Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
III. ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В последнее время широко распространилось бессмысленное с точки зрения семантики русского языка словосочетание окружающая среда, возникшее от англ. environment. Под этим термином чаще всего понимают среду, окружающую человека. Выделяют различные группы понятий «среда». Классификация которых приведена на схеме 3.
Среда природная – совокупность природных и незначительно измененных деятельностью людей абиотических и биотических естественных факторов, способная к самоподдержанию и саморегуляции без корректирующeгo воздействия человека.
Среда биологическая – живые организмы, в системе которых находится рассматриваемый организм (особь) или объект.
Среда биотическая – силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов.
Среда биогенная – совокупность биологической, биотической сред.
Среда, окружающая человека – совокупность абиотической, биотической и социальной сред, совместно и непосредственно оказывающих влияние на людей и их хозяйство.
Среда окружающая человека природная – совокупность природных и незначительно измененных деятельностью людей абиотических и биотических естественных факторов, оказывающих влияние на человека; отличается от других составляющих окружающей человека среды свойством самоподдержания и саморегуляции без корректирующего воздействия человека.
Среда антропогенная – среда природная, прямо или косвенно, намеренно или непреднамеренно измененная людьми.
Среда артеприродная – искусственное окружение людей, состоящее из чисто технических (здания, сооружения, асфальт дорог, искусственное освещение и т.п.) и природных (воздух, естественное освещение и т.п.) компонентов; без искусственного поддержания деградирует.
Среда питательная – жидкая или твердая смесь веществ определённого состава предназначенная для выращивания (питания и субстрата развития) микроорганизмов в лабораторных и промышленных условия.
Среда агрессивная – любая физическая среда (вещество или/и пространство, окружающее рассматриваемый объект), вызывающая или усиливающая коррозию материалов и изделии вследствие физических химических или биологических воздействий; очень редко термин применяют в приложении к живым организмам в значении вредной для них среды
Среда квазиприродная – преобразованные человеком (культурные) природные ландшафты и созданные им агроценозы, в том числе садово - паркового типа; не способна к самоподдержанию.
Среда внешняя – вещество, пространство, силы и явления природы, любая деятельность человека, находящиеся вне рассматриваемого объекта или субъекта, но необязательно непосредственно контактирующие с ним.
Среда экологическая – то же, что и среда внешняя, но в приложении лишь к живым организмам или объектам с участием живого; поэтому нельзя говорить "среда экологическая предприятия или технологической линии", если не имеются в виду люди или живые организмы в составе этих образований.
2. Соотношение понятий среда в приложении к человеку
Соотношение понятий среда социальная, среда артеприродная. среда квазиприродная, среда биологическая, среда биологическая и среда биотическая и среда абиотическая в приложении к человеку приведено на рисунке
3 – 5. Типы и группы взаимодействий экологического характера. Химический аспект взаимодействий. Ограничения, наложенные внешней химической средой
ХОС представляет собой 2 науки: химию и блок науки о Земле, включающих также экологию. ХОС рассматривает химический состав компонентов природной среды и механизмы его изменения.
В окружающей природной среде происходят одновременно и постоянно различные типы взаимодействий экологического характера.
Взаимодействия организмов и абиотической среды можно рассматривать в 3 аспектах:
– молекулярном (химическом),
– биологогеографическом,
– социальном.
Хим.аспект во всех группах взаимодействий проявляется в существовании химических веществ-посредников, позволяющих осуществлять эти отношения.
В природе вещества выполняют многообразные функции, в том числе осуществляют связи между организмами и средой в экосистемах. Такие вещества называют веществами-посредниками, хим. экорегуляторами или хемомедиаторами.
В осуществлении отношений между особями одного вида учавствуют хемомедиаторы, называемые ферромонами (ферро-несу, гормон-возбудитель).
Взаимодействие межвидовое осуществляется веществами называемыми алломонами (аллос-другой).
На воздействия абиотических факторов среды (свет, радиация, температура, влажность, соленость, рН) организмы реагируют продуцированием специфических веществ двух групп:
В некоторых случаях нельзя четко разграничивать эти понятия (ферромоны, аломоны, эндометаболиты, экзометаболиты ). Это обусловлено тем, что 2 первых термина определяют адрес передачи химического сигнала. 2 последних – способ его передачи.
Все многообразие взаимодействий которые осуществляются в экосистемах хемомедиаторами определяется 10 основными функциями:
Ограничения, накладываемые внешней химической средой, определяют природу выживших организмов.
Издавна известно, что поведение человека может меняться, в каком-то смысле регулироваться в зависимости от химической природы окружающей его среды. В ходе биологической эволюции человек адаптировался к своему химическому окружению. Одним из самых ранних основных изменений в химической эволюции природной среды был переход от восстановительной атмосферы к окислительной, в которой начали развиваться биологические системы, характеризующие сегодняшнюю жизнь на земле.
6 – 7. Концепции и критерии изучения природных систем. Тоеретические основы химии природных систем
Переменчивость качественного и количественного состава
Сложность определения загрязнений в объектах ОС обусловлена прежде всего тем, что благодаря росту числа продуктов промышленного синтеза, применения химикатов в различных областях, развитию энергетики и транспорта в экологическую нишу человечества поступает каждый год нарастающая лавина новых соединений, и среди них немало опасных веществ, чьи токсикологические характеристики часто неизвестны. В анализируемых пробах помимо нормируемых веществ – загрязнителей присутствуют в значительных количествах фоновые вещества, ассортимент которых меняется от объекта к объекту и едва ли может быть предсказан. Сложность анализа природных сред в значительной мере обусловлена отсутствием априорных сведений о качественном и хотя бы ориентировочном количественном составе основных компонентов анализируемых объектов. Согласно данных ВОЗ в настоящее время в промышленности используются до 500 тыс. химических соединений и веществ, из которых более 40 тыс. являются вредными для здоровья человека и около 12 тыс. токсичными. Например, только в России в почву вносятся почти 200 различных пестицидов, для большинства из которых не установлен ПДК в почве.
Многофазность, гетерогенность
В сферу эколого-аналитического контроля входят следующие объекты: воды – питьевые, пресные поверхностные, атмосферные осадки (дождь, снег), подземные морские, сточные; воздух – атмосферный, природных заповедников (фон), городов и промышленных зон, рабочей зоны; почвы и донные отложения, отходы (жидкие, газообразные, твердые); пищевые продукты, корма, растительные и животные ткани. В перечень объектов контроля при необходимости могут быть включены и др. объекты, представляющие потенциальную опасность для ОС (полупродукты и готовая продукция химической, нефтехимической, микробиологической и др. отраслей промышленности).
Хим-ие, фотохим-е и биохим-е процессы
При контроле объектов окружающей среды необходимо учитывать возможные химические, фотохимические и биохимические превращения изучаемых веществ. Например, попадая в атмосферу, загрязняющие вещества не только рассеиваются, захватываются дождями, попадают в почву, но и подвергаются химическим превращениям под влиянием света, температуры или реагируют с другими веществами. Под действием: 1) энергии светового излучения возможен разрыв связей в молекулах, что дает начало ценным реакциям, например:
2) окислительные процессы катализируются суспензированием в воздухе частицами. Так, на поверхности аэрозолей протекают реакции
3) вредные вещества выделяются и при гидролизе первичных загрязнителей, например:
4) многие ароматические соединения, находящиеся в пленке, в морской воде превращаются в ядовитые вещества, обладающие канцерогенными свойствами. Так под действием некоторых морских растений из ароматических углеводородов нефти образуются конденсированные полициклические соединения ряда бенз(а)пирена, накапливающиеся в морских водорослях и травах.
5) многие микробы, живущие в донных отложениях рек и озер, способны химически изменять неорганические или органические соединения металлов, усиливая их миграцию в ОС и вредное воздействие на нее. Так, микроорганизмы превращают ртуть, попавшую в воду с отходами, в метилртуть, а затем в диметилртуть. Это сильнейшие яды, которые в отличие от неорганических соединений ртути более прочно удерживаются тканями животных и человека и очень медленно выводятся из организма. Диметилртуть летуча и после отмирания микробов или др. организмов поступает не только в воду, но и в воздух, получая возможность дальнейших химических превращений и миграций в атмосфере.
Пиометилированию под действием бактерий подвергаются и др. металлы – кадмий, селен, свинец, олово, талий, теллур, золото. В воздухе под действием Уфоблучения металлорганические соединения распадаются на органические и неорганические производные, которые выпадают опять на землю с атмосферными дождями – оловянными, таллиевыми, ртутными и др. (По подсчетам, ежегодно с дождями выпадает 100 тыс. т ртути, т.е. в 15-20 раз больше, чем добывается).
Низкие концентрации
Трудность определения загрязнений окружающей среды обусловлена еще и тем, что соединения находятся в очень малых количествах. Интервал нормируемых значений концентраций веществ – загрязнителей – 10-4 – 10-7 – 10-10 мг/дм3 поэтому рациональный путь решения аналитических задач в этих случаях – концентрирования.
Многокомпонентность
Объекты окружающей среды, как правило, многокомпонентные: включают неорганические компоненты, органические вещества природного, техногенного происхождения имеют смешанный состав (металлорганические соединения) комплексы металлов с органическими лигандами, белками, ДНК и др. Органические компоненты являются серьезной помехой в ряде методов определения веществ, поэтому аналитические задачи решаются путем применения методов разделения. В сточных водах перечень контролируемых загрязняющих веществ специфичен для каждой отрасли промышленности и насчитывает, как правило 15-50 компонентов, в то время как с учетом взаимодействия и превращений в процессе биологической очистки в СВ одновременно присутствуют сотни химических соединений .
Многообразие форм существования загрязняющих веществ
Загрязняющие вещества могут присутствовать в природных средах в различных формах, например: ртуть присутствует в природных средах в виде металлической ртути, неорганических и органических соединений. В атмосфере Hg преобладает в основном в первых двух формах. Cd подобно цинку встречается в виде двухвалентного иона Cd2+. Молибден, как правило встречается в виде Мо(VI)
SO2; SO3; H2SO4; MeSO4.
Два типа загрязняющих веществ: первичные и вторичные
Загрязняющие вещества, поступая в ПС, могут непосредственно оказывать на нее вредное воздействие – в этом случае говорят о первичном загрязнении, либо, реагируя с др. веществами, давать новые соединения – вторичные загрязнения, неблагоприятное влияние которых может быть намного значительнее.
