Консервативные токсические вещества в водных экосистемах

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Вологодский государственный  университет»

 

Факультет заочного и дистанционного образования

Кафедра водоснабжения и водоотведения

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА № 1

 

Дисциплина: «Водная экономика»

Тема: Консервативные токсические  вещества в водных экосистемах

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

   Стр.

Введение           3

Загрязнение вод  металлами        4

Синтетические органические вещества       9

Пестициды                   12

Синтетические поверхностно-активные вещества                                    14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Консервативные  токсические вещества в водных экосистемах

 

Введение.

Водные экосистемы представляют собой один из самых важных источников жизни для всех живых организмов нашей планеты. Их загрязнение является причиной возникновения многих заболеваний, а также исчезновения некоторых видов растений и животных. Круговорот воды в природе является замкнутой экосистемой и первой подвергается загрязнениям морей, рек, океанов и искусственных водоемов, созданных человеком.

Вредные и токсичные вещества часто  попадают из удобренной химикатами почвы, которые используются, в основном, в сельском хозяйстве в борьбе с насекомыми, сорняками и грибками, которые содержат в своем составе нитраты и фосфаты, разрушающие окружающую среду. Помимо этого, водные экосистемы загрязняются продуктами животноводческих ферм, такими, как антибиотики, гормоны для животных, которые попадают в почву и прилегающие воды.

К другой категории веществ, которые  могут способствовать загрязнению водной среды, являются те, которые приходят из постоянно развивающихся отраслей. В частности, к ним относятся такие вредные соединения, как цинк, кадмий, свинец и кислотные дожди, которые заполняют атмосферу газами от сжигания такого ископаемого топлива, как уголь и нефть.

Вещества природного происхождения, образовавшиеся  в результате естественных  процессов  в  прошлом (компоненты  нефти)  и  образующиеся в  настоящее  время (бенз(а)пирен),  вызывают  достаточно  тяжелые негативные  последствия  для  окружающей  среды  и  человека.

Среди  веществ,  поступающих  в  природные  воды,  консервативны, т. е. практически не трансформируются биотой, три класса веществ:  тяжелые металлы,  пестициды и синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), входящие в состав синтетических моющих средств (СМС), или детергентов. Не перерабатываясь  организмами,  эти вещества, способны накапливаться в их тканях и аккумулироваться в пищевых цепях (рис. 1).

 

1. Загрязнение вод металлами.

Металлы  принадлежат  к  числу  главных  неорганических  загрязнителей пресных и морских вод. Это, в основном, соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути. Острота проблемы загрязнения водной среды токсичными металлами определяется:

• высокой концентрацией соединений тяжелых металлов в прибрежных

районах океана и внутренних морях;

• образованием  высокотоксичных  металлоорганических комплексов,  которые  как  включаются  в  абиотический компонент экосистемы, так и поглощаются гидробионтами;
• накоплением  металлов  гидробионтами  в  дозах,  опасных для человека.

Источники поступления

Основные источники поступления токсичных металлов в водную среду – прямое загрязнение и сток с суши. Только воды рек ежегодно  привносят  в  океан свыше 320 Мт железа. Кроме  того, важная  роль  в  загрязнении  гидросферы  металлами  принадлежит атмосферному  переносу.  Главные  пути  поступления  металлов  в Мировой океан приведены в табл. 1.

Токсичность тяжелых  металлов

Токсичность  тяжелых  металлов  для  планктона  определяется тем,  что  планктонные  организмы (особенно  фильтраторы)  концентрируют металлы,  которые  ввиду  своей  неразложимости  сохраняются в живых тканях неограниченное время, способствуют гибели планктонтов, а с отмершим планктоном оседают в донных отложениях. Кроме того, что они аккумулируются организмами, они концентрируются в пищевых цепях, что во многом, но не во всем определяет разную токсичность металлов для разных групп

гидробионтов (табл. 2).

 

Мышьяк

Мышьяк  широко  распространен  в  содержащих  фосфаты  породах и соответственно встречается в виде примесей в фосфатных удобрениях  или  детергентах,  производимых  из  этого  сырья. Обычные формы мышьяка в природе: H3AsO3, As(OH)3, H3AsO4. Некоторое количество мышьяка используется в качестве пестицида в виде арсенатов натрия и меди для опрыскивания плодовых  деревьев.  Но  основными  антропогенными  источниками мышьяка  являются  сжигание  угля  и  выплавка  металлов. 

Свинец

Ежегодно добывается примерно 3,5 Мт свинца, а с учетом повторного извлечения из отходов производство свинца составляет 4,1 Мт·год-1. Загрязнение природных вод и воздуха свинцом происходит в результате процесса обжига и плавки свинцовых руд с целью получения металлического свинца, за счет выбросов отходов с производств, использующих свинец, а также при сжигании угля, древесины и других  органических  материалов,  включая городские отходы. Кроме того, значительные количества свинца попадают в окружающую  среду благодаря использованию свинцовых труб для водопроводов и свинцово-кислотных аккумуляторов.

Серьезными  источниками  загрязнения  окружающей среды остаются алкильные соединения свинца. Количество свинца, ежегодно попадающего в океан в результате применения алкилсвинца в качестве антидетонатора дизельного топлива, оценивается в 25 кт.

Pb(CH₂CH₃)₄ добавляется в бензин, что позволяет двигателям работать  при больших давлениях.  В бензин  добавляют также CH₂Cl–CH₂Cl  и CH₂Br–CH₂Br.  В результате  сгорания  топлива свинец попадает в атмосферу в виде аэрозольных частиц PbBrCl размером менее 2 мкм, попадающих в легкие и оседающих там. Общее содежание свинца в водах Мирового океана составляет 2,8  Мт  при средней концентрации 2·10^-3 мкг·л^-1.

Ртуть

Ртуть относится к числу  наиболее токсичных металлов, чаще других встречаемых в окружающей среде. Ртуть – один из самых редких  элементов с  очень  низким содержанием в земной  коре. Она встречается в природе в виде красного сульфида, циннабара, черного сульфида и в виде жидкой ртути.

В окружающую среду ртуть поступает как из природных источников,  так  и  из  источников  техногенного  происхождения. Природная ртуть попадает в биосферу из относительно глубоких слоев  земной  коры  благодаря  вулканической,  гео-  и гидротермальной активности. 

Главные антропогенные источники  ртути: 

• сжигание ископаемого топлива; 
• выбросы промышленных предприятий, из которых наиболее важны сбросы сточных вод с электролизных фабрик по производству хлорощелочей и едкого натра и предприятий, где сульфат ртути используется в качестве катализатора; 
• использование в сельском хозяйстве различных биоцидов, содержащих ртутные соединения.

Существуют  бактерии,  которые  переводят  минеральную  ртуть в монометил (или метил) ртути (CH₃Hg⁺) (рис. 2). Ртуть токсична для фитопланктона, поэтому загрязнение ртутью существенно снижает первичную продукцию морских экосистем. Фито- и зоопланктон аккумулируют ртуть в широком диапазоне  концентраций 30–3800 мкг·кг-1 сухой  массы,  показатель  аккумуляции ртути может превышать 40 000.

Отходы,  содержащие  ртуть,  обычно  скапливаются  в  донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграция сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофические  цепи  водных организмов (особенно  крабов  и  рыб).

Кадмий

В природе кадмий, как  правило, ассоциирован с цинком и  их разделение экономически нерентабельно. Кадмий широко используется в электронной промышленности,  производстве  пластмасс,  красителей,  растворителей.

Наиболее  известно  его  использование  в  никеле-кадмиевых  аккумуляторах.

В  окружающей  среде  кадмий  присутствует  в виде  двухвалентного иона, осаждаемого в виде карбоната:

Cd2+ + CO32- → CdCO3↓

В кислой среде ионы кадмия освобождаются:

CdCO3 + 2H+ → Cd2+ + CO2↑ + H2O

К основным антропогенным  источникам поступления кадмия в  окружающую среду относятся горнорудные и металлургические предприятия, а также сточные воды.

