Геохимия и биогеохимия калия

По геохимической классификации калий относится к типичным щелочным металлам, широко распространен в природе. Его кларк в земной коре составляет 2,5%. На заре становления планеты Земля в ее компонентах содержание калия было выше. Однако за счет распада изотопа 40К кларк калия в земной коре снизился: 5 млрд лет назад в составе природного калия было около 2% радиоактивного изотопа (против 0,0119% в настоящее время). Соответственно снизилась и относительная атомная масса калия с 39,0993 до 30,0983. Вследствие высокой химической активности калий в свободном состоянии в природе не встречается.

В магматических породах калий распределен неравномерно: среднее содержание его составляет в кислых породах (граниты, гнейсы) — 3,9 • 10~4%, в средних (диориты, андезиты) — 2,7 • 10~4, в основных (базальты) — 0,9 * 10-4, в ультраосновных (дюриты) — 0,6 • 10_4%. Содержание К в осадочных породах изменяется в широких пределах: песчаники — 1,4 • 10“4%, известняки — 0,4 • 10-4, сланцы глинистые — 2,7 • 10_4%.

Под влиянием воды и углекислого газа на горные калийсодержащие породы элемент переходит в растворимые соединения, которые частично уносятся в моря и океаны, частично удерживаются почвой. Поглощенный глинами калий со временем переходит в необменное состояние в структуре глинистых минералов, главным образом гидрослюд. Их общая формула — [К23О)]А12(ОН)2[А1813О10]. Калий из этих минералов частично вытесняется ионом гидроксония (Н30+), (Перельман, 1972), причем в зависимости от степени вытеснения образуются гидробиотиты, иллиты и другие гидрослюды.

Образование вторичных глинистых минералов из слюды схематично показано на рис. 4.3 (Прокошев, Дерюгин, 2000). По мере выветривания слюд увеличивается дисперсность частиц, соответственно возрастают удельная их поверхность и емкость катионного обмена и снижается содержание калия — от 10% в слюде до менее 1% в монтмориллоните и вермикулите.

Элемент № 19 входит в состав около 110 минералов, причем 3/4 из них — гипергенные. Среди калийсодержащих породообразующих минералов важнейшими являются полевые шпаты и слюды. В больших количествах калий содержится в силикатах — нефелине, лейците и др.

В прошлые геологические эпохи (пермский период, около 200 млн лет назад) происходило интенсивное испарение морской воды в лагунах, и вместе с солями натрия и магния осаждались соли калия. Таким образом, образовывались большие скопления калийных солей, представленные такими основными минералами, как: сильвин — КС1 (порода, состоящая из сильвина и галита №С1, носит название сильвинит), карналлит — КС1 • 1У^С12 • 6Н20, каинит — КС1 • М^504 • ЗН-,0, лангбейнит — К2804 • 21У^804 и др. Залежи калийных солей впервые были обнаружены и изучены в Германии (Страссфурское месторождение). Самое крупное месторождение калийных солей находится в России, в Пермском крае, близ Соликамска.

10 6-8 4-6 ~3 <1

Увеличение гидрации, удельной поверхности и ЕКО

Рис. 4.3. Трансформацонные изменения 3-слойных минералов в процессе

выветривания

Природный радиокалий применяется в современной геохронологии. Отношение концентрации 40К к концентрации его продукта распада 40Аг является показателем абсолютного возраста объектов и используется в методе калий-аргонового датирования. Суть этого метода состоит в следующем: в минералах, содержащих калий, постепенно накапливается изотоп 40Аг, который является продуктом распада 40К. Измеряя соотношение между изотопами 40К и 40Аг (в случае, если аргон не улетучивается из исследуемого материала), можно определять возраст горных пород. Калий-аргоновый метод определения возраста является одним из основных методов ядерной геохронологии.