Загрязнение вторичное – образование (синтез) опасных загрязнителей в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде. Отдельные реагенты такого взаимодействия м.б. не опасными. Так из нетоксичных составляющих в некоторых местах образуется ядовитый газ – фосген, а фреоны, химически инертные у поверхности Земли, вступают в стратосфере в фотохимические реакции, давая ион хлора, служащий катализатором при разрушении озонового экрана планеты.
(Хлорфторуглероды перемещаются вверх, за озонный слой, там УФ-излучение разрушает эти соединения, высвобождая атомы хлора Cl. Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:
Cl + O3 = ClO + O2 (моноксид хлора)
Cl О+ O = Cl + O2 например, гидробиологические показатели позволяют
О + O3 = 2O2 проверить наличие или отсутствие вторичного загрязнения
Распределение веществ между средами
В современных условиях часто приходится сталкиваться не только с локализованными источниками загрязнений, но и с протяженными источниками, при этом природные среды неравномерно загрязнены в масштабах области, региона. В таких случаях оценка воздействия загрязнений на популяции и экосистемы и пробоотбор должен проводится с учетом непрерывного перераспределения загрязняющего вещества в результате трансформации, миграции из одной среды в другую, с учетом особенностей распределения загрязняющего вещества в каждой из сред.
Необходимо учитывать: пути распространения, возможного накопления ингредиента, характер его воздействия с биотической и абиотической составляющими биосферы, соотношения между концентрациями загрязнений различных сред и возможными скоростями поступления этого ингредиента из различных сред в организмы животных и человека.
Т.о. если в какой-либо среде концентрация вредного вещества ниже предельно допустимой, то это означает, что при том же количества вещества в др. среде его концентрация не будет выше ПДК.
Подход, связанный с определением лимитирующей среды. Задача заключается в определении конечного распределения загрязняющих веществ между различными средами и определении критической среды, откуда поступление их в организмы человека, животных и растений сопровождается наибольшим вредным эффектом.
8– 9. Строение и состав компонентов природной среды
Основные физ.-хим. процессы в атмосфере
Атмосфера имеет четко выраженное слоистое строение, если рассматривать ее в вертикальном разрезе. Различные слои (области) атмосферы обладают характерными свойствами. С увеличением высоты меняется состав, плотность, температура и скорость движения воздуха.
Классификацию слоев атмосферы проводят по нескольким признакам. Наиболее распространенное деление атмосферы на слои основано на изменении температуры с высотой (рис. 3).
Самая нижняя часть атмосферы - тропосфера. Здесь наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание воздуха, температура воздуха заметно уменьшается с высотой (– 6,45° на 1 км) и имеет положительный градиент. Толщина слоя тропосферы колеблется от 8-10 км в полярных широтах до 16–18 км у экватора. Плотность атмосферы заметно уменьшается при удалении от поверхности Земли. В тропосфере сосредоточено - 80 % массы всей атмосферы.
Над тропосферой расположен переходный слой небольшой толщины – тропопауза, где температура уже почти "космическая" – от –50 до –80 °С. Выше этого слоя – стратосфера. В Нижней части стратосферы до высоты 25 км температура практически не меняется с высотой, затем начинает возрастать и достигает максимума (около –3 – 0 °С) на высоте ~ 55 км. Область, где температура растет с высотой, называется инверсионной, или инверсионным слоем. Поскольку холодный воздух более плотный по сравнению с теплым, инверсионная область обычно очень устойчива к перемешиванию воздуха по вертикали, на уровне стратопаузы температура проходит через более или менее хорошо выраженный максимум, затем падает в мезосфере, расположенной выше стратосферы, на высоте до 100 км, достигая второго минимума на уровне мезопаузы.
Выше мезопаузы, в термосфере кинетическая температура растет с высотой, достигая максимального значения 1500–2000 К. Выше термосферы расположена отделенная от нее термопаузой изотермическая область – экосфера.
Зоны атмосферы часто объединяют в две группы. При этом тропосферу и стратосферу относят к нижним слоям атмосферы, а мезосферу и термосферу – к верхним слоям. Верхние слои атмосферы по составу образующих их компонентов в значительной степени отличаются от нижних.
Наибольшее влияние на биологические объекты, и жизнь и здоровье человека оказывает часть атмосферы до 100–200 км высоты.
Состав атмосферы
Масса атмосферы составляет (5–5,9)∙1015 т, однако основное кол-во вещества сосредоточено в тропосфере и нижней части стратосферы.
Область атмосферы, где химические процессы являются основными, называется хемосферой. Это название обычно связывают с часгью атмосферы, заключенной в интервале высот 20–110 км, включающей – всю стратосферу, мезосферу и нижнюю часть термосферы. Состав хемосферы определяется основными составляющими из таких устойчивых газов, как кислород, азот, аргон, и компонентами, представленными в виде малых примесей, таких, как 0, 02* (электронно-возбуж-молекулярный кислород), 03, N0, N02, С02, Н20. Н и различными-заряженными частицами. Большая часть падающего солнечного излучения проникает в хемосферу, где оно в широкой спектральной области действует как источник фотолиза. Образовавшиеся при фотолизе атомы, радикалы, возбужденныее молекулы и ионы вступают в многочисленные химические реакции друг с другом и с основными атмосферными компонентами. В области выше ~ 100 км поглощение длинноволновой части ультрафиолетового излучения приводит в дневное время к диссоциации молекулярного кислорода и малых атмосферных составляющих, таких, как да и диоксид углерода. Поэтому, начиная с этой высоты, состав атмосферы значительно отличается от состава над уровнем моря.
Вблизи высоты 100 км происходит основной процесс фотодиссоциации – поглощение молекулярным кислородом излучения с длинами волн короче 175 нм:
На меньших высотах и при больших давлениях этот процесс протекает с поглощением излучения с длинами волн короче 242 нм. Процесс диссоциации молекулярного кислорода протекает по всей области высот, простирающейся вниз до тропопаузы, с максимумом скорости; образования атомарного кислорода на высоте ~ 30 км.
При сравнительно высоких давлениях, характерных для стратосферы, происходит образование озонного слоя с концентрацией озона в максимуме 1012–1013см-3. Слой атмосферы на высотах 15–70 км иногда называют озоносферой. Образование озонного слоя обусловлено протеканием следующих процессов:
О + О2+ М → 03 + М + 100 кДж
О + 03 → 202 + 390 кДж
где М – какая-либо третья частица, обычно N 2 или 02.
Озон легко подвергается фотолизу как видимым светом, который поглощает слабо, так и ультрафиолетовым излучением с длиной волны короче 290 нм, которое поглощается им очень сильно.
Следствием этого процесса является то, что солнечное излучение с длиной волны короче 290 нм не достигает поверхности Земли, оно было бы губительным для органической жизни в том виде, в котором она существует в настоящее время. При фотодиссоциации озона восстанавливается атомарный кислород, который участвует в процессе образования озона и в процессе дальнейшего разрушения озона . В результате цикла в атмосферу выделяется большое количество энергии, что объясняет наблюдаемый в стратосфере рост температуры с высотой.
Основные компоненты атмосферы. К основным компонентам атмосферы относят азот, кислород, аргон, водяной пар, диоксид углерода.
Азот – при обычном атмосферном давлении и не очень высоких темпетурах является инертной частью атмосферы. Диссоциация молекул азота начинается на высоте ~ 200 км, а полный распад на атомарный азот осуществляется только выше ~ 300 км.
На высоте 50-100 км возможно взаимодействие азота с кислородом
N2 + O2 + hy → 2NO
Образующийся монооксид азота превращается в диоксид азота в результате сложного фотохимического процесса:
2 NO + O2 + hy → 2NO2
Во влажном атмосферном воздухе диоксид азота взаимодействует с сутствующим в атмосфере аэрозольным хлоридом натрия NaС1. в результате чего образуются нитрат натрия NaNO3 и хлороводородная кислота НС1. Первая стадия этого процесса – образование азотной кислоты, вторая стадия – адсорбция ее паров частицами хлорида натрия с вы делением хлороводорода в газовую фазу, кроме того, в результате фотолиза N02 может вновь восстанавливаться до N0, а атомарный кислород примет участие в атмосферных процессах как активный окислитель.
Во время грозы (мощность отдельных разрядов достигает 200млн кВт, а воздух при этом разогревается локально до 200 тыс. К) под воздействием электрического тока молекулы азота встуают в химические реакции с образованием монооксида азота N0, аммиака и более сложных азотсодержащих органических соединений.
Кислород – не всегда входил в состав атмосферы. Он появился од-ременно с первыми хлорофилловыми организмами (~ 2 млрд лет назад). Атмосферный кислород - необходимое условие жизни, он обеспечивает протекание окислительно-восстановительных процессов в живых органихмах и одновременно является продуктом жизни.
Состояние кислорода неодинаково в разных слоях атмосферы. У поверхности Земли он находится в виде двухатомных молекул 02. В более разряженных слоях кислород подвергается диссоциации на атомы под действием солнечного излучения . С высоты 40 км содержание атомарного кислорода в атмосферных слоях заметно увеличивается, а выше 120-150 км молекулы 02 практически отсутствуют, весь кислород становится атомарным. Атомарный кислород, взаимодействуя с молекулярным, образует трехатомные молекулы озона 03 , максимальная концентрация которых достигается на высоте 20–35 км.
Аргон и другие инертные газы – инертная часть атмосферы, компоненты не принимают заметного участия в превращениях как живой. так и косной Природы.
Водяной пар – очень важный компонент атмосферы. Вода атмосферы оказывает влияние на климат и обусловливает развитие жизни на Земле. Основная масса атмосферной воды сосредоточена в тропосфере, куда ежегодно поступает ~ 6-108 млн т влаги.
Диоксид углерода – как и кислород участвует в многообразных процессах, протекающих в живой Природе. Его концентрация в атмосфере в различные периоды изменялась от 0,03 до 45 об.%. В обычных условиях содержание С02 в атмосферном воздухе непостоянно. Оно хотя и незначительно, меняется и в пространстве и во времени. Например, в высоких широтах концентрация С02 на 0,005 % меньше, чем на экваторе. Суточные колебания концентрации С02 связаны главным образом с изменением интенсивности процессов фотосинтеза.
