Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Пензенський Державний Університет
Кафедра: Екології та безпеки життєдіяльності
Реферат
Кругообіг другорядних елементів: цезію та стронцію
Виконав: студент гр. 06-ЛФ-1
Карєв С.А.
Керівник: д.б.н., професор
Стаценко А.П.
Пенза 2009
Кругообіг другорядних елементів
Другорядні елементи, подібно життєво важливим, нерідко мігрують між організмами і середовищем, хоча і не представляють будь-якої цінності для організмів. Більшість з цих елементів беруть участь у загальному осадовому циклі. Зазвичай вони надають мале вплив на живі істоти. Однак можуть бути й несподівані наслідки, пов'язані в основному з діяльністю людини. Наприклад, радіоактивний стронцій-90, раніше в природі не існував, за хімічними властивостями схожий на кальцій, тому, потрапивши в організми, він накопичується в кістках і виявляється в тісному контакті з кровотворними тканинами. Радіоактивний цезій-137 за властивостями схожий з калієм і тому швидко циркулює по харчових ланцюгах [4].
Це зій - елемент головної підгрупи першої групи, шостого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 55. Позначається символом Cs (лат. Caesium). Проста речовина цезій - м'який лужний метал сріблясто-жовтого кольору. Свою назву цезій отримав за наявність двох яскравих синіх ліній в емісійному спектрі (від лат. Caesius - небесно-блакитний). Цезій було відкрито в 1860 році німецькими вченими Р. В. Бунзеном і Г. Р. Кірхгофа в водах Дюрхгеймского мінерального джерела в Німеччині методом оптичної спектроскопії, тим самим, ставши першим елементом, відкритим за допомогою спектрального аналізу. Цезій - один з рідкісних елементів, але все ж сліди його можна знайти в багатьох гірських породах, в морській воді, а також у воді мінеральних джерел. Цікаво, що "крихти" цезію виявлені в цукровому буряку, зернах кави, чайних листках. Знайомий з ним і кожен курець: про це свідчать дві блакитні лінії в спектрі тютюнового попелу.
Основними цезієвим мінералами є поллуциті і дуже рідкісний Авогадро (K, Cs) [BF4]. Крім того, у вигляді домішок цезій входить в ряд алюмосилікатів: лепідоліт, флогопіт, біотит, амазоніт, петаліт, берил, ціннвальдіт, Лейца, карналіт. Як промислової сировини використовуються поллуциті і лепідоліт [1].
При промисловому одержанні цезій у вигляді сполук витягується з мінералу поллуцита.
У Росії після розпаду СРСР промисловий видобуток поллуцита не велася, хоча в Воронячої тундрі під Мурманськом ще за радянських часів були виявлені колосальні запаси мінералу.
Цезій входить до групи хімічних елементів з обмеженими запасами разом з гафнію, танталом, берилієм, ренієм, металами платинової групи, кадмієм, телуром. Загальні виявлені світові ресурси руд складають близько 180 тис. тонн (у перерахунку на окис цезію), але вони вкрай розпорошені, і, на жаль, надвисокі ціни - це невід'ємна риса, що супроводжує цезій і рубідій в минуле, сьогодення і майбутнє. Світовий обсяг видобутку цезію становить близько 9 тонн на рік, а потреба понад 85 тонн на рік і вона постійно зростає. По видобутку цезієвої руди (поллуцита) лідирує Канада. У родовищі Берник-Лейк (південно-східна Манітоба) зосереджено близько 70% світових запасів цезію. Поллуциті також видобувається в Намібії і Зімбабве. У Росії його потужні родовища знаходяться на Кольському півострові, в Східному Саяне і Забайкаллі. Родовища поллуцита також є в Казахстані, Монголії та Італії (о. Ельба), але вони володіють малими запасами і не мають важливого економічного значення. У цезію є і недоліки, які зумовлюють постійний пошук його мінералів: по-перше, його вилучення з руд неповне, в процесі експлуатації матеріалу він розсіюється і тому безповоротно втрачається, запаси його руд дуже обмежені і не можуть забезпечити постійно зростаючий попит на металевий цезій.
