МГЕО "Наш дім - Манява" » Каталог статей » Основні поняття та терміни екологічної хімії

Основні поняття та терміни екологічної хімії

28.04.2017 / Коментарів: 0 / Категорія: / Добавив: Гість

Екологічні чинники середовища

Навколишнє середовище організму – це природні тіла і явища, з якими він перебуває у прямих чи непрямих стосунках. Умови середовища, здатні здійснювати прямий чи непрямий вплив на живі організми, називаються екологічними чинниками. Існує кілька класифікацій екологічних чинників середовища. Найпростішою є класифікація, за якою екологічні фактори середовища поділяються на дві категорії: абіотичні фактори (фактори неживої природи) та біотичні фактори (фактори живої природи).

До абіотичних факторів належать кліматичні – світло, температура, волога, рух повітря, тиск; едафогенні (ґрунтові) – механічний склад, вологоємність, повітропроникність, щільність; орографічні – рельєф, висота над рівнем моря, експозиція схилу; хімічні – газовий склад повітря, сольовий склад середовища, концентрація, кислотність і склад ґрунтових розчинів.

До біотичних факторів відносяться фітогенні (рослинні організми), зоогенні (тварини), мікробіогенні (віруси, найпростіші, бактерії, ріккетсії) й антропогенні (діяльність людини).

Вплив хімічного компонента абіотичного фактора на живі організми виражається  існуванням певних верхніх та нижніх меж амплітуди припустимих коливань окремих факторів (температура, солоність, рН, газовий склад тощо), тобто визначений режим існування. Чим ширші межі якого-небудь фактора, тим вищою є стійкість чи, як її називають, толерантність, даного організму.

Фактором розвитку, що лімітує ріст рослин, є елемент, концентрація якого лежить у мінімумі. Це визначається законом, названим законом мінімуму Ю.Лібіха (1840). Урожай культур часто лімітується елементами живлення, не такими як СО2 і Н2О, а тими, яких є достатньо, котрі необхідні в незначних кількостях. Наприклад, бор –  необхідний елемент живлення рослин, але з малим вмістом у ґрунті. Коли в результаті вирощування однієї культури, його запаси вичерпуються, то ріст рослин припиняється, навіть за достатньої наявності інших елементів.

Закон Лібіха застосовується тільки в умовах стаціонарного стану. Іноді організм здатний замінювати (частково) дефіцитний елемент іншим, більш доступним і хімічно близьким йому. Так, деяким рослинам потрібно менше цинку, якщо вони ростуть на світлі, а молюски, що живуть у місцях, де є багато стронцію, при побудові раковини, заміняють ним частково кальцій.

1.1.1.Аеробні та анаеробні організми

Аеробними називають такі організми, які здатні жити і розвиватися лише за наявності у середовищі вільного кисню, який  використовують як окиснювач. До аеробних організмів належать усі рослини, більшість найпростіших та багатоклітинних тварин, майже всі гриби, тобто переважна більшість відомих видів живих істот. Аеробні організми здійснюють біологічне окиснювання, головним чином за допомогою клітинного дихання. У зв’язку з утворенням при окисненні токсичних продуктів неповного відновлення кисню, аеробні організми мають ряд ферментів (каталазу, супероксиддисмутазу),  що забезпечують їх розкладання та відсутність чи слабке функціонування в облігатних анаеробів, для яких кисень через це виявляється токсичним. Найрізноманітніший дихальний ланцюг у бактерій, наділених не тільки цитохромоксидазою, а й іншими термінальними оксидазами.

Особливе місце серед аеробних організмів займають організми, здатні до фотосинтезу – ціанобактерії, водорості, судинні рослини. Кисень, що вивільнюється цими організмами, забезпечує розвиток усіх інших аеробних організмів. Організми,  здатні розвиватися за низької концентрації кисню (Ј 1 мг/л), називаються мікроаерофілами.

