Что включает в себя химия окружающей среды

Химия окружающей среды включает в себя сначала понимание того, как незагрязненный окружающая среда работает, какие химические вещества в каких концентрациях присутствуют в природе и с какими эффектами. Без этого было бы невозможно точно изучить влияние человека на Окружающая среда через выпуск химикаты.

Окружающей среды химики использовать ряд концепций из химии и различных наук об окружающей среде, чтобы помочь в изучении того, что происходит с химическими веществами в Окружающая среда. Важные общие концепции химии включают понимание химические реакции и уравнения, решения, единицы, отбор проб, и аналитические методы. [1]

Содержание

Загрязнение

А загрязнитель это вещество присутствуют в природе на более высоком уровне, чем фиксированные уровни, или которого иначе бы там не было. [2] [3] Это может быть связано с деятельностью человека и биологической активностью. Термин загрязнитель часто используется как синоним загрязнитель, которое является веществом, губительно влияющим на окружающую среду. [4] [5] Хотя загрязнитель иногда определяется как вещество, присутствующее в окружающей среде в результате деятельности человека, но не имеющее вредных последствий, иногда бывает так, что токсические или вредные эффекты от загрязнения становятся очевидными только позднее. [6]

«Среда», такая как почва или организм, например рыба, подверженная воздействию загрязнителя или загрязнителя, называется рецептор, в то время как тонуть представляет собой химическую среду или виды, которые удерживают и взаимодействуют с загрязнителями, такими как поглотитель углерода, и его воздействие микробами.

Показатели окружающей среды

Приложения

Химия окружающей среды используется Агентство окружающей среды в Англия, Природные ресурсы Уэльса, то Агентство по охране окружающей среды США, Ассоциация Общественные аналитики, и другие природоохранные агентства и исследовательские организации по всему миру для обнаружения и определения природы и источника загрязняющих веществ. Они могут включать:

Методы

Количественный химический анализ является ключевой частью химии окружающей среды, поскольку она предоставляет данные, на которых основывается большинство экологических исследований. [10]

Общие аналитические методы, используемые для количественных определений в химии окружающей среды, включают классическую влажную химию, такую ​​как гравиметрический, титриметрический и электрохимический методы. При определении следов металлов и органических соединений используются более сложные подходы. Металлы обычно измеряются с помощью атомной спектроскопии и масс-спектрометрии: Атомно-абсорбционная спектрофотометрия (AAS) и Индуктивно-связанная плазменная атомная эмиссия (ICP-AES) или Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) методы. Органические соединения, в том числе ПАУ, обычно измеряются также с использованием масс-спектрометрических методов, таких как Газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ / МС) и Жидкостная хроматография-масс-спектрометрия (ЖХ / МС). Тандемная масс-спектрометрия МС / МС и высокая разрешающая способность / точная масс-спектрометрия HR / AM предлагать частичку на триллион обнаружения. Методы, не относящиеся к МС, с использованием ГХ и ЖХ с универсальными или специфическими детекторами по-прежнему являются основными в арсенале доступных аналитических инструментов.

Другие параметры, часто измеряемые в химии окружающей среды: радиохимические вещества. Эти загрязнители выделяют радиоактивные вещества, такие как альфа- и бета-частицы, представляющие опасность для здоровья человека и окружающей среды. Для этих измерений чаще всего используются счетчики частиц и сцинтилляционные счетчики. Биотесты и иммуноанализы используются для оценки токсичности химического воздействия на различные организмы. Полимеразной цепной реакции ПЦР способна идентифицировать виды бактерий и других организмов посредством выделения и амплификации специфических генов ДНК и РНК и является многообещающим методом выявления микробного загрязнения окружающей среды.

Опубликованные аналитические методы

Экспертная оценка методы испытаний опубликованы государственными органами [11] [12] и частные исследовательские организации. [13] Утвержденные опубликованные методы должны использоваться при тестировании, чтобы продемонстрировать соответствие регулирующий требования.

Источник

Экологическая химия

Федеральное агентство по образованию

Литература

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого»

Факультет естественных наук и природных ресурсов

Кафедра химии и экологии

ВВЕДЕНИЕ: ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ,
ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ

К настоящему времени сложился целый комплекс научных дисциплин, объектом изучения которых являются химические процессы в окружающей среде (ОС). Все они могут быть объединены под общим названием «Химия окружающей среды». Но требуется уточнение понятия «окружающая среда».

