Анализ наземно-воздушной среды и проблемные аспекты биогеохимического круговорота свинца

Трифонова Е.В. 1

1Курганский Государственный Университет

Работа в формате PDF

631 KB

Диплом лауреата

Комментарии

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается во взаимодействии веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами. Довольно давно обсуждается вопрос о том, вреден ли такой химический элемент как свинец. Для того, чтобы в этом разобраться, необходимо проанализировать его кругооборот в природе. Экосистемы – совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих устойчивую систему жизни. Такой термин был предложен в 1935 году английским экологом А. Тенсли, который подчёркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты, он рассматривал экосистемы как основные единицы природы и поверхности Земли. Сообщество обретает с неорганической средой определённую систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот.

Под биологическим круговоротом понимается совокупность следующих взаимосвязанных явлений: биохимический синтез и закрепление химических элементов в органическом веществе растений, превращение химических соединений в цепях питания микроорганизмов и животных, возврат элементов в атмосферу и почву в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах разложения органических остатков.

Для наиболее детального понимания принципов, управляющих процессами в биосфере, необходимо понимать не только количественные и качественные показатели, относящиеся к процессам создания живого вещества, но и пути его трансформации, превращения вещества и энергии в экосистемах, процессы обмена, как между компонентами, так и экосистемами в целом.

Проблема исследуемой работы, каков состав атмосферы города Кургана, какое значение несет свинец для растений и животных природного сообщества, чем оно губительно сказывается на их развитии?

Предмет- наземно-воздушная среда; биологический и геологический круговорот свинца.

Объект- анализ воздушного бассейна Курганской области и влияние факторов окружающей среды, а также антропогенного фактора на биогеохимический круговорот элемента.

Цель – изучить этапы геологического и биологического круговорота свинца, включая возможные, наиболее значимые экологические проблемы. Исследовать возможный состав и факторы, влияющие на наземно-воздушную экосистему.

Задачи исследования:

Аналитическая, ее суть – провести анализ литературных источников и выявить степень разработанности проблемы исследования;

Теоретико-моделирующая – провести теоретическое обоснование влияния антропогенных факторов и факторов окружающей среды на соединения свинца, разработать модель влияния факторов окружающей среды на исследуемое вещество;

Методическая – рассмотреть методику исследования биологического и геологического круговорота свинца, описать характеристику объекта исследования;

Опытно-экспериментальная – провести анализ загрязнения атмосферного воздуха г. Кургана,продемонстрировать численность основных видов животных в Курганской области по муниципальным районам; разработать схемы круговорота химического элемента.

Прикладная − разработать методические рекомендации по стабилизации защиты биосферы от вредного влияния ионов свинца.

Методика исследования:

Анализ теоретических источников по биогеоценологии и глобальной экологии;

Практические методы исследования атмосферы и круговорота вещества;

Обработка полученных результатов исследования.

Теоретическое значение данной работы заключается, в проведении теоретического обоснования влияния антропогенных факторов и факторов окружающей среды на соединения свинца, разработке методики исследования биологического и геологического круговорота свинца.

Практическое значение данной работы заключается, в анализе загрязнения воздушного бассейна и разработке рекомендаций по стабилизации защиты биосферы от вредного влияния ионов химического вещества.

Структура работы состоит из ведения, трех глав, заключения и списка литературы.

ГЛАВА 1. НАЗЕМНО-ВОЗДУШНАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ.

АБИОТИЧЕСКИЙ СОСТАВ НАЗЕМНО-ВОЗДУШНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ.

Атмосфера Земли состоит из механической смеси газов, химически не действующих друг на друга. В ней происходят все метеорологические процессы, совокупность которых называется климатом. В атмосфере непрерывно протекают различные физические процессы: изменяются температура, влажность, происходит конденсация водяных паров, возникают туманы, облака, солнечные лучи нагревают атмосферу, ионизируя ее, и т. д.

Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден (кислород - 20,9%, азот- 78,1%, инертные газы - 1%, углекислый газ - 0,03% по объему) благодаря высокой его диффузионной способности и постоянному перемешиванию конвекционным и ветровым потоками. Вместе с тем различные примеси газообразных, пылевых (твердых) частиц, попадающих в атмосферу из локальных источников, имеют существенное экологическое значение [3].

Кислород обеспечивает осуществление экзотермических реакций, в ходе которых освобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. Он является конечным акцептором электрона, который отщепляется от атома водорода в процессе энергетического обмена.

Единственными продуцентами свободного кислорода на Земле являются зеленые растения, которые образуют его в процессе фотосинтеза. Определенное количество кислорода образуется в результате фотолиза паров воды ультрафиолетовыми лучами за пределами озонового слоя [4].

Содержание углекислого газа в атмосфере может меняться в результате сжигания ископаемого топлива, обмена с биосферой и океаном.

В отдельных участках приземного слоя воздуха содержание углекислого газа может изменяться в довольно значительных пределах. Так, при отсутствии ветра в крупных промышленных центрах, концентрация его может возрастать в десятки раз [24].

В высоких концентрациях углекислый газ токсичен, но в природе такие концентрации встречаются редко. Низкое же содержание СО2 тормозит процесс фотосинтеза. Для повышения скорости фотосинтеза в практике оранжерейного и тепличного хозяйства (в условиях закрытого грунта) нередко увеличивают искусственным путем концентрацию углекислого газа [3].

Для большинства обитателей наземной среды азот воздуха представляет инертный газ, но такие микроорганизмы, как клубеньковые бактерии, азотобактерии, обладают способностью связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Количество водяных паров в воздухе (относительная влажность) определяет интенсивность процессов транспирации у растений и испарения с кожи некоторых животных. Организмы, живущие в условиях низкой влажности, имеют многочисленные приспособления, предотвращающие сильные потери воды. Так, например, у пустынных растений мощная корневая система, способная насасывать в растение воду с большой глубины [4].

Все газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют запаха (табл.1). Вес воздуха изменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в нем водяных паров. При одинаковой температуре вес сухого воздуха больше, чем влажного, т.к. водяные пары значительно легче паров воздуха [3].

Таблица 1

Газовый состав атмосферы.

Компонент	% объемные	% массовые
	78,09	75,50
	20,95	23,15
Ar	0,933	1,292
	0,03	0,046
Ne	1,8	1,4
He	4,6	6,4
	1,52	8,4
Kr	1,14	3
	5	8
О	5	8
Xe	8,6	4
	3 3	5 5
Rn	6	4,5

Приведен газовый состав атмосферы в объемном массовом отношении, а также время жизни основных компонентов (таблица 1).

КАЧЕСТВО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ГОРОДЕ КУРГАНЕ

Постоянное наблюдение за содержанием загрязняющих веществ в атмосферном воздухе осуществлялось на 5 постах г. Кургана (рис.1).

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха проводятся Курганским ЦГМС – филиалом ФГБУ

«Уральское УГМС» на 5-ти пунктах наблюдения (ПНЗ):

Пост №1 бульвар Мира, д.2, строен.1.

Пост №2 район кинотеатра «Звездный».

Пост №3 ул. Отдыха, на территории школы №28.

Пост №4 ул. Коли Мяготина, 85.

Пост №5 ул. Бажова.

Рисунок 1. Расположение пунктов наблюдения за атмосферным воздухом в г. Кургане

Пробы отбираются 3 - 4 раза в сутки ежедневно, кроме воскресенья. Наблюдения ведутся за содержанием основных и специфических загрязняющих веществ в атмосферном воздухе: взвешенных веществ, диоксида серы, оксида углерода, оксида и диоксида азота, углерода (сажи), формальдегида, изопропилового спирта, бенз(а)пирена и тяжелых металлов.

Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят бенз(а)пирен, формальдегид, сажа, оксид углерода и диоксид азота (табл. 2). Среднегодовые концентрации других примесей, в частности свинца, находились ниже уровня ПДК с.с. (0,0003 мг/м3) [10].

Таблица 2.

Среднегодовые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе г. Кургана (в долях ПДК)

Наименование веществ	2015 г	2016 г	2017 г	2018 г	2019 г
Оксид углерода	0,7	1,1	1,03	0,87	0,87
Диоксид азота	1,1	1,1	0,8	0,8	0,6
Сажа	0,8	0,9	0,7	0,7	1,7
Формальдегид	1,9	1,4	0,9	0,9	1,1
Бенз(а)пирен	3,0	2,7	2,2	2,0	4,2

Максимальные из разовых концентраций в течение года превысили ПДК: по бенз(а)пирену - в 11,4 раза, формальдегиду - в 5,2 раза, саже - в 4,8 раза, оксиду углерода - в 3,4 раза, диоксиду азота - в 0,9 раза. Наиболее высокий уровень загрязнения атмосферы отмечается в северо - западной части города Кургана (пост № 3, № 5), где среднегодовые концентрации превысили норму по бенз(а)пирену в 5,3 и 4,9 раза, формальдегиду в 2 раза, углероду (саже) - 2,2 раза. А также центральная часть города (пост № 4), где среднегодовые концентрации превысили норму по оксиду углерода в 1,1 раза. Уровень загрязнения атмосферы в г. Кургане в 2019 году характеризуется как высокий (В) и определяется значениями СИ (стандартный индекс, наибольшая измеренная в городе максимальная разовая концентрация любого вещества, деленная на ПДК), равным 11,4 для бенз(а)пирена; НП (наибольшая повторяемость, процент превышения любым веществом в городе), равной 26% для углерода (сажи). С целью предотвращения угрозы жизни и здоровью населения организованы система оповещения и государственный контроль за проведением юридическими лицами мероприятий по уменьшению выбросов и их эффективностью, включая химико-аналитический контроль в периоды неблагоприятных метеоусловий [10].

Наблюдается высокая концентрация промышленных предприятий в центре города, влияние автотранспорта и особенности естественного рельефа, способствующие накоплению вредных выбросов. Имеет значение и роза ветров - благодаря ей Курган захватывает воздушные массы преимущественно с запада, где расположены другие крупные промышленные центры Урала. В последнее время прослеживается снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Это связано, главным образом, не с сокращением объемов производства, а с переводом Курганской ТЭЦ и других производственных и коммунальных котельных с угля на газовое топливо, с установкой систем пылегазоочистки.

Кроме того, вновь создаваемые производственные мощности изначально проектируются в соответствии с современными, более жесткими экологическими требованиями. Применяемые на них технологии отличаются повышенной экологической и энергетической эффективностью.

1.2. БИОТИЧЕСКИЙ СОСТАВ НАЗЕМНО-ВОЗДУШНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ

Биогеоценоз (экосистема) - совокупность, взаимосвязанных между собой популяций разных видов, длительно обитающих на определенной территории с относительно одинаковыми условиями. Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и с факторами неживой природы. Видовой состав данной местности определяется историческими и климатическими условиями, а взаимоотношения организмов друг с другом и окружающей средой, характером их питания. Основные взаимоотношения между организмами – пищевые [14]. По типу питания организмы делятся на две группы:

автотрофные, использующие солнечную энергию и неорганические вещества, для синтеза органических. К ним относятся растения, сине-зеленые водоросли, некоторые бактерии.

гетеротрофные - нуждающиеся в готовой органической пище. Это грибы, животные и многие бактерии.

Биогеоценоз - открытая, динамичная, устойчивая и саморегулирующаяся система. Она включает в себя следующие обязательные компоненты:

неорганические и органические вещества;

автотрофные организмы - продуценты органических веществ:

гетеротрофные организмы - консументы являются потребителями готовых органических веществ. Консументы первого порядка - травоядные - питаются растениями, консументы второго порядка питаются животными;

редуценты - организмы, разлагающие остатки мертвых организмов, превращая их из органических соединений в простые неорганические вещества.

Продуценты, консументы, редуценты объединены переносом веществ и энергии и представляют трофические уровни биогеоценоза. Представители разных трофических уровней связаны между собой односторонне направленной передачей биомассы. Ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыдущий служит пищей последующему, носит название цепи питания. Цепи питания состоят из нескольких звеньев, т. к. в них включены растения, травоядные, хищники, паразиты и микроорганизмы. По правилу экологической пирамиды каждое последующее звено теряет около 90% энергии, таким образом, в биогеоценозе численность жертв гораздо больше численности их потребителей [8].

В биогеоценозе существует замкнутый круговорот веществ. Продуценты (растения) вовлекают неорганические вещества в круговорот, консументы перемещают вещества, а редуценты возвращают вещества в неживую природу.

Для характеристики биогеоценоза (экосистемы) используются показатели:

видовое разнообразие - число видов, населяющих экосистему;

плотность популяций - число особей одного вида на единицу площади или объема;

биомасса - общее количество органического вещества всей совокупности особей с заключенной в нем энергией.

Взаимоотношения между видами в экосистеме:

Взаимоотношения «хищник - жертва», когда особи одних видов питаются особями других видов, при этом хищник имеет приспособления к добыче жертвы.

Взаимоотношения «хозяин - паразит», когда особи одних видов (паразиты) существуют за счет других (хозяина), используя их как среду обитания и источник пищи.

Симбиотические отношения - взаимовыгодные отношения между особями разных видов (микориза - симбиоз гриба и растения, лишайник — симбиоз гриба и водоросли).

Межвидовая конкуренция, т. е. конкуренция между особями различных видов за доступные ресурсы (пищу, пространство, убежище).

Внутривидовая конкуренция, т. е. конкуренция между близкими в своих потребностях особями одного вида.

Все перечисленные взаимоотношения обеспечивают совместное существование видов биогеоценоза, превращая их в стабильные саморегулирующиеся сообщества. Саморегуляция в экосистеме – это механизм поддерживания на определенном уровне соотношения биомассы продуцентов, консументов и редуцентов. Совместное существование особей ведет не к полному уничтожению их друг другом, а лишь ограничивает численность. Колебание численности особей в популяции около одного уровня является важным условием сохранения экосистемы. Препятствует чрезмерному возрастанию численности популяций уничтожение особей другими членами экосистемы или их гибель от неблагоприятных факторов. Например, резкое возрастание численности насекомых в силу их высокой плодовитости при благоприятных погодных условиях приводит к возрастанию численности организмов, питающихся насекомыми. Так экосистема приходит в равновесие [2].

ЖИВОТНЫЙ МИР КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Для фауны области характерно сочетание лесных, степных и лесостепных видов животных. Типичными обитателями сосняков и осиново-берёзовых лесов являются лесная куница, лось, белка, заяц-беляк, бурозубки и др. В степях водятся рыжеватый суслик, серая куропатка, луговой конёк, каменка, степная пеструшка и др. К лесостепным видам относятся кобчик, тетерев, обыкновенная пустельга и др.

Мониторинг состояния популяций биотических ресурсов осуществлялся в ходе проведения различных видов учета численности. Динамика численности видов животных по области в целом, а также численность в разрезе муниципальных образований приводится на рисунке 2 и в таблице 3.

Таблица 3

Численность основных видов животных ресурсов в Курганской области в разрезе муниципальных районов по данным зимнего маршрутного учета 2019 года

Наименование регионов	Численность видов, количество особей
Виды животных	Лось	Косуля	Кабан	Заяц-беляк	Глухарь	Тетерев
Альменевский	151	4225	28	1223	244	3896
Белозерский	1314	8103	1077	2152	779	12913
Варгашинский	643	4640	442	1765	98	4500
Далматовский	2482	15917	666	2343	983	3259
Звериноголовский	11	2004	72	445	15	257
Каргапольский	877	6119	307	1291	641	2541
Катайский	933	6902	529	1281	0	880
Кетовский	927	5109	475	1788	514	2415
Куртамышский	381	5284	917	1737	814	8311
Лебяжьевский	40	5045	391	1248	63	5157
Макушинский	0	2273	44	1149	0	3655
Мишкинский	404	8596	530	1545	234	1027
Мокроусовский	219	5240	510	1368	0	2029
Петуховский	70	2159	64	1537	0	4885
Половинский	160	4195	161	1551	0	1436
Притобольный	146	3929	197	1532	74	5034
Сафакулевский	60	3605	150	2018	82	9566
Целинный	8	2554	113	1053	159	2392
Частоозерский	91	1794	47	517	0	3214
Шадринский	1215	12875	1046	2408	535	3397
Шатровский	1180	7150	1711	1606	2037	12091
Шумихинский	371	6486	331	1437	1549	10513
Щучанский	290	8387	879	2782	1286	12417
Юргамышский	275	3913	271	1753	500	1216
Всего по области:	12248	136504	10958	37583	10607	116981

Рисунок 2. Численность основных видов животных в Курганской области по муниципальным районам за 2019 год

Численность диких копытных животных в 2019 году находилась в пределах естественных колебаний. К примеру, численность кабана в 2019 году составила 10,95 тыс. особей.

Численность косули сибирской в 2019 году находилась на уровне 2018 года и составила 136,5 тыс. особей. Условия для обитания сибирской косули в Курганской области являются одними из лучших в России: по численности данного вида наша область занимает первое место среди регионов Российской Федерации. Численность лося в 2019 году составила 12,2 тыс. особей (рис. 3) [10].

Рисунок 3. Динамика численности некоторых видов животных Курганской области в 2015-2019 годах.

На протяжении ряда лет Курганская область неблагополучна по бешенству животных. В 2019 году в 2 районах выявлено 3 неблагополучных пункта по бешенству среди диких животных. В 2 случаях источником бешенства являлась лисица, в 1 случае - енотовидная собака. В Курганской области ежегодно проводятся мероприятия по регулированию численности лисицы в целях уменьшения количества вспышек бешенства среди плотоядных. В то же время, имеющаяся численность лисицы и енотовидной собаки по-прежнему в несколько раз выше максимального показателя численности для данного вида, в связи с 54 этим необходимо дальнейшее проведение регулирования численности данных видов. Численность волка и рыси в целом по области значительно ниже максимального показателя численности для данного вида, однако локальные концентрации хищников в отдельных охотугодьях наносят значительный ущерб охотничьим ресурсам, особенно диких копытных животных. Численность хищников определяется доступностью для них пищевых ресурсов - молодых особей копытных животных (косули, кабана), а также численностью зайца, глухаря, тетерева, куропатки, которая изменяется в различные годы. Этот фактор также может оказывать влияние на численность хищников и их размещение в среде обитания [10].

1.3 ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА НАЗЕМНО-ВОЗДУШНУЮ ЭКОСИСТЕМУ.

Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную спорность. Все обитатели воздушной среды тесно связаны с поверхностью земли, служащей им для прикрепления и опоры. Плотность воздушной среды не оказывает высокого сопротивления организма при их передвижении по поверхности земли, однако затрудняет перемещение по вертикали. Для большинства организмов пребывание в воздухе связано только с расселением или поиском добычи. Основными особенностями наземно-воздушной среды являются большая амплитуда изменения экологических факторов, неоднородность среды, действие сил земного тяготения, низкая плотность воздуха. Кроме того, атмосферный воздух отличается низкой и изменчивой влажностью, что частично ограничивало возможности освоения наземно-воздушной среды и определило развитие водно-солевого обмена и структуры органов дыхания у наземных организмов [4].

Количество достигающей поверхности Земли радиации обусловлено географической широтой местности, продолжительностью дня, прозрачностью атмосферы и углом падения солнечных лучей. При разных погодных условиях к поверхности Земли доходит 42 - 70% солнечной постоянной. Проходя через атмосферу, солнечная радиация претерпевает ряд изменений не только в количественном отношении, но и по составу. Коротковолновая радиация поглощается озоновым экраном и кислородом воздуха. Инфракрасные лучи поглощаются в атмосфере водяными парами и диоксидом углерода. Остальная часть в виде прямой или рассеянной радиации достигает поверхности Земли [25].

В соответствии с адаптациями к световому режиму растения делят на следующие экологические группы.

1. Светолюбивые — имеющие следующие морфологические адаптации: сильноветвящиеся побеги с укороченными междоузлиями, розеточные; листья мелкие или с сильно рассеченной листовой пластинкой, часто повернуты ребром к свету (например, акация, мимоза, софора, василек, ковыль, сосна, тюльпан).

2. Тенелюбивые — постоянно находящиеся в условиях сильного затенения. Листья у них темно-зеленого цвета, располагаются горизонтально. Это растения нижних ярусов лесов (например, грушанки, майник двулистный, папоротники и т. д.). При недостатке света живут глубоководные растения (красные и бурые водоросли).

3. Теневыносливые — могут переносить затенение, но хорошо растут и на свету (например, лесные травы и кустарники, растущие и в затененных местах, и на опушках, а также дуб, бук, граб, ель).

Световой режим меняется в зависимости от географической широты, времени суток и времени года. В связи с вращением Земли световой режим имеет отчетливую суточную и сезонную ритмичность. Реакция организма на смену режима освещения называется фотопериодизмом. В связи с фотопериодизмом в организме изменяются процессы обмена веществ, роста и развития [24].

Границы существования жизни — это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0°С до +50°С. Однако некоторые организмы обладают специализированными ферментными системами и приспособлены к активному существованию при температурах, выходящих за указанные пределы.

Растения как пойкилотермные организмы не имеют собственной стабильной температуры тела. Их температура определяется тепловым балансом, т.е. соотношением поглощения и отдачи энергии. Эти величины зависят от многих свойств как окружающей среды (размеры прихода радиации, температура окружающего воздуха и его движения), так и самих растений (окраска и другие оптические свойства растения, величина и расположение листьев и др.). Первостепенную роль играет охлаждающее действие транспирации, которая препятствует сильным перегревам растений в жарких местообитаниях. Возможны три ситуации: температура растения выше температуры окружающего воздуха, ниже ее, равна или очень близка к ней. Превышение температуры растений над температурой воздуха встречается не только в сильно прогреваемых, но и в более холодных местообитаниях. Этому способствуют темная окраска или иные оптические свойства растений, которые увеличивают поглощение солнечной радиации, а также анатомо-морфологические особенности, способствующие снижению транспирации [27].

Снижение температуры растений по сравнению с окружающим воздухом чаще всего отмечается в сильно освещенных и прогреваемых участках наземной сферы (пустыня, степь), где листовая поверхность растений сильно редуцирована, а усиленная транспирация способствует удалению избытка тепла и предотвращает перегрев. В общих чертах можно сказать, что в жарких местообитаниях температура надземных частей растений ниже, а в холодных - выше температуры воздуха. Совпадение температуры растений с температурой окружающего воздуха встречается реже - в условиях, исключающих сильный приток радиации и интенсивную транспирацию, например у травянистых растений под пологом лесов, а на открытых участках - в пасмурную погоду или при дожде [29].

Основные пути температурных адаптаций:

1) химическая терморегуляция — увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры окружающей среды;

2) физическая терморегуляция — способность удерживать тепло благодаря волосяному и перьевому покровам, распределению жировых запасов, возможности испарительной теплоотдачи и т. п.;

3) поведенческая терморегуляция — способность перемещаться из мест крайних температур в места оптимальных температур.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды жизни. Эволюция наземных организмов проходила путем приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами, где в год выпадает несколько тысяч миллиметров осадков (области экваториального и муссонно-тропического климата) до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь [4].

Пониженные значения влажности воздуха в Курганской области регистрируются с апреля по сентябрь (менее 60 %), максимальные – в зимний период – до 95 %.

Годовое количество осадков не всегда дает возможность оценить водообеспеченность организмов, так как одно и то же их количество может характеризовать пустынный климат (в субтропиках) и очень влажный (в Арктике). Большую роль играет соотношение осадков и испаряемости (суммарного годового испарения со свободной водной поверхности), также неодинаковый в разных районах земного шара. Области, где эта величина превышает годовую сумму осадков, называют аридными (сухими, засушливыми). Здесь, например, растения испытывают недостаток влаги в течение большей части вегетационного периода. Области, в которых растения обеспечены влагой, называют гумидными, или влажными. Нередко выделяют и переходные зоны - полуаридные (семиаридные) [24].

Климат Курганской области континентальный, особенно на юго-востоке. Зима продолжительная, холодная. Средняя температура января –18 °C. Лето теплое, периодически повторяются засухи, средняя температура июля +19 °C (табл. 4). Переходные сезоны короткие, весна с сильными ветрами [30].

Таблица 4

Среднемесячные показатели температуры воздуха в г. Кургане

за 2015-2020 года

год	Янв	Фев	Мар	Апр	Май	Июн	Июл	Авг	Сен	Окт	Ноя	Дек
2015	-14,2	-10,1	-5,0	5,8	13,9	21,2	18,0	14,3	11,1	2,0	-7,2	-7,4
2016	-18,6	-6,9	-4,2	5,9	13,1	17,7	19,6	21,3	12,1	1,1	-11,1	-17,2
2017	-15,6	-15,0	-5,2	6,1	12,3	18,2	18,6	18,5	10,2	1,6	-2,1	-11,2
2018	-17,7	-13,0	-8,2	3,4	9,8	15,8	20,8	16,9	12,5	5,3	-4,8	-15,2
2019	-14,9	-15,0	-2,3	4,4	14,1	16,9	21,1	17,3	9,8	6,0	-7,8	-9,6
2020	-9,4	-6,2	0,5	7,5	16,2	16,0	22,4	19,3	11,1	4,9	-6,2

Водообеспечение наземных организмов зависит от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, близости грунтовых вод и т.д.

Осадки (дождь, град, снег), кроме водообеспечения и создания запасов влаги, часто играют и другую экологическую роль. Например, при ливневых дождях почва не успевает впитывать влагу, вода сильными потоками быстро стекает и зачастую сносит в озера и реки слабо укоренившиеся растения, мелких животных и плодородный слой почвы. В поймах рек дожди могут вызывать паводки и оказывать таким образом неблагоприятное воздействие на обитающих здесь растения и животных. В затопляемых периодически местах образуются своеобразные пойменные фауна и флора [27].

В среднем за год атмосферное давление в Курганской области составляет 756,6 мм рт.ст. Ветровой режим характерен для умеренных широт равнин северного полушария. Зимой преобладают юго-западные и западные (20–40 % случаев) ветры, летом наблюдается увеличение северных и северо-западных ветров. В целом за год преобладают ветры юго-западного (20–30 % случаев), в отдельных районах – западного направления. Средние годовые скорости ветра изменяются от 1,7 до 4,1 м/с [35].

Многообразна экологическая роль снежного покрова. Для растений, почки возобновления которых находятся в почве или у ее поверхности, многих мелких животных снег играет роль теплоизолирующего покрова, защищая от низких зимних температур.

Средняя годовая сумма осадков в Курганской области изменяется от 500 до 350 мм с уменьшением в направлении с северо-запада на юго-восток области (рис. 4). Минимальное количество осадков в феврале (20,5 мм), максимальное – в июле (124,5 мм) [30].

Рисунок 4. Среднемесячные суммы выпавших осадков в г. Кургане за 2015-2020 годы

Крупным животным зимний снежный покров нередко мешает добывать корм, передвигаться, особенно при образовании на поверхности ледяной корки. Так, лоси (Alces alces) свободно преодолевают слой снега глубиной до 50 см, но более мелким животным это недоступно. Часто при многоснежных зимах наблюдается гибель косуль, диких кабанов.

Выпадение большого количества снега оказывает отрицательное влияние и на растения. Помимо механических повреждений в виде снеголомов или снеговалов мощный слой снега может приводить к выпреванию растений, а во время таяния снега, особенно в затяжную весну, к вымоканию растений [24].

От низких температур при сильных ветрах в малоснежные зимы страдают растения и животные. Так, в годы, когда снега выпадает мало, гибнут мышевидные грызуны, кроты и другие мелкие животные.

Осадки помимо непосредственного воздействия на организмы обусловливают ту или иную влажность воздуха, которая, как уже отмечалось, играет важную роль в жизни растений и животных, так как влияет на интенсивность их водного обмена. Испарение с поверхности тела животных и транспирация у растений идут тем интенсивнее, чем меньше воздух насыщен парами воды [25].

Распространение живых организмов на Земле тесно связано с географическими поясами и зонами. Пояса имеют широтное простирание, что, естественно, обусловлено в первую очередь радиационными рубежами и характером атмосферной циркуляции. На поверхности земного шара выделяют 13 географических поясов, имеющих распространение на материках и океанах

Это такие, как арктический, антарктический, субарктический, субантарктический, северный и южный и умеренные, северный и южный субарктические, северный и южный тропические, северный и южный субэкваториальные и экваториальный. Внутри поясов выделяют географические зоны, где наравне с радиационными условиями принимаются во внимание увлажнение земной поверхности и соотношение тепла и влаги, свойственные данной зоне. Различают широтные и меридиальные или долготные природные зоны. Первые тянутся с запада на восток, вторые - с севера на юг. В долготном направлении широтные зоны подразделяются на подзоны, а в широтном - на провинции.

Основоположником учения о природной зональности является В.В. Докучаев (1846-1903), который обосновал зональность как всеобщий закон природы. Этому закону подчинены все явления в пределах биосферы. Основные причины зональности - форма Земли и ее положение относительно солнца. На распределение тепла на Земле помимо широтности влияют характер рельефа и высота местности над уровнем моря, соотношение суши и моря, морские течения и др.

Выводы по первой главе:

В данном параграфе мы изучили, что входит в абиотическую составляющую наземно-воздушной экосистемы. Выявили качество атмосферного воздуха в г. Кургане и рассмотрели среднегодовые концентрации некоторых загрязняющих веществ за 2015-2019 годы.

В следующем параграфе был выявлен состав биотической части наземно-воздушной экосистемы. Дано понятие биогеоценоза и включающиеся в нее компоненты. Так же рассмотрен растительный и животный мир Курганской области. Приведена численность основных видов животных ресурсов региона по муниципальным районам за 2019 год.

В процессе написания данного параграфа мы изучили факторы, оказывающие влияние на наземно-воздушную экосистему. Установили, основные пути температурных адаптаций и экологические группы, в соответствии с адаптациями к световому режиму растений. Приведены среднемесячные показатели температур, а также среднемесячные суммы выпавших осадков в г. Кургане.

ГЛАВА 2. РОЛЬ СВИНЦА В ПРИРОДЕ И ДЛЯ СОЦИУМА.

2.1. ЗНАЧЕНИЕ СВИНЦА ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА.

Свинец является токсичным элементом, пагубно влияющим на организм человека. По степени воздействия на живые организмы свинец отнесен к классу высоко опасных веществ.

Опасность свинца для человека определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в организме. Большая часть свинца поступает с продуктами питания, а также с питьевой водой, атмосферным воздухом, при курении, при случайном попадании в пищевод кусочков свинецсодержащей краски или загрязненной свинцом почвы. С атмосферным воздухом поступает незначительное количество свинца – всего 1-2 %, но при этом большая часть свинца абсорбируется в организме человека. В атмосферном воздухе большинства городов, где Росгидрометом проводится контроль над содержанием свинца, среднегодовая концентрация варьирует в пределах 0,01-0,05 мкг/м3, что значительно ниже ПДК – 0,3 мкг/л [12].

Индивидуальная восприимчивость к отравлению свинцом сильно различается, и одни и те же дозы свинца могут давать больший или меньший эффект для разных людей. Характерными симптомами отравления являются бледность лица, потеря внимания, плохой сон, склонность к частой смене настроения, повышенная раздражительность, агрессивность, быстрая утомляемость, а также металлический привкус во рту. Характерны расстройства пищеварения, потеря аппетита, острые боли в животе со спазмами абдоминальных мускулов («свинцовые колики»). Обычным является изменение состава крови – от ретикулоцитоза, анизоцитоза и микроцитоза до свинцовой анемии. На более поздних стадиях наблюдаются головная боль, головокружение, потеря ориентации и проблемы со зрением. Специфическое почернение («свинцовая линия») может появиться у основания десен. Возможен паралич («свинцовые судороги»), обычно затрагивающий в первую очередь пальцы и кисти рук. Повреждения коры больших полушарий возможны и у взрослых после получения больших доз свинца [20].

Применение хелатирующих агентов, таких как тетраацетат кальция, пеницилламин кальция, позволяет постепенно вывести свинец из организма. Во многих случаях требуется продолжительное лечение, которое, тем не менее, заканчивается полным выздоровлением, за исключением случаев повреждения головного мозга. Оценка риска отравления свинцом, как правило, проводится на основании определения концентрации свинца в крови. Концентрация свинца в крови ниже 10 мкг/дл в России и в мире считается безопасной для здоровья ребенка, хотя даже поступление в организм небольших доз свинца в зависимости от продолжительности и интенсивности может сказаться на здоровье. Снизить влияние свинца на организм можно используя следующие средства: витамины группы В, кальций, пектиновые соединения, витамин С, магний, альгинат натрия, витамин D, цинк, различные сорта капусты [16].

Смертельная доза свинца для взрослого человека составляет 10 г. Из-за широкого распространения свинцового загрязнения практически все население подвергается риску его воздействия. Дети дошкольного возраста наиболее восприимчивы к вредному воздействию свинца, поскольку их нервная система находится в стадии формирования. Даже при низких дозах свинцовое отравление вызывает снижение интеллектуального развития, внимания и умения сосредоточиться, отставание в чтении, ведет к развитию агрессивности, гиперактивности и другим проблемам в поведении ребенка. Эти отклонения в развитии могут носить длительный характер и быть необратимыми. Низкий вес при рождении, отставание в росте и потеря слуха также являются результатом свинцового отравления. Высокие дозы интоксикации ведут к умственной отсталости, вызывают кому, конвульсии и смерть. Вредное воздействие свинца на здоровье взрослых проявляется в повышении давления, нарушении деятельности нервной системы, печени, почек, снижении репродуктивной функции. Большая часть свинца поступает в организм человека с продуктами питания, а также с водой и пылевыми аэрозолями. Основными источниками загрязнения окружающей среды свинцом являются автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин, и предприятия цветной металлургии. Наиболее опасным является попадание свинца с пылевыми аэрозолями от загрязненных почв. Свинец, попадая в организм, через несколько минут проникает в клетки крови и быстро связывается с эритроцитами, в которых содержание свинца в 16 раз выше, чем в плазме крови. Депонируется в костной системе, включая зубы. Свинец является конкурентным биометаллом по отношению к кальцию и может его вытеснить из избирательных мест связывания с фосфатными, карбоксильными и сульфатными лигандами в тканях и на клеточных мембранах, реализуя его повреждающее действие через нарушение пассивного транспорта кальция. Поражает все внутренние органы, в том числе почки. На фоне длительного контакта со свинцом развиваются нарушения функционального состояния почек, заканчивающиеся необратимой хронической нефропатией. Повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность для беременных женщин, поскольку свинец свободно проникает через плаценту, оказывая отравляющее действие на плод. В медицине известно, что свинец негативно влияет на нервную систему человека и, в частности, на поведение, однако вред, нанесенный этим металлом, легко может быть исправлен. В кровь свинец попадает через дыхательные пути или же через слизистую оболочку рта [17].

Главными источниками поступления свинца в организм для большинства детей являются пыль и почва, попадающие в организм ребенка через грязные руки. Даже небольшие количества свинца в пыли на игрушках и других предметах, с которыми играет ребенок, могут представлять серьезную опасность. Частицы почвы и пыли, содержащие свинец, могут служить источником интоксикации во время игры на улице или при попадании в дом на одежде, обуви или игрушках. Во всем мире к числу наиболее значительных источников свинцового воздействия на здоровье детей и населения в целом, относятся следующие виды свинецсодержащей продукции:

1) Свинецсодержащие добавки в автомобильном топливе;

2) Свинецсодержащие припои, применяющиеся в изготовлении консервных банок;

3) Свинецсодержащие краски;

4) Керамические глазури;

5) Свинецсодержащие материалы в водопроводных системах;

6) Косметические товары и продукция народных промыслов.

Для всех перечисленных видов продукции сегодня известны аналоги, не содержащие свинец. Еще одним значительным источником является практика природоохранных мероприятий, ведущая к контролируемым выбросам свинца в атмосферу от деятельности таких промышленных предприятий, как свинцово-плавильные производства, аккумуляторные заводы и др., которая ведет к загрязнению окружающей среды. Ввиду трансграничного переноса свинца в воздушной и водной средах, а также торговли и транспортировки свинецсодержащих материалов и отходов, проблемы свинцового отравления выходят за рамки национальных интересов, и их решение требует совместных международных усилий. Последние представляют особую важность в свете реализации договоренностей Конференции ООН по Окружающей Среде и Развитию (Рио-де-Жанейро, 1992) [21].

Растворимые соединения свинца применяются в медицине как вяжущие, болеутоляющие и противовоспалительные средства.

Многие автомобили работают на этилированном бензине и заметно отравляют воздух городов свинцом. Этилированный бензин содержит тетраэтилсвинец, который уменьшает детонацию топлива в моторе, но в виде летучих соединений поступает из глушителей в воздух, которым мы дышим.

2.2. ЗНАЧЕНИЕ СВИНЦА ДЛЯ РАСТЕНИЙ, ЖИВОТНЫХ ПРИРОДНОГО СООБЩЕСТВА.

По современным представлениям, свинец не является физиологически необходимым элементом для растений.

В литературе приводится очень много данных о стимулирующем действии этого металла на рост и развитие растений при относительно невысоких его концентрациях в почвах. При этом остается неясным, следует ли считать такое стимулирование положительным влиянием свинца на растения. Стимулирующее воздействие проявляется чаще в экспериментах, проводимых на высоко-буферных почвах и субстратах. Скорее всего, это связано со способностью свинца при взаимодействии с компонентами почвы вытеснять из органоминеральных комплексов биофильные элементы, улучшая тем самым питание растений. С другой стороны, есть также предположение, что слаботоксичные дозы свинца стимулируют механизмы увеличения биомассы растений для достижения так называемого эффекта «разбавления».

Токсичное влияние свинца на растения возникает при концентрации его в почве в количестве 1 000–2 000 мг/кг. Существенное влияние на степень токсичности металла оказывают свойства почв и растений. Растения накапливают металлы из загрязненных почв и воздуха и могут аккумулировать их [22].

В растительное сырье, в том числе зерно, овощи, плоды свинец попадает из почвы также с удобрениями, водой, частично вносится средствами химической защиты растений. Накопление Рb в зерне идет постепенно, увеличиваясь с 0,55 до 1,40мг/кг. Как и в случае с медью (Cu), при совместном внесении в генеративных органах накапливается меньше (почти в 2 раза), а в вегетативных - больше (до 14,3мг/кг РЬ против 3,9мг/кг при раздельном внесении) [13].

Ячмень, произраставший в интервале 80-120 суток после загрязнения почвы свинцом, содержит в два раза меньшее количество металла, чем высеянный сразу после внесения загрязнителя. На супесчаной почве в биомассе ячменя наблюдается на треть более высокое содержание свинца по сравнению с растениями на среднесуглинистой почве.

Характер аккумуляции элемента в зерне указывает на конкурентное взаимодействие Рb с другими металлами при поступлении в зерно ячменя. При транслокации металла в солому имеет место взаимодействие с другими поллютантами [1].

Свинец оказывает на растения токсическое действие в меньшей степени, чем кадмий, но его влияние проявляется на фоне внесения минеральных удобрений.

Свинец в минеральных удобрениях является естественной примесью, содержащейся в агрорудах, поэтому его содержание в удобрениях зависит от исходного сырья и технологии переработки. В таких органических удобрениях, как навоз и его производные, содержание свинца зависит от потребляемого животными сырья, а для торфа и компостов— от источника получения и характера переработки [32].

Негативные воздействия свинца особенно проявляются в пахотных почвах, что свидетельствует об их слабой устойчивости к техногенным нагрузкам в сравнении с целинной почвой. Внесение удобрений способствует повышению биохимических показателей устойчивости, особенно в пахотных почвах, что сказывается на развитии растений. В этом случае у растений наблюдаются торможение роста и развития, снижение их продуктивности. Чрезмерное присутствие свинца значительно снижает активность довольно большого числа ферментов, задействованных в фундаментальных обменных процессах: фотосинтезе, гликолизе, фосфорилировании и др. Также свинец способен связываться непосредственно с ДНК, препятствуя таким образом ее нормальной работе.

Наибольшую опасность из массово применяемых минеральных удобрений представляет суперфосфат, в котором содержится от 7 до 92 мг/кг свинца. Далее, в порядке убывания, следуют концентрированные калийные удобрения (хлористый калий, сульфат калия), сложные удобрения (азофоска, нитрофоска, карбофоска) [22].

Участники двух международных договоров, заключенных в рамках Программы ООН по окружающей среде, - Конвенции по сохранению мигрирующих видов диких животных (CMS) и Соглашения по сохранению афро-евразийских мигрирующих водно-болотных птиц (AEWA) признали отравление свинцом одной из самых больших угроз для жизни перелетных птиц, а также назвали вещество недооцененной угрозой для других животных и человека.

Высокотоксичный тяжелый металл, который широко применяется в рыбной ловле и охоте для изготовления грузил, оружейных пуль и дроби. После выстрелов снаряды попадают в окружающую среду, подвергая загрязнению дикую природу. Как подсчитали ученые, каждый год в Европе погибает от 400 тыс. до 1,5 млн водоплавающих птиц из-за свинца, попавшего в их организм [36].

Доказано повышение токсического действия свинца на организм животных при низком уровне кальция в их рационе. Увеличивается всасывание свинца из желудочно-кишечного тракта при низком содержании в пищевых продуктах железа, магния, фосфора, цинка, белка. В опытах на белых крысах определялось повышение содержания свинца в печени животных, получавших биологически связанную форму свинца, по сравнению с группой, получавшей неорганические соединения [17].

Существует возможность отрицательного воздействия свинца на железы внутренней секреции. При затравке белых крыс ацетатом свинца в количестве 30мг/кг в течение 3 месяцев обнаружены фазные изменения функциональной активности коры надпочечников: активизация сменялась угнетением деятельности [32].

При длительном введении крысам-самцам свинца в дозе 0,006мг/кг к концу 6 месяца введения определялось сокращение времени подвижности сперматозоидов, снижение их резистентности к 1% раствору хлорида натрия. Введение свинцовых припоев крысам-самкам внутрижелудочно в дозировке 25 и 250мг/кг в течение 1 месяца до беременности и первых 12 дней беременности вызвало нарушение эстрального цикла. Введение припоя в количестве 250мг/кг снижало способность к оплодотворению. Введение аэрозоля припоя в различных дозировках приводило к дегенеративно-дистрофическим изменениям канальцевого и клубочкового аппарата почек (свинцово-кадмиевые припои), остеопорозу (свинцово-кадмиевые припои) и склерозированию костной ткани (свинцово-оловянные припои), нарушению эстрального цикла и усилению процессов атрезии в яичниках у самок, уменьшению массы придатков семенника и предстательной железы у самцов [18].

Сложность оценки воздействия свинца на организмы лабораторных животных состоит в том, что свинец, как и другие тяжелые металлы в малых дозах оказывает неспецифическое воздействие. В результате происходит бессимптомное накопление изменений в органах и тканях, что выявить клинически не всегда возможно [32].

Некоторые животные умирают вскоре после отравления, у других свинец разрушает здоровье постепенно, ослабляя иммунитет, репродуктивную и нервную системы. Кроме того, свинцовая дробь отравляет почву и попадает в организм других животных, прежде всего, хищников и падальщиков.

Выводы по данной главе:

В первом параграфе изучаемой главы мы познакомились с тем, как свинец влияет на организм человека. Определили, что свинец является токсичным, пагубно влияющим элементом, но несмотря на это, у изучаемого вещества достаточно широкое применение. Так же следует отметить, что у каждого организма наблюдается индивидуальная восприимчивость к свинцу.

Во втором параграфе мы рассматривали, какое значение несет свинец для флоры и фауны. Из полученной информации можно сделать предположение о том, что свинец влечет негативные последствия. Но конкретных выводов мы сделать не можем, так как вещество в малых дозах несет неспецифическое воздействие на различные организмы.

ГЛАВА 3. КРУГОВОРОТ СВИНЦА.

3.1 БОЛЬШОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ СВИНЦА.

Свинец попадает в атмосферу, морскую и наземную среды из различных природных и антропогенных источников, и между этими средами происходит постоянное взаимодействие. Свинец, попадающий в атмосферу, осаждается в почве и в морской среде, а часть свинца, попадающего в почву, со временем вымывается в морскую среду [11].

После попадания в воздух свинец перемещается в атмосфере. В основном он попадает в атмосферу в форме частиц. Атмосферный перенос свинца осуществляется в соответствии с механизмами переноса аэрозолей (частиц): в атмосфере перенос свинца в основном происходит на местном, национальном, региональном или межконтинентальном уровнях в зависимости от различных факторов, включая размер частиц, высоту источника выброса и метеорологические условия. Поскольку свинец характеризуется относительно небольшим периодом сохранения в атмосфере, перенос этого металла главным образом происходит на местном, национальном или региональном уровнях [15].

Рисунок 5. Геологический круговорот свинца.

Средняя продолжительность жизни пыли в атмосфере 7 суток, поэтому годовая обратимость частиц пыли в системе «суша – тропосфера» составляет 50 раз. И за год на поверхность суши выпадает 300* т свинца. В результате многократного испарения и конденсации влаги на поверхности пыли накапливаются растворимые формы металла, которые частично вымываются атмосферными осадками. В осадках содержание свинца составляет 1 мкг/л. На сушу с осадками выпадает (100-300) * т/год [15].

Что касается водных систем, то на национальном и региональном уровне средством переноса свинца являются реки. Океаны также служат средством переноса. Время пребывания свинца в океане варьируется от 100 до 1000 лет, что может свидетельствовать о возможном переносе посредством океана. Однако концентрация абсорбируемых микроэлементов, как правило, снижается по мере отдаления от источника и в целом концентрация таких абсорбируемых микроэлементов как свинец имеет тенденцию снижаться по ходу движения глубинных вод из-за постоянной абсорбции частиц и последующей седиментации.

Средняя концентрация свинца в аэрозолях над океаном 230 мкг/г, это значительно больше, чем его содержание в морской соли и в рыхлых отложениях суши. Коэффициент аэрозольной аккумуляции свинца обычно равен 30. По-видимому, в поверхностных слоях океана происходят процессы, обогащающие аэрозоли свинцом и другими металлами [31].

В земной коре свинец накапливается за счет выплавления его из вещества мантии. При выветривании горных пород катионы свинца высвобождаются, часть их поступает в грунтовые воды. Свинец, попадающий в океан, выпадает в осадок благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона. В атмосферу свинец попадает благодаря испарению и выплавлению из мантии. Находящийся в атмосфере свинец вместе с пылью осаждается атмосферными осадками и начинает концентрироваться в почвах.

Свинец накапливается в земной коре не только за счет вышеуказанного способа, но и в результате радиоактивного распада изотопов урана (238U, 235U) и тория (232Th). При выветривании горных пород происходит освобождение ионов Pb2+ из кристаллических структур породообразующих минералов [26].

Преобладающая часть освободившихся ионов сорбируется высокодисперсными глинистыми частицами и гидроксидами железа. Небольшая часть освободившегося свинца поступает в виде простых и комплексных ионов в поверхностные и грунтовые воды. Средняя концентрация элемента в речном стоке 1мкг/л, во взвесях его содержание – 100 мкг/л. С речным стоком растворенного свинца выносится 41*т, во взвесях в 100 раз больше. В речных взвесях есть органический детрит, с которым выносится примерно 10* т/год свинца. Близкое количество элемента мигрирует в составе водорастворимых органических соединений. Более 90% взвесей и значительная часть растворенного свинца осаждается в дельтах, эстуариях и узкой полосе прибрежного шельфа. а. В дальнейшем благодаря биофильтрации морской воды организмами планктона значительная часть взвесей и растворенного вещества удаляется в осадки. При этом происходит дифференциация рассеянных металлов, среди которых свинец выводится особенно активно [32].

Рисунок 6. Большой круговорот свинца в природе.

В почву свинец попадает обычно в виде соединений с кислородом и растворяется, образуя новые, - гидроксиды и карбонаты. Это на время защищает от загрязнения растущие на ней травы и деревья, а также грунтовые воды. Но когда концентрация свинца в почве становится критической, происходит разрушение ее органики. В результате земля становится непригодной для сельского хозяйства. Самое неприятное то, что свинец при этом попадает в воду, тогда как все его растворимые соединения ядовиты и могут привести к острому отравлению [26].

Деревья поглощают свинец и его производные из воздуха и почвы, тем самым очищая их. Особенно много ядовитых веществ накапливают в себе хвойные породы, а также грибы и лишайники. Поэтому небезопасно собирать их вблизи автомобильных дорог.

С газовыми выбросами автотранспорта в атмосферу поступает 37-85% свинца и его соединений, содержащихся в этилированных бензинах, а их концентрация в выбросах составляет 50-1000 мкг/м3. Значительное количество этих соединений попадает в окружающую среду в результате испарения бензинов. Суммарная доля соединений свинца и оксида углерода в газовых выбросах автомобилей превышает 75% [23].

3.2. БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ СВИНЦА.

На суше свинец поглощается растениями, поглощая корневыми системами катионы, передвигая их в листья и другие органы. Во время лесных пожаров значительные массы элемента поступают в атмосферу (в виде дыма). Кроме того, свинец содержится в высокодисперсной минеральной пыли. Животные получают свинец при потреблении растений и воды. При отмирании живых организмов неорганические катионы в процессе минерализации органических веществ попадают в почву.

Свинец среди тяжелых металлов наименее подвижен. Он ассоциируется главным образом с глинистыми минералами, оксидами Mn, гидроксидами Fe и Аl и органическим веществом [29].

Когда свинец присутствует в питательных растворах в растворимой форме, корни растений способны поглощать его в большом количестве, при этом скорость поглощения возрастает с ростом концентрации. Свинец, содержащийся в корнях, перемещается в стебель. Также следует отметить антогонизм Pb и Zn, который выражается во взаимнонеблагоприятном действии на перенос элеметов из корней в надзмные части. Токсичная концентрация составляет 30 – 300 мг/кг [38].

Одним из основных процессов обогащения тропосферы свинцом является процесс биометилизации, т.е. образование тетраметилсвинца в результате деятельности микроорганизмов.

Рисунок 7. Биологический круговорот свинца.

Главный источник, связанный с твердой фазой, − педосфера и рыхлые продукты выветривания. Перенос их происходит преимущественно с речным стоком и отчасти через атмосферу. Суша с атмосферой обмениваются (100-300) * т/год металла, связанного с твердой фазой, включая вулканический пепел. В результате бытовых и производственных отходов на континенты поступает не менее 350* т свинца в составе твердой фазы [23].

3.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ.

Основным источником загрязнения биосферы свинцом являются бензиновые двигатели. В тех странах, где эти двигатели востребованы выхлопные газы содержат триэтилсвинец, теплоэнергетические предприятия, сжигающие каменный уголь, горнодобывающая, металлургическая и химическая промышленность.

Значительное количество свинца вносится в почву вместе со сточными водами, используемыми в качестве удобрения. Для тушения горящего реактора Чернобыльской АЭС также использовался свинец, который поступил в воздушный бассейн и рассеялся на обширных территориях. При увеличении загрязнения окружающей среды свинцом возрастает его отложение в костях, волосах, печени [32].

Загрязнение окружающей среды свинцом может происходить вследствие его получения:

1)Восстановительный обжиг. Обогащенный флотацией галенит обжигают на воздухе для удаления серы и образующийся оксид свинца (II) восстанавливают коксом или чаще – монооксидом углерода в шахтных печах:

2PbS+3O₂=2PbO+2SO₂

PbO+CO=Pb+CO₂

В результате получают черновой свинец, из которого выделяют медь, серебро, железо, олово, мышьяк и сурьму, висмут остается вместе со свинцом. Особо чистый свинец получают электролитическим рафинированием с использованием фторосиликатного электролита.

2)Окислительный обжиг. Особенно чистую руду PbS подвергают частичному окислению до PbO, а затем смесь прокаливают:

PbS+2PbO=3Pb+SO₂

3)Из солей свинца с помощью электролиза.

4)Взаимодействие солей свинца с цинком:

Pb(NO₃)₂+Zn=Zn(NO₃)₂+Pb

или восстановление оксида свинца (II) током водорода:

PbO+H₂=Pb+H₂O.

При процессах производства свинца и его сплавов в атмосферу выбрасывается значительное количество свинцовой пыли. Свинец, содержащийся в этой пыли, вовлекается в биологический круговорот, негативно воздействуя при этом на все живое [6].

Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других органических материалов, включая городские отходы. Некоторые соединения по получению и применению свинца негативным образом сказываются на биологические организмы (табл. 5). Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов [9].

Таблица 5

Некоторые соединения свинца.

Формула	PbO	Pb(OH)2	PbCl2	PbI2	PbO2
Получение	Нагревание расплавленного Pb на воздухе	Действие на расторимые соли Pb(II)	Действие HCl или раствор. Хлоридами на растворы солей Pb(II)	Выпадает из растворов солей Pb(II)	Действие сильных окислителей на оксид или соли Pb(II)
Применение	Аккумулятор, производство глазури, олиф, хрусталя, получение др. соединений Pb	Получение свинцовых белил	Получение др. соединений свинца		Окислитель в химической промышленности
Формула	Pb(CH3COO)2		PbSO4	PbS	Pb(C2H5)4
Получение	Растворение Pb в уксусной кислоте		H2SO4 или растворимый сульфат+ соль Pb(II)	Действие сероводорода на соли Pb(II)	Взаимодействие Na4Pb с монохлорэтаном
Применение	Обнаружение H2S, крашение тканей, получение др. соединений Pb		Получение др. соединений Pb	Обнаружение Pb	Антидетонатор

Все растворимые соединения свинца ядовиты. Соли, отвечающие несуществующей в свободном состоянии свинцовой кислоте H₂PbO₃, называются плюмбатами [6]. Например, при сплавлении диоксида свинца с оксидом кальция образуется плюмбат кальция CaPbO₃:

CaO+PbO₂=CaPbO₃

Горнодобывающая промышленность является наиболее существенным источником поступления свинца в донные отложения пресноводных систем. В отдельных случаях содержание свинца достигает 6000 мг/кг сухого веса осадка и даже более. В загрязненных районах содержание свинца в донных отложениях не превышает 2-50 мкг/кг в зависимости от характера подстилающих пород [21].

На данный момент можно выделить следующие наиболее значимые экологические проблемы:

Ухудшение здоровья живых организмов.

Загрязнение сред жизни.

Торможение роста и развития биологических организмов.

Опасности для человека, окружающей среды возникают преимущественно на этапе утилизации отработавших аккумуляторов. По-прежнему много батарей после использования выбрасывается в мусоропроводы. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и других местах на всей территории России в настоящее время находится до 1 млн. т свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем положении с их переработкой эта величина возрастает на 50-60 тыс. т ежегодно. На свалках или установках для компостирования аккумуляторы разлагаются, при этом в почву и подземные воды попадает большое количество свинца. При рециклинге также происходит загрязнение окружающей среды, особенно пылью, содержащей свинец. При изготовлении свинцовых аккумуляторов образуются значительные количества пылевидных частиц, содержащих соединения свинца. Как видно, свинцовые аккумуляторы привносят немалый вклад в загрязнение окружающей среды [5].

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021