Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Декабря 2014 в 02:48, курс лекций
Экологическая химия находится на стыке целого ряда научных дисциплин и во многом соприкасается и перекрывается со смежными научными направлениями, среди которых можно назвать биологические и геологические науки, в то же время экотоксикология тесно связана с медико-фармакологическими дисциплинами. Экологическая химия изучает изменения химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем центральной задачей является изучение поведения антропогенных веществ, т.е. их содержания (концентрации в окружающей среде), процессов разложения, превращения и накопления в организмах и окружающей среде.
Определение понятий «экологическая химия» и «экотоксикология».
Задачи и основные понятия в экотоксикологии.
а) сжигания топлива:
С (твердое топливо) + О2 -» СО2 + Q,
СН4 (газообразное топливо) + О2 -> СО2 + 2Н2О + Q,
2С8Н18 (жидкое топливо) + О2 -» 16СО2 + 18Н2О + Q;
б) вырубки лесов.
Из-за роста населения эта проблема будет усугубляться. В настоящее время концентрация СО2 равна 0,035% (увеличилась на 20%), а к 2050 г. она удвоится.
Увеличение концентрации СО2 в 2 раза повлечет повсеместное потепление на 2,5-4,5°С (в полярных районах до 10ºС, а экваториальных - на 1-2°С) и, следовательно, таяние льдов. Это приведет к повсеместному поднятию уровня моря на 1,5-2 м, затоплению прибрежных районов, образованию бурь, смерчей и наводнений.
В результате потепления изменится циркуляция атмосферы (уменьшится), что повлияет на распределение осадков и, следовательно, на экосистемы Земли и ее биосферу.
Чтобы этого не произошло, необходимо:
Земля защищена от коротких УФ-лучей озоновым экраном, который поглощает 99% УФ-лучей.
Озон образуется в стратосфере (20—37 км) под действием УФ -лучей. В отличие от линейных молекул кислорода молекулы озона имеют форму треугольника и задерживают большую часть жестких УФ-лучей.
Если у поверхности Земли озон способствует образованию смога, то в стратосфере этот ажурный слой выполняет две функции, которые благотворно влияют на живые существа. Первая состоит в том, что озон поглощает большую часть губительного для живых организмов ультрафиолетового излучения Солнца и является единственным веществом, выполняющим эту функцию. Вторая - в том, что, поглощая некоторые из солнечных лучей, озон создает стратосферу - слой атмосферы, в которой температура растет с высотой, тем самым регулируя мировые циркуляционные процессы и ограничивая процессы формирования погоды пределами тропосферы. Не будь озона, температура в атмосфере постепенно уменьшалась бы.
Хотя озон постоянно образуется из кислорода под воздействием солнечных лучей, его не становится много, и если бы озон был сжат давлением, существующим у поверхности земли, образовался бы слой толщиной всего в 3 мм. При проникновении УФ-лучей на Землю происходит их поглощение нуклеиновыми кислотами, белками, в результате чего происходит изменение генофонда и живое либо заболевает, либо погибает, так как область поглощения УФ-лучей озоном совпадает с областью поглощения нуклеиновыми кислотами и белками.
В небольших дозах УФ-излучение полезно для человека, животных и растений, в частности, способствует выработке витамина Д, регулирует Са-обмен. Противоположное действие оказывают повышенные или большие дозы УФ-излучений.
Озоновая дыра впервые была обнаружена в 1985 г. Ее образование связывают с появлением фтор-хлор-углеводородов, например, фреонов. F, C1 - углеводороды летучи, нетоксичны и используются в качестве хладагентoв, поскольку при переходе из жидкого состояния в газообразное поглощают много энергии. При поломке холодильного агрегата, использовании хлорфторпроизводных в парфюмерии (аэрозольная упаковка), при производстве пластмасс, чистке электронных схем эти соединения попадаю в атмосферу и при низкой температуре разлагаются с образованием хлора и фтора, которые катализируют распад озона: 2О3 —> ЗО2 (одна молекула хлора разрушает до 100 тыс. молекул озона).
Весьма токсичными выбросами являются оксиды азота образующиеся, кроме природных процессов, при сжигании азотсодержащего топлива (особенно угля) и окислении атмосферного азота при этом сжигании. Они также увеличивают парниковый эффект, создают кислотные дожди и разрушают озоновый слой. При ежегодных выбросах оксидов азота в количестве около 500 млн т потери озона в приземном слое атмосферы составляют 60-70 млн т.