Считается, что радиоактивный распад 40К является одним из основных источников геотермальной энергии, которая выделяется в недрах нашей планеты (мощность оценивается в 44 • 1012 Вт). Это вносит заметный вклад в тепловой баланс Земли и, вероятно, других планет. Действительно, по разным оценкам, распад 40К дает от 10 до 15% суммарной скорости генерации энергии в земной коре.

4Л.2.1. Калий в гидросфере и почве

В гидросфере калия меньше, чем натрия. Так, талассофильность К составляет 1,6 ? 10-2, по сравнению с 0,42 для N3. Несмотря на то что многие соли калия легкорастворимы, он в отличие от натрия мигрирует слабо. Калий, поступивший в результате выветривания горных пород в воды, быстро поглощается живыми организмами и фиксируется глинами. Миграционные пути калия и натрия (несмотря на химическое сходство) в гидросфере расходятся: натрий накапливается в океане, калий входит в состав биоты и морских осадочных пород. Поэтому воды рек и океанов бедны этим элементом. В подземные и поверхностные воды калий поступает двумя путями: при выветривании калийсодержащих минералов, входящих в состав изверженных пород, и из залежей калийных солей (так же как и натрий).

Питьевая вода содержит 2—20 мг/л калия, или 0,024—0,24 мг/л 40К. Такая концентрация соответствует активности воды за счет калия — 0,7—7 • 10_3 Бк/л. Это — чрезвычайно малая величина, и хотя 40К может составлять 5—50% природной ^-активности питьевой воды, содержание природного радиокалия в воде не считается опасным для здоровья. В морской воде калия больше — примерно 400 мг/л, или около 5 мг/л 40К. Эта величина эквивалентна активности 0,14 Бк/л.

Содержание калия в разных типах почв изменяется в пределах от 1 до 3,5%, при этом радиоактивность, обусловленная 40К, может составлять 300—1000 Бк/кг (приблизительно 80—95% от всей радиоактивности почвы). При массе пахотного слоя почвы 3 • 108 кг/км2 (мощность 0—20 см, объемная масса 1,5 г/см3) 40К содержится в этом слое в количестве 2,7—21,6 • 10ю Бк/км2 (0,7—5,8 Ки/км2).

Содержание калия зависит от гранулометрического состава почвы: песчаные и супесчаные содержат 0,5—1,5%; суглинистые — 1—3%. Минимальными количествами отличаются торфяные почвы — 0,03—0,15% К.

Радиоактивность почвы определяется, прежде всего, содержанием радионуклидов в материнской породе. Наибольшая радиоактивность соответствует почвам, развившимся на кислых магматических породах, а наиболее высокая концентрация естественных радионуклидов наблюдается в мелкодисперсной фракции почв — в глинистых частицах.

Различают разные формы калия в почвах: калий почвенного раствора; обменный калий; труднообмениваемый калий и калий почвенных минералов. Эти формы находятся в равновесии, при нарушении которого (удаление или внесение элемента) ионы К+ заново перераспределяются между указанными формами. Равновесие между растворимой и обменной формами достигается за несколько минут. Равновесие между труднообмениваемой, обменной или растворимой формами устанавливается значительно медленнее (дни, месяцы). Превращение калия минералов протекает очень медленно и зависит от природы минерала.

Калий в почвенном растворе существует в виде одновалентного катиона К+, так как образует незначительное количество ионных пар или растворимых органических комплексных соединений. В почвенных растворах калий может быть связан с растворимыми органическими соединениями и его концентрация может варьировать от 0,1 до 100—200 мг/л.

Обменный калий удерживается отрицательными зарядами обменных участков почвенных глин и органического вещества. Количество обменного калия в почвах обычно колеблется в пределах 40—500 мг/кг. Прочность связи обменного калия с твердой частью почв зависит от типа обменных участков (с постоянным и/или рН-зависимым зарядом) и наличия других катионов.

Труднообмениваемый (фиксированный) калий удерживается между слоями глинистого минерала в таком положении, что он с трудом доступен для обмена с катионами раствора.

