Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Биоиндикация загрязнений

Кальций

Кальций широко распространен в природе. Он относится к главным породообразующим общетоксичиым металлам (кларк — 3,81%) и является наиболее типичным щелочноземельным биогенным элементом. Для Са известны 643 минерала всех классов и типов, кроме самородных и им подобных соединений, а также оксихлоридов, йодидов и бромидов. В силикатах Са наиболее часто сочетается с Na, Mg, Fe, Ti, Al, иногда с К; в фосфатах и гидрофосфатах — с Al, Na, Fe, Mn, Mg; в карбонатах и гидрокарбоиатах — с U, редкоземельными элементами (лат. terra гага (TR) — редкая земля), Na, Ва, Mg; в гидроксидах — с U, Мп; в гидросульфатах — с Си.

Согласно данным А. А. Беуса (1976), полученным в результате статистической обработки аналитического материала по всем изученным регионам земного шара, генеральные средние содержания Са (%) в различных породах составляют: в ультра- базитах — 3,4, базитах — 7,3, средних породах — 4,6, граиодиоритах — 2,4, гранитах — 1,12. Низкие доли Са характерны для терригенных пород (1,1-2,4%), причем его содержание зависит от величины примеси карбонатной составляющей. В глубоководных глинистых океанических осадках доля СаСОз достигает 10%.

В атмосферном воздухе среднее содержание Са над Южным полюсом не превышает 0,5 нг/м3, в крупных городах зарубежья оно составляет ~600 нг/м3, Сибири — 400 нг/м3. В дождевой воде его концентрация равна 0,4-3,8 мг/л. Средний модуль выпадения кальция с атмосферными осадками для СССР оценивался в 1,37 т/км2 в год.

В гидросфере Са является легко подвижным элементом со средним содержанием в океанической воде 4,13-10,2%, в речной — 1,5-10,3%. Доля Са в водах регулируется в основном ее соленостью, температурой и концентрацией СО2 — при уменьшении последней она снижается за счет образования СаСОз. В поверхностных водах при равновесии с атмосферным СО2 содержание Са составляет 20-30 мг/л и увеличивается до 40-50 мг/л при более высокой концентрации СО2. Содержание иона Са2+ (%) в морской воде повышается по мере возрастания солености (%о): 10%о — 0,118%; 20-0,236; 30-0,354; 40%о- 0,472%.

Кальций является ведущим компонентом во всех гидрохимических типах природных вод—гидрокарбоиатиых, сульфатных и хлоридиых, среди которых выделяется кальциевая группа. В реках содержание Са составляет 6,2-186 мг/л в гидрокарбонатных водах и 3-402 мг/л в сульфатных и гидрокарбонатно-сульфатных водах. Озерные воды также постоянно содержат Са: пресные —от 2,0 до 54 мг/л, соленые —от следов до 2823 мг/л.

Кларк Са в почвах—1,37%, а средние содержания в разных типах почв и районах колеблются в широких пределах в зависимости от химического и гранулометрического состава почв и почвообразующих пород. Самыми богатыми Са являются почвы па карбонатных породах; они могут содержать > 3% Са. Например, в карбонатных сероземах и светло-каштановых почвах содержание СаО достигает 11,5%, в карбонатных черноземах —9,38-11,68%. Доля Са увеличивается в иллювиальном горизонте и в почвообразующих породах (от 1-1,8 до 9-11%) по сравнению с гумусовым горизонтом (от 0,9 до 5-8%).

Кальций обусловливает физические и химические свойства почв: определяет величину pH, нейтрализуя почвы, снижает токсичность ионов Н+ и А13+, способствует созданию прочной структуры, улучшающей водно-воздушный и тепловой режимы.

