Химия окружающей среды

   5)  Радиоактивными веществами. Радиоактивные соединения стоят несколько обособленно по своей опасности, прежде всего потому, что по своим химическим свойствам они практически не отличаются от аналогичных не радиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы, встраиваясь в пищевые цепочки. Из радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один наиболее опасный - 90Sr (стронций-90). Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2 - 8%), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а значит, способность откладываться в костных тканях животных и человека, относительно высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. 137Cs (цезий-137), 144Ce (церий-144) и 36Cl (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами. Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путем: в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы.

   6) Кислотными дождями. Одна из острейших глобальных проблем современности и обозримого будущего - это проблема возрастающей кислотности атмосферных осадков и почвенного покрова. Районы кислых почв не знают засух, но их естественное плодородие понижено и неустойчиво; они быстро истощаются и урожаи на них низкие.

   Кислотные дожди вызывают не только подкисление  поверхностных вод и верхних  горизонтов почв. Кислотность с нисходящими  потоками воды распространяется на весь почвенный профиль и вызывает значительное подкисление грунтовых вод. Кислотные дожди возникают в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождающейся эмиссией колоссальных количеств окислов серы, азота, углерода.

   Эти окислы, поступая в атмосферу, переносятся  на большие расстояния, взаимодействуют  с водой и превращаются в растворы смеси сернистой, серной, азотистой, азотной и угольной кислот, которые выпадают в виде «кислых» дождей на сушу, взаимодействуя с растениями, почвами, водами.

   Главными  источниками в атмосфере является сжигание сланцев, нефти, углей, газа в индустрии, в сельском хозяйстве, в быту. Хозяйственная деятельность человека почти вдвое увеличила поступление в атмосферу окислов серы, азота, сероводорода и оксида углерода.  

Окислительно-восстановительные процессы идущие в почве: поведение соединений азота, марганца, железа, меди и цинка. Анаэробные процессы в почве.

   В почве широко развиты окислительно-восстановительные  процессы.

   Процессами  окисления называются:

   1) присоединение кислорода

   O₂ + 2KNO₂ → 2KNO₃

   2) отдача водорода

   СН₂СООН → СН–СООН + Н₂

   3) отдача электронов без участия  водорода и кислорода

   Fe²⁺ – е → Fe³⁺

   Обратные  процессы объединяют в понятие «восстановление». Окислительные процессы широко развиты  при явлениях превращения органического  вещества в почве. Так, возможно окисление  тирозина и других ароматических аминокислот в меланины; окисление смол и соединений непредельного ряда; окисление дубильных веществ, сахаров, аминокислот, белков и других соединений, входящих в состав растительных остатков. Гумификация - в целом процесс окислительный.

   Большинство реакций окисления органических веществ почвы относится к  группе необратимых. Обратимыми окислительно-восстановительными реакциями являются широко развитые в почве реакции окисления  и восстановления железа (Fe³⁺ = Fe²⁺), марганца (Mn⁴⁺ = Mn²⁺), азота (N⁵⁺ = N³⁺). В почве происходит окисление и восстановление кислорода и водорода (O = O^2-, H = H⁺, S⁶⁺ = S^2-). Поскольку большая часть этих реакций имеет биохимическую природу и теснейшим образом связана с проявлением микробиологических процессов, то их интенсивность в почве непосредственно влияет на развитие окислительно-восстановительных процессов.

   Основным  окислителем в почве выступает  молекулярный кислород почвенного воздуха, почвенного раствора. Поэтому развитие окислительно-восстановительных процессов в почвах тесно связано с условиями их аэрации и зависит от всех свойств почвы, определяющих состояние газообмена (структура, плотность, механический состав и др.), и прежде всего от влажности.

   Главные условия, определяющие интенсивность и направленность окислительно-восстановительных процессов - состояние увлажнения и аэрации почв, содержание в них органического вещества и температура, при которой протекают биохимические реакции. Ухудшение аэрации в результате повышения влажности почвы, ее уплотнения, образования корки и других причин ведет к снижению окислительно-восстановительного процесса. Наиболее резко он падает в почвах при влажности, близкой к полной влагоемкости, когда нарушается нормальный газообмен почвенного воздуха с атмосферным.

   Различают следующие типы окислительно-восстановительного режима почв:

   1)почвы  с абсолютным господством окислительной  обстановки - автоморфные почвы степей, полупустынь и пустынь (черноземы,  каштановые, серо-коричневые, бурые  полупустынные, сероземы, серо-бурые и др.);

   2) почвы с господством окислительных  условий при возможном проявлении  восстановительных процессов в  отдельные влажные годы или  сезоны (автоморфные почвы таежно-лесной  зоны, влажных субтропиков, лиственно-лесной  и буроземно-лесной зон);

   3)почвы  с контрастным окислительно-восстановительным режимом (полугидроморфные почвы различных зон). Наиболее контрастной динамикой окислительно-восстановительных процессов характеризуются почвы с временным избыточным увлажнением. Такие почвы широко распространены среди подзолистых, дерново-подзолистых, бурых лесных, солодей, солонцов и других типов почв;

   4) почвы с устойчивым восстановительным  режимом (болотные и гидроморфные  солончаки).

   Поведение соединений азота  в почве.

   Нитрификация

   Азот  в форме аммиака и соединений аммония, получающийся в процессах биогенной азотфиксации, быстро окисляется до нитратов и нитритов. Этот процесс носит название нитрификации, он осуществляется нитрифицирующими бактериями. Однако нет такой бактерии, которая бы прямо превращала аммиак в нитрат. В его окислении всегда участвуют две группы бактерий: одни окисляют аммиак, образуя нитрит, а другие окисляют нитрит в нитрат.

