 |
|
|
ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТА |
Химический элементный состав организмов
|
Смотрите также:
История атомов и география - Перельман
Биографии геологов, почвоведов
|
Элементный состав конкретного организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места обитания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин
В процессе эволюции, смены поколений этот состав закрепился наследственностью и приобрел черты относительных биогеохимических констант. Так, в ряске малой 2,5% С, лишайнике кладония — 21,8%, в белой мыши — 12,5, в бабочке-капустнице — 20,5%. Клевер содержит 0,01% Na, солянки 1,5—2,0 и более процентов; во многих низших животных — 0,02—0,5% (все данные в % от живой массы). Это позволяет ввести понятие "биогеохимические особенности организмов" — содержание элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (вида, рода, семейства и т.д.). Можно говорить о геохимии растений (фитогеохимии), животных (зоогеохимии), человека (антропогеохимии), микроорганизмов. Можно говорить и о биогеохимической классификации организмов, зачатки которой наметились еще в прошлом столетии.
Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных кларках концентрации называется биогеохимической активностью вида (А.Д. Айвазян).
Она вычисляется отдельно для катионогенных и анионогенных элементов. А.А. Кист, С.М. Ткалич, У. Шоу и другие установили связь биогеохимической роли элементов с их положением в периодической системе. Возможен и надорганизменный уровень исследования — геохимическая характеристика сообществ растений и животных, биоценозов в целом.
Согласно А.П. Виноградову, элементный состав организма хранит признаки своего происхождения
Он предположил, что виды наземных животных и растений, обогащенные Na и С1, сформировались на засоленных территориях, что грубые почвы гор, пески, вулканические почвы — области первичного распространения злаков, богатых Si, что роды субтропической флоры, богатой А1, возникли на латеритах.
Изучая флору юго-западного Алтая, А.Д. Айвазян показала, что виды растений, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, где преобладают кислые почвы, энергично накапливают катионогенные микроэлементы (Pb, Zn, Си, Ni, Со и др.) и слабее — анионогенные (Мо, V, Cr, As и др.).
Такие растения она предложила именовать гумидокатными. В аридных ландшафтах почвы нейтральные и щелочные, в них легче мигрируют анионогенные микроэлементы и слабее — катионогенные. Поэтому виды, возникшие в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные микроэлементы. Это ариданитные растения. Закрепляясь наследственностью, гумидокатность может проявиться и в аридных ландшафтах (при миграции гумидокатных видов), а ариданитность — в гумидных. Рационально также выделять гумидокатные и ариданитные виды животных.
Таблица 3.3 Фоновые содержания в (%) и кларки концентрации (КК) химических элементов в золе растений I. Элементы очень интенсивного накопления (КК > 100) J 3.10-5 5.10-3 0,8 — — — 3,0 ЮООп Br 2,1.10-4 1,5.10-2 0,3 — — — 0,9 4500 CI 1,7.10-2 1,0 4,0 — — — 2,5 147 S 4,7.10-2 5,0 6,8 — 2—16 — 7,0 140 II. Элементы интенсивного и среднего накопления (КК = 10—100) В 1,2.10-3 4,2.10-2 10,0 5,0 4—16 — 7,0 58 Р 9,3.10-2 7,0 4,6 — 0,8—0,6 — 5,0 55 As 1,7.10-4 30.10-4 40,0 30,0 20—40 4-40 30,0 18 Sr 3,4.10-2 0,2 0,5 — 0,8 — 0,5 17 Mo 1,1.10-4 2.10-3 1,8 1,2 1—2 — 1,6 16 Zn 8,3.10-3 9.10-2 20,0 10,0 5—32 7,4 12,5 15,6 Ag 7.10-6 1.10-4 1,2 0,6 0,05—2,0 — 1,0 14
III.Элементы среднего накопления и сильного захвата (КК = 0,7—10) Mn 0,1 0,75 1,3 0,5 0,1—0,6 — 0,7 7,0 К 2,5 15,0 2,8 — 4—36 — 12,5 7,0 Cu 4,7.10- 3 2.10-2 2,8 2,0 1—2 1,6 2,0 4,2 Sn 2,5.10- 4 5.10-2 6.10-4** — 15 — 8,7 3,5 Ca 2,96 3,0 3,6 — 6—36 — 9,0 3,0 Rb 1,5.10" 2 1.10-2 4,0 — 4—14 — 4-5 3,0 Mg 1,87 7,0 6,4 — 2—6 — 5,5 2,9 Pb 1,6.10" 3 1.10-3 5,4 5,0 4,0 1,: 8—2,63—4 1,9-2,5 Ga 1,9.10" 3 5.10-3 0,12? — 0,3—3,0 — 2,3 1,2 Ni 5,8.10" 3 5.10-3 6,0 4,0 5—10 6,0 5,6 1,0 Ba 6,5.10" 2 1,2.10-2 3,0 4,0 4—6 — 6,0 0,9 Co 1,8.10" 3 1,5.10-3 1,0 2,0 2—3 0,7 1,5 0,8 Na 2,5 2,0 2,4 — 0,6—2,0 — 2,0 0,8 Cs 3,7.10" 4 2.10-4 4,0 — — — 3,0 0,8
IV. Элементы среднего, слабого и очень слабого захвата (КК < 0,7) Be 3,8.10-4 2,1.10-4 2,0 — 3—6 — 2,7 0,7 V 9.10-3 6,1.10-3 3,2 3,0 2—10 6,0 4,8 0,5 Cr 8,3.10-3 — 0,5.10-3** 3,5 2—4 2,6 2,8 0,3 Si 29,5 n 0,4-Ю — 0,4—11 — — 0,1—0,3 A1 8,05 1,4 1—8 — 0,4 - 1,5 0,2 U 2,5.10-4 5.10-5 7,0 4,0 — — 5,0 0,2 Li 3,2.10-3 1,1.10-3 0,2 — 0,2 - 0,5 0,1 Ti 0,45 0,1 0,002 — 0,005—0,13— 0,05 0,1 Fe 4,65 1,0 0,28 — 0,01—0,1 — 0,3 0,06 F 6,6.10-2 — 0,1.10-2** — 0,5 — 0,3 0,04 Sb****5.10"5 0,5.10-5 12,0? 1,0 12,0150—170?8— 1601,5—32 Cd****l, 3.10-50,1.10-5 120? 1,0 20—4014—200730- -7020—50 Hg 8,3.10-6 — 0,3.10-4** 0,25 0,04-1,60,1- -0,30,9 10
Химические элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт увеличивает биомассу, называются дефицитными. К ним в разных ландшафтах относятся О, N, Р, К, F, В, J, Си и многие другие элементы. В большинстве случаев недостает именно подвижных форм, в то время как общее (валовое) содержание элемента может быть достаточно велико. Элементы, удаление которых из ландшафта увеличивает продукцию живого вещества, называются избыточными. К ним в разных ландшафтах относятся CI, S, Na, Си, Ni, Fe, F и др. Один и тот же элемент может быть дефицитным в одном ландшафте и избыточным в другом.
Резкий дефицит или избыток элементов приводит к заболеваниям животных, растений, а иногда и человека. Такие болезни А.П. Виноградов назвал биогеохимическими эндемиями, а районы их распространения — биогеохимическими провинциями
Известны биогеохимические провинции с дефицитом J в почвах и кормах, дефицитом и избытком F в питьевой воде, избытком В в кормах, избытком и дефицитом Си, Со и т.д. Развивая учение о биогеохимических провинциях, В.В. Ковальский предложил понятие геохимическая экология, задача которой состоит в изучении взаимодействия организмов и их сообществ с геохимической средой, а также организмов между собой.
Информация по биогеохимии растений очень велика. При расчете "на живую массу" все растения концентрируют О, Н, С, N, а считая "на золу" отдельные виды также накапливают Li, Be, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, К, Са, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Sr, Mo, Ag, J, Au, Pb, Ra, U. Следовательно, растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты — С, О, Н, N, J, в некоторых ландшафтах и многие водные мигранты. Если считать на золу, то на биогеохимическом барьере накапливаются Р, S, CI, Вг, В, в отдельных ландшафтах и отдельными видами также Са, Mg, Na, Zn, Си, Mo и другие элементы.
Морские водоросли по сравнению с наземными растениями обогащены Mg, Na, К, S, CI, Si, Fe, Sr, F, Ba, Br, J, Se, B, Li, Ti, As, Ag, W, Pb и обеднены Са, Mn, Al, Rb, Cs (при расчете на сухое вещество). Многие из этих закономерностей легко объясняются особенностями состава морской воды. Но и при более дробной систематике четко вырисовывается своеобразие отдельных систематических единиц. Так, диатомовые водоросли северных озер концентрируют Si — их скелет состоит из кремнезема. Морская трава, водяной орех содержат 0,2—0,4% Мп. Говоря о концентрации, часто имеют в виду накопление элемента в золе, т.е. величину Ах.
В агрономии еще в XIX столетии установили, что зола злаков богата Si02, зола бобовых — Са, а зола картофеля и подсолнечника — К. Позднее были выделены "алюминиевые растения" (плауны, чай), "железные" (мхи), "йодные" (водоросли), солянки (Na, С1 и др.), гипсофиты, селитрянки (NO3) и т.д. Известны виды, в золе которых повышено содержание Zn, Си, Se, Li, Mo и других редких элементов. Особенно большой способностью к поглощению редких элементов обладают мхи и лишайники.
Ковалевский, изучая растения Сибири, предложил ряд биогеохимических параметров — ОСВР, ОСОР и др. ОСВР — относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (т.е. в одном элементарном ландшафте): ОСВР = Cj/Cf, где Cj — содержание элемента в изучаемом виде, а Су — в эталонном. Для некоторых элементов ОСВР не зависит от ландшафтных условий. Так, если содержание Мо в золе березы плосколистной принять равным 1 (эталон), то ОСВР лиственницы и кедра сибирских в среднем составит 1,1, багульника болотного — 1,2, ивы — 0,8, брусники — 5 и т.д. Если ОСВР превышает 2,5, то такие растения Ковалевский относит к концентраторам, а если менее 0,4 — к деконцентраторам: Концентраторы Деконцентраторы Слабые — 2,4 — 4,0 Слабые — 0,4 — 0,25 Умеренные — 4,0 — 25,0 Умеренные — 0,25 — 0,04 Интенсивные — 25 — 400,0 и более Интенсивные — 0,04 — 0,0025
Химический состав органов растений также не одинаков: наиболее высоко содержание металлов в листьях и тонких ветвях, меньше — в корнях и коре, минимально — в древесине. Зола листьев и хвои содержит больше Mg, К, Р и S и меньше — Са, Sr, Ва, Ra, чем зола ветвей. Параметр ОСОР — отношение содержания элементов в органах растений: ОСОР = с0/ст.0, где Со — содержание изучаемого элемента в исследуемом органе, a Cf о — в эталонном (главным образом, в старых ветвях, древесине, корнях). ОСОР меняется на два математических порядка, например, ОСОР Se в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30—50, ОСОР Мо и W в деревьях Сибири (хвоя: древесина) колеблется от 3 до 0,03.
Химический состав организмов периодически меняется. Так, по Д.П. Малюге, от весны к осени содержание Со, Ni и Си в листьях деревьев увеличивается в 2—3 раза. Такая же направленность отмечена Н.П. Ремезовым для Si, Fe, Са. Содержание К и Р в золе трав от весны к осени уменьшается. Эти закономерности установлены для определенных видов и не являются универсальными. В целом, наибольшая сезонная изменчивость характерна для молодых растущих органов (листья) и наименьшая — для старых (ствол, крупные корни). С возрастом состав растений также меняется, в частности увеличивается зольность.
Параметр ОИС характеризует относительное содержание элементов: ОИС = С1/Сф.с, где Cj — содержание данного элемента в золе, в промежуточной фазе, а Сф q — в фазе созревания или в зимний период (для деревьев и кустарников). ОИС не превышает обычно 3—10, иногда возрастая до 20—40.
Элементный состав растений зависит и от условий среды: растения одного и того же вида, рода, семейства в разных ландшафтах имеют разный состав. В ряде случаев наблюдается прямая пропорциональность между содержанием элемента в растении и питающем субстрате (для Ra, Мо, Со и других элементов).
Однако накопление элементов небесконечно, существует "физиологический барьер поглощения". Если для Ra он достаточно высок и содержание этого элемента растет с увеличением его концентрации в почве, то для U предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать U из окружающей среды. Следовательно, химический состав растений зависит от их систематического положения и геохимических особенностей ландшафта. Для макроэлементов ведущее значение имеет систематическое положение: физиологические особенности организмов в период видообразования закрепились наследственностью и в дальнейшем растения стали в любых условиях брать то, что им необходимо, даже из бедной почвы, бедного водоема. Для многих микроэлементов ведущее значение имеют геохимические особенности ландшафтов.
Высокое (относительное) содержание элементов в среде вызывает нередко различные изменения в физиологии и морфологии, которые со временем закрепляются наследственностью. Так появляются расы, вариететы, а затем и новые виды: "цинковая", "литиевая", "серпентиновая", "селеновая" и прочие флоры, сформировавшиеся в районах развития пород, обогащенных соответствующими элементами. Это пример "естественного отбора на химической основе".
Поглощая из атмосферы СО2 и обогащая ее О2, растения частично изменяют состав надземной атмосферы. Поэтому в лесах на высоте кустарников СО2 в воздухе значительно меньше, чем в приземном слое, а на высоте крон деревьев наблюдается уже его дефицит за счет интенсивного фотосинтеза. Летнее "цветение" озерной воды в результате фотосинтеза обогащает ее О и обедняет СО2. Реакция воды становится более щелочной. Энергично поглощая N, Р, К и другие дефицитные элементы, растения уменьшают их содержание в поверхностных водах.
