Предмет и задачи экологической химии

где: Q_{источник} и Q_сток – скорости поступления и стока веществ соответственно для произвольного резервуара, атмосферы в целом или ее части;

А – общая масса примеси, содержащейся в произвольном резервуаре, атмосфере в целом или в  ее части;

τ – время пребывания примеси в произвольном резервуаре, атмосфере в целом или в  ее части.

Верхняя зона атмосферы защищает нашу планету от потока лучей и  града частиц высоких энергий. В  результате такого воздействия молекулы и атомы подвергаются химическим превращениям. Диффузное разделение (более тяжелые внизу, более легкие наверху) за длительный период привело  к тому, что на высоте 500 - 1000 км элемент  гелий становится основным компонентом  атмосферы. Гелиевая корона Земли простирается примерно до 1600 км, а выше 2000 -3000 км преобладает  водород.

 

По вертикали атмосфера  имеет слоистое строение и состоит  из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои - «паузы».

Наиболее распространенное деление на слои основано на изменении  температуры с высотой. Области  минимума и максимума температур - «паузы», а промежуточные области - сферы.

• Тропопауза отделяет тропосферу от стратосферы;
• Стратопауза - стратосферу от мезосферы и т.д.  Границы отдельных слоев, разделяемых узкими переходными зонами (паузами), строго не фиксируются.

Их положение зависит  главным образом от внешнего фактора  – активности солнца и уровня поступающей  от него радиации.

Слои атмосферы объединяют в две группы: тропосфера и стратосфера  -«нижний слой атмосферы», мезосфера и термосфера - «верхний слой атмосферы».

Ионизованная часть верхних  слоев атмосферы называется ионосферой. Верхние слои атмосферы по составу образующих компонентов в значительной степени отличаются от нижних слоев. Нижние слои более плотные, в них сосредоточена основная масса атмосферы. Известно, что около 50% общей массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной всего 5 км, а масса слоя в 30 км составляет примерно 90% всей массы атмосферы.

 

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности - тропосфера. Протяженность ее по высоте в средних широтах составляет 10 - 12 км над уровнем моря, на полюсах 7 - 10 км, над экватором 16 - 18 км. В ней  сосредоточено четыре пятых всей массы атмосферы.

Температура в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6°С на каждые 100 м и колеблется от +40°С до –50°С. Далее температура от границы 30 км начинает повышаться и на высоте 50 км достигает +10°С (стратопауза). В мезосфере снова происходит понижение температуры до 180 К. Выше мезосферы (область пониженных температур) располо-жена термосфера (или ионосфера).

 

Здесь снова происходит потепление - на высоте 150 км температура достигает 200 - 240°С, на уровне 200 км - 500°С, а на высоте 500 - 600 км превышает 1500°С.Рассмотренный температурный срез атмосферы во многом определяется характером химических превращений в этих областях.

 

При нормальных условиях (р=1 атм, Т=273 К) газы, входящие в состав атмосферы, мало отличаются по своему поведению от идеального газа. Поэтому для реальной атмосферы справедливо уравнение состояния идеального газа:

PV = ν RT , где

Р – давление; V – объем газа; ν – количество вещества; R – универсальная газовая постоянная; Т – температура.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25. Влияние тяжелых металлов на развитие животных и растений 

 

Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. В последние годы все сильнее подтверждается важная биологическая роль большинства металлов. Многочисленными исследованиями установлено, что влияние металлов весьма разнообразно и зависит от содержания в окружающей среде и степени нуждаемости в них микроорганизмов, растений, животных и человека.Фитотоксичное действие ТМ проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения ими почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Однако в природе ионы металлов редко встречаются изолированно друг от друга. Поэтому разнообразные комбинативные сочетания и концентрации разных металлов в среде приводят к изменениям свойств отдельных элементов в результате их синергического или антагонистического воздействия на живые организмы. Избыток свинца в растениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого снижается урожайность растений и резко ухудшается качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного действия свинца – появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинаковая: менее устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Поэтому симптомы токсичности у различных культур могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Сысо, 2001). Концентрация металла выше 10 мг/кг сух. в-ва является токсичной для большинства культурных растений (Рэуце, Кырстя, 1986).