Калий почвенных минералов (калий минерального скелета) представлен основными калийсодержащими минералами почвы — биотитом, мусковитом, ортоклазом, микроклином и иллитом. По относительной скорости высвобождения калия из частиц одинакового размера минералы располагаются в ряд: биотит > мусковит > ортоклаз > микроклин.

Из разных форм нахождения в почвах калий неодинаково доступен растениям. Ближайший резерв обеспеченности растений калием представляют водорастворимые и обменные формы этого элемента. Содержание валового калия в почвах обычно во много раз превышает концентрации калия почвенного раствора и обменного К. Усвояемый растениями калий составляет около 1—2% от общего (Ба-бьева и др., 1983).

4.4.2.2. Калий в растениях, животных, человеке и ноосфере

Биофильность калия значительно выше по сравнению с натрием. Кларк К в живом веществе составляет 0,12, тогда как для N3 — всего 8 • 10~3 (Перельман, 1990). В золе многих растений содержится более 10% калия. Этим элементом богаты подсолнечник, картофель и др.

В биосферных процессах круговорота калия никаких изменений соотношения его изотопов не происходит, соответственно накопления 40К в компонентах экосистем также не приходится ожидать. Этот изотоп с необходимостью присутствует в живых организмах наряду с двумя другими (стабильными) природными изотопами калия. Однако повышенное содержание К как элемента, а следовательно, и повышенная естественная радиоактивность от 40К, отмечается в растениях-калиефилах.

Очень богаты радиокалием следующие растительные продукты питания: картофель — 174; орехи — 210; фасоль — 299; клюква (и другие ягоды семейства брусничных) — 355 Бк/кг сырой массы. Много К в зернобобовых и грибах (табл. 4.14; Перцов, 1973). В плодах отмечается наибольшая вариабельность 40К — 7—355 Бк/кг. Сравнительно высокий уровень радиоактивности наблюдается в бразильском орехе (за счет повышенного содержания изотопов 40К, 226И.а, 22811а), активность которого может достигать 450 Бк/кг (12000 пКи/ кг) и выше, миндале, грецком орехе, горохе; в меньшей степени — в картофеле. К числу продуктов с повышенной естественной радиоактивностью принадлежат также и бананы. Средний банан содержит 3520 пКи на килограмм массы, или примерно 520 пКи в 150-граммовом банане. Эквивалентная доза в 365 бананах (потребление 1 банана в день в течение года) составляет 36 микрозивертов, или 3,6 миллибэра. Основная причина радиоактивности бананов — при-

Таблица 4.14

Содержание 40К в растениях в единицах удельной активности

Вид растения

Бк/кг свежей ткани

Вид растения

Бк/кг свежей ткани

Зерновые

18,5-159

Овощи свежие

40-174

Зернобобовые

177-299

Плоды свежие

7,4-355

Картофель

174

Грибы

277

родный изотоп 40К. Радиоактивность бананов неоднократно вызывала ложные срабатывания детекторов радиации, используемых для предотвращения незаконного ввоза радиоактивных материалов в США. В радиологии даже используется термин «банановый эквивалент». Банановый эквивалент соответствует количеству радиоактивных изотопов, которые попадают в организм при съедании одного банана.

Приведем пример использования «бананового эквивалента». После аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (1979 г.) Комиссией по ядерной энергетике США был обнаружен радиоактивный йод в молоке местных коров в количестве 20 пКи на литр. Эта радиоактивность значительно меньше, чем в обычном банане. Стакан такого молока содержал всего 1/75 «бананового эквивалента».

Следует, однако, учитывать, что подобное сравнение очень условно, поскольку излучение различных радиоактивных изотопов с точки зрения биологического действия отнюдь не эквивалентно. Кроме того, есть основания считать, что съеденный банан не повышает уровень ионизирующей радиации в организме, поскольку избыточный калий, полученный из банана, способствует выводу из организма в процессе метаболизма эквивалентного количества изотопа 40К.

