Подписаться
Оглавление

Ты не пройдёшь: техногенные геохимические барьеры на страже окружающей среды

  • 241
  • 0,6
  • 0
  • 3
Добавить в избранное
Обзор

Биогеохимический круговорот веществ

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Загрязнение почв и водоемов в результате хозяйственной деятельности человека — одна из самых важных проблем окружающей среды в наше время. Литосфера (верхняя оболочка Земли) и гидросфера активно используются человеком сотни лет при добыче полезных ископаемых и ведении сельского хозяйства. В результате хозяйственной деятельности человека несвойственные определенным местам химические элементы могут легко там оказаться, что вряд ли случилось бы при их естественном круговороте. Рассмотрим один из перспективных методов ликвидации и локализации загрязнения почв и водных объектов — создание техногенных геохимических барьеров, которые могут препятствовать «расползанию» загрязнений.

Конкурс «био/мол/текст»-2018

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2018.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


Genotek

Спонсором приза зрительских симпатий выступил медико-генетический центр Genotek.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Прости, Земля!
Мы ведь еще растем.
Своих детей прости за все, за все.
Поверь, Земля, люди найдут пути
Спасти тебя, себя спасти.

Леонид Дербенев. Прости, Земля

Ни перешагнуть, ни перепрыгнуть!

Термин «геохимический барьер» впервые ввел в науку известный советский геохимик и почвовед Александр Перельман в 1961 году для выделения участков в земной коре или в окружающих нас ландшафтах, где на коротком расстоянии происходит резкое снижение интенсивности миграции тех или иных химических элементов и как следствие — их накопление [2]. Иными словами, геохимическим барьером можно назвать любой участок ландшафта, где происходит накопление определенных химических элементов. Геохимические барьеры, как и многие природные среды, не имеют четко выраженных границ.

Геохимические барьеры принято разделять по происхождению на три большие группы: природные, техногенные и природно-техногенные (рис. 1). Дальнейшее их разделение основано на формах миграции химических элементов. Существует множество природных и техногенных факторов, приводящих к замедлению миграции элементов и их последующему накоплению [3].

Принцип классификации геохимических барьеров

Рисунок 1. Принцип классификации геохимических барьеров

[3], рисунок с изменениями

Примером природного геохимического барьера могут служить «черные курильщики» — трубовидные образования на дне океанов в зонах разлома земной коры (рис. 2). Они могут достигать высоты в несколько десятков метров и возникают за счет осаждения сульфидов железа, никеля и меди, которое происходит при контакте горячих геотермальных вод (до 350 °C) с холодными океаническими водами, — это температурный барьер [4].

«Черные курильщики»

Рисунок 2. «Черные курильщики» (гидротермальные источники срединно-океанических хребтов). Геотермальные воды в этих зонах разлома земной коры изливаются беспрестанно, поэтому черные курильщики «растут» без остановки. Впервые были открыты и задокументированы при погружении батискафа «Алвин» в 1977 году [5]. По мнению некоторых ученых, жизнь на Земле могла зародиться в подобных гидротермальных источниках [6].

Весьма наглядным примером техногенного геохимического барьера могут служить плотины и прочие гидротехнические сооружения, созданные для удержания воды в водохранилищах для нужд населения (рис. 3). Результатом строительства подобных комплексов является не только задержание воды в ограниченных пространствах, но и осаждение обломочного материала и накопление определенных химических элементов в пределах территорий, ограниченных плотиной [7].

Чиркейская ГЭС

Рисунок 3. Чиркейская ГЭС (Республика Дагестан, Буйнакский район, река Сулак)

сайт flickr.com

Накапливать в себе химические элементы свойственно также и живым организмам (биогеохимические барьеры). Если изучить элементный состав любого организма, то можно заметить, что определенным видам свойственны определенные химические элементы. Некоторые морские водоросли содержат в себе много йода, что связано с высокой его концентрацией в океане в доступной форме для усвоения [8]. Способность растений накапливать химические элементы (избирательная способность) напрямую зависит от их среды обитания. Свидетельством тому могут быть растения, произраставшие на Земле миллионы лет назад. Каменный уголь образовался из органических остатков растений, которые в процессе своей жизнедеятельности поглощали из атмосферы углекислый газ — являлись биогеохимическими барьерами, накапливающими в своих тканях углерод [9]. Весьма любопытен тот факт, что при использовании угля в качестве горючего топлива, углерод попадает в атмосферу, и поглощается современными растениями спустя миллионы лет после того, как это делали их далекие предки (рис. 4) [10].

Круговорот углерода в природе

Рисунок 4. Круговорот углерода в природе

Отразить и обезвредить!

Владимир Иванович Вернадский

Рисунок 5. Владимир Иванович Вернадский в 1934 году. Создатель науки биогеохимии.

Мы уже не охотники и собиратели, какими были десятки тысяч лет назад. Человечество с каждым годом потребляет все больше ресурсов и совершенствует способы их добычи, так как добывать их все труднее, а потребность в них быстро растет. По подсчетам известного советского ученого-геохимика Владимира Вернадского (рис. 5), уже в античную эпоху человек добывал и использовал 19 химических элементов, в XVIII веке — 28, в XIX — 50, в начале XX — 60. Если в советское время важнейшей целью развития геохимии были поиски месторождений полезных ископаемых, то в настоящее время с помощью знаний в этой области науки можно ликвидировать последствия эксплуатации старых и современных месторождений.

Ярким доказательством реального применения геохимических барьеров при ликвидации последствий добычи полезных ископаемых может служить опыт российских ученых. В девяностые годы в России ликвидировали огромное количество угольных шахт, что привело к серьезным экологическим проблемам, которые требовали незамедлительного решения. Одним из примеров может служить Кизеловский угольный бассейн (Пермский край), на территории которого добывали каменный уголь около двухсот лет, начиная с конца восемнадцатого века. В 1997 году шахты Кизелбасса были закрыты, что привело к их затоплению грунтовыми водами, так как после окончания эксплуатации шахт остались огромные пустые пространства под землей (рис. 6).

Шахта «Усьва-3» Кизеловского угольного бассейна

Рисунок 6. Шахта «Усьва-3» Кизеловского угольного бассейна

Воды при контакте с горными породами обогащались сульфатами железа, алюминия и тяжелых металлов и становились кислыми (происходило изменение pH). Это привело к серьезному загрязнению гидросети прилежащих территорий, так как грунтовые воды подпитывают реки. Также проблемой этой огромной территории являются отвалы горных пород (рис. 7), которых за время эксплуатации шахт накопилось около 35 млн м3. Атмосферные осадки при контакте с отвалами насыщаются растворимыми соединениями, что приводит к загрязнению рек, почв и грунтовых вод [11]. Для решения этой проблемы предложили использовать отходы ОАО «Березниковского содового завода» для нейтрализации кислых шахтных вод, что можно считать щелочным барьером [12]. Щелочные отходы содового производства, складирование которых было большой проблемой, сыграли свою роль в улучшении экологической ситуации территории и при этом совершенно не потребовали никакой дополнительной подготовки к использованию в качестве геохимического барьера.

Шахта № 6 «Капитальная»

Рисунок 7. Отвалы горных пород вблизи шахты № 6 «Капитальная». Почвенный покров у подножий отвалов находится в критическом состоянии.

Также имеются экспериментальные данные использования щелочных геохимических барьеров для очистки щелочных сточных вод от фтора (обесфторивание), образовавшихся при сжигании больших объемов угля на угольных электростанциях. А в качестве материала для создания барьера послужили осадочные карбонатные породы [13].

Высокой эффективностью обладают и сорбционные барьеры в виде комплексных экранов, которые могут защищать от загрязнения поверхностные, подземные воды и почвы. Материалами для создания экранов могут служить глины, суглинки и торф — осадочные породы, обладающие низкой пропускной способностью для определенных групп химических элементов. Экраны являются перспективной идеей при локализации существующих загрязнений, проектировании полигонов отходов промышленности, энергетики и твердых коммунальных отходов (рис. 8) [14].

Схема захоронения твердых коммунальных отходов (ТКО)

Рисунок 8. Схема захоронения твердых коммунальных отходов (ТКО). Для создания полигонов наиболее перспективными являются территории с небольшой глубиной залегания глин и тяжелых суглинков.

Биотехнологии спешат на помощь!

Неправильно спроектированные полигоны ТКО наносят вред, как правило, небольшим территориям, что редко можно сказать о нефтяных загрязнениях, которые могут занимать огромные площади водных поверхностей и суши. Одним из самых крупных нефтяных загрязнений современности считается разлив нефти в Мексиканском заливе, последовавший после взрыва нефтяной платформы Deepwater Horizon. Для ликвидации последствий взрыва платформы использовали самые различные технологии. Некоторые из них признали неэффективными и даже опасными для экосистем. Например, использовали диспергенты, которые разрушают нефтяную пленку, но при этом опасны для некоторых гидробионтов, так как способны разъедать их мягкие ткани. Также стоит отметить, что подобные ПАВы не решают проблему полноценно, так как только дробят нефтяное пятно на мелкие капли. Для более безопасного разрешения сложившейся ситуации предложили использовать методы биоремедиации, которые в свою очередь являются биогеохимическими барьерами [15]. Эти методы заключаются в использовании живых организмов для очистки различных природных компонентов. Для ликвидации нефтяного пятна применили бактерии-нефтедеструкторы рода Arthrobacter, служащие хорошими ликвидаторами нефтепродуктов и при этом не наносящие вреда окружающей среде, так как распространены практически повсеместно (рис. 9). Технология использования бактерий-нефтедеструкторов доказала свою эффективность и была использована в устройстве, запатентованном российскими микробиологами «НИИ экологии и рационального использования природных ресурсов ТюмГУ» [16]. Также нефтедеструкторы можно применять для очищения почв. На кафедре биохимии и физиологии клетки Воронежского государственного университета совместно с Проектной организацией ООО «ВЕГА-эко» была доказана эффективность штаммов Acinetobacter для ликвидации нефтяных загрязнений почвенного покрова, а также были изучены проблемы и перспективы применения биомередиации (например, проблема предела биодоступности углеводородов в грунте) [15].

Пример эффективности бактерий-нефтедеструкторов

Рисунок 9. Пример эффективности бактерий-нефтедеструкторов. Слева — опытная колба со штаммами бактерий Acinetobacter. Справа — контрольная колба без бактерий.

Биотехнологии могут служить в качестве биогеохимических барьеров для ликвидации загрязнений почвы ядохимикатами. Одним из таких примеров является перспективный метод использования бактерий актиномицетов для устранения загрязнений почвы некоторыми видами пестицидов, с которыми данные бактерии с легкостью справляются [17]. Как показывают многочисленные наблюдения, биосфера без вмешательства человека способна избавляться от некоторых видов загрязнения с помощью самых разных естественных механизмов. Использование биотехнологий в охране окружающей среды расширяет спектр решаемых проблем, возникающих в результате различных видов человеческой деятельности [18].

Барьер — он и в Африке барьер!

Помимо добычи полезных ископаемых большой вклад в экологическую обстановку современности вносит и сельское хозяйство, которое тоже является не менее важной отраслью экономики. Наиболее значимую и заметную роль в ухудшение состояния окружающей среды вносит растениеводство. Бóльшая часть территории России непригодна для сельского хозяйства, поэтому регионы с благоприятными климатическими условиями испытывают большую антропогенную нагрузку, которая приводит к истощению и загрязнению почв и водных ресурсов [19]. Внесение удобрений, использование ядохимикатов и нарушение целостности почвенных горизонтов (как результат вспашки земли) являются основными причинами негативных экологических последствий сельскохозяйственной деятельности.

Даже в этой отрасли нашлось применение геохимическим барьерам. Уже в советское время проводили исследования их использования. Одним из таких исследований является использование щелочного геохимического барьера для локализации загрязнения почвы медью на территории виноградников Молдавии. В данном регионе созданы благоприятные климатические условия для выращивания винограда и других теплолюбивых культур, поэтому почвы здесь испытывали высокую антропогенную нагрузку. Многие десятилетия в почву виноградников вносили смесь медного купороса с известковым молоком — бордоскую жидкость, которая используется в растениеводстве в качестве фунгицида (вещества для борьбы с грибковыми болезнями растений). Виноградники, по большей части, располагались на склонах, поэтому во время выпадения атмосферных осадков происходил вынос медьсодержащих соединений в реки. Для решения этой проблемы предложили проект по локализации техногенной меди [20]. Идея заключалась в создании щелочного геохимического барьера из карбоната кальция, который должен был предотвратить миграцию меди (рис. 10). В полевых условиях был поставлен эксперимент, в результате которого сделали ров, заполненный отходами камнепильного производства (смесь карбонатных пород с песком) и отобраны образцы почвы для химического анализа. По сценарию эксперимента повторный отбор и анализ проб почвы был проведен через полгода и показал ожидаемый результат. Эффективность метода была бесспорно доказана.

Площадка для испытания искусственного щелочного техногенного барьера

Рисунок 10. Площадка для испытания искусственного щелочного техногенного барьера. аНачало эксперимента: 1 — медьсодержащие ядохимикаты; 2 — тело барьера (траншея, заполненная известковой крошкой); 3 — места отбора проб. бРаспределение меди на испытательной площадке через полгода после начала эксперимента (в n×10−3%): 1 — от 5 до 10; 2 — 5–10; 3 — 10–15; 4 — >15; 5 — тело барьера, 6 — место отбора проб.

[24], рисунок с изменениями

Защитные лесонасаждения (лесополосы), распространенные в засушливых сельскохозяйственных регионах, также являются хорошим примером использования техногенных барьеров. Основными целями создания подобных насаждений являются: защита сельскохозяйственных полей от губительного влияния суховеев и интенсивного испарения воды, предотвращение образования наносов снега и песка вдоль железных и автомобильных дорог. Благоприятным последствием создания лесополос также можно считать появление новых мест обитания для многих птиц и зверей. Примером создания таких насаждений может служить проект Африканского союза — «Великая зеленая стена» (Great green wall), — направленный на борьбу с расширением пустыни Сахара на юг Африки (рис. 11) [21]. Подобный проект был реализован и в Китае для борьбы с опустыниванием и песчаными бурями, которые угрожают северной части страны — наиболее густонаселенной и в то же время засушливой [22].

Зона тропических саванн

Рисунок 11. Зона тропических саванн — Сахель (выделена оранжевым). Отделяет пустыню от влажных лесов Африки. «Великая зеленая стена», согласно проекту, принятому Африканским союзом, должна проходить по северной границе Сахеля и защищать почвы от эрозии и опустынивания [21].

Примерами подобных проектов могут послужить лесополосы многих сельскохозяйственных регионов России, которые призваны бороться с факторами, ограничивающими ведение сельского хозяйства (рис. 12) Проекты по созданию защитных лесонасаждений были задуманы в СССР еще в конце сороковых годов [23]. В ходе проекта было создано несколько крупных лесополос общей протяженностью более 5300 километров. Многие лесонасаждения до сих пор поддерживаются и охраняются государством, а некоторые из них стали ботаническими памятниками природы.

Государственная лесозащитная полоса Белая Калитва — Пенза

Рисунок 12. Государственная лесозащитная полоса Белая Калитва — Пенза. Имеет протяженность более 700 километров. Состоит из трех полос шириной 60 метров, расстояние между которыми равно 300 метрам [23].

Виды на будущее

Способность человека классифицировать природные явления имеет огромное значение в современной науке, потому что без разделения явлений на различные категории их было бы очень сложно полноценно изучать, находить им применение и использовать на благо человечества. Классификация и дальнейшее изучение геохимических барьеров является показательным примером важности классифицировать явления окружающего мира. Как вы могли убедиться, геохимические барьеры окружают нас повсюду и имеют самые разные масштабы и свойства.

