Программа курса "Охрана окружающей среды"

Вид материала

Миграция и трансформация веществ в биосфере. показатели техногенеза.
Проблемы нормирования и контроля состояния экосистем.
Соединения ртути.
Основные методы и организация контроля загрязняющих веществ

Подобный материал:

1 2 3 4

МИГРАЦИЯ И ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В БИОСФЕРЕ. ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОГЕНЕЗА.

Цикличность вещества в Биосфере реализуется за счет переноса (миграции) в атмосфере, гидросфере, литосфере и живых организмах. Поэтому следует выделить физическую миграцию под действием градиентов силы тяжести, температуры, давления, и биологическую миграцию с живыми организмами, происходящую по иным закономерностям, часто - против градиентов параметров среды. Поскольку такие свойства, как летучесть, растворимость, способность к фотохимической, биологической деструкции и ряд других свойств, определяющих миграцию, для разных соединений одного и того же химического элемента отличаются, важное значение имеет способность вещества к трансформации при попадании в иные условия.

В обобщенном виде миграцию элементов в Биосфере описывают глобальные геохимические циклы, включающие массообмен данного элемента между атмо-, гидро-, литосферой (наиболее активной частью которой является педосфера), и совокупностью живых организмов. Они рассчитаны на основании данных о кларковых содержаниях данного элемента в компонентах Биосферы, массе этих компонент и годовых потоках атмосферных осадков, речного стока, биологической продуктивности. Для элементов, поступивших в Биосферу в результате дегазации мантии, имеющих устойчивые летучие формы (N,O,С,S,Cl,H,,.), значительный вклад в геохимические циклы дает атмосферный перенос, тогда как для литофильных элементов, поступивших в Биосферу в результате выветривания литосферы (Ca,Si,Na,K,P, …,тяжелые металлы) более существенной оказывается миграция с речным стоком. Рассмотрим геохимические циклы этих групп элементов на примерах углерода и кальция

(жирным шрифтом выделены запасы элемента, 10¹² т, курсивом - потоки, 10⁹ т/г):

Ц

икл С Цикл Са

Атмосфера 0.58 Атмосфера 0

0.003 130 100 0.048 0,27 0,20

94 36 1.6 0.8

1.4 Педосфера  Живое в-во 1.3  Океан 37 14 Педосфера  Живое в-во 22.6  Океан 558960

Речной сток 0.01 0.1 Речной сток

2.34

0.51

органическое в-во ионы газы  биогенная миграция ионы взвеси

Глобальный цикл С состоит из двух блоков: биологи- В цикле Са основной вклад дает водная миграция,

ческого (связывания и выделения СО₂, захоронения направленная с континента в океан. Удержанию Са в

орг.в-ва) и карбонат-бикарбонатной системы в обмене Биосфере способствует накопление в живом веществе

атмосферы и океана), регулирующих концентрацию и регулирование равновесия СаСО₃ - Са(НСО₃)₂

СО₂ (и, след.,климат) в атмосфере.

Циклы элементов в Биосфере не являются полными, т.к. некоторая их часть выводится из круговорота в осадки в мировом океане; пополнение запасов происходит за счет вулканической деятельности (для С - в газовой форме в атмосферу, для Са - при тектонических подвижках и при извержении вулканов). В условиях современной Биосферы в циклах всех элементов процессы биоаккумуляции и биологической миграции играют огромное значение, в частности, способствуя временной консервации части элементов на континентах за счет аккумуляции растениями и почвами. Глобальные геохимические циклы, таким образом, точнее определять как биогеохимические, в которых процессы жизнедеятельности, по Вернадскому, изменяют "судьбу" элементов в Биосфере.

Циклы элементов на уровне экосистем менее замкнуты, чем глобальные в масштабах Биосферы. Однако эволюционно сложившиеся экосистемы (биогеоценозы) формировались в определенных границах, ограничивающих потоки веществ таким образом, что цикличность ряда важных элементов внутри этих границ была достаточной для поддержания параметров (гомеостаз экосистем). Из этого можно заключить, что техногенные нарушения потоков веществ за счет изменения физической миграции, доли биологического оборота, изъятия или введения веществ могут повлиять на их цикличность элементов как условия функционирования экосистем и Биосферы в целом.

Сопоставим естественные и техногенные потоки некоторых элементов в современной Биосфере (млн.т/г):

Ме Континент.сток Атмосф.перенос Биологич.круговорот Техногенные

раствор взвеси (аэрозоли) на суше в океане потоки

Fe 0.25 705 65 34 32 ?

