- •Раздел 3 Химия окружающей среды
- •Оглавление
- •Атмосфера
- •Состав атмосферы
- •Химические процессы в атмосфере
- •Реакции, способствующие разрушению озона в атмосфере Земли
- •Действие озона на живые организмы и материалы
- •Химия аэрозолей и пыли
- •Экологические проблемы, связанные с химией атмосферного аэрозоля
- •Органические и неорганические загрязнители
- •Летучие органические соединения
- •Соединения серы и азота
- •Парниковый эффект
- •Парниковые газы
- •Городская атмосфера
- •Последствия первичного и вторичного загрязнения воздуха
- •Гидросфера Состав гидросферы
- •Качество природной воды
- •Химические процессы в гидросфере
- •Речные воды
- •Океанические воды Основные особенности океанической воды
- •Химия морской воды. Соленость и ионная сила воды
- •Соленость воды.
- •Ионная сила.
- •Активность.
- •Состав ионов в морской воде и закон Дитмара
- •Химический состав неосновных ионов.
- •Вынос ионов.
- •Эвапориты.
- •Подземные воды
- •Формирование кислотности поверхностных вод
- •Особенности окислительно-восстановительных процессов в подземных водах
- •Глобальное загрязнение Мирового океана
- •Загрязнения речных и морских вод
- •Органическое загрязнение
- •Сброс отходов в море с целью захоронения (дампинг).
- •Неорганические токсины
- •Соединения тяжелых металлов.
- •Поведение тяжелых металлов в водной среде.
- •Литосфера Химический состав литосферы
- •Химический состав почв
- •Химические процессы в литосфере
- •Химические реакции и процессы в почве
- •Глобальные экологические функции почв
- •Химическое загрязнение почв
- •Изменения почвы в зависимости от способов ее обработки
- •Методы и способы утилизации и ликвидации отходов
- •Биосфера – особая оболочка планеты
- •Некоторые особенности биосферы
- •Процессы в биосфере
- •Основные функции живого вещества в биосфере
- •Химические процессы в биосфере
- •Химические основы экологического анализа
- •Меры токсичности веществ
- •Экологическое нормирование
- •Аналитическая химия в экологических исследованиях
- •Особо опасные экотоксиканты Токсичные металлы
- •Вредные вещества в пищевых продуктах. Нитраты
- •Пестициды
- •Диоксины
- •Биотрансформация экотоксикантов
Химические процессы в биосфере
Для химических процессов в биосфере характерны следующие особенности:
– участие в химических и биохимических реакциях большого числа органических и неорганических веществ;
– протекание химических реакций смешанного типа, часто без непосредственного контакта взаимодействующих веществ (например, окислитель и восстановитель в живых организмах в большинстве случаев находятся в разных частях тела);
– неравновесность процессов;
– участие в химических реакциях живых организмов.
Примеры химических и фотохимических процессов в биосфере
Фотосинтез:
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Дыхание:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
Превращение солей в организме человека на примере PbCO3:
PbCO3 + 2HCl = PbCl2 + H2CO3
(с кислотой желудочного сока)
PbCO3 + 2NaOH = [Pb(OH)]2CO3 + Na2CO3
(в щелочной среде кишечника)
PbCO3 + H2S = PbS + H2CO3 (в толстой кишке)
Образование «зубного камня»:
3Ca2+ + 2PO43- = Ca3(PO4)2
Химические основы экологического анализа
Изучение и контроль состояния окружающей среды включают исследование таких природных ресурсов, как разнообразные воды, атмосферный воздух, почвы, совокупность этих систем в плане определения в них загрязняющих химических веществ, нарушающих сложившееся экологическое равновесие в природе. Без химического анализа данной ситуации не обойтись, поэтому в экологической химии активно используют различные химические, физико-химические, физические и биологические методы анализа.
