Источники поступления, пути образования атмосферных фотооксидантов и их влияние на биосферу Земли

Семестровая работа по источникам загрязнения и контролю качества воздуха. Защищена на отлично ...

Введение
1.1Источники поступления и образование фотооксидантов
1.2 Влияние фотооксидантов на живые организмы
1.3Влияние фотооксидантов на материалы
Заключение

В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца и формирующего на высотах около 40 км тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.
Фотооксиданты – (син. фотоокислители) — обладающие окислительными свойствами продукты фотохимических реакций, протекающих в загрязненном атмосферном воздухе под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца; оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки; входят в состав «смога» (1).

Договор на такую сумму был заключен комбинатом в 1998 г. с фирмой «Крупп» (Германия).На солнечном свету NO2 подвергается фотодиссоциации:NO2hνO+NOОбразующийся атомарный кислород очень активен и может вступать в разнообразные реакции, в частности, образовывать озон О3 с молекулярным кислородомO + O2+M ⟶O3+M*Где М – молекулы воздуха, поглощающие выделившуюся энергиюПрисутствие озона – наиболее характерный признак фотохимического смога. Он не образуется при сгорании топлива, а является вторичным загрязнителем. Озон, который образуется в результате фотохимического смога достаточно токсичный (ГДКМр = 0,01 мг/м3) и представляет определенную опасность. Максимальное содержание озона в воздухе, который образовался в результате фотохимических реакций, был зафиксирован в Лондоне в 1975 году и его концентрация составляла 0,0018 Об.%, Тогда как обычное содержание этого газа в воздухе составляет 0,0002-0,0004 Об.%. По рекомендациям Всемирной организации здравоохранения допускается временное повышение концентрации озона в воздухе до 0,0006 Об.%, Так как превышение этого предела опасно для здоровья. При взаимодействии с гемоглобином крови, озон образует неустойчивые озониды. Озон – признанный парниковый газ. Увеличение его содержания в атмосфере может привести к серьезным изменениям климата. Озон и другие фотооксиданты оказывают сильное влияние и на качество среды обитания человека, поскольку они могут вызывать различные заболевания. Являясь сильными окислителями, они разрушают многие широко используемые в быту и в производственной сфере материалы.Несмотря на то, что озон является токсикантом в тропосфере, он играет жизненно важную роль в защите организмов Земли от разрушающего УФ-излучения. В верхней части атмосферы присутствует только очень небольшое количество О3. Если бы весь озон атмосферы Земли, большая часть которого находится в стратосфере, был перенесен на уровень земли, он составлял бы слой чистого О3 толщиной лишь 3 мм. Такая разреженная природа слоя О3 привела к тому, что в течение нескольких десятилетий ученые были озабочены тем, что О3 стратосферы может быть поврежден присутствием ХФУ.Образование озона (О3) – это фотохимический процесс с использованием энергии света. Чем меньше длина волны света, тем больше энергии он несет. Образование О3 инициируется УФ-излучением при длинах волн менее 242 нм:О2(г) + hv → О(г) + О(г).Атомарный кислород (О) может затем взаимодействовать с молекулярным кислородом (О2):О2(г) + О(г) → О3( г).Образование О3 в этом фотохимическом процессе может быть уравновешено реакциями, в ходе которых О3 разрушается. Наиболее важной является фотолиз:О3( г) + hv → О2( г).Расчеты равновесия между образованием и разрушением О3, в которых учитываются только реакции, включающие элемент кислород, дают правдивое описание О3, наблюдаемого в стратосфере. Результаты таких вычислений дают также правильную форму вертикальных профилей О3 в атмосфере и пик концентраций О3, находящихся на нужной высоте, но предсказываемые концентрации слишком высоки. Это происходит оттого, что существуют другие процессы разрушения О3, включающие водородосодержащие, азотосодержащие и хлорсодержащие соединения.