Кадмий – один из самых  опасных токсикантов. Токсичность кадмия связана со схожестью его химических свойств с цинком. При этом он связывается с серой более прочно, чем цинк и, следовательно,  вытесняет  цинк  из многих  ферментов. Естественно,  эти  ферменты  прекращают функционировать.

2. Синтетические органические вещества.

С  середины  ХХ  в.  во  всем  мире  значительно увеличилось производство  синтетических  органических  соединений.  Если  в 1950 г. в мире производилось 7 Мт, в 1970 – 63 Мт, то в 1985 – уже 250 Мт.

Хлорированные углеводороды

Наибольшую  опасность  для  окружающей  среды представляют ксенобиотики – антропогенно синтезированные вещества чуждые  биосфере,  в том  числе  высокомолекулярные  органические вещества, такие как хлорированные углеводороды.

В  состав  группы  хлорированных  углеводородов  входит  не-

сколько основных классов: 

• хлорированные бифенилы – смесь бифенилов, частью или полностью замещенных атомами хлора (ПХБ); 
• алифатические  хлорированные  углеводороды,  включающие  циклические  н(апример,  гексахлорциклогексан (ГХГЦ)) и нециклические (например, дихлорэтан) углеводороды;
• ароматические  хлорированные  углеводороды (ДДТ,  гексахлорбензолы (ГХБ));
• хлорированные  продукты  диенового  синтеза (альдрины, дильдрин).

Большая часть этих соединений до сих пор используется разными  странами  как  пестициды: гексахлорбензолы (ГХБ),  гексахлорциклогексаны (ГХЦГ), особенно г-изомер (линдан), ДДТ.

 

 

 

Наиболее изучены среди  хлорированных углеводородов ПХБ, поскольку они представляют особый интерес по следующим причинам: большие масштабы производства и широкое применение в промышленных  и  бытовых  материалах;  высокая  устойчивость  к биодеградации и, следовательно, способность к биоаккумуляции; токсичность.

ПХБ применяют в качестве диэлектриков в трансформаторах  и крупных конденсаторах, в системах теплопередачи и гидравлических системах, они входят в состав смазочных и охлаждающих масел, пестицидов, а также используют в качестве пластификаторов в красителях, в копировальной бумаге, клеях, замазках и пластических массах.

3. Пестициды.

Пестициды – необходимый компонент современного сельского  хозяйства.  Мировые  потери  урожая  от  болезней,  вредителей, сорняков составляют:

• зерновых – 510 Мт;
• сахарной свеклы – 569 Мт;
• сахарного тростника – 567 Мт;
• картофеля – 129 Мт.

Без применения пестицидов урожайность в мире снизилась  бы:

• для картофеля – на 37 %;
• для капусты – на 22 %;
• для яблок – на 10 %;
• для персиков – на 9 %.

Для  борьбы  с  вредителями  и  болезнями  сельскохозяйственных культур  сначала  использовали  вещества,  содержащие  тяжелые металлы, такие как свинец, мышьяк и ртуть. Эти неорганические соединения называют пестицидами первого поколения.

Современные пестициды представляют собой большую группу  органических  веществ,  токсичных  для  разного  рода  нежелательных организмов. По механизму биологического действия они подразделяются на: зооциды; инсектициды; эпициды; акарициды; родентициды; лимациды; нематоциды; фунгициды; бактерициды; гербициды; дефолианты; дефлоранты; десиканты (для высушивания  листьев  на  корню);  фумиганты (для окуривания угодий  или помещений); ретарданты (для регуляции роста и развития расте-

ний);  репелленты (для отпугивания насекомых,  грызунов); аттрактанты (для привлечения насекомых с последующим уничтожением).

Сегодня в мире в среднем  на 1 га наносится 300 г химических средств  защиты растений.

Оказалось, что использование  органических пестицидов связано с  целым рядом проблем. Их можно разделить на четыре категории:

• развитие устойчивости у вредителей;
• возрождение вредителей и вторичные вспышки численности;
• рост затрат;
• нежелательное воздействие на окружающую среду.

ДДТ (дихлордифенитилтрихлорэтан)