Анаеробні організми здатні жити і розвиватися за відсутності в середовищі вільного кисню. Поширені вони переважно серед прокаріотів. Їх метаболізм зумовлений необхідністю використовувати не кисень, а інші окиснювачі. Багато анаеробних організмів, які використовуються органічними речовинами (усі еукаріоти, що одержують енергію в результаті гліколізу), здійснюють різні типи шумування, за яких утворюються відновлені сполуки: спирти, жирні кислоти. Інші анаеробні організми – денітрофікувальні (частина з них відновлює окисне залізо), сульфат-відновлювальні, метанутворювальні бактерії – використовують неорганічні окиснювачі: нітрати, сполуки сірки, СО2.

Анаеробні бактерії поділяються на групи маслянокислих і т.д., відповідно до основного продукту обміну. Особливу групу анаеробів складають фітотрофні бактерії. Стосовно О2 анаеробні бактерії поділяються на облігатні, що нездатні використовувати його в обміні, та факультативні (наприклад, денітрифікувальні), які можуть переходити від анаеробіозу до розвитку в середовищі з О2. На одиницю біомаси анаеробні організми утворюють багато відновлених сполук, основними продуцентами яких вони є у біосфері. Послідовність утворення відновлених продуктів (N2, Fe2+, H2S, CH4), що спостерігається при переході до анаеробіозу, наприклад у донних відкладах, визначається енергетичним виходом відповідних реакцій. Анаеробні організми розвиваються в умовах, коли О2 цілком використовується аеробними організмами, наприклад у стічних водах, мулах.

  1. Класифікація небезпечних хімічних речовин

Хімічне забруднення є наростаючою загрозою існування навколишнього середовища.

Масштаби техногенного хімічного забруднення природного середовища не можна точно оцінювати, однак дані, що наводяться в літературі, свідчать про високу ціну, яку доводиться платити людині за успіхи, досягнуті в ході науково-технічного прогресу. Так, за один рік на Землі спалюється 7 мільярдів тонн умовного палива і виплавляється понад 800 мільйонів тонн різних металів, що супроводжується виділенням у навколишнє середовище сотень мільйонів тонн шкідливих речовин. Відомо, що в біосферу вже із середини

сімдесятих років щорічно надходило 600 мільйонів тонн токсичних газоподібних речовин, у тому числі оксиду вуглецю(II) – 200 мільйонів тонн, сірчистого газу – 150 мільйонів тонн, кілька мільярдів тонн різних аерозолів, 5500 мільярдів кубічних метрів стічних вод.

Нині під токсикантами навколишнього середовища розуміють такі небезпечні хімічні  речовини, які поширюються в навколишньому середовищі далеко за межі свого первісного місцеперебування і здійснюють прихований шкідливий вплив на тварин, рослини та згодом і на людину.

За визначенням: справжні токсиканти – це ті небезпечні речовини, які сама людина необачно включає в кругообіг природи. Основним ядром небезпечних речовин-токсикантів навколишнього середовища є пестициди. Ця загальна назва охоплює всі засоби бо-ротьби зі шкідливими організмами.

Поняття «біоцид» часто поширюється на ті біологічно активні речовини, що потрапляють із промислових стічних вод у біологічний кругообіг речовин. Наприклад, HCN –  синильна кислота є інсектицидом, а тому також і біоцидом, але вона швидко випаровується і не може бути включена в розряд токсикантів навколишнього середовища.

1.2.1. Неорганічні небезпечні речовини

Проблема деградації навколишнього середовища значною мірою повʼязана з негативним впливом неорганічних речовин, серед яких найбільшу екологічну небезпеку створюють метали і їхні сполуки, а також діоксид сірки й оксиди азоту. Сполуки металу, що потрапляють до живої клітини, спочатку викликають найпростішу хімічну реакцію, з якої потім виникає каскадний відгук усе більш складніших взаємодій біологічних молекул та їх груп.

Процеси метаболізму включають цілий ряд металів. Ці метали є життєво важливими для живих організмів. Так, залізо і мідь – транспортери кисню в організмі, натрій і калій регулюють клітинний осмотичний тиск, магній і кальцій (та деякі інші метали) активізують ензими – біологічні каталізатори.

