Влияние геохимическихнеоднородностейлитосферы на растительность и животный мир
Геохимические поля могут характеризоваться уровнем содержания элементов, существенно отличающимся от допустимых санитарно-гигиенических (либо медико-биологических) норм и обусловливают патогенез живых организмов . В этой ситуации мы имеем дело с патогенными геохимическими аномалиями**. Их выявление — одна из актуальных задач экологической геологии.
Развитие патологических отклонений у биоты возможно как в пределах геохи-мических аномалий избытка, характеризующихся повышенным содержанием ряда элементов (As, Hg, Sr, P и т.д), так и недостатка при пониженном содержании F, I, Са, Се и других элементов. Особо следует подчеркнуть возможность формирования патологических отклонений при дисбалансе определенных химических элементов — Sr/Ca, Са/Р и др. Районы с таким распределением элементов относятся к дисгармоничным геохимическим аномалиям.
Действие химических элементов определяется интервалом концентраций, при которых возможна нормальная реакция обменных процессов, обусловленная адаптивными возможностями организмов и живого вещества, программированными и разрешенными генотипом. В соответствии с теорией пороговых концентраций В.В.Ковальского (1982), организм может регулировать функции только в условиях определенных пределов изменчивости геохимической среды (табл. 50). Ниже концентрации, соответствующей нижней пороговой концентрации (недостаточное поступление химических элементов в организм) и выше концентрации верхнего порога (избыточное поступление химических элементов), функция гомео-статической регуляции нарушается.
* Патогенез — (от греческого pathos — страдание, болезнь) механизмы развития заболеваний и патологических процессов, например, воспаления.
** Патогенные геохимические аномалии — участки территории с отклонением параметров (рас-пределение, концентрация) химических элементов от геохимического фона, отличающимся от сани-тарно-гигиенических норм и приводящим к патологии флоры, фауны и человеческого организма.
За пределами нижних и верхних пороговых концентраций химических элементов в экстремальных условиях геохимической среды наблюдаются биологические реакции организмов, возникают мутации, возможно изменение наследственной природы организма. Это обусловлено тем, что микроэлементы и минералы исключительно важны для организмов. Они входят в состав костных тканей, являются активаторами и составной частью ферментов и гормонов. Металлы, поглощаемые организмами и содержащиеся в тканях и тканевых жидкостях, могут являться активизаторами действия ферментов (Zn, Mn, Fe, Cd, Со, Ni, Hg, Re, Cs, Li, La, Al и др.) или ингибиторами (Be, Sr, Ba, Cd, Hg, Ni, Fe, Pb и др.). Ионы кальция активируют многочисленные ферменты, участвуют в передаче нервных импульсов и регулируют проницаемость клеточных мембран, тонус сердечной мышцы. Магний, марганец и молибден в качестве составляющей части ферментов участвуют в многочисленных важных для организма реакциях. Железо, медь, магний и марганец наряду с витаминами группы В необходимы для образования эритроцитов. Кальций и фосфор играют исключительную роль в минерализации костей и зубов.
Токсичность неорганических соединений в порядке убывания можно представить следующим образом: нитраты > хлориды > бромиды > ацетаты > йодиды > перхлораты > сульфаты > фосфаты > карбонаты > фториды > гидроксиды > оксиды. Этот ряд хорошо коррелируется с растворимостью соединений в биологических субстратах. Токсичность солей металлов снижается в следующей последовательности: V, Ni, Си, Ва.
Растительность и микроорганизмы являются, как неоднократно подчеркивалось ранее, прекрасными биондикаторами содержания токсикантов в компонентах литосферы. В сопоставлении с абиотическими индикаторами растения и микроор-ганизмы, биосубстраты млекопитающих и человека суммируют действие всех без исключения биологически важных природных и техногенных факторов в окружающей среде. Именно они указывают места скопления в экологических системах различного рода поллютантов и возможные пути попадания токсичных веществ в пищу животных и человека, позволяют судить о вредности элементов и их соединений для живой природы, включая человека. Современные методы оценки позволяют использовать их для диагностики геохимического качества среды обитания.
Физиологические и морфологические изменения растений, обусловленные токсичностью металлов, охарактеризованы в табл. а роль рассеянных элементов в формировании здоровья животных и человека — в табл. 52.
Учет экологического состояния водных систем, как правило, также ведется
по биоиндикаторам. Химический состав донных отложений водных бассейнов иг-
рает существенную роль в определении состояния водных экосистем и здоровья
человека, являющегося последним звеном трофической цепи «донные осадки-
водная растительность-водная фауна-человек». Влияние различных тяжелых металлов и их комбинаций на живые сообщества фитопланктона и водную растительность, моллюсков и рыб довольно хорошо изучено. Наибольшую токсикологическую опасность для водорослей и фитопланктона, следовательно, и для всей экосистемы, представляет загрязнение водоемов и донных осадков семью тяжелыми металлами: Cd, Hg, Pb, Zn, Ni.