Диоксид углерода не относят к токсичным веществам. Однако возрастение его концентрации в атмосфере может привести к появлению так называемого "парникового эффекта": молекулы С02 хорошо пропускают коротковолновое солнечное излучение, но поглощают излучение в длинноволновой части спектра, т. е. препятствуют рассеянию в космос тепла, излучаемого Землей, и затрудняют, таким образом, охлаждение, земной поверхности,, а это, в свою очередь, может привести к повышению температуры атмосферного воздуха и изменению климата в глобальном масштабе.
Процессы образования и потерь малых атмосферных составляющих
К малым атмосферным составляющим относятся атомарный кислород, озон, оксиды азота, оксиды углерода, метан и др.
Атомарный кислород и озон.
Основными реакциями образовали; потерь атомарного кислорода и озона являются реакции представляющие собой рекомбинацию так называемых "нечетных кислородов". Эти реакции называют кислородным циклом. В присутствии соединений азота, водорода, хлора эти реакции могут каталитически ускоряться (соответственно, азотный, водородный, хлорный циклы):
N0 + 0 - N02 + 02
азотный цикл 0 + N02 - N0 + 02
____________________________
О + 03 - 202
ОН+ 03 - N02 + 02
водородный цикл 0 + Н02 - ОН + 02
____________________________
О + 03 - 202
С1+ 03 - Сl + 02
хлорный цикл 0+ СlO - С1 + 02
____________________________
О + 03 - 202
Приведенные реакции наиболее вероятны на высоте 20-40 км. Вклад различных каталитических циклов зависит от высоты – выше 35 км преобладает хлорный цикл, ниже - азотный.
Оксиды азота
Основные процессы, ответственные за образование оксидов азота, различны на разных высотах. Все разнообразие оксидов азота. или "нечетного азота" в атмосфере начинает формироваться уровне 50-100 км с процессов взаимодействия азота с кислородом и фотолиза:
N2 + O2 + hy → 2NO
2NO + O2 + hy → 2NO2
NO2 + hy → NO + O
Основными процессами удаления NO и NO2 являются реакции их вращения в NO3, N2O5, НNO2 и НNO3 с последующим вымыванием образующихся кислот дождем из тропосферы на земную поверхность.
Профиль концентрации НNO3 характеризуется малыми концентрациями в области ниже 14 км, максимальной концентрацией ~ 1,5 – 1010 см-3 на уровне 19 + –5 км и стабильным уменьшением концентрации выше указанных высот.
Оксиды углерода и метан.
Диоксид углерода С02 является важной, хотя и малой атмосферной составляющей. Он играет основную роль в переносе инфракрасного излучения в земной атмосфере. Диоксид угле рода непрерывно образуется у поверхности Земли за счет биологической активности и в процессах окисления.а также выделяется из океанов. В мезосфере и термосфере С02 до некоторой степени может подвергаться диссоциации солнечным излучением, однако часто в расчетах принимают, что до высоты мезопаузы его отношение в атмосферной смеси то же, что и на уровне Земли. На больших же высотах С02 находится в диффузионном равновесии.
Монооксид углерода в тропосфере составляет 0,1 – 0,2∙10-8см ' Источниками его образования являются:
– процессы сгорания органического топлива в условиях недостатка кислорода (двигатели внутреннего сгорания);
– процессы окисления метана в дневной тропосфере;
Эти источники являются основными в формировании вертикального распределения СО до высот 35–70 км. В тропосфере в формировании вертикального распределения монооксида углерода заметную роль играют также и процессы переноса. На больших высотах существенным становится фотолиз С02.
Метан образуется на уровне Земли при анаэробном разложении органических веществ. Обычно считают, что в тропосфере концентрация метана в атмосферном воздухе та же, что и на уровне Земли, но в мезосфере он подвергается фотодиссоциаши, а в стратосфере диссоциирует в процессах окисления.
Строение и состав гидросферы. Основные физ.-хим. процессы в гидросфере
Водные массы могут быть классифицированы в зависимости от различных переменных. Наиболее используемой является классификации по концентрации растворенных солей. По этой классификации массы воды подразделяют на пресную воду, воду в устьях рек и морскую воду.
К системам с замедленным водообменом (со "стоячей" водой) относятся озера, водохранилища и болота. Все эти системы находятся в процессе изменения и старения и могут классифицироваться различными способами.
Системы с проточной водой характеризуются наличием течения, которое играет важную роль в распространении воды в данной местности, в распределении ее составных частей и горизонтальном перемещении водных масс. В основу их классификации положены скорость потока, полный речной сток, ширина, длина или расположение потока и другие характеристики. Подобно системам с замедленным водообменом, не существует двух идентичных систем с проточной водой. Кроме того изменяющиеся граничные условия на всей протяженности речной системы могут полностью изменить ее характеристики при переходе от одного участка реки к другому.
Системы устьев рек, заливаемых морской водой (эстуарии) Эстуарий – это береговая водная система полузакрытого типа, имеющая открытую связь с морем и характеризующаяся измеримым количеством морской соли. Вследствие свободной связи с морем эстуарии подвержены сильному влиянию приливов и отливов и обычно включают в себя устья рек, непосредственно входящие в береговую систему заливов, болот, речных дельт, а также водные массы, отделенные так называемыми "барьерными островами" (береговыми барами).
Океанические системы. На всех глубинах морей и океанов происходит перемещение воды, схема течений также подвержена изменениям, в целом океаны представляют собой сложную смесь, характеризующуюся множеством индивидуальных свойств. На больших глубинах структура и свойства воды испытывают значительное влияние давления и температуры.
Состав природных вод
Состав океанической воды. Химический состав морской и океанической воды практически постоянный. Морскую и океаническую воду часто называют соленой. Под солёностью понимают массу в граммах морских солей в 1 кг. морской воды. Солёность мирового океана 33-37 гр/кг. Постоянство состава воды в Мировом океане свидетельствует о равновесии между процессами поступления и удаления воды. В океаны постоянно втекает речная вода с совершенно другим минералогическим составом. В морской воде поступающие с речным стоком вещества включаются в биологический цикл или удаляются в процессах осаждения. Важным компонентом океанической буферной системы является растворенный в воде диоксид углерода. Растворимость СО2 в океанической воде намного выше чем в пресной. Атмосферный СО2 находится в равновесии с СО2, растворенным в океане. Равновесие между атмосферным СО2 и СО2 в слое океанической воды глубиной 100м устанавливается в среднем за 2 года. Поскольку океаническая вода представляет собой слабоосновной раствор (рН = 7 – 8,5), большая часть растворенного в ней СО2 находится в форме НСО3- и СО32-. Вследствие этого в соответствии с принципом Ле Шателье равновесие тоже будет смещено. Одним из наиболее важных процессов, протекающих в океанической воде с участием растворенного в ней СО2, является образование твердого СаСО3. Равновесие растворения СаСО3 смещено в сторону большей растворимости в океанической воде в результате влияния солевого эффекта. На глубинах не превышающих 1км, океан перенасыщен СаСО3. На больших глубинах, где концентрация Са2+ снижается, океаническая вода оказывается недонасыщенной по отношению к СаСО3.
Состав пресной воды. Хим.состав и концентрация солей в поверхностных водах определяется климатической зоной. Соленость атмосферных вод не превышает 50 мг/дм3.
Пресная вода не является идеально чистой. В ней содержать: растворенные газы, главным образом 02, N2, и С02; катионы, преимущественно Nа+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+; анионы, преимущественно Сl-, S04 2- и НС03-: взвешенные частицы твердых веществ, в основном глины.
Важным показателем качества поверхностных вод является содержание в них растворенного кислорода. В водных системах растворенный кислород распределен в зависимости от различных факторов: температуры и солености воды, биологической активности водных организмов.
Когда поглощение кислорода превышает его пополнение, создаются условия, при которых водная система истощается, и в ней возникают особые «бескислородные» условия. Помимо возникающих проблем дыхания биологических объектов эти условия приводят к нежелательным хим. изменениям
Распределение веществ в поверхностных водах зависит от многих локальных условий: от скорости и характера движения воды, осадков наносов, физико-химических свойств загрязняющих веществ, от их устойчивости в воде и т.д. Обычно считают, что между ними устанавливается динамическое равновесие.
Если вещества проходят через фильтр с размерами пор 0,45 мкм то они могут рассматриваться как истинные растворы. Вещества, остающиеся на поверхности такого фильтра, относятся к дисперсным системам. Химическое равновесие в водных системах достигается только для тех реакций, которые являются быстрыми в геологическом и биологическом масштабах времени, поэтому правильнее рассматривать водные системы не как равновесные, а как дисперсные, находящиеся в стабильном состоянии.
Если условно рассечь водную массу вертикальной плоскостью, то можно выделить места повышенной реакционной способности: поверхностную пленку, основную водную массу, донный осадок.
Поверхностная пленка и донный осадок являются зонами концентри рования загрязняющих воду веществ.
Распределение газов. Все газы, содержащиеся в атмосфере, частично присутствуют в растворенном состоянии в гидросфере. Между атмосферой и поверхностным слоем воды через поверхностную плёнку осуществляется газообмен, причем, благодаря диффузии и перемешиванию, газы равномерно распределяются в объеме воды. Процессы фотосинтеза и дыхания организмов также сопровождаются образованием поглощением кислорода и диоксида углерода.
При нормальных условиях поверхностный слой воды насыщен газом в соответствии с его содержанием в атмосфере и давлением, и незагрязненная вода содержит максимально допустимое количество газа определяемое законом Генри:
N = К ∙р,
где N – мольная доля газа в воде; р – парциальное давление газа в атмосфере, Па; К – константа.
При равновесных условиях парциальное давление газа в растворе равно парциальному давлению газа в атмосфере, и переход газа из одной фазы в другую происходит с одинаковой скоростью. Скорость переноса газа зависит от толщины поверхностной пленки молекулярной диффузии газа через пленку.
Растворимость газов зависит от ионной силы раствора, которая в природных системах часто определяется концентрацией солей. При увеличении температуры растворимость газов уменьшается.
Основную роль в природных водных системах из газовых компонентов играют кислород и диоксид углерода.
Кислород. Содержание молекулярного кислорода в гидросфере колеблется в пределах 6–12 см3/дм3. В незагрязненных системах холодной воды наблюдается повышенная растворимость кислорода осенью и зимой. Она компенсируется активностью фотосинтеза и меньшей paстворимостью кислорода в более теплей воде весной и летом. Таким образом, вследствие этого степень насыщения природных вод кислородом (α) остается примерно на постоянном уровне и определяется соотношением, %:
α = СО2/(СО2∙р)∙100%
где СО2 – измеренная концентрация кислорода в воде; CО2, P – равновесная концентрация кислорода в воде при одинаковых температуре и солёности.
Насыщение кислородом поверхностного слоя воды обычно составляет 97 – 105 %. По мере увеличения глубины слоя воды эта величина уменьшается. Содержание кислорода в поверхностном слое воды зависит от скорости обмена газом между водой и воздухом. На большой глубине, где отсутствует контакт с атмосферой, этот обмен зависит от расхода кислорода на биологические процессы и пополнения его запасов при смешивании с водой, более богатой кислородом.
Диоксид углерода. Система диоксид углерода – карбонат является из наиболее сложных и важных для гидросферы. Она участвует в обмене между газообразными компонентами атмосферного воздуха и поверхностных слоев воды, влияет на химию водной системы, на биологическую структуру организмов, отложение осадка, содержащего углерод. От этой системы зависит рН среды, что непосредственно влияет на некоторые химические равновесия в данной локальной системе, особенно в отношении ионов, образующих комплексы. Система диоксид углерода – карбонат непосредственно влияет на весь биологический цикл организмов.
Распределение С02 в водных слоях неравномерно. В поверхностных слоях воды содержание С02 является функцией характеристики поверхностной пленки, парциального давления и содержания его в атмосфере. Диоксид углерода играет основную роль в процессе фотосинтеза, и его концентрация коррелирует с освещенностью и биологической активностью.
Распределение питательных веществ. Подобно растениям, обитающим на суше, развитие растений гидросферы (фитопланктона) может быть стимулировано дополнительными питательными веществами, вносимыми в виде азот- и фосфорсодержащих удобрений. Наиболее усваиваемыми питательными веществами являются нитрат-ион NO3- и фосфат-ион НР042-. При наличии избыточных концентраций одного или обоих этих веществ рост фитопланктона усиливается, что увеличивает потребность в микроэлементах (ионах меди, железа, марганца, кобальта, цинка). В этих условиях первыми истощаются запасы микроэлементов, следствием чего может оказаться снижение роста организмов. Если все питательные вещества имеются в достаточных количествах и cоздаются условия к поддержанию максимальной скорости роста организмов, резко возрастает расход кислорода на разложение водорослей и в водных системах создаются бескислородные условия. Это явление называется эвтрофикацией.
Элементы, в которых нуждаются все организмы гидросферы, называются неспецифическими. К ним относятся азот, требующийся для синтеза аминокислот, фосфор и сера, необходимые для вырабатывания протеина. Другие элементы называются специфическими. К ним относятся в основном металлы. Организмы поглощают и концентрируют ионы металлов избирательно. Например, ионы меди поглощаются устрицами, ионы магния - фотосинтезирующими растениями, так как магний является основным компонентом хлорофилла.
Азот. Содержание азота в гидросфере во всех химических формах составляет примерно 5*10 -5 моль/дм3.
Большинство организмов усваивает азот лишь после фиксации в биологической системе. В гидросфере такой системой являются синезеленые водоросли. При этом происходит образование аммиака:
N 2 → 2N (фиксация)
2N + 3H2 → 2NH3
В воде аммиак существует в аммониевой форме.
Первоначально круговорот азота был относительно стабильным и содержание азотсодержащих соединений было в таких количествах, с помощью денитрификации в круговорот возвращался весь фиксированный азот. Вследствие возросшего применения удобрений и увели чения объема производств, дающих азотсодержащие отходы, стабильность, существовавшая в Природе, нарушена и становится реальным создание условий, представляющих опасность для окружающей человека среды.
Деятельность азотобактеров подавляется при избытке нитратов, цианатов, ионов тяжелых металлов и других химических веществ. При | чрезмерном загрязнении воды количество нитрозо-бактерий становится сверхизбыточным по сравнению с азотобактерами. Вследствие этого в придонных слоях воды повышается содержание токсичных для многих водных организмов нитрит-ионов.
При нарушении последовательности реакций конечные результаты могут вызвать изменения в круговороте азота и иметь глобальные последствия. В связи с этим, прежде чем осуществлять сброс больших количеств азотсодержащих отходов в водную систему, необходимо провести сравнительную характеристику скорости процессов азотфиксации, нитрификации и денитрификации.
Фосфор. Круговорот фосфора ограничен лишь литосферой и гидросферой, поэтому его циркуляция зависит от запасов фосфора в горных породах и донных осадках. Водная система представляет собой конечный пункт его одностороннего движения из земной поверхности в придонные осадки.
В круговороте фосфора в гидросфере определяющую роль играют микробиологические процессы. Неорганический фосфат первоначально преобразуется в биоте в форму аденозиктрифосфата (АТФ, средняя соль) и аденозиндифосфата (АДФ, кислая соль), которые являются источниками энергии, получаемой в процессе этих и всех других биохимических превращений в организме. Например, протеин, хотя и не содержит фосфора, не может быть без него получен. Сахароза может быть получена в процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды однако ее последующие превращения контролируются фосфатами.
В конце жизненного цикла организма фосфор в виде неорганического фосфата возвращается в систему, замыкая круговорот и при соответствующих условиях вновь стимулируя биологическую активность.
Естественные формы фосфора в гидросфере зависят от рН:
рН, характерном для водных систем, преобладает форма НР04
В любой естественной водной системе неорганические и органические формы фосфора могут находиться в растворе или во взвешенном состоянии. Поскольку фосфор является единственным неспецифическим питательным элементом, чей круговорот не охватывает всю биосферу, его выпадение в осадок становится важным и определяющим фактором. Скорость осаждения и количество осадка зависят от его состава, состава донных осадков, от содержания фосфатов в воде, солености и других факторов.
Донные осадки, не содержащие извести, поглощают и удерживают больше фосфора, чем известковые озерные осадки
Буферная емкость донных осадков по отношению к фосфатам ограничена и по мере ее достижения избыточное содержание фосфатов остается в водной массе.
Способность придонных осадков поглощать добавочный фосфор снижается по мере увеличения его концентрации.
Строение и состав почвы. Основные физико-химические процессы в почвенном слое
Почва представляет собой сложную смесь неорганического (приемущественно глина, ил и песок) и разлагающегося органического вещества (гумус), объединенных в понятие твердой фазы почвы, воды (почвенного раствора), почвенного воздуха и живых организмов (большей частью бактерий и других редуцентов).
На долю твердой фазы приходится - 40-65 % объема почвенной массы. Объем почвенного раствора может изменяться в большом интервале, но обычно в почве до 35 % ее объема занимает почвенный воздух. Для типичных почв характерно отношение объемов твердой, жидкой газообразной фаз, равное:
Т : Ж : Г – 2 : 1 : 1.
Твердая фаза типичной плодородной почвы на 95 % состоит из нtорганических и на 5 % из органических соединений. Некоторые виды почв, например торфяные, содержат иногда более 95 % органических соединений, в бедных же почвах количество органических соединений может быть менее 1 %.
Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, существующая в природных условиях. Состав почвенных растворов меняется в широких пределах. В незасоленных почвах эквивалентная концентрация почвенного раствора находится в пределах от 5-7 до 100-150 моль/дм3 катионов и анионов. Наиболее типичными компонентами почвенных растворов являются катионы Са2+, Mg2+, K+, NH4+, Na+; анионы НСО3-, S04 2-, NO3-, Cl-, НРО4 2-. При изменении влажности почвы концентрация ионов Nа+, Cl-, N03- изменяется пропорционально влажности почвы, а концентрация фосфат - иона, обусловленная произведением растворимости фосфатов, почти не изменяется.
Почвенный, воздух отличается от атмосферного высоким содержанием-С02 (обычно от 1 до 2–3 %, а в торфяных почвах на глубине 20–30 см достигает 10–12 об. %). Содержание кислорода в воздухе верхнего слоя почвы (~ 20 см) на 0,5–1,5 % ниже его концентрации в атмосферном воздухе. В почвенном воздухе могут содержаться сероводород, метан, оксид диазота и органические соединения (углеводорода, спирты, эфиры, альдегиды).
Почва представляет собой сложную саморегулирующуюся систему с высокой способностью к регенерации. В противоположность относительно однородным средам – воде и воздуху – она обладает исключительной способностью к накоплению. В системе глобального круговорота веществ в природе почва выполняет функции промежуточного звена. Вредные вещества, попадающие в почву из воздуха и воды, остаются в ней и до определенного уровня загрязнения могут накапливаться или разрушаться.
Буферные свойства почвы приводят к тому, что вредные вещества долго остаются неопознанными. Однако, если границы буферной емкости почвы превышены, то большие массы накопившихся веществ мобилизируются и ползучая токсикация превращается в лавинообразную.
Принципиальное отличие почвы от других объектов окружающей среды заключается в том, что она является местом обитания человека, а поэтому в наибольшей степени подвержена антропогенному воздействию. Наибольшую опасность для почвы и ее обитателей представляют токсикация пестицидами и соединениями тяжелых металлов, закисление и засоление.
10. Особенности распространения, трансформации, накопления загрязняющих веществ в ОПС
Загрязнение атмосферы
Термин загрязнение – применяется практически к любому веществу, которое присутствует в воздухе в виде примеси к его компонентам, определяющим состав в естественных условиях, или находится в избытке.
Загрязнение атмосферы предполагает под собой проблемы, связанные с изменением концентраций в малых составляющих компонентов атмосферы. К ним относятся оксиды азота, монооксид углерода, и с поступлением в атмосферу примесных, не содержащихся в естественных условиях, в ее составе компонентов (диоксид серы, хлор-, фторуглероды и др.). Присутствующие в виде примесей вещества в составе атмосферного воздуха определяют условия, при которых не взаимодействующие между собой в естественных условиях вещества, вступают в различные хим.превращения, взаимодействуя, как с примесными веществами, так и между собой.