Различные полевые растения концентрируют 40К в разных количествах, повышающихся в высших цветковых растениях и снижающихся в голосеменных — колебания достигают десятков раз. Наименьшее количество этого изотопа обнаруживается в тканях мхов и лишайников. Для цветковых растений вклад 40К в суммарную (3-активность составляет около 85%, тогда как низшие растения относительно больше накапливают тяжелые ЕРН и их дочерние продукты.

Калий является одним из важнейших биогенных элементов, которые необходимы для всего живого. В организме животных и человека калий (Шеуджен, 2010):

  • • регулирует кислотно-щелочное равновесие крови, водный баланс межклеточной и клеточной жидкости, водно-солевой баланс, осмотическое давление;
  • • принимает участие в передаче нервных импульсов;
  • • активизирует работу некоторых ферментов, углеводный и белковый обмен;
  • • требуется для синтеза белка, преобразования глюкозы в гликоген;
  • • необходим для осуществления выделительной функции почек;
  • • улучшает деятельность кишечника;.
  • • поддерживает нормальный уровень кровяного давления, принимает участие в нервной регуляции сердечных сокращений.

Средняя суточная норма калия в питании — 2 г; для людей, занятых тяжелым физическим трудом, спортсменов — 2,5—5 г. Токсической дозой калия для человека считается 6 г, летальной — 14 г.

Вместе с общим калием в растения, а затем по трофическим цепям в организм животных и человека проникает и 40К. Зная процентное (массовое) содержание общего калия в исследуемом материале, можно рассчитать долю удельной активности, обусловленную в нем за счет 40К.

В теле животных и человека по массе содержится в среднем 0,2% общего калия, причем больше всего — в нервной и мышечной тканях (0,3%); в костях скелета его в 3, а в жировой ткани в 5—7 раз меньше. По этой причине природная (3-активность мяса, обусловленная 40К, выше, чем жира.

Наличие 40К в теле человека обусловливает его природную радиоактивность на уровне 4—5 кБк в зависимости от массы. Это примерно 80—85% всей радиоактивности организма. Оставшаяся часть исходит от изотопа 14С. В теле человека при массе около 70 кг и содержании калия 0,20—0,25% (140—175 г) ежесекундно происходит примерно 4000—5000 распадов ядер нуклида 40К.

Биологическая роль 40К до настоящего времени не выяснена. Тем не менее на этот счет есть предположения. Наряду с другими природными радионуклидами 40К вносил и вносит значимый вклад в радиационный фон, т.е. жизнь на Земле зародилась и развивалась в условиях постоянного радиационного воздействия. Вполне возможно, что без этого фактора жизнь на Земле не появилась бы совсем. Во всяком случае опыты показывают, что при изоляции животных от естественной радиации наступает угнетение их активности (появляется вялость) и снижается репродуктивная функция. Природная радиоактивность жизненно важна и для человека.

Природный радиокалий — один из основных (по активности) естественных радионуклидов в почвах, растениях и объектах агропромышленного производства. Учитывая это, введено специальное понятие «калийный фон», отражающее вклад 40К в суммарное содержание радионуклидов (на практике это понятие используется в тех случаях, когда нужно оценить содержание искусственных радионуклидов по определению суммарной концентрации всех радионуклидов — общей (3-активности).

В процессе хозяйственной деятельности человека потоки 40К в компонентах биосферы увеличиваются — в природе в круговорот дополнительно вовлечено 6,2 • 1016Бк 40К. Так, концентрация 40К в используемых в СССР фосфорных удобрениях составляет: в суперфосфате — 120 Бк/кг; в обогащенном концентрате — 70, в обесфторенном фосфате — 30 Бк/кг. При средних нормах внесения калийных удобрений 60 кг/га в почву поступает 40К в количестве 1,35 • 106 Бк/га.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >