1. Перенос химических продуктов почва-воздух………………………………….
2. Химические превращения в мезосфере и термосфере………………………….
3. Аэрозольное загрязнение атмосферы и их характеристики…………………..
4. Поверхностные воды. Главные ионы поверхностных вод……………………
5. Загрязнение природных вод. Органические вещества в природных водах….
6. Пестициды в почве………………………………………………………………
7. Окислительно-восстановительные процессы в почвах……………………….
8. Модели оценки токсических воздействий в экосистеме.
Понятие экотоксикологии………………………………………………………….
Список литературы…………………………………………………………………
1. Перенос химических продуктов почва-воздух
Потребление О2 и продуцирование СО2 в почве. Основными потребителями О2 в почве являются корни растений, микроорганизмы и почвообитающие животные, и лишь незначительная часть расходуется на процессы окисления. Количество О2, потребляемого растениями зависит от биологических особенностей, возраста, условий среды.
Подсчитано, что пахотные горизонты почв в зависимости от содержания гумуса, условий аэрации и увлажнения поглощают при 20оС от 0,5 до 3 мл О2 на 1 кг абсолютно сухой почвы за 1 час. Лесная подстилка при той же температуре может поглотить О2> 400 мг/кг, а горизонты дерново-подзолистой почвы А2, В – лишь сотые доли миллилитра. В условиях хорошей аэрации пахотные горизонты поглощают кислорода больше, чем выделяют углекислого газа и коэффициент дыхания – это отношение выделившегося СО2 к поглощенному О2 бывает < 1. Для почв с затруднительным газообменом отношение увеличивается и превышает 1.
Сильное влияние на поглощение О2 и выделение О2 почвой оказывает тепловой режим. При увеличении t с 5 до 30оС интенсивность поглощения О2 и выделения СО2 возрастает в 10 раз. Потребление О2 и выделение СО2 подвержены сезонным колебаниям. Летом почва поглощает О2 и выделяет СО2 в несколько раз больше, чем ранней весной и поздней осенью.
СО2 образуется в почве благодаря биологическим процессам. Частично СО2 может поступать в почвенный воздух из грунтовых вод, а также в результате его десорбции из твердой и жидкой фаз почвы. Некоторое количество СО2 может возникнуть при превращении бикарбонатов в карбонаты во время испарения почвенных растворов.
Газообмен почвенного воздуха с атмосферным. Газообмен – процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным. Газообмен осуществляется через воздухоносные поры почвы, сообщающие между собой и с атмосферной. К факторам вызывающим аэрацию относятся: изменение t почвы и борометрическое давление, поступление влаги в почву с осадками, влияние ветра, изменение уровня грунтовых вод, диффузия.
Диффузия – перемещение газов в соответствии с их парциальным давлением. Поскольку в почвенном воздухе О2<, а СО2>, чем в атмосфере, то под влиянием диффузии создаются для непрерывного поступления О2 в почву и выделения СО2 в атмосферу.
Изменение t и барометрического давления. Этот фактор также обуславливает газообмен, происходит сжатие или расширение почвенного воздуха. В период дневного нагревания почвы из слоя, куда доходят температурные волны выталкивается почвенный воздух, но в очень малых процентах (1,4%). Можно сказать это малоэффективный фактор газообмена.
Поступление влаги в почву с осадками вызывает сжатие почвенного воздуха, его выталкивание наружу и засасывание атмосферного воздуха. Выпадающие дожди могут обеспечить лишь 6-8% всего газообмена. Аэрация происходит и при испарении Н2О из почвы, когда на место испарившейся Н2О поступает равное по объему количество атмосферного воздуха. Процесс этот протекает медленно.
Влияние ветра на газообмен невелико и зависит от скорости ветра, структуры почвы. Наибольшая аэрация под действием ветра проявляется на пористых почвах, лишенных растительности. Все эти факторы действуют в природных условиях совместно, но основным является диффузия. Диффузия газов через почву всегда идет медленнее, чем в свободной атмосфере.
Роль О2 и СО2 в почвенных процессах. Повышение аэрации почвы способствует лучшему развитию корней, более интенсивному поглощению Н2О и питательных веществ растениями, усилению их роста и увеличению урожая. При отсутствии свободного О2 в почве развитие растений прекращается. Оптимальные условия для них создаются при содержании О2 в почвенном воздухе около 20%. При недостатке О2 в почве создается низкий окислительно-восстановительный потенциал, развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, снижается содержание доступных питательных веществ, ухудшаются физические свойства – все это снижает плодородие почвы. Аэробные процессы в гумусовом горизонте почвы при оптимальной t и влажности в зависимости от количества свежих органических остатков начинают развиваться при наличии в газовой фазе О2>2,5-5%, при низком содержании О2 протекают анаэробные процессы. Однако при низкой t (0–4оС) или при низкой влажности, развитие аэробных процессов возможно даже при содержании О2 –0,5%.
Высокая концентрация СО2 в почвенном воздухе может оказывать отрицательное действие на семена, корни и урожай растений. При оптимальном содержании О2 вредное действие СО2 проявляется только при высокой его концентрации. Огромное количество СО2 потребляется растениями в процессе фотосинтеза от 38 до 72% (дыхание почвы). СО2 имеет большое значение в химическом изменении минеральной части почвы и в накоплении питательных веществ. Почвенный раствор, насыщенный СО2, растворяет многие соединения почвы: кальций СаСО3, доломит (СаСО3· MgСО3), магнезит MgСО3.
2. Химические превращения в мезосфере и термосфере
Средняя атмосфера (мезосфера). На высоте около 50 км с пика широкого температурного максимума начинается мезосфера. Причиной увеличения температуры в области этого максимумаявляется экзотермическая (т.е. сопровождающаяся выделением тепла) фотохимическая реакция разложения озона: О3 + hv → О2 + О.
Озон возникает в результате фотохимического разложения молекулярного кислорода О2
О2 + hv → О + О
и последующей реакции тройного столкновения атома и молекулы кислорода с какой-нибудь третьей молекулой М.
О + О2 + М → О3 + М
Озон жадно поглощает ультрафиолетовое излучение в области от 2000 до 3000Å, и это излучение разогревает атмосферу. Озон, находящийся в верхней атмосфере, служит своеобразным щитом, охраняющим нас от действия ультрафиолетового излучения Солнца. Без этого щита развитие жизни на Земле в ее современных формах вряд ли было бы возможным.