Речь идет о неком глобальном химико-аналитическом исследовании с помощью различных методов аналитической химии — науки о методах анализа. Это дает информацию о загрязнении биосферы различными несвойственными природе загрязняющими веществами, которые собирательно называют ксенобиотиками. Данные исследований используют для всестороннего анализа состояния окружающей среды и определения стратегии управления им, для регулирования ее качества, для определения так называемых допустимых экологических нагрузок на природные системы. Степень ответственности здесь очень велика, поскольку указанные факторы, и в первую очередь химические, способны вызвать геофизические и геохимические изменения: возможное изменение климата, закисление природных вод кислотными дождями, загрязнение Мирового океана и нарушение баланса углекислоты в нем, нарушение озонового слоя.
Меры токсичности веществ
Количественная характеристика токсичности веществ сложна. Судить о ней приходится по результатам воздействия вещества на живой организм, для которого характерна индивидуальная вариабельность, т.е. в группе испытуемых животных всегда присутствуют и более, и менее восприимчивые к действию изучаемого токсина. Проводить такое изучение на единичном живом объекте неинформативно. При достаточном количестве объектов — живых организмов определяют две характеристики токсичности в ЛД50 и ЛД100. Суть этих характеристик в следующем: либо все, либо половина животных погибают от полученной ими дозы токсина. ЛД — аббревиатура летальной дозы. Токсикацию, приводящую к смертельному исходу называют острой. Дозу определяют обычно в весовом количестве токсина на 1 кг живого веса объекта, т.е. в размерности концентрации. Эта доза вводится в подопытный организм чаще всего с пищей или водой. Токсичными считаются все те вещества, у которых ЛД мала. Так, у классических ядов — цианистого калия и стрихнина ЛД100 — составляет 10 и 0,5 мг/кг. Намного меньше ЛД у боевых отравляющих веществ, у некоторых природных токсинов растительного происхождения: 2 • 10-4 мг/кг у майтотоксина, 5 • Ю-4 мг/кг у палитоксина, вырабатываемых микроводорослями и некоторыми типами кораллов. Все приведенные цифры характеризуют ударную летальную дозу, т.е. введенную в организм одномоментно. При получении дозы, меньше летальной, болезненное состояние организма обычно постепенно проходит. С мочой, фекалиями, потом, выдыхаемым воздухом из организма происходит выведение токсина и продуктов его превращения, характеризуемое временем полувыведения (t0,5). Для разных токсинов (t05 составляет от нескольких часов до нескольких десятков лет.
К сложностям определения характеристик токсичности веществ относится то, что у разных представителей млекопитающих чувствительность к действию одного и того же токсина различна. В большинстве исследований приводятся данные о токсичности в отношении мышей как наиболее дешевых и в то же время «презентативных» лабораторных животных. Еще одна сложность связана с тем, как измерять концентрацию токсина в погибшем организме.
Специфика токсина не только в том, на какую жизненно важную систему организма направлено его действие. Различные токсины по-разному распределяются в организме. Так, свинец концентрируется в костях скелета, кадмий — в почках, большинство хлорорганических соединений — в жировых тканях, а некоторые токсины — в клетках мозга. Токсический эффект от воздействия двух полудоз при введении их с интервалом во времени будет меньше, чем от одномоментного введения полной. За этот интервал времени часть первой полудозы будет выведена из организма и токсический эффект окажется сниженным.
Химические превращения токсинов в организме, как и всех других веществ, проходят с участием биологических катализаторов — ферментов. Отдельные ферменты обладают абсолютной специфичностью, т.е. ускоряют превращение лишь одного вещества. Для большей же части ферментов характерна групповая специфичность действия — катализ гидролиза пептидной связи в различных белках, окисления разных альдегидов в кислоты и т.п. Неабсолютная специфичность ферментов и определяет то, что токсины и другие чуждые организму вещества (ксенобиотики) включаются в круг ферментативных превращений. Это протекающее преимущественно в печени превращение токсинов дополняется удалением неизмененного токсина в результате «фильтрации» почками.
В разных странах действуют свои национальные системы ПДК, а величины ПДК для индивидуальных веществ порой различаются в сотни раз. Системы ПДК периодически пересматриваются. По смыслу близка к ПДК еще одна мера — допустимая суточная доза (ДСД), или количество вещества, попадающего в организм без выраженных последствий по тому или иному показателю в течение среднего срока жизни.