Природний цезій - мононуклідний елемент, що складається з єдиного стабільного нукліда 133Cs. На сьогоднішній день відомий 39 штучних радіоактивних ізотопів цезію з масовими числами від 112 до 151. Самим довгоживучим штучним радіоактивним нуклідом цезію є 135Cs з періодом напіврозпаду t1 / 2 близько 2,3 мільйона років. Інший щодо довгоживучий ізотоп 137Cs (t1 / 2 = 30,17 року). Обидва ці довгоживучих радіонукліда є продуктами ядерного розпаду.
Вчені з індійського Інституту геофізичних досліджень, що вивчили воду 60 гарячих джерел в Гімалаях, прийшли до висновку, що висока концентрація цезію у воді може бути ознакою магматичної активності надр.
Підвищена концентрація радіоактивного ізотопу цезію-137 виявлена в деревах, що збереглися в районі знаменитого Тунгуського вибуху, причому хімічна аномалія характерна саме для тих верств стовбура, які відносяться до 1908 року, коли відбулася ця подія [3].
Цезій в живих організмах
Цезій в живих організмах - постійний хімічний мікроелемент організму рослин і тварин. Морські водорості наприклад містять від 0,01-0,1 мкг цезію в 1 г сухої речовини, наземні рослини - 0,05-0,2. Тварини отримують цезій з водою і їжею. В організмі членистоногих близько 0,067-0,503 мкг / г цезію, плазунів - 0,04, ссавців - 0,05. Головне депо цезію в організмі ссавців - м'язи, серце, печінка; в крові - до 2,8 мкг / л цезій щодо малотоксичний, його біологічна роль в організмі рослин і тварин остаточно не розкрита.
Цезій-137 - радіоактивний ізотоп цезію, що випускає бета випромінювання і гамма-кванти, і один з головних компонентів радіоактивного забруднення біосфери. Міститься в радіоактивних випаданнях, радіоактивних відходах, скиданнях заводів, що переробляють відходи атомних електростанцій. Інтенсивно сорбується грунтом і донними відкладеннями; у воді знаходиться переважно у вигляді іонів. Міститься в рослинах і організмі тварин і людини. Коефіцієнт накопичення Cs-137 найбільш високий у прісноводних водоростей і арктичних наземних рослин, особливо лишайників. В організмі тварин Cs-137 накопичується головним чином у м'язах і печінці. Найбільший коефіцієнт накопичення його відмічений у північних оленів і північноамериканських водоплавних птахів. Накопичується в грибах, ряд яких (маслюки, моховики, свинушка, горькушки, польський гриб) вважається «акумуляторами» радіоцезію [1].
Стронцій
Стро нцій - елемент головної підгрупи другої групи, п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 38. Позначається символом Sr (лат. Strontium). Проста речовина стронцій - м'який, ковкий і пластичний лужноземельний метал сріблясто-білого кольору.
Зміст стронцію в земній корі - 0,384% у вільному вигляді стронцій не зустрічається. Він входить до складу близько 40 мінералів. З них найбільш важливий - целестин SrSO4. Видобувають також стронціаніт SrCO3. Ці два мінерали мають промислове значення [2].
Стронцій міститься в морській воді (0,1 мг / л), в грунтах (0,035 мас%).
У природі стронцій зустрічається у вигляді суміші 4 стабільних ізотопів 84Sr (0,56%), 86Sr (9,86%), 87Sr (7,02%), 88Sr (82,56%).
Стронцій все впевненіше торує собі дорогу в промисловість, попит на нього безперервно зростає. Більшість мінералів стронцію зустрічається досить рідко, лише вже знайомий нам стронціаніт і целестин (по-латині - "небесний") утворюють іноді солідні скупчення.
