплины, несмотря на собственный напряженный рабочий график.

История становления экологической геохимии как научной дисциплины

Практически все научные дисциплины развиваются двумя путями: путем формулирования общих законов и (или) используя идиографический подход, оперирующий описанием нестандартных, уникальных, ситуаций безотносительно к общим законам.

Проблема загрязнения окружающей среды выявилась не как теоретическое обобщение, а как практическая задача, вызванная многочисленными отрицательными реакциями в различных областях человеческой жизни и производства.

Вследствие этого, новая дисциплина, занимающаяся изучением геохимического преобразования биосферы человеческой деятельностью и называемая в настоящее время экологической геохимией, в значительной степени развивалась как прикладная наука, направленная на констатацию факта техногенного загрязнения химическими элементами компонентов окружающей среды и описание объектов и ситуаций, где данное загрязнение наиболее ярко проявилось (территории горнорудных предприятий, урбо- и агроландшафты).

Экономика и экономическая наука

Рассмотрение проблемы загрязнения окружающей среды, которое является лимитирующим фактором развития человечества (химические элементы, среди которых наибольшей потенциальной экологической опасностью обладают тяжелые металлы, воздействуют на важнейшие функции живых организмов и обладают отдаленными эффектами ), требовало, в первую очередь, наличия объективной информации для установления приоритетного ряда источников вредных воздействий и получения пространственной картины распределения последних.

Поскольку новая дисциплина начала формироваться в рамках цикла геохимических наук, важнейшее значение в решении поставленной практической задачи - изучении загрязнения окружающей среды и оценки экологического состояния различных территорий - естественным образом приобрели методы прикладной геохимии.

В России (бывшем СССР) приоритет в использовании этих методов в данной области исследований принадлежит Институту минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ). В 1976 г. здесь начались планомерные геохимические исследования окружающей среды в связи с ее преобразованием техногенезом, получившие название «эколого-геохимических исследований».

Становление данных исследований именно в ИМГРЭ было не случайным, а закономерным явлением. Одним из важнейших направлений исследований научного коллектива ИМГРЭ было и продолжает оставаться изучение процессов рудообразования и преобразования месторождений полезных ископаемых с точки зрения разработки научной базы геохимических методов их поисков.

В основе последних лежит концепция, рассматривающая процесс образования рудных месторождений как единственно возможный переход химических элементов от их изначально рассеянного состояния к концентрированному, с обязательной дифференциацией вещества и образованием вследствие этого первичных геохимических ореолов.

В свою очередь, разрушение месторождений и их первичных ореолов является единственно возможным обратным процессом (дифференцированным переходом от концентрирования к рассеянию), ведущим к возникновению вторичных ореолов и потоков рассеяния.

Накопление химических элементов и их поступление в объекты окружающей среды являются результатом производственной и сельскохозяйственной деятельности человека.

Дальнейшее распределение химических элементов от техногенных источников приводит к образованию в окружающей среде геохимических аномалий (зон техногенного загрязнения), являющихся своеобразными аналогами вторичных ореолов и потоков рассеяния вблизи рудных месторождений.

Характеристики “антропогенных” ореолов и потоков рассеяния (по ) - состав, степень концентрации, формы нахождения элементов, интенсивность биологического поглощения - определяют качество окружающей среды. Поэтому можно говорить, что концепция, лежащая в основе геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых, является, по сути, базисом применения геохимических методов (картирование) для изучения техногенного загрязнения, т.е. проведения эколого-геохимических исследований.

Первый опыт подобных исследований был реализован в пределах Московской агломерации. Важным итогом этих работ было составление первой эколого-геохимической карты г. Москвы.

Начиная с середины 1980-х гг. область проведения эколого-геохимических исследований заметно расширилась. Они выполнялись в промышленно-урбанизированных и сельскохозяйственных районах Армении, Украины, Казахстана, Латвии, Литвы, Эстонии, в городах и районах Архангельской, Брянской, Курской, Московской, Рязанской, Самарской, Саратовской, Тверской, Ярославской областей, в Краснодарском и Ставропольском краях, в Кабардино-Балкарии, Карачаево-Черкесии, Мордовии, Северной Осетии, Удмуртии.

Проведение эколого-геохимических исследований силами ИМГРЭ стало возможным, поскольку в составе Института были созданы специализированные эколого-геохимические научно-методические и научно-производственные подразделения. Так, в 1981 г.

существовавший ранее (с 1977 г.) сектор геохимии охраны окружающей среды был преобразован в отдел экологической геохимии, затем (в 1987 г.) ставший лабораторией экологической геохимии.

Научное руководство эколого-геохимическими работами ИМГРЭ долгое время (до 1988 г.) осуществлялось Ю.Е. Саетом, большой вклад в оформление указанных структур внесли руководители ИМГРЭ и его опытно-методических экспедиций, прежде всего Л.Н. Овчинников и Э.К. Буренков.

Комплексные исследования, охватывающие все компоненты окружающей среды, выполняемые с 1984-1986 гг. сотрудниками Института (среди которых ­- Е.П. Янин, Л.Н. Алексинская, И.Л. Башаркевич, А.А. Волох, Н.И. Несвижская, Б. А. Ревич, Н.Я. Трефилова и др.), позволили установить важнейшие геохимические особенности техногенного преобразования и разработать методические основы изучения загрязнения и оценки состояния окружающей среды.

Многолетние прикладные геохимические исследования окружающей среды в различных антропогенных ландшафтах, проводимые ИМГРЭ, легли в основу изданной в 1990 г. монографии «Геохимия окружающей среды», где впервые была сделана попытка обобщения материалов по особенностям образования, состава и морфологии техногенных и антропогенных геохимических ореолов и потоков рассеяния в окружающей среде, а также по методам их выявления и оценки для разработки практических мероприятий, направленных на ликвидацию, уменьшение и предотвращение негативных воздействий .

Можно говорить, что в данной монографии были систематизированы основные научно-методические итоги начального этапа развития эколого-геохимических исследований - этапа преимущественно накопления научных фактов ; обоснованы и показаны возможности геохимических методов при изучении и оценке состояния окружающей среды, приведен эколого-геохимический анализ техногенной миграции химических элементов, описаны и количественно оценены основные источники загрязнения окружающей среды, миграционные цепи распространения загрязнителей в природных системах, а также рассмотрены принципы, методы и результаты биогеохимической и геогигиенической оценок отрицательных последствий техногенного загрязнения окружающей среды для здоровья человека.

Накопление научных фактов - закономерный этап развития любой науки, которая «фактически всегда развивается раньше своей методологии интуитивным применением правильных, но еще не осознанных методов, изобретаемых по мере надобности в течение работы».

Однако, наука представляет собой не простое собрание установленных фактов; знания превращаются в научные, когда целенаправленное собирание фактов, их описание и обобщение доводится до уровня их включения в систему понятий, в состав теории.

В настоящее время экологической геохимии уже стали присущи три основных признака, определяющих существование самостоятельной научной дисциплины: наличие собственного предмета исследований, соответствующей методики исследований и специальной терминологии. Поэтому можно говорить о том, что сейчас осуществляется переход к новому этапу развития, когда основное внимание будет направлено на систематизацию концептуальных основ и формулировку парадигмы (сути, главного объекта, метода и понятийного аппарата) экологической геохимии, на создание ее научного аппарата.

Работы, в которых проводится систематизация и формулирование концептуальных основ экологической геохимии, в настоящее время уже существуют.

Особенно хотелось бы отметить публикации Е.П. Янина, касающиеся принципов и методических основ эколого-геохимических исследований.

Благодаря этим работам, а также разработкам Ю.Е. Саета, Б.А. Ревича и некоторых других исследователей, можно сформулировать содержание, объект, предмет и методы экологической геохимии, ее цели и задачи в изучении воздействия на окружающую среду, основные термины и понятия, т.е. то, что определяет системность научного познания и придает развивающейся научной дисциплине самостоятельность и индивидуальность.

Научные основы и общие принципы экологической геохимии

Уже к началу XX в. многими исследователями был осознан тот факт, что хозяйственная деятельность человека нарушает естественные циклы вещества и энергии, изменяет химический состав земной коры и направленность геохимических процессов.

В числе первых ученых, осознавших глобальность процессов взаимодействия человеческой деятельности и природной среды и последствия этого взаимодействия, был В.И. Вернадский, считавший, что “…лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно…”.

