Предмет и задачи экологической химии

 

 

 

 

 

 

 

5.Химический этап  эволюции биосферы.

Принято считать, что еще 4,5 млрд лет назад формиров. различн. соед. хим. эл. на планете Земля происходило полностью за счет физ. и хим. процессов. Первые признаки жизни отмечены более 3,5—3,8 млрд лет назад. С тех пор постоянно возрастает роль биолог. процессов в перераспределении хим эл. и их соедин.

Первичный синтез элементов. Ядра атомов любого элемента состоят из протонов и нейтронов. Достаточное для синтеза хим.элементов кол-во протонов и нейтронов было образовано всего за несколько секунд жизни Вселенной. Нейтроны исключительно реакционноспособны по отношению к другим ядрам, особенно быстро они реагируют с протонами, которые поглощают нейтроны. Учитывая существующую в то время температуру, около 10 К, соврем. расчеты показали, что в течение первых трех минут возникли стабильные ядра дейтерия, гелия-3, гелия-4 и гелия-7.Остальн. 90 эл. были синтезированы на определенных звездах и энерг. уровнях, обеспечиваемых в течение жизни звезды и ее смерти. В наст. время боль-во ученых согласно с гипотезой о существовании подобия «космического реактора» в теле звезд. Время, необходимое для синтеза элементов в космич. простр-ве, простирается от секунд до миллиардов лет. Химический состав Вселенной может быть охарактеризован в виде след. пропорции.

Из 1 000 000 атомов представлены :

Водородом 924 400; 74 000 – гелием; 830 – кислородом; 470 – углеродом; 84 – азотом; 82 – неоном; 35 – магнием; 33 – кремнием; 32 – железом; 18 –  серой; 8 – аргоном; 3 – алюминием; 3 – кальцием и оставшиеся 2 атома – для всех остальных элементов.

Формиров. кислорода и углерода происходит относительно легко при делении водорода, дейтерия и гелия. В элементном составе космич. вещ-ва преоблад. биофильные элементы: Н, О, С, N; в заметных кол-вах содерж. Si, S, Fe, Mg, Al, P, Ca, К. Возможно, именно эти биофильные элементы и соединения способствовали возникновению живого вещества на Земле. Особенно важно открытие постоянного присутствия в межзвездном пространстве различных молекул типа формальдегида, ацетальдегида и др., которые могли послужить основой для синтеза органических полимеров, нуклеиновых кислот, полисахаридов и дать начало жизни.В наст. время доказано, что Солнечная система развивалась из вращающейся дисковидной небулы. На первых стадиях конденсации происходило формиров. окислов кальция, алюминия, титана и силикатов, металлов платиновой группы, железа и никеля. Эта конденсация началась при температуре около 1360 К. При снижении температуры до 1200 К происходил синтез силикатов в форме MgSiО₃.

При 400 К образовался равновесный  конденсат, который содержал железо, сульфиды железа, гидратированные силикаты магния и некоторые летучие вещества (сущест.на Земле в течение 10⁵ – 10⁷ лет) . Три типа пыли конденсировались из солнечного газа: окислы, металлические никель – железо и силикаты магния. При остывании железо реагировало с H₂S и Н₂О, образуя FeS и FeO. Дальнейшие изменения происходили при температуре ниже 400 К. Дегазацию Земля испытывала 4 млрд лет назад, что привело к образованию протоатмосферы и протогидросферы. В наст. время существует мн-во различн.теоретич. подходов к проблеме возникновения жизни.

Воззрения Э. Геккеля  стали основой истоков хим. гипотезы эволюции, согласно кот. сначала появились соединение углевода под действием чисто хим. и физ. причин. Эти вещ-ва предст. собой не растворы, а взвеси маленьких «комочков», способных к росту и накоплению вещ-ва. Рост происходил до определенного предела, за которым след. деление. В результате дифференцировки «комочков» в них возникало ядро. Появилась ядерная клетка - исходная форма для живых существ на земле.

