Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

Цинк входит в состав более 40 металлоферментов. Так, ус­ тановлено, что он входит в состав активного центра карбоангидразы, карбоксипептидазы, РНК- и ДНК-полимераз, суперок­ сиддисмутазы и других.

Присутствие цинка в эритроцитах объясняется тем, что он содержится в карбоангидразе. Карбоангидраза катализирует про­ цессы гидратации СО2 и дегидратации угольной кислоты, тем самым влияет на процесс дыхания, на его скорость и на газооб­ мен в организме:

В карбоангидразе цинк с белком, содержащим 260 аминокислот­ ных остатков, образует три донорно-акцепторные связи, а чет­ вертая связь удерживает или молекулу воды, или гидроксиль­ ную группу. Соотношение этих форм зависит от pH среды. Ме­ ханизм гидратации С02 в активном центре карбоангидразы для этих случаев можно представить следующими схемами:

преобладает при pH < 7,8

преобладает при pH > 7,8

Подобный механизм действия, включающий две формы фер­ мента, имеет место и в случае фермента карбоксипептидазы, катализирующего гидролиз пептидных связей.

Известное влияние оказывает цинк на углеводный обмен. Полагают, что благоприятное для организма больного диабетом влияние (удлинение гипогликемического эффекта), вызванное взаимодействием цинка с инсулином, заключается не только в стабилизирующем воздействии цинка на молекулу инсулина, но и в угнетении цинком процесса разрушения инсулина в тканях под действием фермента инсулиназы.

Цинк активирует биосинтез витаминов С и В. Установлено сти­ мулирующее его действие на фагоцитарную активность лейкоцитов.

13.2.5.МОЛИБДЕН

Ворганизме взрослого человека содержится около 9 мг мо­ либдена, из них 5 мг - в костях, 2 мг - в печени. С пищей че­ ловек потребляет 0 ,2 - 0 ,3 мг/сут.

356

ЗАГРЯЗНЕНИ Я (’’БОЛЕЗН И ” ) О К РУ Ж А Ю Щ Е Й СРЕДЫ

Глава 14

ХИМИЯ И АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В условиях ускоренного научно-технического развития и бурного роста промышленного производства охрана окружаю­ щей среды стала одной из важнейших проблем современности, решение которой неразрывно связано с охраной здоровья ны­ нешнего и будущего поколений людей. Это вызвано тем, что по мере развития производительных сил общества и роста масшта­ бов использования природных ресурсов происходит все большее загрязнение окружающей среды отходами производства, ухуд­ шается качество нашей биосферы.

Биосфера - это среда распространения, обитания и «взаимодействия живых существ с неживой природой и

между собой.

Живые существа оказывают непрерывное воздействие на неживую природу, преобразуя и формируя облик планеты как целостной динамической системы. На современном этапе забота о сохранении биосферы заключается не только в разработке и соблюдении законодательства об ее охране, но и в познании за­ кономерностей причинно-следственных связей между различ­ ными видами человеческой деятельности и изменениями, про­ исходящими в природной среде.

В состав биосферы входят верхняя часть литосферы, гидро­ сфера и нижняя часть атмосферы. В настоящее время благодаря

358

деятельности человека эти три компонента биосферы настолько интенсивно загрязняются, что реальным становится нарушение целостности динамической равновесной системы, существую­ щей пока на нашей планете.

14.1. ХИМИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю. Ее ниж­ ний слой до высоты 8 - 1 2 км, где в основном формируется кли­ мат Земли, называется тропосферой. Газовый состав тропосферы включает постоянные и переменные компоненты. Постоянные компоненты - это азот (78,1 % ), кислород (20,9 % ), аргон (0,93 % ), а также СО2 (0,03 % ). К постоянным компонентам мо­ гут быть отнесены и некоторые другие газы (неон, гелий, метан, криптон), содержание которых составляет 1 0 _3 -s- 1 0 “ 4 % .

К переменным компонентам атмосферы относятся водяной пар и вещества, которые присутствуют в следовых количествах: озон, вещества биологического и геохимического происхожде­ ния, а также ядовитые и токсичные вещества, обязанные своим происхождением производственной деятельности человека.

Водяной пар следует рассматривать как важнейшую состав­ ляющую воздуха. Распределение пара в приземном слое зависит от времени года, высоты местности и ее географического распо­ ложения. Так, концентрация водяного пара летом в тропиче­ ских районах достигает 5 % , тогда как в арктических умень­ шается в зимнее время до 0 ,0 1 % .