Ось як описує свою зустріч з Целестином чудовий радянський геохімік і мінералог академік А. Е. Ферсман: "... раптом в одному розламаному желвачке я побачив якийсь блакитний кристалик: о, це був справжній целестин! Чудова прозора блакитна голочка, як світлий сапфір з острова Цейлон, як світлий, вигорілий на сонце волошка ".
Але целестин буває не тільки блакитним - не менше чудесні його ніжно-фіолетові, рожеві або димчасто-чорні кристали, що зустрічаються в порожнинах гірських порід. Надзвичайно гарні зеленуваті розсипи його дрібних зерен на друзях бурштиново-жовтої сірки. Шляхи освіти в природі целестину (він являє собою сернокислую сіль стронцію) різні, і, щоб повідати про одного з них, ми знову надамо слово академіку А. Е. Ферсману, оскільки навряд чи хто-небудь зможе розповісти про це цікавіше і поетично, ніж він: "... Давно-давно, кілька десятків мільйонів років тому верхньоюрські море докочувати свої хвилі до потужних, тоді вже існували Кавказьких хребтів ...
На дні прибережної смуги, на каменях у незліченних кількостях жили маленькі радіолярії; деякі з них були прозорі, як скло, інші представляли собою дрібні білі кульки не більше одного міліметра, з маленьким стеблинкою, у три рази більшим, ніж тулуб. Вони сиділи на каменях, на красивих заростях мшанок, а іноді покривали навіть голки морських їжаків, подорожуючи з ними по морському дну. Це були знамениті радіолярії-акантаріі, скелети яких складалися з голочок, числом від 18 до 32. Довгий час ніхто не знав, з чого вони утворені, і лише випадково було виявлено, що вони складаються не з кремнезему, не з опалу, а з сірчанокислого стронцію. Ці незліченні радіолярії накопичували в складному життєвому процесі сіль сірчанокислого стронцію, витягуючи її з морської води, і поступово будували свої кристалічні голочки.
Відмирають радіолярії падали на дно моря. Так було покладено початок скупчень одного з рідкісних металів ... "Додамо, що не тільки радіолярії, але й інші морські організми небайдужі до стронцію: вчені знаходили спіральні раковини давно вимерлих молюсків, що складаються з целестину. Деякі з них досягали значних розмірів - до 40 сантиметрів у поперечнику. У природі є досить великі так звані вулканогенно-осадові родовища стронцію, наприклад в пустелях Каліфорнії й Арізони в США. (До речі, помічено, що стронцій "любить" жаркий клімат, тому в північних країнах він зустрічається набагато рідше.). У третинну епоху цей район був ареною бурхливої вулканічної діяльності. Термальні води, піднімалися разом з лавою з земних надр, були багаті стронцієм. Розташовані серед вулканів озера накопичували цей елемент, утворюючи за тисячоліття дуже солідні його запаси. Є стронцій і у водах Кара-Богаз -Гола. Постійне випаровування вод затоки призводить до того, що концентрація солей безперервно зростає і нарешті досягає точки насичення - солі випадають в осад. Зміст стронцію в цих опадах іноді складає 1-2%.
Кілька років тому геологи виявили значне родовище целестину в горах Туркменії. Блакитні пласти цього цінного мінералу залягають на схилах ущелин і глибоких каньйонів Куштангтау-гірського хребта в південно-західній частині Паміро-Алая. Немає сумніву, що туркменський "небесний" камінь успішно послужить нашому народному господарству. ... Природі не властива квапливість: зараз людина використовує запаси стронцію, які вона почала створювати мільйони років тому. Але й сьогодні у глибинах землі, в товщі морів і океанів відбуваються складні хімічні процеси, виникають скупчення цінних елементів, народжуються нові скарби, але дістануться вони вже не нам, а нашим далеким-далеким нащадкам [3].