Большие количества Са (от 7 до 515 кг/га) теряются при эрозии почв, что значительно снижает урожайность. В агрохимии широко применяются искусственное известкование кислых почв и рекультивация почв. Значительное количество Са вносится в почвы с некоторыми фосфорными удобрениями, сапропелями, золами углей и горючих сланцев. Характерно взаимодействие Са со многими минеральными компонентами почв — Zn, Си, Sr, Ва, TR, F и др.

Единой кальциевой отрасли горной промышленности не существует. Предприятия разрабатывают карбонатные породы раздельно — как кальцит-доломитовое сырье (производство цемента, извести в качестве строительных и облицовочных материалов, флюс в металлургии) и как гипс-ангидритовое сырье (цемент, вяжущие вещества, удобрения и др.). Эксплуатируются также месторождения поделочных камней (оникс), оптического сырья (исландский шпат), фосфатных удобрений (апатит, фосфориты), индустриального сырья (флюорит). В промышленности большие количества Са поступают в окружающую среду па всех добывающих его породы горных производствах, а также на многочисленных дробильных и перерабатывающих предприятиях, особенно на предприятиях стройматериалов, стройиндустрии, цементной, известковой, флюсовой, химической, стекольной, пищевой, керамической и многих других отраслей промышленности. Общая ежегодная добыча кальцийсодержащего минерального сырья не учитывается, по измеряется миллиардами тонн. Так, мировая годовая добыча гипса и ангидрита в 1980-х годах составляла ~ 100 млн т, фосфатного сырья —более 120 млн т.

Кальций занимает одно из ведущих мест по положительной роли в агропроизводстве— мелиорации. Кальцинирование (известкование и др.) почв снижает их кислотность, что особенно актуально при интенсивном техногенном воздействии для подзолистых, дерново-подзолистых и некоторых торфяных почв, а среди сельскохозяйственных культур —для пшеницы, ячменя, фасоли, кукурузы, люцерны, клевера, свеклы, капусты, огурцов, лука, чеснока, яблонь, вишни, смородины и др. Количество вносимой извести изменяется от 2 до б т/га в зависимости от pH солевой почвенной вытяжки, механического состава почв и глубины внесения.

Для нескольких специфических соединений кальция установлены классы опасности по ПДК водоемов любого назначения (мг/л): для цианамида кальция—1,0 (III класс), циклогексиламинкарбоната— 0,01 (II класс), фосфата кальция (по фосфору)— 3,5 (IV класс). Но важен не столько избыток, сколько недостаток Са, на что пока обращают внимание преимущественно в агрохимии.

ПДК для соединений Са таковы (мг/м3): CaF2, СаО, СаЕПОу — ПДКмр = 0,2, ПДКсс = 0,02-0,03; Саз^эОДг и Саз(РС>4)2 — ПДКрз = 0,04 (I класс опасности), ПДКмр = 0,009, ПДКсс = 0,004; СаСОз — ПДКрз = 6. Кальций является главным элементом биосферы, в том числе живого вещества, кларк биосферы—1,6%. В течение истории Земли миграция его в биосфере заметно менялась, приобретая все более биогенный характер. Среднее содержание Са в наземных растениях, по В. Шоу (1960) и И. Бове (1966), в 2 раза выше, чем в морских, и на порядок ниже, чем в бактериях (см. табл. 35). Кларк Са в золе растений — 3%. В пищевых продуктах для нашей страны содержание его составляет (мг/кг сух. в-ва): в картофеле— 800, зерне пшеницы — 500-530, злаковой травосмеси — 8800, овсе—1170, сое — 3500, гречихе — 2000, молочных продуктах — 1200-1500, сухом молоке — 10 000, хлебе—200, мясе и мясопродуктах —80-120, рыбопродуктах—500-1200, маке—17000, минеральных водах — 400-450 (Нарзан, Арзни), 50 (Миргородская).

Среднее содержание Са в животных организмах изменяется в широких пределах и зависит от систематической группы. Многие организмы строят свой скелет и раковины целиком из СаСОз (известковые водоросли, кораллы, моллюски, иглокожие и др.) или Саз(РОД2 (известковые фосфатные трубки и др.); при их отмирании образуются органогенные известняки и фосфориты.

