9. Реакции гидролиза в окружающей среде и их значение.

Известно, что многие органические химикаты в соответствии с их структурой очень хорошо гидролизируются до гидрофильных конечных продуктов. Хорошо исследовано, например, омыление пестицидов, гидролиз их в природных средах приводит к потере токсических свойств. Поэтому скорость гидролиза многих пестицидов в водных системах, является важным критерием определения срока жизни этих химикатов в ОС.

Гептахлор – известный циклодиеновый инсектицид в водном растворе омыляется до 1-экзо-гидроксихлордиена. Скорость омыления этого соединения повышается при увеличении рН. Катионы металлов также ускоряют эту реакцию.

Основная реакция воды с минералами магматических пород – гидролиз – приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды.

Образованное основание КОН дальше разрушает кристаллическую решетку ортоклаза. КОН при наличии СО₂ переходит в форму карбоната.

10. Почва. Почвенные коллоиды. Эколого-химическая характеристика почвы. Основные химические загрязнители в почве.

Почва – особое естественно-историческое образование, возникшее в результате изменения поверхностного слоя литосферы совместным воздействием воды, воздуха и живых организмов. Порода, из которой образовалась почва, называется материнской. Исходные минералы и структура породы разрушаются, создаются новые минералы и другая структура, обеспечивающие накопление разложившейся органики. В результате формируется почва – геологическое тело, отличающееся от всех похожих на нее глинистых и песчаных образований тем, что обладает плодородием: дает жизнь растениям и, следовательно, пищу животным и человеку.

Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент и содержит живые макро- и микроорганизмы (растительные и животные).

Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органической частями. Больше всего минералов первичных, оставшихся от материнской породы, меньше – вторичных, образовавшихся в результате разложения первичных – это глинистые минералы коллоидных размеров, а также минералы-соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и др., выпадающие в осадок из почвенных вод. Процентное содержание в почве способных легко растворяться в воде минералов-солей характеризует ее степень засоления. Органическая часть представлена гумусом – сложным органическим веществом, образовавшимся в результате физико-химического разложения отмершей органики. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам, которые он содержит, в том числе и биогенным элементам. Содержание гумуса в почвах колеблется от десятых долей процента до 20—22%. Самые богатые гумусом почвы – черноземы, они же и самые плодородные.

Почвенная биота представлена фауной и флорой. Фауна: дождевые черви, мокрицы, земляные клещи, нематоды и др., перераспределяют гумус и биогенные элементы, повышая ее плодородие. Огромную роль играют дождевые черви, вес которых может превышать вес пасущегося скота (их до пяти миллионов особей на гектар черноземной пашни). Они, по мнению Ч. Дарвина, пропускают через свой кишечник за несколько лет весь пахотный слой. Флора – это грибы, бактерии, водоросли и др., перерабатывают органику до исходных неорганических составляющих (деструкторы).

Жидкая компонента почв, вода, может быть свободной, связанной, капиллярной и парообразной. Свободная вода перемещается по порам под действием силы тяжести, связанная адсорбируется поверхностью частиц и образует на них пленку, капиллярная удерживается в тонких порах под действием менисковых сил, парообразная находится в той части пор, которая свободна от воды. Наиболее доступной для корневой системы растений является свободная и капиллярная формы воды, труднодоступная – связанная (пленочная) вода, а парообразная влага большой роли не играет. Отношение массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты, обычно выраженное в процентах, именуют влажностью почвы.

Всю жидкую компоненту почв называют почвенным раствором. Он может содержать нитраты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и другие соли, а также водорастворимые органические кислоты, их соли, сахара, но преимущественно в свободной и капиллярной воде, в связанной воде вещества труднорастворимы. Концентрация раствора зависит от влажности почвы.

Состав и концентрация почвенного раствора определяют реакцию среды, показателем которой является величина рН. Наиболее благоприятной для растений и почвенных животных является нейтральная среда (рН = 7).

Структура и пористость определяют доступность для растений и животных питательных веществ. Частицы почв, связанные между собой силами молекулярной природы, образуют структуру почвы. Между ними образуются пустоты, называемые порами. Пористость – это доля объема пор в объеме почвы, которая может достигать 50% и более

Строение почв в вертикальном разрезе. Почвообразование происходит сверху вниз, с постепенным затуханием интенсивности процесса. В умеренной зоне он затухает на глубинах 1,5-2,0 м. Этой величиной и определяется мощность (толщина) почв в умеренной зоне. Изменяется не только интенсивность, но и характер почвообразовательного процесса, что отражается в почвенном профиле (рис. 2.10), в нем выделяются три горизонта: перегнойно-аккумулятивный (А), вмывания (В) и материнская порода (С).