Стронцій в живих організмах
Стронцій - складова частина мікроорганізмів, рослин і тварин. У морських радіолярій (акантарій) скелет складається з сульфату Стронцій - целестину. Морські водорості містять 26-140 мг Стронцій на 100 г сухої речовини, наземні рослини - 2,6, морські тварини - 2-50, наземні тварини - 1,4, бактерії - 0,27-30. Накопичення Стронцій різними організмами залежить не тільки від їх виду, особливостей, а й від співвідношення в середовищі Стронцій з іншими елементами, головним чином з Ca і Р, а також від адаптації організмів до певної геохімічної середовищі.
Тварини отримують Стронцій з водою і їжею. Всмоктується Стронцій тонким, а виділяється в основному товстим кишечником. Ряд речовин (полісахариди водоростей, катіонообмінні смоли) перешкоджає засвоєнню Стронцій Головне депо Стронцій в організмі - кісткова тканина, в попелі якій міститься близько 0,02% Стронцій (в ін тканинах - близько 0,0005%). Надлишок солей Стронцій в раціоні щурів викликає «стронцієвий» рахіт. У тварин, що мешкають на грунтах із значною кількістю целестину, спостерігається підвищений вміст Стронцій в організмі, що призводить до ламкості кісток, рахіту та ін захворювань. В біогеохімічних провінціях, багатих Стронцій (ряд районів Центральної та Східної Азії, Північної Європи та ін), можлива т. н. Уровська хвороба.
Стронцій-90
Серед штучних ізотопів Стронцій його довгоживучий радіонуклід 90Sr - один з важливих компонентів радіоактивного забруднення біосфери. Потрапляючи в навколишнє середовище, 90Sr характеризується здатністю включатися (головним чином разом з Ca) в процеси обміну речовин у рослин, тварин і людини. Тому при оцінці забруднення біосфери 90Sr прийнято розраховувати ставлення 90Sr/Ca в стронцієвих одиницях (1 с. Е. = 1 мк мккюрі 90Sr на 1 г Ca). При пересуванні 90Sr і Ca за біологічними і харчових ланцюгах відбувається дискримінація Стронцій, для кількісного вираження якої знаходять «коефіцієнт дискримінації», ставлення 90Sr/Ca в наступному ланці біологічної або харчового ланцюга до цієї ж величиною в попередньому ланці. В кінцевому ланці харчового ланцюга концентрація 90Sr, як правило, значно менше, ніж в початковому.
У рослини 90Sr може надходити безпосередньо при прямому забрудненні листя або з грунту через коріння (при цьому великий вплив має тип грунту, се вологість, pH, вміст Ca і органічних речовин і т.д.). Щодо більше накопичують 90Sr бобові рослини, корені-і бульбоплоди, менше - злаки, у тому числі зернові, і льон. У насінні і плодах накопичується значно менше 90Sr, ніж у інших органах (наприклад, в листі і стеблах пшениці 90Sr в 10 разів більше, ніж у зерні). У тварин (надходить в основному з рослинною їжею) і людини (надходить в основному з коров'ячим молоком та рибою) 90 Sr накопичується головним чином у кістках. Величина відкладення 90 Sr в організмі тварин і людини залежить від віку особини, кількості надходить радіонукліда, інтенсивності росту нової кісткової тканини та ін Велику небезпеку 90Sr представляє для дітей, в організм яких він надходить з молоком і накопичується у швидко зростаючої кісткової тканини.
Біологічна дія 90Sr пов'язано з характером його розподілу в організмі (накопичення в скелеті) і залежить від дози b-опромінення, створюваного ним і його дочірнім радіоізотопом 90Y. При тривалому надходженні 90 Sr в організм навіть у відносно невеликих кількостях, в результаті безперервного опромінення кісткової тканини , можуть розвиватися лейкемія і рак кісток. Істотні зміни в кістковій тканині спостерігаються при вмісті 90Sr в раціоні близько 1 мккюрі на 1 г Ca. Висновок в 1963 в Москві Договору про заборону випробувань ядерної зброї в атмосфері, космосі і під водою привело до майже повного визволення атмосфери від 90Sr і зменшення його рухомих форм в грунті [2].