В живых организмах Са может вызывать как синергический, так и антагонистический эффект. Однако он относится к основным элементам, проявляющим антагонизм поглощения и метаболизма многих микроэлементов. В то же время и для антагонистических пар элементов иногда наблюдается синергическое действие. Так, например, А. Кабата-Пеидиас и X. Пеидиас отмечают неоднозначность взаимодействия в растениях Са с Си, Mn, Zn, что связано, по их мнению, со специфическими реакциями у отдельных генотипов и видов растений (табл. 47).

Значение Са в жизнедеятельности животных не ограничивается участием в построении скелета (дефицит Са у молодняка вызывает рахит); его катион (Са2+) влияет па течение многих физиологических и биохимических процессов (нервная система, мышечная деятельность, ферменты и др.), является главным элементом функционирования клеточных мембран благодаря высокому мембранному градиенту Са2+ (имеется в виду относительно высокое его содержание в клетках — белках плазмы и др., низкое —в клеточной цитоплазме). Катион кальция реагирует па различные раздражители (информационные сигналы) и подается мембранными насосами в клетку с изменением отношения Na/Ca. При снятии внешнего раздражительного импульса моментально происходит обратный процесс. Мишенями для Са в клетке являются как растворимые, так и интегральные мембранные белки. Взаимодействие Са2+ с первыми обычно обеспечивает регуляцию различных метаболиТаблица ^7. Взаимодействие между макро- и микроэлементами в растениях (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989)

М акроэлемент

Антагонизм

Синергизм

Са

А1, В, Ва, Be, Cd, Со, Cr, Cs, Си, F, Fe, Li

Cu, Mn, Zn

Mg

Al, Be, Ba, Cr, Mn, F, Zn, Ni*, Co*, Fe*

Al, Zn

Р

Al, As, B, Be, Cd, Cr, Си, F, Fe, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Rb, Se, Sr, Zn

Al, В, Cu, Fe, Mo, Mn, Zn

К

Al, B, Hg, Cd, Cr, F, Mo, Mn, Rb

S

As, Ba, Fe, Mo, Pb, Se

F**, Fe

N

B, F, Си

В, Cu, Fe, Mo

С1

В, I

Примечание: * — микроорганизмы, ** — совместное действие вызывает существенное повреждение.

ческих процессов в клетке, мембранные кальцийселективные каналы и кальциевые насосы поддерживают его внутриклеточную концентрацию.

Концентрация Са в крови человека меняется не более чем на 3% и поддерживается в основном с помощью паратгормона, витамина D и тирокальцитонита, которые регулируют содержание Са в организме и поступление его в кости. Не менее половины количества Са в крови связано с белками плазмы (с альбумином). В покоящихся клетках (не воспринявших специфического внешнего сигнала) концентрация Са2+, который является основным регулятором внутриклеточных процессов, чрезвычайно мала — 0,01-0,1 мкмоль/л; во внеклеточной среде она гораздо выше — 1,5— 2,5 мкмоль/л. Регуляторами циклического изменения концентраций Са2+ являются белки (известно более 100 Са-содержащих белков), которые способны активизироваться в диапазоне изменения его содержаний от 0,1 до 10 мкмоль/л. Особенно чувствительны к концентрации Са2+ и изменению отношения Na/Ca деятельность мозга, мышц, сердца и процессы оплодотворения.

Специфическая индикация уровня содержания Са в экосистемах осуществляется по накоплению его в биоте. Влияние известковых выбросов можно проследить по изменению химического состава растений, обогащению надземной массы кальцием. Избыточное содержание его в надземной фитомассе приводит к образованию хлорозов. Одновременно с этим происходит изменение флористического состава растительного сообщества: уменьшается количество ацидофилов и увеличивается степень участия нейтрофилов. Эти признаки могут быть использованы при иеспецифиче- ской индикации антропогенного загрязнения.

