Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
115 вод — и внутренних водоемов, те. там, где водой постоянно пользуются человек и животные. Последствия потребления загрязненной воды самые печальные — гибель флоры и фауны. Например, чайки погибают, употребляя в пищу рыбу, содержащую ДДТ. Пестициды вызывают снижение воспроизводства из за гибели яиц и зародышей (тонкая и хрупкая скорлупа яиц). Нефтепродукты вводе приводят к гибели рыбы и животных. Так, в Северном море практически исчезли лосось, осетр, скати др. Многие реки нашей страны, кроме нефтепродуктов, загрязнены еще и фенолом, соединениями азота и фосфора, медью, цинком и другими тяжелыми металлами. В итоге, например, в Волге практически нельзя встретить здоровую рыбу. А человек По оценкам ВОЗ, около 80% заболеваний вызвано потреблением некачественной воды. 4.9. ВОДОПОДГОТОВКА И ОЧИСТКА ВОДЫ Существуют три основных метода понижения загрязненности водоемов сброс загрязненной воды в более крупные водостоки (этот метод используется примерно для 10% стоков, а в некоторых регионах — до 100%); · удаление из воды примесей в результате первичной обработки стоков) — отстаивание плюс фильтрация, иногда хлорирование, вторичной обработки (стоков) — первичная обработка плюс аэробное разложение органического вещества (активный ил + воздух третичной обработки (около 10%) — вторичная обработка плюс осаждение металлов и органических соединений сокращение объема сточных вод путем изменения технологии (наиболее перспективный). Таким образом, первичная очистка заключается в механическом удалении примесей, вторичная — в снижении содержания органических веществ с помощью биокомпо нента, а третичная — в специальных методах, к которым ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ относятся также ионный обмен, добавление коагулянтов, использование активированного угля и др. Качество полученной воды, в частности степень ее загрязненности, оценивается потрем показателям вредности санитарно токсикологическому, общесанитарному и органолептическому. Вода считается некачественной, если превышен хотя бы один показатель. Получение чистой, в частности водопроводной (питьевой, воды также связано с рядом процессов водоподготовки. Это очистка заборной воды, заключающаяся в механической фильтрации (часто после добавления коагулянта, например сульфата алюминия, в щелочной среде образующего нерастворимый гидроксид алюминия, отстаивании, вторичной фильтрации через слои песка, аэрации и стерилизации (хлором, хлорной известью, озоном). В ряде случаев приходится решать проблему умягчения или обессоливания воды. Первое достигается осаждением нерастворимых соединений кальция и магния, что хорошо известно из общего курса химии как избавление от временной и постоянной жесткости. Второе заключается либо в получении нерастворимых осадков, либо в так называемом обратном осмосе (прохождении через мембрану чистой воды, ноне примесей, либо в дистилляции, т. е. отгонке воды. Безусловно, чистая вода может быть в принципе взята из незагрязненных наземных и подземных источников, но их число все время сокращается. Причем одна из проблем, связанная с забором подземных вод, вызвана понижением их уровня. Однако этот вопрос выходит за рамки данного курса. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ. Качественные и количественные характеристики гидросферы. Основные компоненты воды, их роль. Главные катионы, их функции. Главные анионы, их функции. Цикл пероксида водорода, его экологическая роль. Основное равновесие в водоеме, его поддержание Трофические цепи, их функции. Примеры трофических цепей Глава 4. ПРОБЛЕМЫ ГИДРОСФЕРЫ. Третье положение экологии, его суть и проблемы. Донные отложения, их экологические функции. Эвтрофирование водоемов — причины и следствия. Проблема сине зеленых водорослей. Загрязнение водоема, его последствия. Сохранение водоемов и водоохранные мероприятия. Самоочистка водоемов, виды и их характеристика. Основные правила растворения, сорбции, гидролиза, фотолиза и окисления. Циклы пероксида водорода, перекисного и супероксид анион радикалов, их роль в водоеме. Микробиологическая очистка, ее особенности. Стратегия водопользования и водоподготовка ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 5.1. ПОЧВА Педосфера (в некоторых пособиях — эдасфера), или почва, — это структурно функциональный биокосный компонент природы. Термин почва ввел наш соотечественник В. В. Доку чаев. Педосфера является связующим звеном между другими сферами Земли — атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой, поскольку играет важную роль в процессах обмена между