Все реакции с участием этих соединений приводят к разрушению О3 и атомарного кислорода с одновременным появлением молекул ОН-, NО- или хлорсодержащих. Эти процессы каталитические, и каждое из реагирующих веществ может отвечать за разрушение большого количества молекул О3. Именно тот факт, что одна молекула загрязнителя может отвечать за разрушение большого числа молекул О3, стал причиной серьезной озабоченности существованием следовых загрязнителей в стратосфере. В дневные часы озон медленно реагирует с NO2, образуя радикал NO3, который в свою очередь вступает в дальнейшие реакции с NO и NO2. Одной из конечных продуктов этих реакций является N2O5. Свободные радикалы характеризуются высокой реакционной способностью и вступают в реакцию с биологически активными молекулами (белками, ферментами, углеводами и др.) с образованием новых соединений, в том числе и токсилив. Вследствие таких преобразований нарушаются обменные процессы в живых организмах, подавляется активность ферментативных систем, замедляется и останавливается рост тканей и т.д.. Это является причиной преждевременного старения людей.Если в атмосфере имеется водяной пар, то N2O5 может вступить в реакцию с водяным паром и продуктом этой реакции является азотная кислота – HNO3.Полученная таким образом азотная кислота в отличие от серной может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Это связанно с тем, что азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков или осадков или частицами аэрозоля.Продуктами фотохимического смога являются альдегиды и кетоны, которые являются достаточно токсичными веществами, а систематическая их воздействие на организмы, в том числе и человека, вызывает токсикоманией с отдаленными последствиями, например, воспаление коры головного мозга и т.д. CITATION 53 \l 1049 (5).Пероксиацилнитраты, которые также являются продуктами фотохимических реакций, состоят, преимущественно, из пероксиацетилнитратив и пероксибензоилнитратив. Эти вещества обладают канцерогенным действием и способны вызывать появление злокачественных опухолей.Основными антропогенными источниками СО и углеводородов являются сжигание ископаемого и жидкого топлива – автотранспорт, тепловые станции, а также предприятия химической и иной промышленности CITATION 61 \l 1049 (6).Другим важным источником углеводородов является биогенный источник. Показано, что многие биогенные углеводороды быстро реагируют с озоном и с радикалами ОН. Эксперименты в камерах в условиях смога показали, что эти соединения эффективно способствуют образованию озона при фотоокислении в присутствии NOx . Наиболее подробно изучены два биогенных углеводорода: изопрен и a -пинен. Изопрен в значительном количестве выделяется лиственными деревьями: дубом, платаном и вечнозелёным эвкалиптом, а a -пинен выделяют в основном хвойные деревья, такие как сосна и пихта. Полевые эксперименты по измерению выделений углеводородов деревьями свидетельствуют о том, что в большинстве случаев два названных соединения составляют основную часть выделяемых углеводородов. В лабораторных экспериментах было показано, что эти соединения наиболее эффективны в процессе образования озона из всех известных биогенных углеводородов .1.2. Влияние фотооксидантов на живые организмы. Фотооксиданты оказывают на живые организмы прямое и косвенное воздействие. Первое из них связано с поглощением и химическим взаимодействием этих токсикантов с биомолекулами тканей. В случае растений крайним проявлением фитотоксического эффекта служит образование некротических пятен на поверхности листвы, высыхание и опадение хвои. При массированном повреждении фотосинтезирующих органов происходит гибель растения. если концентрации фотооксидантов в окружающем воздухе лежат ниже уровня острой токсичности, изменения не столь очевидны и драматичны. Они выражаются в уменьшении продуктивности фотосинтеза, снижении сопротивляемости болезням и насекомым-вредителям CITATION 7 \l 1049 (7).Косвенное воздействие фотооксидантов на растительность связано главным образом с их влиянием на формирование кислотности атмосферных осадков и на химические и биологические процессы в почвах под действием сильных кислот.Озон сильно влияет на скорость поглощения диоксида углерода из атмосферы листвой растений. Суммарное количество газа, проникающего внутрь листа, обратно пропорционально общему сопротивлению переносу молекул этого газа из свободной атмосферы.Озон значительно токсичнее оксидов азота при действии на растения. Для них он токсичен при концентрации 0,2 млн-1. Чувствительные виды растений уже после часовой обработки озоном при концентрации 0,05 – 0,1 мг/м3 проявляются признаки угнетения (белая или коричневая крапчатость). Озон также изменяет структуру клеточных мембран, вследствие чего можно наблюдать серебристую пятнистость листьев. При воздействии озона также окисляются пигменты и листья обесцвечиваются. На глянцевом слое кожицы листьев и игл проявляются трещины, и лист становится хрупким. Кроме того, в трещинах могут прорастать грибные споры, проникающие затем вглубь листа и разрушающие его. Этот инфекционный процесс является одной из причин гибели лесов CITATION 8 \l 1049 (8).При окислительных процессах в клетке растений может выделяться этилен, вызывающий опадание листьев и игл. Результатом воздействия высоких концентраций озона является штриховая исчерченность листьев. Установлено, что озон влияет на цитрусовые, приводит к чрезмерно раннему созреванию плодов и опаданию их до достижения нормальных размеров. Специальное исследование, проведенное с четырьмя видами сельскохозяйственных растений (соя, кукуруза, пшеница и земляной орех), показало, что загрязнение воздуха озоном приводит к потере урожая CITATION 9 \l 1049 (9).Таким образом, признаки повреждений, вызванных NO2 и O3, визуально диагностируются. Однако следует учитывать, что в естественных условиях, эти газы действуют на растения не по отдельности, а комплексно в сложной смеси с другими загрязнителями, поэтому идентификацию воздействия провести трудно. ПАН становится физиологически активным только при освещении. Фотолитически он распадается на и пероксоацетил-радикал, который окисляя, разрушает пигменты растений. Следует отметить, что фотохимические окислители оказывают наибольшее воздействие на салатные культуры, бобы, свеклу, злаки, виноград и декоративные насаждения. Сначала на листьях образуется водное набухание. Через некоторое время нижние поверхности листьев приобретают серебристый или бронзовый оттенок, а верхние становятся пятнистыми с белым налетом. Затем наступает быстрое увядание и гибель листьев. Биохимическое действие озона обусловлено его высокой реакционной способностью по отношению к органическим соединениям, имеющим в составе молекул двойные углерод-углеродные связи и сульфгидрильные группировки. В соответствии с Гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03 (от 15.06.03) “Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны” максимальная ПДК озона – 0,1 мг/м3. Особенности действия на организм: озон – вещество с остронаправленным механизмом действия, требующее автоматического контроля над его содержанием в воздухе.В соответствии с Гигиеническими нормативами ГН 2.1.6.1338-03 “Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест” (от 25.06.03) максимальная разовая ПДК озона 0,16 мг/м3., среднесуточная ПДК – 0,03 мг/м3.Озоноказываетобщетоксическое,раздражающее, канцерогенное, мутагенное, генотоксическое действие; вызывает усталость, головную боль, тошноту, рвоту, раздражение дыхательных путей, кашель, расстройство дыхания, хронический бронхит, эмфизему лёгких, приступы астмы, отёк лёгких, гемолитическую анемию.За 2 часа пребывания в атмосфере с концентрацией 0,0004мг/л озона ощущались сухость во рту и зеве, неспособность сосредоточиться, загрудинные боли. В ночь после опыта бессонница, позднее кашель; дурное самочувствие-в течении 2-х недель.Раздражение слизистых носа, глаз, горла наблюдается при 0,0002-0,001 мг/л. При 0,002-0,02 мг/л –раздражение дыхательных путей, головная боль, рвота, головокружение, сильная усталость; возможен резкий упадок сердечной деятельности. Хроническое действие достоверно не изучено.