Озон в атмосфере возникает за счет диссоциации молеку­ лярного кислорода, под действием ультрафиолетового излуче­ ния на атомарный кислород, который, взаимодействуя с моле­ кулярным кислородом, образует озон:

02 0 + 0 о + о2 — *- 03

Максимальное содержание озона наблюдается на высоте 20-30 км, где расположен так называемый озоновый слой, который защища­ ет землю от ультрафиолетового излучения, поглощая солнечный свет с X = 200-310 нм. При этом происходит разложение озона:

Таким образом, в верхних слоях атмосферы имеет место динами­ ческое равновесие между синтезом и разложением озона, которое обеспечивает постоянство его концентрации на высоте 20-30 км.

Вещества биологического и геохимического происхождения, поступающие в атмосферу, содержат углерод, серу и азот. Среди углеродсодержащих веществ следует назвать метан, а также фор­ мальдегид и оксид углерода(П) - продукты неполного окисления метана. Они образуются в результате деструкции органических веществ под воздействием микробов или неполного сгорания ве­ ществ, а также в результате вулканической деятельности.

359

Газообразные серосодержащие соединения - диметилсульфид (СНз^в и сероводород H2S - продукты жизнедеятельности бактерий и водорослей. Продуктом вулканической деятельности являются оксид серы(1У) S02 и карбонилсульфид COS.

Азотсодержащие вещества - аммиак и оксиды азота - появ­ ляются в атмосфере благодаря жизнедеятельности почвенных микроорганизмов (разд. 12.2.3), а также электрическим разря­ дам при грозах.

N2 + 0 2 — - V 2NO 2N0 + 0 2 —► 2N02

При взаимодействии оксида азота(1У) с атмосферной влагой и кислородом образуются кислоты:

2N02 + Н20 —► HN02 + HNOg 4N02 + 2Н20 + 0 2 —► 4HN03

Вещества, поступающие в атмосферу естественным путем, вы­ водятся из нее благодаря динамическому равновесию, сущест­ вующему в биосфере, поэтому они не представляют опасности для жизнедеятельности.

Газообразные выбросы, загрязняющие атмосферу в результате производственной деятельности человека, приводят к сверхнор­ мативному поступлению в атмосферу газов и легколетучих ве­ ществ, что способствует нарушению динамического равновесия в биосфере.

Анализ производственной деятельности человека позволяет классифицировать источники загрязнения атмосферы следующим образом.

I. Промышленные источники:

а) производство электроэнергии, основанное на сжигании угля, нефти, природного газа;

б) неорганическое производство: черная и цветная метал­ лургия, производство кислот и минеральных удобрений, синтез и переработка неорганических веществ;

в) органическое производство: нефтепереработка, производ­ ство каучука, целлюлозы, пластмасс, основной органический синтез.

II. Коммунально-бытовой сектор. Он включает эксплуата­ цию транспортных средств: самолетов, автомобилей, судов, - и коммунальные услуги: отопление, канализацию, уничтожение и хранение отходов.

III. Сельское хозяйство. Загрязняет биосферу в результате бесконтрольного использования минеральных удобрений, и осо­ бенно неразумного употребления пестицидов.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается 2,3 млрд, тонн вред­ ных примесей. Примерный состав этих выбросов (в % ): СО - 48,5; оксиды азота (N0 и N 02) - 15; оксид серы(1У) S02 - 14,9; твердые частицы - 13,6; углеводороды - 8 . Доля промышленно­ сти в этих выбросах составляет всего 14 % , зато коммунально­ бытовой сектор вносит весьма солидную лепту: транспорт - 44 % ,

3 6 0

отопление - 20, сжигание мусора - 5. Сельское хозяйство и про­ чие источники дают 17 % .

Вследствие поступления перечисленных загрязнителей в ат­ мосфере протекают новые процессы, которые приводят к возник­ новению различных смогов, кислотных дождей, разрушению озо­ нового слоя и ряду других явлений.

В зависимости от состава загрязнений различают то кси ч е ски й и ф о то х и м и ч е с к и й см оги .