В целом, на всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км). В окрестности мезопаузы, на высотах 70–90 км, может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаковвскоре после захода Солнца.
В мезосфере большей частью сгорают попадающие на Землю мелкие твердые метеоритные частицы, вызывающие явление метеоров.
СЕРЕБРИСТЫЕ ОБЛАКА. На всем протяжении мезосферы температура атмосферы уменьшается до минимального ее значения около 180 К на верхней границе мезосферы (называемой мезопауза, высота около 80 км) здесь может возникать очень тонкий слой ледяных кристаллов и частиц вулканической и метеоритной пыли, наблюдаемый в виде красивого зрелища серебристых облаков вскоре после захода Солнца.
Метеоры, метеориты и болиды. Вспышки и другие явления в верхней атмосфере Земли вызванные вторжением в нее со скоростью от 11 км/с и выше твердых космических частиц или тел, называются метеороидами. Возникает наблюдаемый яркий метеорный след; наиболее мощные явления, часто сопровождаемые падением метеоритов, называются болидами; появление метеоров связано с метеорными потоками.
Метеорный поток:
1) явление множественного падения метеоров в течение нескольких часов или дней из одного радианта.
2) рой метеороидов, движущихся по одной орбите вокруг Солнца.
Систематическое появление метеоров в определенной области неба и в определенные дни года, вызванное пересечением орбиты Земли с общей орбитой множества метеоритных тел, движущихся с примерно одинаковыми и одинаково направленными скоростями, из-за чего их пути на небе кажутся выходящими из одной общей точки (радианта). Называются по имени созвездия, где находится радиант.
Метеорные дожди производят глубокое впечатление своими световыми эффектами, но отдельные метеоры видны довольно редко. Гораздо многочисленнее невидимые метеоры, слишком малые, чтобы быть различимыми в момент их поглощения атмосферой. Некоторые из мельчайших метеоров, вероятно, совершенно не нагреваются, а лишь захватываются атмосферой. Эти мелкие частицы с размерами от нескольких миллиметров до десятитысячных долей миллиметра называются микрометеоритами. Количество ежесуточно поступающего в атмосферу метеорного вещества составляет от 100 до 10 000 тонн, причем большая часть этого вещества приходится на микрометеориты.
Поскольку метеорное вещество частично сгорает в атмосфере, ее газовый состав пополняется следами различных химических элементов. Например, каменные метеоры привносят в атмосферу литий. Сгорание металлических метеоров приводит к образованию мельчайших сферических железных, железоникелевых и других капелек, которые проходят сквозь атмосферу и осаждаются на земной поверхности. Их можно обнаружить в Гренландии и Антарктиде, где почти без изменений годами сохраняются ледниковые покровы. Океанологи находят их в донных океанических отложениях.
Большая часть метеорных частиц, поступивших в атмосферу, осаждается примерно в течение 30 суток. Некоторые ученые считают, что эта космическая пыль играет важную роль в формировании таких атмосферных явлений, как дождь, поскольку служит ядрами конденсации водяного пара. Поэтому предполагают, что выпадение осадков статистически связано с крупными метеорными дождями. Однако некоторые специалисты полагают, что, поскольку общее поступление метеорного вещества во много десятков раз превышает его поступление даже с крупнейшим метеорным дождем, изменением в общем количестве этого вещества, происходящим в результате одного такого дождя, можно пренебречь.
Однако несомненно, что наиболее крупные микрометеориты и видимые метеориты оставляют длинные следы ионизации в высоких слоях атмосферы, главным образом в ионосфере. Такие следы можно использовать для дальней радиосвязи, так как они отражают высокочастотные радиоволны.
Энергия поступающих в атмосферу метеоров расходуется главным образом, а может быть и полностью, на ее нагревание. Это одна из второстепенных составляющих теплового баланса атмосферы.
Метеорит – твердое тело естественного происхождения, упавшее на поверхность Земли из космоса. Обычно различают каменные, железо-каменные и железные метеориты. Последние в основном состоят из железа и никеля. Среди найденных метеоритов большинство имеют вес от нескольких граммов до нескольких килограммов. Крупнейший из найденных, – железный метеорит Гоба весит около 60 тонн и до сих пор лежит там же, где был обнаружен, в Южной Африке. Большинство метеоритов представляют собой осколки астероидов, но некоторые метеориты, возможно, попали на Землю с Луны и даже с Марса.
Болид – очень яркий метеор, иногда наблюдаемый даже днем, часто оставляющий после себя дымный след и сопровождаемый звуковыми явлениями; нередко заканчивается падением метеоритов.
Термосфера. Выше температурного минимума мезопаузы начинается термосфера,в которой температура, сначала медленно, а потом быстро вновь начинает расти. Причиной является поглощение ультрафиолетового, излучения Солнца на высотах 150–300 км, обусловленное ионизацией атомарного кислорода: О + hv → О+ + е.
В термосфере температура непрерывно растет до высоты около 400 км, где она достигает днем в эпоху максимума солнечной активности 1800 К. В эпоху минимума эта предельная температура может быть меньше 1000 К. Выше 400 км атмосфера переходит в изотермичную экзосферу. Критический уровень (основание экзосферы) находится на высоте около 500 км.
Полярные сияния и множество орбит искусственных спутников, а так же серебристые облака – все эти явления происходят в мезосфере и термосфере.
ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ – это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли.
Полярные сияния. В высоких широтах во время возмущений магнитного поля наблюдаются полярные сияния. Они могут продолжаться несколько минут, но часто видимы в течение нескольких часов. Полярные сияния сильно различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени. Спектр полярных сияний состоит из эмиссионных линий и полос. В спектре сияний усиливаются некоторые из эмиссий ночного неба, прежде всего зеленая и красная линии l 5577 Å и l 6300 Å кислорода. Бывает, что одна из этих линий во много раз интенсивнее другой, и это определяет видимый цвет сияния: зеленый или красный. Возмущения магнитного поля сопровождаются также нарушениями радиосвязи в полярных районах. Причиной нарушения являются изменения в ионосфере, которые означают, что во время магнитных бурь действует мощный источник ионизации. Установлено, что сильные магнитные бури происходят при наличии вблизи центра солнечного диска больших групп пятен. Наблюдения показали, что бури связаны не с самими пятнами, а с солнечными вспышками, которые появляются во время развития группы пятен.