Mn 0.37 43 4 41 6 > 12

V 0.033 2,7 0.25 2.6 0.4 ?

Cr 0.037 2.1 0.19 0.31 0.28 2.4

Ni 0.074 1.9 0.18 0.35 2.9 0.76

Zn 0.74 1.6 0.15 8.6 10 4.5

Cu 0.26 1.2 0.11 1.7 16 7.4

Pb 0.037 0.41 0.038 0.43 0.4 > 0.4

Hg 0.0026 0.008 0.00076 0.0021 0.0024 0.007

Cd 0.0074 0.0061 0.00057 0.00086 0.032 0.007 .

Оценка техногенных потоков элементов показывает, что по некоторым из них за короткий период достигнут или даже превзойден уровень естественных потоков. При этом не всегда это связано с специальной добычей для производства товарной продукции, а является результатом попутного использования при производстве энергии. Кроме того, "кларки" техносферы и Биосферы сильно отличаются: в техногенные потоки вовлечены большие массы редких и рассеянных элементов. Наконец, пути техногенных потоков могут отличаться от естественной миграции элементов в Биосфере. Все это дало основание Вернадскому выделить геохимическую функцию человека как отдельную в общих биогеохимических функциях живого вещества. Для анализа проявлений этой функции в масштабах Биосферы и отдельных территорий А.И.Перельманом, Н.Ф. и М.А.Глазовскими предложена система показателей. Показатель технофильности N - отношение общей массы добываемого элемента к его кларку в литосфере, характеризует степень использования данного элемента в техногенезе. Наибольшей (порядка 10¹⁰) величина N оказывается для Cl,Bi, Au, Cd, Ag, тогда как для более распространенных элементов она ниже (10⁷ для Fe). Показатель специальной техногенности N_a - отношение суммарной добычи элемента (как целевого сырья) к кларку этого элемента в биосфере (учитываются и другие части Биосферы), и показатель общей техногенности N_б (с учетом добычи из естественных потоков, напр., водных), отражают степень извлечения элемента; их отношение показывает полноту техногенного исполььзования данного элемента. Доля целенаправленного вовлечения в техногенные потоки сильно отличается для разных элементов: для Cl 98%, для Na, Cu, Ag, Ba порядка 90%, для Be - всего 2%. Малая величина этого отношения показывает, что либо имеются большие потери этого элемента в техногенезе, что может быть связано с несовершенством технологии извлечения, либо этот элемент не находит применения и извлекается как попутный.

Помимо глобальных аспектов техногенного использования элементов, этот подход оказывается продуктивным для оценки влияния техногенеза на миграцию элементов на региональном уровне. Техногенное давление - сумма добываемого и баланса ввоза-вывоза в данном регионе элемента, можно оценить по разным видам сырьевых продуктов. Модуль техногенного давления - величина техногенного давления, отнесенная к площади или к количеству населения. В сумме по всем элементам в Германии МТД составляет 1500000 на км², 6.2 - на 1 жителя, в Швеции - 20000 и 1100, в Монголии - 5000 и 5800, в Зап.Сибири - 42 и 1.8, соответственно. Очевидно, степень насыщенности производством и воздействия на местные экосистемы для разных территорий отличается на несколько порядков.

Проблемы нормирования и контроля состояния экосистем.

Проблемы экологизации техносферы.

Техногенные потоки захватывают все блоки Биосферы (атмо-, гидро-, литосферу). Дополнительные к естественным потоки веществ могут не вызывать эффекта загрязнения, если не превышена буферная емкость данной экосистемы; если ее функционирование нарушено, имеет место загрязнение, вызванное загрязняющим веществом. Несколько иная ситуация с негативным воздействием загрязняющих веществ на здоровье человека; отсюда - различия в экологическом и санитарно-токсикологическом нормировании загрязняющих веществ, о чем будет сказано ниже. Учитывая возможность превращения веществ в природных условиях в другие в результате фотохимической деструкции, гидролиза, окислительно-восстановительных процессов, комплексообразования и других реакций, в результате чего изменяются миграционные свойства и биодоступность, выделяют первичные и вторичные загрязняющие вещества. Рассмотрим несколько примеров.