Основним джерелом забруднення природи радіоактивним стронцієм були випробування ядерної зброї і аварії на атомних електростанціях. Тому з радіоактивних ізотопів стронцію найбільший практичний інтерес представляють нукліди з масовими числами 89 і 90, вихід яких, у великій кількості спостерігається в реакціях розподілу урану і плутонію.
Випав на поверхню Землі радіоактивний стронцій потрапляє в грунт. З грунту радіонукліди через кореневу систему надходять в рослини. Слід зауважити, що на цьому етапі велику роль грають властивості грунту і вид рослини.
Випадають на поверхню грунту радіонукліди протягом багатьох років можуть залишатися в її верхніх шарах. І ТІЛЬКИ якщо грунт бідна такими мінералами, як кальцій, калій, натрій, фосфор створюються сприятливі умови для міграції радіонуклідів в самому грунті і по ланцюгу грунт - рослина. У першу чергу це відноситься до дерново-підзолистих і піщано-суглинних грунтів. У чорноземних грунтах рухливість радіонуклідів вкрай утруднена. Тепер про рослини. У найбільших кількостях стронцій накопичується у бобових, коренеплодах, і в меншій мірі (в 3-7 разів) в злакових.
Тваринам радіоактивний стронцій в основному надходить з кормом. Так як стронцій відноситься до типових остеотропних радіонуклідів, він відкладається в кістках. За величиною відкладень нукліда в скелеті сільськогосподарських тварин їх розташовують у такій послідовності: велика рогата худоба, кози, вівці, свині, кури. Крім скелета найбільша концентрація стронцію відзначена в печінці та нирках, мінімальна - в м'язах і жирі.
У лактуючих тварин стронцій виводиться з молоком. Добове виведення у корів різної продуктивності досягає 0,2 - 5%, у кіз - 1,3%, овець 1-6% в літрі від добового надходження. Перехід нукліда Sr90 з корму в молоко оцінюється як 0,1% в 1 літр удою. При переробці молока в олію переходить лише близько 1% стронцію 90.
Перехід 90Sr з кормового раціону курей в яйце досягає 40% добового надходження радіонукліда, а у низькопродуктивних курей може досягати 60%. Зміст стронцію в шкарлупі досягає 96%, в жовтку і білку міститься відповідно 3,5% і 0,2%.
Зміст стронцію в морепродуктах залежить від змісту нукліда у воді і ступеня її мінералізації. Так у риб виловлених їх Балтійського моря вміст стронцію виявилося в 5 разів більше, ніж у риб Атлантичного океану. У риб стронцій також в основному накопичується в скелеті. Тому після кулінарної обробки риби можна отримати більш забруднений продукт, ніж той, що був на початку. Так при приготуванні юшки частина радіонуклідів містяться в кістках переходить в бульйон. Може також збільшуватися надходження Sr90 з риби при її консервуванні за рахунок високої температури під тиском, в результаті якої зазвичай неїстівні кістки розм'якшуються і перетворюються на їстівні.
Біологічній дії радіоактивного стронцію присвячені численні наукові публікації. Однак наскільки небезпечно хронічне надходження в організм людини малих кількостей стронцію до кінця не вивчено.
У спробах докопатися до істини, вчені досліджували біологічну дію радіоактивного стронцію на багатьох видах тварин. Найбільший практичний інтерес представляють досліди, проведені на собаках, оскільки радіочутливість їх приблизно така ж, як і в людини. Результати дослідів показали, що і у собак, і в пацюків відхилення фіксувалися тільки при достатньо великих дозах [3].
Список літератури:
1) Моїсеєв А. А., Рамзан П. В. «Цезій-137 в біосфері» / М. / 1975;
2) Бурков В. В., Подпоряна Є. К. «Стронцій» / М. / 1962;
3) Юдинцева Є. В., Гулякін І. В. «Агрохімія радіоактивних ізотопів стронцію і цезію» / М. / 1968;
4) Ковальський В. В. «Геохімічна екологія» / М. / 1974.