Коллоидная и сорбированная формы мигорации

Значительное количество труднорастворимых веществ пееносится в коллоидной форме. Например, это железо, кремний.

Коллоидные частицы, относимые к про­мышленным, образуется в результате сжигания топлива. Часть их поступает в атмосферу при горении, часть (в виде золы) - в раз­личные накопители. Из последних частицы золы различными способами поступают в соседние ландшафты. Отметим, что золь­ность дров колеблется в зависимости от вида растений в преде­лах 0,5-3%, а угля - от 12 до 40%. Количество пыли, выделяе­мое при сжигании нефти, составляет око­ло 0,1%, а при аналогичном сгорании 10000 м3 газа ее вьделяет­ся около 1 кг.

Значительная часть поступающих в атмосферу твердых колло­идных частиц изначально содержит тяжелые металлы, способст­вуя отмечаемой многими исследователями металлизации биосфе­ры. от металлургических предприятий таким путем поступают в значительных количествах Fe, Мп, Со, Аs, РЬ, Zn, W, Cu, Cd и др. От ТЭЦ, сжиrающей около 500 т угля в сутки, ежегодно выбра­сывается в атмосферу примерно: V - 37, РЬ - 21, As - 20, F -­13, Ni - 10, Ве - 1 т. Не меньшие их количества дополнитель­но поступают в атмосферу из золонакопителей.

Однако даже те твердые аэрозоли промышленного происхож­дения, которые первоначально содержат металлы в количествах близких к кларковым, ко времени осаждения существенно обога­щаются многими элементами за счет сорбции. Это связано с тем, что в атмосфере селитебных ландшафтов (а имен­но в них расположено подавляющее большинство предприятий) обычно повышена концентрация металлов (Процессу сорбции способствуют малые размеры частиц, выбрасываемых с дымами в атмосферу. Так, диаметр частиц оксидов цветных ме­таллов, как правило, не превышает 1 мкм, а цементной пыли ­10 мкм.

В результате осаждения промышленных аэрозолей состав об­разующихся крупных техногенных аномалий идентичен. При этом во многих лито- и биогеохимических аномалиях коэффици­ент аномальности ряда элементов, находящихся в наибольпmx кон­центрациях и относимых к так называемым приоритетным загряз­няющими веществами, может быть в 1000 раз выше, чем у дру­гих элементов, составляющих эти же аномалии. Крупные лито- и биоreoхимические аномалии, образующиеся за счет осаждения тех­ногенных аэрозолей, часто встречаются вблизи относительно не­ больших селитебных ландшафтов (регионального' и местного зна­чения), а также у рудников и обогатительных фабрик. На юге ев­ропейской части России около крупных промышленных городов(государственного значения) такие аномалии не установлены. Эго можно объяснить двумя основными причинами.

Во-первых, города с числом жителей около 1 млн и более рас­положены в регионе среди пашен. В их почвах при постоянных перепахиваниях происходит усреднение содержания поллютантов на больших площадях. В результате идет постепенное увеличение фоновой концентрации загрязняющих веществ в почвах аrpo­ландшафтов, а не формирование техногенных аномалий.

Во-вторых, в городах государственного значения всегда нахо­дятся разноплановые предприятия (см. 7.2.1), выбрасывающие в атмосферу аэрозоли разного состава и зарядов. Обычно основные вещества (СаО, ZnO, MgO, Fе2Оз и т.д.) заряжены отрицательно, а кислые (Si02, P20s и т.д.) и угольная пыль - положительно. Чем больше разноименно заряженных частиц находится в определен­ной части атмосферы (над отдельным предприятием, городом), темчаще они сталкиваются, соединяются и оседают (Б.А. Алексеен­ко,1994). Расчеты показывают, что скорость оседания коллоидныхчастиц в воздухе в 600 раз больше, чем в воде.

