Предмет и задачи экологической химии

К лигандам и солеобразующим группам относятся также гидроксильные  группы в составе гидроксидов  кремния,алюминия, железа, которые встречаются на поверхности минералов и в виде коллоидных частиц в воде, а также ряд групп (гидроксильная, карбоксильная, аминогруппа и др.) на поверхности гумуса, клеток и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.ДЕТЕРГЕНТЫ  В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ 
Детергенты — это поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые употребляются в промышленности и быту как моющие средства и эмульгаторы; они относятся к числу основных химических веществ,загрязняющих поверхностные воды.Характерным признаком присутствия детергентов в воде является слой пены, который скапливается там, где течение реки задерживается плотинами, запрудами, шлюзами и другими перегораживающими устройствами. Способность к пенообразованию проявляется у большинства ПАВ уже при концентрации 1—2 мг/л и не устраняется в процессе очистки сточных вод. Поступая в водоемы и водотоки, пена распростр. на значительные расстояния, осаждается на берегах, разносится ветром. 
Присутствие детергентов резко ухудшает органолептические свойства воды: уже при концентрациях ПАВ 1—3 мг/л вода приобретает неприятный вкус и запах, интенсивность которых зависит от химической природы детергента. Наличие в воде ПАВ снижает ее способность насыщаться кислородом. На равнинных реках уже при их концентрации 1 мг/л интенсивность аэрации может понизиться на 60 %. 
Присутствие в водоемах поверхностно-активных веществ изменяет химический состав природных вод и естественный ход протекающих в них химических и биохимических процессов, угнетающе действует на биоценозы водной среды, вызывает гибель многих гидробионтов.Так, смертельная концентрация ПАВ для многих рыб составляет 3—5 мг/л, для планктона — около 1 мг/л. При содержании в воде 120 мг/л детергентов анионного или 71 мг/л — катионного типа резко замедляется рост водорослей. При этом нельзя не учитывать возможный эффект совместного действия ПАВ и других токсикантов, поступающих в природные воды, например пестицидов. Присутствие в воде и на побережьях большого количества ПАВ снижает эстетическую ценность водных объектов и возможность их использования для целей рекреации. К тому же фосфорсодержащие детергенты способствуют развитию процесса эвтрофикации водоемов. 
ПАВ замедляют деятельность микроорганизмов, разрушающих органические вещества, при этом они плохо поддаются биохимическому разложению в водоемах: за три недели концентрация синтетических ПАВ снижается на 20—50 %, затем их разложение идет еще более медленными темпами и через 6 месяцев в воде еще остается 20—45 % от исходного количества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20. Состав почвы, процессы, ведущие к загрязнению почвенных покровов

 

Почва — это многофазная гетерогенная система. Она

состоит из нескольких компонентов  или сред (рис. 20):

_ твердого компонента (минерального «скелета») — 50–

60% объема;

_ органического и биокомпонента («тело» почвы) — 10%;

_ жидкости (почвенный раствор — ее «кровь») — 15–25%;

_ газ (почвенный воздух — ее «дыхание») — 25–35%.

Рассмотрим их последовательно.

1. Минеральный состав почвы —  это в первую очередь

кварц (SiO2) и алюмосиликаты (mSiO2

.nAl2O3

.kH2O). Имен$

но эти компоненты, размер их частиц (песчаная, суглини$

Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 121

стая, глинистая почва) определяют интенсивность почвен_

ных процессов, связанных с превращением, накоплением

и переносом веществ.

2. Органический и биокомпонент.

2.1. Органический компонент —  это гумусовые веще_

ства, являющиеся питательными для микроорганизмов.

Они — продукты превращения органических остатков рас_

тений и животных — играют структурообразующую  роль,

т. е. закрепляют почву.

Важно отметить, что плодородие определяется в пер_

вую очередь наличием гумусовых  веществ в почве. Они

(предшественники угля, нефти, природного  газа) достаточ_

но химически и биологически устойчивы. Эти соединения

растворяются в разных растворителях (водорастворимые,

спирторастворимые, растворимые в  кислых или щелочных

растворах), но имеют приблизительно постоянное соотно_

шение углерода, водорода и кислорода. К ним относятся

гуминовые и фульвеновые кислоты, содержащие в своем

составе различные функциональные группы (ОН, СООН,

СО, ОСН3 и др.). Кроме того, они содержат азот, серу, фос_

фор и другие элементы.

2.2. Биокомпонент — это растения, микроорганизмы

и животные. Они формируют структуру  почвы, осуществ_

ляют синтез, превращение и разложение веществ, их пе_

ренос, аккумуляцию и т. д.

Любая почва состоит из отчетливо  выраженных слоев,

или почвенных горизонтов (рис. 21). Они отличаются по

составу, структуре и свойствам.

Рис. 20

Компоненты почвы

Рис. 21

Слои почвы

122 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Последовательность почвенных  горизонтов называет"

ся почвенным профилем. Он характерен для каждой при"

родно"климатической зоны и определенного рельефа ме"

стности.

Как уже отмечалось, основную почвообразующую  роль

на планете играет лесная растительность (ее около 1012 т).

Здесь приоритет имеет опавшая  листва, которая и форми"

рует почву. Второй по значимости является травянистая

растительность (около 1011 т). На третьем месте стоят мик"

роорганизмы (бактерии, грибы, водоросли). Их содержит"

ся около 1 млрд штук в 1 г почвы, а на 1 га приходится

около 2 т.

5.3.1

 

 

 

 

одним из важнейших воздейст!

вий на почву сегодня является антропогенное. Это, наряду

с прочим, и применение удобрений. Их часто вносят или

меньше, чем изымается биогенов с урожаем, или больше.

Норма азота, фосфора и калия  — 9 кг в год на человека (по

нитратам — около 200 мг на 1 кг живого веса, по нитри!

там — около 10 мг на 1 кг живого веса). Для этого азот!

ные, фосфорные и калийные удобрения  надо вносить в ко!

личестве примерно 100 кг на 1 га в  год. Но не все, что вно!

сится, утилизируется в почве. Около 50% (а в некоторых

случаях до 90%) составляют потери.

Кроме удобрений, почва загрязняется ядохимикатами,

бытовыми и промышленными отходами, а также транс!

портом. В частности, вдоль дорог  концентрация свинца в

почве на порядок и более превышает  среднюю по региону.

Особо опасными являются радиоактивные  отходы, кроме

всего прочего, сохраняющиеся длительное время, т. е. де!

сятки и даже сотни лет, а также  способные распростра!

няться как на значительные расстояния, так и вглубь (до

1 км), загрязняя грунтовые и артезианские  воды.

5.4.1.

ПРОБЛЕМА АЗОТНЫХ  УДОБРЕНИЙ

Как известно, потеря почвой азота  особенно опасна. Это

приводит к торможению роста  и делению растительных

клеток, поскольку азот нужен для  синтеза белков, хлоро!

филла, при этом снижается и производство органического

128 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

вещества. Следует отметить

важность внесения азота и

других биогенов на опреде%

ленных стадиях развития

растений. Это отчетливо вид%

но на рис. 22. Из него следу%

ет, что все удобрения особен%

но нужны на стадии роста.

Кроме недостатка удоб%

рений, опасен и их избыток.

Так, увеличение в 1,5 раза

количества многих из них по

сравнению с нормой приводит не к  увеличению, а к сни%

жению урожайности (внешне это выражается в полегании

посевов), а двойной избыток может  снижать всхожесть се%

мян. Причем такой избыток приводит к вымыванию био%

генов, например азота в виде нитратов, и их попаданию в

водоемы со всеми вытекающими последствиями.

Таким образом, следует уяснить, что  значительный из%

быток удобрений не дает пропорционального  прироста уро%

жая. Так, учеными США показано, что пятикратное уве%

личение количества азотных удобрений  даже в оптималь%

ных условиях (нужная фаза роста, отсутствие вымывания,

требуемая температура и влажность) увеличивает урожай%

ность лишь на 30%. А ежегодный избыток  азота, вносимо%

го в почву во всех странах, составляет около 9 млн т. Куда

же он девается? Кроме всего прочего, он оказывается и у

нас на столе.

Проблема избыточного внесения удобрений в почву—

это и проблема увеличения их производства. В результа%

те — увеличение выбросов, например соединений азота в

промышленности азотных удобрений (до 50%). А это, кро%

ме газообразных отходов, также  нитраты и нитриты, ока%

зывающиеся в сточных водах, а следовательно, в избытке

в почве и продуктах питания.

Заметим, что и те и другие оказывают  серьезное нега%

тивное воздействие на животных. Причем, нитраты в ор%

ганизме превращаются в нитриты, которые  в пять раз

опаснее. Они влияют на дыхание  и обмен веществ, приво%

Рис. 22

Потребность растений в

элементах

Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 129

дят к сердечной недостаточности. А сами нитриты в ки_

слой среде превращаются в нитрозамины  — сильнейшие

канцерогены, вызывающие рак органов  пищеварения.

