эколог. Калининградский государственный университет
 Скачать 1.1 Mb.
|
|
КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Н.В. Чибисова, Е.К. Долгань ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Калининград 1998 КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Н.В. Чибисова, Е.К. Долгань ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Учебное пособие Калининград 1998 УДК 574:54 Чибисова Н.В., Долгань Е.К. Экологическая химия Учебное пособие / Кали- нингр. унт. - Калининград, 1998. - 113 с. - ISBN 5-88874-108-6. В учебном пособии объединены основные положения экологической химии. Актуальный материал, посвященный экологии и охране природы, ориентированна интеграцию химических знаний со знаниями смежных естественнонаучных дисциплин. Рассмотрены вопросы химической экологии, химии окружающей среды и промышленной токсикологии. Уделено внимание проблемам мониторинга и управления качеством природной среды, основным направлениям охраны природы. Предназначено для студентов химических специальностей вузов будет полезно также преподавателями учащимся средних учебных заведений. Рецензент зав. каф. ихтиологии и экологии КГТУ, др биол. наук, профессор В.А. Шкицкий. Печатается по решению редакционно-издательского Совета Калининградского государственного университета. ISBN 5-88874-108-6 © Калининградский государственный университет, 1998 Наталья Викторовна Чибисова, Елена Кондратьевна Долгань ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Учебное пособие Лицензия № 020345 от 14.01.1997 г. Редактор Н.Н. Мартынюк. Оригинал-макет подготовлен Д.В. Голубиным. Подписано в печать 28.09.1998 г. Формат 60 ×90 Бумага для множительных аппаратов. Ризограф. Усл. печ. л. 7,1. Уч.-изд. л. 7,5. Тираж 170 экз. Заказ . Калининградский государственный университет, 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время экология представляет собой сложный интегрированный комплекс наук. Специалисты-химики должны иметь достаточно ясное понимание вопросов взаимоотношения современного технизирован- ного общества и окружающей среды, функционирования биосферы в условиях все усиливающегося антропогенного давления, методов анализа природных объектов, контроля качества окружающей среды и места химии в экологической науке. Экологические проблемы всегда необычайно трудны тем, что они многосвязные, охватывают целую систему отношений живых организмов и неживой природы. Для современной экологии характерно как изучение существующих процессов равновесия, таки поиск новых условий. Экология как наука, охватывающая круг явлений в биосфере, тесно связана с вопросами биологии, химии, химической технологии, сельского хозяйства и др. Так как в основе жизни, как ив основе изменения химического состава биосферы, лежат химические процессы, для описания и управления динамическим равновесием в биосфере необходимо знание химических механизмов взаимодействия между отдельными подсистемами. Эта область экологии оформилась в отдельную научную дисциплину - химическую экологию, под которой понимается наука о химических взаимодействиях между живыми организмами и неживой природой. В задачи химической экологии входят вопросы о степени влияния отдельных видов антропогенных воздействий на живую природу, предсказания возможных экологических последствий химических загрязнений. Доминирующим аспектом здесь является биологический. Существует и другой аспект взаимоотношения химии и экологии, который изучает качественный и количественный состав антропогенных загрязнений биосферы в результате производственной и сельскохозяйственной деятельности человека и механизмы химических превращений веществ в окружающей среде. В решении этих проблем доминирующим является химический аспект, который больше входит в компетенцию специалистов в области химии, чем биологии. Эта область знаний получила название экологической химии, под которой понимается наука об антропогенных химических загрязнениях и о механизмах их превращений в биосфере. Задача экологической химии - максимальное уменьшение уровня нагрузки антропогенных воздействий за счет разработки новых или модификации существующих технологических процессов, разработки способов эффективной очистки отходов производств, разработки способов прогнозирования и регуляции уровня химического загрязнения в объектах окружающей среды. Сюда же относят рекомендации по разработке новых препаратов, употребляемых в сельском хозяйстве и бытовой химии рекомендации по профилактике других процессов, приводящих к загрязнению окружающей среды решение вопросов, связанных с порчей пищевых продуктов, деструкцией конструкционных материалов и др. Для решения проблем охраны окружающей среды необходимы исследования того, как ведут себя в ней, к каким последствиям приводят новые виды химических соединений, попадающих в круговорот веществ в биосфере в результате человеческой деятельности, то есть требуется качественно новый подход к оценке взаимодействия человека с окружающей средой и его влиянию на скорость и направление антропогенных и природных факторов. Наряду с констатацией происходящих в природе часто негативных изменений нужно переходить к прогнозированию и управлению качеством среды обитания. 1. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 1.1. Экологические факторы среды Окружающая организм среда - это природные тела и явления, с которыми она находится в прямых или косвенных отношениях. Условия среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются экологическими факторами. Существует несколько классификаций экологических факторов среды. Наиболее простой и ставшей классической является классификация, по которой экологические факторы среды делятся на две категории абиотические факторы (факторы неживой природы) и биотические факторы (факторы живой природы. К абиотическим факторам относятся климатические - свет, температура, влага, движение воздуха, давление эдафогенные (почвенные) - механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность орографические- рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона химические- газовый состав воздуха, солевой состав среды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов. К биотическим факторам относятся фитогенные (растительные организмы, зоогенные (животные, микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии) и антропогенные (деятельность человека. Оригинальную классификацию экологических факторов предложил АС. Мончадский (1962), исходя из того, что приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды определяются степенью постоянства этих факторов. Это - первичные периодические факторы (температура, свет, зависящие от периодичности вращения Земли и смены времен года - вторичные периодические факторы (влажность, осадки, динамика растительной пищи, содержание растворенных газов вводе, внутривидовые взаимодействия) как следствие первичных периодических - непериодические факторы (эдафические факторы, взаимодействие между разными видами, антропогенные воздействия, почвенно-грунтовые факторы, не имеющие правильной периодичности. Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы выражается в существовании некоторых верхних и нижних границ амплитуды допустимых колебаний отдельных факторов (температура, соленость, рН, газовый состав и др, то есть определенный режим существования. Чем шире пределы какого-либо фактора, тем выше устойчивость, или, как ее называют, толерантность, данного организма. Лимитирующим фактором развития растений является элемент, концентрация которого лежит в минимуме. Это определяется законом, называемым законом минимума Ю.Либиха (1840). Либих, химик-органик, один из основоположников агрохимии, выдвинул теорию минерального питания растений. Урожай культур часто лимитируется элементами питания, присутствующими не в избытке, такими как СО и НО, а теми, которые требуются в ничтожных количествах. Например бор - необходимый элемент питания растений, но его мало содержится в почве. Когда его запасы исчерпываются в результате возделывания одной культуры, то рост растений прекращается, если даже другие элементы находятся в изобилии. Закон Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния. Необходимо учитывать и взаимодействие факторов. Так, высокая концентрация или доступность одного вещества или действие другого (не минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в минимальном количестве. Иногда организм способен заменять (частично) дефицитный элемент другим, более доступными химически близким ему. Так, некоторым растениям нужно меньше цинка, если они растут на свету, а моллюски, обитающие в местах, где есть много стронция, заменяют им частично кальций при построении раковины. Экологические факторы среды могут оказывать на живые организмы воздействия разного рода 1) раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций (например, повышение температуры воздуха ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и к охлаждению тела 2) ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях (например, недостаток