   NH₃ + 1½ O₂ = (NO^2-) + 2H⁺ + H2O

   NO^2- + ½ O₂ = NO^3-

   Все живые организмы поставляют азот в окружающую среду. С одной стороны, все они выделяют в ходе жизнедеятельности продукты азотистого обмена: аммиак, мочевину и мочевую кислоту. Последние два соединения разлагаются в почве с образованием аммиака (который при растворении в воде дает ионы аммония).

   Аммонификация

   Мочевая кислота, выделяемая птицами и рептилиями, также быстро минерализуется особыми группами микроорганизмов с образованием NH3 и СО2. С другой стороны, азот, включённый в состав живых существ, после их гибели подвергается аммонификации (разложение содержащих азот сложных соединений с выделением аммиака и ионов аммония NH⁴⁺) и нитрификации.

   Денитрификация

   Продукты  нитрификации — NO^3- и NO^2- в дальнейшем подвергаются денитрификации. Этот процесс целиком происходят благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, которые обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота (N₂O) и азота (N₂). Эти газы свободно переходят в атмосферу.

   10[H] + 2H⁺ + 2NO^3- = N₂ + 6H₂O

   В отсутствии кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию путем использования нитрата как конечного акцептора водорода с образованием молекулы азота широко распространена у бактерий. Временные потери азота на ограниченных участках почвы, несомненно, связаны с деятельностью денитрифицирующих бактерий.

   Ассимиляция

   Усваиваемые соединения азота могут накапливаться  в почве в неорганической форме (нитрат) или могут быть включены в живой организм как органический азот. Ассимиляция и минерализация определяет поглощение соединений азота из почвы, объединение их в биомолекулы растений и конверсию в неорганический азот после отмирания растений, соответственно. Ассимиляция - переход неорганического азота (типа нитрата) в органическую форму азота как, например, аминокислоты. Нитрат переходит с помощью ферментов сначала в нитрит (редуктаза нитрата), затем в аммиак (редуктаза нитрита). Аммиак входит в состав аминокислот.

   Поведение соединений марганца в почве.

   Марганец  образует ряд минералов, в которых  он обычно присутствует в виде ионов Mn²⁺, Mn³⁺ и Mn⁴⁺, однако наиболее распространённым в породообразующих силикатных минералах является его окисленное состояние +2. Катион Mn²⁺ обладает способностью замещать двухвалентные катионы некоторых элементов (Fe²⁺, Mg²⁺) в силикатах и оксидах. При выветривании в атмосферных условиях соединения марганца окисляются, а образующиеся при этом оксиды вновь осаждаются и формируют вторичные минералы. Поведение марганца в почвах исключительно сложное и зависит от различных факторов, из которых наибольшее значение имеют pH и Eh среды.

   Поведение соединений железа в почве.

   В почвах железо присутствует главным  образом в виде оксидов и гидроксидов, находящихся в форме небольших  частиц или связанных с поверхностью некоторых минералов. Микроорганизмы также могут принимать участие в преобразовании железа, вовлекаясь в круговорот элемента и аккумулируя его на поверхности живых клеток.

   В растворении почвенного железа участвуют  многие реакции, но наиболее значимыми  из них являются гидролиз и процессы комплексообразования. Подвижность железа в почвах во многом определяется растворимостью аморфных водных оксидов Fe³⁺ и Fe²⁺. Однако на растворимость железа может существенно влиять образование других его соединений, таких, как фосфаты, сульфиды и карбонаты.

   Минимальные содержания растворимого железа отмечаются при щелочных значениях pH. Поэтому кислые почвы более обогащены растворимым неорганическим железом, нежели нейтральные и щелочные. Таким образом, катионы Fe²⁺ в кислых анаэробных почвах могут достигать токсичных для растений уровней, а в щелочных хорошо аэрируемых почвах низкие концентрации растворимого железа не могут удовлетворить потребности растений в этом элементе.

   Поведение соединений цинка  в почве.

   Основным  источником цинка в почве являются материнские породы. Дополнительными  источниками служат атмосферные  осадки (пыль и аэрозоли – коллоидные частицы в сухом состоянии или с дождями) и агрохимические средства (удобрение, известкование). Почвы на речных поймах получают микроэлементы из потока воды и оседающих частиц. Все из этих источников могут сильно отличаться по значимости и приводить к тому, что в почвах будут широкие диапазоны содержания микроэлементов.

   При растворении минералов Zn в процессе выветривания образуется подвижный  ион Zn²⁺, особенно в кислых окислительных средах. Однако Zn легко адсорбируется как минералами, так и органическими компонентами, поэтому в большинстве типов почв наблюдается его аккумуляция в поверхностных горизонтах.

   Цинк  наиболее подвижен и биологически доступен в кислых легких минеральных почвах. Фракция Zn, связанная с оксидами Fe и Mn, по-видимому, более доступна растениям. Растворимость и доступность Zn в почвах обнаруживают отрицательную корреляцию со степенью насыщенности кальцием и с содержанием соединений фосфора. Эти соотношения могут отражать как влияние адсорбции и осаждения, так и взаимодействие между этими элементами. Кроме того, в области высоких значений pH необходимо учитывать влияние на растворимость и доступность Zn, образования растворимых Zn-органических комплексов и комплексных анионных форм Zn.