Полярные сияния – это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли. Визуальное полярное сияние содержит зеленую 5577Å) и красную (6300/6364Å) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N2, которые возбуждаются энергичными частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии обычно высвечиваются на высоте около 100 км и выше. Термин оптическое полярное сияние используется для обозначения визуальных полярных сияний и их эмиссионного спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Энергия излучения в инфракрасной части спектра существенно превосходит энергию видимой области. При появлении полярных сияний наблюдались эмиссии в диапазоне УНЧ (< 30 кГц), включая УНЧ-хоры и УНЧ-шипения. Термин радиоаврора используется для обозначения авроральной активности, создающей неоднородности ионизации, ориентированные вдоль силовых линий поля на авроральных высотах, которые являются причиной обратного рассеяния радиоволн.
Реальные формы полярных сияний трудно классифицировать; наиболее употребительны следующие термины:
1. Спокойные однородные дуги или полосы. Дуга обычно простирается на ~1000 км в направлении геомагнитной параллели (в направлении на Солнце в полярных районах) и имеет ширину от одного до нескольких десятков километров. Полоса – это обобщение понятия дуги, она обычно не имеет правильной дугообразной формы, а изгибается в виде буквы S или в виде спиралей. Дуги и полосы располагаются на высотах 100–150 км.
2. Лучи полярного сияния. Этот термин относится к авроральной структуре, вытянутой вдоль магнитных силовых линий, с протяженностью по вертикали от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Протяженность лучей по горизонтали невелика, от нескольких десятков метров до нескольких километров. Обычно лучи наблюдаются в дугах или как отдельные структуры.
3. Пятна или поверхности. Это изолированные области свечения, не имеющие определенной формы. Отдельные пятна могут быть связаны между собой.
4. Вуаль. Необычная форма полярного сияния, представляющая собой однородного свечение, покрывающее большие участки небосвода.
3. Аэрозольное загрязнение атмосферы и их характеристики
Аэрозоли — это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены в таблице 1:
Таблица 1
|
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже — оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы — искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды — насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха.
Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия — расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.
Фотохимический туман (смог). Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.
Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги — нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.
4. Поверхностные воды. Главные ионы поверхностных вод
Большую часть поверхностных вод занимают моря и океаны, по массе на них приходиться более 90 % от всей массы воды в гидросфере.
Второе место по массе в поверхностных водах занимают снежно-ледниковые образования. В самом крупном Антарктическом леднике сосредоточено 2,4 • 10 19 кг воды, в 10 раз меньше в леднике в Гренландии. Снега и льды задерживают растворимые вещества, изменяют газовый обмен между почвой, подземными, поверхностными водами и атмосферой. Например, при образовании льда на поверхности океанов, морей и рек переход Ca(HCO3) в труднорастворимое вещество CaCO3 сопровождается выделением в атмосферу примерно 100 млн тонн СО2.
Из малых составляющих поверхностных вод наибольшая масса воды содержится в озерах. Самое крупное из них – Каспийское море, площадь которого 371 тыс. км2, самое глубокое озеро Байкал (1620 км), самое мелкое – Чад – 12 м.
С точки зрения движения вод озера – это маленькие модели океана, а по концентрации и набору растворенных веществ озера ближе к подземным водам. Очень соленые озера чаще всего совершенно бессточны: вода рек и ледников приносит растворенные вещества, которые при испарении накапливаются в озере. Более чем в 10 раз более соленую воду содержат некоторые озера, по сравнению с водой мирового океана.
Болота – другая малая составляющая надземных вод, промежуточное звено между озерами и подземными водами. Их общая площадь около 3 млн. км2. Болота – главные ловушки органического углерода, в них происходит его накопление и захоронение.
Реки в отличие от озер и болот – быстрые транспортеры воды. Имея сравнительно небольшой мгновенный запас воды, реки в течение года доставляют к устью массу воды, равную 4,5 • 1013 т. Расход воды в самой крупной реке мира Амазонке составляет 200 тыс. м3/с. Речная вода содержит различные элементы, часть из которых находиться в виде ионов. Реки разнообразны по протяженности и ширине, глубине и скорости движения. Длина Амазонки достигает радиуса земного шара, а малых рек и речушек с протяженностью меньше 10 км только в России около 2 млн. И малые речушки и громадные реки регулярно обновляют водой всю гидросферу – 1 раз за 30 тыс. лет. За время существования нашей планеты вода Мирового океана и подземной гидросферы прошла через реки более 100 тыс. раз. Речной сток в незначительной степени содержит дождевые и талые воды. Чем ближе к устью, тем глубже крупная река вскрывает водоносные горизонты, тем больше использует подземные кладовые воды. Реки могут пересохнуть во время сильных засух, и перемерзать в сильные морозы, исчезать под землей и появляться вновь, теряться в песках, стремительно нести воды в горных каньонах или вообще не иметь течения, теряя воду за счет испарения.
На строение и основные процессы, происходящие в подземной гидросфере, существует более или менее общепринятая точка зрения. Более или менее, потому что исследователям сложно, а чаще всего и невозможно проводить измерения в земных глубинах. Самая глубокая шахта на Земле достигает глубины всего 12 км, где давление массы породы достигает 3000 атмосфер, а температура более 200 градусов Цельсия. И все-таки ученым удалось очень много сделать для раскрытия тайны подземных вод. Мы часто сталкиваемся с подземными водами, лежащими близко к поверхности: родниками, ключами, гейзерами. До глубины 300-500 м находиться зона интенсивного водообмена: верховодка и грунтовые воды, которые постоянно связаны с наземными водоемами. Скорость движения воды здесь небольшая (см/с) м полный обмен с поверхностными водами может достигать столетий. Ниже, на глубине 1,5 – 2 км водообмен затруднен из-за уменьшения пористости и трещин пород. Средние темпы возобновления запасов воды составляют здесь десятки-сотни тысяч лет, еще глубже водообмен может происходить за миллионы лет. Примерно также подземные воды располагаются по минерализации – степени содержания растворенных солей. В пределах первых сотен метров вглубь от поверхности минерализация составляет около 1% (1 г/л) с преобладанием гидрокарбонатного аниона HCO3—, глубже минерализация возрастет до 3,5 %, здесь много сульфатных анионов, еще глубже минерализация превышает 3,5 %, состав подземной воды приближается к составу морской воды, увеличивается концентрация ионов хлора. Поэтому подземные воды часто подразделяют на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.
