ВВЕДЕНИЕ В БИОГЕОХИМИЮ

Востребованность биогеохимии обусловлена техногенной эволюцией планеты и поисками адекватных путей взаимодействия человека и природы. Знания биогеохимии необходимы в медицине и сельском хозяйстве, они определяют стратегию формирования ноосферных технологий и развития современного общества.

В.В. Ермаков, 2013

КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ПОКАЗАТЕЛИ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Хорошая классификация есть инструмент исследования; она является основой всякой теоретической работы.

Ж. Орсель, 1954

Как наука биогеохимия, прежде всего, имеет отношение к химическим элементам. В связи с этим представляется целесообразным рассмотрение принципов разделения химических элементов на категории в зависимости от их свойств, поведения и пр.

Химические элементы — составные части вещества, построенные из атомов с одинаковыми зарядом ядра и электронными оболочками. Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства.

По содержанию в живом веществе химические элементы подразделяются на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Макроэлементы содержатся в организмах в количествах 10°— 10_2%; микроэлементы — 10-3— 10_5% и ультрамикроэлементы — менее 10%. Деление это весьма условное, так как в такой градации некоторые элементы занимают граничные положения.

Геохимическая классификация химических элементов. Большое влияние на формирование геохимической классификации химических элементов оказала Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Большинство попыток систематизировать химические элементы по геохимическим свойствам так или иначе связано с творением великого русского ученого-химика. На это неоднократно указывал А.Е. Ферсман. Одним из первых геохимическую классификацию химических элементов предложил шведский норвежский ученый В.М. Гольдшмидт (1924 г.). Эта классификация не потеряла актуальности и в настоящее время, так как была основана на строении атомов. Кроме того, введенные Гольдшмидтом термины «халькофилы» (элементы, взаимодействующие с серой и ее аналогами — селеном и теллуром), «сидерофилы» (элементы, соединяющиеся с железом в расплавах), «литофилы» (элементы, образующие кислородные соединения, их ионы имеют 8-электронную оболочку), «атмофилы» (элементы, характерные для атмосферы), «биофилы» (концентрируются в живых организмах с образованием различных соединений) прочно вошли в теорию и практику наук о Земле.

В.И. Вернадский в основу своей классификации положил особенности поведения химических элементов в земной коре — способность к миграции, минералообразованию, радиоактивность и пр. Элементы Вернадский поделил на 6 групп. Самая многочисленная из них — элементы, участвующие в сложных круговоротах и по массе преобладающие в земной коре. Отметим, что радиоактивные элементы ученый объединил в одну группу.

Геохимическая классификация химических элементов, составленная А.И. Перельманом (1990 г.), соответствует их поведению в условиях зоны гипергенеза. Гипергенез — совокупность процессов химического и физического преобразования минеральных веществ в верхних частях земной коры и на ее поверхности под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов. В этой классификации выделяются следующие группы элементов:

  • 1) элементы, образующие химически активные газы (О, Н, Э, С, Г4);
  • 2) инертные газы (Не, N6, Аг, Кг);
  • 3) типичные щелочные металлы (N3, К, ЯЬ, Сб);
  • 4) типичные щелочно-земельные металлы и литий (Са, М^, Ва, Эг, У);
  • 5) галогены (Я, С1, Вг, 1);
  • 6) литофильные анионогенные элементы (Бц Р, В);
  • 7) литофильные элементы с постоянной валентностью, образующие катионы и анионы (А1, 7л, Щ У, Ьа, Бс, ТЬ, Ве);
  • 8) литофильные и сидерофильные элементы с переменной валентностью, образующие катионы и анионы (Л, V, N6, Та, и, У, Мо, Яе);
  • 9) сидерофильные металлы группы железа (Яе, Мп, Сг, N1, Со);
  • 10) платиноиды (Я1п, Яи, Рс1, Об, 1г, Р1:);
  • 11) халькофильные металлы (7п, Си, РЬ, 1п, Сё, Ag, В1, Аи);
  • 12) халькофильные неметаллы (Аб, БЬ, Бе, Те);
  • 13) литофильно-халькофильные элементы (ва, Бп, ве, Т1).

Другие классификации. С позиций воздействия на живые организмы часто используют простое деление химических элементов на токсичные и нетоксичные. При этом следует учитывать, что некоторые элементы можно отнести в обе категории, в зависимости от того, какое их количество или концентрация в среде присутствует. В связи с этим классификация, предложенная Дж.М. Вудом (1974 г.), содержит 3 градации:

  • • некритические элементы, например углерод, кислород, азот, алюминий и др.;
  • • очень токсичные и относительно распространенные, например цинк, кобальт, мышьяк, ртуть и др.;
  • • токсичные, но очень плохо растворимые или очень редкие, например вольфрам, рений, барий, осмий и др.

То же самое, хотя и в меньшей степени, мешает строгости подразделения химических элементов на биофильные (биос — жизнь, фи-лио — любить) — жизненно необходимые, которые называют также биогенными, и ксенобиотики (от греч. xenos — чужой, bios — жизнь) — чужеродные для организма.

В прошлом веке в научных кругах как нашей страны, так и за рубежом обострился интерес к микро- и ультрамикроэлементам, выяснению их роли в биологических процессах, возможному применению в медицине и сельском хозяйстве.

Микроэлементы, следовые элементы, микротрофные биогенные вещества, олигоэлементы, рассеянные элементы — группа химических элементов (преимущественно ионов металлов), содержащихся в организмах в низких концентрациях (обычно в неионизированной форме) и необходимых для их нормальной жизнедеятельности. В ткани организма поступают преимущественно микроэлементы, которые находятся в окружающей среде в виде подвижных, легко усваиваемых (водорастворимых) соединений. Многие микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и др. жизненно важных соединений. Насчитывается свыше 30 микроэлементов — марганец, бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и др. Микроэлементы используют в медицине для лечения мик-роэлементозов, сельском хозяйстве — для повышения урожайности культурных растений (микроудобрения) и продуктивности сельскохозяйственных животных (добавки к кормам).

