Предмет и задачи экологической химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.Антропогенный круговорот  вещества. Ресурсный цикл.

Человек интенсивно трансформирует процессы круговорота всех химических элементов не только на локальном, но и биосферном уровне.Тот факт, что человек научился утилизировать природные ресурсы, создавая для этого специальные средства, сути дела не меняет. Сколь бы ни были масштабными процессы антропогенной трансформации вещества, они осуществляются в рамках глобальных биогеохимических циклов. Человек не в силах радикально изменить эти циклы. Самое большее, что он может, - это изменить баланс вещества на определенных этапах глобальных циклов или на определенных территориях.Человек находит и добывает природные ресурсы, перевозит их к местам переработки, производит из них энергию, какую-либо продукцию и предметы, которые в итоге поступают в пользование в виде средств производства или изделий, сооружений и т.д., т.е. человек вовлекает природные ресурсы (вещества) в ресурсный цикл.Под ресурсным циклом понимают совокупность превращений и перемещений определенного вещества или групп веществ на всех этапах использования его человеком (выявление, извлечение из природной среды, переработку, использование, возвращение в природу). Но если природные циклы веществ замкнутые, то ресурсный цикл как круговорот практически не замкнут, т.е. использованные вещества не возвращаются в места их изъятия.На каждом этапе ресурсного цикла неизбежны потери. При добыче часть сырья остается в местах залегания, а в отвалы идет так называемая «пустая порода», на извлечение которой тратится энергия. Значительная доля добытого ископаемого теряется при транспортировке к заводам и фабрикам при перегрузке, переработке. Если ресурс используется как топливо, то при его сгорании образуются шлаки, идущие в отвалы, оксиды, летящие в атмосферу, и т.д.Если же нефть, уголь перерабатываются промышленностью, то неизбежно образование побочных твердых, жидких, газообразных продуктов, как технологических отходов, формирующих так называемые хвостовые выбросы, которые наносят вред экосистемам, нарушают качество среды, отрицательно влияют на здоровье людей.Таким образом, получается парадоксальная ситуация: загрязнение среды дают природные ресурсы! На их добычу, перевозку затрачиваются огромные средства, энергия, время, но они же в конечном счете ухудшают качество окружающей среды. Но при добыче полезных ископаемых и переработке сырья образуется большое количество отходов. Академик Прянишников пишет, что количество отходов растет, как и добыча сырья, по экспоненциальному закону и человечество все больше и больше работает на отходы. Так, на каждую тонну производимого калийного удобрения образуется от трех до четырех тонн галитовых отходов, в основном содержащих хлорид натрия. Крупнотоннажным отходом производства фосфорных удобрений является фосфогипс, которого при переработке апатитового концентрата получается 4,25 тонн, а при переработке фосфоритов Каратау - 5,6 тонны на каждую тонну экстракционной фосфорной кислоты. Большое количество отходов образуется и при обогащении фосфатного сырья.

При обогащении медных руд в отходы идет флотационный серный колчедан. Он используется для производства серной кислоты. Однако при обжиге серного колчедана образуется колчеданный огарок (» 0,73-0,75 т на 1 т пирита). Ежегодно его скапливается более 5 млн. тонн. Огарок используется далеко не полностью, хотя содержит в основном железо, а также цветные и драгоценные металлы. Просачиваясь через отвалы, поверхностные воды в результате выщелачивания сульфидов увеличивают свою кислотность и обогащаются железом, медью, никелем,кальцием, сульфатами и другими веществами. Эти воды загрязняют реки, водоемы и подземные воды.Высокая концентрация тяжелых металлов может оказаться токсичной для растений, подавляя их рост.

Тепловые элекростанции дают десятки  миллионов тонн пылевидной золы и  кусковых шлаков в год. Отвалы крупной  тепловой электростанции занимают сотни  гектаров ценных земель, но эти отходы представляют сырье для производства строительных материалов. Зола может  быть сырьем для извлечения ряда металлов: железа, алюминия. Золу можно использовать в производстве наполнителей бетона, силикатного кирпича, шлакометаллов и др.

Так, если вырубается древостой, то вся экосистема может прекратить свое существование просто потому, что изымается и отчуждается основная масса запасенной энергии и вещества, которая должна была передаваться на следующие трофические уровни. На месте уничтоженной экосистемы может возникнуть новая, но значительно менее продуктивная. Таким образом, рассеивание вещества и энергии резко опережает ее восстановление, и естественный круговорот прекращается. Чтобы не допустить этого, человек вынужден брать на себя восстановление экосистемы: высевание семян, внесение органо-минеральных удобрений, обеспечение растений водой и т.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Источники поступления поллютантов в среду

 

К числу природных источников биодоступных ксенобиотиков, по данным ВОЗ (1992), относятся:

переносимые ветром частицы  пыли, аэрозоль морской соли, вулканическая  деятельность, лесные пожары,

биогенные частицы, биогенные летучие  вещества. деятельность человека. Оксиды.К этой группе относится большинство очень токсичных отработавших газов (CO₂, CO, NO, SO₂, NO₂), поступление которых в атмосферу происходит главным образом в результате работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания и прочих многочисленных форм хозяйственной деятельности человека.

К увеличению содержания озона  в приземном слое антропогенный  фактор имеет как прямое (получение  озона в промышленности – непосредственное или как побочный продукт реакции) так и косвенное (разрушение озонового  слоя, пропускание им УФ лучей) отношение. Углеводородные поллютанты, особенно ПАУ (полиароматические  циклические углеводороды) являются основными органическими загрязнителями города. Они поступают в окружающую среду при сжигании углеводородного топлива и при авариях на нефтепроводах и заводах нефтяной промышленности. Все ПАУ отличаются своей экстремальной токсичностью и способны оказывать серьезное негативное воздействие на здоровье человека даже при самых незначительных концентрациях. Формальдегид (CH₂O). Основным источником являются материалы, окружающие человека в быту – использующиеся для создания мебели, половых покрытий и прочие синтетические. В наст. момент абсолютно обоснованных медицински связей между подверженностью воздействия формальдегиду и возникновению специфич. болезней нет, но высочайшую корреляционную зависимость между содержанием в воздушном пространстве формальдегида в домах людей столкнувшихся с определенными проблемами со здоровьем невозможно отрицать. Главным является автомобильным транспорт, в случае с которым формальдегид выделяется как один из недогоревших углеводородов. Причем эмиссия его на наиболее оживленных автодорогах такова что при определенных условиях рассеивания в воздушном пространстве, концентрации могут во много раз превышать ПДК. Так же, формальдегид  используется в самых разнообразных объектах промышленности разнообразных отраслей (от машиностроения до производства кожевенных изделий). Cr. В окружающую среду хром поступает главным образом из многочисленных промышленных предприятий, где используется сам металл или его соединения. Ni. Источников поступления никеля в атмосферу города много. Главным, разумеется, являются соответствующие горнодобывающие заводы, причем важным моментом является свойство никелевой пыли распространяться на многие километры от источника.Менее экстремальными, но и более распространенными источниками является сжигаемое минеральное топливо, сигаретный дым, промышленные стоки. Hg. Ртуть является одним из самых опасных металлов.  Она воздействует на организм в очень широком биохимическом спектре. Сам по себе метал плавится уже при температуре -40 градусов по Цельсию и активно испаряется (причем не оказывая органолептического воздействия), что зачастую серьезно затрудняет ее обнаружение. 

Pb. Несмотря на наличие большого разнообразия антропогенных источников поступления свинца в окружающую среду, первенство уверенно удерживает автотранспорт (топливо и истирание тормозных дисков). Cd. Основными источниками кадмия являются табачные изделия и пища, в которой он откладывается (растения поглощают кадмий из почвы).Биолог. поллютанты, главным образом представлены актиномицетами, грибами, бактериями и микроорганизмами (а так же продуктами их деятельности).. В бытовой сфере человек собственноручно создает условия для размножения плесени, пылевых клещей и прочих характерных поллютантов слабо проветривая жилые помещения, нанося влагу на различные пологие поверхности, недостаточно часто делая уборку пыли. Радон является основным источником облучения в условиях города, сильным канцерогеном и его эмиссия сильна как антропогенная, так и естественная. Поступление радона на поверхность Земли фиксируется на всей поверхности планеты, так как его главные источники – породы и почвы, через которые газ проходит со значительной глубины, а также грунтовые подземный воды, в которых радон прекрасно растворяется (что зачастую приводит к его попаданию в организм человека через водопровод).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Виды токсического действия поллютантов. Токсичность.Экологическая токсикология (Э), междисциплинарное научное и практическое направление, связанное с токсическим эффектами химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции и биоценозы, входящие в состав экосистем. Изучает источник поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение и превращение в окружающей среде. Одна из задач Э. — защита здоровья людей от поражения находящимися в окружающей среде вредными веществами. КСЕНОБИОТИКИ (от греч. xenos — чужой, чужеземец и biote — жизнь), вещества, чуждые живому, биосфере; чаще всего являются ядовитыми (пестициды, тяжелые металлы, фенолы, детергенты, пластмассы и др.).Ксенобиотики разделяют на три группы: 1) продукты хозяйственной деятельности человека (промышленность, сельское хозяйство, транспорт), 2) вещества бытовой химии (моющие средства, вещества для борьбы с паразитами, парфюмерия), 3) большинство лекарств. Поллютанты — загрязняющие вещества. (тяжелые металлы, радионуклиды, ароматические, хлор и фосфорорганические соединения, нитрозамины и др.).Токсичность — свойство веществ вызывать отравление (интоксикацию) организма. Она характеризуется дозой вещества, вызывающей определенную степень отравления.Мерой токсичности (вредности вещества) служат, прежде всего, предельно допустимая концентрация (ПДК) и летальная (смертельная) доза (ЛД). ПДК – это такая максимальная концентрация вещества, которая практически не оказывает вредного воздействия на живые организмы.ЛД (ЛК) – токсическая летальная (смертельная) доза (концентрация), которая вызывает отравление, заканчивающееся смертью подопытного животного. Наиболее объективную оценку токсичности исследуемого вещества дает та доза (концентрация), которая вызывает гибель 50% всех подопытных организмов – ЛД₅₀ (ЛК₅₀)_. Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей количествах и являющиеся причиной изменения естественного ксенобиотического профиля, выступают в качестве экополлютантов (загрязнителей). Перечень основных экополлютантов:Загрязнители воздуха:оксиды серы,оксиды азота,оксиды углерода,озон,хлор,углеводороды,фреоны.Пылевые частицы:асбест,угольная пыль,кремний,металлы.

Загрязнители воды и почвы:пестициды,нитраты,фосфаты,нефть и нефтепродукты,органические растворители(толуол,бензол,тетрахлорэтилен)низкомолекулярные галогенированные углеовдороды,ПАУ,диоксины, Полихлорированные бифенилы, Дибензофураны,кислоты. Многочисленные абиотические и биотические процессы в окружающей среде, направлены на элиминацию (удаление) экополлютантов.Вещества, оказывающиеся резистентными к процессам разрушения, и, вследствие этого, длительно персистирующие в окружающей среде, как правило, являются потенциально опасными экотоксикантами .Периоды полуразрушения некоторых ксенобиотиков:ДДТ-10 лет,ТХДД-9 лет,атразин-25месяцев,бензоперилен-14 месяцев и т.д К числу веществ, длительно персистирующих в окружающей среде, относятся тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, ртуть, мышьяк, хром), полициклические полигалогенированные углеводороды (полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, полихлорированные бифенилы и т.д.), некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т.д.) и многие другие вещества. На стойкость вещества в окружающей среде влияет большое количество процессов: фотолиз (разрушение под влиянием света), гидролиз, окисление. Фотохимические превращения в окружающей среде 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты, известного гербицида, может приводить к образованию опасного экополлютанта 2,3,7,8-тетрахлодибензо-р-диоксина .Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы (воды, почвы, воздуха) и из пищи (трофическая передача), называется биоаккумуляцией. Результатом биоаккумуляции являются пагубные последствия как для самого организма (достижение поражающей концентрации в критических тканях), так и для организмов, использующих данный биологический вид, в качестве пищи.  В настоящее время под токсикантами окружающей среды понимают такие вредные вещества, которые распространяются в окружающей нас среде далеко за пределы своего первоначального местонахождения и оказывают скрытое вредное воздействие на животных, растения и впоследствии на человека. Подлинные токсиканты - это те ядовитые вещества, которые сам человек неосмотрительно включает в круговорот природы. Основное ядро токсикантов окружающей среды составляют пестицид.Понятие «биоцид» часто распространяется на те биологически активные вещества, которые попадают из промышленных сточных вод в биологический круговорот веществ.Острое токсическое действие веществ на биоценоз может явиться следствием аварий и катастроф, сопровождающихся выходом в окружающую среду большого количества относительно нестойкого токсиканта или неправильного использования химикатов.Острое экотоксическое действие не всегда приводит к гибели или острым заболеваниям людей или представителей других биологических видов, подвергшихся воздействию. Хроническое поражение возникает при длительном воздействии небольших концентраций. С хронической токсичностью веществ, как правило, ассоциируются сублетальные эффекты. Часто при этом подразумевают нарушение репродуктивных функций, иммунные сдвиги, эндокринную патологию, пороки развития, аллергизацию и т.д. Однако хроническое воздействие токсиканта может приводить и к смертельным исходам среди особей отдельных видов.

Механизмы экотоксичности. 

1. Прямое действие  токсикантов, приводящее к массовой  гибели представителей чувствительных  видов. Применение эффективных пестицидов приводит к массовой гибели вредителей: насекомых (инсектициды) или сорняков (гербициды). На этом экотоксическом эффекте строится стратегия использования химикатов. Однако в ряде случаев отмечаются сопутствующие негативные явления.

При оценке экологической  обстановки необходимо иметь в виду основной закон токсикологии: чувствительность различных видов живых организмов к химическим веществам всегда различна. Поэтому появление поллютанта в  окружающей среде даже в малых  количествах может быть пагубным для представителей наиболее чувствительного  вида. Так, хлорид свинца убивает дафний в течение суток при содержании его в воде в концентрации около 0,01 мг/л, малоопасной для представителей других видов.

2. Прямое действие  ксенобиотика, приводящее к развитию  аллобиотических состояний и  специальных форм токсического процесса. В конце 1980-х годов в результате вирусных инфекций в Балтийском море погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диелдрин, обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их накопление в организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели животных, поллютант существенно повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических факторов.

3. Эмбриотоксическое  действие экополлютантов. Хорошо установлено, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др., приводит к истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции птиц.

Таким образом, взаимодействие ксенобиотика с биотическим компонентом  среды (микроорганизмы) может стать  причиной существенных популяционных  эффектов в биоценозе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.Источники и  физико-химические свойства диоксинов

 

Диоксин, вернее – 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксин  – представляет собой соединение, содержащее два бензольных кольца, в которых по два атома водорода замещено на хлор. Кольца соединены  двумя  мостиками из атомов кислорода:

Столь простая формула принадлежит самому токсичному из всех небелковых ядов. Только биологич. токсины превышают диоксин по токсичности.Но диоксин яв-ся всего лишь одним из представителей большого класса соединений, которые представляют совсем не меньшую опасность. Удалите из молекулы     один    атом    кислорода   –  и  образуется    почти   столь   же  токсичный