Следует отметить, что рядом авторов отмечается способность рыб и моллюсков адаптироваться к плохим условиям обитания. При этом в их организмах происходит накопление тяжелых металлов в концентрациях, опасных для человека. Так, в мясе рыб р.Эльбы, кроме ее приливной части, содержание ртути находится в пределах 0,1-3,0 мг/кг в Чехии и в пределах 1,0-3,0 мг/кг и более в Германии при официальных санитарных нормах до 1,0 мг/кг.
В Московской и Владимирской областях максимальную техногенную нагрузку испытывают водные экосистемы р.Клязьмы от Щелково до Владимира. В Клязьме и ее притоках Поле, Пекше и Уводи с ухудшением качества воды участились случаи инвазионных заболеваний рыбы, нередки локальные заморы рыбы, что в первую очередь характерно для р.Поли, испытывающей сильную техногенную нагрузку по ртути. Выловленная в Клязьме рыба, особенно на участке чрезмерного загрязнения от Щелково до Ногинска, часто непригодна в пищу. По данным Окского экологического фонда (г.Пущино), даже выловленная на участках умеренной техногенной нагрузки рыба пригодна в пищу без голов и икры, где происходит накопление тяжелых металлов в первую очередь.
Для техногенных зон загрязнения в горно-рудных районах наблюдается широкий спектр отрицательных биологических реакций. Так, в Уэльсе и Сомерсете в 100-500 м от старых природных отвалов вследствие ветровой и водной эрозии образовались аномалии с содержанием свинца в растениях до 275 мкг/г. При выпасе на этих участках регистрировались случаи гибели домашнего скота. При этом в фекалиях коров содержание кадмия достигало 6-50 мкг/г при норме 1-2 мкг/г.
Интенсивное освоение рудных месторождений приводит к усугублению эко-лого-геохимической ситуации в районе вследствие дополнительных техногенных потоков вещества. Так, по данным И.А.Авессаломовой, А.В.Хорошева (1996), в районе Тырныаузского рудного узла наблюдается резкий избыток Мо в травах -30-300 мг/кг, а суммарный показатель концентрации токсичных элементов (Zc) колеблется от 16 до 128. Среди типичных заболеваний отмечены пневмокониозы, хронические пылевые бронхиты, пылевые ларингофарингиты. Широкое распространение получила молибденовая подагра.
Таким образом, можно констатировать, что в районах развития техногенных лито- и гидрогеохимических аномалий развиваются негативные реакции у живых организмов как на микро-, так и на макроуровне.
Геохимические неоднородности литосферы и здоровье человека
Проявления патологии человека, связанные с микро- и макроэлементами, крайне многообразны (см. табл.51)
Зависимость здоровья человека от содержания микроэлементов послужила основанием для выделения нового класса болезней — микроэлементозов, т.е. заболеваний и синдромов , в этиологии которых главную роль играет недостаток или избыток в организме человека элементов или их дисбаланс.
Принципы классифицирования заболеваний, обусловленных биогеохимическими факторами, разработаны А.П.Авцыном, А.А.Жаворонковым, Л.С.Стручковым (1983). Из всего многообразия выделяемых на сегодня групп микроэлементозов с позиции экологической геологии, в первую очередь, представляют интерес природные экзогенные и техногенные группы микроэлементозов (табл. 53), обусловленные поступлением микроэлементов из естественной или техногенно преобразованной литосферы.
Примерами природных и техногенных экзогенных микроэлементозов (эндемий) могут служить селенодефицит, железодефицит, молибденовая подагра и др. Развитие заболеваний может быть провоцировано как недостатком и избытком одного химического элемента (Са, Си, Zn, J, Sr и др.), так и соотношением многих химических элементов (Co-Cu, Sr-Ca, Са-Р и др.). В первом случае оперируют понятием «мономикроэлементозы», во втором — «полимикроэлементозы» (табл. 54).
* Синдром (от греческого syndrome — скопление) — закономерное сочетание симптомов, обусловленное единым патогенезом; рассматривается как самостоятельное заболевание (например, синдром Меньера) или как стадия (форма) какого-либо заболевания (например, нефротический синдром, уремия при хроническом нефрите).
Тяжелые металлы обычно накапливаются в организме человека совместно. Установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздействия. При синергизме эффект действия многократно усиливается. Токсичность иона свинца усугубляется недостатком по кальций-иону, а лития — по натрию. Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточных количеств первого приводит к уменьшению содержания последнего, отличающегося повышенной токсичностью. Токсичность тяжелых металлов сильно зависит от форм нахождения их в окружающей среде. Особенно опасны металлоорганические соединения (метилртути, свинца и др). Летучие тяжелые металлы (ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма, селен, литий) легко проникают в организм человека через органы дыхания.
Анализ данных по распространению заболеваний человека и патогенных геохимических полей показывает на их взаимообусловленность. Так, эндемический уролитиаз развивается в условиях повышенного поступления в организм кремния в сочетании с высоким содержанием в биосфере фтора, марганца, нитратов, сульфатов и хлоритов. На рис. 33 показано распространение кремнистых пород и эндемического уролитиаза на территории нашей страны, где отмечено нарушение у млекопитающих фосфорно-кальциевого обмена, характеризующегося снижением реабсорбции фосфора в почках.
