Геохимический круговорот веществ

1. Из каких частей состоит биогеохимичес кий круговорот веществ? Круговорот веществ на Земле - повторяющиеся процессы превращ е ния и перемещения вещества в природе, имеющие более или менее выра же н ный циклический характер. Эти пр оцессы имеют определённое поступател ь ное движение, т. к. при так называемых циклических превращениях в пр ир о де не происходит полного повтор ения циклов, всегда имеются те или иные изменения в количестве и составе образующихся веществ. Круговорот веществ на Земле слагается из множества разнообразных повт оряющихся в основных чертах процессов превращения и перемещения вещес тва. Отдельные циклические процессы представляют собой последов а тельный ряд изменений вещества, черед ующихся с временными состояниями равновесия. Как только вещество вышло из данной термодинамической с и сте мы, с которой оно находилось в равновесии, происходит его дальнейшее изм енение, пока оно не возвратится частично к первоначальному состоянию. По лного возвращения к первоначальному состоянию никогда не происходит. Я ркой иллюстрацией этого может служить круговорот вод ы в природе. Схема круговорота воды С поверхности океана испаряется ежегодно огромное количество воды, но п ри этом нарушается её изотопный состав: она становится беднее тяж ё лым водородом по сравнению с океаническо й водой (в результате фракци о нирова ния изотопов водорода при испарении). Между поверхностным слоем воды оке ана и массой воды более глубоких его зон существует свой регуля р ный, установившийся обмен. Между парами в оды и водой атмосферы и в о доёмов ус танавливаются локальные временные равновесия. Пары воды в а т мосфере конденсируются, захватывая газы атм осферы и вулканические газы, а затем вода обрушивается на сушу. Часть вод ы при этом входит в химич е ские соед инения, другая в виде кристаллогидратной, сорбированной и мн о гих др. форм связывается рыхлыми осадками зе мной коры, погребается вм е сте с ним и и надолго оставляет основной цикл. Осадки в процессе метамо р физации и погружения в глубь Земли под влиян ием давления и высокой те м пературы (например, интрузии) теряют воду, которая поднимается по порам пород и поя вляется в виде горячих источников или пластовых вод на повер х ности Земли, или, наконец, выбрасывается с пар ами при вулканической де я тельност и вместе с некоторым количеством ювенильных вод и газов. Другая же, основ ная масса воды, извлекая растворимые соединения из пород лит о сферы, разрушая их, стекает реками обратно в о кеан. Другой пример - круговорот кальция . Из вестняки (как и др. породы) на континенте разрушаются, и растворимые соли к альция (двууглекислые и др.) реками сносятся в море. Ежегодно в море сбрасы вается с континента около 5-10 8 т кальция. В тёплых морях углекислый кальций интенсивно потребл я ется низшими организмами - форамин иферами, кораллами и др. - на п о стройк у своих скелетов. После гибели этих организмов их скелеты из угл е кислого кальция образуют осадки на дне мо рей. Со временем происходит их метаморфизация, в результате чего формиру ется порода - известняк. При р е гресс ии моря известняк обнажается, оказывается на суше и начинается пр о цесс его разрушения. Но состав вновь обра зующегося известняка н е сколько ин ой. Так, оказалось, что палеозойские известняки более богаты у г лекислым магнием и сопровождаются доломито м, известняки же более молодые - бе д н ее углекислым магнием, а образования пластов доломитов в с о временную эпоху почти не происходит. Наконец , при излиянии лавы известняки части ч но могут быть ею ассимилированы, т. е. войти в большой К. в. Т. о., отдельные циклические процессы, слагающие общий круговорот вещест в на Земле, никогда не являются полностью обратимыми. Часть вещ е ства в повторяющихся процессах превраще ния рассеивается и отвлекается в частные круговороты или захватываетс я временными равновесиями, а другая часть, которая возвращается к прежне му состоянию, имеет уже новые пр и зн аки. Продолжительность того пли иного цикла можно условно оценить по тому вр емени, которое было бы необходимо, чтобы вся масса данного вещ е ства могла обернуться один раз на Земле в том или ином процессе. Табл. 1. - Время, д остаточное для полного оборота вещества Вещество Время (г оды) Углекислый газ атмосферы (через фотосинтез) ок. 300 Кислород атмосферы (через фотосинтез) ок. 2000 Вода океана (путём испарения) ок. 10 6 Азот атмосферы (путём окисления электри ческими разрядами, фотохимическим путём и биологической фиксацией) ок . 10 8 Вещество континентов (путём денудации - выве т ривания) ок. 10 8 В круговороте веществ участвуют химиче ские элементы и соединения, более сложные ассоциации вещества и организ мы. Процессы изменения в е щества мог ут носить преимущественно характер механического перемещ е ния, физико-химического превращения, ещё бол ее сложного биологического преобразования или носить смешанный характ ер. Классификация круговорота веществ на Земле ещё не разработана. Можно го ворить, например, о круговоротах отдельных химических элеме н тов или о биологическом круговороте веществ в биосфере; можно выделить круговорот газов атмосферы или воды, твёрдых веществ в литосфере и, наконец, круговорот веществ в пределах 2-3 смежных г еосфер. Изучением круговорота веществ занимались многие русские учёны е. В. И. Вернадский в ы делил геохимическую группу так называемых цикличе ских химических элементов; к ним относят практически все широко распрос транённые и мн о гие редкие химическ ие элементы, например углерод, кислород, азот, фосфор, с еру, кальций, хлор, медь, железо, йод . В.Р. Вильямс и многие д р. рассматр и вали биологические цик лы азота, углекислоты, фосфора и др. в связи с из у чением плодородия почв. Из цикличности химических элементо в особенно важную роль в биогенном цикле играют углеро д, азот, фосфор, сера . Углерод – основной биогенный элемен т; он играет важнейшую роль в образовании живого вещества биосферы. Угле кислый газ из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелёны ми растениями, ассимилир у ется и пре вращается в разнообразные и многочисленные органические с о единения растений. Растительные организмы, о собенно низшие микроорг а низмы, мор ской фитопланктон, благодаря исключительной скорости ра з множения продуцируют в год около 1,5-10 11 т углерод а в виде органической массы, что соответствует 5,86-10 20 дж (1,4-10 20 кал ) энергии. Растения части ч но поедаются животными (при этом образуются более или менее сложные пищевые цепи). В итоге органическое вещество в результате дыхани я орг а низмов, разложения их трупов, процессов брожения, гниения и горения пр е вращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса , торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим др. каустобиолитам - кам е н ным углям, нефти, горючим газам. Схема круговорота углерода В процессах распада органических вещес тв, их минерализации огро м ную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, пле сневые). В активном круговороте углерода участвует очень небольшая часть всей е го массы. Огромное количество угольной кислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и др. пород. Между углекислым газом атм о сферы и водой океана, в свою очередь, существу ет подвижное равновесие. Табл. 2. - Содержа ние углерода на поверхности Земли и в земной коре. В т В г н а 1 см 2 поверхности Земли Животные 5Ч10 9 0,0015 Расте ния 5Ч10 11 0,1 Атмос фера 6,4Ч10 11 0,125 Океан 3,8Ч10 13 7,5 Масси вные кристаллические пор о ды: базал ьты и др. основные породы 1,7Ч10 14 33,0 граниты, гранодиориты 2,9Ч10 15 567 Угли, н ефти и другие каустобиолиты 6,4Ч10 15 663 Кристаллические сланцы 1Ч10 16 2000 Карбо наты 1,3Ч10 16 2500 Всего 3,2Ч10 16 5770 Многи е водные организмы поглощают углекислый кальций, создают свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера п о полняется углекислым газом благодаря проце ссам разложения органического вещества, карбонатов и др., а также в резул ьтате индустриальной деятельн о ст и человека. Особенно мощным источником являются вулканы, газы кот о рых состоят главным образом из углекисло го газа и паров воды. Некоторая часть углекислого газа и воды, извергаемы х вулканами, возрождается из ос а доч ных пород, в частности известняков. Источником азота на Земле был вулкано генный NH 3 , окисленный O 2 (процесс окисления азота сопровождается нарушением ег о изотопного сост а ва - 14 N- 15 N). Основная м асса азота на поверхности Земли находится в виде газа (N 2 ) в атмосфере. Известны два пути его вовлечения в биогенн ый круг о ворот: 1) процессы электриче ского (в тихом разряде) и фотохимического окисления азота воздуха, дающи е разные окислы азота (NO 2 , NO' 3 и др.), к о тор ые растворяются в дождевой воде и вносятся т. о. в почвы, воду океана; 2) биол огическая фиксация N 2 клубеньковыми ба ктериями, свободными азо т фиксатор ами и др. микроорганизмами. Значение азота в обмене веществ о р ганизмов общеизвестно. Он входит в состав бе лков и их разнообразных пр о изводны х. Остатки организмов на поверхности Земли или погребённые в толще пород подвергаются разрушению при участии многочисленных ми к роорганизмов. В этих процессах органический азот подвергается различным превращениям. В результате процесса денит рификации при участии бакт е рий обр азуется элементарный азот, возвращающийся непосредственно в а т мосферу. Так, например, наблюдаются подзе мные газовые струи, состоящие почти из чистого N 2 . Биогенный характер этих струй доказывается отсу т ствием в их составе аргона ( 40 Ar), обычного в атмосфере. При разложении белков образуют ся также аммиак и его производные, попадающие затем в воздух и в воду океа на. В биосфере в результате нитрификации - окисления аммиака и др. азотсод ержащих органических соединений при участии бакт е рии Nitrosomonas и нитробактерий - образуются различные окислы аз ота (N 2 O, NO, N 2 O 3 и N 2 O 5 ). Азотная кислота с металлами да ёт соли. Калийная селитра образуется на поверхности Земли в кислородной атмосфере в усл о виях жаркого и сухо го климата в местах отложений остатков водорослей. Скопления селитры мо жно наблюдать в пустынях на дне ниш выдувания. В результате деятельности денитрифицирующих бактерий соли азотной кисл о ты могут восстанавливаться до азотистой кислоты и далее до свободного аз о та. Схема круговорота азота Источник фосфора в биосфере - апатит, встречающийся во всех магм а тических породах. В превращениях фосфора бол ьшую роль играет живое в е щество. Ор ганизмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в сост ав белков, нуклеиновых кислот, лецитинов, фитина и др. орг а нических соединений; особенно много фосфора в костях животных. С гиб е лью органи змов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируетс я в виде морских фосфатных конкреций, отложений костей рыб, гуано, что соз даёт условия для образования богатых фосфором пород, которые, в свою оче редь, служат источниками фосфора в биогенном цикле. Схема круговорота фосфора Круговорот серы также тесно связан с живым веществом. Сера в виде трёхокиси (SO 3 ), двуокиси (SO 2 ), сероводорода (H 2 S) и главным об разом элементарной серы выбрасывается вулканами. Кроме того, в природе и мею т ся в большом количестве различ ные сульфиды металлов: железа, свинца, цинка и др. Сульфидная сера окисляе тся в биосфере при участии многочи с ленных микроорганизмов до сульфатной серы (SO'' 4 ) почв и водоёмов. Сул ь фаты поглощаются растениями. В организмах сера входит в состав амин о кислот и белков, а у растений, кроме того, - в состав эфирных масел и т. д. Процессы разрушения остатков организмов в по чвах и в илах морей сопр о вождаются очень сложными превращениями серы. При разрушении белков с участием мик роорганизмов образуется сероводород, который далее окисл я ется либо до элементарной серы, либо до сульф атов. В этом процессе учас т вуют раз нообразные микроорганизмы, создающие многочисленные пром е жуточные соединения серы. Сероводород может вновь образовать "втори ч ные" сульфи ды, а сульфатная сера - залежи гипса. В свою очередь, сульфиды и гипс вновь п одвергаются разрушению, и сера возобновляет свою мигр а цию. В целом всё вещество литосферы интенсивно подвергается превращ е ниям, участвуя в так называемом малом и бо льшом круговороте веществ. Под влиянием лучей Солнца, кислорода, углекис лого газа, воды, живого в е щества про исходит разрушение вещества поверхности Земли. Продукты ра з рушения уносятся ветром или, будучи растворе ны в воде, сбрасываются в моря и океаны, где они осаждаются, откладываются на дне, уплотняются, цементируются, образуют слоистые осадочные породы, а затем под влиянием давления превращаются в кристаллические сланцы. Эт от круговорот вещ е ства Земле назыв ают малым. Схема малого круговорота веществ на Земле В большом круговороте веществ участвую т кристаллические сланцы и др. породы, образующиеся в процессе малого кр уговорота веществ. В резул ь тате дал ьнейшего погружения они попадают в магматическую область Зе м ли, подвергаются действию давления и высокой температуры, переплавляю т ся и в ви де изверженных магматических пород могут быть вновь вынесены на поверх ность Земли. Изучение круговорота веществ на Земле представляет глубок ий практический интерес. Воздействие человека на природные пр о цессы становится всё значительнее. После дствия этого воздействия стали сравнимы с результатами геологических процессов: в биосфере возникают новые пути миграции веществ и энергии, п оявляются многие тысячи химич е ски х соединений, прежде ей не свойственных. Создаются новые водные ба с сейны; тем самым меняется круговорот в оды. В руках человека концентр и руют ся огромные запасы металлов, фосфатов, серы, синтезируются коло с сальные количества азотсодержащих веще ств для удобрения полей и т. д. Меняется обычный ход геохимических процес сов. Глубокое изучение всех природных превращений веществ на Земле - нео бходимое условие раци о нального во здействия человека на среду его обитания и изменения приро д ных условий в желаемом для него направлении. Лит.: Вернадский В. И., Очерки геохимии, 4 изд., М.- Свердловск, 1934; Ферсман А. Е., Ге охимия, т. 1-4, Л., 1933-39; Виноградов А. П., Геох имия редких и рассеянных химич е ских элем ентов в почвах, М., 1950; его же. Введение в геохимию океана, М., 1967; Вил ь ямс В. Р., Собр. соч., т. 6, М., 1951; Большая советская энциклопедия, М., 2001. 2. К акие опасные ущербообразующие геохимические процессы Вы зна е те? К ущербообразующим ге охимическим процессам можно отнести сл е дующие: 1. Из менение водного баланса между поверхностными, грунтов ыми и глубокими подземными водами . Наиболее обычным его следствием является повышение уровня грунтовых вод , вызываемое двумя однонаправленными процессами. Первый процесс - замена естественного почвенного покрова застрое н ными и заасфальтированными территори ями, что практически исключает из водного баланса испарение с поверхнос ти почвы и протечки водопроводных и канализационных систем, круглогоди чно обеспечивающие возможность восполнения ресурсов грунтовых вод (вт орой процесс). Оба эти обстоятел ь ст ва, в сочетании с полной или частичной ликвидацией естественных др е нажных систем, приводят к подъему зерк ала грунтовых вод, подтапливанию оснований и фундаментов зданий и соору жений, снижению несущей спосо б ност и грунтов основания и, как следствие, деформация, а в критических с и туациях - разрушение зданий и сооружений. 2. В настоящее время из всех опасных процессов подтопле ние имеет максимальное распространение, его последств ия могут быть угрожающими или катастрофическими. Из 1092 городов России под топлено около 70%. Подтопление ведет к повышению сейсмичности застроенны х территорий на 1– 2 балла. К загрязнению грунтовых вод тяжелыми металлам и, нефтепроду к тами, хлоридами, соед инениями серы, пестицидами, а в ряде случаев и рад и онуклидами в результате утечки сточных вод из канализац ионных сетей, и н фильтрации атмосфе рных осадков в местах складирования промышленных и бытовых отходов. Тех ногенное подтопление особенно опасно, потому что носит скрытый характе р, его развитие провоцирует возникновение оползней, ка рста и т. д. Подтопление, активно развивающееся в любых климатических услов и ях, сопровождается масштабными экологич ескими последствиями и наносит ущерб здоровью населения. Острота пробл емы наиболее высока на сильно урбанизированных территориях, где концен трация населения сочетается с наличием мощных источников вредного воз действия на окружающую среду. Так, подтопление от 80 до 100% площади урбанизир ованных территорий, х а рактерное дл я Ярославской, Самарской, Саратовской, Краснодарской, Барн а ульской и Новосибирской агломераций, привод ит к существенному росту з а трат на обеспечение комфортной среды проживания человека. 3. В случаях, когда производится промышленная эксплуатация г луб о ких горизонтов подземных вод и возникает адекватная депрессионная воро н ка, при условии постоянного восполнения грунтового водоносно го горизо н та, о чем сказано выше, уси ливается инфильтрация грунтовых вод в глубокие горизонты. Этот процесс активизации вертикального движения подземных вод сопровождается разв итием процессов суффозии (выноса тонк оземистого материала) или карста (раст ворения и выщелачивания карбонатного матер и ала известняков с образованием карстовых полостей). 4. Изменение геодинамической ситуации , вызванное дополнительной, и притом неравномерной пригрузкой поверхности за счет привнесенных масс материалов строительных констру кций, в пределах территории города. Этот фактор дополнительной пригрузк и может сопровождаться также одновр е менной откачкой подземных вод, в случае их использовании для питье вых или технических целей. Как следствие на фоне общег о опускания повер х ности городов (под действием изостатических сил и изъятия подземных вод из порового пространства горных пород основания города), активизиру ются местные, очаговые оползневые и солифлюкционные процессы, способны е в условиях городской застройки привести к деформации зданий, и коммуни к а ций ( оползни ). 5. Внимания заслуживает развитие неблагоприятной инженерно-экологичес кой ситуации городов и поселков, расположенных в мерзлотных условиях. Зи мой, когда поверхность земли начинает замерзать, подземные воды оказыва ются зажатыми между непроницаемыми слоями (слоем мног о летней мерзлоты внизу и замерзшей поверхнос тью земли вверху). Вода нах о дится по д сильным напором, ища себе выхода наружу, она вспучивает почву, образуя л едяные бугры – гидролокалиты . Гидролокалиты и наледи (когда вода замерзает на поверхности) широко распростра нены в Восточной Сиб и ри, Забайкалье , Дальнем Востоке, Канаде и в других районах распростран е ния многолетней мерзлоты. 6. Нарушение геохимического баланса поверхности , грунтов основания и конструкций зданий и сооружений - еще о дин геоэкологический процесс, происходящий в экстремальных климатичес ких условиях и оказывающий решающее влияние на длительную устойчивост и надземных строительных конструкций. Его суть состоит в том, что в услов иях когда испаряемость пр е вышает к оличество осадков, при устойчивом подтоплении внутриквартал ь ных территорий и отсутствии дренажа надмерз лотных вод, удаление какой то части излишней влаги с поверхности и из гру нтов сезонно талого слоя пр о исходи т в результате ее испарения. Испарение, в свою очередь, приводит к последо вательному и непрерывному возрастанию минерализации надмер з лотных вод. Однако известно, что чем выше мине рализация воды, тем более низкие температуры потребны для ее замерзания . Следствие этого процесса - сохранение остаточных или формирование новы х линз жидкой воды, име ю щей отрицат ельную температуру, существующих круглогодично. Такие о т рицательнотемпературные воды получили наз вание криопэги от латинского криос - х олод, и пэги - воды. При миграции линз криопэгов в случае, если линза переме стится в основание здания может привести к деформации фу н дамента и самого здания. 3. Что общего можно найти между ф ункциональной структурой экол о гической системы и организацией хозяйства, например, фермерского? Экология (от греч. жилище, местопребывание и понятие, учение) — наука, изу чающая взаимоотношения организмов друг с другом и со средой их обитания . Впервые термин “экология” ввел в 1866 г . немецкий биолог Эрнст Геккель. Экология — это наука о выживании чел овечества в условиях экологического кризиса, т.е. в условиях напряженног о состояния во взаим о отношениях об щества с окружающей средой из-за несоответствия произво д ственных сил и производственных отношений о бщества природоресурсному потенциалу биосферы. Экологическая система - закрытая, функционально единая совоку п ность организмов (растений, животных и ми кроорганизмов), населяющих общую территорию и способных к длительному с уществованию при полн о стью замкну том круговороте веществ (т. е. при отсутствии материального обмена через её границы). Принцип экологической системы используется в организации х озяйства, например фермерского. Основу такой искусственно создаваемой экологической системы составляют растения, которые за счёт энергии све та в процессе фотосинтеза поглощают двуокись углерода и выд е ляют кислород, т. е. осуществляют регенерацию атмосферы. Биомасса раст е ний испол ьзуется в пищу человеком и животными, которые, в свою очередь, могут входи ть в пищевой рацион человека. Неиспользованная биомасса ра с тений, продукты жизнедеятельности человека и животных разлагаются ми к роорган измами до воды, двуокиси углерода и минеральных веществ, которые вновь и спользуются растениями. Таким образом, в фермерском хозяйстве возникае т замкнутая система круговорота веществ, которая похожа на фун к циональную структуру экологической сис темы. 4. Назовите и опишите основные и сточники ядовитых химических отх о дов. На всех стадиях своего р азвития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появ илось высокоиндустри альное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно ста ло многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опас ностью для челов ечества. Наиболее масштабным и значительным является химическое загря знение среды несвойственными ей ядовитыми веществами химического прои схождения. Источники загрязнения атмосферы: Сейчас существует три ос новных химических источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт . Доля кажд ого из этих источников в загрязнении воздуха сильно различается. Наибол ее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загр язнений - теплоэлектростанции , которы е вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; метал лургические предприятия , особенно цветной металлургии, кото рые выбрасывают в воздух оксиды азота, серово дород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попа дают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промыш ленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и пе рераб отки бытовых и промышленных отходов. Основным источником пирогенного з агрязнения на пла нете являются тепловые электростан ции , металлургические и хи мические предприятия, котельные установки , потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными пр имесями пирогенного происхождения являются следующие: а) Оксид углерода . Получается при неполном сгорании угле родистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными г азами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступ ает в атмосферу не ме нее 250 млн.т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частя ми атмосферы и способствует по вышению температуры на планете, и создан ию парникового эффек та. б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серу содержащего топлив а или переработки сернистых руд (до 70 млн.т. в год). Часть соединений серы выде ляется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечны м продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дожд евой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Вы падение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов х имических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влаж ности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоян ии менее 1 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими не кротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. г) Сероводород и сероу глерод. Основными ис точниками выброса являются предпр иятия по изготовлению ис кусственного волокна, сахара, коксохимические , нефтеперераба тывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимод ейс твии с другими загрязнителями подвергаются медленному окисле нию д о серного ангидрида. д) Оксилы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, произ водящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красит ели, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азот а, поступающих в ат мосферу, составляет 20 млн.т. в год. е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по произ водству алюминия, эмалей, стекла, керами ки, стали, фосфорных удобрений. Ф торосодержащие вещества пос тупают в атмосферу в виде газообразных сое динений - фторово дорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения ха ракте ризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильн ыми инсектицидами. ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, произв одящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические краси тели, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются к ак примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора опр еделяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической про м ышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходи т выброс в атмосферу различных тяжелых метал лов и ядовитых газов. Аэрозольное загрязне ние атмосферы Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые к омпоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у л юдей вы зывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загр язнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дым ки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жи дких частиц между собой или с во дяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Зе мли ежегодно поступает около 1 куб.км. п ы левидных частиц искусственного происхождения. Большое коли чество пы левых частиц образуется также в ходе производствен ной деятельности лю дей. Сведения о некоторых источниках тех ногенной пыли приведены ниже: ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦ ЕСС ВЫБРОС ПЫЛИ,МЛН.Т./ГОД 1. Сжигание каменного у гля 93,60 2. Выплавка чугуна 20,21 3. Выплавка меди (без очис тки) 6,23 4. Выплавка цинка 0,18 5. Выплавка олова (без очи стки) 0,004 6. Выплавка свинца 0,13 7. Производство цемент а 53,37 Основными источниками и скусственных аэрозольных загрязне ний воздуха являются ТЭС, которые по требляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургич еские, цемент ные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава . Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и уг лерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля , свинца, сурьмы, висму та, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальт а, мо либдена, а также асбест. Пос тоянными источниками аэрозольного загр язнения являются про мышленные отвалы - искусственные насыпи, образуемы е при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий пе рераб атывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядови тых газов служат массовые взрывные работы. К атмосферным ядовитым химическим отходам от носятся углеводо роды . Они подвергают ся различным превращениям, окисле нию, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной ради ацией. В ре зультате этих реакций образуются перекисные соединения, сво бодные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образо вываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных п римесей в приземном слое воздуха. Фотохимический тума н (смог) Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного про исхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соед инения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксиданта ми. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высо кой концентрации оксид ов азота, углеводородов и других заг рязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое п ри мощной инверсии. Химическое загрязне ние водоемов Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влия ние условия формирова ния поверхностного или подземного водного стока, разнообраз ные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальн ое строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятель ность чело века. Последствием этих влияний является привнесе ние в водную среду но вых, несвойственных ей веществ - загряз нителей , ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную с реду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и з адач. Так, обычно выделяют химическое, физическое и биологические загряз нения. Химическое загрязне ние представляет собой изменение естествен ных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных при месей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинист ые частицы), так и органической природы (нефть и неф тепродукты, органичес кие остатки, поверхностно активные ве щества, пестициды). Неорганическое загр язнение Основными неорганическим и (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообр азные ядовитые химические сое динения. Это соедине ния мышьяка, свинца, к адмия, ртути, хрома, меди, фтора. Боль шинство из них попадает в воду в резул ьтате человеческой дея тельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопла нктоном, а за тем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным ор ганизмам. Токсический эффект некоторых наиболее распростра ненных загрязнителей гидросферы представлен в таблице: ВЕЩЕСТВО ПЛАНКТОН РАКООБРАЗНЫЕ МОЛЛЮСКИ РЫБЫ 1. Медь +++ +++ +++ +++ 2. Цинк + ++ ++ ++ 3. Свинец - + + +++ 4. Ртуть ++++ +++ +++ +++ 5. Кадмий - ++ ++ ++++ 6. Хлор - +++ ++ +++ 7. Роданид - ++ + ++++ 8. Цианид - +++ ++ ++++ 9. Фтор - - + ++ 10. Сульфид - ++ + +++ Степень токсичности (при мечание): - - отсутствует +++ - сильная + - очень слабая ++++ - очень сильная ++ - с лабая Сре ди основных источников загрязнения гидросферы ядовитыми химическими отходами следует упомянуть предпри ят ия пищевой промышленности и сельское хозяйство. С орошаемых земель ежег одно вымывается около 6 млн.т. солей. К 2005 году возможно увеличение их массы до 12 млн.т./год. Отходы, содер жащие ртуть, св инец, медь локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за преде лы территориальных вод. Загрязнение ртутью значительно снижа ет первичную продукцию морских экосистем, под авляя развитие фитопланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скаплива ются в донных отложениях заливов или эстуариях рек. Дальнейшая ее миграц ия сопровождается накоплением метиловой ртути и ее включением в трофич еские цепи водных организмов. Так, печаль ную известность приобрела бол езнь Минамата, впервые обнару женную японскими учеными у людей, употреб лявших в пищу рыбу, выловленную в заливе Минамата, в который бесконтроль но сбра сывали промышленные стоки с техногенной ртутью. Органическое загряз нение. Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ большое значение для обитателей водной среды имеют и органические остатки (300-380 млн.т./год). Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагуб но влияют на состояние во доемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или пол ностью прекращают жизнедея тельность данных микроорганизмов, участву ющих в процессе само очищения вод. При гниении данных осадков могут обра зовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как серово дород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке. На личие суспензи й затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процесс ы фотосинтеза. Нефть и нефтепроду кты Нефть и нефтепродукты яв ляются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районо в добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балла стных вод - все это обусловливает присутствие постоянных полей загрязне ния на трассах морских путей. Большие массы неф ти поступают в моря по рек ам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн.т./год . Со стоками пром ышленности ежегодно попадает 0,5 млн.т. н ефти. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифотических и гидроаром атических углеводородов. Основные компо ненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса: а) Парафины (алкены). - (до 90% от общего состава) - ус тойчивые вещества. Легкие парафины обладают макси мальной летучестью и растворимостью в воде. б) Циклопарафины. - (30 - 60% от общего состава) насыщенные цикличе ские соединения. Кроме циклопентана и циклогексана, в нефти встречаются бицик лические и полициклические соединения этой группы. Эти соеди нен ия очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению. в) Ароматические углев одороды. - (20 - 40% от общего состава) - ненасы щенные циклические соединения ряда бензола, со держащие в кольце на 6 ато мов углерода меньше, чем циклопара фины. В нефти присутствуют летучие со единения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бицик лические ( н афталин) , полуциклические ( пирен). г) Олефины (алкены). - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные неци клические соединения. Пестициды Пестициды составляют гру ппу искусственно созданных ве ществ, используемых для борьбы с вредител ями и болезнями рас тений. Пестициды делятся на следующие группы: инсектициды - для борьбы с вредными насеко мыми, фунгициды и бактерициды - для бор ьбы с бактериальными болезнями растений, гербициды - против сорных растений. Установлено, что пестициды, унич тожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подры вают здоровье людей и животных. В сельском хозяйстве давно уже сто ит проблем а перехода от химических (загрязняющих среду) к би ологическим (экологич ески чистым) методам борьбы с вредителя ми. В настоящее время на мировой р ынок поступает более 5 млн.