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环境地球化学是环境科学与地球化学之间的一门新兴的边缘学科,是环境地学的一个分支。它主要研究环境中天然的和人为释放的化学物质的迁移转化规律,及其与环境质量、人体健康的关系。

发展历程

环境地球化学是20世纪70年代发展起来的,它的基础是地球化学。地球化学
第7届国际环境地球化学大会

第7届国际环境地球化学大会

是研究地球物质化学运动规律的学科。
近代地球化学着重研究化学元素在地壳中的迁移、转化、分散和富集问题。各种金届和非金届元素、各种天然的无机和有机化合物在自然界的运动受地球化学规律的支配。随着社会生产的发展,出现了环境问题
人为释放的各种金属和非金属元素、各种无机和有机化合物也加入自然界原有物质循环之中,它们在自然界的运动同样受地球化学规律的支配。因此,地球化学的许多原理和方法可以应用于环境问题的研究,这样就促进了环境科学与地球化学的结合,导致了环境地球化学这门新兴的边缘学科的诞生。

主要内容

环境地球化学主要研究人类环境的化学性质、研究污染物在环境中的迁移转化规律、研究环境中的化学物质对生物体和人体健康的影响三个方面 。
从地球化学的角度看:人类环境可分为五个地球化学系统,即表面岩石圈系统、大气系统、水系统、土壤-生物系统和技术系统。为了改善人类环境质量,必须深入了解这些系统的地球化学性质。这些系统是在地质历史过程中逐步演化、依次产生的,它们的化学性质不断地发生变化。
到了近代,人类运用强大的技术力量大规模地改变自然界的面貌,地壳深处大量的化学物质被采掘出来,种类越来越多、数量越来越大的自然界本来不存在的化合物被合成出来,它们中的一部分不可避免地被散布到环境中。在原来环境物质循环的基础上,叠加了这些新的物质的循环,对人类环境质量产生了严重影响。
环境地球化学的重要任务之一就在于及时地研究现代环境化学变化的过程和趋势,在原来地球化学的基础上,更加深入地研究组成人类环境的各个系统的地球化学性质。
人为散发的污染物在环境中不断发生空间位置的移动和存在形态的转化。这种迁移转化的结果,可以向着有利的方向发展,如污染物被稀释、扩散、分解,甚至消失;也可以向着不利的方向发展,如污染物在某些条件下积累起来,转变成为持久的次生污染物
污染物在环境中的存在形态可以通过各种化学作用不断发生变化,如溶解、沉淀、水解、络合与整合、氧化、还原、化学分解、光化学分解和生物化学分解等。
污染物的存在形态不同,其毒性也往往不同,如六价铬的毒性大于三价铬,铜的络离子的毒性小于铜离子,且络离子愈稳定,其毒性愈小。
污染物的存在形态不同,生物对它的吸收作用也不同,如水稻易于吸收金
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届汞、甲基汞,而不吸收硫化汞。在环境污染研究中,不但要研究污染物的总量,还必须研究污染物的形态。
在一个特定的环境中,污染物的存在形态取决于环境的地球化学条件,如环境的酸碱条件、氧化-还原条件,环境中胶体的种类和数量、环境中有机质的数量和性质等。
地球化学的研究表明,在地球表面上的每一特定地区都有它特有的地球化学性质,所以应用地球化学的原理和方法,能够较好地阐明污染物在环境中迁移转化规律。这方面的研究有助于评价环境质量,预测环境质量变化的趋势;有助于了解自然界对污染物的自然净化能力;有助于制定环境标准和制定改造已被污染的环境的措施。
环境地球化学是在生物地球化学的基础上发展起来的。关于环境元素和生命元素的关系,早在40年代,生物地球化学的研究即指出:有机体中所含的化学元素生物圈中所存在的化学元素成正比;组成有机体的主要元素在生物圈中都是容易形成气体和水溶性化合物的元素。
人体的组成是人类在漫长的岁月中通过新陈代谢,与环境进行物质交换,并通过遗传、变异等过程建立了动态平衡的结果。显然,人类释放到环境中的各种各样的化学物质,必然会以不同的程度进入生物和人的机体。当机体组织不能忍受这些物质时,就会产生严重的后果。汞污染引起的水俣病和镉污染引起的痛痛病是这方面的突出的例子。
环境地球化学在这方面的任务不仅研究现代环境化学组成的变化同生命体、人体化学组成和人类健康的关系,而且在更广阔的地质背景上研究宇宙元素、地壳元素、海洋元素同生命元素之间的关系,研究生命过程的地球化学演化等问题。
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研究方法