Многие полагают, что научно-технический прогресс привел природу к такому удручающему состоянию, в котором она сейчас находится. Возможно, они правы, но не стоит забывать, что только при помощи научных идей и разработок эти проблемы можно решить и предотвратить их дальнейшее появление. Приводить примеры использования техногенных геохимических барьеров в целях охраны окружающей среды можно очень долго, так как их можно применять практически ко всем видам антропогенных загрязнений. Интересен тот факт, что большинство подобных технологий являются разработками российских ученых. Это связано с тем, что свое становление и развитие геохимия приобрела именно в России еще в начале двадцатого века. В настоящее время в нашей стране существует много научных школ, занимающихся проблемами развития геохимии и использованием ее методов в современном мире.

Литература

  1. Маева С.Г. Основы геохимии (раздел второй). Тирасполь: ПГУ им. Т.Г. Шевченко, 2016. — 120 с.;
  2. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: «Географгиз», 1961. — 391 с.;
  3. Алексеенко В.А. и Алексеенко Л.П. Геохимические барьеры. М.: «ЛОГОС», 2003. — 144 с.;
  4. Добровольская М.Г. Геохимия земной коры. М: РУДН, 2007. — 131 с.;
  5. Ken C. Macdonald, Keir Becker, F.N. Spiess, R.D. Ballard. (1980). Hydrothermal heat flux of the “black smoker” vents on the East Pacific Rise. Earth and Planetary Science Letters. 48, 1-7;
  6. К вопросу о происхождении жизни;
  7. Алиева В.И. Природные и техногенные потоки химических элементов в воде Братского водохранилища: автореф. дис. ... канд. геол.-минер. наук. — Иркутск, 2009. — 18 с.;
  8. Xiaolin Hou, Chifang Chai, Qinfang Qian, Xiaojun Yan, Xiao Fan. (1997). Determination of chemical species of iodine in some seaweeds (I). Science of The Total Environment. 204, 215-221;
  9. Войткевич Г.В. и Закруткин В.В. Основы геохимии. М.: «Высшая школа», 1976. — 368 с.;
  10. Robert A. Berner. (2003). The long-term carbon cycle, fossil fuels and atmospheric composition. Nature. 426, 323-326;
  11. Максимович Н.Г. и Хайрулина Е.А. Геохимические барьеры и охрана окружающей среды. Пермь: Перм. гос. ун-т., 2011. — 248 с.;
  12. Максимович Н.Г., Басов В.Н., Холостов С.Б. (2007). Способ нейтрализации кислых шахтных вод и установка для его осуществления. Патент № 2293063;
  13. A. V. Savenko. (2016). Experimental modeling of the immobilization of heavy metals at the carbonate adsorption–precipitation geochemical barrier. Geochem. Int.. 54, 719-731;
  14. Ставров О.А. Промышленная экология (часть вторая). М.: МАДИ, 2013. — 100 с.;
  15. Бактерии-нефтедеструкторы для биоремедиации супесчаных почв Воронежской области;
  16. Денека Ю.В. и Рядинский В.Ю. (2011). Устройство для очистки водоемов от загрязнений. Патент № 2431017;
  17. «Зеленые» революционеры;
  18. Биодеградация ксенобиотиков как самозащита природы;
  19. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения Российской федерации в 2015 году. М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2017. — 196 с.;
  20. Мырлян Н.Ф., Перельман А.И., Бургеля Н.К. (1981). Способ локализации техногенной меди. Патент СССР № 835968;
  21. Napolitano G. (2016). ‘Great Green Wall’ initiative offers unique opportunity to combat climate change in Africa — UN agency. United Nations News;
  22. Minghong Tan, Xiubin Li. (2015). Does the Green Great Wall effectively decrease dust storm intensity in China? A study based on NOAA NDVI and weather station data. Land Use Policy. 43, 42-47;
  23. О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах европейской части СССР. (1948). Постановление Совета Министров СССР и ЦК ВКП(б);
  24. Перельман А.И., Борисенко Е.Н., Мырлян Н.Ф., Тентюков М.П. Техногенные геохимические барьеры // I Всесоюзное совещание «Геохимия техногенеза» / Карпов И.К. М.: «Наука», 1990. — С. 14–26.

Комментарии