Токсичное действие высоких концентраций кальция усугубляется в присутствии соединений фосфора, бора и мышьяка. Для биогеохимической оценки экологического состояния территорий в качестве дополнительных показателей применяют отношения Са: Р и Са: Sr. По значению соотношения Са: Р в кормах выделяют:

1) экологическое бедствие (< 0,1 или > 10); 2) чрезвычайную экоситуацию (0,4-0,1 или 5-10); 3) относительно удовлетворительную обстановку (1-2). Аналогичной градации отвечают значения соотношения Ca:Sr— < 1, < 10-1 и > 100 соответственно.

Являясь главным жизненно важным элементом, кальций способен сильно воздействовать па состояние всех экосистем. Выходы известняков и известковистые почвы в целом являются более теплыми и сухими местообитаниями. Приуроченность растений к почвам различной степени известковости хорошо изучена в природе. Б. В. Виноградов (1964) выделяет нижеперечисленные группы растений — индикаторов содержания Са в подстилающих субстратах.

  • 1. Кальций-постоянные виды — постоянные индикаторы карбонатных почв, произрастающие на почвах с содержанием карбонатов более 3%. К этой группе относятся венерин башмачок Cypripedium calceolus, ежовпик меловой Anabasis cretacea, сеслерия голубая Sesleria coerulea, язвенник обыкновенный Anthyllis polyphylla, мор- довник обыкновенный Echinops ritro и др.
  • 2. Переменные индикаторы карбонатных почв — кальцефиты: желтушник лев- койный Erysimum cheiranthoides, пупавка красильная Anthemis tinctoria, горичник олений Peucedanum cervaria и др.
  • 3. Отрицательные индикаторы известковости — кальцефобы: щавелек малый Rumex acetosella, белоус Nardus stricta, вереск обыкновенный Calluna vulgaris, черника Vaccinium myrtillus, сфагновые мхи р. Sphagnum, кукушкин лен Polytrichum commune и др.
  • 4. Безразличные к содержанию Са (произрастают па почвах с содержанием Са от 0 до 32%): пупавка красильная.

Отличительными чертами кальцефитов служат высокая потребность в Са, толерантность к избытку Са и бикарбонатов, низкая потребность в Fe и повышенная чувствительность к токсичности А1.

Таким образом, присутствие в составе естественных растительных сообществ индикаторных видов указывает на богатство местообитаний кальцием. При диагностике антропогенного изменения обеспеченности Са почв могут быть использованы видовой состав фитоцеиозов и изменения соотношения кальцефильных или кальце- фобных видов в травостое.

Косвенным индикатором карбонатных почв выступает распространение более южных видов и их сообществ в северных районах. Согласно правилу предварения В. В. Алёхина именно известняки являются проводниками южной флоры на север. Так, например, неморальные виды —сныть обыкновенная Aegopodium podagraria, копытень европейский Asarum еигораеа, медуница неясная Pulmonaria obscura и др. — в средней и южной тайге встречаются только на богатых почвах карбонатных массивов, в то время как в зоне широколиственных лесов они имеют повсеместное распространение, не связанное с известняками.

Большое значение биоиидикация карбоиатности почв имеет в агроценозах. Состав сорной растительности указывает па степень истощенности почв. Массовое развитие таких сорняков, как подорожник ланцетовидный Plantago lanceolat.a и горчица полевая Sinapis arvensis, указывает на почвы с недостаточным количеством извести. Появление на полях редьки дикой Raphanus raphanistrum и василька синего Cent.au- rea cyanus предупреждает о начавшемся истощении почв. О значительной истощенности свидетельствуют щавелек малый Rumex acetosella, клевер полевой Trifolium arvense, жабник полевой Filago arvensis.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы