Летучие органические соединения, воздействие их на экосистемы, растения, животных человека

Самые плодородные  почвы Центрального Черноземья - черноземы  имеют более высокий уровень  содержания всех элементов, чем почвообразующие  породы. Черноземы принято считать  почвами оптимального микроэлементного состава, своего рода эталонами. Однако при детальном изучении оказалось, что это не совсем так. В определенных геохимических условиях даже плодородные  черноземы могут испытывать недостаток или избыток тех или иных микроэлементов или их подвижных форм. Например, по сравнению с кларком - средним, нормальным содержанием в почвах (термин предложен А.П. Виноградовым) черноземы Центрального Черноземья имеют дефицит таких микроэлементов, как бериллий, стронций, ванадий, хром, подвижных форм цинка и молибдена

Таким образом, в почвенном покрове определенной территории наблюдается отчетливая дифференциация в содержании и распределении  микроэлементов. Для каждого элемента характерны свои особенности географического (пространственного) распространения  в почвах. Концентрация большинства микроэлементов в одних и тех же почвах варьирует в больших пределах в зависимости от их гумусированности, величины pH, емкости поглощения, гранулометрического состава, карбонатности. Закономерности географического распространения микроэлементов в почвенном покрове используют для проведения почвенно-геохимического районирования отдельных регионов.

Химические  элементы, образующие хорошо растворимые  соединения в почвенных условиях, вызывают наиболее сильную биологическую  реакцию у местной флоры. Имеет  значение и форма нахождения химических элементов в среде. Например, молибден вызывает у животных заболевание  только в районах с щелочными почвами (молибденовая кислота даёт растворимые соединения с щелочами); в районах кислых почв избыток молибдена не вызывает заболеваний и т.п. Химические элементы Ti, Zr, Hf, Th, Sn, Pt и многие другие, не образующие в почвенных условиях легкоподвижных растворимых соединений, не вызывают образования Б. п. и эндемий.

В пределах Б. п. различают 2 вида концентрации организмами  химических элементов: групповой, когда  все виды растений в данной провинции  в той или иной степени накапливают  определённый химический элемент, и  селективный, когда имеются определённые организмы-концентраторы того или  иного химического элемента вне  зависимости от уровня содержания этого  элемента в среде. Известны различные  виды растений, которые в Б. п. концентрируют  определённые элементы и подвергаются при этом изменчивости. К ним относятся  специфическая галмейная флора (концентрирующая Zn), известковая, селеновая, галофитная, серпентинитовая флора и мн. др.

В зависимости  от конституционных свойств данного  вида организма и особенно при длительном изолированном существовании его в той или иной Б. п. возникает изменчивость организмов — появление физиологических рас (без видимых внешних изменений), морф, вариаций, подвидов и видов. Это сопровождается повышением содержания в организмах соответствующих химических элементов — Cu, Zn, Se, Sr и др. Появляются также химические мутанты с изменением в ядрах клеток числа хромосом и т.п.; изменчивость может приобрести наследственный характер, особенно у микробов.

 Многие  редкие и рассеянные химические  элементы (микроэлементы) играют  значительную физиологическую роль, входя в физиологически важные  органические соединения у организмов  — в дыхательные пигменты, ферменты, витамины, гормоны и другие акцессорные физиологически важные вещества.

Известно  более 30 химических элементов (Li, В, Be, С, N, F, Na, Mg, Al, Si, P, S Cl, K, Са, V, Mn, Cu, Zn, As, Se, Br, Mo, I, Ba, Pb, U и др.), с которыми связано образование Б. п., эндемий и появление организмов-концентраторов.

На основе изучения химической экологии Б. п. в  практику борьбы с соответствующей  эндемией в Б. п. широко вошло использование  химических элементов (В, Сu, Mn, Со, I и др.) в качестве удобрения или подкормки животных. На основе изучения содержания химических элементов в почвах и растениях был создан биогеохимический метод поисков полезных ископаемых. В геологическом прошлом Б. п. также играли значительную роль в отборе и изменении флоры и фауны. Реконструкция палеобиогеохимических провинций может многое объяснить в эволюции органического мира.

К микроэлементам обычно относят Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, I, Cs, W, Au, Bi. Многие другие элементы, также обычно содержащиеся в малых количествах, нередко относят к токсичным элементам, таковы ртуть, свинец, кадмий. Несмотря на это, стоит подчеркнуть, что и обычные микроэлементы, когда их слишком много, могут стать токсичными (так же, между прочим, как и макроэлементы), а токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животный мир. Иными словами, если быть точным, нет токсичных элементов, а есть их токсичные концентрации.