Итак, чем больше разнообразных предприятий - источников разнозаряженных аэрозолей находится рядом, тем меньше стано­вится дальность переноса частиц аэрозолей. В данном случае, с од­ной стороны, уменьшаются глобальные (с точки зрения простран­ственного распространения) последствия атмосферного перено­са коллоидов техногенной природы, а с другой стороны, на от­носительно небольшой территории (обычно с максимальной плотностью населения, среди которого дети с еще только форми­рующимся организмом) оседает максимум загрязняющих веществ в коллоидной форме. В результате резко возрастает их токсичное воздействие.

Это, при учете большого количества крупных промышленных центров в различных частях биосферы, позволяет относить послед­ствия рассматриваемого переноса к глобальным явлениям в би­осфере. Здесь уместно отметить, что отрицательные последствия концентрации веществ из аэрозолей не всегда пропорциональны массе последних. Миллиграммы аэрозолей РЬ, находящиеся в ат­мосфере городов и попавшие через легкие в организм человека, гораздо опаснее килограммов природных глинистых частиц, пе­реносимых в виде аэрозолей.

В результате осаждения большого количества аэрозолей в чер­те городов в их почвах и растениях повышены концентрации многих химических элементов, и в первую очередь металлов. Так, в относительно небольшом городе Новороссийске (менее 500 тыс. жителей), где практически отсутствуют металлургические предпри­ятия, превышение содержания в почвах металлов по отношению фоновому содержанию в соседних природных ландшафтах со­ставляет на 36 км2: Sr - 2200, Zn - 1190, РЬ - 1000, Си - 262, Sп - 43, Мо - 7, Ag - 1 т.

Резкое повышение концентрации металлов в городских поч­вах за счет осаждения коллоидных частиц наблюдается во всех круп­ных городах мира. Наиболее сильно увеличивается концентрация металлов в городах с преобладанием металлургических и химиче­ких предприятий Почвы значительных по размерам селитебных ландшафтов можно рассматривать как крупные техногенные ли­тохимические аномалии, образовавшиеся преимущественно за счет осаждения коллоидных частиц из атмосферного воздуха. Ос­новными источниками этих частиц являются различные промы­шленные предприятия и транспорт.

Изучение таких аномалий показало, что, несмотря на различ­ные климатические и ландшафтно-геохимические условия, а так­же на преобладание в городах различных предприятий, элемент­ный состав всех изучаемых аномалий практически одинаков: РЬ, Zn, Си, Мо, Со, Cr, Ва, Ni, Мп, У, Ga, Ti, Sr. Однако значения коэффициентов аномальности этих элементов могут существен­но отличаться. Содержание одних элементов незначительно отли­чается от фонового), а других - превышает фоновое в ты­сячи раз. Элементы, концентрации которых в техногенных ано­малиях высока, называют «приоритетными» загрязнителями.

В городских растениях также отмечаются повышенные концен­трации практически тех же химических элементов, что и в поч­вах. Следовательно, крупные промышленные города можно рас­сматривать и как техногенные биоreoхимические аномалии РЬ, Zn, Cu, Мо и Т.д. того же генезиса, что почвенные аномалии. Следу­ет отметить, что зоны максимальных концентраций загрязняющих элементов в почвах и растениях часто могуг не совпадать, что объ­ясняется многими факторами (см. 6.4.2).

Растения и животные (включая людей), живу­щие или находящиеся продолжительное время в местах образо­вания техногенных аномалий металлов за становятся более подверженными различным за­болеваниям. У растений развиваются хлороз, некроз, суховеточ­ность и суховершинность. У людей чаще всего возникают различ­ные аллергические заболевания, а также болезни дыхательных пу­тей и легких. При дальнейшем повышении концентраций тяжелых метатюв, осажцающихся из аэрозолей, возникают расстройства нерв­ной системы, начинает проявляться четкая корреляция числа он­кологических заболеваний с концентрацией металлов.

Промышленные предприятия, кроме того, выбрасывают в ат­мосферу громадное количество паров и газов различного соста­ва.. Из них обра­зуются различные аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, в том чис­ле различные кислоты Особенно много их образуется при пере­работке на металлургических предприятиях сульфидных руд. В рай­онах действия таких предприятий особо часты кислотные осадки.