Подсчитано, что выброс 1500 г нитратов и нитритов в год

в данном регионе может вызвать  рост раковых заболева_

ний у населения на 5%. Кроме этого, избыток азота в поч_

ве стимулирует образование  микотоксинов почвенными

грибами, которые также являются канцерогенным фак_

тором.

Важно также отметить, что наличие  нитратов и нит_

ритов в пищевых продуктах ухудшает их качество, сни_

жает устойчивость при хранении, уменьшает пищевую

ценность, например понижает процент сахара в сахарной

свекле. Увеличение процента азота  приводит к потере гу_

муса почвой, снижению доли микрофлоры в ней, а его

удаление в атмосферу — к  увеличению в ней концентра_

ции оксидов азота, например веселящего газа.

5.4.2.

ДРУГИЕ УДОБРЕНИЯ.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ

Фосфор находится в почве  в избыточном количестве,

но доступно, т. е. в растворимой  форме содержится только

10–20%. В результате его приходится вносить дополни_

тельно в виде удобрений. Растениям  он просто необходим,

особенно в определенных фазах (рис. 22). Установлено, что

в норме соотношение азота, фосфора  и калия в почве долж_

но быть от 1:1:1 до 1:2:2,5.

Следует отметить, что избыток фосфора  нетоксичен для

организмов, главным образом растительных. Но он при_

водит, с одной стороны, к возрастанию  в почве сопутст_

вующих ему фтора и мышьяка, а с другой — к засолению

почвы (зафосфорачиванию) и выносу соответствующих

соединений в водоемы со всеми  вытекающими негативны_

ми последствиями.

У животных и человека хроническое  отравление фос_

фором проявляется в желудочных болях и пожелтении

кожи. При этом наблюдается потеря аппетита и замед_

ление обмена веществ. Также отмечается повышенная

130 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

деформация и хрупкость костей, снижение сопротивляе%

мости инфекциям.

Калий — один из самых необходимых  элементов для

растений. Он требуется в больших  количествах на всех ста%

диях их развития (см. рис. 22). Увеличение внесения ка%

лия, как правило, не несет негативных последствий, одна%

ко сопровождается ростом выноса и его самого в виде ка%

тиона и его соединений.

Кроме указанных биогенов, растениям требуется сера,

например в виде сульфат%аниона, особенно на стадии цве%

тения. Однако ее избыток приводит к подавлению фото%

синтеза. Органические удобрения, которые  вносятся по%

стоянно, особенно в частных хозяйствах, также вредны в

избытке. Это приводит к росту микроорганизмов, в том

числе патогенных, и в почве, и в воде, куда они попадают

со стоками.

В составе многих ядохимикатов и  отходов, главным

образом промышленных, а также в природной воде часто

встречается фтор и его соединения. Он вызывает пораже%

ние зубов при ежедневном поглощении с пищей (и в соста%

ве зубных паст) в количестве около 0,1 мг на 1 кг живого

веса. Причем он может привести и  к развитию остеоскле%

роза (более 0,25 мг на 1 кг живого веса).

У растений фтор вызывает характерные  повреждения.

У хвойных наблюдается побледнение, а затем потемнение

концов игл, и они начинают опадать, как листья у лист%

венных. При этом снижается интенсивность  питания, что

приводит к замедлению роста, снижению производитель%

ности, к высыханию и гибели.

У животных хроническое отравление фтором известно

как промышленный флюороз. Он возникает  при поглоще%

нии кормов и воды, содержащих этот элемент в избытке.

Симптомы этого заболевания  — разрушение зубов и кос%

тей, а последствия — нарушение  приема пищи, заболева%

ние органов пищеварения, снижение продуктивности и

плодовитости.

Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.) ока%

зываются в почве главным  образом в процессе внесения в

нее золы, содержащей их в количестве примерно 500 г/т.

Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 131

В частности, из 1 т угольной золы можно  выделить 3 кг

сурьмы, 7 кг хрома, 20 кг цинка, 2 кг иттрия, 2 кг кобаль'

та, 47 кг германия, 30 кг свинца, 20 кг марганца, 16 кг

никеля, 35 кг титана, 25 кг ванадия и  т. д. Кроме то'

го, они попадают в почву в  результате сжигания топлива.

В результате из 5 млрд т сожженного топлива на поверх'

ность попадает 1 млн т тяжелых металлов. В результате