Багато металів у вигляді основних сполук знайшли своє застосування в медицині  як лікарські та діагностичні засоби. Інші ж виявилися вкрай небезпечними для живих організмів, і їх невеликі надлишкові дози мають фатальний вплив.

Активність металів як отрут значною мірою залежить від форми, у якій вони потрапляють до організму. Так, відомий усім миш’як, отруйний у тривалентному стані і практично неотруйний у п’ятивалентному стані. А сполуки миш’яку (CH3)3As+CH2COO  взагалі неотруйні і наявні в тканинах деяких морських ракоподібних та риб, звідки надходять до організму людини.

Денна потреба цинку становить 10–15 мг, але великі дози негативно впливають на організм. Однак іон Zn2+ добре комплексується фосфатними групами, які відщеплюються від нуклеїнових кислот і ліпідів. У результаті іон Zn2+ переходить у менш отруйну форму і легко виводиться з організму:

 
   

Барій є небажаним металом для живої клітини, але сульфат барію практично нерозчинний у воді й виводиться з організму без будь-якого впливу, що дає змогу застосовувати його під час рентгенівських досліджень шлунково-кишкового тракту.

Ртуть не впливає на організм у вигляді одновалентних сполук. Так, каломель (Hg2Cl2) майже неотруйна, але двовалентний іон Hg2+, як і пари ртуті, здійснює токсичну дію.

Біологічна активність металів, пов’язана з їхньою здатністю ушкоджувати клітинні мембрани, підвищує проникність бар’єрів для звʼязування з білками, блокування багатьох ферментних систем, що призводять до ушкоджень організму.

Усі метали за ступенем токсичності можна розділити на три групи:

1) високотоксичні – ртуть, уран, індій, кадмій, мідь, талій, мишʼяк, золото, ванадій, платина, берилій, срібло, цинк, нікель, бісмут;

2) токсичні – манган, хром, паладій, свинець, осмій, барій, іридій, олово, кобальт, галій, молібден, скандій, сурма, рутеній, родій, лантан, лантаноїди;

3) малотоксичні – алюміній, залізо, германій, кальцій, магній, стронцій, цезій, рубідій, літій, титан, натрій.

Метали розміщуються в кожному ряді за мірою зменшення їх токсичності. Якщо токсичність іонів Na+ взяти за одиницю, то токсичність іона ртуті буде майже в 2300 разів вищою.

Ртуть як небезпечна речовина навколишнього середовища

Небезпечні сполуки ртуті виявляються в усіх трьох середовищах існування живих організмів. Саме живі організми сприяють ефективному транспортуванню цього отруйного елемента з одного середовища в інше. На цьому прикладі можна проілюструвати процес нагромадження отрут у харчових ланцюгах (рис. 1).

Установлено, що кофермент метилкобаланін (Co63H91N12O14P) у живих організмах метилює ртуть, даючи (СН3)Hg+:

               (СН3)[Co]+ + Hg2+ → (CH3)Hg+ + [Co]2+.

У процеси міграції метилртуті втручається і виробнича діяльність людини.

Яким би шляхом ртуть не потрапила до води, мікроорганізми метилюють її, і при цьому завжди утвориться метилртуть CH3Hg+ чи (CH3)2Hg  диметилртуть. З’ясувалося, що саме диметилртуть  надзвичайно небезпечна! Характерно те, що (CH3)2Hg – жиророзчинна речовина, здатна, проникаючи через стінки клітин, потрапляти в організм людини не тільки через травний тракт, але й через дихальні шляхи і просто через шкіру. Існування цієї сполуки в живій клітині триває близько 70 днів, у зв’язку з цим здійснюється тривалий токсичний вплив.

Таблиця 1.1

Головні токсичні сполуки ртуті

Сполуки

Застосування

CH3Hg, EtHg*

Фунгіциди

RHg (X=Ac, Py+)

Каталізатори у виробництві поліуретану, полівінілацетату

PhHg

Фунгіциди, бактерициди

CH3OCH2CH2Hg

Фунгіциди

Тіомерцал (похідна EtHg+)

Антисептик

Мерцаліл (метоксиалкільна похідна ртуті)

Діуретин

* Органічний чи неорганічний аніон.