На всех обитаемых континентах земного шара выявлены очаги эндемического флюороза, развивающегося в результате избытка в компонентах литосферы фтора. Флюороз — явление межнационального масштаба; он наблюдается в Северной Америке и в Европе, а также в странах Азии, в частности, в Индии, где данная проблема приобрела государственное значение. Природная зона флюороза здесь названа «флюорозным поясом». Фтор в организме в повышенных количествах накапливается в минерализованных тканях, в костях и зубах, а также в волосах. По-этому волосы часто используют для биотестирования с целью оценки хронического гипертрофирования организма. В очаге эндемии концентрация фтора в волосах составляет 480-830 мг/кг, а вне очага — 53-73 мг/кг.
Эндемический арсеноз — заболевание, обусловленное избыточным поступлением в организм с питьевой водой (0,5-6,0 мг/л) и с пищей неорганических форм мышьяка. Наиболее известны провинции и очаги в Аргентине, КНДР, США, Мексике, Японии. Мышьяковистый рак кожи описан в Аргентине, Канаде, Китае, Чехословакии, Франции, Германии, Израиле, Японии, Южной Африке, Швейцарии,Турции, Великобритании, США.
Вследствие нарушения кальций-фосфорного баланса в северных районах Китая широкое распространение получила болезнь Кашина-Бека, известная на смежных территориях России — в Приаргунье как уровская болезнь. Механические свойства скелета, состоящие в основном из фосфата кальция (аппатита), нарушаются, если в воде имеется избыток фосфора (дефицит кальция). Замечено, что на территориях, сложенных известняками, где кальция достаточно, данные заболевания не фиксируются.
Анализ распространения в Китае злокачественных образований, согласно данным, приводимым в «Атласе смертности от рака в КНДР» (1981), показал, что динамика смертности от рака в соседних регионах не зависит от административных границ и организации медицинского обслуживания, а связана с содержанием во внешней среде таких микроэлементов, как кобальт, молибден, никель, селен, силиций. Согласно анализу, распространение сердечно-сосудистых болезней в 37 городах Китая и смертность населения лиц старше 40 лет находятся в прямой корреляционной зависимости от жесткости питьевой воды.
Следует подчеркнуть, что основная масса населения подпадает под действие тяжелых металлов, агрохимикатов в результате потребления пищи (как растительного, так и животного происхождения) и воды. Установлено более высокое негативное влияние на биоту совместного нахождения в почвах пестицидов и нитратов, чем их изолированное воздействие. Поэтому актуальной является задача изучения механизма хронической интоксикации при действии остаточных количеств агрохимикатов в пищевых продуктах и воде. Так, суточный рацион человека, содержащий по нитрат-иону в Узбекистане 240 мг, на Украине — 167 мг, в Молдове -90-101 мг, в Белоруссии — 74-182 мг, оценивается как высокий и влияющий на здоровье людей. При хронических интоксикациях остаточными агрохимикатами человека на первый план выступают нарушения центральной нервной системы в виде астено-вегетативного синдрома. Многие авторы указывают на прямую связь пестицидов с заболеваниями печени, почек, желудочно-кишечного тракта, крови. Существенное влияние оказывают пестициды на иммунитет.
Тесная связь между степенью накопления токсикантов и уровнем заболевания населения обусловлена зачастую комплексным воздействием на организм различных групп ксенобиотиков: тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов, пестицидов и др. По мнению ряда авторов, иммунная система является детерминантной гомеостатической системой, так как именно снижение иммунитета знаменует собой неудовлетворительное функционирование организма, поскольку определение состояния иммунитета является наиболее важным интегральным критерием при оценке воздействия внешней среды, в том числе и литосферы, на организм. При этом клетки иммунной системы выступают в роли первичной мишени и отражают взаимодействие с ксенобиотиками на клеточном уровне. В то же время они являются вторичной мишенью в результате нейрогуморальных влияний, характеризующих системную реакцию организма на данный фактор.
Кроме того, действие химических веществ нередко проявляется на фоне уже существующих заболеваний, провоцируя их обострение или способствуя развитию патологии той системы, где уже имелись предпатологические изменения. Поэтому системой, или органом-мишенью человеческого организма, может стать любая система, в отношении которой до воздействия уже наблюдалась минимизация функций.
Таким образом, при исследовании геохимической экологической функции литосферы и последствий ее воздействия на биоту необходима консолидация ученых различного профиля. Исторически сложившаяся дифференциация науки, обусловленная потребностью решения практических конкретных задач, способствовала накоплению колоссального научно-исследовательского материала по различным компонентам рассматриваемой системы. Однако для исследования геохимических свойств литосферы с позиций экологической геологии необходима их интеграция, так как узкая специализация является на современном этапе тормозом решения основной задачи естествознания — выявление и обеспечение комфортного существования человеческого сообщества в гармонии с природой.