Первичный бульон» А.И. Опарин в конце 1920-х годов выдвинул первую обоснованную модель о химическом синтезе необходимых биологических молекул, в которой предполагалось, что в протоатмосфере с высоким восстановительным потенциалом могли быть синтезированы низкомолекулярные простые органические молекулы типа аминокислот или сахаров.Концепция А.И. Опарина и его последователей (американский ученый Дж. Холдейн) основана на представлениях о восстановительной (метан, аммиак), окислительной (фотохимическое расщепление Н₂О и СО₂) и нейтральной (СО₂ и N₂) составляющих первичной древней атмосферы Земли. можно отметить, что первый этап возникновения жизни рассматривается современной наукой как этап химической эволюции. В условиях высоких температур, повышенной вулканич. деят., солнечн. излучения из метана, аммиака и водорода образовались простые органич. соединения. В первичном океаническом «бульоне» в рез-те взаимодействия циановодорода и альдегидов в присутствии аммиака были синтезированы аминокислоты, одновременно происходило образование простых сахаров (рибозы, дезоксирибозы). В водной среде образовались основные компоненты нуклеиновых кислот, предположительно две из основных четырех нуклеиновых кислот: аденин и гуанин. Гипотеза Г.В.Войткевича: образование органич. вещ-ва происходит в космич. пространстве, которое заносится на землю космич. пылью. Сначала вокруг ядра формируется ядерная оболочка. Под действием ультрафиолетового излучения растворенные в воде аммиак и метан превращаются в реакционноспособные радикалы, которые образуют многочисленные органич. соед. Многочисленные органические вещества найдены в метеоритах (углеводороды, углеводы, азотные основания, аминокислоты и даже хлорофилл и т.д.Пиритовая модель возникновения жизни

 Г. Вёхтершойзер предложил наиболее детальную биохимическую модель возникновения жизни. По этой модели синтез пирита управлял синтезом органич. вещ-ва; поверхность пирита служила для стабилизации и защиты реакционных продуктов, приводя одновременно к комплексной полимеризации и возникновению клеточной организации за счет вкрапления зерен пирита. Развитие тририбонуклеиновой кислоты (ТНК) предшествовало возникновению системы, основанной на ДНК.

Синтез пирита снабжал  энергией соответствующие реакции образов. органическ. Вещ-ва, и формирующаяся поверхность пиритовых кристаллов служила первоначальной «средой» для роста и дальнейшей трансформации органических молекул. Предполаг, что сульфид железа, двуокись углерода, аммоний и фосфат также могли участвовать в этих взаимодействиях.

Пиритовая модель раскрывает возможность формирования РНК и  ДНК.

 

 

 

7.Химические экорегуляторы

Жив. орг-мы влияют на свое окружение путем взаимно перекрещивающего действия различн. молекул. Эти взаимодействия могут происходить между животн., раст., между животн. и раст. Кроме того, неживая природа также воздействует на животн и раст. Хим. взаимодействия осущест-ся при передаче закодированных сообщений при помощи специфических молекул, а также использ-ся для защиты или нападения на всех уровнях эволюц. развития.

Сложность взаимоотношений между орг-ми выражается в характере действия данного организма на среду (межвидовое или внутривидовое) - являются ли они благоприятн. или вредными для оказывающего их вида.

Классификация типов  химических воздействий организма  на среду 

I. Вещества, участвующие  в межвидовых (аллелохимических) взаимодействиях

А. Алломоны (приносят пользу организму-продуценту):

1. Отпугивающие вещества.2. Вещества, прикрывающие бегство  (чернильная жидкость у головоногих  моллюсков).

3. Супрессоры (антибиотики).4. Яды.

5. Индукторы (вызывают  образование галлусов, узелков и  т.п.).6. Противоядия.7. Приманки (привлекают  добычу к организму-хищнику).

Б. Кайромоны (приносят пользу организму-реципиенту):

1. Вещества, привлекающие  к пище.2. Индукторы, стимулирующие  адаптацию (например, фактор, вызывающий  образование шипов у коловраток).

3. Сигналы, предупреждающие  реципиента об опасности или  токсичности.4. Стимуляторы (факторы  роста).

В. Депрессоры: отбросы и подобные им продукты, отравляющие реципиента, не увеличивая приспособляемости производящего их организма к окружающей среде.

II. Вещества, участвующие  во внутривидовых взаимодействиях

А. Аутотоксины (отбросы, токсичные для организма-продуцента и не приносящие пользы другим видам).

Б. Аутоингибиторы адаптации: сдерживают численность популяции в таких пределах, чтобы она находилась в равновесии с окружающей средой.

В. Феромоны:

1. Половые феромоны.2. Общественные  феромоны.

3. Феромоны тревоги и  обороны.4. Феромоны-метчики (отмечают  территорию обитания и т.п.).

Конечный продукт метаболизма, выбрасываемый ими в окружающую среду, может оказывать губительное действие на одни виды раст, тогда как другие к нему оказыв-ся нечувствительными. Иногда этот продукт вреден для самого, производящего его растения, иногда нет.

Взаимодействие между  растениями и животными осуществл. самыми различн. способами. Средства, при помощи которых раст. защищается от животных, многообразны: шипы, алкалоиды, кардиотоксичные стероидные гликозиды, неприятный вкус, горечь. Некот. раст. в целях защиты могут биосинтезировать гормоны насекомых – экдизоны, способные губительно действовать на гусениц бабочек. Часто встречается такое явление, когда специфическое вещество привлекает к растению животных одного вида и отталкивает животных других видов. Одни и те же вещества помогают личинкам распознать пищу, привлечь самок, собирающихся отложить яйца.Взаимодействия между неорганической материей и животн. или растен. осущ-ся в основном растен. К распространенным среди растений элементам относятся: C, H, O, N, P, S, Ca, Mg, K, Fe, Mn, Cu, Cl, B, Mo, Co, Si, Se, F, Br, I. Некот раст поглощают из почвы и накапливают селен, который является токсичным для скота. Главным метаболитом, в форме которого происходит усвоение селена, является Se-метилселеноцистеин. Эти раст. способны выделять летучие продукты, содержащие диметилселенид. Напротив, накопление кремния у растений чаще всего связано с формированием физических средств защиты: острые, режущие поверхности и шипы.

По содержанию неорганических веществ в растениях можно  обнаружить залежи руд. Так, залежи арсенопирита были определены по содержанию железа в травах. Этим методом пользуются для отыскания залежей бора, никеля, кобальта, меди, хрома и молибдена.Хим. оружие используется как средство нападения, если животное имеет специализированные органы с ядом. Токсичные вещества могут находиться в самом организме-продуценте, в этом случае оборонительный характер такого оружия проявляется только при нападении на организм-продуцент. Все ядовитые животные могут быть разделены на три категории. Активные ядовитые животные имеют ядовитые железы или органы, которые используют для нападения. Пассивные ядовитые животные используют яд только в целях обороны.

Отравленные ядовитые животные содержат яд в организме, и токсичность  их проявляется при столкновении с ними или употреблении их в пищу. Микотоксины опасны для животных и человека (спорынья ржи). Ядом в данном случае являются производные лизергиновой кислоты: эрготамин и другие полипептидные эргоалкалоиды

Афлатоксины содержатся в  арахисе, различных видах зерновых и бобовых, в комбикормах для  скота, обезвоженных пищевых концентратах и накапливаются в процессе хранения. Сегодня известно около двадцати разных афлатоксинов, принадлежащих к группам В₁ и G₁ и вызывающих отравление. Охратоксин А вызывает некрозы печени у животных, питающихся зараженными этими грибками кормами. Экзему кожи лица способны вызвать сапрофиты, живущие на разлагающихся злаковых растениях и выделяющих эпиполитиадикетопиперазины. Группой опасных для печени веществ (гепатотоксинов) является группа полиядерных оксихинонов, продуцируемых различн. видами низших грибов, растущими преимущественно на рисе. Циклические пептиды бледной поганки приводят к смертельному исходу при попадании грибов в пищу. Для поганок характерны две группы ядовитых веществ: фаллотоксины, представителем которых является фаллоидин и аматоксины, например a-аманитин, смертельная доза которого для человека составляет 0,1 мг/кг.

К фитотоксинам относятся  ядовитые вещества, вырабатываемые фитопатогенными  грибами или бактериями. Фитотоксины  вызывают пожелтение и хлороз листьев  растений (например, вредитель табака Pseudomonas tabaci и вырабатываемый ими  токсин - дипептид треонина и оксидиаминовой кислоты).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.Общие закономерности  распределения химических загрязняющих  веществ в биосфере.

Наиболее  реальной опасностью для жизни на Земле является нарушение хим. равновесия в биосфере из-за высоких норм потери сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и рассеяния в окружающей среде всех видов осадков, стоков и выбросов. 
Локальные загрязнения биосферы. Загрязнение окружающей среды происходит весьма неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия на природу расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохоз. производством. Такие загрязнения, обычно наблюдающиеся вокруг какого-либо промышленного предприятия,крупного рудника, населенного пункта, называются локальными. Их химизм определяется, с одной стороны, отраслевой принадлежностью источника загрязнения, с другой — рельефом, климатическими особенностями и другими природными условиями места загрязнения. Так,почва вокруг рудников полиметаллических руд и комбинатов по выплавке цветных металлов всегда содержит повышенное количество тяжелых металлов — меди, цинка, свинца, кадмия. Такое же локальное загрязнение почвы свинцом наблюдается вдоль автострад с напряженным движением.В районах с открытой добычей полезных ископаемых всегда наблюдается локальное загрязнение атмосферы и почвенного покрова пылью, а на территориях, прилегающих к нефтепромыслам и нефтеперерабатывающим заводам,— нефтяными углеводородами.В местах разрешенного сброса коммунально-бытовых и производственных сточных вод поверхностные воды всегда отличаются повышенным уровнем загрязнения. Примером локального загрязнения атмосферы является смог —опасное во многих отношениях облако загрязнений различного типа,характерное для некоторых городов, где сочетание загрязнения воздуха транспортными и промышленными газами, атмосферные явления и солнечное излучение создают возможности для его образования. Различают смог влажный представляющий собой сочетание пылевых частиц и капель тумана, и смог сухой, или фотохимический, возник. в результате воздействия ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения на загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. Компонентами 
сухого смога являются озон О3).оксид углерода СО,,оксиды азота NOX,различные радикалы и другие токсичные компоненты. 
Различают локальное загрязнение техническое, или эксплуатационное, вызываемое нормальной работой промышленного оборудования или использованием продуктов промышленного производства, и аварийное, вызванное резким и неожиданным нарушением работы предприятия, связанным с выбросом в атмосферу, сбросом в водную среду,разливом по почве большого количества вредных для биосферы и населения веществ. Техническое загрязнение, как правило, остается локальным, тогда как аварийное нередко переходит в региональное, а в исключительных — катастрофич. случаях — в глобальное. Примером катастрофического загрязнения окружающей среды может служить авария на Чернобыльской АЭС. 
Региональное загрязнение биосферы. Региональным загрязнением окружающей среды называют загрязнение, обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всю планету. Причиной регионального загрязнения окружающей среды может стать эксплуатационное поступление загрязняющих веществ в биосферу, если оно достаточно длительно, а выбросы поступают в подвижные компоненты биосферы — в атмосферу и природные воды. Переход локальных загрязнений в региональные может быть связан с расширением территорий городов, которые постепенно превращаются в гигантские мегаполисы с многомиллионным населением. Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы,азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность регионального масштаба, сбросы больших объемов сточных вод приводят к загрязнению речных бассейнов, массовое использование удобрений на прилегающих к мегаполису территориях — к загрязнению почвенного покрова и водной среды избытком биогенных элементов.Региональные загрязнения вызываются также массовой добычей полезных ископаемых или массовым использованием веществ, опасных для природной среды. Площади нефтяных пятен достигают нескольких тысяч квадратных километров.В районах массового применения химических средств защиты растений происходит региональное загрязнение ими почвенного покрова.Глобальные загрязнения биосферы. Глобальными называют загрязнения, которые обнаруживают практически в любой точке планеты.Как правило, глобальные загрязнения переносятся атмосферными потоками, поскольку атмосфера является наиболее открытым компо- 
нентом природной среды, связанным процессами энерго- и массобмена с биосферой, гидросферой и космосом. Газовые компоненты глобальных загрязнений рассмотрены, в сле- 
дующей главе. Здесь необходимо отметить особую роль запыления атмосферы. Количество выбрасываемой в атмосферу пыли, образующейся вследствие 
сжигания топлива и различных технологических процессов, составляет до 10 % от общего количества поступающих в атмосферу твердых частиц, причем большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80 % из них — на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более 1 км и тридцатью днями в верхних слоях атмосферы. Основная опасность глобального загрязнения атмосферы пылью заключается в том, что возрастает запыленность приземного слоя, достигающая в урбанизированных районах 40—400 мкг/м3.К глобальным загрязнениям биосферы следует отнести и радиоактивные выпадения. Их отличительным свойством является характер распределения по географической широте: максимальные радиоактив-ные выпадения отмечены около 40° северной широты. К северу и экватору радиоактивное загрязнение постепенно снижается.