Круговорот второстепенных элементов: цезия и стронция
Министерство образования
и науки Российской Федерации
Пензенский Государственный
Университет
Кафедра: Экологии
и безопасности жизнедеятельности
Реферат
Круговорот второстепенных
элементов: цезия и стронция
Выполнил: студент гр. 06-лф-1
Карев С.А.
Руководитель: д.б.н.,
профессор
Стаценко А.П.
Пенза 2009
Круговорот второстепенных
элементов
Второстепенные элементы, подобно
жизненно важным, нередко мигрируют между организмами и средой, хотя и не представляют
какой-либо ценности для организмов. Большинство из этих элементов участвуют в общем
осадочном цикле. Обычно они оказывают малое воздействие на живые существа. Однако
могут быть и неожиданные последствия, связанные в основном с деятельностью человека.
Например, радиоактивный стронций-90, ранее в природе не существовавший, по химическим
свойствам похож на кальций, поэтому, попав в организмы, он накапливается в костях
и оказывается в тесном контакте с кроветворными тканями. Радиоактивный цезий-137
по свойствам схож с калием и поэтому быстро циркулирует по пищевым цепям [4].
Це́зий — элемент
главной подгруппы первой группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д.
И. Менделеева, с атомным номером
55. Обозначается символом Cs (лат.
Caesium). Простое
вещество цезий — мягкий щелочной
металл серебристо-жёлтого цвета. Своё название цезий
получил за наличие двух ярких синих линий в эмиссионном
спектре (от лат.
caesius — небесно-голубой). Цезий был открыт в
1860 году немецкими учёными
Р.
В. Бунзеном и Г.
Р. Кирхгофом в водах Дюрхгеймского
минерального источника в Германии
методом оптической
спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи
спектрального
анализа. Цезий - один из редчайших элементов, но всё же следы его можно
найти во многих горных породах, в морской воде, а также в воде минеральных источников.
Любопытно, что "крохи" цезия обнаружены в сахарной свекле, зернах кофе,
чайных листьях. Знаком с ним и каждый курильщик: об этом свидетельствуют две голубые
линии в спектре табачного пепла.
Основными цезиевыми минералами
являются поллуцит и очень редкий авогадрит (K,Cs)[BF4]. Кроме того, в виде примесей
цезий входит в ряд алюмосиликатов:
лепидолит,
флогопит, биотит,
амазонит,
петалит,
берилл,
циннвальдит,
лейцит,
карналлит.
В качестве промышленного сырья используются поллуцит и лепидолит [1].
При промышленном получении
цезий в виде соединений извлекается из минерала поллуцита.
В России после распада СССР промышленная добыча поллуцита
не велась, хотя в Вороньей тундре под Мурманском
ещё в советское время были обнаружены колоссальные запасы минерала.
Цезий входит в группу химических
элементов с ограниченными запасами вместе с гафнием,
танталом,
бериллием,
рением, металлами
платиновой группы, кадмием,
теллуром.
Общие выявленные мировые ресурсы руд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте
на окись цезия), но они крайне распылены, и, к сожалению, сверхвысокие цены — это
неотъемлемая черта, сопровождающая цезий и рубидий
в прошлом, настоящем и будущем. Мировой объём добычи цезия составляет около 9 тонн
в год, а потребность свыше 85 тонн в год и она постоянно растёт. По добыче цезиевой
руды (поллуцита)
лидирует Канада.
В месторождении Берник-Лейк (юго-восточная Манитоба)
сосредоточено около 70 % мировых запасов цезия. Поллуцит также добывается в Намибии
и Зимбабве.
В России его
мощные месторождения находятся на Кольском
полуострове, в Восточном
Саяне и Забайкалье.
Месторождения поллуцита также имеются в Казахстане,
Монголии
и Италии (о.
Эльба),
но они обладают малыми запасами и не имеют важного экономического значения. У цезия
есть и недостатки, которые обусловливают постоянный поиск его минералов: во-первых,
его извлечение из руд неполное, в процессе эксплуатации материала он рассеивается
и потому безвозвратно теряется, запасы его руд очень ограничены и не могут обеспечить
постоянно растущий спрос на металлический цезий.
Природный цезий — мононуклидный
элемент, состоящий из единственного стабильного нуклида 133Cs. На сегодняшний день известно 39 искусственных
радиоактивных изотопов цезия с массовыми числами от 112 до 151. Самым долгоживущим
искусственным радиоактивным нуклидом цезия является 135Cs с периодом
полураспада t1/2 около 2,3 миллиона лет. Другой относительно долгоживущий
изотоп 137Cs
(t1/2=30,17 года). Оба эти долгоживущих радионуклида являются продуктами ядерного
распада.
Ученые из индийского Института
геофизических исследований, изучившие воду 60 горячих источников в Гималаях, пришли
к выводу, что высокая концентрация цезия в воде может быть признаком магматической
активности недр.
Повышенная концентрация радиоактивного
изотопа цезия-137 обнаружена в деревьях, сохранившихся в районе знаменитого Тунгусского
взрыва, причем химическая аномалия характерна как раз для тех слоев ствола, которые
относятся к 1908 году, когда произошло это событие [3].
Цезий в живых организмах
Цезий в живых организмах —
постоянный химический микроэлемент организма растений и животных. Морские водоросли
например содержат от 0,01-0,1 мкг цезия в 1 г сухого вещества, наземные растения
— 0,05—0,2. Животные получают цезий с водой и пищей. В организме членистоногих около
0,067—0,503 мкг/г цезия, пресмыкающихся — 0,04, млекопитающих — 0,05. Главное депо
цезия в организме млекопитающих — мышцы, сердце, печень; в крови — до 2,8 мкг/л
цезий относительно малотоксичен; его биологическая роль в организме растений и животных
окончательно не раскрыта.
Цезий-137
— радиоактивный изотоп цезия, испускающий бета излучение и гамма-кванты, и один
из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных
выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных
электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями; в воде находится
преимущественно в виде ионов. Содержится в растениях и организме животных и человека.
Коэффициент накопления Cs-137 наиболее высок у пресноводных водорослей и арктических
наземных растений, особенно лишайников. В организме животных Cs-137 накапливается
главным образом в мышцах и печени. Наибольший коэффициент накопления его отмечен
у северных оленей и североамериканских водоплавающих птиц. Накапливается в грибах,
ряд которых (маслята, моховики, свинушка, горькушка, польский гриб) считается «аккумуляторами»
радиоцезия [1].
Стро́нций — элемент
главной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д.
И. Менделеева, с атомным номером
38. Обозначается символом Sr (лат.
Strontium). Простое
вещество стронций — мягкий, ковкий и пластичный щёлочноземельный металл
серебристо-белого цвета.
Содержание стронция в земной
коре — 0,384 % в свободном виде стронций не встречается. Он входит в состав около
40 минералов. Из них наиболее важный — целестин
SrSO4. Добывают также стронцианит
SrCO3. Эти два минерала имеют промышленное значение [2].
Стронций содержится в морской
воде (0,1 мг/л), в почвах (0,035 масс%).
В природе стронций встречается
в виде смеси 4 стабильных изотопов 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,86 %), 87Sr (7,02 %),
88Sr (82,56 %).
Стронций все увереннее прокладывает
себе дорогу в промышленность, спрос на него непрерывно растет. Большинство минералов
стронция встречается довольно редко; лишь уже знакомый нам стронцианит и целестин
(по-латыни - "небесный") образуют иногда солидные скопления.
Вот как описывает свою встречу
с целестином замечательный советский геохимик и минералог академик А. Е. Ферсман:
"...вдруг в одном разломанном желвачке я увидел какой-то голубой кристаллик:
о, это был настоящий целестин! Чудесная прозрачная голубая иголочка, как светлый
сапфир с острова Цейлон, как светлый, выгоревший на солнце василек".
Но целестин бывает не только
голубым - не менее чудесны его нежно-фиолетовые, розоватые или дымчато-черные кристаллы,
встречающиеся в пустотах горных пород. Необыкновенно красивы зеленоватые россыпи
его мелких зерен на друзах янтарно-желтой серы. Пути образования в природе целестина
(он представляет собой сернокислую соль стронция) различны, и, чтобы поведать об
одном из них, мы снова предоставим слово академику А. Е. Ферсману, поскольку вряд
ли кто-нибудь сможет рассказать об этом интереснее и поэтичнее, чем он: "...Давно-давно,
несколько десятков миллионов лет тому назад верхнеюрское море докатывало свои волны
до мощных, тогда уже существовавших Кавказских хребтов...
На дне прибрежной полосы,
на камнях в бесчисленных количествах жили маленькие радиолярии; некоторые из них
были прозрачны, как стекло, другие представляли собой мелкие белые шарики не больше
одного миллиметра, с маленьким стебельком, в три раза большим, чем туловище. Они
сидели на камнях, на красивых зарослях мшанок, а иногда покрывали даже иглы морских
ежей, путешествуя с ними по морскому дну. Это были знаменитые радиолярии-акантарии,
скелеты которых состояли из иголочек, числом от 18 до 32. Долгое время никто не
знал, из чего они образованы, и только случайно было обнаружено, что они состоят
не из кремнезема, не из опала, а из сернокислого стронция. Эти бесчисленные радиолярии
накапливали в сложном жизненном процессе соль сернокислого стронция, извлекая ее
из морской воды, и постепенно строили свои кристаллические иголочки.
