Лекции 4 -5 Химические загрязнители окружающей среды

Лекции № 4 -5 Химические загрязнители окружающей среды 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. План Классификация загрязнений Соединения серы, фосфора, азота Галогены Озон Оксиды углерода и углеводороды Тяжёлые металлы Нефть и нефтепродукты ПАВ и пестициды в биосфере

Вопрос 1 Классификация загрязнений Загрязнение - привнесение в среду или возникновение в ней новых, не характерных для среды химических, физических, биологических или информационных агентов; или повышение концентрации этих агентов сверх среднего наблюдавшегося количества или уровня. Все виды загрязнителей можно разделить по их природе на: а) физические б) химические в) биологические г) информационные. Физическое загрязнение включает в себя: а) тепловое загрязнение; б) световое загрязнение; в) электромагнитные поля; г) радиационное загрязнение.

- Химическое загрязнение - включает минеральные и органические вещества. Различают разрушаемые и стойкие химические загрязнители. Наличие стойких загрязнителей объясняется тем, что человек синтезировал новые вещества и даже классы веществ, которые ранее отсутствовали в биосфере, а следовательно, в природе отсутствуют естественные пути утилизации этих веществ. - Биологическое загрязнение - это привнесение в среду и размножение в ней нежелательных для человека организмов; привнесение патогенных микроорганизмов. В качестве биологического загрязнения может выступать и интродукция безобидных, на первый взгляд, видов (пример: усиленное размножение завезенных в Австралию кроликов, где у них не оказалось естественных врагов). - Информационное загрязнение - поток негативной информации, поступающей человеку по различным информационным каналам.

Вопрос 2 Соединения серы, фосфора, азота Загрязняющими биосферу веществами могут быть соединения практически всех элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Элементы 5 и 6 групп играют важную роль в химических и биохимических почвенных процессах. Азот и сера являются необходимыми элементами для формирования белков, фосфор играет важную роль в энергетических процессах. Сера, фосфор, азот - типичные органогены. Соотношение между ними в гумусовых горизонтах почв одного типа относительно постоянное. Так, в органическом веществе отношение C: N меняется от 8 до 15, содержание органического фосфора в 4 - 5 раз меньше, чем содержание азота, и отношение C: P составляет 100: 1. Сера, фосфор, азот - типичные неметаллы. Геохимическая общность рассматриваемой группы элементов проявляется в том, что их миграция и аккумуляция, подвижность и реакционная способность зависят от присутствия органических веществ, окислительно-восстановительных и кислотно-основных условий.

Соединения серы Сера - биогенный элемент, необходимый для живых организмов, и обязательный элемент питания растений. Диоксид серы SO 2 составляет более 95% выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. В настоящее время значительным источником серы стали техногенные выбросы предприятий металлургической, нефтяной и других отраслей промышленности. Присутствие оксидов серы в атмосфере оказывает негативное влияние на жизнедеятельность животных и растений: диоксид серы взаимодействует с кислородом воздуха с образованием SO 3 и, в конечном счёте, H 2 SO 4: 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 Элементная сера появляется в почвах как промежуточный продукт окисления сульфидов железа или вносится с химическими загрязняющими веществами. Окисление серы в почвах протекает ступенчато, причём конечным продуктом является серная кислота или сульфаты: S → S 2 O 3 -2 → S 4 O 6 -2 → SO 3 -2 → SO 4 -2 тиосульфат тетратионит сульфат

Соединения фосфора При оценке загрязнения биосферы соединениями фосфора важны техногенные пути их поступления. Значительные количества фосфорных соединений входят в состав моющих средств и с их остатками попадают в сточные воды. Стиральные порошки содержат 10 - 12% пирофосфата калия или от 4 - 5 до 40 -50% триполифосфата натрия и некоторые другие фосфорсодержащие компоненты. Фосфор также входит в состав инсектицидов, например хлорофоса. Круговорот фосфора представляется простым, незамкнутым циклом. Фосфор присутствует в наземных экосистемах в качестве важнейшей части цитоплазмы; затем органические соединения фосфора минерализуются в фосфаты, которые вновь потребляют корни растений. Часть соединений фосфора теряется в глубинных отложениях. Частичный возврат фосфора происходит в форме органических удобрений при внесении на поля костно-рыбной муки. Если сера, углерод уходят в газообразной форме в атмосферу, то более устойчивые соединения фосфора накапливаются в местах складирования органических отходов, свалках, полях орошения, что в итоге приводит, как и в случае соединений азота, к эвтрофикации водоёмов избытком фосфатов.

Соединения азота В биосфере азот присутствует в газообразной форме (N 2, NH 3, NO, NO 2), в виде соединений азотной и азотистой кислот (нитраты и нитриты), солей аммония, а также входит в состав разнообразных органических соединений. В почвенных условиях нитриты обычно малоустойчивы и при их разложении происходят реакции: 3 HNO 2 → HNO 3 + 2 NO + H 2 O 2 HNO 2 → NO + NO 2 + H 2 O Важнейшие процессы, обусловливающие баланс азота в биоценозе: Аммонификация - процесс разложения органических веществ, протекающий с участием специфических аммонифицирующих микроорганизмов и ведущий к образованию NН 3 или NH+4. Аммонификация - первая стадия минерализации азотсодержащих органических соединений. Нитрификация- окисление аммиака (аммония) до нитритов и нитратов. Этот процесс протекает в два этапа: 1. Окисление NH 3 → HNO 2 через гидроксиламины NH 2 OН и гипонитриты (соли азотноватистой кислоты НО - N = N - ОН): NH 3 → NH 2 OH → НО - N = N - ОН → НО - N = O 2. Окисление N 3+ до N 5+

Денитрификация осуществляется биологическим путём с помощью бактерий - денитрификаторов Pseudomonas, Micrococcus. В процессе денитрификации осуществляются следующая реакция: NO 3 → NO 2 → NO → N 2 В настоящее время серьезную проблему представляет не глобальное, а региональное и локальное загрязнение воздуха оксидами азота. Основным путем образования оксида азота N 2 О в почвах и водах является процесс денитрификации, хотя некоторые количества его могут возникать при нитрификации, а также при разложении нитрит-иона или гидроксиламина NH 2 ОH в кислых почвах. Меры защиты окружающей среды от избытка соединений азота предусматривают: 1) уменьшение норм внесения минеральных удобрений (не более 100 - 120 кг*га-1 N) при одновременном увеличении доли органических удобрений (навоз, зелёные удобрения); 2) запрещение внесения удобрений по снегу, с самолётов; 3) создание минеральных азотных удобрений с небольшой скоростью растворения; 4) рациональное использование жидких органических удобрений; запрещения сброса отходов животноводства в окружающую среду.

Вопрос 3 Галогены Широкое применение хлорида натрия для очистки автострад от снега и льда и в других технических целях- причина загрязнения хлорид-ионом. Накоплению йода в почвах способствует обогащение их коллоидными частицам и органическим веществом. В связи с развитием ядерной энергетики особую актуальность приобретает проблема выбросов и обнаружения в биосфере долгоживущих радионуклидов 129 I, 131 I. Бром - сильнолетучий элемент, его соли легкорастворимы. Основными антропогенными источниками брома могут быть фумиганты (метилбромвд) или пестициды, используемые в газообразном состоянии, калийные удобрения. Главными источниками фтора в окружающей среде являются: 1) разрушающиеся горные породы, содержащие в среднем 0. 03% F; 2) вулканические газы; 3) газопылевые выбросы алюминиевых, сталелитейных, стекольных и фарфоровых заводов, в состав которых входят Na. F, KF, Na. Al. F 4, А 1 Р 3, Ca. F 2, HF, Si. F 4; 4) фосфорные удобрения, содержащие от 1 до 4% фтора, фосфогипс (0. 3 -0. 8% F), другие химические мелиоранты.

Вопрос 4 Озон Образование озона - это фотохимический процесс, который в общем виде можно описать следующими реакциями: O 2 + hv → O + O 2 → O 3 + M Озон очень сильно поглощает солнечное излучение в области 240 - 320 нм, разрушаясь по уравнению: O 3 + hv → O 2 + O Эта реакция не приводит к деструкции озона, поскольку образующийся атом кислорода может рекомбинировать с молекулой кислорода с образованием озона. Именно поглощение света обеспечивает защиту земной поверхности от УФ - радиации высокой энергии. Основной процесс деструкции озона обусловлен каталитическим влиянием оксидов азота: O + NO 2 → NO + O 2 NO + O 3 → NO 2 + O 2 O + O 3 → O 2 + O 2

На высоте более 20 км проходит свет с длиной волны 185 - 225 нм, называемый "солнечным окном". В данном интервале фреоны F 11(CCl 3 F) и F-12(CCl 2 F 2) образуют атомарный хлор согласно реакциям CF 2 Cl 2 + hv → CF 2 Cl + Cl CFCl 3 + hv → CFCl 2 + Cl Образовавшийся атомарный хлор разрушает озон по реакциям: Cl + O 3 → Cl. O + O 2 Cl. O + O → Cl + O 2 O + O 3 → O 2 + O 2 Развивается циклический каталитический процесс, в котором один атом хлора может разрушить большое число молекул озона. Константа скорости этого процесса в несколько раз больше константы скорости процесса разрушения, катализируемого оксидами азота (естественный процесс разрушения озона). Основной процесс удаления атомарного хлора включает отщепление атома водорода от молекул некоторых веществ, например метана, с образованием хлористого водорода: Cl + CH 4 → HCl + CH 3 Удаление хлора из стратосферы включает образование хлористого водорода, его диффузию в тропосферу и последующее выпадение с дождями.

Вопрос 5 Оксиды углерода и углеводороды Оксиды углерода и газообразные углеводороды поступают в атмосферу как за счет промышленных предприятий и коммунального хозяйства, так и за счет эмиссии этих соединений целинными и пахотными почвами. Некоторое дополнительное поступление CO 2 в атмосферу может играть положительную роль, но большую экологическую опасность при этом представляет "парниковый эффект". «Парниковый эффект» . Обычное солнечное излучение легко достигает поверхности Земли поглощается ее поверхностью. Нагретые поверхности отдают тепловую энергию снова в атмосферу, но уже в виде длинноволнового. В ближнем инфракрасном диапазоне это излучение интенсивно поглощается молекулами CO 2, CO, CH 4, C 2 H 6, N 2 O, имеющими интенсивные поглощения в интервалах длин волн 2 -5 мкм. В результате инфракрасное излучение Земли не рассеивается в космическом пространстве, а расходуется на повышение интенсивности теплового движения молекул в атмосфере, что и вызывает общее повышение температуры.

Одним из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу, является оксид углерода СО, диоксид углерода С 02. Считается, что при возрастании содержания СО 2 в воздухе вдвое среднегодовая температура атмосферы повысится на 3 -5 °С, особенно в северном полушарии, что вызовет массовое таяние льдов Арктики, подъем среднего уровня Мирового океана на 5 -6 м, затопление значительных территорий прибрежных низменностей и другие негативные последствия. К числу глобальных загрязнений биосферы следует отнести её загрязнение углеводородами, 95% выбросов которых также приходится на северное полушарие. В результате фотохимических реакций углеводороды образуют весьма токсичные продукты: альдегиды, кетоны, пироксиацетилнитрат. Метан и другие низшие алканы, такие, как этан, пропан накапливаясь в атмосфере, влекут зa собой постепенное повышение среднегодовой температуры, что является следствием упомянутого "парникового эффекта".

Вопрос 6 Тяжёлые металлы Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах. Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии: 1) преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды; 2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы. Железо в очень высокой степени вовлечено в антропогенную деятельность, оно отличается настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о современном "ожелезнении" биосферы. Окисление сульфидов железа сопровождается образованием сульфатов железа с одновременным образованием серной кислоты: 4 Fe. S 2 + 6 H 2 O + 15 O 2 = 4 Fe. S 04(OH) + 4 H 2 SO 4 Серная кислота разрушает карбонаты с образованием гипса, сульфатов магния и натрия, происходит декарбонизации почв.

Свинец ингибирует ферментативные реакции, вступая в химическое взаимодействие с белками и осаждая их. Присутствие повышенных кoнцeнтpaций свинца в воздухе и продуктах питания представляет угрозу для здоровья человека. Ртуть встречается в природе как в самородном состоянии, так и в соединениях, образуя ртутные минералы: киноварь Hg. S, тиманит Hg. Se, ливингстонит Hg. S*2 Sb 2 S 3, монтроидит Hg. O. За геологическое время в биосферу в результате природных процессов (вулканическая деятельность, фумаролы) поступило около 1. 6*1010 т ртути. Около 0. 1 % остается в океанах в растворенном виде. Хром. Главными источниками хрома в биосфере являются промышленные отходы (гальванические осадки, отходы кожевенных заводов и производств, где хром содержится в составе пигментов и красителей), осадки сточных вод. Поступление бытовых стоков в реки вызывает резкое падение содержания растворенного кислорода и образование сероводорода.

Вопрос 7 Нефть и нефтепродукты Нефтепродукты - один из наиболее характерных загрязнителей океана. В Мировой океан и поверхностные воды ежегодно вносится 15 -17 миллионов тонн нефти и нефтепродуктов. Влияние нефтяного загрязнения на состояние гидробионтов описывается следующими фактами: а) непосредственное отравление организмов с летальным исходом б) серьезные нарушения физиологической активности гидробионтов в) прямое обволакивание птиц и других организмов нефтепродуктами. Наибольшую опасность представляют ароматические углеводороды, растворимые в воде. Смертельные концентрации ароматических углеводородов для мальков и икры очень низки (104%). Накопление ПАУ не только ухудшает вкус съедобных организмов (например, моллюсков, рыб), но и является опасным, так как эти вещества канцерогенны. Так, концентрация канцерогенных углеводородов в ткани мидий, выловленных в районе порта Тулон (Франция), достигала 3, 5 мг на кг сухого веса.

Вопрос 8 ПАВ и пестициды в биосфере Детергенты - это поверхностно активные вещества (ПАВ), которые употребляются в промышленности и быту как моющие средства и эмульгаторы; они относятся к числу основных химических веществ, загрязняющих поверхностные воды. Присутствие в водоемах поверхностно-активных веществ изменяет химический состав природных вод и естественный ход протекающих в них химических и биохимических процессов. ПАВ парализуют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества. Самую обширную группу пестицидов составляют гербициды, т. е. средства борьбы с сорняками. По характеру действия гербициды можно подразделить на две подгруппы: -Cплошные, действующие на все виды растений и использующиеся для уничтожения нежелательной растительности вокруг промышленных предприятий, на обочинах дорог, лесных вырубках, в каналах и водоемах и т. п. -Избирательные (селективные), опасные для определенных видов растительности и используемые для уничтожения сорняков в агроценозах.

Хлорорганические инсектициды - гексахлоран, ДДТ и т. п. - обычно слаборастворимы в воде, очень устойчивы ко всем видам разложения и могут сохраняться в почве десятилетиями, аккумулируясь при систематическом применении. Фосфорорганические инсектициды (карбофос, фосфамид, метафос, амифос и др. ) в почве и других природных средах распадаются сравнительно быстро. При этом они отличаются высокой эффективностъю и избирательностью действия и их применение весьма перспективно. Под устойчивостью пестицида понимают его способность определенное время сохраняться в почвах, измеряемую периодом полураспада, т. е. временем, необходимым для разрушения 50% внесённого в почву пестицида. Почва является основным приемником и аккумулятором пестицидов, которые накапливаются в ней в результате адсорбции их молекул почвенными коллоидами. Чем выше доза внесения и устойчивее сам токсикант, тем длительнее он сохраняется и тем опаснее его последействие.