т. пестицидо в. Про мышленное производство пестицидов сопровождается появлением бо льшого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водн ой среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгецид ов и гербицидов. Синтезированные инсек тициды делятся на три основных г руппы: хлороорганические, фосфороорганические и карб онаты. Хлороорганические инсектици ды получают путем х лорирования ароматических и гетероцикли ческих жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его произ водные, в молекулах которых устойчивость алифатических и аро матических групп в совместном присутствии возрастает, всевоз можные хлорированные прои зводные хлородиена (элдрин). Эти ве щес тва имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчи вы к биодеградации. В водной среде часто встре чаются п олихлорбифенилы - производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. Полихлорбифенилы ( ПХБ) попад ают в окружающую среду в ре зультате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в ат мосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во все районах Земного шара. Синтетические повер хностно-активные вещества. Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в с остав синтетических моющих средств ( СМС) , широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами С ПАВ попадают в материковые воды и морс кую среду. СМС содержат полифосфаты натрия , в которых растворены детергенты, а также ряд добавоч ных ингредие нтов, токсичных для водных организмов: ароматизи рующ ие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербора ты), кальциниро ванная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. П рисутствие СПАВ в сточных водах про мышленнрсти связано с использовани ем их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение про дуктов химичес ких технологий, получение полимеров, улучшение условий б уре ния нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудова ния. В с ельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестици дов. Соединения с канцер огенными свойствами. Канцерогенные вещества - это химически однородные соед инения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организ мах. В зависимости от условий воздействия они могут приводить к ингибированию роста, ускорению старения, нарушению индиви д уального развития и изменению генофонда организмов. К ве ществам, облад ающим канцерогенными свойствами, относятся хло риров анные алифатические углеводороды, винилхлорид, и особе н но, полициклические ароматические углеводороды (ПА У). Основные антропогенные источники П АУ в окружающей среде - это пиролиз органических веществ при сжи гании ра зличных материалов, древесины и топлива. Тяжелые металлы. Тяжелые металлы (ртуть, сви нец, кадмий, цинк, медь, мышь як) относятся к числу распространенных и весь ма токсичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных п ро мышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероп риятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах д овольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через а тмосферу. Для морских биоценозов на иболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При вы ветрива нии осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содер жится около 12 тыс.т. ртути, причем значи тельная часть - антропогенного про ихождения. Около половины годового п ромышленного производства этого металла ( 910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняе мых промышленными водами, концент рация ртути в растворе и взвесях силь но повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокото ксичную ме тилртуть . Заражение морепр одуктов неоднократно приводило к ртутному отравлению прибрежного насе ления. К 1977 году насчи тывалось 2800 жертв болезни Миномата, причиной которой по слу жили отходы предприятий по производству хлорвинила и ацеталь дегид а, на которых в качестве катализатора использовалась хлористая ртуть. Свин ей - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окруж ающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых ор ганизмах. Наконец, свиней активно рассеивается в окружающую среду в про цессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленным и и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопн ыми газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосфе ру.