Отмирающие радиолярии падали
на дно моря. Так было положено начало скоплениям одного из редких металлов..."
Добавим, что не только радиолярии, но и другие морские организмы неравнодушны к
стронцию: ученые находили спиральные раковины давно вымерших моллюсков, состоящие
из целестина. Некоторые из них достигали внушительных размеров - до 40 сантиметров
в поперечнике. В природе имеются довольно крупные так называемые вулканогенно-осадочные
месторождения стронция, например в пустынях Калифорнии и Аризоны в США. (Кстати,
замечено, что стронций "любит" жаркий климат, поэтому в северных странах
он встречается гораздо реже.). В третичную эпоху этот район был ареной бурной вулканической
деятельности. Термальные воды, поднимавшиеся вместе с лавой из земных недр, были
богаты стронцием. Расположенные среди вулканов озера накапливали этот элемент, образуя
за тысячелетия весьма солидные его запасы. Есть стронций и в водах Кара-Богаз-Гола.
Постоянное испарение вод залива приводит к тому, что концентрация солей непрерывно
возрастает и наконец достигает точки насыщения - соли выпадают в осадок. Содержание
стронция в этих осадках иногда составляет 1-2 %.
Несколько лет назад геологи
обнаружили значительное месторождение целестина в горах Туркмении. Голубые пласты
этого ценного минерала залегают на склонах ущелий и глубоких каньонов Куштангтау-горного
хребта в юго-западной части Памиро-Алая. Нет сомнения, что туркменский "небесный"
камень успешно послужит нашему народному хозяйству. ...Природе не свойственна торопливость:
сейчас человек использует запасы стронция, которые она начала создавать миллионы
лет назад. Но и сегодня в глубинах земли, в толще морей и океанов происходят сложные
химические процессы, возникают скопления ценных элементов, рождаются новые клады,
но достанутся они уже не нам, а нашим далеким-далеким потомкам [3].
Стронций в живых организмах
Стронций — составная часть микроорганизмов, растений и животных.
У морских радиолярий (акантарий) скелет состоит из сульфата Стронций —
целестина. Морские водоросли содержат 26—140 мг Стронций на
100 г сухого вещества, наземные растения — 2,6, морские животные — 2—50, наземные
животные — 1,4, бактерии — 0,27—30. Накопление Стронций различными
организмами зависит не только от их вида, особенностей, но и от соотношения в среде
Стронций
с др. элементами, главным образом с Ca и Р,
а также от адаптации организмов к определённой геохимической среде.
Животные получают Стронций с
водой и пищей. Всасывается Стронций тонким, а выделяется в основном
толстым кишечником. Ряд веществ (полисахариды водорослей, катионообменные смолы)
препятствует усвоению Стронций Главное депо Стронций в
организме — костная ткань, в золе которой содержится около 0,02% Стронций (в
др. тканях — около 0,0005%). Избыток солей Стронций в
рационе крыс вызывает «стронциевый» рахит. У животных, обитающих на почвах со значительным
количеством целестина, наблюдается повышенное содержание Стронций в
организме, что приводит к ломкости костей, рахиту и др. заболеваниям. В биогеохимических
провинциях, богатых Стронций (ряд районов Центральной и
Восточной Азии, Северной Европы и др.), возможна т. н. уровская болезнь.
Стронций-90
Среди искусственных изотопов
Стронций
его долгоживущий радионуклид 90Sr —
один из важных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Попадая в окружающую
среду, 90Sr характеризуется способностью
включаться (главным образом вместе с Ca) в процессы
обмена веществ у растений, животных и человека. Поэтому при оценке загрязнения биосферы
90Sr принято рассчитывать отношение 90Sr/Ca в стронциевых единицах (1 с. е. = 1 мк мккюри 90Sr на 1 г Ca). При
передвижении 90Sr и Ca по биологическим и пищевым цепям происходит дискриминация
Стронций, для количественного
выражения которой находят «коэффициент дискриминации», отношение 90Sr/Ca в последующем
звене биологической или пищевой цепи к этой же величине в предыдущем звене. В конечном
звене пищевой цепи концентрация 90Sr, как
правило, значительно меньше, чем в начальном.