Подземные воды имеют свою «растворенную атмосферу». В зоне интенсивного водообмена они содержат кислород и азот, глубже появляются сероводород и метан, а в глубоко залегающих водах – углекислый газ и водород. В подземных водах на глубине от 1 до 4 км содержится 1000 см3/л газов, а в океане только до 20 см3/л. Общая масса газов, растворенных в глубинных водах, приближается к массе атмосферы Земли.
В подземной гидросфере есть огромное количество растворенных органических веществ. Содержание органического углеводорода в грунтовых водах изменяется от десятков до сотен миллиграмм на литр воды. Масса органических веществ (2,5 • 1015кг) в 10 раз превышает массу всех запасов нефти на Земле. Много в водах высокомолекулярных органических соединений – гумусов, часто придающих рекам и озерам коричневый или черный цвет.
В пространстве между земной поверхностью и подземными водами незанятые жидкой водой поры заполняет водяной пар, который, проникая сверху, конденсируется. Такой слой толщиной в несколько метров прослеживается над всей сушей. Много пара образуется при выходе перегретых вод с температурой от 1000С до 4500С.
При надкритических значениях температуры (3740С для чистой воды и 4500С для водяных растворов) и давления 218 атм и более различия между жидкостью и паром стираются. Образующаяся «водяная плазма», обладающая очень высокой подвижностью, находиться в сравнительно небольшом слое литосферы.
Около 12 млрд. лет тому назад вода из мантии Земли равномерно просачивалась сквозь земную кору, подземная гидросфера была в те далекие времена основным поставщиком вод на планете. Около 1,5 млрд. лет тому назад плотность земных пород в целом стабилизировалась, механизм «просачивания» стал отходить на второй план, все большую роль стал играть круговорот воды над материками и океанами.
Существует несколько различных классификаций вод. В зависимости от водопользования воды могут быть питьевые, речные, озерные, артезианские, морские, сточные, смешанные и илы.
Питьевая вода — это вода, в которой бактериологические, органолептические показатели и показатели токсичных химических веществ находятся в пределах норм питьевого водоснабжения (отсутствие запаха, вкуса, цвета, минерализация не более 1 г/л, жесткость не должна превышать 7,0 ммоль/л, рН в пределах 6,5-9,5, концентрация нитрат-иона не более 45-50 мг/л, коли-индекс не более 3, коли-титр не менее 300).
Состав речных и озерных вод зависит от ряда особенностей, к которым относятся скорость течения, геологические особенности местности, климатические и погодные условия, интенсивность воздействия на ионный и газовый состав биологических процессов и хозяйственной деятельности человека.
Состав артезианских вод зависит от зональности — от пресных гидрокарбонатных в верхней части до высокоминерализованных хлоридных в глубоких частях бассейна. Под смешанными водами подразумеваются дождевая, колодезная, кипяченая вода и вода из устьев рек (солоноватая).
Другая классификация подразделяет все воды на морские, поверхностные, подземные и осадки.
Классификации природных вод по химическому составу основываются на самых различных признаках: минерализации, концентрации преобладающего компонента или групп их, соотношении между концентрациями разных ионов, наличии повышенных концентраций каких-либо специфических компонентов газового (СО2, Н2S, CH4 и др.) или минерального (F, Ra и др.) состава.
Известны попытки классифицировать природные воды в соответствии с общими условиями, в которых формируется их химический состав, а также по гидрохимическому режиму водных объектов.
По преобладающему аниону природные воды делятся на три класса:
1) гидрокарбонатные и карбонатные (большинство маломинерализованных вод рек, озер, водохранилищ и некоторые подземные воды);
2) сульфатные воды (промежуточные между гидрокарбонатными и хлоридными водами, генетически связаны с различными осадочными породами);
3) хлоридные воды (высокоминерализованные воды океана, морей, соленых озер, подземные воды закрытых структур и т.д.).
Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется на четыре типа вод, определяемых соотношением между содержанием ионов в процентах в пересчете на количество вещества эквивалента:
I. HCO3- * Ca2+ + Mg2+
II. HCO3- * Ca2+ + Mg2+ * HCO3- + SO2-4.
III. HCO3- + SO2-4 * Ca2+ + Mg2+или Cl- * Na+.
IV. HCO3- = 0.
Воды I типа образуются в процессе химического выщелачивания изверженных пород или при обменных процессах ионов кальция и магния на ионы натрия и являются маломинерализованными. Воды II типа смешанные, к ним относятся воды большинства озер, рек и подземные воды с малой и умеренной минерализацией. Воды III типа метаморфизированные, включают часть сильноминерализованных природных вод или вод, подвергшихся катионному обмену ионов натрия на ионы кальция и магния. К этому типу относятся воды морей, океанов, морских лиманов, реликтовых водоемов. К IV типу относятся кислые воды — болотные, шахтные, вулканические или воды сильно загрязненные промышленными стоками.
Выделяют несколько классификаций природных вод по минерализации. Округляя различные пределы значений, О.А.Алекин наметил следующее деление природных вод по минерализации:
1) рассолы (соленость > 50%);
2) морские (соленость 25 – 30%);
3) солоноватые (соленость 1 – 25%);
4) пресные (соленость до 1%).
В химическом составе морской воды можно выделить 5 компонентов:
1) главные ионы – это 11 компонентов составляют 99,98% по весу от всех растворенных в океанской воде солей (Са2+, Mg2+, Na+, К+, С1—, S02-4, НСОз-, Si02).
2) Биогенные элементы (C, H, N, P, Si, Fe, Mn), из которых состоят организмы;
3) Растворимые в морской воде газы: O2, N2, CO2, углеводороды и инертные газы;
4) Микроэлементы;
5) органические вещества.