влаги в засушливых районах препятствует проникновению туда многих организмов 3) модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов (например, запыленность окружающей среды в индустриальных районах некоторых стран привела к образованию черных бабочек березовых пядениц, сохранивших свою светлую окраску в сельских местностях 4) сигналы, свидетельствующие об изменении других факторов среды. В характере воздействия экологических факторов на организм выявлен ряд общих закономерностей. Закон оптимума - положительное или отрицательное влияние фактора на организмы - зависит от силы его воздействия. Недостаточное или избыточное действие фактора одинаково отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия экологического фактора называется зоной оптимума. Одни виды выносят колебания в широких пределах, другие - в узких. Широкая пластичность к какому-либо фактору обозначается прибавлением частицы «эври», узкая - «стено» (эвритермные, стенотермные - по отношению к температуре, эвриотопные и стенотопные - по отношению к местам обитания. Неоднозначность действия фактора на разные функции. Каждый фактор неоднозначно влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может быть неблагоприятным для других. Например, температура воздуха более Су холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, что приводит к тепловому оцепенению. Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо из факторов среды могут смещаться в зависимости оттого, с какой силой ив каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Так, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную погоду. Вместе стем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Дефицит тепла в полярных областях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью в летнее время. Для каждого вида животных необходим свой набор экологических факторов. Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы. Абиотические факторы создают условия обитания растительных и животных организмов и оказывают прямое или косвенное влияние на жизнедеятельность последних. К абиотическим факторам относят элементы неорганической природы материнская порода почвы, химический состав и влажность последней, солнечный свет, теплота, вода и ее химический состав, воздух, его состав и влажность, барометрическое и водное давление, естественный радиационный фон и др. Химическими компонентами абиотических факторов являются питательные вещества, следы элементов, концентрация углекислого газа и кислорода, ядовитые вещества, кислотность (рН) среды. Влияние рН на выживаемость организмов-гидробионтов. Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен веществу них функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотно- сти-щелочности. Концентрация водородных ионов во многом зависит от карбонатной системы, которая является важной для всей гидросферы и описывается сложной системой равновесий, устанавливающихся при растворении в природных пресных водах свободного СО, по реакции СО + НОН СОН+ НС − 3 O Именно эта реакция является причиной того, что рН пресных природных вод редко бывает теоретически нейтральной, то есть равной 7. Чаще всего рН чистой воды колеблется от 6,9 до 5,6. В природе приведенное выше равновесие в чистом виде не существует, так как на природные воды оказывает действие многочисленные факторы температура, давление, содержание в атмосфере кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород по которым протекает река или расположено озеро. рН сравнительно легко измерить, поэтому его изучили во многих водных ме- стообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению (от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна. Так как изменение рН пропорционально изменению количества СО, рН может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза и дыхания. Вводе с низким рН содержится мало биогенных элементов, в связи с чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределении водных организмов. Растения растут вводе с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7 дои, от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукрылых из рода Chaoborus. Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН > 10 вода гибельна для всех рыб. Максимальная продуктивность вод приходится на рН между 6,5 и 8,5. В таблице 1.1 указаны основные величины рН для пресноводных рыб Европы. Аэробные и анаэробные организмы. Аэробными организмами называются такие организмы, которые способны жить и развиваться только при наличии в среде свободного кислорода, используемого ими в качестве окислителя. К аэробным организмам принадлежат все растения, большинство простейших и многоклеточных животных, почти все грибы, то есть подавляющее большинство известных видов живых существ. У животных жизнь в отсутствие кислорода (анаэробиоз) встречается как вторичное приспособление. Аэробные организмы осуществляют биологическое окисление главным образом посредством клеточного дыхания. В связи с образованием при окислении токсичных продуктов неполного восстановления кислорода, аэробные организмы обладают рядом ферментов (каталаза, су- пероксиддисмутаза), обеспечивающих их разложение и отсутствующих или слабо функционирующих у облигатных анаэробов, для которых кислород оказывается вследствие этого токсичным. Наиболее разнообразна дыхательная цепь у бактерий, обладающих не только цитохромоксидазой, но и другими терминальными оксидазами. Особое место среди аэробных организмов занимают организмы, способные к фотосинтезу, - цианобактерии, водоросли, сосудистые растения. Выделяемый этими организмами кислород обеспечивает развитие всех остальных аэробных организмов. Организмы, способные развиваться при низкой концентрации кислорода ( ≤ 1 мг/л), называются микроаэрофилами. Анаэробные организмы способны жить и развиваться при отсутствии в среде свободного кислорода. Термин анаэробы ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Распространены они главным образом среди прокариот. Метаболизм их обусловлен необходимостью использовать иные окислители, чем кислород. Многие анаэробные организмы, использующие органические вещества (все эукариоты, получающие энергию в результате гликолиза, осуществляют различные типы брожения, при которых образуются восстановленные соединения- спирты, жирные кислоты. Другие анаэробные организмы - денитри- фицирующие (часть из них восстанавливает окисное железо, сульфатвосс- станавливающие, метанообразующие бактерии - используют неорганические окислители нитрат, соединения серы, СО. Анаэробные бактерии разделяются на группы маслянокислых и т.д. в соответствии с основным продуктом обмена. Особую группу анаэробов составляют фототрофные бактерии. По отношению к О анаэробные бактерии делятся на облигатных, которые неспособны использовать его в обмене, и факультативных например, денитрифицирующие), которые могут переходить от анаэробиоза к росту в среде с О. На единицу биомассы анаэробные организмы образуют много восстановленных соединений, основными продуцентами которых в биосфере они и являются. Последовательность образования восстановленных продуктов (N 2 , Fe 2+ , H 2 S, CH 4 ), наблюдаемая при переходе к анаэробиозу, например в донных отложениях, определяется энергетическим выходом соответствующих реакций. Анаэробные организмы развиваются в условиях, когда О полностью используется аэробными организмами, например в сточных водах, илах. Таблица 1.1 Значения рН для пресноводных рыб Европы (по Р.Дажо, 1975) рН Характер воздействия на пресноводных рыб 3,0 - 3,5 Гибельно для рыб выживают некоторые растения и беспозвоночные Гибельно для лососевых рыб плотва, окунь, щука могут выжить после акклиматизации 4,0 - 4,5 Гибельно для многих рыб, размножается только щука 4,5 - 5,0 Опасно для икры лососевых рыб 5,0 - 9,0 Область, пригодная для жизни 9,0 - 9,5 Опасно для окуня и лососевых рыб в случае длительного воздействия Вредно для развития некоторых видов, гибельно для лососевых при большой продолжительности воздействия 10,0 - 10,5 Переносится плотвой в течение очень короткого времени 10,5 - 11,5 Смертельно для всех рыб Влияние количества растворенного кислорода на видовой состав и численность гидробионтов. Степень насыщенности воды кислородом обратно пропорциональна ее температуре. Концентрация растворенного О в поверхностных водах изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержена значительным сезонными суточным колебаниям, которые в основном зависят от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. В случае высокой интенсивности фотосинтеза вода может быть значительно пересыщена О (20 мг/л и выше. Вводной среде кислород является ограничивающим фактором. О составляет в атмосфере 21% (по объему) и около 35% от всех газов, растворенных вводе. Растворимость его в морской воде составляет 80% от растворимости в пресной воде. Распределение кислорода в водоеме зависит от температуры, перемещения слоев воды, а также от характера и количества живущих в нем организмов. Выносливость водных животных к низкому содержанию кислорода у разных видов неодинакова. Среди рыб установлено четыре группы по их отношению к количеству растворенного кислорода 1) 7 - 11 мг / л - форель, гольян, подкаменщик 2) 5 - 7 мг / л - хариус, пескарь, голавль, налим 3) 4 мг / л - плотва, ерш 4) 0,5 мг / л - карп, линь. Некоторые виды организмов приспособились к сезонным ритмам в потреблении О, связанными с условиями жизни. Так, у рачка Gammarus Lin- naeus выявили, что интенсивность дыхательных процессов возрастает вместе с температурой и изменяется в течение года. У животных, живущих в местах, бедных кислородом (прибрежный ил, донный ил, обнаружены дыхательные пигменты, служащие резервом кислорода. Эти виды способны выживать, переходя к замедленной жизни, к анаэробиозу или благодаря тому, что у них имеется гемоглобин, обладающий большим сродством к кислороду (дафнии, олигохеты, полихеты, некоторые пластинчатожаберные моллюски. Другие водные беспозвоночные поднимаются за воздухом на поверхность. Это имаго жуков-плавунцов и водолюбов, гладыши, водяные скорпионы и водяные клопы, прудовики и катушка (брюхоногие моллюски. Некоторые жуки окружают себя воздушным пузырьком, удерживаемым волоском, а насекомые могут использовать воздух из воздухоносных пазух водяных растений. Зависимость живых организмов от концентрации минеральных солей в среде. В естественных водах концентрация минеральных солей весьма различна. В пресной воде максимальное содержание растворенных веществ равно 0,5 гл. В морской воде среднее содержание растворенных солей 35 гл. В солоноватых водах этот показатель очень изменчив. Соленость обычно выражается в промилле (‰) и является одной из основных характеристик водных масс, распределения морских организмов, элементов морских течений и т.д. Особую роль она играет в формировании биологической продуктивности морей и океанов, так как многие организмы очень восприимчивы к незначительным ее изменениям. Многие виды животных являются целиком морскими (многие виды рыб, беспозвоночных и млекопитающих. В солоноватых водах обитают виды, способные переносить повышенную соленость. В эструариях, где соленость ниже 3 ‰, морская фауна беднее. В Балийском море, соленость которого составляет 4 ‰, встречаются балянусы, кольчецы, а также коловратки и гидроиды. Водные организмы подразделяются на пресноводные и морские посте- пени солености воды, в которой они обитают. Сравнительно немногие растения и животные могут выдерживать большие колебания солености. Такие виды обычно обитают в эструариях рек или в соленых маршах и носят названия эвригалинных. К ним относятся многие обитатели литорали (соленость около 35 ‰), эструариев рек, солоноватоводных (5 - 35 ‰) и ульт- расоленых (50 - 250 ‰), а также проходные рыбы, нерестящиеся в пресной воде ( < 5 ‰). Наиболее удивительный пример - рачок Artemia salina, способный существовать при солености от 20 дои даже переносить полное временное опреснение. Способность существовать вводах с различной соленостью обеспечивается механизмами осморегуляции, которую поддерживают относительно постоянные концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды. По отношению к солености среды животные делятся на стеногалинных и эвригалинных. Стеногалинные животные - животные, не выдерживающие значительные изменения солености среды. Это подавляющее число обитателей морских и пресных водоемов. Эвригалинные животные способны жить при широком диапазоне колебаний солености. Например, улитка Hydrobia ulvae способна выживать при изменении концентрации NaCl от 50 до 1600 ммоль/мл. К ним относятся также медуза Aurelia aurita, съедобная мидия Mutilus edulis, краб Carcinus maenas, аппендикулярия Oikopleura dioica. Устойчивость по отношению к изменению солености меняется с температурой. Например, гидроид Cordylophora caspia лучше переносит низкую соленость при невысокой температуре десятиногие раки переходят в малосоленые воды, когда температура становится слишком высокой. Виды, обитающие в солоноватых водах, отличаются от морских форм размерами. Так, краб Carcinus maenas в Балтийском море имеет маленькие размеры, а в эструариях и лагунах - крупные. Тоже можно сказать и о съедобной мидии Mutilus edulis, имеющей в Балтийском море средний размер 4 см, в Белом море - 10 - 12 см, а в Японском - 14 - 16 см в соответствии с увеличением солености. Кроме того, от солености среды зависит и строение эвригалинных видов. Рачок артемия при солености 122 имеет размер 10 мм, при 20 ‰ достигает 24 - 32 мм. Одновременно изменяется форма тела, придатков и окраска. |