Расширение озоновой дыры может привести к гибели высокоорганизованной жизни на Земле. У человека большие дозы УФ-излучения вызывают ожоги и раковые заболевания. Чтобы этого не случилось, необходимо сократить использование (производство) хлорфторуглеводородов.
В заключение следует отметить, что в химии атмосферного озона еще многое остается неясным, хотя бесспорно, что озон - это «игра с огнем», которая может дорого стоить человеку. В 1987 г. было подписано соглашение (г. Монреаль) о постепенной ликвидации озоноразрушающих технологий (например, замена фреона другими хладагентами). Это уже привело к прекращению роста галогенопроизводных в атмосфере Земли, хотя их содержание еще велико.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ
План:
1.Основные источники загрязнения воды.
2. Загрязнение вод суши:
Основой водных ресурсов России является речной сток, составляющий в среднем по водности года 4262 км2, из которых около 90% приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Азовского и Каспийского морей, где сосредоточен основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общегодового объема речного стока.
Использование воды для хозяйственных целей – одно из звеньев круговорота воды в природе. Антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения лишь часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опресненной. Большая часть сбрасывается в реки и водоемы в виде сточных вод, загрязненных отходами производства.
На территории России практически все водоемы подвержены антропогенному влиянию. Качество воды в большинстве из них не отвечает нормативным требованиям. Основными источниками загрязнения водоемов служат предприятия черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной, легкой промышленности.
Цветная металлургия. Сточные воды загрязнены минеральными веществами, флетореагентами (цианизы, ксантогенаты), солями тяжелых металлов (медь, свинец, цинк, никель, ртуть и др.), мышьяком, хлоридами и др.
Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность. Главный источник образования сточных вод в отрасли – производство целлюлозы, базирующееся на сульфатном и сульфитном способах варки древесины и отбелки.
Нефтеперерабатывающая промышленность. В сточные воды попадают в значительном количестве нефтепродукты, сульфаты, хлориды, соединения азота, фенолы, соли тяжелых металлов и др.
Химическая и нефтехимическая промышленность. В водные объекты со сточными водами попадают нефтепродукты, взвешенные вещества, азот общий, азот аммонийный, нитраты, хлориды, сульфаты, фосфор общий, цианиды, роданиды, кадмий, кобальт, марганец, медь, никель, ртуть, свинец, хром, цинк, сероводород, сероуглерод, спирты, бензол, формальдегид, фурфурол, фенолы, поверхностно-активные вещества, карбамиды, пестициды, полуфабрикаты.
Машиностроение. Происходит сброс сточных вод, загрязненных в первую очередь нефтепродуктами, сульфатами, хлоридами, взвешенными веществами, цианидами, соединениями азота, солями железа, меди, цинка, никеля, хрома, молибдена, фосфора, кадмия.
Легкая промышленность. Основное загрязнение водоемов происходит от текстильного производства и процессов дубления кож. В сточных водах текстильной промышленности могут содержаться взвешенные вещества, сульфаты, хлориды, соединения фосфора и азота, нитраты, синтетические поверхностно-активные вещества, железо, медь, цинк, никель, хром, свинец, фтор и др., кожевенного производства – соединения азота, фенолы, синтетические поверхностно-активные вещества, жиры и масла, хром, алюминий, сероводород, метанол, фенальдегид.
Бытовые сточные воды – это вода из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц, бытовых помещений промышленных предприятий и др. В бытовых сточных водах органическое вещество в загрязнениях составляет 58%, минеральные вещества – 42%.
Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.
Аварийное загрязнение водных объектов возникает при залповом сбросе вредных веществ в поверхностные водные объекты, который причиняет вред или создает угрозу причинения вреда здоровью населения, нормальному осуществлению хозяйственной и иной деятельности, состоянию окружающей природной среды, а также биологическому разнообразию.
Загрязнение вод суши
Микробное загрязнение вод происходит в результате поступления в водоемы патогенных микроорганизмов. Выделяют также тепловое загрязнение вод в результате поступления нагретых сточных вод.