В связи с этим появились новые классификации микроэлементов, в частности медицинская (Авцын и др., 1991), согласно которой они подразделяются:

  • • на важнейшие эссенциальные — жизненно необходимые, это железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт;
  • условно эссенциальные — необходимость их для человека и животных доказана, но потребность в них меньше, чем в эссенци-альных, в эту группу входят мышьяк, бор, бром, фтор, литий, никель, кремний, ванадий;
  • токсичные — элементы-ксенобиотики, вызывающие токсические эффекты, необходимость которых для человека и животных не доказана, это алюминий, кадмий, свинец, ртуть, бериллий, барий, висмут, таллий и другие потенциально-токсичные микроэлементы.

В классификациях микроэлементов для растений, животных и человека могут быть расхождения. Так, необходимость селена для растений до настоящего времени не доказана, а для человека и животных — это важнейший эссенциальный микроэлемент. Кроме того, 8е согласно ГОСТ 17.4.1.02—83 вместе с кадмием, ртутью и свинцом отнесен к I классу опасности.

Представляется логичной и обоснованной физиолого-агрохимическая классификация химических элементов, предложенная А.Х. Шеудженом (2003 г.). В этой классификации автор группирует элементы на 6 групп: макроэлементы (органогенные — Н, О, С, N и зольные — Р, К, 'ь)мезоэлементы (8, Са, 1У^, Те, N3, А1, С)микроэлементы (В, Мп, Со, Си, Мо, Тп, V, I, 8е); ультрамикроэлементы (Ва, Ве, Щ и, Тй и др.); инертные (Не, Аг, N6 и др.) и техногенные (Ри, Ат, Ыр и др.).

В других многочисленных классификациях химических элементов авторы выделяют такие категории, как первоэлементы (элементы, необходимые для зарождения жизни), брэйн-элементы (элементы с неизвестными функциями), нейтральные (из-за слабой реакционной способности не включаются в метаболизм), конкуренты (при попадании в организм конкурируют с другими элементами, вызывая нарушения метаболизма), агрессивные (в основном токсичные и техногенные элементы) и пр.

В последнее время получило широкое хождение и негативную окраску словосочетание «тяжелые металлы». Этот термин заимствован из технической литературы и означает группу металлов с плотностью более 5 г/см3 и с относительной массой более 40 (Алексеев, 1987). Огульно приписывать токсические свойства тяжелым металлам неправильно, ибо в их число попадают важнейшие активаторы ферментов — цинк, медь, молибден и др. Достаточно подчеркнуть, что на цинковом снабжении в организме человека находится более 200 ферментов.

Показатели. Для биогеохимической характеристики химических элементов кроме вышеперечисленных используются и другие показатели: биофильность, талассофильность и технофильность (Перельман, 1972). Биофильность определяется как отношение кларка элемента в живом веществе (%) к его кларку в литосфере (%).

Кларки элементов (или кларковые числа) — числовые значения, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, почве, космических телах, геохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы. Различают кларки массовые (выражаются в %, г/т, г/г или мг/кг) и атомные (в % от числа атомов). По предложению А.Е. Ферсмана, числа процентного содержания химических элементов в составе земной коры, впервые полученные американским ученым Ф.У. Кларком, были названы кларками в его честь.

Кларки элементов служат эталоном сравнения для выявления пониженных или повышенных концентраций химических элементов в месторождениях полезных ископаемых, горных породах или целых регионах, знание их важно при поисках и промышленной оценке месторождений полезных ископаемых; они позволяют также судить о нарушении обычных отношений между сходными элементами и тем самым указывают на различные физико-химические факторы, нарушившие эти равновесные отношения. В процессах массопере-носа и миграции химических элементов кларки являются количественным показателем их концентрации.

Наибольшей биофильностью (показатель 1 и более) характеризуются следующие элементы: углерод (780), азот (160), водород (170), кислород (1,5) и сера (1,0). У остальных элементов биофильность составляет меньше 1.

Талассофильность представляет собой отношение содержания химического элемента в морской воде к его кларку в литосфере. Этот показатель зависит от времени пребывания в морской воде и колеблется в широких пределах — от 111 для хлора до 4-10-8 — для марганца. Высокими значениями талассофильности характеризуются водород (71), бром (30), кислород и сера (по 1,8).

Значения технофильности указывают на масштабы использования химических элементов человечеством. Определяется отношением средней мировой добычи элемента к его кларку в литосфере. Технофильность быстро меняется во времени и зависит от технического прогресса и развития промышленности. Максимальное значение этого показателя — МО11 соответствует углероду (добыча угля, нефти и пр.); минимальное — МО3 — иттрию.

Иногда весьма полезными показателями в биогеохимии являются зольность — масса золы, оставшаяся после сжигания материала, выраженная в % от общей массы, и коэффициент биологического поглощения — отношение содержания элемента в золе к его концентрации в литосфере, конкретной горной породе, почве и пр.

Для оценки массопереноса радионуклидов в системе «почва — растение» используются коэффициент поглощения — отношение удельной активности радионуклида в растении (Бк/кг) к удельной активности его в почве (Бк/кг) и коэффициент перехода — отношение удельной активности радионуклида в растении (Бк/кг) к плотности поверхностного загрязнения (Бк/м2 или Ки/км2). Подробнее о радионуклидных загрязнениях см. гл. 5.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >