Гидрология подземных вод Курганской области и биогеохимический круговорот железа - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Гидрология подземных вод Курганской области и биогеохимический круговорот железа

Епанешникова Я.Ю. 1
1Курганский Государственный Университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Вода, являясь одним из самых распространенных веществ в природе, представляет собой уникальное соединение, благодаря которому на Земле зародилась и существует такое явление, как Жизнь, и все то, что мы называем биосферой. Все природные воды теснейшим образом взаимосвязаны и образуют гидросферу, – сплошную водную оболочку Земли. Вода в виде молекулы H2O отмечается и в литосфере, и в атмосфере, а биосфера более чем на три четверти состоит из воды. Гидросфера – динамичная система, в которой между водными массами всех оболочек Земли поддерживается динамическое равновесие. С участием воды совершается кругооборот веществ и энергии в природе.

Значительную роль в глобальном круговороте воды играет подземная составляющая. Здесь можно выделить подземный сток атмосферных осадков и преобразования воды во время таких геологических процессов, как седиментация, перекристаллизация пород и т.д. Следует также упомянуть об образовании воды из мантийных газов. Таким образом, подземные воды, характеризуясь особыми условиями миграции и разнообразными условиями формирования химического состава, являются составной частью единой гидросферы Земли.

Подземные воды, являющиеся одновременно частью недр и частью общих водных ресурсов, представляют собой ценнейшее полезное ископаемое, использование которого в экономике и социальной сфере и, главным образом, для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения населения с каждым годом возрастает. В условиях постоянно возрастающей нагрузки на природную среду и прогрессирующего загрязнения поверхностных вод расширение использования подземных вод не имеет альтернативы.

В подземных водах обнаружено в растворенном виде свыше 80 элементов периодической системы Менделеева, в том числе железа. Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Главными источниками соединений железа в подземных водах являются процессы химического вымывания из горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях.Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и сельскохозяйственными стоками. Изучая указанные аспекты, необходимо учитывать взаимодействие железа с другими экосистемами. Важно рассматривать особенности геологического и биологического круговорота.

Проблема исследуемой работы, каков состав и виды подземных вод Курганской области, какое значение несет биогеохимический круговорот железа в природе?

Предмет- подземные воды, биологический и геологический круговорот железа.

Объект- анализ внутренних вод Курганской области, а также экологическое влияние на биогеохимический круговорот железа.

Цель – изучить этапы геологического и биологического круговорота железа, исследовать его значение для животных, растений и человека. Рассмотреть возможный состав и факторы, влияющие на подземные воды.

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 железа, разработать модель влияния факторов окружающей среды на исследуемое вещество;

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

Опытно-экспериментальная – провести анализ химического и биологического состава подземных вод, выявить особенности природных вод Курганской области; разработать схемы круговорота химического элемента.

Прикладная − обнаружить проблемы дефицита железа у людей и животных, но избытка у растений.

Методика исследования:

1. Анализ теоретических источников по гидрологии и глобальной экологии;

2. Практические методы исследования круговорота вещества;

3. Обработка полученных результатов исследования.

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

Практическое значение данной работы заключается, в анализе химического и биологического состава подземных вод.

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

ГЛАВА 1. ЭКОСИСТЕМА ВНУТРЕННИХ ВОД

1.1. СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ

Водная экосистема - экосистема, в структуре и функционировании которой среди абиотических факторов ведущая роль принадлежит воде, служащей средой обитания организмов.

Водная экосистема, это природный объект, который является единством взаимозависимых среды и обитающей в ней биоты. Каждая водная экосистема находится в определенном состоянии, которое выражается в определенном сочетании показателей средовой и организменной составляющих водной экосистемы. Конкретному состоянию водной экосистемы соответствует определенный уровень способности к самоочищению, который может быть охарактеризован сочетанием показателей среды и биоты, а набор и величины их могут быть выражены в интервалах значений [9].

Подземные воды — это воды, находящиеся в верхней части земной коры (до глубины 12-16 км) в жидком, твердом и парообразном состояниях. Основная масса их образуется вследствие просачивания с поверхности дождевых, талых и речных вод. Подземные воды постоянно перемещаются как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Глубина их залегания, направление и интенсивность движения зависят от водопроницаемости пород [12].

По условиям залегания подземные воды подразделяют на три вида: почвенные, находящиеся в самом верхнем, почвенном слое; грунтовые, залегающие на первом от поверхности постоянном водоупорном слое; межпластовые, находящиеся между двумя водоупорными пластами. (табл. 1)

Таблица 1

Классификация подземных вод по условиям залегания

 

почвенные воды;

верховодка,

грунтовые золы

межпластовые безнапорные воды;

напорные (артезианские) воды

1- капиллярная кайма;

2 - уровень верховодки; 3-уровень грунтовых вод; 4-уровень межпластовых безнапорных вод; 5- пьезометрический уровень напорных вод; 6 - величина напора в скважинах; 7 - водопроницаемые породы; 8 -слабоводопроницаемые и водонепроницаемые породы; 9 - водопроницаемые породы;

10- водонепроницаемые породы; 11- родник; 12-скважина

Химический состав вод зависит от состава и растворимости твердых веществ, с которыми вода взаимодействует, от условий, в которых это взаимодействие осуществляется. На контакте подземной воды с горными породами протекают физико-химические и биохимические процессы, основными из которых являются растворение (осаждение) твердых минеральных веществ, гидролиз, ионный обмен между горными породами и водой, преобразование и минерализация органического вещества, окисление и восстановление минеральных соединений [5].

Подземные воды состоят преимущественно из 6 неорганических компонентов, определяющих химический состав подземных вод и называемых макрокомпонентами. Это анионы: гидрокарбонат ион (HCO3), хлорид ион (Cl), сульфат ион (SO4); катионы: ион кальция (Ca), магния (Mg), натрия (Na) [10].

Компонентами органических веществ являются представители всех химических групп (углеводы, белки, липиды) и классы (карбоновые кислоты, углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, амины, эфиры). Особое значение имеют гумусовые кислоты. Органические вещества поступают в подземную воду из почв, нефтяных залежей, горных пород. Часть веществ поступает в готовом виде. Это в основном химически и биологически стойкие соединения типа гумусовых веществ, фенолов, углеводородов и др. Другая часть является продуктом сложных физико-химических и биохимических превращений. Все содержавшиеся в подземных водах органические вещества участвуют в био- и геохимических процессах [15].

Для правильного определения химического состава подземных вод нужно знать концентрацию водородных ионов, или так называемую активную реакцию воды, количественно выражаемую величиной pH, которая представляет собой десятичный логарифм концентрации ионов водорода (точнее, их активность), взятый с положительным знаком: pH = lgH. Знать эту величину необходимо для решения ряда теоретических и практических задач (оценка агрессивности подземных вод, их коррозирующей способности и др.). При температуре 22°С в чистой воде содержание водородных и гидроксильных ионов равно (порознь) 10^(-7), следовательно, для нейтральных вод pH = 7, при pH > 7 вода имеет щелочную реакцию, а при pH < 7 — кислую, разделение по величине pH воды так же имеют разделение (таб. 1)[7] .

Таблица 2

Разделение химического состава подземных вод по величине

pH воды

весьма кислые

(pH < 5)

кислые

(5 < pH < 7)

нейтральные

(pH = 7)

щелочные

(7 < рН < 9)

высокощелочные

(pH > 9)

Устанавливать концентрацию водородных ионов необходимо на месте отбора проб воды. Наиболее распространен колориметрический способ определения, основанный на свойстве индикаторов менять свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов [5].

В полевых условиях часто пользуются лакмусовой бумагой, которая при смачивании водой с нейтральной реакцией не меняет свой фиолетовый оттенок, в кислой воде приобретает красный цвет, в щелочной — синий. Можно пользоваться также метилоранжем. Одна-две капли его, добавленные к 50 см³ воды, придают воде при нейтральной реакции оранжево-красную окраску, при кислой — розовато-красную и при щелочной — желтую [18].

Не только в поверхностных, но и в подземных водах, особенно в неглубоко залегающих грунтовых, имеющих сообщение с поверхностными, встречаются различные бактерии. Бактерии живут при любой минерализации подземных вод. Бактерии разлагают органические соединения белкового и углеводного характера, образуют сероводород и водород. Некоторые виды бактерий участвуют в азотных преобразованиях, а также вырабатывают токсичные вещества. Среди бактерий есть не опасные для здоровья человека и болезнетворные, являющиеся возбудителями дизентерии, брюшного тифа, холеры и других желудочных заболеваний. Показателем бактериальной загрязненности воды служит кишечная палочка коли. Сама по себе она безвредна, но ее присутствие указывает на наличие болезнетворных бактерий. Наличие в питьевой воде аммиака и азотной кислоты указывает на фекальную загрязненность, что совершенно недопустимо [22].

Биологические, точнее микробиологические, процессы имеют огромное значение для преобразования химического состава подземных вод. По мнению В. И. Вернадского, одним из наиболее активных веществ в земной коре является живое вещество — совокупность живых организмов. Поверхностные и подземные воды заселены большим количеством живых организмов. В районах нефтяных месторождений бактерии обнаружены на глубине более 2000 м.

Жизнь есть не только в пещерах, но и глубоко под землей — в грунтовых водах. Ученые процедили через шелковую сетку воду, полученную при глубоком бурении. На фильтре остались крохотные, в миллиметр длиной, никем еще не виданные животные. У них тонкое червеобразное тело, и потому они могут передвигаться по узким капиллярным ходам, пролезать между песчинками и частицами грунта. Эта удивительная подземная фауна еще мало изучена [12].

В пресных подземных водоемах живут виды, родственные не только пресноводным, но и морским животным. Например, в колодцах пустыни Каракумы советский ученый А. Л. Бродский нашел морских животных — раковинных одноклеточных корненожек фораминифер. Эти корненожки отличаются от морских видов лишь меньшими размерами, более тонкими стенками раковин и некоторыми другими признаками.

Для Курганской области характерны небольшие запасы подземных вод, высокая минерализация и своеобразный химический состав, несколько необычные для артезианских бассейнов условия питания и разгрузки, возможное ухудшение качества подземных вод в процессе эксплуатации водозаборов, также связанная с грунтовыми водами активизация инженерно-геологических процессов [19].

Подземные воды антропоген-олигоценового комплекса речных долин. В пределах речных долин воды водоносного комплекса четвертичных отложений распространены в виде грунтового потока, приуроченного к аллювиальным отложениям р. Миасс и ее притоков. Эти отложения представлены переслаиванием песчано-глинистых и песчано-гравийно-галечниковых грунтов средней мощностью около 7-10 м [19].

Подземные воды аллювиальных отложений безнапорные. Свободный уровень располагается на глубинах 0-10 м. Зеркало подземных вод в сглаженной форме повторяет рельеф. Поток направлен от бортов долины к руслу и вниз по течению реки. Питание осуществляется инфильтрацией. Разгрузка происходит в реки и пойменные озера и болота. Часть подземных вод перетекает в водоносный горизонт нижнего эоцена (опоковый горизонт). В непосредственной близости от русла реки происходит обратное перетекание подземных вод из опокового горизонта в аллювиальный. Колебания уровня зависят в основном от климатических факторов. Амплитуды сезонного колебания уровня находятся в пределах 0,4-1,5 м [19].

Состав подземных вод Курганской области пестрый. Для менее минерализованных вод характерно преобладание гидрокарбонатов, для более минерализованных - сульфатов при повышенных значениях хлоридов. Так, содержание сульфатов может достигать 3230 мг/л, хлоридов - 800, натрия - 1060, кальция - 550, магния - 350, общего железа - 10,3 мг/л. Водородный показатель, обычно близкий к нейтральным значениям, на отдельных участках поймы опускается до 4,2-4,3. В подземных водах на территории пойм зафиксировано высокое содержание ряда микроэлементов. Содержание марганца, бария, лития, бора выше установленных норм [19].

На большей части приводораздельных пространств покровные четвертичные отложения представлены глинистыми грунтами небольшой мощности. Под ними залегают песчано-глинистые отложения кустанайской свиты плиоцена и наурзумской и куртамышской свит олигоцена [19].

Подземные воды четвертичных отложений в пределах приводораздельных пространств приурочены к маломощным прослоям песков и супесей в глинистых грунтах. Средняя мощность четвертичных отложений обычно составляет первые метры, а максимальная не превышает 10 м. Глубина залегания вод составляет первые метры. Питание осуществляется за счет атмосферных осадков.

В целом воды антропоген-олигоценового комплекса на территории приводораздельных пространств характеризуются неглубоким залеганием уровня, который обычно составляет первые метры и лишь на возвышенных участках может достигать 10 м и более. Колебания уровня зависят в основном от климатических факторов. Амплитуды сезонного колебания уровня находятся в пределах 0,5-1,2 м. Воды безнапорные, реже слабонапорные. Питание вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и талых вод в период снеготаяния [19].

На водораздельных пространствах преобладают пресные воды со средней минерализацией 0,5 г/л. Состав вод преимущественно гидрокарбонатно-кальциевый. Водородный показатель изменяется от 6,4 до 8,2. Слабосолоноватые и соленые воды встречены на территории населенных пунктов [4].

Эксплуатационные ресурсы подземных вод незначительны - обеспеченность жителей области составляет 2.7 кубометра в сутки на душу населения (по Уралу в целом - 5 кубометров в сутки). Разведано несколько типов минеральных вод: гидрокарбонатные, хлоридно-карбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные и хлоридные, хлоридно-сульфатные. Широко известно Шадринское месторождение минеральных вод. Минеральные воды области используются преимущественно для промышленного розлива и частично для бальнеологических целей [4].

Рисунок 1. Карта месторождений подземных вод Курганской области

1.2. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Многообразие факторов, определяющих формирование химического состава природных вод, позволяет выделить среди них прямые и косвенные, а также главные и второстепенные. Прямыми называются факторы, непосредственно влияющие на состав воды (почвы, горные породы), к косвенным относятся факторы, действующие опосредованно. Главные факторы определяют состав вод, т.е. способствуют формированию вод конкретного гидрохимического типа (хлоридного, сульфатного и т.д.). Второстепенные же факторы способствуют появлению в воде компонентов, придающих конкретному типу воды некоторые особенности [20].

По характеру воздействия факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, подразделяются на:

физико-географические (рельеф, климат, температура воздуха (рис. 2), выветривание, почвенный покров);

Рисунок 2. Среднемесячные показатели температуры воздуха в г. Кургане за 2018-2020 года.

геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия);

физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешение вод и катионный обмен);

биологические (деятельность растений и живых организмов);

искусственные или антропогенные (факторы, связанные с деятельностью человека) [5].

Многолетний мониторинг изменения уровня грунтовых вод показал его периодическое колебание, и на основании полученных данных гидрогеологи выявили зависимость уровня воды от времени года и климатических условий. Наиболее высокий уровень весной в период таяния снега и во время затяжных и обильных дождей. И наоборот, в засушливое время года грунтовые воды опускаются ниже [7].

Примечательно, что наполняемость неглубоких водоносных горизонтов — водонасыщенных песков — частично зависит от уровня грунтовых вод, откуда за счет инфильтрации вода проникает в нижележащие водовмещающие слои. Соответственно в скважинах «на песок» жарким летом зеркало воды опускается ниже, в период дождей и во время половодья — поднимается выше [12].

Снижение температуры воздуха зимой сопровождается промерзанием почвы и изменением условий питания подземных вод. Повышение температуры весной сопровождается таянием снежного покрова и интенсивной инфильтрацией талых вод, наблюдается снижение минерализации подземных вод и увеличение содержания гидрокарбоната. В зимние месяцы во многих районах установлено повышение минерализации и изменение состава грунтовых вод, обусловленное отсутствием пополнения горизонта за счет атмосферных осадков. Такая связь между промерзанием почвы и верхней части пород зоны аэрации и увеличением минерализации, и изменением состава (в основном за счет снижения содержания гидрокарбонатов и увеличения сульфатов). Сопоставление режимов уровня и химического состава грунтовых вод, с характером выпадения атмосферных осадков показывает, что осадки зимнего периода являются наиболее эффективными: как правило, весной под влиянием инфильтрации талых вод происходит уменьшение уровня и снижение минерализации грунтовых вод [4].

Климат не только определяет пополнение водоносных горизонтов за счет атмосферных осадков, но и интенсивность преобразования горных пород (выветривание). В коре выветривания непременным участником реакций взаимодействия с породами является вода, с движением которой происходит принос реагентов и удаление продуктов реакций. Скорость движения воды в породах зоны аэрации и зоны насыщения обусловливает состав и концентрацию растворенных компонентов в воде, и химические изменения пород при их выветривании. Следовательно, интенсивность водообмена является ведущим фактором преобразования горных пород и химического состава подземных вод [21].

Выводы по первой главе:

В данном параграфе мы изучили, что такое подземные воды и на какие классификации они делятся. Так же разобрали их состав и рассмотрели какие виды, и питание у подземных вод Курганской области.

В следующем параграфе мы рассмотрели факторы, которые влияют на формирование химического состава подземных вод.

ГЛАВА 2. РОЛЬ ЖЕЛЕЗА В ПРИРОДЕ И ДЛЯ СОЦИУМА.

ЗНАЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА.

Наиболее значимой функцией железа в организме является его участие в связывании, транспортировке и депонировании кислорода гемоглобином и миоглобином. Однако доказано, что роль железа этим не ограничивается: этот микроэлемент является универсальным компонентом живой клетки, участвующим во многих метаболических процессах в организме, росте тела, в процессах тканевого дыхания (в частности, в митохондриальном дыхании), что является обязательным условием существования любой клетки на всех этапах эволюции.[17]

Исследованиями последних лет также доказана роль железа в обеспечении таких важнейших процессов, как:

• деление клетки;

• биосинтетические процессы (в том числе и синтез ДНК);

• метаболизм биологически активных соединений (катехоламинов, коллагена, тирозина и других биологически активных веществ и др.);

• энергетический обмен (около половины энзимов или кофакторов цикла Кребса содержат этот металл или функционируют в его присутствии).[1]

Ферменты, содержащие железо, принимают участие в синтезе гормонов щитовидной железы, поддержании высокого уровня иммунной резистентности организма. Так, нормальный уровень железа в организме способствует полноценному функционированию факторов неспецифической защиты, клеточного, гуморального и местного иммунитета. Нормальное содержание железа в организме необходимо для осуществления полноценного фагоцитоза, высокой активности естественных киллеров и бактерицидной способности сыворотки, а также синтеза в достаточном количестве, комплемента, лизоцима, интерферона.[9]

Данные, полученные в ходе исследований последних лет, свидетельствуют о том, что железо является необходимым для формирования рецепторов (рецепторов дофамина) в клетках мозга. Как известно, отсутствие или недостаток дофаминовых рецепторов нарушает нормальное функционирование и развитие дофаминергических нейронов. Распределение железа в тканях мозга отражает локализацию окончаний нейронов, которые синтезируют γ-аминомасляную кислоту. Существует мнение, что низкий уровень железа нарушает процессы деградации γ-аминомасляной кислоты и функционирования нейронов, синтезирующих дофамин. В то же время железо является неотъемлемым и незаменимым компонентом разнообразных белков и ферментов, окислительно-восстановительных процессов организма ребенка в целом.[14]

Железо, содержащееся в организме, условно подразделяют на:

• функциональное (в составе гемоглобина, миоглобина, энзимов и коферментов);

• транспортное (трансферрин, лактоферрин, мобилферрин);

• депонированное (ферритин, гемосидерин);

• железо, образующее свободный пул.

Основные фонды железа в организме:

– гемовое (клеточное) железо: составляет значительную часть (70-75%) от общего количества железа в организме, участвует во внутреннем обмене железа и входит в состав гемоглобина, миоглобина, ферментов (цитохромов, каталаз, пероксидазы, НАДН-дегидрогеназы), металлопротеидов (аконитазы и др.).

– негемовое:

– внеклеточное: свободное железо плазмы и железосвязывающие сывороточные белки (трансферрин, лактоферрин), участвующие в транспорте железа.

– железо запасов (депо) находится в организме в виде двух белковых соединений – ферритина и гемосидерина – с преимущественным отложением в печени, селезенке и мышцах (включается в обмен при недостаточности клеточного железа).[14]

Железо входит в состав основного белка эритроцитов – гемоглобина. Гем – небелковая часть молекулы гемоглобина – является комплексным соединением пигмента протопорфирина с ионом двухвалентного железа. Второй компонент гемоглобина представлен белком глобином. Именно он осуществляет транспорт кислорода из легких в ткани и углекислого газа в легкие. Известно, что железо легко вступает в связь с кислородом, и хотя кислород является окислителем, при его соединении с железом окисления не наблюдается. Ион железа лишь «сопровождает» молекулу кислорода к месту окисления, в котором и «освобождает» кислород для его действительного окисления. В свою очередь гемоглобин выполняет и другую не менее важную функцию – «выводит» с места окисления углекислый газ. И если в клетку кислород вводится гемом, то углекислый газ выводится глобином. Доказано, что не весь кислород, доставленный гемоглобином, расходуется сразу: организм частично оставляет его «про запас» в мышцах. В ситуациях, требующих значительной мышечной работы, возникает физиологическая потребность в больших количествах кислорода, превышающих поступающие с кровью. Вот тут организм и «вспоминает» о мышечных запасах, представленных миоглобином – пигментным протеидом мышечной ткани, в состав которого входят также гем и глобин.[6]

Рассматривая железо в целостном контексте, следует отметить, что в организме здорового человека содержится примерно 4-5 г железа (железо, входящее в состав гемоглобина, составляет примерно 2,7-3,0 г). При этом железо составляет лишь 0,0065% от массы тела человека: примерно 35 мг/кг массы тела (у новорожденных, как доношенных, так и недоношенных, запасы железа составляют 70-75 мг/кг массы тела). Его концентрация в течение суток может значительно варьировать (от 12,5 до 30,4 мкмоль/л). Самая высокая концентрация железа в крови регистрируется в утренние часы (между 7 и 10 часами), а наименьшая – вечером (между 20 и 22)[14].

Примерно 70-75% этого количества требуется для насыщения гемоглобина, заключенного в эритроцитах, 5-10% железа приходится на миоглобин, который участвует в передаче кислорода и углекислого газа в мышцах, 10-20% находятся в резерве, преимущественно в печени, 1% составляет железо ферментов, около 0,1% всего железа связаны с трансферрином в плазме крових[14].

В организме человека существуют механизмы, направленные на удержание железа. Железо осуществляет практически замкнутый круговорот. Освободившись из эритроцитов при физиологическом гемолизе, железо реутилизируется. С желчью в кишечник за сутки выделяется до 25 мг железа, откуда оно абсорбируются энтероцитами слизистой оболочки и включается в общий метаболизм. Биологический период полувыведения железа из организма составляет 1800 суток, что является свидетельством высококумулятивных свойств этого элемента[14].

Дефицит железа в организме человека сводится не только к гематологическим проявлениям, но и обусловливает нарушение функций всех клеток (особенно в высокоаэробных тканях), порождающее негативные последствия нарушений метаболизма железа в организме человека. Недостаток этого жизненно важного микроэлемента непременно приводит к нарушению образования гемоглобина, развитию анемии и, как следствие, к трофическим расстройствам в органах и тканях. Уменьшение количества железа во многих случаях проявляется аномалией поведения человека и психическими нарушениями. Железо играет важную роль в поддержании высокого уровня иммунной резистентности ребенка. Доказано, что дефицит железа приводит к росту заболеваемости органов дыхания и желудочно-кишечного тракта. Помимо этого, уменьшение содержания железа в плазме крови отмечается при острых и хронических воспалительных процессах, опухолях, остром инфаркте миокарда. Лихорадка и острые стадии инфекционных заболеваний всегда сопровождаются снижением уровня железа в крови, развивающимся в результате компенсаторно-приспособительных реакций (уменьшая поставку железа к тканям, организм таким образом «тормозит» размножение бактерий за счет уменьшения интенсивности деления клеток и «включения» в них альтернативных аутоокислительных процессов)[14].

2.2. ЗНАЧЕНИЕ ЖЕЛЕЗА ДЛЯ РАСТЕНИЙ, ЖИВОТНЫХ ПРИРОДНОГО СООБЩЕСТВА.

Железо требуется растениям для производства хлорофилла и активирования нескольких ферментов, особенно тех, которые участвуют в фотосинтезе и дыхании. Он также участвует в синтезе белка и формовании цвета фруктов. Хотя точная роль производства хлорофилла до сих пор не ясна, была продемонстрирована определенная зависимость между содержанием железа и хлорофилла в листьях растений. Прерывание производства хлорофилла в дефицитных железом растениях, конечно же, является причиной универсального зрительного симптома – хлороза [11].

Железо в основном поглощается растениями в почве в виде железа (Fe2+). Однако, поскольку большинство сельскохозяйственных почв содержат железо в форме железа (Fe3+), растения должны каким-то образом сначала растворить Fe3+, а затем уменьшить его до Fe2 + так, чтобы он мог проходить через плазматическую мембрану корня волос (плазмалемму). Точный механизм, описывающий данный процесс, еще плохо изучен. По-видимому, он варьирует между видами растений [3].

У большинства культур поглощение железа является активным процессом, требующим энергии. Корневые волоски растения выделяют протоны (ионы H+) и экссудаты в окружающую почву. Протоны помогают растворить Fe3+, снижая pH, и способствуют хелированию ионов Fe3+ фенольными экссудатами. На поверхности корня хелат железа Fe3+ восстанавливается до хелата железа Fe2+, который легко высвобождает Fe2+ для поглощения корневыми волосками. Как только он перешел в корень, Fe2+ окисляется до Fe3+ и затем хелатируется ионами цитрата. Железо-цитратный хелат затем транспортируют в активно растущие области растения. После транслокации железо имеет тенденцию фиксироваться и не может быть повторно переведено из органа в орган. По этой причине симптомы дефицита железа имеют тенденцию влиять только на новый рост [3].

Почти без исключения дефицит железа приводит к хлорозу молодых, быстро растущих листьев, а более старые листья остаются темно-зелеными. Жилки остаются резко зелеными в отличие от желтых межжилковых областей. В растениях с параллельными жильными листьями (например злаки) наблюдается эффект трамплина. На широколиственных растениях видна тонкая сетчатая структура (см. рис). Вначале вены остаются зелеными, что дает сетчатый рисунок. На поздних стадиях жилки также становятся хлоротичными и могут разрушаться, и весь лист кажется отбеленным. Некроз обычно не возникает до заключительных этапов развития симптомов. Визуальные симптомы достаточно характерны для точной диагностики дефицита железа. Если есть сомнения, можно провести опрыскивание соединениями железа - реакция обычно очень быстрая. Общее действие хлороза с дефицитом железа является снижением фотосинтетической активности, необходимой для роста и развития. Это, в свою очередь, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и их экономическое использование человеком [3].

Высокий уровень доступного молибдена может уменьшить поглощение Fe, вызывая осаждение молибдата железа на поверхности корней. Наиболее распространенной причиной дефицита железа в растениях является высокий уровень pH - доступность железа уменьшается, когда рН выше 7. Недостаток железа может быть вызван слабым дренированием субстрата. Недостаток железа также может быть вызван слишком большим содержанием марганца [14].

Оптимальные концентрации железа для различных растений разнятся. К примеру, для большинства выращиваемых виноградных культур питательный раствор должен содержать 2-3 ppm Fe (2-3 мг/л).

Накопление железа в клетках может быть и токсичным. Оно может действовать каталитически для генерирования гидроксильных радикалов, которые могут повреждать липиды, белки и ДНК. Из-за потенциальной токсичности, связанной с высоким уровнем железа, клетки хранят железо с внутриклеточным белком ферритином, который выделяет железо контролируемым образом. Этот белок производится почти всеми живыми организмами, включая водоросли, бактерии, высшие растения и животные. Токсичность железа, главным образом, возникает там, где уровень pH падает достаточно, чтобы создать избыток доступного железа. Как и с некоторыми другими питательными веществами, видимые признаки токсичности железа, вероятно, будут проявляться признаком дефицита другого питательного вещества. Накопление железа, также может возникать при недостатке цинка. Избыток железа может приводить изменению цвета листвы к более темно-зеленому [3].

Составная часть хроматинового вещества клеточных ядер, гемоглобина крови, участвует в транспортировке кислорода кровью и в окислительных процессах. Железо, хотя н в незначительных количествах, необходимо всем животным. У растущего молодняка и у взрослых животных в период беременности потребность в железе повышена. При недостатке железа в рационе у животных развивается гипохромная анемия. Зимой и ранней весной особенно часто заболевают алиментарной анемией поросята-сосуны, так как рождаются они с небольшим запасом железа в печени [9].

Оно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, играющих важную роль в обмене веществ и питании животного. Общее содержание железа в теле животных составляет около 0,005% или примерно 45 мг на 1 кг живой массы, но в крови железа в 10—12 раз больше. В зеленых кормах его содержится много (около 100—200 мг на 1 кг сухого вещества). Железо входит в состав молекулы гемоглобина и некоторых дыхательных ферментов. Чаще всего железо находится в организме в соединении с белками. В печени, селезенке и костном мозге имеется ферритин, содержащий до 23% железа [9].

Потребность взрослых животных в железе невелика и полностью покрывается поступлениями его в организм с кормом. Поросята и цыплята в осенне-зимний период испытывают недостаток в этом элементе. При недостатке железа в рационе у животных развивается анемия (алиментарная), осложняемая недостатком меди [9].

Выводы по второй главе:

В первом параграфе изучаемой главы мы познакомились с тем, как железо важно для организма человека. Наиболее значимой функцией железа в организме является его участие в связывании, транспортировке и депонировании кислорода гемоглобином и миоглобином.

Во втором мы параграфе мы так же узнали, что железо для животных играет ту же самую важную роль, что и для человека. А растениям железо требуется для производства хлорофилла и активирования нескольких ферментов, особенно тех, которые участвуют в фотосинтезе и дыхании.

ГЛАВА 3. КРУГОВОРОТ ЖЕЛЕЗА.

3.1 БОЛЬШОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ЖЕЛЕЗА.

Железо (Fe) следует за геохимическим циклом, как и многие другие питательные вещества. Оно обычно выделяется в почву (в почвах железо встречается в составе минералов группы ферросиликатов, в виде гидроокислов, окислов, простых солей, а также ферро- и ферриорганических комплексных солей) или в воду, железо попадает вследствие природных процессов, к которым относятся вымывание и разрушение каменистых пород, имеющие его в своем составе, а также через выветривание горных пород или извержения вулканов [17].

Железобактерии окисляют гидрат закиси железа и карбонаты железа, обладая ферментом, ускоряющим процесс, окисляя огромное количество закиси железа, выносимой на поверхность земли подземными водами, железобактерии превращают ее в нерастворимую гидроокись этого металла, активно участвуя в круговороте железа в биосфере [2].

Гидроксид железа представляет собой коллоидное железо, имеющее мелкодисперсную структуру, которое никогда не оседает

Рисунок 2. Геологический круговорот железа

Железо – один из распространенных элементов в литосфере. Его содержание в земной коре достигает 5,1 %. В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего — в составе железоникелевых метеоритов. Считается также, что железо составляет большую часть земного ядра. В результате разнообразных процессов выветривания и почвообразования из коренных пород возникают плодородные почвы. Упомянутые процессы в основных породах протекают быстрее, чем в кислых. При этом появляется коллоидальный продукт выветривания - гидроокись железа. Связные почвы богаче железом по сравнению с песчаными почвами. Окраска почв зависит от содержания органического вещества и железа. Хорошо аэрированные окисленные почвы имеют равномерную желтую окраску. Тонкая трехвалентная окись железа (Fe2O2) и гидроокись железа [Fe(OH)3] образуют оболочки вокруг отдельных зерен мелкозема и связывают их.[1]

Наиболее бедны железом верхние оболочки Земли: в атмосфере фактически не содержится железо (лишь в метеорной и земной пыли)

Содержание железа в поверхностных пресных водах составляет десятые доли миллиграмма. Основной его формой в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот - гуматами. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах (единицы миллиграммов), где концентрация гумусовых веществ достаточно велика [2].

Рисунок 3. Большой круговорот железа

Большее содержание железа находится в литосфере и гидросфере, а в атмосфере оно фактически не содержится (В жаркий летний день над нагретым асфальтом и раскаленными железными крышами домов образуются восходящие токи теплого воздуха, поднимающие мельчайшие частицы пыли, которые долго держатся в воздухе, в металлургической промышленности многочисленны процессы, при которых выделяется окись углерода. Доменный процесс основан на восстановлении железа из руды действием окиси углерода также попадает в воздух, загрязняя его). Круговорот железа в природе происходит за счет жизнедеятельности железобактерий. Они широко распространены в водоемах, содержащих закись железа. Аутотрофные железобактерии используют растворимые закисные соли железа как источник получения энергии для биосинтетических процессов в клетке. Они переводят закисное железо в окисное. Образующийся гидрат окиси железа откладывается в виде чехла в их слизистой оболочке. После отмирания железобактерий образуются болотные или озерные руды. Основные группы цикла железа: аэробные железобактерии, железоредукторы, магентитобразующие бактерии, магнитотактические бактерии. Химический элемент железо широко распространен в природе, встречается в виде органических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных организмов. Содержится в гемоглобине крови и дыхательных ферментах цитохромах, необходим для образования хлорофилла у растений, хотя и не входит в его состав [13].

3.2. БИОЛОГИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ ЖЕЛЕЗА

В земной экосистеме растения сначала поглощают железо через корни из почвы. Это предельно важное питательное вещество, которое перемещается между живыми организмами и геосферой. Железо является важным ограничивающим питательным веществом для растений, которые используют его для производства хлорофилла. Фотосинтез зависит от адекватного снабжения этим металлом [11].

Животные потребляют растения, где железо в крови участвует в окислительно-восстановительных реакциях, играющих важную роль в обмене веществ и питании животного. Когда они умирают, они разлагаются и бактерии возвращают металл в почву [11].

Рисунок 4. Биологический круговорот железа

3.3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

Железо – лидер металлов и оно поступает в окружающую среду в максимальном количестве. Это отражается на почвообразовательном процессе и на загрязнении растительной продукции, выращиваемой на данных территориях.

Железо придает воде неприятную красно-коричневую окраску, ухудшает ее вкус, вызывает развитие железобактерий, отложение осадка в трубах и их засорение. Высокое содержание железа в воде приводит к неблагоприятному воздействию на кожу, может сказаться на морфологическом составе крови, способствует возникновению аллергических реакций [6].

Лесные хозяйства и открытый дренаж — источники большого количества веществ, попадающих в пресную воду, в первую очередь железа, алюминия и кадмия. С ростом деревьев кислотность лесной почвы увеличивается, и проливные дожди образуют очень кислые стоки, губительные для живой природы [1].

Влияние горнодобывающей промышленности на состояние геологической среды проявляется как в изменении геологического строения районов добычи, так и в активизации наведенных геодинамических и экзогенных геологических процессов. Из геомеханических явлений наиболее широко представлены: сдвижение горных масс, обрушения, обвалы, осыпи, горные удары, оползни, сели, эрозия, дефляция, суффозия, прорывы плывунов и др. Проявление геомеханических явлений обусловлено собственно техногенными и антропогенными процессами: перемещением горных масс, изменением местного базиса эрозии и разрушением горных массивов, минеральных агрегатов и индивидов с образованием дисперсных обломочных фракций большой удельной поверхности. С перемещением горных масс связаны изменение местного базиса эрозии и, как следствие этого, усиление энергии рельефа, от которого зависит скорость и направление геомеханических процессов [2].

Железо – широко распространенный элемент земной коры, который лимитирует качество речных вод. Основными источниками его поступления в русловую сеть являются процессы химического выветривания горных пород, подземный сток, сточные воды про­мышленности и сельского хозяйства [13].

В речной воде железо находится в растворенном, взвешенном и коллоидном состояниях. Во взвешен­ную форму принято выделять частицы размером бо­лее 0,45 мкм, представляющие собой железосодержа­щие минералы и сорбированные на взвеси соединения железа. Растворенное железо может находиться в ионной форме, в виде комплексных соединений с ми­неральными и органическими веществами. На формы железа и их содержание большое влияние оказывают значения рН, концентрации органических кис­лот, растворенного кислорода, сероводорода, диокси­да углерода, а также микроорганизмы, окисляющие и восстанавливающие железо. Для обозначения сум­марной концентрации растворенных форм железа ис­пользуют термин «железо общее», ПДК которого в воде рыбохозяйственных объектов составляет 0,1 мг/л. Под «валовым содержанием» подразумевают сум­марное содержание в воде растворенных и взвешен­ных форм железа, ПДК которого в водных объектах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назна­чения составляет 0,3 мг/л [9].

Если говорить о Курганской области, то воды Тобола поступают с территории Республики Казахстан со значительным загрязнением (медь, цинк, железо, марганец, фенолы, органические вещества, биогенные элементы). Наиболее загрязненным является участок реки возле д. Костоусово. На загрязнение также влияет сброс сточных вод предприятиями города Кургана. А в подземных водах, которыми пользуется большинство населения области, много железа: Шумихе, Сафакулево, Щучьем [19].

Подведя итог, по экологическим проблемам загрязнения железа, можно выделить главные:

1. Истощение литосферы.

2. Загрязнение сред жизни (в особенности гидросферы и литосферы).

3. Торможение роста и развития биологических организмов.

4. Ухудшение здоровья у человека и животных.

Выводы по третьей главе:

В первом параграфе третьей главы мы рассмотрели геологический круговорот железа. Были составлены схемы круговорота данного элемента. И выяснили в какой среде содержание выше.

Во втором параграфе мы изучили биологический круговорот железа, так же была составлена схема круговорота.

В третьем параграфе мы изучили экологические проблемы загрязнения железа окружающую среду. Так же были выделены главные проблемы, самой важной которая является истощение литосферы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе написания курсовой работы цель курсовой работы была выполнена, а именно: изучение этапов геологического и биологического круговорота железа, исследование его значения для животных, растений и человека. Рассмотрение возможного состава и факторов, влияющих на подземные воды.

Актуальность данной курсовой работы заключается в понимании того, что подземные воды, которые являются одновременно частью недр и частью общих водных ресурсов, представляют собой ценнейшее полезное ископаемое, использование которого в экономике и социальной сфере с каждым годом возрастает.

При написании курсовой работы был проведен анализ различных литературных источников, вследствие чего провелись теоретические обоснования влияния факторов окружающей среды на соединения железа. Так же была рассмотрена методика исследования биологического и геологического круговорота железа, составлены схемы круговоротов.

Главными источниками соединений железа в подземных водах являются процессы химического вымывания из горных пород, сопровождающиеся их механическим разрушением и растворением. В процессе взаимодействия с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами образуется сложный комплекс соединений железа, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и сельскохозяйственными стоками. Изучая указанные аспекты учитывались взаимодействия железа с другими экосистемами. Рассматривались особенности геологического и биологического круговорота.

Мы рассмотрели и разработали наглядные биологический, геологический и антропогенный круговороты выбранного элемента. Переработали информацию о взаимодействии железа с различными биологическими организмами, а также осмотрели основные экологические проблемы. Основываясь изученными материалами можно сделать вывод, что железо необходимо всем живым организмам, но его дефицит и избыток ведут к неблагоприятным последствиям, которые затрудняют нормальную жизнедеятельность живых организмов.

Подводя итог вышесказанного, следует отметить, что все поставленные задачи были достигнуты, а именно:

1. Аналитическая – провели анализ литературных источников и выявили степень разработанности проблемы исследования;

2. Теоретико-моделирующая – провели теоретическое обоснование влияния антропогенных факторов и факторов окружающей среды на соединения железа, разработали модель влияния факторов окружающей среды на исследуемое вещество;

3. Методическая – рассмотрели методику исследования биологического и геологического круговорота железа, описали характеристику объекта исследования;

4. Опытно-экспериментальная – провели анализ химического и биологического состава подземных вод, выявили особенности природных вод Курганской области; разработали схемы круговорота химического элемента.

5. Прикладная − обнаружили проблемы дефицита железа у людей и животных, но избытка у растений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

«Необычные свойства обычных металлов», В.А.Займовский, Т.Л.Колупаева, библиотека “Квант”

«Химия и научно-технический прогресс», И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня, Москва “Просвещение” 1999г. .(для учеников 10-11 классов)

«Энциклопедический словарь юного химика», Москва 2000г.

Антипин В.И., Барабашкин М.Я., Сигов А.П. Подземные воды Зауралья и возможности их использования для водоснабжения колхозов, совхозов и МТС // Гидрогеологический сборник по вопросам водоснабжения сельского хозяйства в районах Урала и Зауралья. - М.: Госгеолтехиздат, 1956. - С.9-34.

Бондарев В.П. Геология. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. – М.: Форум: Инфра М., 2002. – 224 с.

В.А. Исидоров – «Введение в химическую экотоксикологию» («Химиздат», 1999г.)

Всеволожский В.А., Манукян Д.А., Штенгелов Р.С. Условия формирования и особенности оценки ресурсов подземных вод Тобольского бассейна //Изучение и картирование ресурсов подземных вод.-М.: Наука, 1974. - С.159-170.

Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 432 с.

Источник: https://www.activestudy.info/zhelezo-v-razvitii-zhivotnyx/ © Зооинженерный факультет МСХА

Киссин И.Г. Вода под землёй. – М.: Наука, 1976. – 224 с.

Краткая химическая энциклопедия; издательство «Советская энциклопедия», 1963г.)

Ланге O. K. Подземные воды СССР, ч. 1-2, М., 1959--1963.

М.Х. Карапетьянц, С.И. Дракин – «Общая и неорганическая химия» (издательство «Химия», 1981г.)

Н.А. Глинка – «Общая химия» (издательство «Химия», 1975г.)

Саваренский Ф. П., Гидрогеология, М., 1935; Ланге О. К., Гидрогеология, М., 1969.

Славянова Л.В. Подземные воды Курганской области и их использование для водоснабжения //Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии. - М.: Госгеолтехиздат, 1961. - Сб.19. - С.3 - 21.

Справочник «Вредные химические вещества, неорганические соединения элементов V-VIII групп» (издательство «Химия», 1989г.)

Справочное руководство гидрогеолога. В 2 томах. Под ред. В.П. Якуцени. – Л.: Недра, 1967. – Т.1. – 592с

Умова Л.А., Цаур Г.И., Шатров В.П. Палеогеография Восточного склона Урала и Зауралья в меловое и палеоценовое время. - Свердловск, 1968.

Черданцев В.А., Пивон Ю.И. Методические указания по дисциплине: «Гидрология». – Новосибирск: НГАЭиУ, 2004, 112 с.

Штенгелов Р. С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. - М.: Недра, 1988. - 231 с.

Штенгелов Р.С., Всеволожская М.А. Районирование артезианской области по условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод (на примере нижнеэоценового водоносного горизонта Тобольского бассейна) // Оценка и рациональное использование ресурсов подземных вод.- М.: Наука, 1980.- С.207-222.

Просмотров работы: 6