Предмет и задачи экологической химии

1. Предмет и задачи экологической химии.

Экологическая химия — наука о химических процессах, определяющих состояние и свойства окружающей среды — атмосферы, гидросферы и почв.Раздел химии, посвящённый изучению химических основ экологических явлений и проблем, а также процессов формирования химических свойств и состава объектов окружающей среды.

Предметом экологической  химии являются химические процессы в окружающей среде в связи с изменениями, вносимыми в них деятельностью человека (хозяйственной, военной и иной).В поле зрения экологической химии попадают те части геосфер (верхняя тропосфера и стратосфера Земли), в которых наблюдаются или могут происходить антропогенно обусловленные изменения химических процессов. Экологическая химия является соединением нескольких научных дисциплин: биохимия, аналитическая химия, химия поверхности и сорбции, фотохимия, катализ и др.Задача экологической химии – максимальное уменьшение уровня нагрузки антропогенных воздействий за счет разработки новых или модификации существующих технологических процессов;разработки способов эффективной очистки отходов производств;разработки способов прогнозирования и регуляции уровня химического загрязнения в объектах окружающей среды. Сюда же относят: рекомендации по разработке новых препаратов, употребляемых в сельском хозяйстве и бытовой химии; рекомендации по профилактике других процессов, приводящих к загрязнению окружающей среды; решение вопросов, связанных с порчей пищевых продуктов, деструкцией конструкционных материалов и др.Экологическая химия изучает как естественные химические процессы, происходящие в окружающей среде, так и процесс её антропогенного загрязнения. Одна из задач экологической химии — разработка новых химических технологий, значительно снижающих отрицательное воздействие на окружающую среду, технологий утилизации и обезвреживания отходов, очистки воздуха и сточных вод, ремедиации (восстановления) почв.В практическом плане можно выделить три главные задачи экологической химии:Изменение существующих технологических процессов, направленное на снижение энерго- и ресурсоемкости производств, сведение к минимуму выбросов в атмосферу и гидросферу. Очистка выбрасываемых в атмосферу газов и сбрасываемых в водоемы сточных вод от наиболее вредных веществ. Оценка воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ (ЗВ).    Роль экологической химии заключается в оценке скорости трансформации ЗВ зависимости от факторов среды. Кинетические параметры могут затем использоваться в математических моделях для прогнозирования поведения ЗВв объектах окружающей среды. Экологическая химия отличается от классической химии тем, что: многие (но не все) химические процессы протекают в окружающей среде очень медленно; например, граниты медленно реагируют с водным раствором углекислого газа, однако эта реакция за 2 млрд. лет, прошедших от рождения Земли до появления фотосинтеза, снизила содержание СО₂ в атмосфере примерно в 10 раз;очень малые концентрации веществ и реакции с очень малыми выходами имеют такое же значение, как и большие концентрации; например, без взаимодействия азота с кислородом в грозовых разрядах, в котором с выходом в доли процента образуется NO, была бы практически невозможна жизнь в океанах;   число веществ, находящихся в окружающей среде, огромно; значит, число реакций, которые одновременно могут протекать в окружающей среде, тоже огромно; при этом многие реакции влияют друг на друга, причем иногда взаимные влияния очень сложны.

2. Общие представления  о химическом загрязнении окружающей  среды

По оценке Всемирной организации  здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн известных химических соединений практически используется ло 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т. п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем.Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные.

• Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех  или иных полезных ископаемых, крупных  животноводческих комплексов.

• Региональные загрязнения охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов.

• Глобальные загрязнения чаще всего  вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстояния от места возникновения  и оказывают неблагоприятное  воздействие на крупные регионы, а иногда и на всю планету.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ классифицируются на:

1) газообразные (диоксид  серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);2) жидкие (кислоты,  щелочи, растворы солей и др.);3) твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).  

По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение. К физическим относятся: тепловые, шумовые, радиоактивные, электромагнитные загрязнения. К химическим относятся загрязнения тяжелыми металлами, пестицидами, СПАВ, химическими элементами, полимерами. К биологическим загрязнениям относятся биогенные, микробиологические воздействия на природную среду.Под химическим загрязнением понимают увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые концентрации.Оно может быть органическое (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическое (соли, кислоты, щелочи), токсичное (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичное.Токсичностью называется способность различных химических элементов или их соединений оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, растения, животных, человека. Понятие «токсичность» относится не к определенным элементам, например к тяжелым металлам, а к любым химическим загрязняющим веществам, поступающим в биосферу в высоких концентрациях.Среди химических загрязнителей окружающей природной среды к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. 