Ще одним джерелом органічних похідних ртуті є виробництво інших металоорганічних сполук, з яких у результаті реакцій переалкілування виходить метилртуть:

(CH3)4Sn + Hg2+ ® CH3Hg+ + (CH3)3Sn+;

(CH3)4Si + Hg2+ ® CH3Hg+ + (CH3)3Si+.

Тетраметильні та інші органічні похідні олова і кремнію широко виробляються промисловістю і мають свої сфери застосування. Так, кремнійорганічні сполуки використовуються як мастильні матеріали, як каучуки в медицині тощо. Оловоорганічні – як хімічні засоби для захисту рослин (фунгіциди, гербіциди, інсектициди).

Наслідки дії метилртуті.

Гусенята, отруєні метилртуттю, народжувалися сліпими, деякі ділянки шкіри були не покриті пір’ям. У риб, отруєних метилртуттю, порушується координація руху, вони відстають від косяка і стають поживою для птахів. Щодо диких тварин, то найбільше ртуті знайдено у печінці кабанів і зайців. У печінці тюленів Північного моря виявлений вміст ртуті,  набагато більший ГДК.

У Швеції в 50-х роках проводилася масова обробка зерна метилртутьдиціанамідом. Результат – загибель зерноїстівних птахів (голубів, фазанів, курей, куріпок, вівсянок). Другий ланцюг – загибель хижих птахів: сов, боривітрів, яструбів, соколів-сапсанів, пугачів. Це екологічна катастрофа! У США у зв’язку з цим мисливці більше не вживають добуту ними пернату дичину.

Всесвітня організація охорони здоров’я вважає, що ГДК для ртуті в рибі може становити 1 мг/кг. Незважаючи на це, у Фінляндії рекомендується їсти рибу тільки один-два рази в тиждень. У Бразилії численні отруєння ртуттю пояснюються тим, що населення дуже любить вживати в їжу рибу піранью.

У людини ртуть накопичується у волоссі. Це індикатор! Якщо вміст ртуті в окуні становить 0,8 мг/кг маси, то в щуки він сягає вже 1,6 мг/кг. Після вживання такої щуки в їжу у волоссі людини вміст ртуті може становити 50 мг/кг, якщо ж 300 мг/кг маси, це стає смертельно небезпечним. Вплив ртуті на організм людини викликає ураження головного мозку, втрату зору аж до повної сліпоти. Виявлено також вплив на спадковість: метилртуть викликає аномальні мітози, злам хромосом у 1000 разів сильніший, ніж у разі дії такої отрути, як колхіцин. Наслідком ртутних отруєнь у Швеції та Японії стали уроджені каліцтва у дітей.

Свинець як небезпечна речовина навколишнього середовища

Свинець належить до найбільш відомих отрут. У часи розквіту Старого Риму використовувалися свинцеві труби для водопроводів і металеві сплави, що містять свинець, з яких виготовляли кухонний посуд і посуд для пиття. Можна з упевненістю сказати, що в цей період у представників вищої верстви римського суспільства в організмі накопичувалися підвищені концентрації свинцю. У кістках з поховань часів Римської імперії фіксується високий вміст свинцю. На цих даних базуються теорії, що пояснюють занепад римської могутності хронічним свинцевим отруєнням інтелігенції. На підтвердження цього припущення був проведений експеримент:  у посуд, вкритий свинцевою глазур’ю, вливали  вино чи сік. Один літр фруктового соку чи вина, який так зберігався протягом дня, містив стільки свинцю, що його вистачило б викликати смертельне отруєння у маленької дитини.

За даними Інституту охорони повітряного середовища в Дюссельдорфі, нагромадження свинцю в організмі викликає погіршення розумових здібностей у населення. Методом атомно-адсорбційної спектроскопії досліджувався вміст свинцю в молочних різцях у дітей. Одночасно відстежувався їхній розумовий розвиток за допомогою тестів. У всіх випадках діти з високим вмістом свинцю в зубах гірше справлялися з завданнями. Отже, навіть малі дози свинцю в організмі мають негативний вплив на увагу і центри, що регулюють мовні і розумові навички. Крім того, за станом зубів таких дітей виявили, як довго мешкала дитина біля виробництва із використанням свинцю і працював її батько на цьому виробництві.

Подібно до інших важких металів, свинець є складовою  різних клітинних ферментів, що згодом втрачають свої функції в організмі. Свинець (як ртуть і кадмій) негативно впливає на реакцію паличок сітківки, що викликає погіршення сутінкового зору і є дуже небезпечним для водіїв автотранспорту. Субклінічне отруєння свинцем виявляється неспецифічними симптомами: спочатку підвищена активність і безсоння, потім – стомлюваність, депресії і запори. Більш пізніми симптомами є розлади функцій нервової системи,  ураження головного мозку. Деякі вчені схильні пояснювати свинцевим отруєнням агресивність і злочинність,  характерні для сучасного світу.

У Балтійське море щорічно надходить 5400 тонн свинцю, причому 75% цієї кількості – з повітря. Навіть у льодовиках Гренландії виявлено підвищений вміст свинцю. Токсикантом навколишнього середовища при цьому є алкілові сполуки свинцю, що додаються до автобензину як антидетонатор. Етилований бензин став відомий як біоцид, що потрапляє в харчовий ланцюг, після того як у США загинуло кілька телят унаслідок свинцевого отруєння, викликаного вживанням молока корів, що харчувалися травою, яку скосили на узбіччях автострад. Знизити забруднення повітря і ґрунту можна лише у разі повної відмови від використання етилованого бензину. Люди, які живуть поблизу автомагістралей з інтенсивним рухом, за кілька років накопичують в організмі таку кількість свинцю, яка перевищує ГДК у багато разів. Нині вміст свинцю в організмі американців приблизно в 400 разів вищий від «природного» (доіндустріального) рівня.

На околицях міста Норденхама (Німеччина) дуже часто гинули корови на пасовищах. У результаті дослідження трупів з’ясувалося, що причиною було свинцеве отруєння. При рентгенівському обстеженні місцевих школярів були виявлені темні смуги на трубчастих кістках, обумовлені наявністю свинцю. Джерелом свинцю виявилися труби металургійного заводу. У зоопарку за 7 км від цього міста у 1973 році в тропічному вольєрі була поселена колонія летючих собак (калонгів). Потомство цих тварин безупинно гинуло (з 24 дитинчат померло 20). Смерть більшості з них викликана свинцевим отруєнням (у печінці тварин було виявлено від 1,6 до 9,4 мг/кг свинцю), причому свинець надходив не з їжею, а з пилом, принесеним вітром у район зоопарку.

Близько 2/3 усього поглиненого свинцю людина одержує, споживаючи рослинні продукти: листяні та стеблові продукти. Свинець, що поглинається листяними овочами, на 95% акумулює його з повітря і лише на 5%  –  із ґрунту. Тому з погляду безпеки збирання опалого листя корисне, хоча і виводить азот із кругообігу речовин.

Свинець може потрапляти в організм людини і при вживанні в їжу м’яса безхребетних, риби і ссавців. Наприклад, устриці  концентрують свинцю більше, ніж у 500 разів. М’ясо свиней, відгодованих борошном із китового мʼяса (наприклад, в Австралії), містить свинцю в багато разів більше, ніж у рибі,  яку визнали непридатною до вживання.

За різними оцінками, у результаті отруєння свинцем в Англії щорічно гине від 2700 до 3500 лебедів. Водоплавні птахи ковтають свинець разом з їжею, яку добувають із дна рік і озер, а потрапляє він туди у вигляді свинцевих грузил, застосовуваних рибалками, і свинцевого дробу. У 1982 році англійською радою із охорони природи рибалкам рекомендовано добровільно відмовитися від використання свинцевих грузил. Але заміну їм поки що не знайшли.

У США дозволено при полюванні використовувати тільки сталевий дріб.