环境地球化学的研究方法通常有两种:现场调查研究法和实验室模拟试验研究法。
在现场调查研究方面,科学地确定取样地点最为重要。采样点必须有代表性和有足够的数量。为查明化学物质在环境中的迁移转化特点,通常采用共轭布点法。
所谓共轭布点法就是同时对各种有关连的环境要素进行对比取样分析。如在研究风化壳的化学成分时,同时采集流经这种风化壳的河流的水样进行分析;在研究土壤的化学
环境地球化学颁奖大会

环境地球化学颁奖大会

成分时,同时采集生长在这种土壤上的植物样品集流经这种风化壳的河流的水样进行分析;在研究土壤的化学成分时,同时采集生长在这种土壤上的植物样品进行分析,这样就能获得关于环境诸要素间存在着密切的地球化学联系的资料,从而了解所研究的化学物质在全环境中的迁移状况。
现场调查研究法只能说明所研究的物质在环境中迁移作用的结果,而不能说明这种结果发生的原因和机制必须在实验室内进行简单的或复杂的模拟实验,即在人工设计的环境中进行某一过程的观测研究。设计时所采用的环境参数既要服从实验目的,又要尽可能接近环境的实际情况。
现代分析测试技术是研究环境地球化学的重要手段在环境地球化学研究中已经采用的现代分析测试技术有中子活化分析法、火花源质谱法、化学电离质谱法、用电感耦合等离子体源的原子发射光谱法、无火焰原子吸收光谱法、x射线荧光谱法、电子探针法、化学分析电子能谱法、阳极溶出伏安法、差示脉冲极谱法和气相色谱法等。
进行环境地球化学研究,要求分析测试方法的灵敏度要高,准确度要好,基体反应要小,并能进行多元素分析。

研究手段

环境地球化学运用各类专门器具,采集地表、水下和空中的无机和有机样本。为确定环境样本中化学元素的含量和组合,各种成分分析仪器和质谱计、能谱仪是它的必备手段。经常采用的研究方法有下面几种。

对比研究法

为确定一个地方病病区环境化学组成的变异,需和非病区对比;为确定一地区的污染状况,需和清洁对照区对比等。

元素追索法

即紧紧抓住所瞄准的元素,研究它在环境中运动的各个环节或在各种介质中的地球化学行为。

环境档案研究法

树木年轮冰岩心湖泊沉积、海湾沉积、深海沉积、珊瑚、黄土、古土壤河流泥沙沉积岩花粉包裹体等都不同程度地记录下了它们形成时的环境条件,如温度、湿度、化学成分、生物量、火山喷发、地磁场、海平面和太阳活动等,因此它们可看成是环境变化的“档案”材料。不同的档案材料有不同的环境信息量和时间分辨率。有目的地研究这些档案材料,可提取出过去环境变化的宝贵信息。

了解环境地球化学过程在时间上的变化

需要引进各种测年技术。环境地球化学研究常使用的有低本底放射性测年法,如碳-14法、铅-210法等。研究环境的化学组成或污染物在空间上的变化,常采用环境地球化学制图法,为此需按不同的密度进行网格取样,用电子计算机进行数据处理。

天然和人为的同位素示踪方法

,以了解环境地球化学过程进行的机理。室内实验模拟各种环境地球化学现象和过程及建立数学模型。

学科联系

由于要应用地球化学和生态学的原理和方法来研究环境问题,环境地球化学与地球化学和生态学关系密切。环境地球化学在研究内容上与生物地球化学有某些交叉,环境地球化学是从生物地球化学中发展起来的。
从20世纪60年代末期正式使用环境地球化学这一术语至今不过20年,但由于环境地球化学的研究内容直接关系到人类在地球上的生存,因此它具有长远发展的牢靠基础;另方面,环境与人的关系和制约地球环境演变的因素十分错综复杂,这对新兴的环境地球化学是重大挑战,也带来了前进的推动力。环境问题已成为20世纪最后十年人类最为关心的重大问题之一,把整个地球作为一个统一系统,研究制约地球环境演变的相互作用的化学,物理和生物学过程,以预测地球环境质量的演变趋势并提出对策,成为环境地球化学的最新科学思潮。
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