Химия окружающей среды

   Кислород (O₂) находится в природной воде в виде растворенных молекул. Кислород, являясь мощным окислителем, играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Кислород поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов. Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л, при интенсивном фотосинтезе, в полдень, возможна и более высокая концентрация). Вследствие зависимости концентрации кислорода в поверхностных водах от целого ряда факторов его концентрация значительно меняется в течение суток, сезона и года. Так как потребление кислорода сравнительно мало зависит от суточных изменений солнечной радиации, а фотосинтез всецело определяется ею, то в течение дня происходит накопление кислорода, а в темное время суток расходование его. Кислород необходим для существования большинства организмов, населяющих водоемы. Как сильный окислитель кислород играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков.

   Газ сероводород (H₂S) является одним из продуктов распада белкового вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков. В нижних частях глубоких озер и морей, где отсутствует водообмен, часто образуется сероводородная зона. При парциальном давлении сероводорода в атмосфере, равном нулю, длительное присутствие его в поверхностных водах невозможно. Кроме того, он окисляется кислородом, растворенным в воде. В реках сероводород наблюдается лишь в придонных слоях, главным образом в зимний период, когда затруднена аэрация водной толщи. Присутствие сероводорода в природных незагрязненных поверхностных водах - сравнительно редкое явление. Гораздо чаще сероводород присутствует в подземных водах, изолированных от поверхности и в сильно загрязненных поверхностных водах, в которых он служит показателем сильного загрязнения и анаэробных условии.

   Диоксид углерода (CO₂) находится в воде главным образом в виде растворенных молекул газа CO₂. Однако часть их (около 1%) вступает во взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:

   CO2 + H2O ↔ H2CO3

   Обычно  же не разделяют CO₂ и H₂CO₃ и под диоксидом углерода подразумевают их сумму (CO₂ + H₂CO₃). В природных водах источником диоксида углерода являются прежде всего процессы окисления органических веществ, происходящие с выделением CO₂ как непосредственно в воде, так и в почвах и илах, с которыми соприкасается вода. К ним относятся дыхание водных организмов и различные виды биохимического распада и окисления органических остатков. В некоторых подземных водах важным источником диоксида углерода являются вулканические газы, выделяющие из недр земли, происхождение которых связано с дегазацией мантии и со сложными процессами метаморфизации осадочных пород, протекающими в глубинах под влиянием высокой температуры. Поэтому часто в подземных водах и источниках глубинного происхождения наблюдается высокое содержание диоксида углерода. Поглощение водой диоксида углерода из атмосферы имеет более важное значение для воды морей и океана и менее значимо для вод суши. Уменьшение содержания диоксида углерода прежде всего происходит при фотосинтезе. При очень интенсивном фотосинтезе, когда отмечается полное потребление газообразного CO₂, последний может быть выделен из ионов HCO₃^–

   HCO₃^– ↔ CO₃^2- + CO₂

   Диоксид углерода расходуется также на растворение карбонатов:

   CaCO₃ + CO₂ + H₂O ↔ Ca(HCO₃)₂

   Также расходуется на химическое выветривание алюмосиликатов. Уменьшение содержания CO₂ в воде, особенно в поверхностных водах суши, происходит также при выделении его в атмосферу. Вообще CO₂ атмосферы имеет большое значение для CO₂ содержащегося в поверхностных водах, регулируя его содержание там. Между CO₂ атмосферы и CO₂ поверхностных вод существует непрерывный обмен, направленный на установление между ними равновесия. Поскольку парциальное давление диоксида углерода в атмосфере очень невелико (33 Па), то, несмотря на большую растворимость его (при давлении 1013 гПа и температуре 12°С до 2166 мг/л), равновесие между водой и атмосферой достигается при очень малом содержании CO₂ в воде. При парциальном давлении CO₂ в атмосфере 33 Па растворимость его в воде будет 2166•0,00033=0,715 мг/л (при 12°С). Обычно же поверхностные воды суши, в которых протекают различные процессы разложения органического вещества и которые связаны с почвами, имеют большее содержание CO₂ и поэтому выделяют его в атмосферу. Лишь при очень сильном фотосинтезе, когда CO₂ практически исчезает, может происходить поглощение CO₂ из атмосферы. Содержание диоксида углерода в природных водах чрезвычайно разнообразно - от нескольких десятых долей до 3000-4000 мг/л. Наименьшая концентрация CO₂ наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO₂ редко превышает 20-30 мг/л.  

Антропогенное эвтрофирование. Степени  трофности водоемов. Причины антропогенного эвтрофирования и мероприятия по его предотвращению.

  Эвтрофирование  –  повышение уровня первичной продукции вод благодаря увеличению в них концентрации биогенных элементов, главным образом азота и фосфора.

  Интенсивное развитие растений приводит к накоплению органического вещества, которое, вследствие неполной минерализации, накапливается  в водоёме. Переход водоёмов от олиготрофного  состояния через мезотрофное  к эвтрофному связан с накоплением в них донных отложений и уменьшением водной толщи, в которой при прежней скорости поступления биогенных элементов возрастает их концентрация. Различают естественное и антропогенное эвтрофирование водоёмов.

  Антропогенное эвтрофирование - эвтрофное состояние водоема, вызванное сбросом биогенных веществ со сточными водами и поверхностным стоком. Антропогенное эвтрофирование отличается от естественного высокой скоростью процесса.

  Поступление биогенных элементов, особенно в  континентальные водоёмы, происходит в результате смывания с полей удобрений, а также с промышленными и коммунальными стоками. Основным эвтрофирующим элементом для морских водоёмов служит азот, для пресноводных — фосфор (иногда азот). Повышение до определенного уровня первичной продукции при эвтрофировании водоёмов создаёт основу для развития более богатой кормовой базы рыб и других гидробионтов и способствует увеличению их численности; затем, однако, качество воды может ухудшиться: возникает её «цветение», зарастает прибрежная зона, уменьшаются прозрачность и содержание кислорода. Высокая степень эвтрофирования приводит к заморам рыб и других гидробионтов.

  Эвтрофирование  водоёмов обратимо. Наиболее радикальные  меры борьбы с эвтрофированием водоёмов: преграждение доступа биогенных  элементов в водоём и очистка  стоков, агротехнические и лесохозяйственные мероприятия, уменьшающие вынос биогенных элементов с площади водосбора. Для увеличения содержания растворённого кислорода водоёмы аэрируют искусственным путём или удаляют бедные кислородом глубинные воды.

  По  уровню трофности водоёмы делятся на:

• дистрофные – водоёмы с большим количеством гумусовых кислот. Имеют плохо развитую растительность.
• олиготрофные — водоёмы с низким уровнем первичной продуктивности, низким содержанием органических веществ.
• мезотрофные – водоёмы со средним уровнем первичной продукции, состав гидробионтов отличается разнообразием.
• эвтрофные – водоёмы с высоким уровнем первичной продукции. Часто возникает «цветение» воды, вызываемое массовым развитием синезелёных и др. водорослей.

Почва ее определение. Минеральный и органический состав почвы, механический состав. Пути попадания загрязнений в почву.

   Почва (определение по ГОСТ 27593-88) — самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.

   Почва - важнейший элемент биосферы.  Это природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Почва важнейший элемент природы, дающий до 90-95 % всего,  что необходимо человеку (зерновые, мясо, молоко,  овощи и фрукты,  одежда,  обувь, кожа, меха).

   Почва состоит из 4-х основных компонентов: твердые, жидкие, газообразные и органические. Твердые частицы почвы - это минералы: кварц, ортоклаз, плагиоклаз, роговая обманка, кальцит, гипс, слюды, глинистые минералы. Жидкие компоненты почв - вода, растворы различного состава. Газообразные - воздух, азот, кислород, оксид углерода, аммиак, сероводород и др. Организмы - детрит (отмершие остатки растений, корней, листьев, организмов); множество живых организмов (черви, личинки,  жуки), но в основном одноклеточные микроорганизмы (грибки,  бактерии,  водоросли).

   В результате процессов выветривания плотные горные породы превращаются в рыхлую массу, состоящую из частиц различного размера, которые называются механическими элементами. Механические элементы, близкие по размерам, объединяются во фракции. Совокупность механических фракций представляет механический состав почвы. По преобладанию частиц той или иной фракции почвы относят к песчаным, суглинистым, глинистым разновидностям и т.д.

   Пути  попадания загрязнений в почву:

   Различные почвенные загрязнения, большинство  из которых антропогенного характера, можно разделить по источнику  поступления этих загрязнений в  почву:

   1) С атмосферными  осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками выпадают в почву. Это в основном газы - оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют химические соединения с водой, имеющие кислотный характер. Таким образом образуются кислотные дожди.

   2) Осаждающиеся в  виде пыли и  аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей. Такие загрязнения можно наблюдать визуально, например, вокруг котельных зимой снег чернеет, покрываясь частицами сажи. Автомобили, особенно в городах и около дорог, вносят значительную «лепту» в пополнение почвенных загрязнений.

   3) При непосредственном  поглощении почвой  газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

   4) С растительным  опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять-таки в почву. 

Классификация почвенных загрязнений. Их характеристика и  влияние на почву.

   Загрязнения почвы трудно классифицируются, в  разных источниках их деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:

   1) Мусором, выбросами,  отвалами, отстойными  породами. В эту группу входят различные по характеру загрязнения смешанного характера, включающие как твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.

   2) Тяжёлыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространённое автомобильное топливо - бензин - содержит очень ядовитое соединение - тетраэтилсвинец, содержащее тяжёлый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжёлых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Cd (кадмий), Cu (медь), Cr (хром), Ni (никель), Co (кобальт), Hg (ртуть), As (мышьяк), Mn (марганец).

   3) Пестицидами. Эти химические вещества в настоящее время широко используются в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений и поэтому могут находиться в почве в значительных количествах. По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Сегодня в мире на 1га наносится 300кг химических средств.

   Неумеренное применение пестицидов (гербицидов, инсектицидов, дефолиантов) негативно влияет на качество почвы. В связи с этим усиленно изучается судьба пестицидов в почвах и возможности их обезвреживать химическими и биологическими способами.

   Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли.

   4) Микотоксинами. Данные загрязнения не являются антропогенными, потому что они выделяются некоторыми грибами, однако по своей вредности для организма стоят в одном ряду с вышеперечисленными загрязнениями почвы.