Среднее распределение в почвах различных химических элементов. Доля каждого из элементов пропорциональна занимаемой площади. В большинстве почв около половины всей массы представлено кислородом, конечно не свободным, но входящим в состав оксидов, солей сложных органических веществ или алюмосиликатов. Второе место по массе занимает кремний, затем - алюминий и железо. Кальций составляет не более 2-2,5% массы. Магния, калия, натрия, серы, титана и марганца в сумме обычно содержится не более 3%. Тогда как на долю всех микроэлементов (если не считать Mn и Fe, которые иногда выполняют такую же роль) приходится значительно менее 1%. Содержание микроэлементов в почвах и других объектах биосферы чаще выражают не в процентах, а в мг/кг или по западным нормативам в ррm (частей на миллион, что соответствует принятой в России размерности в мг/кг).

Преобладающая часть содержащихся в почве микроэлементов растениям недоступна. Так называемые подвижные соединения Cu, Co, Mn (то есть доступные растениям) составляют только 10-25% общего количества, для Zn и Mo их доля и того меньше, иногда до 1%. Одна из причин заключается в том, что значительная часть их входит в состав почвенных минералов, нередко состоящих из песчаных частиц, а такие частицы быстро не подвергаются разрушающему действию дождевых вод или корневых выделений, и поэтому входящие в их состав элементы питания растениями не усваиваются. Распределение некоторых микроэлементов по почвенным частицам различного размера показано.

В почвах и породах присутствуют микроэлементы  в различных соединениях: переходящие  в водные вытяжки, вытесняемые из твердых фаз почвы солевыми растворами (обменные катионы), извлекаемые ацетатно-аммонийным буферным раствором (эти соединения считаются доступными растениям), кислоторастворимые соединения и, наконец, микроэлементы, входящие в состав различных почвенных минералов. Иногда неправильно считают, что те элементы, которые извлекаются из почв и пород водой, представлены водорастворимыми солями. На самом деле микроэлементы могут быть в форме труднорастворимых карбонатов, гидроксидов, сульфидов, но в водной вытяжке они все же обнаруживаются в количествах, соответствующих произведениям растворимостей соответствующих солей. Поэтому, если в водной вытяжке содержание элемента мало, это не означает, что его мало и в твердых фазах, а объясняется низкой растворимостью преобладающих соединений.

Соотношение микроэлементов в почвах и литосфере  для многих элементов сходно: чем  больше элемента в литосфере, тем  больше его же и в почве, однако строгой пропорциональности нет; если, например, содержание лития в почвах и литосфере почти одинаковое, то серы больше в почвах, а никеля, меди, цинка больше в литосфере. Одна из причин - аккумуляция многих элементов  живыми организмами, в частности  растениями, после отмирания которых  микроэлементы попадают прежде всего в почву. Это отчетливо видно на примере элементов-биофилов, содержание которых в золе растений во много раз выше, чем в литосфере и почвах. Таковы, например, Mo, Zn, Cu, I, B. Исходя из этого, член-корреспондент РАН В.А. Ковда предложил способ обнаружения прошлой или настоящей жизни в любых почвогрунтах, в том числе и на других планетах: если в верхних слоях грунтов содержание элементов-биофилов повышено, то, по мнению В.А. Ковды, это может служить признаком прошлой или настоящей жизни.

 

 

 

 

 

   

                               

 2. Микотоксины

Микотоксины (от греч. mykes-гриб и toxikon-яд), токсичные продукты жизнедеятельности микроскопических (плесневых) грибов. 
   Микотоксины - широко распространенные загрязнители продовольственного сырья, продуктов питания человека и кормов для животных, которые способны нанести вред здоровью человека и ущерб животноводству. 
    Известно более 250 видов грибов, продуцирующих несколько сотен микотоксинов. Многие из них обладают мутагенными (в т.ч. канцерогенными) свойствами. Среди микоксинов, представляющих опасность для здоровья человека и животных, наиболее распространены афлатоксины, трихотеценовые микотоксины, или трихотецены, патулин, охратоксины, зеараленон и зеараленол. Большинство микотоксинов кристаллические вещества, термически стабильны, хорошо растворяются в органических растворителях.     

В полевых условиях плесневые грибы  чаще всего поражают поврежденные (засухой, насекомыми, болезнями и т.п.), ослабленные  растения. При хранении также скорее и в большей степени поражается ранее поврежденная растительная продукция.     

К наиболее важным факторам, влияющим на рост грибов и образование токсинов, относят температуру, влажность  и продолжительность хранения продукта.     