В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный  тракт. При токсичных дозах элемент  накапливается в почках, печени, селезенке и костных тканях.  При свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей.

 

Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент, но он же относится к группе "новых" микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) и в низких концентрациях способен стимулировать их рост некоторых животных  (Авцын и др., 1991). Для высших растений значение кадмия достоверно не установлено.

Основные проблемы, связанные у  человечества с этим элементом, обусловлены техногенным загрязнением окружающей среды и его токсичностью для живых организмов уже при низких концентрациях (Ильин, Сысо, 2001).

Токсичность кадмия для растений проявляется  в нарушении активности ферментов,  торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибировании восстановления NО₂ до NО. Кроме того, в метаболизме растений он является антагонистом ряда элементов питания (Zn, Cu, Mn, Ni, Se, Ca,Mg, P). При токсичном воздействии металла у растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев. Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения. По фитотоксичности  и  способности накапливаться в растениях в ряду ТМ он занимает первое место (Cd> Cu > Zn > Pb) (Овчаренко и др., 1998). 

Кадмий  способен накапливаться в организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды и проникает в различные органы и ткани. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях. Его избыток ингибирует синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, влияет на активность ферментов, нарушает усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Cu, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.

 

Повышенные концентрации цинка  оказывают токсическое влияние  на живые организмы. У человека они  вызывают тошноту, рвоту, дыхательную  недостаточность, фиброз легких, является канцерогеном (Кеннет, Фальчук, 1993). Избыток  цинка в растениях возникает  в зонах промышленного загрязнения  почв, а также при неправильном применении цинксодержащих удобрений. Большинство видов растений обладают высокой толерантностью к его  избытку в почвах. Однако при очень  высоком содержании этого металла  в почвах обычным симптомом цинкового  токсикоза является хлороз молодых  листьев. При избыточном его поступлении в растения и возникающим при этом антагонизме с другими элементами снижается усвоение меди и железа и проявляются симптомы их недостаточности.

В организмах животных и человека цинк оказывает влияние на деление  и дыхание клеток, развитие скелета, формирование мозга и поведенческих  рефлексов, заживление ран, воспроизводительную  функцию, иммунный ответ, взаимодействует  с инсулином. При дефиците элемента возникает ряд кожных заболеваний. Токсичность цинка для животных и человека невелика, т.к. при избыточном поступлении он не кумулируется, а  выводится. Однако в литературе имеются  отдельные сообщения о токсическом  влиянии этого металла: у животных снижается прирост живой массы, появляется депрессия в поведении, возможны аборты (Кальницкий, 1985). В целом же наибольшую проблему для растений, животных и человека в большинстве случаев представляет дефицит цинка, нежели его токсичные количества.

 

Медь – является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов-оксидаз – цитохромоксидазы, церулоплазмина, супероксидадисмутазы, уратоксидазы и других (Школьник, 1974; Авцын и др., 1991) и участвует в биохимических процессах как составная часть ферментов, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. Данные по токсичности элемента для растений немногочисленны. В настоящее время основной проблемой считается недостаток меди в почвах или ее дисбаланс с кобальтом. Основные признаки дефицита меди для растений – замедление, а затем и прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна, пустозернистых колосьев, снижение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наиболее чувствительны к ее недостатку пшеница, овес, ячмень, люцерна, столовая свекла, лук и подсолнечник (Ильин, Сысо 2001; Adriano,1986).