К кислотным осадкам относятся воды дождя и снега с вели­чиной РН < 6,5. Кроме выбросов серы и ее оксидов, обычно свя­занных с переработкой сульфидных руд, важным источником промышленных коллоидов с жидкой дисперсной фазой могуг быть выбросы в атмосферу N02 и HCl. Выпадение кислотных осад­ков приводит к гибели ряда организмов в почвах и водоемах (от­мечены случаи гибели даже рыб), снижению прироста лесов и их усыханию. К районам, подверженным воздействию кислотных осад­ков, относятся в первую очередь Центральный Казахстан, Запад­ная Европа, Канада и США. К районам, особо опасным по последствиям вы­падения кислотных осадков, следует отнести участки океаничес­ких мелководий, в пределах которых из-за невозможности размно­жения многих морских организмов может произойти глубокое на­рушение экологического равновесия, способное затронуть Миро­вой океан.

Промышленные предприятия и селитебные ландшафты в це­лом являются также источниками коллоидов в жидкой дисперсион­ной среде. Об их количестве и соотношении с природными кол­лоидами можно судить по следующим данным: от Москвы за год в речки поступает 20-30 тыс т взвешенных частиц (Ю.Е.Сает, 1990); в районе Вашингroна 1/5 часть взвешенных частиц поступает с ур­банизированных территорий, занимающих всего 1/50 площади во­досбора. Можно ориентировочно считать, что от населенных пунктов в аквальные ландшафты поступает в 2-5 раз больше взвешенных частиц, чем от природных.

О том, что значительная часть поступающего материала пред­ставлена коллоидными частицами, можно судить по разному (в 10 рази больше) увеличению в составе донных отложений, ниже горо­дов и их очистных сооружений, частиц размером меньше 0,005 мм.

Данных об элементном составе промышленных коллоидных ча­стиц в жидкой среде мало. Однако образующиеся при их большой концентрации аномалии в донных отложениях рек имеют анало­гичный состав (РЬ, Zn, Cu, Ni, Со, Fe и т.д.), даже если коллоиды поступали от различных и практически монопромышленных городов. При этом в аномалиях коэффициент концентрации «при­оритетных загрязняющих веществ может быть в десятки раз вы­ше, чем у ее остальных элементов.

При сельскохозяйственных работах основная масса коллоидов образуется в процессе обработки полей. Как уже указывалось, да­же самый легкий в стране трактор «Беларусь» после обработки 1 га земли оставляет после себя 13-14 т пыли. Ее легкие частицы очень быстро поднимаются в воздух, образуя аэрозоли. В резуль­тате в атмосферу попадают коллоиды почв, часть метаколлоидов снова переходит в коллоиды, а также поступает в атмосферу. Рас­сматриваемый процесс захватывет верхние, наиболее плодород­ные почвенные горизонты. Следовательно, увеличение количест­ва аэрозолей, вызванное сельскохозяйственной деятельностью, уменьшает плодородие почв.

Второстепенными (по массе) источниками коллоидных частиц являются удобрения и химические средства защиты определенных растений, истирающиеся орудия обработки почв и выхлопные га­зы транспорта. Но именно эти источники являются основными поставщиками металлов, которые либо образуют самостоятельные коллоиды, либо сорбируются многочисленными коллоидами гу­муса и глинистых минералов. С удобрениями из апатитовых кон­центратов в больших количествах поступают As, Sr, У, Nb, Cd, Sn, La, Се; из желваковых и ракушечных фосфоритов - Zn, As, Sr, У, Cd, Sn, La, Се, РЬ (Ю.Е. Сает и др., 1990).

За счет поверхностного стока значительная часть коллоид­ных частиц различного происхождения поступает в реки. При этом часть тяжелых металлов концентрируется в почвах пойм, образуя своеобразные пойменные аномалии