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА (ОС) – вся наша планета, тонкая оболочка жизни – биосфера – и космическое пространство, окружающее нас и воздействующее на нас. Однако часто для упрощения под окружающей средой подразумевают лишь биосферу и часть нашей планеты – земную кору.

По В.И.Вернадскому, биосфера – это «область существования живого вещества». Живым веществом называют совокупность всех живых организмов, включая человека.

Биосфера включает:

– аэробиосферу – нижнюю часть атмосферы,

– гидробиосферу – всю гидросферу: океаны, моря, поверхностные воды суши,

– террабиосферу – поверхность самой суши,

– литобиосферу – литосферу: верхние горизонты твердой земной оболочки.

В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосфера),а также расположенные выше (парабиосфера) и ниже ее (метабиосфера); в эти слои живые организмы могут попасть лишь случайно.Общая протяженность эубиосферы по вертикали 12…17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.

Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является озоновый слой, имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22-26 км. Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности, каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи.

С учетом протяженности названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33-35 км.

Таким образом, химия окружающей среды включает в себя:

– химию природных соединений биологического происхождения.

Однако обострение экологической ситуации, принявшее во многих районах мира характер кризиса, имеющего тенденцию к расширению и глобализации, привело к выделению из этого комплекса новой научной дисциплины – экологической химии.

Предметом экологической химии являются химические процессы в окружающей среде в связи с изменениями, вносимыми в них деятельностью человека (хозяйственной, военной и иной). В сферу интересов экологической химии попадают те химические процессы в геосферах (атмосфере, гидросфере и др.), которые оказываются под прямым или косвенным влиянием человечества.

Отношения между экологической химией и химией окружающей среды есть отношения части и целого. Прилагательное «экологическая» указывает на то, что данной наукой изучаются процессы, в конечном счете определяющие условия существования живых организмов (включая человека) на нашей планете. В поле зрения экологической химии попадают те части геосфер, в которых наблюдаются или могут происходить антропогенно обусловленные изменения химических процессов.За пределами биосферы, но в фокусе внимания экологической химии находятся верхняя тропосфера и стратосфера Земли.

В практическом плане можно выделить три главные задачи экологической химии, от решения которых зависит сохранение среды обитания:

Источник

РОЛЬ ХИМИИ В ЭКОЛОГИИ

В основе жизни, как и в основе изменения химического состава биосферы, лежат химические процессы, для описания и управления динамическим равновесием в биосфере необходимо знание химических механизмов взаимодействия между отдельными подсистемами. Эта область экологии оформилась в отдельную научную дисциплину – химическую экологию, под которой понимается наука о химических взаимодействиях между живыми организмами и неживой природой. В задачи химической экологии входят вопросы о степени влияния отдельных видов антропогенных воздействий на живую природу, предсказания возможных экологических последствий химических загрязнений. Доминирующим аспектом здесь является биологический.

В настоящее время экология представляет собой сложный интегрированный комплекс наук. Специалисты-химики должны иметь достаточно ясное понимание вопросов взаимоотношения современного технизированного общества и окружающей среды, функционирования биосферы в условиях все усиливающегося антропогенного давления, методов анализа природных объектов, контроля качества окружающей среды и места химии в экологической науке.

Целью данного реферата является рассмотрение взаимосвязи химии и экологии в аспекте химических процессов, протекающих в биосфере, как глобальной экосистеме Земли.

На основе цели можно выделить ряд задач реферата: рассмотреть роль и место химии в науке экологии, проанализировать строение биосферы и химические процессы, протекающие в ее компонентах: атмосфере, гидросфере, литосфере и почве.

Для выполнения реферата были использованы учебные пособия по химической экологии, химии окружающей среды и статьи из периодических изданий по теме реферата.

Роль и место химии в науке экологии

Экология – это наука об отношениях организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей средой. Экология – это раздел биологии, изучающий взаимосвязи между организмами и их средой обитания, о круговороте веществ в природе и потоках энергии, делающих возможной саму жизнь на Земле. Главная задача современной экологии – изучение и прогнозирование антропогенных изменений в среде обитания, обоснование и разработка методов ее сохранения и улучшения в интересах человечества.