Выделяя летучие органические бактерицидные соединения — фитонциды, растения предохраняют себя от болезней. Это первая внешняя линия обороны растений ("химическое оружие") против своих врагов — микроорганизмов, животных, других растений. Особенно велика роль фитонцидов в реках и озерах. Так, сине- зеленые водоросли во время цветения выделяют более 10 различных фитонцидов, многие из которых токсичны для одних видов растений и животных (например, для зеленых водорослей, ракообразных) и играют роль стимуляторов для других. Некоторые фитонциды вредны и для высших животных, в том числе для млекопитающих (для крыс ядовиты фитонциды лавровишни и черемухи, для человека — багульника и т.д.). Н.Г. Холодный предположил, что летучие вещества растений могут активировать физиологические процессы у животных. Эти активаторы он назвал атмовитаминами (позднее некоторые из них и получили наименование фитонцидов). Через легкие человека в течение суток проходит 3—4 кг воздуха, что обеспечивает в определенных условиях поступление в организм нескольких миллиграммов атмовитаминов. По Б.П. Токину, "благоприятное действие на наш организм соснового бора заключается, в частности, в выделении фитонцидов". Благотворные ароматы лимонных и апельсиновых рощ, полынной степи, горных лугов — все это примеры положительной роли фитонцидов в жизни человека. Состав и количество фитонцидов — важный геохимический параметр ландшафта. Ему придается большое значение при санитарно-гигиенической оценке ландшафта, озеленении городов, курортном строительстве.
Вместе с транспирируемой водой растения выделяют в атмосферу U, Р, Са, Mg, К, Си, Hg, J, Zn и другие элементы. Дожди смывают их соединения с листьев, и содержание многих металлов в листьях после дождя уменьшается в 2—5 раз, а дождевая вода становится более минерализованной (до 100—300 мг/л), ее рН понижается до 2,5—4,5. Американские геохимики в летучих выделениях хвойных деревьев установили Si, Be, В, Na, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Mo, Ag, Pb, Bi, Cd, Sn, Sb, Ba. Поэтому определение металлов в составе органических паров атмосферы предложено использовать для поисков рудных месторождений. Так были открыты руды Си, Pb, Zn, Ag, редких металлов (в том числе и слепые рудные тела).
Колоссальное число видов животных (одних насекомых более миллиона) определило еще большее разнообразие их биогеохимии по сравнению с растениями
По Г. Боуэну, сухое вещество наземных животных по сравнению с сухим веществом морских животных обеднено как и у растений Mg, Na, К, S, CI, Fe, Sr, Br, J, В, Si, Ti, Ag, но в отличие от растений также Mn, Со, Ni, Си, Mo, Sb и другими элементами. По сравнению с растениями животные в целом беднее большинством элементов и только Р содержат больше (при расчете на сухое вещество). Но это средние величины, у конкретных видов содержание элементов может значительно превышать средние значения для растений. Среди животных также обнаружены концентраторы и деконцентраторы. Многочисленные группы сухопутных и морских животных с известковым скелетом концентрируют Са (моллюски и др.). После их смерти скелеты образуют известковые осадки — толщи озерных и морских известняков. Диатомовые водоросли, концентрируя SiC>2, образуют огромные скопления кремнезема в озерах и морях (трепел, диатомиты). Известны животные, обогащенные Си — моллюски, раки, пауки.
Хорошо изучены и явления дефицита у животных химических элементов, соответствующие биогеохимические провинции. Дикие животные частично уменьшают дефицит, поедая грунт, используя воду минеральных источников. Такие места именуются "зверовыми солонцами". A.M. Паничев детально рассмотрел с геохимических позиций эту проблему "литофагии". Он установил, что в Приморье "зверовые солонцы" приурочены к ландшафтам зон разломов, рудных полей месторождений, распространения гидротермально измененных пород.
В геохимическом отношении наиболее разнообразны бактерии, среди которых известны виды, накапливающие S, Fe, Си, Mn, Mo, Ва, Li, Ag, Pb, U в значительно больших количествах, чем растения и животные. Некоторые микроорганизмы концентрируют элементы в количестве, в сотни раз превышающем их содержание в окружающей среде. Детально изучена роль микроорганизмов не только в почвах, илах, поверхностных и подземных водах, но и в более частных системах биосферы, например в ландшафтах сульфидных месторождений (Н.Н. Медведева).
Многие виды разделяют изотопы легких элементов, возможно, эта способность присуща всем или почти всем организмам. Так, при фотосинтезе растения отдают предпочтения легкому изотопу ^С, поэтому в организмах и их производных (углях, нефти) содержание тяжелого изотопа понижено, а в С02 морских карбонатах — повышено. Отношение 34S : 32S также колеблется: микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, накапливают легкий изотоп 32s? и в осадочных сульфидах его больше. Сера морской воды, солончаков и соляных озер, напротив, тяжелая.
|
|
|
|
К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов
|
Последние добавления:
Шаубергер Виктор – Энергия воды
Агрохимик и биохимик Д.Н. Прянишников
Тюрюканов. Биогеоценология. Биосфера. Почвы