Геохимия окружающей среды как наука. Основные геохимические понятия

1. главные ионы, или макрокомпоненты, к которым относятся хлорид-ионы, сульфат-ионы, гидрокарбонат- и карбонат-ионы, ионы Na+, K+, Mg2+, Са2+;
2. растворенные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сероводород и др.);
3. биогенные элементы (соединения азота, фосфора, кремния);
4. органические вещества;
5. микроэлементы.

Реки планеты сильно различаются минерализацией воды и содержанием взвешенных дисперсных частиц (мутностью). Средняя минерализация вод рек равна примерно 120 мг/л. С учетом этой цифры и объема годового речного стока воды в Мировой океан, количество растворимых соединений, ежегодно выносимых с суши, составляет 5,3 млрд. тонн. Среднее содержание взвешенных дисперсных частиц в континентальном стоке оценивается в 500 мг/л. Следовательно, ежегодный вынос тонкодисперсного вещества составляет 22 млрд. тонн, что в 4,2 раза превышает вынос растворимых соединений.

По составу основных ионов могут быть выделены реки с преобладающими водами одного из трех названных классов: гидрокарбонатного, сульфатного или хлоридного, а также реки определенной группы катионного состава - кальциевой, магниевой или натриевой.

Широким распространением пользуются реки с гидрокарбонатным классом вод. По катионному составу это преимущественно воды кальциевой группы. На территории России бассейны таких рек занимают 83% площади. В большинстве своем это воды малой минерализации. Гидрокарбонатные воды средней минерализации имеют меньшее распространение. Наиболее редки гидрокарбонатные воды с минерализацией более 1000 мг/л. Второе место по распространенности в природе занимают реки с водой, относящейся к сульфатному классу. Минерализация их, как правило, выше 500 мг/л. В России реки с сульфатным составом вод приурочены к степной и полупустынной зонам. Общая площадь, занимаемая бассейнами этих рек, составляет примерно З-4% речных бассейнов территории страны. Еще меньшее распространение имеют реки с водами хлоридного состава. В катионном составе таких вод преобладает натрий. Минерализация вод хлоридного класса, как правило, выше 1000 мг/л.

В естественных условиях концентрация микроэлементов в водах мала. Это определяется целым рядом факторов, таких как:

1) низкое содержание микроэлементов  в породах литосферы;

2) низкая растворимость природных  минералов, содержащих эти элементы;

3) влияние ионного состава воды (особенно величин рН) на устойчивость  химических элементов в природных растворах;

4) адсорбция различными сорбентами;

5) извлечение элементов из вод  бактериями и живыми организмами.

Формы существования и миграция тяжелых металлов в природных водах. Ионы металлов являются непременными компонентами всех вод. В зависимости от условий среды они существуют в разных степенях окисления и входят в состав самых разнообразных соединений. Комплексные формы меди, кадмия, ртути, свинца менее токсичны, нежели свободные металлы, а токсичность взвешенных форм свинца, меди и никеля во многом определяется особенностями их поглощения биотой.

При этом сам металл-токсикант распределяется на следующие составляющие: 1) металл в растворенной форме; 2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном; 3) удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды; 4) адсорбированный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в растворимой форме; 5) находящийся в адсорбционной форме на частицах взвеси.

Около 70 — 90% масс металлов, выносимых поверхностными водами с суши, связано со взвешенными частицами. Закономерности миграции этих носителей рассеянных металлов не соответствуют закономерностям миграции ионов. Истинно растворимые формы металлов также представлены не только простыми ионами.

В гумидных ландшафтно-геохимических условиях значительная часть металлов в природных водах мигрирует в форме металлоорганических комплексов. В аридных условиях содержание растворимого органического вещества сильно уменьшается, но возрастает значение неорганических комплексных соединений с различной электростатической характеристикой (положительно и отрицательно заряженных, а также электронейтральных).

Растворимые формы металлов, не захваченные биологическим круговоротом, вовлекаются в водную миграцию.