Современная экология охватывает чрезвычайно широкий круг вопросов и тесно переплетается с целым рядом смежных наук таких, как география, геология, физика, химия, генетика, математика, медицина, агрономия, архитектура. Приставка эко- появляется у многих естественных и общественных наук.

Что касается сочетания двух понятий «экология» и «химия», то здесь выделяются такие дисциплины, как биохимия и химическая экология:

— вещества, входящие в состав организма, их структуру, распределение, превращение и функции изучает наука биохимия;

— с точки зрения биологии в рамках экосистемы существует понятие химической экологии – это наука о химических взаимоотношениях живых организмов между собой и с живой и неживой природой.

Предмет химической экологии – это химизм и принципы взаимодействия животных и растительных организмов между собой и неорганической средой посредством взаимно перекрещивающегося действия различных молекул.

Природные вещества в биосфере, их превращение и транспорт в естественных условиях и под воздействием антропогенного фактора изучает экологическая химия. Однако иногда особо выделяется антропогенное химическое воздействие на процессы в биосфере посредством действия любых химических веществ – продуктов деятельности человека, например, СО₂, и действия веществ не свойственных природе, например, пестициды, и называют этот раздел экологической химией, однако такое представление слишком узко.

В настоящее время понятия «Химическая экология» и «Экологическая химия» в общественном и научном сознании отождествляются, но однозначного определения этой науки нет. Чаще всего биологическая составляющая химической экологии опускается, и под этими терминами подразумевается наука о процессах трансформации и миграции химических соединений природного и антропогенного происхождения в биосфере.

На рисунке 1 схематически представлены области исследования химической, биологической и экологической наук и их взаимосвязь.

Рис. 1. Связь химических, биологических и экологических наук 1

Роль химической экологии в общей системе экологических знаний и природоохранной деятельности возрастает по нескольким причинам.

1. Среди факторов, нарушающих природные равновесия, химические вещества различного происхождения имеют первостепенное значение.

2. Химические факторы более заметны и легче поддаются анализу, чем, например, изменения биологического или географического фактора.

3. Химическим методам и средствам (химической технологии) принадлежит ведущая роль в охране окружающей среды.

Задачи химической экологии как любой науки – это описание, объяснение тех или иных процессов в системе и предсказание поведения системы в заданных условиях. В случае химической экологии объектом внимания является конкретная экосистема или биосфера в целом. 2

Строение и химический состав биосферы

Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой) как и любая экосистема, состоит из биотической и абиотической частей. Биотическая часть состоит из живых организмов таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов.

Абиотическая часть представлена:

— почвой и подстилающими ее породами до глубины, где еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород, и физической средой порового пространства.

— атмосферным воздухом до высоты, на которой возможны еще проявления жизни.

— водной средой океанов, рек, озер.

Биосферу слагают три категории субстанций.

1. Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса.

Под живым веществом В.И. Вернадский, автор учения о биосфере, понимает все количество живых организмов планеты как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул другое.

Общим свойством жизни является присутствие в живом веществе активных белковых молекул. С химической точки зрения, живое и биогенное вещество биосферы представлено 3 :

— аминокислотами, составляющими основу белка

Последние являются составными частями нуклеиновых кислот, содержащихся в каждой клетке (дезоксирибонуклеиновые кислоты – ДНК – в ядре клетки и рибонуклеиновые – РНК – в цитоплазме). Из названных органических соединений образуются сложные молекулы углеводов, белков, жиров, и нуклеиновых кислот.

2. Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива. Биогенными элементами называют растворимые элементы, жизненно необходимые организмам.

Макробиогенными элементами называют элементы, требующиеся организмам в сравнительно больших количествах.

Микробиогенными элементами называют элементы и их соединения, которые хотя и необходимы для жизнедеятельности биосистем, но требуются в крайне малых количествах. Для растений, например, наиболее важны 10 микроэлементов: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Si, Mo, Cl, Co, V.

Для фотосинтеза необходимы: Fe, Mn, Cl, V.

Для азотного обмена необходимы: Fe, Mо, В.

Для других метаболических функций необходимы: Mn, В, Co, Cu, Si.

Все эти элементы кроме бора необходимы и животным, кроме того им может требоваться Se, Cr, Ni, F, I, Sn.

Между макро- и микроэлементами нельзя провести четкую границу, так же как и между различными группами организмов.

3. Биокосное вещество – смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битумные пески, часть осадочных пород; сюда же можно отнести и земную атмосферу).

Биогеохимические принципы Вернадского включают в себя следующие положения:

1) биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2) эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном измельчении средних размеров особей биоты земли, к примеру, когда лес сменяется лугом, а крупные животные мелкими, начинает действовать аномально интенсивно.

3) живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей средой, создающейся и поддерживающейся не Земле космической энергией Солнца.

Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Для того, чтобы понять роль химических элементов в функционировании биосферы, необходимо также рассмотреть явление биогеохимических циклов, которые совершают химические элементы в биосфере.

Биогеохимические циклы химических элементов

Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую для других организмов форму. Таким образом, перемещения и превращения веществ и элементов в природе под действием биологических и геологических факторов, сопровождающиеся перераспределением энергии, поступающей от Солнца, образуют биогеохимические циклы.

Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме устойчивость – постоянство процентного состава различных элементов в ней или так называемый гомеостаз. Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях основаны на биологических процессах. Вещества в круговоротах постоянно трансформируются, перестраиваются, обмениваясь атомами, а сами атомы остаются неизменными.

В науке выделяются большой и малый круговороты веществ.

В основе большого или геологического (абиотического) круговорота веществ лежит процесс переноса минеральных соединений из одного места в другое в масштабах планеты. Около половины падающей на Землю лучистой энергии расходуется на перемещение воздуха, выветривание горных пород, испарение воды, растворение минералов. Движение воды и ветра приводит к эрозии, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся в море напластования могут возвращаться на сушу – и процессы возобновляются.

В основе малого или биологического (биотического) круговорота веществ в природе лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Все организмы экосистемы связаны между собой и абиотическим окружением потоками вещества и энергии. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1 % падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества.

Большой и малый круговорот веществ составляют биогеохимические циклы элементов – это перемещения и превращения элементов через косную и органическую природу при активном участии живого вещества. Эти процессы обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. Общая схема и взаимосвязь потоков в глобальном круговороте веществ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема круговорота веществ в природе (биогеохимических циклов элементов) 4

В каждом биогеохимическом цикле, то есть для каждого отдельного элемента, можно выделить два фонда:

1) резервный – большая масса медленно движущихся веществ, содержащих данный элемент, в основном в составе абиотического компонента;

2) обменный (подвижный) – меньший фонд, но более активный. Для него характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Цикл представлен пищевой цепью и связан с резервным фондом.

Среди биогеохимических циклов элементов выделяют циклы двух типов: циклы газообразных веществ и цикл осадочных веществ. Такое деление основано на проявлении склонности химических элементов образовывать газообразные соединения (С, О, N, S) и не газообразные вещества (Р, Са, Fe) в условиях Земли.

Нарушения в циклах первого типа могут быстро устраняться за счет крупных атмосферных или океанических подвижных фондов. Циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать хорошо «забуференными», так как их способность возвращаться в исходное состояние велика.

Самоконтроль циклов второго типа затруднен, они легче нарушаются в результате местных перетрубаций, поскольку в этих циклах основная масса вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде. В связи с хозяйственной деятельностью человека и вовлечением в биосферный поток техногенных продуктов этой деятельности возникли проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Циклы некоторых элементов, например, азота, серы, фосфора, калия, стали природно-антропогенными, характеризующимися значительной незамкнутостью. Некоторые же соединения и материалы, созданные человеком, например, пластмассы, вообще не способны включаться в природные или природно-антропогенные циклы, так как не перерабатываются в экосистемах, загрязняя их.

Для более подробного изучения вопроса круговорота химических веществ в биосфере можно рассмотреть особенности химических реакций, протекающих в отдельных ее компонентах, а именно атмосфере, гидросфере, литосфере и почве.

Экологическая химия атмосферы и гидросферы

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении. С химической точки зрения она представляет собой смесь молекулярных, диссоциированных и ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми происходят постоянные реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и тяжелых частиц. Все это приводит к «перемешиванию» атмосферы и к постоянству ее основного состава.

Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени перемешивания в пределах атмосферы и представлен в табл. 1.

Таблица 1 – Валовой состав незагрязненного воздуха 5

Источник