Афлатоксин является одним из наиболее опасных микотоксинов. Он обладает канцерогенным (опухолевым) действием. В природе афлатоксинов встречается довольно много, но в большей степени изучены только пять основных их представителей, обозначаемых буквами латинского алфавита В1, В2, С1, С2, М1. Чаще всего афлатоксины встречаются в таких продуктах питания, как арахисе (земляной орех) и кукурузе. В свежей кукурузе по причине высокой естественной влажности создаются благоприятные условия для развития плесневого грибка, который вырабатывает афлатоксины. 
    В ряде стран Африки и Азии, где наблюдаются острые афлатоксикозы у людей, выявлена прямая корреляция между частотой заболевания населения раком печени и содержанием афлатоксинов в пищевых продуктах. 
    Патулин является вторым наиболее часто встречающимся микотоксином. Это вещество также обладает канцерогенным действием. В большинстве случаев он встречается в заплесневелых яблоках, облепихе, а также и других фруктах, плодах, овощах, ягодах или соках, джемах, приготовленных из заплесневевших плодов и ягод.    

Еще один опасный микотоксин - зераленон продуцируется грибом Fusarium graminearum, встречается в гнилых кукурузных початках. Обладают эстрогенными и тератогенными свойствами, а также антибактериальным действием в отношении грамположительных бактерий. 
    Дезоксиниваленол и токсин Т-2 проявляют тератогенные, цитотоксические, иммунодепрессивные, дерматотоксические свойства, действуют на кроветворные органы, центральную нервную систему, вызывают лейкопению, геморрагический синдром. 
    Охратоксины. В эту группу входят охратоксины А, В и С. Продуцируются грибами Aspergillus ochraceus и Penicillium viridicatum. Наиболее токсичен охратоксин А. Другие микотоксины этой группы на порядок менее токсичны. Охратоксин А (им наиболее часто загрязняются пищевые продукты) в чистом виде нестабилен, чувствителен к действию света и кислорода, устойчив в растворах. Эти микотоксины обладают нефротоксичным, тератогенным и иммунодепрессивным действием. Ингибируют синтез белка, нарушают обмен гликогена. Охратоксины ответственны за возникновение нефропатии у свиней. 
    Основная опасность микотоксинов заключается в том, что не все из них поддаются визуальному обнаружению. К примеру, на Рис. 3 представлен образец заражённого зерна, которое невозможно определить без лабораторные исследований.

 

3.Гидротермальные процессы минералообразования

 

В составе  магматических газов большая  роль принадлежит парам воды, находящимся  здесь в надкритическом состоянии. Проникая по трещинам в более холодные участки земной коры в смеси с  другими газообразными компонентами (C, S, Cl, F, N, B, P, As, Sb), пары конденсируются, образуя горячие водные растворы – гидротермы. Из отложений этих вод и продуктов взаимодействия их с боковыми породами образуются гидротермальные жилы, которые иногда содержат много ценных руд: цинка, свинца, меди, сурьмы, ртути, самородного золота, молибдена, олова, вольфрама и др.

В строении рудных жил обычно различают собственно жильную породу, состоящую из кварца – SiO2 (кварцевые жилы), кальцита – CaCO3 (кальцитовые жилы), флюорита – CaF2 (Флюоритовые  жилы), и рудные минералы, содержащие различные ценные металлы.

По глубине  образования гидротермальные жилы разделяются на перечисленные ниже.

Глубинные высокотемпературные (гипотермальные) жилы. Они образуются на глубине 3-4 км при температурах 300-400'С и давлении в несколько сотен атмосфер. В них возникают такие минералы, как например, кварц, пирит (FeS2), касситерит (SnO2) и многие другие.

Гипотермальные жилы обычно связаны с кислыми и средними породами и находятся внутри или вблизи глубоко эродированных массивов интрузивных магматических пород.

Жилы  средней глубины, среднетемпературные (мезотермальные). Они приурочены к  глубинам от 1,5 до 3 км. Процессы минералообразования в них происходят при температурах 150-300'С и давлении 100-400 атм.

Главными  минералами этих жил являются: халькопирит (CuFe S2), сфалерит (ZnS), галенит (PbS), золото (Au), кварц (SiO2) и кальцит (CaCO3), реже флюорит (CaF2) и барит (BaSO4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 – Кварцевая хрусталеносная жила-линза

1 – песчаник; 2 – плотный белый кварц; 3 –  друзы кристаллов горного хрусталя

Поверхностные низкотемпературные (эпитермальные жилы). В них процессы минералообразования протекают на небольших глубинах, вблизи земной поверхности, при температурах от 50 до 150'С и умеренном давлении. В районах проявления недавнего вулканизма такие растворы иногда выходят на дневную поверхность в виде горячих минеральных источников.

Образование горячих водяных источников (терм) является заключительной стадией деятельности вулканов. По химическому составу  горячие источники бывают: серно-кисло-солено-щелочные, соленые (натриево-хлористые), угдекисло-солено-щелочные, углекисло-магнезиально-натриевые, кислые купоросные (алюминиево-железисто-сернокислые) и др.