ЛЕКЦІЯ ГЛОБАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ АТМОСФЕРИ. Парникового ефекту
 Скачать 1.78 Mb.
|
|
Проблема кислотних дощів; Кислотні опади - це одна з важливих екологічних проблем, з якою пов’язують окислення природного середовища. Терміном “кислотні опади” називають усі види метеорологічних опадів - дощ, сніг, град, туман, дощ зі снігом, рН яких менший, нілс середнє значення рН дощової води (середній рН для дощової води дорівнює 5,6). Кислотний дощ утворюється в результаті реакції між водою і такими забруднюючими речовинами, як оксид сульфуру (80^) і різними оксидами нітрогену (N^0). Ці речовини викидаються в атмосферу автомобільним транспортом, у результаті діяльності металургійних підприємств та електростанцій, а також при спалюванні вугілля і деревини. Вступаючи в реакцію з водою атмосфери, вони перетворюються в розчини кислот-сірчаної, сірчистої, нітрогеністої і нітрогенної. Потім, разом зі снігом чи дощем, вони випадають на землю, що й знижує рН дощової води. Цей термін вперше ввів у вжиток англійський інженер Р.Сміт у книзі “Повітря і дощі: початок хімічної кліматології”. Кислотними називають взагалі будь-які опади – дощ, сніг, туман, якщо значення їх pH становить менше ніж 7,0. Кислотні дощі мають значення pH частіше в межах 4,1-2,1, а в деяких випадках навіть менше ніж 2,1. Спостереження свідчать, що ще 100 років тому дощова вода мала pH=7,0, тобто осади були нейтральними. Рекордно кислотний дощ (рН=1,7) випав у 1979 р. в Уїлінгу (США, штат Вірджинія). Уперше термін кислотний дощ був введений у 1872 р. англійським дослідником Ангусом Смітом. Його увагу привернув вікторіанський смог у Манчестері. І хоча вчені того часу відкинули теорію про існування кислотних дощів, проте сьогодні вже ніхто не сумнівається, що кислотні дощі є однією з причин загибелі життя у водоймах, лісів, урожаїв і рослинності. Крім того, кислотні дощі руйнують будинки і пам’ятки культури, трубопроводи, приводять у непридатний стан автомобілі, знижують родючість грунтів і можуть призводити до проникання токсичних металів у водоносні шари ґрунту. Оксиди сульфуру і нітрогену, що потрапили в атмосферу, окислюються і, сполучаючись з водою, утворюють туманоподібні краплини сульфатної та нітратної кислот. Вперше кислотні дощі зареєстровані в Англії в 1972 р. В Україні кислотні дощі часто випадають у Сумській, Черкаській та Рівненській областях, де в повітря викидається значна кількість оксидів сульфуру і нітрогену. Україна забруднена також за рахунок транскордонного перенесення цих оксидів з країн Західної Європи. Виявлено мінливість випадання кислотних опадів у теплий і холодний періоди року. Частіше такі опади спостерігались у січні-березні, жовтні-грудні. Загальна мінералізація опадів на території України коливалась у межах 16-78 мг/л. За середнім умістом основних забрудників атмосферних опадів компоненти хімічного складу розподілились так, % загальної мінералізації: сульфати – 38, гідрокарбонати – 16, кальцій – 10, натрій – 9, нітрати і хлориди – 6, нітроген амонійний – 5, магній – 3. Під впливом кислотних опадів відбувається закислення водойм і ґрунтів, вимивання з ґрунту калію, магнію, кальцію, зменшенню врожайності, деградації флори і фауни. Внаслідок випадання кислотних дощів гинуть ліси, особливо букові, тисові та кедрові. У свою чергу загибель лісів зумовлює гірські зсуви та селі. У Швейцарії від кислотних дощів гине третина лісів, у Великій Британії висихають 69% букових і тисових лісів. Від кислотних опадів особливо потерпають закриті водойми – озера і ставки. У Швеції в 4 тис. озер риба повністю зникла. Наукові дослідження щодо впливу кислотних дощів та причин їх утворення розпочались наприкінці 60-х років ХХ століття, причому основним ініціатором була Швеція, яка майже не має природних ресурсів, окрім лісів і блакитних озер, одним із пріоритетних напрямків свого економічного розвитку має туризм. Власних потужних виробництв Швеція не має, тому було доведено, що основною причиною є транскордонне забруднення атмосферного повітря діоксидом сульфуру із території Бельгії та Німеччини. Саме шведи були ініціаторами наукових досліджень по вивченню причин утворення кислотних дощів та наслідків цих процесів. В Україні за останні 35 років площа кислих ґрунтів зросла на 33%. Кислі ґрунти потребують вапнування, що підвищує собівартість сільськогосподарської продукції. Вплив кислотних дощів на рослинний світ Вплив кислотних дощів на рослинний світ має комплексний характер. Як правило, при невисокій кислотності цих опадів і малій їх кількості, вони можуть надавати частково і позитивного впливу на рослини. Це зумовлено тим, що кислотні дощі можуть бути додатковим джерелом мінерального живлення рослин (N, S) та, при незначних змінах кислотності ґрунтів, ступінь засвоєння деяких сполук рослинами може зростати. Кислотні опади містять в середньому 3,0-4,2 мг/дм3 сульфатної кислоти, що відповідає річній кількість сульфат-іонів – 30-42 кг/га, та близько 2,0-3,0 мг/дм3 нітратної кислоти, що відповідає річній кількість нітрат-іонів – 20-30 кг/га. Ці фактори слід враховувати при мінеральному живленні рослин та при внесенні добрив на орні землі. При високій кислотності опадів або великої їх кількості, кислотні дощі надають катастрофічного впливу на рослинний світ. Прийнято виділяти прямий влив кислотних дощів на рослини (безпосереднє враження рослин) та опосередкований, через процеси закислення ґрунтів. Проблема збереження лісів пов’язана із загальною проблемою виживання людства. Ліси забезпечують людство відновлюваними ресурсами, регулюються водні режими більшості водойм, є місцем існування фауни та місцем рекреації. Тому, в більшості країн світу проблема збереження лісу вирішується на державному рівні. Не виключенням є і Україна , яка прийняла “Лісовий кодекс України”. Перші відомості про пошкодження лісів внаслідок дії кислотних дощів відносять ще до 1880 року, коли в районах металургійних комбінатів США спостерігались масові висихання лісів. Аналогічні явища спостерігались і спостерігаються в інших країнах. Особливо великої шкоди завдають лісам викиди підприємств кольорової металургії, оскільки ці викиди в атмосферу містять значні кількості діоксиду Сульфуру, який утворюється на окислювальних стадіях виробництва. Не дивлячись на ці факти, практично немає наукових обґрунтувань щодо викидів речовин, які є попередниками кислотних дощів, по дії на лісові масиви. Наукові дослідження в цій галузі проводяться і, в ряді робіт показано чутливість рослин до дії діоксиду Сульфуру і оксидів Нітрогену, але ці дані не використовуються в системі державного нормування антропогенного навантаження на атмосферне повітря. Державне регулювання в цій галузі має мету захисту людини, яка не є самим чутливим компонентом екосистем. Дані табл. 2.5. свідчать про те, що в більшості випадків рослини є надзвичайно чутливі до дії ряду речовин. Таблиця 2.5. Граничні концентрації деяких забруднювальних атмосферу речовин для деревних порід (за Боковим В.О. та Лущиком А.В., 1998)
Найбільш чутливими до дії кислотних дощів є шпилькові породи дерев, особливо що стосується прямого впливу. Широколистяні дерева, які восени скидають крони, менше вражаються кислотними дощами при прямій дії. В результаті дії кислотних дощів на шпилькові та інші породи дерев спостерігається поява перших симптомів враження лісу – підсихання вершини дерев, що є головною ознакою, хлороз, тобто руйнування хлорофілурослин і, як наслідок, мозаїчна плямистість хвої, опадання голок. Пошкодження лісових масивів обумовлено впливом кислотних дощів як на крону дерев, так і на зміну хімічного складу ґрунтів під їх впливом. Найбільш важливим критерієм негативного впливу кислотних дощів при їх прямій дії є кислотність цих опадів (рН дощу), а при опосередкованій – кількість кислотних опадів. При систематичній дії кислотних дощів (рН 3,5- 5,6) спостерігаються зміни в катіонному складі листя та вимивання з них білків, при рН 2,5 – значно сповільнюється швидкість росту молодих гілок, а при рН 2,0 – вражаються всі види дерев. Аналогічні зміни спостерігаються у випадку дії кислотних туманів. В процесі випадання кислотних дощів і потрапляння їх в ґрунти, катіони Гідрогену внаслідок особливості їх поведінки в іонообмінних процесах, витісняють із компонентів ґрунтів іони Кальцію, Магнію, Калію та Натрію і останні засвоюються деревами. Тому більшість ґрунтів, на яких ростуть ліси, сильно закислені. Процес закислення ґрунтів призводить до зростання розчинності в кислому середовищі нерозчинних у воді, а від так і нерухомих, сполук Алюмінію, які приймають участь в іонообмінних процесах. На сьогодні доведена висока токсичність розчинних сполук Алюмінію для кореневої системи дерев. Іони Алюмінію, які є значними компонентами глинистих ґрунтів, при середніх значеннях рН знаходяться в малорозчинній і тому нетоксичній формі, а при витісненні їх іонами Гідрогену, спостерігається їх токсична дія, яка проявляється в зменшенні кореневої системи, руйнуванні кореневих волосків, відми- ранні кореневої системи. При закисленні ґрунтів (до рН3,0), коренева система більшості дерев зменшується на 12%. Аналогічного впливу на кореневу систему дерев надають сполуки Феруму. Доведено, що при пониженні величини рН ґрунту на одиницю, концентрація розчинних сполук Алюмінію і Феруму зростає в 100 разів. Крім того, в ґрунті містяться ряд мікроорганізмів-редуцентів, таких як бактерії, гриби тощо. Вони приймають участь в процесах мінералізації органічних речовин ґрунтів і утворенні гумусу, а із зростанням кислотності ґрунтів і збільшенням кількості рухомих форм металів, в першу чергу Алюмінію і Феруму, їх активність різко зменшується. Наслідком цих процесів може бути накопичення в ґрунтах органічних речовин, відтак і деградація флори. Сільськогосподарські культури, як і всі види рослин, також є чутливими до дії кислотних дощів. Особливо це проявляється на початкових стадіях росту рослин, особливо на стадії виходу в трубку. При дії кислотних дощів з рН2,5 спостерігається значне зниження врожайності всіх видів культур. Кислотність опадів може впливати на швидкість процесу фотосинтезу в рослинах і, для деяких сільськогосподарських культур, зокрема редису, спостерігаються прямі кореляційні залежності. Крім компонентів кислотних дощів, на сільськогосподарські культури можуть впливати попередники цих дощів. Так, дія діоксиду Сульфуру на більшість культур, викликає у рослин стрес, який супроводжується виділенням етилену. Ці процеси призводять до порушення обміну речовин у рослин і можуть призводити до їх загибелі. За впливом кислотних дощів на врожайність сільськогосподарських культур також спостерігається поліфункціональність їх дії. Вплив кислотних дощів на природні водні системи та якість питної води При вивченні кислотності сучасних природних водойм виникає питання “Чи пов’язана ця зміна впливом кислотних дощів?” або мають місце природні зміни? Питання, безумовно, складне. Глибокий аналіз зміни кислотності водойм проведено в США і результати його вражаючі. Результати дослідження показали, що в післяльодовий період кислотність більшості водойм в США була малою (рН>8,0). Сьогодні для тих же водойм кислотність значно змінилась. Наукові дослідження показали, що на початок ХХ століття кислотність цих водойм значно піднялась (рН5,7) і це явище, безумовно, мало природні передумови. В період з 1900 то 1950 рік кислотність цих водойм була практично сталою, але в середині 70-х років ХХ століття різко зросла (рН4,7). На початок 80-х років, кислотність цих водойм дещо знизилась (рН5,7-5,8). Причинами цього були як природні, так і антропогенні фактори. Зміна кислотності природний водойм не має прямого зв’язку з кількістю забруднювальних атмосферу речовин, які викидаються із антропогенних джерел, хоча прийняті заходи в США, зокрема обмеження кількості викидів в атмосферу речовин, що є попередниками кислотних дощів, дозволили зменшити кислотність природних водойм (з рН=5,8 у 1981 році до рН=6,8 у 1995 році). Отже, мінімізувати антропогенне забруднення атмосфери речовинами, які є попередниками кислотних дощів, необхідно. Дослідження зміни кислотності природних водойм має надзвичайно велике значення, адже всі гідробіонти є чутливими до активної реакції води. Закислення водойм завдає значних економічних збитків, зокрема це вплив на рибні запаси. В США кількість озер, в яких можна проводити промисловий лов риби, в період з 1965 по 1990 роки зменшилась на 4-5%, причому різко зменшилась як кількість, так і якість риби. Щорічні збитки від цього, тільки в США, складають 100 млн. доларів. Дослідження американських вчених показали, що у 28% водойм, кислотність яких значно підвищилась (рН<5,5), відсутнє життя. Повністю втратило промислового значення озеро Ері, одне із Великих озер США. Встановлено, що всі гідробіонти чутливі до кислотності водойм. Так, активність фітопланктону при рН6,0 різко знижується, а негативні зміни в зоопланктоні спостерігаються при рН5,5, особливо в поєднанні із підвищеним вмістом у воді рухомих форм Алюмінію. Чисельність популяції бентосу при рН5,5 знижується і тільки для деяких видів жуків та бабок зростання кислотності води має позитивний ефект. До зміни кислотності водойм чутливими є амфібії і практично всі породи риб. Особливо чутливими до зміни кислотності водойм є редуценти, активність яких різко падає при рН6,0. Зростання кислотності змінює мікрофлору водойм. При рН5,8 спостерігається інтенсивне розмноження зелених водоростей, при рН5,5 швидко розмножуються синьо-зелені водорості, які витісняють всі типи водних рослин, а при рН5,2 розвиваються бурі водорості, що стає причиною формування боліт. При цьому зникають всі вищі форми життя у водоймах.  2 У риб, при зростанні кислотності водойм, виникають фізіологічні порушення, які проявляються у зміні плазми крові, прискореному вимиванні із тканин різних іонів (Na+, Cl-, K+, Ca2+). Як правило, зростання кислотності водойм і, в першу чергу озер, супроводжується підвищенням вмісту рухомих форм Алюмінію. Його негативний влив починає проявлятись від рН5,2-5,4, за рахунок появи розчинних форм AlOH2+, Al(OH) +, у порушенні іонообмінних процесів у риб та процесів дихання. Показник рН5,0 для водойм – ознака відсутності в них риби. Закислення водойм часто супроводжується зростанням концентрації у воді сполук важких металів, які, аналогічно Алюмінію, переходять в рухомі форми. Цей факт являє особливу небезпеку, адже явище біологічного накопичення, яке часто має місце, призводить до значного зростання в рибі вмісту важких металів, які мають високу здатність до біокумуляції. Фундаментальне дослідження цих процесів проведено в Японії на прикладі впливу кислотності водойм на вміст в промислових породах риби сполук Меркурію. Особливістю цього явища є те, що Меркурій накопичується у рибі у найбільш небезпечній формі – у вигляді метилмеркурію (СН3Hg+), який є тератогеном. Внаслідок цих процесів у людей, які споживають таку рибу, виникає хвороба “Мінаміта”, яка названа за назвою селища в Японії, де вперше була виявлена. Поблизу цього селища спостерігалось скидання промислових відходів, що містили сполуки Меркурію, у прибережні води. Аналогічні явища спостерігаються і з іншими важкими металами. Приведені факти безпосередньо пов’язані із закисленням природних водойм, причому дослідження, які проведені у Швейцарії, показують, що при підвищенні кислотності водойм на одну одиницю рН, вміст Меркурію в рибі підвищується на 0,14 мг/кг. На прикладі жовтого окуня виявлена кореляція між вмістом Меркурію в рибі і кислотністю водойм, в процесі штучного їх закислення. В рибу сполуки Меркурію потрапляють як в результаті іонообмінних процесів, так і в результаті харчування водоростями. За літературними даними, найбільша концентрація Меркурію в товарній рибі виявлена в тунці (0,35 мг/кг), форелі (0,42 мг/кг) та окуні (0,61 мг/кг). Згідно “Медико-біологічних вимог і санітарних норм якості харчової сировини та продуктів харчування № 5061-89”, в залежності від типу риби граничний залишковий вміст Меркурію в ній, коливається в межах 0,3-0,7 мг/кг. Цей факт слід враховувати при добовому споживанні риби. Значна кількість поверхневих водних джерел, передусім річки, використовуються як джерела питного водопостачання населення. Доросла людина, в середньому, споживає за добу біля 2,0 дм3 питної води, тому її якість напряму буде визначати стан здоров’я людей. Закислення таких водойм буде сприяти погіршенню якості питної води. По-перше, зростання кислотності води буде сприяти корозії трубопроводів, а відтак, у воді буде зростати концентрація іонів Феруму, Плюмбуму, Купруму тощо. Виявлені кореляційні залежності між вмістом сполук важких металів у питній воді та крові людей, що споживають цю воду. По-друге, підвищення кислотності буде сприяти зростанню концентрації у питних водах іонів Алюмінію, які пригнічують у людини активність шлункових та слинових ферментів, що призводить до порушення обміну речовин і розвитку склерозу. По-третє, під дією кислотних дощів можуть руйнуватись азбестові та азбестово-цементні покриття. Азбестові волокна потрапляють у питну воду, а при споживанні такої води, можливий розвиток раку легенів. По-четверте, кислотні дощі є джерелом надходження в питну воду нітрат-іонів, які є токсичними для теплокровних організмів. При надмірному надходженні нітратів в організм людини можливі два основних процеси: відновлення нітрат-іонів до нітрит-іонів, які є надзвичайно токсичними і, при взаємодії з гемоглобіном крові утворюють метгемоглобін. Кров набуває шоколадного відтінку, втрачає здатність переносити кисень до клітин організму і розвивається задуха. Особливо це явище небезпечне для малих дітей. Хімізм цього процесу можна уявити наступним чином: 2 Hem (Fe2+) + NO - Hem (Fe3+) + NO; утворення нітроароматичних вуглеводнів, які є канцерогенними речовинами. Всі ці факти змушують задумуватись над процесами, які сприяють закисленню природних вод. Це спонукало до впровадження в практику штучного хімічного регулювання кислотності природних водойм. Надлишок кислот, які містяться в природних водах, нейтралізують природними компонентами основного характеру, переважно вапняком або вапном. Піонером в цій справі є Скандинавські країни, які розпочали штучне регулювання кислотності водойм ще з 1920 року з метою підвищення продуктивності лосося. Цей вид риб надзвичайно чутливий до надмірної кислотності води, а використання вапняку дозволило не тільки усунути негативний вплив кислотності води, але і підвищити її твердість. Іони Кальцію, якими збагачувалась вода, сприяли кращому розвитку риб. Але, незважаючи на ці обставини, для збереження природного біорізноманіття у водоймах, слід, передусім, обмежувати кількості викидів в атмосферу кислотноутворюючих компонентів. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||