Значительные массы металлов выносятся в составе речных взвесей, но этот материал почти полностью уходит в осадки при поступлении пресных вод в систему Мирового океана. С суши в океан с речным стоком выносятся крупные массы водорастворимых и фиксированных во взвесях форм металлов. Значения коэффициента водной миграции КВ металлов указывают, что наиболее активно вовлекаются в водную миграцию растворимые формы серебра, ртути, цинка (КВ > 10), а также молибдена, кадмия и меди, КВ которых от 2 до 9. Фиксированные во взвесях формы железа, марганца, хрома, ванадия, свинца, кобальта выносятся в количестве 97— 98% общей массы выносимых с речным стоком металлов.

Миграция элементов в составе речных взвесей. Речные взвеси состоят преимущественно из высокодисперсных глинистых частиц, мелких обломков кварца и сгустков гидроксидов железа. Концентрация большей части элементов (кремния, алюминия, железа и др.) во взвесях значительно выше, чем в сумме растворимых соединений в речной воде. В то же время для кальция характерно обратное соотношение.

Показано, что основная масса рассеянных элементов, переносимых речными водами, связана со взвесями. Во взвешенном веществе рек переносится: свыше 98 % массы элементов с очень низкими коэффициентами водной миграции (КВ < 0,05) — алюминия, титана, галлия, свинца, тория, скандия; от 90 до 98 % массы элементов со значениями КВ от 0,05 до 0,9 — кремния, железа, марганца, фосфора, бария, циркония, рубидия, хрома, кобальта, никеля. Даже некоторые элементы, обладающие высокой интенсивностью водной миграции и значениями Кв от 1 до 10, мигрируют преимущественно не в растворенном состоянии. От 65 до 85 % массы магния, цинка, меди, молибдена, ежегодно выносимой реками с территории Мировой суши, переносится в формах, фиксированных на взвешенных частицах. Лишь для ограниченного числа элементов — азота, хлора, серы, кальция, натрия, брома — характерно преобладание масс водорастворимых соединений в речном стоке.

Соединения биогенных элементов.

Азот. В природных водах азот находится в виде ряда неорганических и разнообразных органических соединений. К неорганическим формам этого элемента относятся аммоний, нитриты и нитраты — все хорошо растворимые. Белковоподобные соединения, полипептиды, гумусовые вещества, аминокислоты, амины, мочевина — далеко не полный перечень азотсодержащих органических веществ, которые присутствуют в воде во взвешенном состоянии (остатки организмов), в виде коллоидных и истинных растворов. Между неорганическими и органическими соединениями азота постоянно осуществляются взаимные переходы. Повышение содержания нитратов и нитритов в воде свидетельствует о загрязнении воды. В чистых водах нитрит-ионы аналитически не обнаруживаются.

Фосфор. Фосфор встречается в природных водах в форме органических и неорганических соединений, мигрируя в виде истинных коллоидных растворов и во взвешенном состоянии. Неорганический фосфор представлен соединениями ортофосфорной кислоты Н3Р04; соотношение различных ортофосфатов зависит от рН воды. При рН в диапазоне от 2 до 8 подавляющая часть неорганического фосфора существует в виде Н2Р04.

Значительная часть поступающих в водоем фосфат-ионов сорбируются взвешенными в воде частицами, ибо фосфат-ионы образуют малорастворимые соединения с ионами железа, кальция, алюминия, вследствие чего их миграционная способность уменьшается. Повышается она вследствие процессов комплексообразования (например, смешанно-лигандного), в которых большую роль играют гумусовые вещества.

Органические соединения фосфора представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфорилированными сахарами, фосфолипидами.

Кремний — один из наиболее распространенных элементов. Формы соединений, в которых он встречается в природных водах, довольно многообразны и зависят от минерализации, состава воды и рН среды. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой и поликремниевых кислот. Содержание кремния уменьшается в природных водах при потреблении его водными организмами (например, диатомовыми водорослями), переходе кремниевой кислоты при определенных условиях в гель, при сорбции и дегидратации.