Эти данные свидетельствуют о том, что расширение масштабов техногенной  сферы связано с интенсивным  диспергированием вещества суши, запылен  нем и химическим загрязнением атмосферы, возвратным выпадением аэрозолей, антропогенной  пыли и химических соединений на сушу и поверхностные воды, т. е. химическим загрязнением гидросферы и почвенного покрова.

3.15.Биогенные элементы

Биогенные элементы-это элементы входящие в состав живых организмов.В природе в заметном количестве встречается около 50 элементов, из них примерно 25 — биогенные, остальные — второстепенные. Среди биогенных есть макроэлементы, их одиннадцать: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, кальций, сера, хлор, магний, калий и натрий. Макроэлементы еще называют органогенами, так как они образуют биомолекулы. Ежедневная потребность человека в них высокая — более 100 мг. Их содержание в организме, с одной стороны, постоянно, с другой — выдерживает без последствий значительные отклонения.Кроме того, в организме находятся микроэлементы:цинк, медь, марганец, йод, бром, кобальт, железо, молибден, фтор, селен и др. Они встречаются главным образом в составе органических и неорганических комплексов, выполняющих различные специальные функции: каталитические, сигнальные и пр. Потребность в них — около 1 мг в сутки, но даже небольшие отклонения в их содержании

в организме вызывают нарушения  и заболевания. Заметим, что у  животных и растений набор макро# и микроэлементов существенно отличается. В частности, калий чрезвычайно важен для растений, а натрий — для животных;аналогично магний и железо.

Биогеохимический  закон (Вернадского). Чем выше атомная масса элемента, тем меньше его содержание в природе и в организме.В целом наличие того или иного элемента в организме определяется следующим:функциями, которые он выполняет;наличием его в природе в доступной, главным образом водорастворимой форме;способностью организма поглощать, удерживать и накапливать этот элемент, его соединения.

Правило Бернала. Лабильные атомы (сера, медь, железо), существенно изменяющиеся в природе, играют главную роль в биохимии,а стабильные (кремний, алюминий), образующие земную кору, — второстепенную.Как у любого правила, здесь имеется ряд исключений,например стабильный кислород.

Железо — регулирование гемоглобина в крови (дыхание, перенос кислорода).

Кальций — образование  костной ткани, свертывание крови, мышечная и сердечная деятельность (генерация электрических потенциалов, сокращение мышечных во.

локон), иммунитет организма.

Кислород, фосфор — энергетика биохимических процессов.Натрий, калий — регуляция водного и солевого баланса, осмотического давления, рН, участие в проведении нервного импульса.Йод — гормональная деятельность, а значит, регулирование обмена, физиологических процессов и функций.

Кобальт, марганец и медь — участие в ферментативных и обменных процессах.Фтор — остеотропные и обменные процессы, иммунитет.

Магний — фотосинтез у растений.Биогены являются связующим звеном между живой и неживой природой.Для них характерна постоянная циркуляция, поддерживаемая солнечной энергией. Например, продуценты (гелиотрофы,производящие органику) осуществляют следующее превращение, используя солнечный свет:

Здесь катализатором является хлорофилл, в состав которого входит катион магния.

Запасая энергию, организмы"продуценты в свою очередь являются пищей для более высоких форм (консументов), которые сами напрямую преобразовать энергию солнца в

энергию химических связей не могут. Последние становятся пищей для высших организмов. Так формируются трофические цепи (в воде и на суше).

Закон зависимости  потребления от численности организмов. В потоках вещества и энергии главную роль играют мелкие организмы, а крупные — незначительную, вспомогательную.Так, например, главные потребители в биосфере — бактерии, грибы и простейшие. За ними стоят черви, моллюски и членистоногие. Доля потребления дикими позвоночными (земноводными, пресмыкающимися, птицами и млекопитающими) очень низка — не более 1% продукции биосферы

4.ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ 
ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ БИОСФЕРЫ 
В результате хоз. деят. человека в биосферу поступило более 200 млн т диоксида углерода, около 146 млн т диоксида серы, 53 млн т оксидов азота и другие хим. соед.Побочными продуктами деят-ти промышл. предприятий явились также 32 млрд м3 неочищенных сточных вод и 250 млн т пыли. 
Геологич. деят. чел. превосходит по мощи природные процессы и приводит к резкому ухудшению экологической обстановки на землях горного отвода и прилегающих к ним террит.Массовые взрывы на карьерах стали регулярными и являются очень крупными источниками пыли и ядовитых газов. Как правило, при мощном взрыве пылегазовое облако рассеивает 200—250 т пыли в радиусе 2—4 км от эпицентра взрыва,вызывая загрязнение окруж. среды на прилегающих террит.Резко повышается загрязненность почв и поверхностных вод тяжелыми металлами на террит., прилегающих к отвалам рудников по добыче полиметаллических руд. В качестве топлива в теплоэнергетике используют уголь, нефть и нефтепродукты, природный газ и реже — древесину и торф. Основн. компонентами горючих материалов являются углерод, водород и кислород, в меньших кол-вах содержатся сера и азот, присутств. также следы металлов и их соединений (чаще всего оксиды и сульфиды).В теплоэнерг. источником массированных атмосферных выбросов и крупнотоннажных твердых отходов являются ТЭС и любые промышл. и коммунальн. предпр,работа кот. связана со сжиганием топлива. В состав отходящих дымовых газов входят диоксид углерода, диоксид и триоксид серы и ряд других компонентов.Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60 % SiO2, 22-26 % А12О3, 5-12 % Fe2O3, 0,5-1 % 
СаО, 4—4,5 % К2О и Na2O и до 5 % С. Металлургические шлаки представляют собой силикатные системы с различным содержанием железа.Те же шлаки содержат тяжелые металлы,мышьяк, сурьму, остатки флотагентов и другие примеси, которые из отвалов и других накопителей отходов попадают в окружающую среду. Сточные воды предприятий цветной металлургии,  наряду с солями тяжелых металлов содержат цианиды, тиоцианаты, сульфиды, сероводород и соединения мышьяка, 
отравляющие гидробиоту и делающие воду непригодной для использования. Металлург. произв-во явл-ся опасн. источником загрязнения атмосферы отход. газами и тверд. выбросами. Производство цветных металлов, сплавов и гальваническое производство поставляют в биосферу Se, As, Sb, Си, Ag, Sr, Zn, Cd, Hg, Al, Sn, Pb, Bi, Mo.Кроме твердых отходов металлургич. и металлообрабат. заводы сбрасывают в реки и другие водоприемники сточные воды, содерж. твердые взвеси, растворы и эмульсии солей, кислот и щелочей, растворимые соединения тяжелых металлов, цианиды и углеводороды.Предпр. хим. промышл. явл-ся источниками менее крупнотоннажных, но значительно более разнообразных и токсичных стоков и выбросов в биосферу. К ним следует отнести  органические растворители, амины, альдегиды, хлор и его производные, оксиды азота, циановодород, фториды, сернистые соединения (диоксид серы,сероводород, сероуглерод), металлорганические соединения, соединения фосфора, ртуть.При сернокислотном производстве происходит выброс больших объемов SO2 и других соединений серы. 
Заводы азотных удобрений выбрасывают в сутки 2—5 т оксидов азота, азотной и азотистой кислот; их концентрация в воздухе на расстоянии 0,5 км от предприятий достигает 1,3 мг/м3. Поставщиками хлора в атмосферу являются предприятия по произ-ву пестицидов, органических красителей, соды, соляной и уксусной кислот, а фтор и его соединения поступают в атмосферу 