Все загрязнители классифицируют на две группы:
– первичные – те примесные компоненты, которые поступают в атмосферный воздух непосредственно от загрязнителя;
– вторичные – те компоненты, которые образуются в процессах взаимодействия в атмосфере примесных компонентов между собой или компонентами атмосферного воздуха.
При поступлении в атм.воздух примесных компонентов в приземном слое атм.воздуха могут происходить процессы образования смога (смеси дыма и тумана) двух типов: фотохимический – процессы, протекающие при поглощении квантов света; каталитический – также и ночью.
Необходимой составной частью фотохимического смога являются фотохимические реакции. К особенностях фотохим.смога относятся:
– исходные вещества, формирующие фотохим.смог, входят в состав выхлопных газов автомобильного транспорта и присутствуют в воздухе в больших концентрациях.
– образуется в ясную, солнечную погоду при низк.влажности воздуха;
– химически он действует как окислитель;
– наблюдается в виде беловатого тумана;
– вызывает у людей раздражение глаз, для растений губителен.
Оксиды азота – основные компоненты газовой смеси, формирующей смог. Оксиды азота подвергаются фотодиссоциации, под воздействием излучения с длиной волны λ > 290 нм:
NO2 + hν → NO + O;
NO2 + O → NO + O2;
O2 + O → O3;
Образующийся молекулярный NO может восстанавливаться до NO2:
2NO + O → 2NO2;
NO + O3 → NO2 + O2;
В приземном слое атм.воздуха кроме того, NO2 взаимодействуя с O3, образует радикальные частички:
NO2 + O3 → NO3* + O2;
NO3* + NO → 2NO2;
NO3* + NO2 → N2O5;
NO3* + NO2 → NO + NO2 + O2;
N2O5 (неустойчив.) → NO3 + NO2;
N2O5 + водян.пары → 2НNO3;
NO3* + hν → NO + О2 (фотолиз, λ = 500–700 нм);
Кроме того, процесс фотохим.смога дополнительно сопровождается взаимодействием углеводородов, поступающих с выхлопными газами в воздух, с образованием вторичных загрязнителей (О3, О). Продуктами взаимодействия углеводородов с О3 и О являются олефины, взаимодействующие с NOx, продуктами взаимодействия которых могут быть свободные радикалы, альдегиды, органические периксные радикалы. Эти продукты могут вступать в реакцию с О2, с образованием О3.
RO2* + O2 → RO + O3;
Молекулярный О2 вступает в реакцию с олефинами, с образованием гидропероксидов:
О2 + R–CH=CH–CH2R/ → R–СН–СН=СНR/;
|
ООН
которые распадаются с образованием радикалов (RCO*), а они в свою очередь:
RCO* + О2 → RCO3;
RCO3 + О2 → RCO2 + О3;
Продуктом фотохим.реакции NOx с олефинами является пероксиацетилнитрат (ПАН) – сильнейший канцероген, губительно действующий на все живые существа, вызывая раздражение глаз.
Каталитический смог в основном формируется при загрязнении атмосферы выбросами, содержащими SО2, который может взаимодействовать с углеводородами, как фотохим.путем, с образованием сульфиновых кислот:
SО2* + RH → RSO2H;
так и каталитическим:
SО2 + О2 → SO4*(катализатор СО2);
SО2 + SO4* → 2SO3 (катализатор NO2);
SО3 + H2O → H2SO4.
Загрязнение стратосферы:
Дополнительными источниками загрязнения являются – сверхзвуковые лайнеры. Также, чем выше труба, тем больше загрязнений поступает в стратосферу.
Загрязнение природных вод
Термин загрязнение подразумевает под собой хим. и тепловое загрязнение. К основным категориям загрязняющих факторов относятся:
– биоразложение органического вещества комунально-бытовых стоков (могут быть удалены на очистных сооружениях или в процессе биоразложения с участием бактерий в водной массе);
– не поддающиеся биоразложению органические вещества (из техногенных источников, являются токсичными для бактерий, живущих в водном объекте);
– соединения тяжелых металлов (способные накапливаться в донных осадках и по пищевой цепи в организмах водных обитателей).
Источники загрязнения водных систем: атмосферные осадки; пром. и коммунальные сточные воды; транспорт через донные осадки.
Независимо от источника эмиссии загрязняющих веществ в водной массе они будут находиться в растворенной форме или в виде взвеси. Чаще всего эти вещества включаются в биологический цикл.
Прир.водные системы характеризуются буферной емкостью по отношению к поступающим в них загрязняющим веществам. Пороговый уровень – кол-во дополнительно введенного в водную систему вещества, превышающего его расход. Пороговый уровень определяет буферную емкость водной системы. Ниже порогового уровня водн.система способна удалять загрязняющие вещества путем естественных процессов. В случае, когда скорость поступления вещества превышает скорость удаления вещества естественным путем, экологическая структура водной системы будет нарушаться. Для определения порогового уровня экол.система должна рассматриваться, как единое целое.
Основные категории загрязнителей:
– токсикация тяжелыми металлами, подразделяющимися на проявляющие консервативные (концентрации которых остаются примерно постоянными или характеризуются постоянным отношением к концентрации какого-либо органогенного элемента (К, Na, Ca, Mg)) и неконсервативные (содержание которых в водн.массе меняется в зависимости от разл.факторов) свойства.
Неконсервативные металлы характеризуются высокой хим.активностью, поэтому даже незначительное изменение их концентрации приводит к изменениям системы жизнеобеспечения водн.организмов. Большая честь этих металлов – микроэлементы. При их недостатке проявляется угнетение организма – авитаминоз, при избытке – они являются ингибиторами реакции с энзимами и проявляют токсические свойства по отношению к организму.
Потенциально опасные металлы – металлы, скорость эмиссии которых на порядок превышает величину естественного переноса (Cu, Zn, Cd, Hg и др.)
– токсикация органическими соединениями. В загрязненных водных системах содержание орг.соединений более 2 мг/дм3; оно зависит от физич., хим. свойств воды водн.объектов – приемников сточных вод, условий выпуска сточных вод и др.факторов. Перенос органических веществ в гидросфере определяется их природой, технологией его получения.
– токсикация нефтью и нефтепродуктами, содержащими различные орг. и неорг. фракции, некоторые из которых очень токсичны. При растекании пленки нефти на поверхности воды образуется пленка малопроницаемая для света и газовых компонентов атм.воздуха, что приводит к нарушению процессов фотосинтеза и диффузии. Также из-за растворимости компонентов в водн.массе, они эмульгируются и физически воздействуют на водн.организмы, затрудняя жаберное дыхание и обволакивая тонким слоем жив.организмы. Кроме того, нефть и нефтепродукты концентрируют в своем объеме др.загрязнители, т.е. их токсичность увеличивается.
В случае небольшой площади нефтяной пленки, она может быть съедена микроорганизмами. Если площадь большая, это может привести к гибели водн.объекта.
Окисление нефти и нефтепродуктов под действием бактерий описывается в общем виде реакцией:
СН3–(СН2)n–CH3 + O2 → CH3–(СН2)n-1–C=O + CO2 + H2O;
|
OH
Загрязнение почвы
Почва в большей степени подвержена антропогенному воздействию. Наибольшую опасность для почвы и ее обитателей представляет токсикация пестицидами и соединениями тяжелых металлов, закисление и засоление.
– Пестициды – хим.вещества, обладающие токсическими свойствам по отношению ко всем живым организмам.Пестициды классифицируются на: инсектициды, гербициды, фунгициды и др.
К свойствам пестицидов, определяющих их способность загрязнять ОС, относятся: период полураспада, растворимость, летучесть. Период полураспада – время, в течение которого пестицид потерял свою активность на 50%. Активность теряется полностью, когда он разлагается в процессе хим. или биол.превращений. По этому показателю пестициды классифицируют на: нестойкие (остаются в ОС до 12 нед.), средне стойкие (до 18 нед.), стойкие (до 2 и более лет). Время, необходимое для разложения пестицидов зависит от хим.природы пестицида, типа почвы и степени ее обработки.
– Соединения тяжелых металлов попадают в почву из след.основных источников: атмосферные осадки, минеральные удобрения, твердые отходы промышленности, сгущенный очистной шлам, образующийся при подготовке питьевой воды и очистке сточных комунально-бытовых вод.
– Закисление почв. Растения развиваются в строго определенном интервале рН. Для почвы, почвенных организмов и растений определяющим является не само значение рН,а буферная емкость почвы по отношению к ионам Н+. Буферная емкость определяется содержанием в почве глинистых и гумусовых частиц, каждая из которых окружена оболочкой из активных катализаторов-гидроксидов: Са2+, К+, Mg2+, Na+. Следовательно, у почв, обладающих глинистым и гумусовым материалом, буферная емкость значительно выше, чем у бедных гумусом песчаных почв, которые в большей степени подвержены закислению.
Источниками закисления являются: атмосферные кислотные осадки, кислотообразующие удобрения, недостаток почвы по питательным веществам.
– Засоление почв может возникать в результате естественных процессов и антропогенного воздействия. Источниками засоления являются: орошение сточными водами, с повышенным уровнем солесодержания; уплотнение почвы. Соли, растворенные в воде могут быть токсичными для растений и почвенных организмов. Галофиты – растения, способные расти на засоленной почве.
11. Биогеохимические и ресурсные циклы веществ
Целостность прир.систем проявляется при рассмотрении циркулирующих в них потоков вещества и энергии. Вещество передается по замкнутым циклам многократно циркулируя между организмами и ОС. Энергия не может передаваться по замкнутому циклу: для живых организмов энергия доступна в форме солнечной радиации, связанной в процессе фотосинтеза, расходуясь затем в виде хим.энергии, она теряется в форме низкокачественной тепловой энергии.
Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в гидросфере, литосфере, атмосфере, в том числе в тех их слоях, которые входят в биосферу планеты.
Биогеохимический цикл – круговые движения хим.элементов.
Биогенные элементы – необходимые для жизни элементы и растворимые соли, включают две группы: макротрофные вещества (составляют хим.основу тканей всех живых организмов: С, Н2, О2, Р, К, N, Ca, Mg, S, Cl, Na); микротрофные вещества (элементы и их соединения, необходимые для существования живых организмов, но в малых кол-вах ( ≤ 10-3 мг): Fe, Mn, Cu, Zn, Br, Co, Md. Их недостаток может привести к снижению продуктивности и летальному исходу). Необходимые для существования живых организмов хим.элементы в кол-вах 10-6 мг относятся к ультромикроэлементам.
Циркуляция биогенных элементов сопровождается их хим.превращениями.
Биогеохимический круговорот – часть биологического круговорота, составленная обменными циклами биогенных хим.веществ, связанных с существованием живых организмов. К таким веществам относятся: С, Н2О, S, P, N и биогенные катионы (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Zn2+ и др.)
Биологический круговорот веществ – поступление хим.элементов из почвы и атмосферы в живые организмы, превращения их в новые сложные соединения, возвращение их в почву, атмосферу и воду в процессе жизнедеятельности с опадом части органического вещества или с полностью отмершими организмами, входящими в состав биогеоценоза.
Биологический (биотический) круговорот – непрерывное циклическое явление, но не равномерное во времени и пространстве, сопровождающееся более или менее значительными потерями естественного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экологических систем различного иерархического уровня организации от биоценоза до биосферы.
В биосфере в целом потери вещества минимальные, энергетические циклы очень слабы, преобладает однонаправленный поток энергии от растений продуцентов через консументы к редуцентам с последующим выносов ее в околоземное и космическое пространство. Информация теряется с гибелью видов и необратимыми генетическими перераспределениями.
Биогенные элементы могут быть использованы многократно, круговорот – их характерная черта. Запасы биогенных элементов не постоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой массы снижает кол-во их в абиотической среде экосистем. Если бы растения и др.организмы не разлагались, то запас биогенных элементов быстро бы исчерпался и жизнь на Земле прекратилась. Поэтому активность гетеротрофов (организмов, функционирующих в детритных цепях – в первую очередь) являются решающим фактором сохранения круговорота биогенных элементов и образования продукции.
Биогеохимический круговорот и связанные с ними превращения энергии, являются основой динамического равновесия и устойчивости биосферы. Ненарушенные биогеохимические циклы имеют практически замкнутый характер, это определяет постоянство и равновесность состава, кол-ва и концентрации компонентов в биосфере. Это постоянство в свою очередь обуславливает генетическую и физиологическую приспособленность живых организмов к существованию на Земле.
Неполная замкнутость циклов в биологическом масштабе времени приводит к концентрированию или рассеиванию отдельных элементов (концентрирование азота, кислорода в атмосфере; воды в океанах, морях; образование залежей железных руд, ископаемых и т.д.).
Все биогеохимические циклы существуют в биосфере, складываясь в геологическом масштабе времени (длительно и медленно).
Выделяют три основных типа биогеохимических круговорота: воды; элементов, преимущественно в газовой фазе; элементов, преимущественно в твердой, жидкой фазах.
Особое значение в системе жизнеобеспечения имеют круговорот воды и биогенных элементов (С, S, N, P).
Круговорот воды в биосфере
Вода присутствует во всей биосфере, выполняет важную роль в формировании и организации всех биогеохимических циклов. Вода – жизненно важный ресурс, запасы которой на Земле находятся в подвижном равновесии, обусловленном круговоротом воды, происходящим под влиянием солнечной радиации.
Круговорот воды на Земле называют гидрологическим циклом, который включает поступление водяного пара в атмосферу при испарении воды и возвращение ее назад вследствие конденсации и выпадения осадков. При этом наибольшая часть воды испаряется с поверхности морей и выпадает в виде осадков преимущественно над поверхностью суши. Баланс между морем и сушей уравновешивается через поверхностный и подземный сток в море. Значительное кол-во воды поступает в атмосферу при транспирации растений. Сочетание испарения и транспирации называется эвапотранспирацией. Испарение и конденсация воды лежат в основе процесса ее очистки, называемого дистилляцией или перегонкой.
При испарении в атмосферу поступают только молекулы воды, а соли и др.растворенные вещества остаются в растворе или в водной массе. При конденсации водяного пара происходит также очистка воды.
Водяной пар в атмосферном воздухе обычно определяют как влажность. Максимальная влажность воздуха изменяется в зависимости от температуры, поэтому измеряют относительную влажность, под которой понимают кол-во пара по сравнению с максимальным его кол-вом, которое может содержаться в атмосферном воздухе при данной температуре. Относительную влажность выражают в %. При неизменном кол-ве воды в атмосферном воздухе, относительная влажность увеличивается с понижением температуры. При охлаждении воздуха до температуры, ниже точки водонасыщения, происходит конденсация и выпадают осадки.
Круговорот воды состоит из трех основных петель:
– поверхностного стока – вода становится частью поверхностных вод;
– испарения–транспирации – вода впитывается почвой, удерживается в форме капиллярной воды, затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности Земли или поглощаясь растениями и выделяется в виде паров при транспирации.
– грунтовых вод – вода поступает в поверхностный слой литосферы и движется сквозь нее, питая родники и колодцы, и вновь поступает в систему поверхностных вод.
Круговорот воды в природе постоянно очищается и пополняет пресноводные системы. Человек может оказывать влияние на круговорот воды след.способами:
– забором большого кол-ва пресной воды из водных объектов и водоносных горизонтов, что приводит к истощению запасов грунтовых вод, или поступлению в водоносные горизонты океанической соленой воды;
– попадание в гидрологический цикл загрязненных стоков;
– сокращение растительного покрова суши в интересах с/х, при добыче полезных ископаемых, при строительстве различных объектов, что приводит к снижению фильтрации поверхностного стока в подземные горизонты и сокращению пополнения запасов грунтовых вод, увеличению риска наводнения, эрозии почв.
Биогеохимический цикл углерода (С)
Углерод – хим.элемент, свойствами и особенностями которого в основном определяется все разнообразие органических веществ, биохимических процессов и жизненных форм на Земле.
Содержание углерода в составе живых организмов составляет примерно 45 мас.% от сухой их биомассы. В процессе жизнедеятельности живых организмов в биосфере органические соединения непрерывно синтезируются, претерпевают изменения и разлагаются.
Круговорот углерода является процессом освобождения и связывания диоксида углерода, включая его растворение в воде океанов, идущий практически по двум циклам: океаническому и континентальному, взаимосвязь которых происходит через атмосферный диоксид углерода.
Живое вещ-во СО2 Н2СО3(водн.) Са(НСО3)2 (водн.) СаСО3(осад.)
Круговорот углерода континентальный поддерживается в процессе фотосинтетической деятельности наземных растений и фитопланктона. Данный круговорот непосредственно связан с круговоротом кислорода.
hv
СО2 + Н2О → С6Н12О6 + О2
↓метаболизм
Белки, сложные углеводороды, жиры, липиды, ДНК, РНК → Размножение, рост
На фоне общего потока фиксации диоксида углерода и преобразования его в органические соединения, фототрофные организмы создают локальный кол-но замкнутый цикл обращения углерода. Для первичной продукции, образованной растениями, характерно постепенное снижение массы и энергии, заключенной в ней. Растительная продукция потребляется фитофагами и является единственным источником энергии для них и последующих звеньев трофических уровней.
Почвенное дыхание, в котором участвует корневая система растений, играет значительную роль в повышении интенсивности фотосинтеза растительного покрова. Часто не происходит полного разложения и минерализации опада и отмерших организмов. В почвах накапливается гумус, играющий важную роль в плодородии почв. Под влиянием бактерий и грибов, гумус может разлагаться до диоксида углерода и минеральных соединений.
Круговорот углерода в Мировом океане отличается от континентального особенностями среды и обитающих в ней организмов. В Мировом океане слабо развиты организмы высших трофических уровней, а следовательно и все звенья круговорота.
Не смотря на высокую скорость размножения и высокую продукцию единицы биомассы, фитопланктон из-за малых размеров, короткого жизненного цикла, быстроты включения его в качестве первого звена трофического уровня, не создает значительных запасов фитомассы. Поэтому время прохождения углерода через фотосинтетическое звено пищевой цепи, образованное фитопланктоном, очень мало и измеряется днями или часами, при этом выделяется большое кол-во диоксида углерода.
Важное значение в круговороте углерода имеет буферная емкость океанических вод:
СО2(атм.) СО2(водн.) НСО3-(водн.) Са(НСО3)2(водн.) СаСО3(осад.)
Эта система имеет большое значение для океанических живых организмов.
В условиях Мирового океана, как и в условиях суши, некоторое кол-во органического вещества не подвергается минерализации. Это связано с недостатком кислорода, большой кислотностью среды, специфическими условиями захоронения и др.
Биогеохимический цикл азота (N2)
Живые организмы нуждаются в разл.хим.формах азота, для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот. Большинство растений усваивает азот в форме NO3-, NH4+.
Общая направленность биогеохимического круговорота азота выражена в его аккумулировании в молекулярной форме в атмосфере, в которой сосредоточено около 75 мас.% всего азота биосферы.
Цикл азота самый сложный, но хорошо организованный в природе. Важную роль в круговороте азота играют микроорганизмы.
Газообразный азот непосредственно не усваивается никакими организмами, но преобразуется в соединения, усваиваемые растениями в процессе круговорота азота, такой процесс называется фиксацией азота. Фиксация азота осуществляется сине-зелеными водорослями, определенными видами бактерий в почве и воде, а также бактериями, обитаемыми в клубеньках на корнях клевера, гороха и т.д. Особую роль в фиксации играют газовые разряды молний, при которых молекулярный азот окисляется до NO, NO2.
Неорганические NO3-, NH4+, усваиваемые растениями из почвенного раствора, преобразуются в белки ДНК и др.необходимые организмам азотсодержащие соединения. Животные, поедая растения, получают необходимую дозу азота.
Часть азота поверхности Земли уходит в глубоководные океанические отложения, т.е. выключаются из круговорота на долгое время (млн.лет). Однако данные потери компенсируются поступлением азота с вулканическими газами и по трофическим цепям (с гуано птиц).
Из-за высокой растворимости солей HNO3 и NH4+, в почвах азота всегда недостаточно для питания растений, что может компенсироваться внесением минеральных удобрений. Это в свою очередь может приводить к нарушениям биогеохимического цикла азота, следствием чего является эвтрофикация объектов прир.среды и тяжелым заболеваниям людей и животных. Другими причинами нарушения биогеохимического круговорота азота является: сжигание древесины и ископаемого топлива, что приводит к образованию выбросов в атмосферу NO, NO2; стоки; добыча полезных ископаемых для производства удобрений; воздействие некоторых бактерий на удобрения и отходы животноводства, в результате в атмосферу могут выделяться N2O.
Биогеохимический цикл серы (S)
Сера – жизненноважный элемент, который содержится в связанной форме во всех живых организмах. Круговорот серы подобен круговороту углерода и азота.
Газообразный SO2, содержащийся в атмосферном воздухе, растворяется в воде, образуется сульфат ионы (SO42-), поступающие с атмосферными осадками на поверхность Земли, связывается зелеными растениями в процессах синтеза белка и образования растительной и животной протоплазмы, откуда сера переходит из неорганической в органическую формы, в результате деятельности гнилостных бактерий, превращения серы белков в Н2S. Некоторые формы Н2S снова переходят в органическую форму. Большая часть образующегося Н2S поступает в атмосферу, где окисляется до SO2. Таким образом цикл замыкается.
В настоящее время 1/3 всех соединений серы и 99 мас.% SO2, поступающего в атмосферу, имеет антропогенное происхождение. Биогеохимический цикл серы может быть нарушен: в процессе сжигания серосодержащего топлива; в технологических процессах, при переработке нефти, производстве удобрений и др.
Биогеохимический цикл фосфора (Р)
Фосфор в виде РО43-, НРО42- является питательным элементом для растений и животных. Фосфор входит в состав ДНК, АТФ, АДФ, в которых накапливается необходимая для организма хим.энергия, используемая при клеточном дыхании; молекул жиров, образующих клеточные мембраны в растительных и животных клетках; в состав веществ, определяющих строение костей и зубов животных.
Фосфор имеет большое экологическое значение, т.к. отношение его кол-ва к кол-ву др.элементов в организмах гораздо выше, чем такое же отношение в тех источниках, откуда организмы берут необходимые им элементы.
Фосфор – основной фактор, лимитирующий рост автотрофных организмов, как в водной, так и в наземной среде. Фосфор лимитирует процесс продуцирования основной части первичной продукции биосферы, регулирует все др.биохимические циклы, однако круговорот фосфора отличается от круговорота др.веществ и элементов.
В отличии от круговорот С, N, S в которых газообразные формы соединений обязательны и являются важнейшими звеньями круговорота, газовые формы соединений фосфора (фосфин) не представлены. Таким образом, запасы фосфора находятся не в атмосфере, а в горных породах, которые постоянно подвергаются эрозии и высвобождают фосфаты, используемые растениями для синтеза протоплазмы. Круговорот фосфора представляет собой однонаправленный поток с континентальной поверхности в океан (путем смывания с континентальной поверхности поверхностным стоком в океан, где отлагается в осадках). Из моря фосфор возвращается на сушу с морскими рыбами и птицами.
В почвах фосфор всегда в дефиците, что объясняется его фиксацией в малорастворимые соединения. Дефицит восполняется в основном внесением в почву удобрений (30–50 мас.%), где фосфор находится в малодоступной форме, при этом происходит процесс, называемый фосфотизацией почвы.
Эрозия почв сопровождается механическим выносом фосфора и др.питательных веществ, при этом выносимые фракции в 3–5 раз богаче органическим веществом, чем оставшаяся почва.
Биогеохимический круговорот фосфора может быть нарушен в результате добычи больших количеств фосфорных руд, или в результате повышения фосфор ионов в водных экосистемах, следствием чего является эвтрофикация водных объектов.
Ресурсные циклы
Ресурсы – любые источники и предпосылки получения необходимых для людей материалов и духовных благ, которые можно реализовать при существующих технологиях и социально-экономических отношениях.
Ресурсы подразделяют на три группы: материальные, трудовые (и интеллектуальные), природные (естественные).
Природные ресурсы (ПР) – те средства существования людей, не созданные их трудом и находящиеся в природе. К ним относятся вода, почва, растения, животные и минералы. ПР по использованию подразделяются на: производственные, научные, эстетические и др.; по принадлежности к компонентам прир.среды: земельные, водные, минеральные и др.; по исчерпаемости: исчерпаемые, неисчерпаемые(космические, климатические, водные ресурсы).
Исчерпаемые ресурсы подразделяются на: возобновимые (растительный, животный мир и некоторые минеральные ресурсы, темпы расхода которых соответствуют темпам их возобновления); относительно возобновимые (темпы расхода которых значительно меньше скорости их восстановления), невозобновимые (совершенно не восстанавливаются в обозримый период времени).
Ресурсный цикл – совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах использования его человеком, включая его выявление, подготовку к эксплуатации, извлечения из прир.среды, переработку, превращение и возврат в прир.среду.
Ресурсный цикл (антропогенный круговорот) в отличии от биогеохимического круговорота веществ практически не замкнут, поскольку на каждом этапе ресурсного цикла неизбежны потери из-за особенностей технологии или по субъективным причинам.
В природных биогеохимических циклах также часть вещества постоянно исключается из круговорота. Однако, между биогеохимическими круговоротами и ресурсными циклами существует значительная разница: в природе, выходящие из круговорота вещества, не загрязняют ОС и уходят не в отходы, а в запас.
12. Изменения в атмосфере, гидросфере, почвенном слое литосферы, вызванные техногенезом, и их последствия: локальные, региональные, глобальные.
Последствия загрязнения природных вод
Последствия загрязнения водн.системы группируются по воздействию на основные параметры функционирования водного объекта в шесть групп:
– условия недостаточности насыщения водн.массы кислородом, что может приводить к ограничению биологической активности всех водных организмов и деградации водн.систем;
– нарушение баланса по питательным веществам, что может также приводить к деградации водн.систем;
– нарушение процессов фотосинтеза;
– нарушение температурного режима;
– токсикация биологически активными веществами, влияющими на физиологические процессы водных организмов, оказывающих селективное действие;
– радиоактивное загрязнение (слабо изучено, однозначных выводов нет);
– токсикация тяжелыми металлами, обладающими высокой реакционной способностью. Биол.активность и хим.реакционная способность определяется содержанием в водн.массе неорг. и орг.примесей, с которыми они могут вступать во взаимодействие с образованием вторичных продуктов.
Воздействие нефти и нефтепродуктов на водн.организмы обобщают в пять групп:
– нарушение физиологической активности у водн.организмов;
– непосредственная токсикация жив.организмов с летальным исходом;
– обволакивание нефтепродуктами жив.организмов и вызывание при этом удушья;
– возникновение острых и хронич.заболеваний (из-за углеводородов);
– изменения в среде обитания: изменение цветности, насыщения растворенным кислородом, снижение прозрачности и др.
Загрязнение почвы
Почва в большей степени подвержена антропогенному воздействию. Наибольшую опасность для почвы и ее обитателей представляет токсикация пестицидами и соединениями тяжелых металлов, закисление и засоление.
Токсические свойства определяются хим.составом и молекулярной структурой соединений. По хим.составу классифицируют:
Некоторые популяции растений способны адаптироваться к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве. Тяжелые металлы воздействуют в основном на корневую систему растений. Из-за высокого содержания токсичных металлов в почве, у пастбищных животных могут наблюдаться симптомы отравления в острой и хронической форме.
13. Химическая модель токсичности кадмия (Cd2+) в почве
Кадмий попадает в почву из воздуха, либо вместе с продуктами сгорания, а также с фосфорсодержащими удобрениями. В некоторых случаях источником загрязнения могут быть предприятия, занимающиеся переработкой кадмия.
В кислых почвах (pH < 6) ионы кадмия весьма подвижны, и накопление элемента не наблюдается. При pH > 6 кадмий откладывается вместе с гидроксидами железа, марганца и алюминия, при этом происходит потеря протонов группами ОН-. Соединения кадмия с гуминовыми кислотами малоустойчивы, поэтому накопление кадмия в гумусе незначительно. При pH < 6 вся масса соединений кадмия, которую почва не в состоянии удержать, переходит в растения или вымывается грунтовыми водами, загрязняя при этом питьевую воду.
В качестве специфического соединения кадмия в почве можно считать сульфид кадмия (CdS), образующийся из сульфатов при благоприятных условиях восстановления. Инны кадмия взаимодействуют с присутствующими в почве ионами: SO42-, Cl-, HPO42-, NO3-, HCO3-.
Cd2+ + SO42- → Cd SO4;
Cd2+ + 2Cl- → CdCl2;
Cd2+ + HPO42- → CdHPO4;
Cd2+ + 2NO3-→ Cd(NO3)2;
Cd2+ + 2HCO3-→ Cd(HCO3)2 (образуется при рН > 8);
Химическая модель токсичности цинка (Zn2+) в почве
В почвах содержится примерно 5∙10-3% цинка. Цинк играет важную роль в питании растений.
Цинк относится в распространенным в технике и быту металлов, поэтому ежегодное внесение его в почву велико. Особенно загрязнена почка вблизи цинкоперерабатывающих предприятий.
Растворимость соединений цинка в почве увеличивается при значениях pH < 6. При pH > 6 и в присутствии фосфатов усвояемость цинка растениями значительно снижается. При pH > 6 происходит накопление цинка в почве в больших количествах, вследствие взаимодействия с глинами.
В лесных гумусовых почвах цинк не накапливается, быстро вымывается из-за постоянного естественного поддерживания кислой среды. Для растений токсический эффект создается при содержании около 200 мг цинка на 1 кг сухого материала.
Цинк относится к весьма подвижным элементам в почве:
Zn2+ + 2Cl- → ZnCl2;
Zn2+ + SO42-→ ZnSO4;
Zn2+ + HPO42- → ZnHPO4;
Zn2+ + 2HCO3- → Zn(HCO3)2;
Zn2+ + 2NO3-→ Zn(NO3)2.
Химическая модель токсичности никеля (Ni2+) в почве
В следовых количествах никель является микроэлементом и играет жизненноважную роль в биологической системе. При более высоких концентрациях проявляет высокую токсичность по отношению к почвенным организмам. Никель обладает канцерогенными свойствами.
При pH < 6 вся масса ионов никеля, которую почва не в состоянии больше удерживать, переходит в растения или вымывается грунтовыми водами, загрязняя питьевую воду. При значениях pH > 6 происходит накопление никеля в почве в больших количествах, вследствие взаимодействия с глинами.
Ионы никеля вступают во взаимодействие в почве с различными анионами, образуя усваиваемые растениями соединения:
Ni2+ + SO42-→ NiSO4;
Ni2+ + 2Cl-→ NiCl2;
Ni2+ + 2NO3-→ Ni(NO3)2;
Ni2+ + HPO42- → NiHPO4;
Ni2+ + 2H2PO4- → Ni(H2PO4)2;
Ni2+ + 2OH-→ Ni(OH)2.
Химическая модель токсичности селена (Se4+) в почве
Селен – элемент, обнаруженный в основном в сульфидных осадках. Нехватка селена у крупного рогатого скота наблюдается во многих районах, но в то же время селен очень токсичен и избыток его в пищевом рационе может привести к серьезному отравлению.
При повышении кислотности почвы (pH < 6), миграция ионов селена значительно возрастает: вся их масса, которую почва не в состоянии больше удерживать, переходит в растения или вымывается с грунтовыми водами, тем самым загрязняя питьевую воду. Многие растения способны адаптироваться к высокому содержанию ионов селена (например, семейство бобовых). Растения, способные адаптироваться к избытку ионов селена в почве и накапливать их в своих нитках, служат причиной отравления пастбищных животных, и по пищевой цепи могут попадать в организм человека.
Se4+ + 2SO42-→ Se(SO4)2 → SeS4 (последняя реакция протекает при условиях благоприятных восстановлению)
Se4+ + 4NO3-→ Se(NO3)4;
Se4+ + 4Cl-→ SeCl4;
Se4+ + 2HPO42- → Se(HPO4)2.
Химическая модель токсичности ртути (Hg2+) в почве
Следы ионов ртути представляют собой наибольшую потенциальную опасность.
Для ртути характерно метилирование. Металлическая ртуть метилируется в две стадии:
Hg2+ → CH3Hg+ → (CH3)2Hg;
Ионы метилртути, а также диметилртути сорбируются организмами. Для ртути было обнаружено биоконцентрирование. В растениях ртуть может откладываться в клеточных стенках (целлюлоза) или в клеточных вакуолях с образованием хелатов. В этих случаях ртуть становится не активной.
При pH < 6 ионы ртути вымываются из почвы, загрязняя грунтовые воды и следовательно загрязняя питьевые воды. При pH > 6 – происходит накопление ртути в почве.
Ионы ртути взаимодействуют в почве с другими ионами, образую усваиваемые растениями соединения:
Hg2+ + 2Cl-→ HgCl2;
Hg2+ + 2NO3-→ Hg(NO3)2;
Hg2+ + SO42-→ HgSO4.
Химическая модель токсичности железа (Fe2+, Fe3+) в почве
При обычных значениях рН почвы железо накапливается в виде Fe(OH)3:
Fe3+ + OH- → Fe(OH)3↓;
При малом содержании кислорода, понижается окислительно-восстановительный потенциал почвы, что способствуют восстановлению Fe3+ в Fe2+:
Fe(OH)3 + 3Н+ + е- → Fe2+ + 3Н2О;
Таким образом, железо переходит в форму, усваиваемую растениями:
Fe2+ + SO42-→ FeSO4;
Fe2+ + 2Cl-→ FeCl2;
Fe2+ + NO3-→ Fe(NO3)2;
Fe2+ + HPO42- → FeHPO4;
Fe2+ + 2OH-→ Fe(OH)2↓;
Так как при анаэробных условиях возможность усвоения железа слишком сильно возрастает, то увеличивается и его токсичность. Железо после восстановления обладает повышенной подвижностью в почве. Поэтому в восстановительных эти элементы легче вымываются из почвы, которая в результате обедняется этим элементом.
Низкие значения рН способствуют присоединению анионов к железосодержащим коллоидным частицам в почве, т.к. протоны сообщают комплексам положительный заряд.
У фосфатов возможен обмен их кислотных остатков с ОН-группами на поверхности железосодержащих коллоидных частиц, при этом фосфатные остатки связываются и дальнейшее усвоение фосфора растениями становится невозможным.
Химическая модель токсичности меди (Cu2+) в воде
Медь взаимодействует с присутствующими анионами в воде, в результате чего образуются малорастворимые соединения, накапливающиеся в лонном осадке:
Cu2+ + OH- → Cu(OH)2↓;
Cu2+ + SO42- → CuSO4↓;
Cu2+ + 2Cl- → CuCl2↓; (pH = 6–8,5)
Cu2+ + HPO42- → CuHPO4↓;
Cu2+ + 2NO3- → Cu(NO3)2↓;
При pH < 6 растворимость соединений меди возрастает и они будут переходить из донного осадка в основную водную массу. В природных водных системах медь может находиться в форме гидротированных соединений, ионных пар, комплексных ионов.
Химическая модель токсичности цинка (Zn2+) в воде
Цинк относится к потенциально опасным металлам, т.е. скорость эмиссии цинка на порядок выше величины естественного переноса. Присутствующий цинк в виде следов играет жизненно важную роль в биологической системе и является микроэлементом.
При изменении pH < 6 малорастворимые соединения цинка переходят в растворенное состояние и из донного осадка переходят в основную массу. В природных водных системах цинк может находится в форме: гидротированных соединений, комплексных ионов, ионных пар.
Цинк взаимодействует с присутствующими анионами в воде, в результате его образуются малорастворимые соединения, накапливающиеся в донном осадке:
Zn2+ + 2OH- → Zn(OH)2↓;
Zn2+ + CO32- → ZnCO3↓; (pH = 6–8,5)
Zn2+ + HPO42- → ZnHPO4↓;
Zn2+ + Cl- → ZnCl2; (в растворенном виде)
Концентрирование загрязнителей в донных осадках способствует биологическому аккумулированию их в живых организмах.
Химическая модель токсичности марганца (Мn2+) в воде
Марганец взаимодействует с присутствующими анионами в воде:
Mn2+ + OH- → Mn(OH)2↓;
Mn2+ + HPO42-→ Mn HPO4↓;
Образующиеся соединения концентрируются в донном осадке. Донные обитатели воды могут поглощать и преобразовывать загрязняющие вещества. Марганец может накапливаться в живых организмах:
Mn2+ + 2HCO3- → Mn(HCO3)2;
Mn2+ + 2Cl- → MnCl2;
Mn2+ + SO42- → MnSO4;
Mn2+ + 2NO3- → Mn(NO3)2;
Донные соединения находятся в растворенной форме и зоной их концентрирования является поверхностная пленка.
Ионы марганца подвергаются поверхностной гидратации, в которой лигандом является вода:
Mn2+ + 4H2O [Mn(H2O)4]2+
Также лигандами могут быть: Cl-, SO42-, HCO3-.
Кроме гидратированных соединений марганец в воде существует в виде: комплексов, ионных пар.
Ионы MnO4- в кислой среде (pH < 6) восстанавливается до Mn2+:
MnO4- + 8Н+ → Mn2+ + 4Н2О.
В щелочной среде – до MnO42-, в нейтральной – до MnO2:
MnO4- + 2H2O → MnO2 + 4ОН-.
Химическая модель токсичности железа (Fe2+, Fe3+) в воде
Железо в поверхностных водах существует в форме Fe(II) и Fe(III). В поверхностных водах соединения двухвалентного железа мигрируют в основном в ионной форме Fe2+, а соединения трехвалентного железа в отсутствии комплексообразующих соединений, в большей степени находятся во взвешенном состоянии:
Fe2+ + SO42-→ FeSO4;
Fe2+ + NO3-→ Fe(NO3)2;
Fe2+ + HСO3- → Fe(HСO3)2;
Fe2+ + 2OH-→ Fe(OH)2↓;
Fe2+ + 2Cl-→ FeCl2;
О2 ОН-
Fe2+ → Fe3+ → Fe(OH)3↓;
Fe3+ + 3Cl-→ FeCl3;
Большинство соединений Fe(II) находятся в растворенной форме и концентрируются в поверхностной пленке. Малорастворимые и нерастворимые соединения Fe(III) накапливаются в донном осадке.
При pH > 7 железо будет селективно соединяться с ионами гидроксила с попеременным образованием Fe(OH)2+, Fe(OH)4-. При pH < 6 соединения Fe(III) из донного осадка переходят в растворенные формы и распределяются в водной массе. Ион Fe2+ является токсичным для живых организмов.
Химическая модель токсичности ионов аммония (NH4+) в воде
В форме NH4+ в воде существует аммиак. NH4+ подвергается реакции нитрификации, которая протекает в две стадии, представляющие реакции окисления под воздействием автотрофных бактерий:
2NH4+ + 3О2 → 4Н+ + 2NО2- + 2Н2О;
2NО2- + О2 → 2NО3- (азотобактера);
Живые организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот. В воде NH4+ образует растворимые соединения:
NH4+ + SO42-→ (NH4)2SO42-;
NH4+ + ОН- → NH4ОН;
NH4+ + Cl- → NH4Cl;
NH4+ + NO3-→ NH4 NO3;
NH4+ + HСO3- → NH4HСO3;
При наличии избыточных концентраций NH4+ рост фитопланктона усиливается, что увеличивает потребность в микроэлементах. В этих условиях запасы микроэлементов истощаются, следствием является снижение роста организмов. При достаточном количестве питательных веществ в таких условиях уменьшается содержание О2 – эвтрофикация.
Химическая модель токсичности ртути (Hg2+) в воде
Источниками поступления ртутьсодержащих соединений являются стоки пром.предприятий, а также поверхностный сток, содержащий растворенные формы ртуть содержащих пестицидов.
В водн.системах ртуть может превращаться биогенно при участии микроорганизмов из относительно малотоксичных форм Hg(I) в высокотоксичные Hg(II). Такой процесс называется метиллированием ртути. Метильные группы переносятся на Hg2+ от метилкобаламина.
Hg2+ + Hg Hg22+;
Hg2+ + RCH3 → (CH3)2Hg;
Hg2+ + RCH3 → CH3Hg;
HgCl2 → (CH3)2Hg + 2Cl- (метилкобаламин);
HgCl2 → CH3HgСl + Cl- (метилкобаламин);