В организме взрослого человека половина от общего количества меди содержится в мышцах и костях и 10% - в печени. Основные процессы всасывания этого  элемента происходят в желудке и  тонкой кишке. Ее усвоение и обмен  тесно связаны с содержанием в пище других макро- и микроэлементов и органических соединений. Существует физиологический антагонизм меди с молибденом и сульфатной серой, а также марганцем, цинком, свинцом, стронцием, кадмием, кальцием, серебром. Избыток данных элементов, наряду с низким содержанием меди в кормах и продуктах питания, может обусловить значительный дефицит последней в организмах человека и животных, что в свою очередь приводит к анемии, снижению интенсивности роста, потере живой массы, а при острой нехватке металла (менее 2-3 мг в сутки) возможно возникновение ревматического артрита и эндемического зоба. Чрезмерное поглощение меди человеком приводит к болезни Вильсона, при которой избыток элемента откладывается в мозговой ткани, коже, печени, поджелудочной железе и миокарде.

Никель. Биологическая роль никеля заключается в участии в структурной организации и функционировании основных клеточных компонентов – ДНК, РНК и белка. Наряду с этим он присутствует и в гормональной регуляции организма. По своим биохимическим свойствам никель весьма схож с железом и кобальтом. Недостаточность металла у жвачных сельскохозяйственных животных проявляется в снижении активности ферментов и возможности летального исхода. 

Токсичность никеля для растений проявляется  в подавлении процессов фотосинтеза  и транспирации, появлении признаков  хлороза листьев. Для животных организмов токсический эффект элемента сопровождается снижением активности ряда металлоферментов, нарушением синтеза белка, РНК и  ДНК, развитием выраженных повреждений  во многих органах и тканях. Экспериментально установлена эмбриотоксичность никеля (Строчкова и др., 1987; Ягодин и др., 1991). Избыточное поступление металла в организм животных и человека может быть связано с интенсивным техногенным загрязнением почв и растений этим элементом.

Хром. Хром относится к числу элементов, жизненно необходимых животным организмам. Основные его функции - взаимодействие с инсулином в процессах углеводного обмена, участие в структуре и функции нуклеиновых кислот и, вероятно, щитовидной железы (Авцын и др., 1991). Растительные организмы положительно реагируют на внесение хрома при низком содержании в почве доступной формы, однако вопрос о незаменимости элемента для растительных организмов продолжает изучаться.

Токсичное действие металла зависит от валентности: шестивалентный катион гораздо токсичнее  трехвалентного. Симптомы токсичности  хрома внешне проявляются в снижении темпов роста и развития растений, увядании надземной части, повреждении  корневой системы и хлорозе молодых листьев. Избыток металла в растениях приводит к резкому снижению концентраций многих физиологически важных элементов, в первую очередь К, Р, Fe, Mn, Cu, B. В организме человека и животных общетоксикологическое, нефротоксическое и гепатотоксическое действие оказывает Cr⁶⁺. Токсичность хрома выражается в изменении иммунологической реакции организма, снижении репаративных процессов в клетках, ингибировании ферментов, поражении печени, нарушении процессов биологического окисления, в частности цикла трикарбоновых кислот. Кроме того, избыток металла вызывает специфические поражения кожи (дерматиты, язвы), изъявления слизистой оболочки носа, пневмосклероз, гастриты, язву желудка и двенадцатиперстной кишки, хромовый гепатоз, нарушения регуляции сосудистого тонуса и сердечной деятельности. Соединения Cr⁶⁺, наряду с общетоксикологическим действием, способны вызывать мутагенный и канцерогенный  эффекты. Хром, помимо легочной ткани, накапливается в печени, почках, селезенке, костях и костном мозге 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33.Роль биогенных  и второстепенных элементов в  биосфере

 

Из 92 встречающихся в природе  стабильных  элементов в организмах животных обнаружен 81.

• Элемент может быть отнесен к группе биогенных,если он удовлетворяет следующим требованиям:

– Постоянно присутствует в организме в количествах, сходных  у разных индивидуумов;

– Ткани по содержанию данного  элемента всегда  располагаются  в определенном порядке;

– Синтетический рацион, не содержащий этого элемента,  вызывает у животных характерные симптомы

недостаточности и определенные биохимические изменения  в тканях;

– Эти симптомы и изменения  могут быть предотвращены  путѐм добавления данного элемента в пищу Классификация по функциональной  роли:

– Органогены – элементы, входящие в  состав органических веществ: C, H, O, N, P,