Токсичность озона очень повышается при наличии в воздухе окислов азота: совместно они действуют в 20 раз сильнее, чем порознь.Озон действует на дыхательные ферменты, подобно ионизирующей радиации: 30-минутное вдыхание озона концентрации 0,8мг/л эквивалентно облучению 100 рентгенами. Физическая нагрузка во время воздействия О3 резко ухудшает его переносимость.Чем выше концентрации озона в приземной атмосфере – тем сильнее люди испытывают его отрицательное влияние на своё здоровье. Чаще всего это происходит в летние месяцы и с увеличением концентрации озона в нижней атмосфере увеличивается количество госпитализированных людей с проблемами органов дыхания. В США учёные определили, что каждый третий американец более чувствителен к озону и у этой группы более высокий риск повредить своё здоровье из-за влияния озона. Люди из этой группы риска должны обращать особое внимание на информацию о содержании озона в атмосфере их мест проживания. Эту информацию предоставляет на местах EPA (агенство по защите окружающей среды) совместно с правительством США. На основе этой информации американцы должны принимать решения, связанные с риском для их здоровья. Учёные изучили эффекты воздействия озона на здоровье людей и к настоящему времени установили следующее: - озон вызывает раздражение органов дыхания, кашель, тяжесть в груди; эти эффекты могут длиться несколько часов и переходить в болезненную фазу; - озон уменьшает лёгочную функцию; если вы работаете на открытом воздухе, то заметите, как дыхание становится более частым и не глубоким; понижение функции лёгкого может стать профессиональной болезнью спортсменов, которые тренируются на открытом воздухе; - озон способствует развитию астмы и увеличивает количество приступов этого заболевания; - озон вызывает аллергию к наиболее распространённым веществам – пыли, тараканам, пыльце, домашним животным; - озон повреждает ткань лёгкого; если воздействие озона повторяется, то это приводит к изменениям в ткани лёгкого и может привести к длительным проблемам со здоровьем; - озон усугубляет бронхит и эмфизему лёгких; - озон значительно понижает иммунитет к инфекции; - особенно опасно воздействие озона на детей; их лёгкие могут сильно пострадать от воздействия озона и это отрицательно скажется на их развитии; - учёные считают, что озон оказывает и другие вредные воздействия на здоровье человека.Особенно чувствительны к озону 4 группы людей при их активном образе жизни на открытом воздухе. ДЕТИ. Активные дети имеют очень высокий риск отрицательного влияния озона. При глубоком дыхании озон проникает в области лёгких, наиболее чувствительные к действию озона. ВЗРОСЛЫЕ, ведущие активный образ жизни на открытом воздухе. ЛЮДИ С БОЛЕЗНЯМИ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ могут пострадать от маленьких концентраций озона.ЛЮДИ С НЕОБЫЧНОЙ ЧУВСТИТЕЛЬНОСТЬЮ К ОЗОНУ. Учёные не могут объяснить, почему некоторые здоровые люди более чувствительны к озону чем все другие. Они испытывают более сильное отрицательное воздействие озона на здоровье. ПОЖИЛЫЕ ЛЮДИ И ЛЮДИ С СЕРДЕЧНЫМИ БОЛЕЗНЯМИ – подвергаются более высокому риску от воздействия озона чем другие.Учёные считают, что озон отрицательно влияет на здоровье даже в том случае, если человек не чувствует никаких признаков его воздействия. Воздействие озона концентрацией 3 мг/л убивает мелких животных за 5 минут. 50% белых мышей гибнет после 2 часов при концентрации озона в воздухе 0,046 мг/л, после 4 часов при 0,00053 – 0,001 мг/л. После 18 час. вдыхания О3 при концентрации 0,0012 мг/л у крыс происходит отёк лёгких. Половина морских свинок погибла после 3-х часов вдыхания О3 концентрацией 0,01мг/л, кроликов 0,0074мг/л, кошек 0,007мг/л. Кроме отёка лёгких, у животных наблюдались воспаление печени и почек, уменьшение липоидов в коре надпочечников, мобилизация макрофагов .Диоксид азота сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Вдыхание ядовитых паров диоксида азота может привести к серьезному отравлению. Диоксид азота вызывает сенсорные, функциональные и патологические эффекты.