Загрязняющие вещества условно можно подразделить на несколько групп. По физическому состоянию выделяют нерастворимые, коллоидные и растворенные примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные, биологические.
Минеральные загрязнения обычно представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот, щелочей и др.
Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные и животные. Растительные органические загрязнения вызываются остатками растений, плодов, овощей, злаков, растительного масла и др. Загрязнения животного происхождения – это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и др.
Вещества, разрушаемые микроорганизмами,
и изменение состояния воды
Органические соединения природного происхождения, за некоторым исключением (например, лигнин), быстро разрушаются микроорганизмами. Процесс биологической очистки воды связан с содержанием в ней кислорода. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При этом образуются СО2 и Н2О, а также нитраты, фосфаты, сульфаты, кислородсодержащие соединения других элементов, которые содержались в исходных веществах. Выделенные нитраты и фосфаты играют особую роль в изменении состояния воды, так как в естественных водоемах они содержатся в столь малых количествах, что ограничивают рост растений и планктона. С ростом числа живых организмов в воде увеличивается и количество отмирающих, для аэробного разрушения органических остатков которых требуется также кислород. При этом резко возрастает расход кислорода, и растения уже не могут восполнять его за счет фотосинтеза. Если органические остатки не будут вскоре переработаны, вода на длительное время останется без кислорода, необходимого для жизнедеятельности флоры и фауны, вплоть до того, что аэробные организмы уже не смогут более существовать. Их массовая гибель соответственно сопровождается массовым размножением анаэробных микроорганизмов, которые разрушают всю биомассу путем брожения. Этот переход от аэробного к анаэробному состоянию воды называют опрокидыванием.
После анаэробного распада в результате целого ряда взаимосвязанных процессов брожения образуются CH4, CO2, H2O, NH3, H2S. Распавшиеся в анаэробных процессах органические вещества так сильно изменяют состояние воды, что делают невозможным в обозримое время ее возвращение к аэробному состоянию, если не предпринимать искусственные меры. Постоянно выделяющиеся NH3 и H2S еще сильнее отравляют воду.
Образование мочевины и аммиака в воде
При сильном загрязнении воды мочой и навозной жижей в ней оказывается большое количество мочевины. Бактерии в сточных водах под действием ферментов выделяют аммиак:
уреаза
(NH4)2CO+2 H2O ® H2CO3+NH3.
Литр навозной жижи может дать до 4,5 г аммиака, который может выделиться в определенных условиях. При температуре 250С и рН 11 равновесие сильно сдвигается в сторону выделения аммиака. Такие условия создаются в летнее время в стоячих водах прудов. При вдыхании аммиака, а также при питье его раствора в воде, аммиак быстро усваивается организмом. При растворении в крови аммиак быстро создает щелочную среду и растворяет белки, нанося организму этим непоправимый вред. При попадании аммиака в пруды он может вызвать массовую гибель живых организмов.
Устойчивые или трудноразрушающиеся вещества
Такие вещества попадают в окружающую среду частично при изготовлении, частично при транспортировке и при использовании. К этой категории можно отнести нефть и нефтепродукты. При просачивании нефти в почву, несмотря на большую вязкость, она проникает в грунтовые воды, перемещается в направлении их движения и может так распространяться на большие расстояния. На открытых водных поверхностях с течением времени образуется эмульсионный слой нефть-вода, частично препятствующий газообмену между водой и воздухом, поэтому все находящиеся под этой пленкой организмы постепенно задыхаются. При этом прежде всего при дыхании в клетках накапливается CO2, что ведет к ацидозу, т.е. к подкислению клеточной жидкости. У морских птиц контакт с нефтью приводит к склеиванию оперения, птицы быстро утрачивают способность держаться на воде и погибают от переохлаждения. Нефть, конечно, подвергается микробиологическому распаду, но этот процесс протекает очень медленно, иногда до нескольких месяцев.
Загрязнения фенолами протекают в меньших масштабах. При попадании в природную среду в аэробных условиях фенолы распадаются иногда в течение недели. Нормативы, принятые для питьевой воды, устанавливают ПДК фенолов на уровне 0,5 мкг/л. Фенолы используют для дезинфекции, а также для изготовления клеев и фенолформальдегидных пластмасс. Кроме того, они входят в состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей, образуются при сгорании и коксовании дерева и угля.