Соединения ртути. Ртуть в природных средах находится в виде паров, растворенных в воде неорганических и органических соединений, образует малорастворимые минералы (киноварь HgS). Из диаграммы устойчивости основных неорганических форм в воде (рис. справа) при содержании 36 мг/л Cl и 96 мг/л серы в форме сульфатов видно, что малорастворимая форма HgS устойчива лишь в восстановительной среде (вне контакта с атмосферой). Для широкого круга поверхностных вод устойчивой формой является Hg^о; существенно важным является довольно высокая растворимость этой формы в воде (56 мкг/л), при этой концентрации содержание ртути в парах достигает 12 мг/м³. Образование хлоридов ртути характерно для подкисленных растворов, а HgO устойчив в сильно окислительной обстановке, причем имеются кинетические затруднения в реализации этой формы. Т.о., атмосферный транспорт Hg^о обеспечивает ее миграцию на дальние расстояния и поступление в поверхностные и почвенные воды вдали от локального источника. Превращения форм ртути в природных средах показаны на рис. слева. Микробиологические процессы ускоряют образование в воде моно- и диметилртути; летучесть и способность к фотохимической деструкции последней приводят к дополнительному пути поступления ртути из донных захоронений в атмосферу. Кроме того, метилированные формы ртути, в отличие от неорганических, почти полностью поглощаются организмами, что определяет их высокую токсичность и эффективность биоаккумуляции. Таким образом, миграция и трансформация техногенных выбросов ртути в природных средах приводит к изменению исходных форм поллютанта и их токсичности. Похожая ситуация имеет место в отношении поведения металлов-поллютантов в водоемах, поскольку их трансформация (на уровне химических форм, имеющих разную способность к миграции, биоаккумуляции и обладающих разной токсичностью) зависит от состава воды. Другой пример, иллюстрирующий необходимость учета трансформации первичных загрязняющих веществ с изменением свойств и путей миграции - судьба диоксида серы, одного из компонентов газовых выбросов теплоэнергетики и транспорта. Фотохимическое окисление с образованием серной кислоты, частичной нейтрализацией в сульфаты в аэрозолях, приводят к тому, что сток из атмосферы на наземную поверхность реализуется в виде различных продуктов; интегральный учет скорости их выведения при условии соблюдения санитарно-гигиенических норм (ПДК по SO₂ 50 мкг/м³) приводит к тому, что при обычных метеорологических условиях годовой поток серной кислоты может достигать 85 г/м² , а рН дождей - до 2.7.

Воздух 20

СН₄ + С₂Н₆ Hg^o HgCl₂ O₂

Pe

(CH₃)₂Hg Hg₂Cl₂

Вода рыба 10 HgO

CH₃Hg⁺

Бактерии

Hg^o CH₃Hg⁺ (CH₃)₂Hg 0 HgS Hg⁰

Hg₂²⁺  Hg²⁺ + Hg^o

бактерии - 10

Донные осадки

0 7 14 pH

Ряд органических загрязняющих веществ может в природных условиях подвергаться фотохимическим, окислительно-восстановительным и иным превращением с образованием более токсичных и более стойких соединений. Т.о., поведение поллютантов в биосфере во многом определяется их химическими превращениями.

Из определения загрязнения окружающей среды:

Загрязнение природной среды – введение человеком, прямо или косвенно, вещества или энергии, влекущее за собой неблагоприятные последствия такого характера, как угроза здоровью людей, нанесение вреда живым ресурсам, экосистемам, ценностям ландшафта, а также помехи законным видам использования природных ресурсов

вытекает, что необходим контроль не только собственно самих загрязняющих веществ, сколько тех изменений, которые происходят в функционировании экосистем и которые могут вызвать нарушения процессов формирования качества почв, воды, воздуха. Следует разделять проблемы нормирования состояния окружающей среды, загрязняющих веществ в окружающей среде с экологических и санитарно-токсикологических позиций. В настоящее время более разработанной является система санитарно-токсикологического нормирования ЗВ, построенная на принципах охраны здоровья человека. Строго говоря, она относится только к питьевой воде, продуктам питания, воздуху в помещениях или на улице, а также к почвам и воде тех водоемов, которые используются человеком для получения продуктов питания. Исходя из экспериментальных данных по концентрациям (или дозам) тех или иных веществ, вызывающих гибель 50% подопытных животных или рыб (ЛК₅₀, ЛД₅₀), c коэффициентом 0.1, приняты ПДК для этих веществ в воде (питьевой и в водоемах рыбохозяйственного назначения), воздухе (максимально-разовые и среднесуточные), почве (как превышение над фоновым содержанием) и продуктах питания. Некоторые примеры приведены ниже:

Вода (ок.600 в-в), мг/л Воздух (ок.200 в-в), мкг/м³ Почва, мг/кг Продукты питания, мг/кг

питьев. рыбохоз. макс.-раз. ср.-сут. Молоко Мясо Зерновые

Al 0.5 AlF 0.2 1 10 30

As 0.05 0.003 2 0.05 0.5 0.2

Ba 0.1 BaCO₃ 0.004

Be 0.0002 - 0.01

Hg 0.005 0.0003 2.1 0.05 0.03 0.01

Cu 1 0.1 3 0.5 5 5

Cd 0.01 0.001 0.02 0.05 0.03

Ni 0.1(раств) 0.002 4 0.1 0.5 0.5

Zn 5 0.01 23 5 40 25

Pb 0.03 0.01 0.0003 32 0.1 0.5 0.5

Cr 0.1(6+) 0.3(3+) 0.0015 6 0.1 0.2 0.2

фенол 0.001 - 0.01 0.01

NO_x 0.085 0.085

NO₃ 45 45 45-2000(овощи)

ДДТ 0.001 - СО 3 1

SO₂ 0.5 0.05

пыль 0.5 0.35

Эта система не подходит для нормирования ЗВ в природных экосистемах. (1) Она не учитывает процессы миграции, трансформации, биоаккумуляции ЗВ. Это приводит к тому, что при соблюдении нормативов ПДК для конкретного ЗВ в одной из сред (напр., ртути в воздухе) процессы переноса данного ЗВ в другую приведут к существенному превышению установленного значения ПДК того же ЗВ в этой среде (содержание ртути в воде окажется 50 ПДК). Другой пример: при соблюдении ПДК для диоксида серы в воздухе над крупным индустриальном объекте на удалении 500 км возможно выпадение дождей с рН 3. (2). Санит.-токсикологич. нормирование не учитывает особенности разных экосистем (тундра, тропики…). (3) Она не учитывает и их буферность (как в химическом отношении, так и способность сохранять свои параметры даже при гибели отдельных особей). Поэтому разработаны различные системы нормирования ЗВ с экологических позиций, предусматривающие несколько рангов экосистем (для каждого – свое значение ПДК). Такие системы все же недостаточно учитывают вопросы трансформации ЗВ, отсюда нормируются элементы, а не химические формы. Кроме того, трудно определить, какие показатели следует нормировать и контролировать для тех или иных экосистем. Все это определяет необходимость уделить большее внимание проблеме нормирования и контроля не конкретных ЗВ, а собственно состояния данной экосистемы. Если оно не отличается от среднемноголетнего, значит, нет проявления загрязнения. Если отклонения имеют систематический характер, необходимо установить ЗВ и его источник, что для разных экосистем может быть индивидуальным. Такие подходы в настоящее время находятся в стадии обсуждения.

Основные методы и организация контроля загрязняющих веществ. Из приведенных примеров нормативов ПДК видно, что концентрации веществ, подлежащих количественному определению в сложных по составу объектах могут быть чрезвычайно низкими. Кроме того, важна оперативность получения информации, по возможности - непосредственно на месте наблюдений. Понятно, что при массовых определениях такие факторы, как стоимость и квалификация персонала также играют определяющую роль. Совокупность таких требований, как селективность, чувствительность, оперативность, доступность определяют выбор методов анализа загрязняющих веществ. Электрохимические, спектрохимические инструментальные методы, непосредственно или в сочетании с хроматографическим разделением и концентрированием, в зависимости от задач, используются в системе контроля. Особое значение имеет развитие методов анализа не общего содержания элемента, а конкретной формы (напр., метилртути).

Контроль загрязняющих веществ может производиться на месте их выброса (производственный контроль; стационарные системы с относительно невысокой чувствительностью и селективностью, высокие требования к агрессивности, температуре, абразивному воздействию); в санитарной зоне предприятия (может производиться периодически, более высокие требования к селективности и чувствительности); на региональном уровне (более удаленном от источников выброса, отсюда требования к селективности, чувствительности, оперативности - более высокие); наконец, контроль может выполняться в глобальном масштабе (напр., содержание озона в атмосфере). Система контроля включает производственный и государственный уровни; глобальный масштаб наблюдений осуществляется научными организациями.

Масштабы и темпы развития современной техносферы, при сохранении принципов использования вещества и энергии, как было показано в предыдущих лекциях, угрожают функционированию Биосферы как эволюционно сложившейся, динамической, самоподдерживающейся биогеоценотической системы. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферного воздуха, почв, поверхностных, грунтовых, подземных вод и вод Океана, в результате колоссального объема

Blog

Программа курса "Охрана окружающей среды"