Понимание значения живого вещества, которое «играет основную роль…определяет все основные химические закономерности в биосфере», позволило ему обосновать положение о биогеохимических функциях живого вещества, среди которых он дополнительно, в качестве новой геологической силы, выделил биогеохимическую функцию человечества, а в качестве нового для биосферы вида геохимической миграции - биогенную миграцию атомов 3-го рода, идущую под влиянием человека и доминирующую в настоящее время.

Видение преобразования природы деятельностью человека, являющегося в своей основе геохимическим процессом, как закономерного глобального явления позволило сформулировать проблему изменения химического состава биосферы под воздействием человеческой деятельности и обосновать методологические принципы его изучения.

Новая отрасль знания, призванная изучать влияние живого вещества на геохимические процессы, была названа В.И. Вернадским биогеохимией.

Выделенные В.И. Вернадским три важнейших направления геохимического изучения природы в ходе дальнейшего развития к настоящему времени оформились в самостоятельные научные дисциплины, тесно взаимосвязанные и взаимодействующие между собой, определенное положениесреди которых занимает экологическая геохимия.

Содержание, объект и предмет экологической геохимии, ее цели и задачи в изучении воздействия на окружающую среду

В настоящее время известны попытки отдельных исследователей дать определение экологической геохимии как новой научной дисциплины. Так, А.Н. Сутурин считает, что экогеохимия занимается статистическим геохимическим мониторингом окружающей среды, выявлением изменений геохимического фона биосферы и его влияния на природную среду, и в частности, на человека.

В.В. Гавриленко полагает, что экологическая геохимия должна восприниматься как направление соответствующей науки, исследующее химические элементы в их взаимоотношении с живым веществом Земли, “поведение химических элементов в условиях взаимодействия живого и косного вещества, факторы их миграции и накопления, а также закономерности формирования природных и техногенных геохимических аномалий”.

Таким образом, проявление биогеохимической функции человечества автор в данном случае не считает необходимым условием.

В.Т. Трофимов с соавторами придерживается мнения, что экологическая геохимия представляет собой научное направление, фокусирующее знания “на сохранении экосистем в условиях интенсивного техногенного загрязнения литосферы, «научный раздел экологической геологии, исследующий морфологические, ретроспективные и прогнозные задачи, связанные с изучением влияния геохимических полей (неоднородностей земной коры) природного и техногенного происхождения на биоту».

Согласно В.В. Иванову и др. , экогеохимия (в широком смысле) должна рассматриваться как “комплексная область знаний о поведении химических элементов, их природных и техногенных сочетаний в геоэкологических системах Земли любого масштаба и типа, влияющих на биосферу и человека… должна иметь две стороны, как привычную, негативную, токсикологическую, так и двойственную, негативно-позитивную физиологическую и микробиологическую.

При этом подчеркивается, что «первая преимущественно развивается экогеохимией; вторая - геохимической экологией».

Наиболее строгое и обоснованное определение новому направлению было дано Е.П. Яниным [16, 17], который полагает, что экологическая геохимия (экогеохимия) представляет собой научную дисциплину, изучающую поведение (поступление, рассеяние, миграцию, концентрирование, трансформацию, биопоглощение) химических элементов в окружающей среде (биосфере) в связи с деятельностью (в самом широком смысле) человека (вследствие проявления биогеохимической функции человечества).

Основной объект изучения экогеохимии - химические элементы, специфика поведения которых определяется деятельностью человека или миграция которых осуществляется в среде, преобразованной деятельностью человека.

Предметом познания экологической геохимии являются геохимические процессы и взаимодействия в окружающей среде, обусловленные сложным сочетанием природных, природно-техногенных и техногенных факторов, а также эколого-геохимические последствия таких процессов и взаимодействий.

Экогеохимия имеет главной целью установление закономерностей изменения химического состава биосферы и ее частей в связи с проявлением биогеохимической функции человечества.

Основными задачами исследования являются так называемые “чисто научные”, определяющие фундаментальную сторону эколого-геохимических исследований, направленных на установление законов поведения химических элементов в условиях техногенеза; а также задачи, связанные в большей мере с прикладными исследованиями, направленными на оценку состояния (качества) окружающей среды, выявление масштабов и последствий геохимического преобразования биосферы в связи с деятельностью человека, на использование полученных знаний в практических целях (на разработку рекомендаций и мероприятий по предотвращению, снижению и ликвидации негативных последствий человеческой деятельности).