в выбросах заводов по производству фосфорных удобрений, эмалей и т. п.Заводы синтетического каучука выбрасывают в воздушный бассейн стирол, толуол, ацетон, изопрен, а содовые заводы — аммиак, оксид фосфора (V), диоксид серы. Так же опасны сточные воды заводов искусств. волокна,коксохим.газосланцевых предприят., содерж. смолистые вещ-ва, фенолы, меркаптаны, органические кислоты, альдегиды, спирты, красители. На 
предприятиях хлорн. промышл. из сточных вод извлек. тысячи тонн дихлор- и трихлорэтана, одновременно предотвращая загрязнение рек и водоемов токсичными соединениями. Основными источниками загрязнения нефтью и нефтепродуктами почв и поверхностных вод суши являются нефтепромыслы на суше и континентальном шельфе, нефтераспределительные пункты и базы,автомобильный транспорт, предприятия нефтеперерабатывающей промышленности. Причиной загрязнений бывают грубые нарушения технологии добычи и переработки нефти и нефтепродуктов,а также различные аварийные ситуации, при которых происходят разливы нефти, нефтепродуктов и вод, содержащих нефть.  
Ошибки и техн. неполадки в процессе бурения и эксплуатации скважин приводят к «залповым» выбросам нефти и нефтяного газа, что вызывает локальные, но очень сильные загрязнения окруж. среды. По мере того как возрастает глубина переработки нефти, увеличив. и кол-во стоков, которые отличаются более сложным составом и включают разнообразные токсич. соед., в том числе пропан, бутан, этилен, фенол, бензол и другие углеводороды.Объем выбросов SO2 на нефтеперерабат. заводе мощностью 12 млн т составляет 219 тыс. т в год, причем их отриц. влияние проявл-ся на расстоянии до 20 км от предпр. Значительно загрязняют почвы и поверхностные воды стоки, содержащие продукты неполного сгорания нефти и нефтепродуктов, отработанные смазочные масла, охлаждающие эмульсии и другие соединения нефтяного происхождения.Нефть и нефтепродукты поступают в Мировой океан в процессе бункеровки топлива, вследствие утечек,при перекачке за борт трюмных вод, из-за неполного сгорания топлива и т. п. Развитие атомной промышл,ядерной энергетики и применение радиоактивных изотопов неизбежно приводят к повышению уровня радиации окруж. среды.Источн. радиоактивного загрязн. биосферы могут быть выпадение радиоактивных аэрозолей, поступивших в стратосферу в рез-те испытаний ядерного оружия; выпадение радиоактивных изотопов, образовавшихся в результате уничтожения в высоких слоях 
атмосферы ядерных энергетических установок; отходы атомной промышл., захороненные с нарушением технологии или потерянные при транспортировке; все виды стоков, сбросов и выбросов при работе и авариях на АЭС, подводных и надводных судах с атомными двигателями; радиоактивные вещ-ва,попавшие в биосферу в результате аварийных ситуаций и несчастных случаев, связанных с атомным оружием; неконтролируемые источники 
радиации (отходы урановых шахт, производства, на которых использ-ся радиоактивные изотопы, заводы по переработке горючих веществ).  
Среднее время пребывания радиоактивных аэрозолей в тропосфере:во всей толще тропосферы оно колеблется от 20 до 30 суток, в трехкилометровом нижнем слое тропосферы составляет от 2 до 10 дней. Вследствие взаимодействия нейтронов с элементами заряда образуется нептуний-239, а при термоядерном взрыве — тритий и уран-237. При 
взаимодействии нейтронов с конструктивными элементами устройства образуются кобальт-60, кобальт-57, вольфрам-185, вольфрам-181,вольфрам-187, рений-188 и родий-102. При взаимодействии с компонентами воздуха образуются аргон-41, углерод-14 и тритий. При взаимодействии с почвой активируются алюминий, кремний,натрий,марганец, железо, кобальт и другие элементы (радиоактивные изотопы с большими периодами полураспада, кот.могут накап-ся на поверхн. почвы: тритий, плутоний-239, плутоний-240, плутоний-238, углерод-14, железо-55, кобальт-60. Другим источником радиоактивного загрязнения биосферы являются радионуклиды, образовавшиеся в процессе работы атомных реакторов.При нормальной работе АЭС в окруж. среду поступают марганец-54, кобальт-58, кобальт-60, иод-131, цезий-134,цезии-137, стронций-89, стронций-90 и тритий.Весьма опасным источником радиоактивного загрязнения являются аварии на предприятиях, вырабатывающих или использующих атомную энергию или радиоактивные материалы. Постоянным источником загрязнения радионуклидами,являются рудники, где добываются урановые и ториевые руды.

5.Химический этап  эволюции биосферы.

Принято считать, что еще 4,5 млрд лет назад формиров. различн. соед. хим. эл. на планете Земля происходило полностью за счет физ. и хим. процессов. Первые признаки жизни отмечены более 3,5—3,8 млрд лет назад. С тех пор постоянно возрастает роль биолог. процессов в перераспределении хим эл. и их соедин.

Первичный синтез элементов. Ядра атомов любого элемента состоят из протонов и нейтронов. Достаточное для синтеза хим.элементов кол-во протонов и нейтронов было образовано всего за несколько секунд жизни Вселенной. Нейтроны исключительно реакционноспособны по отношению к другим ядрам, особенно быстро они реагируют с протонами, которые поглощают нейтроны. Учитывая существующую в то время температуру, около 10 К, соврем. расчеты показали, что в течение первых трех минут возникли стабильные ядра дейтерия, гелия-3, гелия-4 и гелия-7.Остальн. 90 эл. были синтезированы на определенных звездах и энерг. уровнях, обеспечиваемых в течение жизни звезды и ее смерти. В наст. время боль-во ученых согласно с гипотезой о существовании подобия «космического реактора» в теле звезд. Время, необходимое для синтеза элементов в космич. простр-ве, простирается от секунд до миллиардов лет. Химический состав Вселенной может быть охарактеризован в виде след. пропорции.

Из 1 000 000 атомов представлены :

Водородом 924 400; 74 000 – гелием; 830 – кислородом; 470 – углеродом; 84 – азотом; 82 – неоном; 35 – магнием; 33 – кремнием; 32 – железом; 18 –  серой; 8 – аргоном; 3 – алюминием; 3 – кальцием и оставшиеся 2 атома – для всех остальных элементов.

Формиров. кислорода и углерода происходит относительно легко при делении водорода, дейтерия и гелия. В элементном составе космич. вещ-ва преоблад. биофильные элементы: Н, О, С, N; в заметных кол-вах содерж. Si, S, Fe, Mg, Al, P, Ca, К. Возможно, именно эти биофильные элементы и соединения способствовали возникновению живого вещества на Земле. Особенно важно открытие постоянного присутствия в межзвездном пространстве различных молекул типа формальдегида, ацетальдегида и др., которые могли послужить основой для синтеза органических полимеров, нуклеиновых кислот, полисахаридов и дать начало жизни.В наст. время доказано, что Солнечная система развивалась из вращающейся дисковидной небулы. На первых стадиях конденсации происходило формиров. окислов кальция, алюминия, титана и силикатов, металлов платиновой группы, железа и никеля. Эта конденсация началась при температуре около 1360 К. При снижении температуры до 1200 К происходил синтез силикатов в форме MgSiО₃.

При 400 К образовался равновесный  конденсат, который содержал железо, сульфиды железа, гидратированные силикаты магния и некоторые летучие вещества (сущест.на Земле в течение 10⁵ – 10⁷ лет) . Три типа пыли конденсировались из солнечного газа: окислы, металлические никель – железо и силикаты магния. При остывании железо реагировало с H₂S и Н₂О, образуя FeS и FeO. Дальнейшие изменения происходили при температуре ниже 400 К. Дегазацию Земля испытывала 4 млрд лет назад, что привело к образованию протоатмосферы и протогидросферы. В наст. время существует мн-во различн.теоретич. подходов к проблеме возникновения жизни.

Воззрения Э. Геккеля  стали основой истоков хим. гипотезы эволюции, согласно кот. сначала появились соединение углевода под действием чисто хим. и физ. причин. Эти вещ-ва предст. собой не растворы, а взвеси маленьких «комочков», способных к росту и накоплению вещ-ва. Рост происходил до определенного предела, за которым след. деление. В результате дифференцировки «комочков» в них возникало ядро. Появилась ядерная клетка - исходная форма для живых существ на земле.

Первичный бульон» А.И. Опарин в конце 1920-х годов выдвинул первую обоснованную модель о химическом синтезе необходимых биологических молекул, в которой предполагалось, что в протоатмосфере с высоким восстановительным потенциалом могли быть синтезированы низкомолекулярные простые органические молекулы типа аминокислот или сахаров.Концепция А.И. Опарина и его последователей (американский ученый Дж. Холдейн) основана на представлениях о восстановительной (метан, аммиак), окислительной (фотохимическое расщепление Н₂О и СО₂) и нейтральной (СО₂ и N₂) составляющих первичной древней атмосферы Земли. можно отметить, что первый этап возникновения жизни рассматривается современной наукой как этап химической эволюции. В условиях высоких температур, повышенной вулканич. деят., солнечн. излучения из метана, аммиака и водорода образовались простые органич. соединения. В первичном океаническом «бульоне» в рез-те взаимодействия циановодорода и альдегидов в присутствии аммиака были синтезированы аминокислоты, одновременно происходило образование простых сахаров (рибозы, дезоксирибозы). В водной среде образовались основные компоненты нуклеиновых кислот, предположительно две из основных четырех нуклеиновых кислот: аденин и гуанин. Гипотеза Г.В.Войткевича: образование органич. вещ-ва происходит в космич. пространстве, которое заносится на землю космич. пылью. Сначала вокруг ядра формируется ядерная оболочка. Под действием ультрафиолетового излучения растворенные в воде аммиак и метан превращаются в реакционноспособные радикалы, которые образуют многочисленные органич. соед. Многочисленные органические вещества найдены в метеоритах (углеводороды, углеводы, азотные основания, аминокислоты и даже хлорофилл и т.д.Пиритовая модель возникновения жизни

 Г. Вёхтершойзер предложил наиболее детальную биохимическую модель возникновения жизни. По этой модели синтез пирита управлял синтезом органич. вещ-ва; поверхность пирита служила для стабилизации и защиты реакционных продуктов, приводя одновременно к комплексной полимеризации и возникновению клеточной организации за счет вкрапления зерен пирита. Развитие тририбонуклеиновой кислоты (ТНК) предшествовало возникновению системы, основанной на ДНК.

Синтез пирита снабжал  энергией соответствующие реакции образов. органическ. Вещ-ва, и формирующаяся поверхность пиритовых кристаллов служила первоначальной «средой» для роста и дальнейшей трансформации органических молекул. Предполаг, что сульфид железа, двуокись углерода, аммоний и фосфат также могли участвовать в этих взаимодействиях.

Пиритовая модель раскрывает возможность формирования РНК и  ДНК.

7.Химические экорегуляторы

Жив. орг-мы влияют на свое окружение путем взаимно перекрещивающего действия различн. молекул. Эти взаимодействия могут происходить между животн., раст., между животн. и раст. Кроме того, неживая природа также воздействует на животн и раст. Хим. взаимодействия осущест-ся при передаче закодированных сообщений при помощи специфических молекул, а также использ-ся для защиты или нападения на всех уровнях эволюц. развития.

Сложность взаимоотношений между орг-ми выражается в характере действия данного организма на среду (межвидовое или внутривидовое) - являются ли они благоприятн. или вредными для оказывающего их вида.

Классификация типов  химических воздействий организма  на среду 

I. Вещества, участвующие  в межвидовых (аллелохимических) взаимодействиях

А. Алломоны (приносят пользу организму-продуценту):

1. Отпугивающие вещества.2. Вещества, прикрывающие бегство  (чернильная жидкость у головоногих  моллюсков).

3. Супрессоры (антибиотики).4. Яды.

5. Индукторы (вызывают  образование галлусов, узелков и  т.п.).6. Противоядия.7. Приманки (привлекают  добычу к организму-хищнику).

Б. Кайромоны (приносят пользу организму-реципиенту):

1. Вещества, привлекающие  к пище.2. Индукторы, стимулирующие  адаптацию (например, фактор, вызывающий  образование шипов у коловраток).

3. Сигналы, предупреждающие  реципиента об опасности или  токсичности.4. Стимуляторы (факторы  роста).

В. Депрессоры: отбросы и подобные им продукты, отравляющие реципиента, не увеличивая приспособляемости производящего их организма к окружающей среде.

II. Вещества, участвующие  во внутривидовых взаимодействиях

А. Аутотоксины (отбросы, токсичные для организма-продуцента и не приносящие пользы другим видам).

Б. Аутоингибиторы адаптации: сдерживают численность популяции в таких пределах, чтобы она находилась в равновесии с окружающей средой.

В. Феромоны:

1. Половые феромоны.2. Общественные  феромоны.

3. Феромоны тревоги и  обороны.4. Феромоны-метчики (отмечают  территорию обитания и т.п.).

Конечный продукт метаболизма, выбрасываемый ими в окружающую среду, может оказывать губительное действие на одни виды раст, тогда как другие к нему оказыв-ся нечувствительными. Иногда этот продукт вреден для самого, производящего его растения, иногда нет.

Взаимодействие между  растениями и животными осуществл. самыми различн. способами. Средства, при помощи которых раст. защищается от животных, многообразны: шипы, алкалоиды, кардиотоксичные стероидные гликозиды, неприятный вкус, горечь. Некот. раст. в целях защиты могут биосинтезировать гормоны насекомых – экдизоны, способные губительно действовать на гусениц бабочек. Часто встречается такое явление, когда специфическое вещество привлекает к растению животных одного вида и отталкивает животных других видов. Одни и те же вещества помогают личинкам распознать пищу, привлечь самок, собирающихся отложить яйца.Взаимодействия между неорганической материей и животн. или растен. осущ-ся в основном растен. К распространенным среди растений элементам относятся: C, H, O, N, P, S, Ca, Mg, K, Fe, Mn, Cu, Cl, B, Mo, Co, Si, Se, F, Br, I. Некот раст поглощают из почвы и накапливают селен, который является токсичным для скота. Главным метаболитом, в форме которого происходит усвоение селена, является Se-метилселеноцистеин. Эти раст. способны выделять летучие продукты, содержащие диметилселенид. Напротив, накопление кремния у растений чаще всего связано с формированием физических средств защиты: острые, режущие поверхности и шипы.

По содержанию неорганических веществ в растениях можно  обнаружить залежи руд. Так, залежи арсенопирита были определены по содержанию железа в травах. Этим методом пользуются для отыскания залежей бора, никеля, кобальта, меди, хрома и молибдена.Хим. оружие используется как средство нападения, если животное имеет специализированные органы с ядом. Токсичные вещества могут находиться в самом организме-продуценте, в этом случае оборонительный характер такого оружия проявляется только при нападении на организм-продуцент. Все ядовитые животные могут быть разделены на три категории. Активные ядовитые животные имеют ядовитые железы или органы, которые используют для нападения. Пассивные ядовитые животные используют яд только в целях обороны.

Отравленные ядовитые животные содержат яд в организме, и токсичность  их проявляется при столкновении с ними или употреблении их в пищу. Микотоксины опасны для животных и человека (спорынья ржи). Ядом в данном случае являются производные лизергиновой кислоты: эрготамин и другие полипептидные эргоалкалоиды

Афлатоксины содержатся в  арахисе, различных видах зерновых и бобовых, в комбикормах для  скота, обезвоженных пищевых концентратах и накапливаются в процессе хранения. Сегодня известно около двадцати разных афлатоксинов, принадлежащих к группам В₁ и G₁ и вызывающих отравление. Охратоксин А вызывает некрозы печени у животных, питающихся зараженными этими грибками кормами. Экзему кожи лица способны вызвать сапрофиты, живущие на разлагающихся злаковых растениях и выделяющих эпиполитиадикетопиперазины. Группой опасных для печени веществ (гепатотоксинов) является группа полиядерных оксихинонов, продуцируемых различн. видами низших грибов, растущими преимущественно на рисе. Циклические пептиды бледной поганки приводят к смертельному исходу при попадании грибов в пищу. Для поганок характерны две группы ядовитых веществ: фаллотоксины, представителем которых является фаллоидин и аматоксины, например a-аманитин, смертельная доза которого для человека составляет 0,1 мг/кг.

К фитотоксинам относятся  ядовитые вещества, вырабатываемые фитопатогенными  грибами или бактериями. Фитотоксины  вызывают пожелтение и хлороз листьев  растений (например, вредитель табака Pseudomonas tabaci и вырабатываемый ими  токсин - дипептид треонина и оксидиаминовой кислоты).

8.Общие закономерности  распределения химических загрязняющих  веществ в биосфере.

Наиболее  реальной опасностью для жизни на Земле является нарушение хим. равновесия в биосфере из-за высоких норм потери сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и рассеяния в окружающей среде всех видов осадков, стоков и выбросов. 
Локальные загрязнения биосферы. Загрязнение окружающей среды происходит весьма неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия на природу расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохоз. производством. Такие загрязнения, обычно наблюдающиеся вокруг какого-либо промышленного предприятия,крупного рудника, населенного пункта, называются локальными. Их химизм определяется, с одной стороны, отраслевой принадлежностью источника загрязнения, с другой — рельефом, климатическими особенностями и другими природными условиями места загрязнения. Так,почва вокруг рудников полиметаллических руд и комбинатов по выплавке цветных металлов всегда содержит повышенное количество тяжелых металлов — меди, цинка, свинца, кадмия. Такое же локальное загрязнение почвы свинцом наблюдается вдоль автострад с напряженным движением.В районах с открытой добычей полезных ископаемых всегда наблюдается локальное загрязнение атмосферы и почвенного покрова пылью, а на территориях, прилегающих к нефтепромыслам и нефтеперерабатывающим заводам,— нефтяными углеводородами.В местах разрешенного сброса коммунально-бытовых и производственных сточных вод поверхностные воды всегда отличаются повышенным уровнем загрязнения. Примером локального загрязнения атмосферы является смог —опасное во многих отношениях облако загрязнений различного типа,характерное для некоторых городов, где сочетание загрязнения воздуха транспортными и промышленными газами, атмосферные явления и солнечное излучение создают возможности для его образования. Различают смог влажный представляющий собой сочетание пылевых частиц и капель тумана, и смог сухой, или фотохимический, возник. в результате воздействия ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения на загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. Компонентами 
сухого смога являются озон О3).оксид углерода СО,,оксиды азота NOX,различные радикалы и другие токсичные компоненты. 
Различают локальное загрязнение техническое, или эксплуатационное, вызываемое нормальной работой промышленного оборудования или использованием продуктов промышленного производства, и аварийное, вызванное резким и неожиданным нарушением работы предприятия, связанным с выбросом в атмосферу, сбросом в водную среду,разливом по почве большого количества вредных для биосферы и населения веществ. Техническое загрязнение, как правило, остается локальным, тогда как аварийное нередко переходит в региональное, а в исключительных — катастрофич. случаях — в глобальное. Примером катастрофического загрязнения окружающей среды может служить авария на Чернобыльской АЭС. 
Региональное загрязнение биосферы. Региональным загрязнением окружающей среды называют загрязнение, обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всю планету. Причиной регионального загрязнения окружающей среды может стать эксплуатационное поступление загрязняющих веществ в биосферу, если оно достаточно длительно, а выбросы поступают в подвижные компоненты биосферы — в атмосферу и природные воды. Переход локальных загрязнений в региональные может быть связан с расширением территорий городов, которые постепенно превращаются в гигантские мегаполисы с многомиллионным населением. Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы,азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность регионального масштаба, сбросы больших объемов сточных вод приводят к загрязнению речных бассейнов, массовое использование удобрений на прилегающих к мегаполису территориях — к загрязнению почвенного покрова и водной среды избытком биогенных элементов.Региональные загрязнения вызываются также массовой добычей полезных ископаемых или массовым использованием веществ, опасных для природной среды. Площади нефтяных пятен достигают нескольких тысяч квадратных километров.В районах массового применения химических средств защиты растений происходит региональное загрязнение ими почвенного покрова.Глобальные загрязнения биосферы. Глобальными называют загрязнения, которые обнаруживают практически в любой точке планеты.Как правило, глобальные загрязнения переносятся атмосферными потоками, поскольку атмосфера является наиболее открытым компо- 
нентом природной среды, связанным процессами энерго- и массобмена с биосферой, гидросферой и космосом. Газовые компоненты глобальных загрязнений рассмотрены, в сле- 
дующей главе. Здесь необходимо отметить особую роль запыления атмосферы. Количество выбрасываемой в атмосферу пыли, образующейся вследствие 
сжигания топлива и различных технологических процессов, составляет до 10 % от общего количества поступающих в атмосферу твердых частиц, причем большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80 % из них — на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более 1 км и тридцатью днями в верхних слоях атмосферы. Основная опасность глобального загрязнения атмосферы пылью заключается в том, что возрастает запыленность приземного слоя, достигающая в урбанизированных районах 40—400 мкг/м3.К глобальным загрязнениям биосферы следует отнести и радиоактивные выпадения. Их отличительным свойством является характер распределения по географической широте: максимальные радиоактив-ные выпадения отмечены около 40° северной широты. К северу и экватору радиоактивное загрязнение постепенно снижается.