Кадмій як небезпечна речовина навколишнього середовища

«Важкий метал» кадмій взагалі є одним із найнебезпечніших речовин (токсичніший, ніж свинець). У природному середовищі кад-мій зустрічається лише в дуже малих кількостях, тому його отруйна дія виявлена недавно. Його мазут містить і дизельне паливо,  сплави (як присадки), гальванічні покриття, кадмієві пігменти (використовувані у виробництві лаків, емалей, кераміки),  пластмаси (як стабілізатор), електричні батарейки і т.д. У результаті спалювання відходів пластмас і промислових виробництв кадмій потрапляє в повітря. Наприклад, у Балтійське море (за даними Хаянена, 1993) щорічно надходить близько 200 тонн кадмію. А в усьому світі в навколишнє середовище щорічно викидається близько 5000 тонн цього металу.

Кадмій небезпечний у будь-якій формі. Доза  30–40 мг смертельна. Навіть лимонад із посуду, що містить кадмій в емалі, небезпечний. Виводиться він з організму дуже погано, лише 0,1% за добу. Ранніми симптомами отруєння кадмієм є ураження нервової системи, білок у сечі, порушення функції статевих органів (вплив на яєчники), гострі кісткові болі в спині і ногах. Крім того, кадмій викликає порушення функції легень і має канцерогенну дію, накопичується у бронхах (вміст 0,2 мг Cd на 1кг маси бронхів викликає важке отруєння).

Причиною включення кадмію в харчові ланцюги є промислові газоподібні викиди. Людина одержує кадмій в основному з рослинною їжею, тому що він легко засвоюється рослинами з ґрунту (до 70%). Дуже велику небезпеку в цьому відношенні мають гриби. Лугові печериці можуть накопичувати до 170 міліграм на кілограм грибів. Федеральна влада Німеччини рекомендує менше вживати в їжу дикі гриби, а також свинячі та яловичі легені.

Нестача заліза в організмі підсилює акумуляцію кадмію. Тому жінки більш схильні до отруєння кадмієм, оскільки під час менструальних циклів разом із кров’ю втрачають багато заліза, особливо небезпечно це вагітним жінкам, тому що багато заліза забирає печінка дитини. У цих випадках необхідна профілактика відновлення вмісту заліза і захист від акумуляції кадмію.

Неприпустимо використовувати мул донних відкладів у разі очищення русла рік як добрива, тому що цукровий буряк, картопля, селера концентрують кадмій.

Джерела забруднення кадмієм:

– спалювання камʼяного вугілля (1 тонна вугілля містить 2г кад-мію);

– фосфатні добрива;

– відходи виробництва пластмас;

–  легені тварин.

Вміст кадмію в легенях тварин накопичується з віком. З підвищенням дози добрив підвищується вміст кадмію в ґрунті, а потім і в рослинах, якими харчуються тварини.

1.2.2. Діоксини та їх аналоги

З органічних сполук-забруднювачів виділені «пріоритетні», що становлять найбільшу небезпеку для людини зараз і в майбутньому.

Це насамперед поліхлоровані діоксини, дибензофурани та інші родинні хлорвмісні органічні сполуки.

Через високу токсичність їх відносять до особливого класу забруднювальних речовин – екотоксиканти або суперекотоксиканти.

Діоксини відносять до  ксенобіотиків, речовин чужорідних живому організму. Діоксини – поліхлоровані сполуки, що містять ароматичні ядра і є суперекотоксикантами.

Сьогодні в результаті господарської діяльності людини в біосфері циркулює велика кількість різних чужорідних для людини сполук, або ксенобіотиків, багато з яких мають винятково високу токсичність.

Проблема діоксинів має особливо небезпечний характер для людства, зважаючи на надзвичайно підступний характер їх токсичності. Діоксини утворюються дуже легко під час багатьох буденних та незамінних процесів життєдіяльності людини, а визначити їх наяність у навколишньому середовищі важко.


Коментарі (0)

Коментувати

Додавати коментарі можуть тільки зареєстровані користувачі.
[ Регистрация | Вход ]
Молодіжна громадсько-екологічна організація "Наш дім - Манява"© 2003-2017/ All right reseved / Design by VWStudio /