В растения 90Sr может поступать непосредственно при прямом загрязнении
листьев или из почвы через корни (при этом большое влияние имеет тип почвы, сё влажность,
pH, содержание Ca и органических веществ и
т.д.). Относительно больше накапливают 90Sr бобовые
растения, корне- и клубнеплоды, меньше — злаки, в том числе зерновые, и лён. В семенах
и плодах накапливается значительно меньше 90Sr, чем
в др. органах (например, в листьях и стеблях пшеницы 90Sr в 10 раз больше, чем в зерне). У животных (поступает
в основном с растительной пищей) и человека (поступает в основном с коровьим молоком
и рыбой) 90Sr накапливается главным образом
в костях. Величина отложения 90Sr в
организме животных и человека зависит от возраста особи, количества поступающего
радионуклида, интенсивности роста новой костной ткани и др. Большую опасность 90Sr представляет для детей, в организм которых он поступает
с молоком и накапливается в быстро растущей костной ткани.
Биологическое действие 90Sr связано с характером его распределения в организме
(накопление в скелете) и зависит от дозы b-облучения, создаваемого им и его дочерним
радиоизотопом 90Y. При длительном поступлении
90Sr в организм даже в относительно небольших количествах,
в результате непрерывного облучения костной ткани, могут развиваться лейкемия и
рак костей. Существенные изменения в костной ткани наблюдаются при содержании 90Sr в рационе около 1 мккюри на 1 г Ca. Заключение в 1963 в Москве Договора о запрещении
испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой привело к почти полному
освобождению атмосферы от 90Sr и
уменьшению его подвижных форм в почве [2].
Основным источником загрязнения
природы радиоактивным стронцием были испытания ядерного оружия и аварии на атомных
электростанциях. Поэтому из радиоактивных изотопов стронция
наибольший практический интерес представляют нуклиды с массовыми числами 89 и 90,
выход которых, в большом количестве наблюдается в реакциях деления урана и плутония.
Выпавший на поверхность Земли
радиоактивный стронций попадает в почву. Из почвы радионуклиды через корневую систему
поступают в растения. Следует заметить, что на этом этапе большую роль играют свойства
почвы и вид растения.
Выпадающие на поверхность
почвы радионуклиды на протяжении многих лет могут оставаться в её верхних слоях.
И ТОЛЬКО если почва бедна такими минералами как кальций, калий, натрий, фосфор создаются
благоприятные условия для миграции радионуклидов в самой почве и по цепи почва –
растение. В первую очередь это относится к дерново-подзолистым и песчано-суглинистым
почвам. В чернозёмных почвах подвижность радионуклидов крайне затруднена. Теперь
о растениях. В наибольших количествах стронций накапливается в бобовых, корнеплодах,
и в меньшей мере (в 3-7 раз) в злаковых.
У лактирующих животных стронций
выводится с молоком. Суточное
выведение у коров разной продуктивности достигает 0,2 - 5%, у коз – 1,3%, овец 1-6%
в литре от суточного поступления. Переход нуклида Sr90 из корма в молоко оценивается
как 0,1% в 1 литр удоя. При переработке молока в масло переходит лишь около 1% стронция
90.
Переход 90Sr из кормового рациона курей в яйцо достигает 40%
суточного поступления радионуклида, а у низкопродуктивных кур может достигать 60%.
Содержание стронция в скорлупе достигает 96%, в желтке и белке содержится соответственно
3,5% и 0,2%.
Содержание стронция в морепродуктах
зависит от содержания нуклида в воде и степени её минерализации. Так у рыб выловленных их Балтийского
моря содержание стронция оказалось в 5 раз больше, чем у рыб Атлантического океана.
У рыб стронций также в основном накапливается в скелете. Поэтому после кулинарной
обработки рыбы можно получить более загрязненный продукт, чем тот, что был в начале.
Так при приготовлении ухи часть радионуклидов содержащихся в костях переходит в
бульон. Может также увеличиваться поступление Sr90 из рыбы при её консервировании
за счёт высокой температуры под давлением, в результате которой обычно несъедобные
кости размягчаются и превращаются в съедобные.
Биологическому действию радиоактивного
стронция посвящены многочисленные научные публикации. Однако насколько опасно хроническое
поступление в организм человека малых количеств стронция до конца не изучено.
В попытках докопаться до истины,
учёные исследовали биологическое действие радиоактивного стронция на многих видах
животных. Самый большой практический интерес представляют опыты, проведенные на
собаках, поскольку радиочувствительность их примерно такая же, как и у человека.
Результаты опытов показали, что и у собак, и у крыс отклонения фиксировались только
при достаточно больших дозах [3].
Список литературы:
1) Моисеев А. А., Рамзаев П. В. «Цезий-137
в биосфере» / М. / 1975;
2) Бурков В. В., Подпоряна Е. К. «Стронций»
/ М. /1962;
3) Юдинцева Е. В., Гулякин И. В. «Агрохимия
радиоактивных изотопов стронция и цезия» / М. / 1968;
4) Ковальский В. В. «Геохимическая экология»
/ М. / 1974.