веществом и энергией. Например, ее «дыхание» (микроорганизмы, водоросли, простейшие) определяющим образом влияет на состав приземного слоя атмосферы, а ее влага — на состав грунтовых и других вод. Таким образом, эдафическим процессам отводится значительное место в экологии нашей планеты. Почва сформировалась в течение примерно 400 млн лета нарушенная и истощенная почва восстанавливается не менее чем залет. Главными почвообразующими организмами являются растения, в наибольшей степени травянистые и лиственные, а также микроорганизмы и животные. Кроме того, в ее образовании играют роль состав и структура горных пород, рельеф местности, а также возраст поверхности и климат. С ним связана энергетика почвы, ее тепловой и водный режим, в частности запасы влаги в ней, а также глубина промерзания, развитие почвы и ее сохранение (бури, смерчи и пр. Еще одним фактором почвообразования сне давних пор стал человек, его хозяйственная деятельность. Чем же является почва сегодня в природе, какова ее экологическая роль Во первых, она — среда для микро 5 Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 119 организмов и, во вторых, — источник пищи для растений, животных, человека. В процессе фотосинтеза на суше ежегодно образуется более 100 млрд целлюлозы и другого органического вещества. Почва служит источником получения продуктов питания человека, которые содержат необходимой ему энергии. Еще 10% энергии дают пастбища, леса и 2% — Мировой океан. Человек использует для своих нужд, главным образом в пищу, 800–900 млн органического вещества, но это вдвое ниже физиологической нормы для современного населения Земли. В результате примерно треть человечества постоянно голодает. Может быть, больше сеять сельскохозяйственных культур Но почва не в состоянии постоянно их питать. В частности, при урожае картофеля 136 ц/га она теряет около кг азота, 19 кг фосфора и 86 кг калия. В результате почва истощается за несколько лет непрерывных посевов и полностью исчезает в результате ускоренной эрозии за лет. 5.2. РЕСУРСЫ ПОЧВЫ Сначала несколько цифр. Площадь поверхности Земли составляет 134 млн км. Из них только 86 млн км являются продуктивными. Все сельскохозяйственные земли составляют млн км, где обрабатываемая площадь — около млн км, причем она непрерывно растет. Все остальное занимают леса, степи, пустыни, полупустыни и т. д. Например, ледники имеют суммарную площадь 14 млн км 2 В нашей стране около 100 типов почв — от чернозема до солончаков. Из них 15% плодородные (чернозем, каштановые, серые. Однако этих земель поражены эрозией и не подлежат восстановлению засолены, 30% кислые, еще — заболоченные. То есть для сельского хозяйства остается только потенциально плодородных площадей (рис. Рис. Ресурсы почвы ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ По оценкам ученых, человек за время своего существования на Земле разрушил около 20 млн км почвы. И эта цифра с каждым годом растет. Поэтому для освоения новых площадей постоянно идет вырубка лесов (со скоростью примерно 20 гав мин. В результате площадь, например, тропических лесов сокращается со скоростью 1% в года их общая площадь — на 16 млн гав год (это равно территории Греции. Только в ХХ веке было уничтожено более половины всех лесов, из них 80% девственных. Однако все это не решает проблему. Нужны мероприятия по сохранению почвы, а для этого надо знать, что же определяет ее плодородие. 5.3. ФИЗИКО ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛОДОРОДИЯ Плодородие — способность почвы удовлетворять потребности растений в пищеводе, воздухе, температуре и пр, те. способствовать их жизнедеятельности. В почве непрерывно протекают физико химические, химические и биологические процессы. В результате идет ее обогащение органическими и неорганическими веществами. В тоже время существует определенное равновесие между этими группами соединений, определяемое биотическим круговоротом веществ, который поддерживает ее состав неизменным (второе положение экологии. Именно постоянство состава и структуры почвы обеспечивает постоянство ее свойств, в том числе плодородие. Почва — это многофазная гетерогенная система. Она состоит из нескольких компонентов или сред (рис. 20): · твердого компонента (минерального скелета) — 50– 60% объема органического и биокомпонента (тело почвы) — 10%; · жидкости (почвенный раствор — ее кровь) — 15–25%; · газ (почвенный воздух — ее дыхание) — Рассмотрим их последовательно. Минеральный состав почвы — это в первую очередь кварц (SiO 2 ) и алюмосиликаты (mSiO 2 nAl 2 O 3 kH 2 O). Именно эти компоненты, размер их частиц (песчаная, суглини Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 121 стая, глинистая почва) определяют интенсивность почвенных процессов, связанных с превращением, накоплением и переносом веществ. Органический и биокомпонент. 2.1. Органический компонент — это гумусовые вещества, являющиеся питательными для микроорганизмов. Они — продукты превращения органических остатков растений и животных — играют структурообразующую роль, т. е. закрепляют почву. Важно отметить, что плодородие определяется впер вую очередь наличием гумусовых веществ в почве. Они (предшественники угля, нефти, природного газа) достаточно химически и биологически устойчивы. Эти соединения растворяются в разных растворителях (водорастворимые, спирторастворимые, растворимые в кислых или щелочных растворах, но имеют приблизительно постоянное соотношение углерода, водорода и кислорода. К ним относятся гуминовые и фульвеновые кислоты, содержащие в своем составе различные функциональные группы (ОН, СООН, СО, ОСН и др. Кроме того, они содержат азот, серу, фосфор и другие элементы. Биокомпонент — это растения, микроорганизмы и животные. Они формируют структуру почвы, осуществляют синтез, превращение и разложение веществ, их перенос, аккумуляцию и т. д. Любая почва состоит из отчетливо выраженных слоев, или почвенных горизонтов (рис. 21). Они отличаются по составу, структуре и свойствам. Рис. Компоненты почвы Рис. Слои почвы ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Последовательность почвенных горизонтов называется почвенным профилем. Он характерен для каждой природно климатической зоны и определенного рельефа ме стности. Как уже отмечалось, основную почвообразующую роль на планете играет лесная растительность (ее около 10 12 т). Здесь приоритет имеет опавшая листва, которая и формирует почву. Второй по значимости является травянистая растительность (около 10 т. На третьем месте стоят микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли. Их содержится около 1 млрд штук в 1 г почвы, а нага приходится около 2 т. 5.3.1. БИОКОМПОНЕНТ ПОЧВЫ Важную роль в образовании почвы играют организмы, в частности разлагающие органические вещества (гумификация. Здесь встречаются споро и неспорообразующие бактерии, актиномицеты и грибы (плесень, а также почвенные простейшие (амебы, инфузории, жгутиковые. Биомасса микроорганизмов составляет 10–100 гм (Одум). Особенно важную роль в почве играют бактерии. Они, как и другие организмы, подразделяются на гетеротрофные и автотрофные. Среди них встречаются аэробные и анаэробные, в том числе патогенные, например возбудители брюшного тифа, бруцеллеза. Из других организмов паразитов следует отметить гельминты. Аэробные — микроорганизмы, использующие для дыхания (окислительных процессов) кислород воздуха. Анаэробные — использующие другие окислители, например азот, нитраты. Гетеротрофные бактерии восстанавливают неоргани ку, превращая органические вещества (например, останки и продуценты автотрофов) в неорганические соединения (причем более растворимые в менее растворимые формы. Среди них различаются: аммонификаторы , превращающие атмосферный азот в аммиак+ 6(H) ® 2NH 3 ; Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 123 денитрификаторы , превращающие нитрат анион в азот 2NO + 12(H) ® N 2 + 6H 2 O; десульфофикаторы , превращающие серную кислоту и ее соли в сероводород+ 8(H) ® H 2 S + В этих реакциях используются атомы водорода (Н), главным образом органических соединений. Автотрофные бактерии окисляют малорастворимые неорганические соединения (в том числе продуценты гетеротрофов, превращая их в более растворимые формы и органику. Среди них различаются: нитрофикаторы , превращающие аммиак в азотную кислоту в соответствии с реакциями: 2NН 3 + ОНО+ НО 2НNО 3 ; серобактерии , превращающие серу и сероводород в серную кислоту + O 2 ® 2S + 2H 2 O; S + 3O 2 + О 4H + + 2SO 4 железобактерии переводящие железо (II) в железо+ О+ О 4Fe(OH) 3 + а также азотфиксирующие, те. связывающие свободный азот, переводя его в азотсодержащие соединения. Кроме того, в почве находятся микроскопические грибы (плесень и др, которые в аэробных условиях разлагают клетчатку, лигнин и другие устойчивые органические соединения, те. минерализуют гумуса также водоросли 4 – 10 клеток на грамм почвы. В результате происходит круговорот химических соединений в системе почва растения — микроорганизмы (и животные) — почва. Это ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ малый, или биологический круговорот по Вильямсу. Именно он поддерживает плодородие почвы. Еще раз отметим, что хорошая гумусовая почва формируется приблизительно заодно несколько