Основи біогеохімії

З біологічної точки зору, забруднення оточуючого середовища є оборотними і(або) необоротними змінами біогеохімічної структури екосистем. Ці зміни супроводжуються появою багатьох екологічних проблем, пов'язаних зі здоров'ям людини і станом екосистем.

Відповідно, можна визначити біогеохімію навколишнього середовища як біогеохімію сучасної біосфери.

Більшість питань, пов'язаних з глобальними екологічними проблемами парникових газів, руйнування озонового шару,

кислих дощів, трансграничного забруднення повітря і вод, тісно взаємозв'язані з біогеохімією оточуючого середовища.

Біогеохімія хлорорганічних сполук

Більшість хлорорганічних сполук виробляється штучним шляхом. Вони є ксенобіотиками, і для них не існує природних біогеохімічних  циклів.  Слід  відмітити,  однак,  що  деякі  морські  бактерії  продуцюють  СН3СІ,  який  випаровується  в атмосферу, так само окремі морські водорості можуть виробляти вторинні галогеновані метаболіти. Однак, більшість хлорорганічних  сполук є штучними продуктами,  які  не  існували  раніше  в  природних  умовах,  і для  яких  не  існувало природних біогеохімічних циклів.

Починаючи з 1990 року, більшість хто з екологів виступає за повне припинення виробництва і використання всіх хлорорганічних сполук. Практично це, однак, зробити неможливо, оскільки сучасні технологічні процеси використовують хлоровані речовини.

Біогеохімія Меркурію

Форми Меркурію в природі

Меркурій (Hg) є одним з самих рідкісних елементів – за різними оцінками кларк Hg складає 3-9 . 10-6  %. Більш високі концентрації характерні для осадових порід – глин, сланців (до 40 . 10-6 %). В більшості природних об'єктів Hg розсіяний, і тільки з гідротерм утворюються родовища, які належать, головним чином, до ртутно-сурм'яним провінціям Середземноморського   і  Тихоокеанського   рудних   поясів.   Меркурій   –   халькофіл,   із   16  його   мінералів   найбільш розповсюдженим є кіновар (HgS).

Порівняно з іншими важкими металами, важливу роль в геохімії Hg відіграє міграція в газоподібному стані. Доведено, що  в  газових  ореолах  Hg  може  бути  в  атомарному  стані,  у  формі  сульфідів,   різних   комплексонів,   хлоридів, меркурійорганічних сполук. В природі для Hg характерні елементарна, одно-, двовалентні форми, які залежать від рН і Eh середовища. В окисненій нейтральній і слабколужній обстановці переважає Hg 2+, в кислих відновних умовах починає домінувати елементарна Hg .

Меркурій в біосфері

Джерелом Hg для біосфери служать мантія, магма і гірські породи земної кори. По зонам глибинних розломів, рифтам, через вулкани гази надходять в  ландшафти.  В широкому  діапазоні  рН переважають  катіонні  і нейтральні  форми  Hg. Меркурій – хороший комплексоутворювач, особливо велика роль гумусових кислот. За стійкістю гуматних і фульватних комплексів Hg займає перше місце серед важких металів.

Виробництво і промислове використання

Меркурій є відносно рідким елементом, присутнім в земній корі у вигляді сульфіда меркурію HgS, або кіноварі. В деяких місцевостях Hg залягає в самородному вигляді, вкраплена в гірські породи, наприклад, в Сілезії, Польща.

Ртуть використовується при виробництві фунгіцидів, які застосовуються в сільському господарстві для протравлення насіння, при виробництві ламп денного світла, кварцових ламп, ртутних батарей, медичних термометрів. Велика кількість ртуті застосовується також у вигляді амальгам для лікування і протезування зубів.

Міграція Меркурію в біогеохімічних харчових ланцюгах

Як і інші важкі елементи Періодичної системи, Hg отруйний. Завдяки рухомості Hg до певних меж легко поглинається рослинами, і за біофільністю близький до інших халькофілів – Cu, Pb. Фоновий вміст Hg в наземних рослинах коливається в широкому діапазоні, але, вочевидь, не перевищує 0,1 мг/кг сухої маси. В зерні злакових  культур в середньому 0,01 мг/кг Hg.

Звичайною формою Меркурію у водних розчинах є йон Hg2+. Меркурій має дві окисні форми Hg (І) і Hg (ІІ), але перша з них, яка містить незвичайний йон Hg - Hg +, стабільна тільки у вигляді нерозчинних солей, таких як Hg2СІ2.

Меркурій (ІІ) – дуже "м'яка" кислота, яка формує стабільні комплекси переважно з "м'якими" основами, такі як сіркові ліганди (нагадаємо, що Hg знаходиться в природних умовах у вигляді сульфіду).  При збільшенні рН водневого розчину Меркурій випадає в осад у вигляді HgО; HgО має обмежену розчинність у воді і це може бути описано реакцією гідроксиду Hg (ІІ).

 

Метилювання Меркурію

 

Фактором, який в значній мірі ускладнює хімію Меркурію в оточуючому середовищі, є його біологічне метилювання у формах СН3Hg + і (СН3)2Hg, які набагато токсичніші і ліпофільніші, ніж неорганічний Меркурій. Більш висока токсичність органічних  похідних  Меркурію  обумовлена  розчинністю  в  жирах,  де  відбувається  їх  біоконцентрування,  а  також  їх здатністю  долати  бар'єри  між  кровоносними  судинами  і  мозком.  Тим  самим  викликаються  неврологічні  симптоми, пов'язані з інтоксикацією ртуттю.

Встановлено, що 10 % Меркурію у водоймах представлено у вигляді СН3Hg +; при цьому спостерігається кореляція між розчинним АІ і розчинною Hg, яка зростає з пониженням  рН. Це може свідчити  про посилення метилювання ртуті при підкисненні вод внаслідок випадання кислих дощів.

Біогеохімія Плюмбуму

Форми Плюмбуму в природі

Кларк Плюмбуму (Pb) дорівнює 1,6 . 10-3 %, в значній мірі він зосереджений у верхній частині земної кори – в гранітному і осадовому шарах. Плюмбум типовий халькофільний елемент, відомо біля 80 його мінералів – сульфідів (галеніт – PbS), сульфатів