В этом состоит главное отличие морской воды от речной, в которой преобладают углекислые соли. Постоянство солевого состава морской воды – главнейшая закономерность в химии океана. Концентрация растворенных солей определяет величину солености океана. За эту величину солености (S) принят вес сухого остатка, содержащегося в 1 кг морской воды, когда карбонаты переведены в оксиды, бромиды и йодиды замещены эквивалентным количеством хлора и органические вещества сожжены при 4800С. Единица измерения – г/кг, или промилле (%). Однако большей частью соленость вычисляется по хлорности, электропроводности или показателю преломления. Между соленостью и хлорностью имеется соотношение 5% = 1,81 Сl.
Средний элементарный состав поверхностных вод суши отличается от среднего элементного состава мирового океана. Если в океане резко преобладают хлор и натрий, то в речных и озерных водах гидрокарбонаты кальция и магния. Отмечаются различия и по степени концентрации ионного состава. В Мировом океане концентрация растворенных веществ в среднем в 175 раз превышает таковую в реках и озерах. Состав речной и озерной воды зависит главным образом от типа почвы и горных пород, через которые она проходит, а также от типа источника питания в виде поверхностного стока или грунтовых вод: обычно в грунтовой воде содержание растворенных веществ больше, чем в водах поверхностного стока.
5. Загрязнение природных вод.
Органические вещества в природных водах
Воздействия человеческого общества на гидросферу приводят к увеличению уровня содержания вредных веществ в гидросфере, появлению новых химических соединений, частиц и чужеродных предметов, чрезмерному повышению температуры, радиоактивности и т. д.
Загрязнение водоемов угрожает здоровью человека и состоянию окружающей среды, ограничивает возможности дальнейшего развития человеческого общества. Почти все стороны деятельности человека влекут те или иные формы загрязнения. Исходные причины –стихийный рост промышленности, энергетики, транспорта, широкая химизация сельского хозяйства и быта, быстрый рост народонаселения планеты.
Ежегодно в гидросферу сбрасывается около 6 · 1011 тонн промышлен-ных и бытовых стоков, около 1010 тонн нефти и нефтепродуктов; на разбавление сточных вод расходуется 40% объема мировых ресурсов устойчивого речного стока; в сельском хозяйстве используется 1011 тонн минеральных удобрений, которые смываются в водоемы.
Масштабы загрязнения так велики, что естественные процессы метаболизма и разбавляющая способность гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Накопление стойких веществ, которые почти не разрушаются в природе (пестициды, полихлорбифенилы и др.), а также веществ, имеющих естественные механизмы разложения или усвоения (удобрения, тяжёлые металлы и др.), в количествах, превышающих способность гидросферы к их переработке, нарушает сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы и связи, подрывает способность природных комплексов к саморегуляции. Введение в круговорот веществ гидросферы миллионы тонн хлорорганических соединений, в том числе пестицидов, приводит к тому, что, с одной стороны, сокращается численность видов животных, а с другой –происходит неконтролируемое размножение организмов, легко вырабатывающих устойчивые формы (на пр. людей на планете уже ок. 6 ·109). Соединение оксидов азота и серы с водой приводит к выпадению кислотных дождей, изменяющих pH среды и приводящих к гибели живые организмы.
SO3 + H2O → H2SO4
SO2 + H2O → H2SO3
2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2
Загрязнение континентальных и океанических вод углеводородами, возникающими в результате многих факторов, связанных с добычей транспортировкой нефти и нефтепродуктов, является одним из основных видов загрязнения гидросферы. Поступление в водоёмы сельскохозяйствен-ных, промышленных и бытовых стоков стимулирует процессы, приводящиек ухудшению качества воды, к дефициту O2 в ней. Антропогенному воздействию подвергаются большинство озёр и водохранилищ, замкнутые и полузамкнутые моря. Одна из крупных проблем – радиоактивное загрязнение окружающей среды в результате ядерных испытаний, накопления радиоактивных отходов, а также на атомных предприятиях. Радиоактивное загрязнение мирового океана составляет 1,9 · 1017 Бк (беккерелей).
Перед обществом стоит актуальная проблема разработки методов и способов сознательного регулирования обмена веществом и энергией между человечеством и биосферой, включения человеческой деятельности в биохимические циклы с учётом важнейших закономерностей развития биосферы. Прежде чем направить воду в водоём, её следует подвергнуть очистке.
Питьевую воду получают на специальных водоочистительных станциях, где из воды удаляют вредные вещества, различные примеси и микроорганизмы. Для этого в воду добавляют озон (O3) и хлор (Cl2), которые способствуют уничтожению микробов.
O3 → O2 + O
Cl2 + H2O → HCl + HClO
HClO → HCl + O
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ – продукты растений и животных, населяющих водную среду, представленные соединениями углерода с другими элементами. В воде водоемов содержится большое количество самых разнообразных органических соединений. Их происхождение связано с продуктами метаболизма живых организмов и веществами, образовавшимися при их распаде. О.в. поступают в водные объекты с атмосферными осадками; с поверхностным стоком, в результате взаимодействия атмосферной влаги с почвенным и растительным покровом на поверхности водосбора; в результате внутриводоемных процессов образования органического вещества; поступлений из других водных объектов, из болот, торфяников, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых земель. По происхождению органическое вещество делят на аллохтонное (поступающее с водосбора) и автохтонное (образующееся в самом водоеме). С санитарно-гигиенической точки зрения органические вещества в природных водах можно разделить на 2 группы: 1) продукты распада растительных и животных остатков (не ядовиты и в гигиеническом отношении безвредны); 2) продукты разложения разнообразных отходов, попадающих в водные объекты со сточными водами (как правило, являются благоприятной средой для развития болезнетворных микроорганизмов). Состав О.в.п.в. чрезвычайно разнообразен и зависит от его происхождения.