столетий, а порой и дольше. Например, образование плодородного гумусового горизонта мощностью 20–25 см происходит в течение тысячелетий. В тоже время ее полное разрушение, в первую очередь связанное с потерей гумуса, может происходить за несколько лет. Дегумификация приводит к дисбалансу почвы, нарушению ее свойств, главным образом к снижению плодородия. К этому ведет распашка без внесения удобрений и посева, нарушение качества и количества поступающих в почву веществ, несбалансированные ирригационные мероприятия и т. д. В результате микроорганизмы, не получая нужных веществ, начинают использовать гумус. Это приводит к ухудшению структуры, снижению водопоглощения почвы. В итоге уменьшается плодородие и, если вовремя этот процесс не остановить, происходит эрозия почвы. 5.3.2. ВОДА В ПОЧВЕ. ЭРОЗИЯ Эдафические экосистемы не могут существовать вот сутствии воды. Она здесь играет туже роль, что ив экологии в целом (растворитель, переносчик, аккумулятор веществ, среда для протекания биохимических процессов, биоген, терморегулятор. В слое почвы толщиной около 2 м воды содержится около 10%, причем в профиле почвы четыре влагосодержащих слоя (см. рис. первый — поверхностный, связанный с осадками, испарением, стоком воды; второй — верхний, связанный с корневой системой растений третий — нижний, где осуществляется фильтрация воды; четвертый — грунтовые воды. Агрономические мероприятия влияют на почву, количество влаги в ней. Такое влияние можно разделить на две составляющие. Первая — это влияние на факторы, опре Глава 5. ПРОБЛЕМЫ ПЕДОСФЕРЫ 125 деляющие плодородие (органический, минеральный состав, рН, влажность, вторая — воздействие на структуру почвы. В частности, существенными воздействиями, нарушающими баланс воды, являются вырубка лесов, ирригация, осушение, полив. При избыточном поливе почва, ее гумус выносятся водой в русло реки тем самым теряются, кпд. такого орошения не превышает 30–40%. Кроме потери гумуса почвы несбалансированные ирригационные мероприятия приводят к ее засолению и заболачиванию. В результате на фоне постоянного роста орошаемых земель млн гав год) идет и их потеря — 8–10 лет несбалансированного орошения приводят практически к полному исчезновению почвы. Этот процесс вызывает уменьшение площади плодородных почв на Земле на 100 тыс. га еже годно. Поливные воды несут до 0,3 гл солей. В результате испарения и впитывания воды они накапливаются на поверхности, причем большинство солей вредно для растений. Это карбонаты натрия, магния, кальция, а также сульфат и хлорид натрия. Наиболее опасным является засоление содой Na 2 CO 3 , поскольку это приводит к подщелачиванию почвы (до рН 9–10). В результате из нее удаляется органика, что резко ухудшает структуру. Избежать этого можно, повысив культуру орошения, те. осуществлять дозированный полив с использованием закрытых труб, дренажей и пр. Заболачивание характерно для лесных зон, где умеренная температура сочетается с большим количеством осадков и слабым испарением. Ему подвержены главным образом низкие участки, где высокий уровень грунтовых вод. Часто оно наблюдается в районе водохранилищ, причем к заболачиванию может приводить сплошная рубка леса в таких районах. В целом болота играют значительную гидрологическую и климатообразующую роль, но их осушение источник дополнительного использования почв. Так что в этом случае надо соблюдать некий оптимум, главным образом не допускать дополнительного заболачивания. Предупреждающие меры связаны с рациональной мелиорацией, регулирующей водный режим ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Одним из наиболее опасных факторов, разрушающих почву, является ее эрозия. Эрозия — это разрушение и вынос почвы и рыхлых пород водой (водная эрозия) или ветром (ветровая эрозия). Каждые 50 лет площадь почвы, подвергнутой эрозии, на Земле увеличивается враз. Она уносит с почвой биогены (фосфор, калий, натрий, кальций, магний) в большем количестве, чем вносится с удобрениями, что также нарушает структуру почвы. Продуктивность такой почвы снижается на 35–70%, причем в течение нескольких лет. Ветровая эрозия — это вид эрозии, характерный для засушливых районов. Рубка леса, удаление растительного покрова, неправильная обработка и перевыпас скота в такой местности приводят к возникновению подвижных участков почвы. В результате отсутствия в ней нужного количества влаги (а также органики) и сильных ветров возникает этот вид эрозии. Одна буря, по оценкам ученых, выносит до 20 см слоя почвы. Единственным способом защиты является ее закрепление. Это специальные пропитки, покрытия, лесополосы, травяной покров и пр. |