Основные понятия и методы экологической геохимии

Экологическая геохимия - составная и неотъемлемая часть общей химии. Используемая ею система понятий, терминов, положений органически связывает ее на единой научно-методической основе с научными и прикладными дисциплинами геологического, географического, биологического и гигиенического профиля.

Это закономерно, поскольку развитию любой научной дисциплины, как и науке в целом, свойственны кумулятивный характер и преемственность. Индивидуальность и самостоятельность, специфика терминологии достигается путем «адаптации к новой задаче или к новой ситуации всего предшествующего познавательного и практического опыта».

Эколого-геохимические исследования в значительной мере базируются на существующих (достоверно установленных) корреляционных связях между источниками загрязнения (см. далее), миграцией элементов в транспортирующих средах (водные и воздушные потоки) и их временным концентрированием в депонирующих средах (почвы, растительный и снеговой покровы, донные отложения).

Важным итогом эколого-геохимических исследований является установление закономерных связей между распределением химических элементов и их соединений в окружающей среде и показателями здоровья населения (особенно изменением иммунного статуса организмов ), т.е. (в более широком смысле) выявление последствий геохимического преобразования на биоту.

Поэтому специфичность применяемой в экологической геохимии терминологии определяется, главным образом, заложенным в ней медико-биологическим (санитарно-гигиеническим) смыслом.

Хозяйственная деятельность человека приводит к загрязнению окружающей среды, под которым понимается количественное изменение в последней тех или иных физико-химических свойств или появление новых подобных свойств, уровень или интенсивность проявления которых может оказать неблагоприятное влияние на условия жизни и здоровье человека.

При такой формулировке загрязнение может иметь не только химическую, но и физическую природу (изучаемую, например, в рамках экологической геофизики); возникать не только техногенным способом, но и в связи с естественными причинами (природное химическое загрязнение для участков месторождений, в районах вулканической деятельности).

Таким образом, приведенное выше определение требует уточнения для его однозначного применения в экологической геохимии. Под техногенным (антропогенным) загрязнением (химическим загрязнением) следует понимать изменение химических свойств окружающей среды, проявляющееся в увеличении содержания химических элементов (соединений), не связанное с естественными процессами.

Материальными носителями загрязнения являются загрязняющие вещества - химические элементы и их соединения, которые в свою очередь связаны с наличием источников загрязнения. Данный термин имеет не очень определенную формулировку.

Так, под источником загрязнения может подразумеваться как вид человеческой деятельности (радиотехническое, металлургическое производство, сельское хозяйство и др.), так и конкретные объекты деятельности (завод, свалка, автомобильный транспорт и др.), а также материальные носители загрязняющих веществ (средства химизации, отходы производства).

Интенсивность геохимического воздействия техногенных источников загрязнения, которые по масштабам и способу воздействия подразделяются на локальные, точечные площадные и линейные, определяется массой химических элементов (веществ), поступающей на ту или иную территорию (техногенная нагрузка на окружающую среду), т.е. зависит от степени концентрации загрязняющих веществ в материальных носителях и от общего объема последних.

Медико-биологический аспект при оценке степени опасности загрязнения в данном случае проявляется в акцентировании внимания на прямых и отдаленных экологических последствиях.

Так, с этих позиций наиболее опасны в настоящее время выбросы в атмосферу (прямое экологическое воздействие), в то время как твердые отходы характеризуются в основном отдаленным воздействием.

Сравнительная оценка наблюдаемых уровней содержания химических элементов (соединений) в различных компонентах окружающей среды может осуществляться путем сравнения их с нормативными параметрами - гигиеническими и экологическими нормативами и стандартами (предельно-допустимые (ПДК) и ориентировочно-допустимые (ОДК) концентрации).

Однако, данные нормативы разработаны в настоящее время не для всех сред (отсутствуют для растительности, не используемой в сельском хозяйстве), не для всех загрязнителей, не всегда адекватны истинной опасности последних имеют тенденцию периодически изменяться.

Поэтому в экологической геохимии в качестве специфических нормативных величин используются фоновые уровни химических элементов (соединений).