14.1.1. ТОКСИЧЕСКИЙ СМОГ

Главной причиной токсического смога является повышенная концентрация S02 в атмосфере. Дополнительное поступление S0 2

ватмосферу началось сразу, как только человек стал использо­ вать каменный уголь для отопления жилищ, а затем и в про­ изводстве. Каменный уголь, особенно низкосортный, всегда со­ держит серу (до 3 % ), которая при сжигании угля превращается

вS09:

C(S) + 0 2 — ► C 0 2 + (S 0 2)

В настоящее время главным источником SO являются тепловые электростанции, работающие на угле или нефтяном мазуте, в ко­ тором также содержатся сероорганические соединения или сера (0,1^3,5 % ). Загрязнение атмосферного воздуха оксидом серы(1У) происходит особенно интенсивно в результате газовых выбросов при получении оксидов металлов обжигом сульфидных руд и при производстве целлюлозы сульфитным методом.

Накопление S02 в атмосфере сопровождается образованием сер­ нистой и серной кислот вследствие его взаимодействия с парами воды и кислородом:

S 0 2 + Н 20 = H 2S 0 3 2 S 0 2 + 2Н 20 + 0 2 = 2H 2S 0 4

При высокой влажности воздуха наличие кислотных продуктов приводит к образованию густого тумана, который захватывает так­ же частицы сажи и пыли. Такой токсичный туман называется т о к с и ч е с к и м см огом или "лондонским смогом", в память о тра­ гедии в 1952 г., когда в Лондоне от него погибло 3200 человек. Токсический смог чаще всего образуется зимой. При внезапном резком охлаждении земли верхний, более теплый слой воздуха создает подушку, препятствующую рассеиванию газов нижних сло­ ев. Это явление называется инверсией т е м п е р а т у р ы .

Таким образом, токсический смог образуется при загрязне­ нии атмосферы оксидом серы(1У), высокой влажности воздуха, наличии инверсии температуры в приземном слое и при отсутст­ вии ветра в данной местности.

361

Таким образом, в городском воздухе появляется сложная смесь углеводородов, альдегидов, оксидов азота, кислорода и озона, в состав которой входят как восстановители, так и окислители. Взаимодействие этих продуктов под действием солнечной радиа­ ции приводит к образованию сильнотоксичных пероксиацилнитратов (ПАН):

пероксиацилнитраты

ПАН вызывают сильное раздражение слизистых оболочек ды­ хательных путей и глаз, так как при контакте с водой образуют различные кислоты и активные радикалы, которые, взаимодей­ ствуя с живыми тканями, повреждают их. Сохранение смоговой ситуации в течение длительного времени приводит к повыше­ нию заболеваемости и смертности прежде всего детей и пожи­ лых людей. Фотохимический смог оказывает вредное воздейст­ вие и на растительность, вызывая образование "металлического" налета на листьях, их увядание и гибель. Кроме того, фотохи­ мический смог усиливает коррозию металлов, разрушение ре­ зины и других материалов.

Ухудшение видимости во время смога (появление голубова­ той дымки) связано с присутствием аэрозольных частиц. Воз­ никновение аэрозолей и последующее их удаление за счет взаи­ модействия с пылью и парами воды, приводящего к агрегации и осаждению частиц, является одним из основных путей само­ очищения атмосферы.

14.1.3. КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

Кислотность обычной дождевой воды характеризуется pH = = 5,6 т 6,0. Наличие в атмосфере паров воды и загрязняющих веществ: оксидов серы (SO2, SO3), азота (NO, NO2), а также хлороводорода НС1, который является газообразным отходом не­ которых химических производств и продуктом сжигания хлор­ содержащих пластмасс (полихлорвинил) при их уничтожении, приводит к образованию в атмосферной влаге соответствующих кислот.

Образующиеся в атмосфере растворы кислот выпадают в ви­ де кислотных дождей, pH которых иногда достигает 2,3, что соответствует кислотности сока лимона. Причем выпадение ки­ слотных дождей может происходить через несколько дней в сотнях и тысячах километров от источника загрязнения. Так, в Норвегии и Швеции идут кислотные дожди, зародившиеся в Германии и Англии, а в Канаде - зародившиеся в США.

Кислотный дождь - одна из наиболее тяжелых форм за­ грязнения окружающей среды, которую справедливо называют опасной болезнью биосферы. Из-за выпадения кислотных дож­

363

дей уменьшается pH пресноводных водоемов, что приводит к гибели рыб и других водных организмов. Многие реки и озера Норвегии, Швеции и юга Канады просто безжизненны по этой причине. Кислотные дожди влияют на структуру и строение почв, приводят к гибели растений, главным образом хвойных деревь­ ев. При закислении почв повышается растворимость соединений многих металлов, включая соединения металлов-токсикантов, что также создает опасность токсического загрязнения водных и почвенных экосистем. Под действием кислотных дождей ус­ коренно корродируют металлоконструкции, нарушается цело­ стность лакокрасочных покрытий, разрушаются здания и па­ мятники архитектуры. Так, атмосферная серная кислота реаги­ рует с мрамором СаСОз с образованием CaS0 4 , что приводит к шелушению и разрушению камня.