Это и весьма сложные высокомолекулярные соединения типа белков, полисахаридов и простейшие — метан, формальдегид, низшие жирные кислоты, амины и др. Распространенную группу представляют гуминовые и фульвокислоты, придающие воде специфические свойства. Наиболее распространенная группа органических соединений в природных водах — углеводороды, имеющие общую формулу Сn(Н2O)m, которые входят в состав всех живых организмов. О.в.п.в. находятся в истинно растворенном состоянии (размер частиц 0,001 мкм), коллоидном (0,001–0,1 мкм) и часть более крупных частиц в состоянии взвеси (обычно до 150–200 мкм). Они образуют динамическую систему, в которой под действием физических, химических и биологических факторов непрерывно происходят переходы из одного состояния в другое. В водах морей и океанов основная масса органического вещества находится в истинно-растворенном и коллоидном состояниях. Исходя из реальных возможностей выделения и количественного анализа его разделяют на растворенное и взвешенное. Единого мнения, где проводить границу между растворенным и взвешенным веществом, нет. Большинство исследователей чаще всего к растворенному органическому веществу относят всю ту его часть, которая проходит через фильтр с порами 0,45—1 мкм. Суммарное количество содержащегося в воде органического вещества определяют по разности вещества в весе между сухим остатком и потерей при прокаливании. Широко распространены методы косвенного определения содержания в воде органического вещества и его отдельных составляющих: окисляемость воды, перманганатная окисляемость, бихроматная окисляемость, цветность воды, содержание органического углерода в воде, живых организмах и взвешенном состоянии. Значения этих характеристик и дают, главным образом, представление о пространственном распределении и режиме органического вещества в природных водах. Количество О.в.п.в. может быть оценено также раздельным определением органических соединений углерода, азота и фосфора. На долю органического углерода (Сорг) приходится около 50% массы органических веществ. Содержание Сорг в природных водах изменяется в широких пределах: в незагрязненных водах наименьшая его концентрация около 1 мг/дм3, наибольшая — 10—20 мг/дм3, а в болотных водах — до сотен миллиграммов в 1 дм3. В загрязненных водах содержание Сорг увеличивается до 100 мг/дм3 и более.
Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространенных и опасных веществ, загрязняющих поверхностные воды. Нефть и продукты ее переработки представляют собой чрезвычайно сложную, непостоянную и разнообразную смесь веществ (низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные, азотистые, сернистые соединения, а также ненасыщенные гетероциклические соединения типа смол, асфальтенов, ангидридов, асфальтеновых кислот). Понятие «нефтепродукты» в гидрохимии условно ограничивается только углеводородной фракцией (алифатические, ароматические, алициклические углеводороды).
Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды при перевозке нефти водным путем, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами. Некоторые количества углеводородов поступают в воду в результате прижизненных выделений растительными и животными организмами, а также в результате их посмертного разложения.
В результате протекающих в водоеме процессов испарения, сорбции, биохимического и химического окисления концентрация нефтепродуктов может существенно снижаться, при этом значительным изменениям может подвергаться их химический состав. Наиболее устойчивы ароматические углеводороды, наименее — н-алканы.
Нефтепродукты находятся в различных миграционных формах: растворенной, эмульгированной, сорбированной на твердых частицах взвесей и донных отложений, в виде пленки на поверхности воды. Обычно в момент поступления масса нефтепродуктов сосредоточена в пленке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворенных, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов. Количественное соотношение этих форм определяется комплексом факторов, важнейшими из которых являются условия поступления нефтепродуктов в водный объект, расстояние от места сброса, скорость течения и перемешивания водных масс, характер и степень загрязненности природных вод, а также состав нефтепродуктов, их вязкость, растворимость, плотность, температура кипения компонентов. При санитарно-химическом контроле определяют, как правило, сумму растворенных, эмульгированных и сорбированных форм нефти.
Содержание нефтепродуктов в речных, озерных, морских, подземных водах и атмосферных осадках колеблется в довольно широких пределах и обычно составляет сотые и десятые доли мг/дм3.
|
В незагрязненных нефтепродуктами водных объектах концентрация естественных углеводородов может колебаться в морских водах от 0,01 до 0,10 мг/дм3 и выше, в речных и озерных водах от 0,01 до 0,20 мг/дм3, иногда достигая 1-1,5 мг/дм3. Содержание естественных углеводородов определяется трофическим статусом водоема и в значительной мере зависит от биологической ситуации в водоеме. |
Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом состоянии водоема. Входящие в состав нефтепродуктов низкомолекулярные алифатические, нафтеновые и особенно ароматические углеводороды оказывают токсическое и, в некоторой степени, наркотическое воздействие на организм, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы. Наибольшую опасность представляют полициклические конденсированные углеводороды типа 3,4-бензапирена, обладающие канцерогенными свойствами. Нефтепродукты обволакивают оперение птиц, поверхность тела и органы других гидробионтов, вызывая заболевания и гибель.
Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм3, и присутствие их в виде пленки сказывается и на развитии высшей водной растительности и микрофитов.
В присутствии нефтепродуктов вода приобретает специфический вкус и запах, изменяется ее цвет, рН, ухудшается газообмен с атмосферой.
|
ПДКв нефтепродуктов составляет 0,3 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности — органолептический), ПДКвр — 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности — рыбохозяйственный). Присутствие канцерогенных углеводородов в воде недопустимо. |
6. Пестициды в почве
Открытие пестицидов — химических средств защиты растений и животных от различных вредителей и болезней — одно из важнейших достижений современной науки. Сегодня в мире на 1 га. наносится 300 кг. химических средств. Однако в результате длительного применения пестицидов в сельском хозяйстве и медицине (борьба с переносчиками болезней) почти повсеместно отличается снижение из эффективности вследствие развития резистентных рас вредителей и распространению «новых» вредных организмов, естественные враги и конкуренты которых были уничтожены пестицидами. В то же время действие пестицидов стало проявляться в глобальных масштабах. Из громадного количества насекомых вредными являются лишь 0,3% или 5 тыс. видов. У 250-ти видов обнаружена резистентность к пестицидам. Это усугубляется явлением перекрёстной резистенции, заключающейся в том, что повышенная устойчивость к действию одного препарата сопровождается устойчивостью к соединениям других классов. С общебиологических позиций резистентность можно рассматривать как смену популяций в результате перехода от чувствительного штамма к устойчивому штамму того же вида вследствие отбора, вызванного пестицидами. Это явление связано с генетическими, физиологическими и биохимическими перестройками организмов. Неумеренное применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов, дефолиантов) негативно влияет на качество почвы. В связи с этим усиленно изучается судьба пестицидов в почвах и возможности и возможности их обезвреживать химическими и биологическими способами. Очень важно создавать и применять только препараты с небольшой продолжительностью жизни, измеряемой неделями или месяцами. В этом деле
уже достигнуты определенные успехи и внедряются препараты с большой скоростью деструкции, однако проблема в целом ещё не решена.
Почва является самым сильным реципиентом для накопления различных веществ техногенного происхождения, включая и хлорорганические пестициды, и другие стойкие органические загрязнители.
В настоящее время не возможно найти даже одного места на поверхности земли, включая природные заповедники, где бы не могли обнаружить остатки пестицидов. Фоновое количество пестицидов в почве составляет несколько частей миллиграмма. Считается, что пестициды незначительно влияют на свойства почвы. Но они имеют свойства увеличения концентраций в трофической связке: растения, насекомые, хищные животные, человек.
Минерально-органические коллоидальные микрочастицы могут поглотить из воды и воздуха различные соединения, которые накапливаются в больших количествах и могут сохраняться большие периоды, не изменяя радикально своих химических свойств. Однако, содержание в почве различных бактерий, которые используют ее органическое вещество в качестве пищи, постепенно уменьшают концентрации пестицидов и имеет место их природное разрушение (разложение).
Существует множество путей загрязнения почвы стойкими органическими веществами.
Самым распространенным является обработка (рассеивание) поверхности почвы растворами, суспензиями, порошками, которые содержат эти соединения. Для этого процесса используется механизированное оборудование или самолеты и вертолеты. Даже если пестициды предназначены для попадания на листья растений, большая их часть осаждается на поверхности почвы. Такой метод практиковался в период использования ДДТ.
Другим путем является прямое внесение пестицидов в почву сеялками или специальными агрегатами. В этом случае все количество химических веществ остается в почве, воздействуя на микроорганизмы, педофауну и растения.
Большое количество пестицидов вносится в почву одновременно с семенами, которые обработаны против болезней и вредителей сельскохозяйственных культур. В недалеком прошлом для этих целей (как инсектициды и фунгициды) использовался ГХБ.
Иногда, загрязнение почвы пестицидами может быть значительное и с негативными последствиями на долгий период. Из-за отсутствия дисциплины или невнимательности, рассеивание пестицидов может быть при загрузке — разгрузке или при остановке агрегатов для загрузки гербицидов. Даже и в настоящее время, спустя десятилетия, от такого аварийного загрязнения на полях или на их окраинах можно заметить участки земли без какой-либо растительности. Аналогичную ситуацию можно заметить на территории и вблизи хранилищ химикатов или станций по изготовлению химических растворов.
Распространенным путем загрязнения почвы является осаждение на ее поверхности твердых веществ из воздуха. Частицы, с содержанием диоксинов, фуранов и других хлорорганических соединений, распространяются ветром на большие расстояния от источника, потом осаждаются на растениях и почве, накапливаясь постепенно, если этот источник не ликвидирован.
Атмосферные осадки ведут к разбавлению пестицидов в почве, перенося их в глубину. Но, во многих случаях дожди, которые содержат хлорорганические вещества, способствуют их накоплению, что указывает на отсутствие процесса инфильтрации дождевой воды в нижнем слое (такие гидрологические процессы характерны для большинства черноземных почв Молдовы).
Среди почв, загрязненных в большей степени пестицидами, относятся и теплицы. Высокие дозы химических веществ, которые применяются в теплицах (15-20 кг/га ежегодно) приводят к их постепенному накоплению до момента, когда необходимо поменять в целом почвенный слой. На его место приносится плодородная почва, которая используется в качестве субстрата еще на период 10-15 лет. Дальнейшая судьба замененной почвы не известна, она может быть транспортирована в любое направление: на мусоросвалку, разбросана на сельскохозяйственных полях или на берегу какой-то реки. Таким образом, она становится источником вторичного загрязнения и фактором риска для биоразнообразия.
Аварийное загрязнение почвы большим количеством пестицидов иногда может повлиять на структуру поверхностного слоя. Почва становится песчаной, могут быть замечены кристаллы коричневого, синего, зеленоватого цветов — это зависит от первоначальной природы вещества, которое попало на поверхность почвы. Описанная картина была засвидетельствована на территории хранилища по захоронению пестицидов, с просроченным сроком действия, в Кишмичей – Слобозия Маре, на юге республики. Аналогичная ситуация есть и на территории других складов по хранению пестицидов, которые хранятся много лет.
7. Окислительно-восстановительные процессы в почвах
Окислительные или восстановительные реакции осуществляются посредством переноса электронов. Так, реакцию окисления железа кислородом
4Fe(MeT) + 302(г) → 2Fe203(TB) (1)
можно рассматривать как состоящую из двух полуреакций:
4Fe — 12е→4Fe3+ (2)
302 + 12е→602- (3)
где е — соответствует одному электрону.
При окислении происходит потеря электронов, а при восстановлении — приобретение электронов. В уравнениях (1)-(3) кислород—окислитель (часто называемый акцептором электронов) — восстанавливается, поскольку приобретает электроны.
Уравнение (1) показывает, что элементы типа кислорода при заданных температуре и давлении могут существовать в разных состояниях, т. е. в виде газа или оксида. Окислительное состояние элемента в соединении определяется с помощью следующих правил.
1. Степени окисления всех элементов равны нулю.
2. Степень окисления одноатомного иона равна его заряду, например:
Na+ = Na(+l), AI3+ = AI(+3), Cl— = Cl(-l).
3. Кислород имеет степень окисления -2 во всех соединениях, за исключением О2, перекисей и высших оксидов.
4. Водород имеет степень окисления +1 во всех соединениях.
5.Сумма степеней окисления элементов в соединении или ионе равна его заряду.
6. Степень окисления элементов в ковалентном соединении можно установить, считая обобщенные электроны относящимися только к более электроотрицательному атому. Если оба атома имеют одинаковую электроотрицательность, принято считать, что электроны поделены равномерно. Таким образом, степени окисления углерода и хлора в ССI4 равны + 4 и -1 соответственно, а степень окисления хлора в Cl2 равна 0.
Окислительные состояния важны для предсказания поведения элементов или соединений. Например, хром нерастворим и не токсичен в виде хрома (III), тогда как хром (VI) образует растворимый токсичный анион CrO42-. Как все простые правила, определение окислительных состояний применимо для большинства, но не для всех соединений.
Поскольку окислительно-восстановительные полуреакции включают перенос электронов, они могут быть измерены электрохимически с помощью электродных потенциалов, являющихся мерой переноса энергии (вставка 3.7). Международным соглашением реакции
1/2H2 – е → Н+ (4)
приписан электродный потенциал (Е°), равный 0 (при стандартных температуре и давлении). Все остальные электродные потенциалы измеряются относительно этого значения. Положительное значение Е° показывает, что реакция протекает самопроизвольно [например, восстановление газообразного фтора (степень окисления 0) до фтора (F, степень окисления -1)]. Отрицательное значение Е° показывает, что реакция протекает самопроизвольно в обратном направлении (например, окисление Li до Li+).
Чтобы рассчитать общее значение Е°, нужно объединить соответствующие полуреакции (обращая внимание на их стехиометрию). Например, реакция раствора Sn2+ с раствором Fe3+ состоит из двух полуреакций:
Fe3+ + е →Fe2+ Е° = 0,77 В, (5)
Sn4+ + 2е →Sn2+ Е° = 0,15В. (6)
Их объединение дает положительное значение Е°, что говорит о протекании прямой реакции:
2Fe3+ + Sn2+ → 2Fe2+ + Sn4+ (7)
Для этой реакции Е° = 0,77 — 0,15 = 0,62 V.
Способность любой природной среды осуществлять процессы окисления или восстановления количественно измеряется его окислительно-восстановительным потенциалом, или Eh.
8.Модели оценки токсических воздействий в экосистеме.
Понятие экотоксикологии
Оценка значимости воздействий
Значимость воздействия непосредственно зависит от его вида или природы (шумовое, радиационное, выбросы определенных веществ в воздух и т.д.), физической величины и вероятности его возникновения. Понятие величины охватывает здесь несколько факторов, таких как интенсивность воздействия (например, повышение величины показателя БПК5 в реке до 10 мг/л); продолжительность воздействия; масштаб распространениявоздействия. При этом масштаб распространения воздействия оценивается как в терминах площади (например, территория, на которой зафиксировано повышение радиационного уровня), так и в терминах численности биологических объектов, наличия особо охраняемых территорий и т.д., подвергающихся воздействию данного фактора. Дополнительным аспектом, который чаще всего не учитывается при оценке значимости воздействий, является его контекст. Воздействия, одинаковые по величине и вероятности, могут рассматриваться как более или менее важные, влиять на принимаемые решения в большей или меньшей степени в зависимости от того, где именно они имеют место, как они воспринимаются заинтересованными лицами, какова сложившаяся социальная обстановка и т.д.
Для оценки значимости существует множество методов. Наиболее простым и часто применяемым методом оценки значимости является сравнение их с универсальными стандартами. Стандарты могут быть количественными (например, предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ) или носить характер качественных норм (например, ограничения на определенные виды хозяйственной деятельности в пределах особо охраняемой природной территории или вблизи культурных памятников). Однако следует иметь в виду важные ограничения применимости стандартов для оценки значимости:
-
на многие виды воздействия стандарты отсутствуют;
-
многие стандарты разработаны на основе приблизительных данных (недостаточно проверенных, неточных или неполных) и, таким образом, их область применения ограничена;
-
стандарты основаны на представлении о «пороговом воздействии», в то время как многие виды воздействия (например, ионизирующее излучение) не имеют порогового значения: не исключено, что их влияние проявляется при сколь угодно малых величинах;
-
стандарты не всегда годятся для учета непрямых, кумулятивных воздействий, синергетического действия нескольких факторов;
-
стандарты редко применимы для учета уникальных условий, характерных для конкретной ситуации.
Очень близок к сравнению со стандартами метод оценки значимости, основанный на сравнении величины воздействия с усредненными значениями данного параметра для рассматриваемой местности. Такой метод вносит в оценку значимости элемент «контекста», учета местной ситуации. К этому типу методов относится сравнение параметров состояния окружающей среды с фоновыми значениями. Сравнение величины воздействий со стандартами или с характерными значениями является «объективным» методом оценки значимости воздействий (хотя стандарты, конечно, могут рассматриваться как субъективная величина).
Биологические методы оценки. Биотестирование.
Оценка степени загрязнения может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов. Биологические методы оценки — это характеристика состояния экосистемы по растительному и животному населению.
Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния системы позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью физических и химических методов невозможно. Рекогносцировочная оценка степени загрязнения по составу бионтов позволяет быстро установить его санитарное состояние, определить степень и характер загрязнения и пути его распространения в экосистеме, а также дать количественную характеристику протекания процессов естественного самоочищения.
Биотестирование — использование в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.
Наиболее полно методы биотестирования разработаны для гидробионтов и позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных вод, контроля токсичности сточных вод, экспресс — анализа в санитарно-гигиенических целях, для проведения химических анализов в лабораторных целях и решения целого ряда других задач.
В зависимости от целей и задач токсикологического биотестирования в качестве тест — объектов применяются различные организмы: высшие и низшие растения, бактерии, водоросли, водные и наземные беспозвоночные и другие.
Например, при сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение и обеднение фитопланктона. При обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися, например, в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета («цветение «воды). «Цветение» воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества. Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья. Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов.
Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае в случае далеко идущих изменений. Таким образом, видовой, видовой состав гидробионтов из загрязняемого водоема служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования.
Химическая экотоксикология — науки о распространении и влиянии антропогенных химикатов и продуктов их трансформации на экосистемы.Основные ее задачи можно сформулировать следующим образом:
— изучение воздействия химикатов на природные экосистемы, воспринимаемые как единое целое;
— разработка тестов для оценки потенциала опасности для экосистем, связанной с производством и применением тех или иных химикатов;
— создание концепций для оценки потенциала опасности для экосистем, возникающей из-за проникновения в них химикатов.
Список литературы
1. Исидоров В. А. «Органическая химия атмосферы». — С-Пб.: Химия, 1992. — Прим. ред.
2. Заварзин Г. А. «Бактерии и состав атмосферы». — М.: Наука, 1984. — Прим. ред.
3. Майстренко Ю.Г. Органическое вещество воды и донных отложений рек и водоемов Украины. —Киев. — 1965. —120 с.
4. Скопинцев Б.А. Органическое вещество в природных водах (водный гумус). Тр. Гос. океанографического института, вып. 17 (29). — Л. — 1950.
5. Хумитака Секи. Органические вещества в водных экосистемах. —Л.: Гидрометеоиздат. — 1986. —199 с.