Под геохимическим фоном (фоновым содержанием, “природным фоном”, “природным, естественным содержанием”) в экологической геохимии понимается средняя концентрация его в природных телах (компонентах) по данным изучения естественного распределения (с учетом вариаций) в пределах однородного в ландшафтно-геохимическом отношении участка, не затронутого техногенезом (на практике - это, как правило, участки, расположенные вне зоны прямого техногенного влияния).

Воздействие источников загрязнения приводит к формированию в окружающей среде техногенных геохимических аномалий, т.е. участков территорий, в пределах которых хотя бы в одном из слагающих их природных тел (компонентов) статистические параметры распределения химических элементов и их соединений достоверно отличаются от вариаций геохимического фона (фонового содержания) там же.

Необходимо отметить, что существует также более узкое понятие зоны загрязнения; под ней обычно подразумевается часть техногенной геохимической аномалии, в пределах которой загрязняющие вещества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное влияние на живые организмы.

Техногенные геохимические аномалии могут характеризоваться как моноэлементным, так и полиэлементным составом, поэтому наряду с изучением распределения отдельных химических элементов, при эколого-геохимических исследованиях проводится анализ геохимических ассоциаций - групп элементов, характеризующих специфические особенности зон воздействия различных источников и обнаруживаемых в компоненте среды в количествах, отличных от неких нормативных величин (фона).

При изучении важнейшей характеристики техногенных геохимических аномалий - степени концентрирования - широкое распространение приобрел такой параметр, как коэффициент концентрации химического элемента Кс, рассчитываемый по отношению реального (аномального) содержания загрязнителя в природном объекте к его фоновому уровню в аналогичном объекте.

Для характеристики полиэлементных аномалий используют суммарные показатели, в т.ч. широко известный суммарный показатель загрязнения Zc*, введенный в практику эколого-геохимических исследований Ю.Е. Саетом.

По значениям величины Zc проводится оценка территории с выявлением уровня загрязнения компонентов окружающей среды - низкого, среднего, высокого и очень высокого.

Подобное выделение основано на соотнесении величины Zc с изменением показателей здоровья населения, т.е. является неслучайным и обоснованным.

Для техногенного загрязнения характерна резкая пространственно-временная неоднородность, что обусловливает два аспекта эколого-геохимических исследований: пространственный и временной.

Этим в свою очередь определяется комплекс используемых методов и методических приемов. Основными методами исследования в экологической геохимии, таким образом, являются эколого-геохимическая съемка и геохимический мониторинг компонентов окружающей среды, находящихся под воздействием источников загрязнения.

Кроме того, особую группу составляют методы, в основу которых положены разработки биогеохимии, геогигиены, эпидемиологии, аналитической химии, связанные с исследованиями конкретных компонентов среды, механизмов миграции, форм нахождения химических элементов, оценкой биогеохимических и гигиенических последствий загрязнения и др.

Если на начальных этапах становления научной дисциплины экологическая геохимия развивалась преимущественно как прикладная наука, то в настоящий момент особое внимание уделяется систематизации и структуризации знаний, созданию научного аппарата.

Сейчас экологическая геохимия существует как самостоятельная научная дисциплина, имеющая собственный предмет исследования, соответствующие методики исследований и специальный набор терминов и понятий.

В будущем в области научного знания, вероятно, будет происходить дальнейшая систематизация концептуальных основ и упорядочение аппарата терминологии, которому в настоящее время присуща определенная двойственность содержания некоторых понятий, будут разрабатываться новые критерии оценки степени воздействия техногенных геохимических процессов на окружающую среду (прикладной аспект исследований).

Изучение особенностей геохимии техногенеза, вполне возможно, будет сопровождаться разделением экологической геохимии на экогеохимию природно-техногенных систем, направленную на изучение поведения химических элементов в различных функциональных типах территорий (город, агроландшафты, горно-промышленный район), и экогеохимию элементов, изучающую поведение отдельных химических элементов в разных системах и процессах.

Подобное деление будет осуществляться в рамках современной тенденции развития естествознания и практики, ведущей к объединению наук геологического, географического, общеэкологического и медико-биологического профиля под общим началом синтетической науки.

Таким образом, экологическая геохимия будет развиваться одновременно как в направлении анализа данных для более глубокого познания техногенных геохимических процессов, так и по пути синтеза, комплексирования с другими научными дисциплинами.