14.1.4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ДРУГИМИ ТОКСИКАНТАМИ

Помимо рассмотренных загрязнений автомобильный транс­ порт выбрасывает в атмосферу весьма токсичные оксид углерода(П) и соединения свинца.

Оксид углерода(П) - один из опаснейших токсикантов - ак­ тивно взаимодействует с гемоглобином (гл. 10 и 12). В отдель­ ных городах содержание СО в десятки раз превышает предель­ но допустимую концентрацию (ПДК). Врачи отмечают, что это является одной из главных причин увеличения числа легочных и раковых заболеваний, преждевременных родов. У новорож­ денных нередко обнаруживаются начальные формы туберкуле­ за, отклонения в психике.

Вместе с выхлопными газами автомобилей в атмосферу по­ падают частички свинца и его оксидов, образовавшихся при сго­ рании тетраэтил- и тетраметилсвинца [(СгЩ^РЬ, (СНз^РЬ], до­ бавляемых в бензин для повышения его октанового числа:

Загрязненность почвы свинцом вблизи шоссейных дорог столь велика, что вблизи их в ряде стран запрещается выращивать сельскохозяйственные культуры. Свинец и его соединения в виде аэрозолей попадают в организм и накапливаются в клет­ ках крови и тканей. Такие участки чаще всего служат центра­ ми опухолевых образований.

Вблизи металлургических или целлюлозно-бумажных ком­ бинатов, кроме перечисленных токсикантов, может находиться в воздухе сероводород H2S. Это сильный нейротоксичный яд. Порог ощущения запаха сероводорода человеком соответствует его концентрации в воздухе (1 -г 3)*10" 5 мг/л, но при этой кон­ центрации быстро наступает привыкание и человек перестает

364

чувствовать запах сероводорода. Головная боль, боль в глазах возникают при концентрации 6 •10~3 мг/л. При концентрации 1 мг/л отравление развивается почти мгновенно, сопровождает­ ся судорогами и потерей сознания.

Высокие концентрации аммиака NH3 содержатся в газооб­ разных выбросах производств, связанных в основном с его син­ тезом. Аммиак в больших количествах также образуется при разложении отходов жизнедеятельности животных на крупных животноводческих комплексах. Он обладает токсическими свой­ ствами, раздражает слизистые оболочки, вызывает слезотечение и удушье. Максимальная разовая предельно допустимая кон­ центрация аммиака 0 ,2 м г/м 3.

14.1.5. РАЗРУШ ЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

Озоновый слой в стратосфере играет жизненно важную роль в предохранении всего живого на Земле от губительной ультра­ фиолетовой радиации. Особенно эффективно она поглощается озоном в диапазоне длин волн 200-310 нм. Другие атмосфер­ ные газы в этом диапазоне практически прозрачны.

Разложение озона вызывает не только ультрафиолетовая ра­ диация, но и взаимодействие с радикальными частицами. Осо­ бенно активно с озоном взаимодействуют оксиды азота N0 и NO2, в молекулах которых имеются неспаренные электроны, а также атомарный хлор:

Каждая из этих пар реакций в сумме приводит к исчезнове­ нию озона и атомарного кислорода, тогда как оксиды азота и атомарный хлор постоянно регенерируются. Таким образом, эти процессы являются автокаталитическими, и каждая из таких частиц вызывает разрушение большого количества озо­ на. В настоящее время отмечается уменьшение толщины озо­ нового слоя.

Заметными источниками поступления оксидов азота в стра­ тосферу является запуск ракет и высотные полеты реактив­ ных самолетов. Что касается атомарного хлора, то в 80-е годы X X века был поднят вопрос о так называемой "фреоновой опас­ ности". Считалось, что основным источником поступления ато­ марного хлора в стратосферу являются процессы фотохимиче­ ского разложения фторхлоруглеродов (фреонов), в частности CF2CI2 и CFCI3, широко применяемых в холодильных уста­ новках и аэрозольных баллончиках. В настоящее время дока­ зано, что эта опасность сильно преувеличена, однако угроза разрушения озонового слоя остается и требует дальнейшего изучения.

365