Вступ

Сучасний фахівець у галузі охорони навколишнього середовища і раціонального природокористування повинен уміти передбачати наслідки впровадження нових технологій, знати особливості поведінки різних хімічних сполук у разі потрапляння їх у навколишнє середовище, оцінювати їх вплив на біосферні процеси. Це особливо важливо для розроблення стратегії переходу до стійкого розвитку, оскільки збереження й удосконалення людської цивілізації можливе лише в умовах стабільного функціонування біосферних систем, що підтримують життя на Землі.

Відомо, що в основі процесів, які обумовлюють сучасний стан біосфери, лежать фізико-хімічні зміни в літосфері, гідросфері, атмосфері та живих організмах. Ці зміни є предметом вивчення таких галузей хімії, як геохімія, агрохімія, фотохімія, гідрохімія, біохімія та ін. Однак глобальні процеси, які відбуваються у навколишньому середовищі, обумовлені як природними, так і антропогенними чинниками, свідчать про тісний взаємозв’язок між явищами за участі абіотичних компонентів у різних геосферах і біогеохімічними циклами.

Екологічна хімія ґрунтується на основних законах і поняттях класичної хімії, проте обʼєкти дослідження в цьому випадку містятяться в біосфері.

Предметом вивчення курсу «Екологічна хімія» є основні фізико-хімічні процеси, що відбуваються за участю абіотичних компонентів біосфери в природних умовах, і зміни у цих процесах, пов’язані із впливом антропогенних чинників.

У цьому посібнику подано чотири розділи, присвячені, відповідно, основним поняттям та термінології екологічної хімії, хімії атмосферного повітря, води й ґрунтів. Для засвоєння матеріалу посібника необхідно мати певні знання із загальної та неорганічної хімії, наприклад, викладені в підручнику для вищої школи авторів О.М.Степаненко, Л.Г.Рейтера, В.М.Ледовських, С.В.Іванова «Загальна та неорганічна хімія», ч.1,2, 2000 р.

1. Основні поняття та терміни екологічної хімії

1.1. Екологічні чинники середовища

Навколишнє середовище організму – це природні тіла і явища, з якими він перебуває у прямих чи непрямих стосунках. Умови середовища, здатні здійснювати прямий чи непрямий вплив на живі організми, називаються екологічними чинниками. Існує кілька класифікацій екологічних чинників середовища. Найпростішою є класифікація, за якою екологічні фактори середовища поділяються на дві категорії: абіотичні фактори (фактори неживої природи) та біотичні фактори (фактори живої природи).

До абіотичних факторів належать кліматичні – світло, температура, волога, рух повітря, тиск; едафогенні (ґрунтові) – механічний склад, вологоємність, повітропроникність, щільність; орографічні – рельєф, висота над рівнем моря, експозиція схилу; хімічні – газовий склад повітря, сольовий склад середовища, концентрація, кислотність і склад ґрунтових розчинів.

До біотичних факторів відносяться фітогенні (рослинні організми), зоогенні (тварини), мікробіогенні (віруси, найпростіші, бактерії, ріккетсії) й антропогенні (діяльність людини).

Вплив хімічного компонента абіотичного фактора на живі організми виражається існуванням певних верхніх та нижніх меж амплітуди припустимих коливань окремих факторів (температура, солоність, рН, газовий склад тощо), тобто визначений режим існування. Чим ширші межі якого-небудь фактора, тим вищою є стійкість чи, як її називають, толерантність, даного організму.

Фактором розвитку, що лімітує ріст рослин, є елемент, концентрація якого лежить у мінімумі. Це визначається законом, названим законом мінімуму Ю.Лібіха (1840). Урожай культур часто лімітується елементами живлення, не такими як СО₂ і Н₂О, а тими, яких є достатньо, котрі необхідні в незначних кількостях. Наприклад, бор – необхідний елемент живлення рослин, але з малим вмістом у ґрунті. Коли в результаті вирощування однієї культури, його запаси вичерпуються, то ріст рослин припиняється, навіть за достатньої наявності інших елементів.

Закон Лібіха застосовується тільки в умовах стаціонарного стану. Іноді організм здатний замінювати (частково) дефіцитний елемент іншим, більш доступним і хімічно близьким йому. Так, деяким рослинам потрібно менше цинку, якщо вони ростуть на світлі, а молюски, що живуть у місцях, де є багато стронцію, при побудові раковини, заміняють ним частково кальцій.

1. Аеробні та анаеробні організми

Аеробними називають такі організми, які здатні жити і розвиватися лише за наявності у середовищі вільного кисню, який використовують як окиснювач. До аеробних організмів належать усі рослини, більшість найпростіших та багатоклітинних тварин, майже всі гриби, тобто переважна більшість відомих видів живих істот. Аеробні організми здійснюють біологічне окиснювання, головним чином за допомогою клітинного дихання. У зв’язку з утворенням при окисненні токсичних продуктів неповного відновлення кисню, аеробні організми мають ряд ферментів (каталазу, супероксиддисмутазу), що забезпечують їх розкладання та відсутність чи слабке функціонування в облігатних анаеробів, для яких кисень через це виявляється токсичним. Найрізноманітніший дихальний ланцюг у бактерій, наділених не тільки цитохромоксидазою, а й іншими термінальними оксидазами.

Особливе місце серед аеробних організмів займають організми, здатні до фотосинтезу – ціанобактерії, водорості, судинні рослини. Кисень, що вивільнюється цими організмами, забезпечує розвиток усіх інших аеробних організмів. Організми, здатні розвиватися за низької концентрації кисню (£ 1 мг/л), називаються мікроаерофілами.

Анаеробні організми здатні жити і розвиватися за відсутності в середовищі вільного кисню. Поширені вони переважно серед прокаріотів. Їх метаболізм зумовлений необхідністю використовувати не кисень, а інші окиснювачі. Багато анаеробних організмів, які використовуються органічними речовинами (усі еукаріоти, що одержують енергію в результаті гліколізу), здійснюють різні типи шумування, за яких утворюються відновлені сполуки: спирти, жирні кислоти. Інші анаеробні організми – денітрофікувальні (частина з них відновлює окисне залізо), сульфат-відновлювальні, метанутворювальні бактерії – використовують неорганічні окиснювачі: нітрати, сполуки сірки, СО₂.

Анаеробні бактерії поділяються на групи маслянокислих і т.д., відповідно до основного продукту обміну. Особливу групу анаеробів складають фітотрофні бактерії. Стосовно О₂ анаеробні бактерії поділяються на облігатні, що нездатні використовувати його в обміні, та факультативні (наприклад, денітрифікувальні), які можуть переходити від анаеробіозу до розвитку в середовищі з О₂. На одиницю біомаси анаеробні організми утворюють багато відновлених сполук, основними продуцентами яких вони є у біосфері. Послідовність утворення відновлених продуктів (N₂, Fe²⁺, H₂S, CH₄), що спостерігається при переході до анаеробіозу, наприклад у донних відкладах, визначається енергетичним виходом відповідних реакцій. Анаеробні організми розвиваються в умовах, коли О₂ цілком використовується аеробними організмами, наприклад у стічних водах, мулах.