Рис. Обобщенный почвенный профиль

На рис. приведено более детальное подразделение горизонта «А», который определяет плодородие почв. Мощность его от нескольких до десятков сантиметров, в нем аккумулированы, в основном в гумусовом горизонте А₁ питательные вещества для корневой системы растений и почвенная биота, но уже в горизонте А₂ происходит выщелачивание и вымывание

солей, органических коллоидов и т. п., которые переносятся, вмываются в горизонт В – иллювиальный. Здесь органические вещества переработаны редуцентами в минеральные формы и происходит накопление карбонатов, гипса, глинистых минералов и др. Этот горизонт постепенно переходит в материнскую породу (С).

Почвенные коллоиды. Способность почвы поглощать и удерживать элементы питания и другие растворенные вещества обусловлена наличием в ней мельчайших частиц, и в первую очередь почвенных коллоидов.

Почвенные коллоиды – совокупность тонкодисперсных частиц размером 0,0001...0,02 нм. По способу образования почвенные коллоиды разделяются на минеральные, органические и органо-минеральные.

Минеральные коллоиды образуются в результате процессов выветривания при измельчении горных пород. К ним относятся глинистые минералы, оксиды железа и алюминия, коллоидные формы кремнезема.

Органические коллоиды накапливаются в почве в результате разложения растительных остатков. Это гумусовые вещества, состоящие из гуминовых кислот, фульвокислот и гумина.

Органо-минеральные коллоиды образуются при взаимодействии глинистых минералов с органическим веществом почвы.

Количество коллоидов в почве зависит от гранулометрического состава и содержания гумуса. Так, в песчаных почвах их количество оставляет 1-2 %, а в глинистых – до 30-40 % к массе почвы.

Но даже при небольшом содержании почвенных коллоидов на их поверхность приходится большая часть общей поверхности всех почвенных частиц. Именно на поверхности коллоидов происходят сорбционные процессы, обусловливающие поглотительную способность почв.

Носителем поглотительной способности почв является почвенный поглотительный комплекс (ППК) – вся сумма органических и минеральных коллоидов. Выделяют пять видов поглотительной способности почв: механическую, физическую, химическую, физико-химическую и биологическую.

Механическая поглотительная способность – это свойство почвы задерживать взмученные в воде частицы, которые крупнее почвенных пор. Механическая поглотительная способность зависит от гранулометрического состава и сложения почвы. Глинистые и суглинистые почвы поглощают даже тонкодисперсные частицы, а у песчаных почв это способность выражена слабее.

Физическая поглотительная способность обусловлена свободной энергией молекул и ионов, находящихся на поверхности твердой фазы почвы. При физическом поглощении молекулы растворенных частиц концентрируются на поверхности коллоидных частиц. Чем выше степень раздробленности части, тем больше их общая поверхность, на которой адсорбируются молекулы различных веществ. Некоторые вещества не поглощаются или очень слабо поглощаются почвой. Так, нитратные удобрения не поглощаются почвой и могут вымываться из нее, загрязняя водоемы.

Химическая поглотительная способность связана с образованием нерастворимых в воде соединений. Находящиеся в растворе вещества могут вступать в химические реакции одно с другим, образуя нерастворимые или малорастворимые соединения, которые удерживаются в почве от вымывания. При взаимодействии катионов кальция, железа, алюминия с растворимыми в воде сульфатами, карбонатами и фосфатами образуются нерастворимые в воде соединения, выпадающие в осадок и сохраняющиеся в почве.

Физико-химическая (обменная) поглотительная способность – это способность почвы обменивать катионы, содержащейся в твердой фазе, на эквивалентное количество катионов почвенного раствора.

В состав поглощенных катионов входят: кальций, магний, водород, натрий, аммоний, железо, алюминий. Емкость поглощения зависит от содержания минеральных и органических коллоидов. Гумусовые горизонты имеют большую поглотительную способность, чем материнская порода.

Биологическая поглотительная способность выражается в поглощении элементов питания корнями растений и микроорганизмами. Поглощенные вещества превращаются в органические соединения и предохраняются от вымывания из почвы. Благодаря биологическому поглощению в почве сохраняются нитраты и другие элементы питания. С биологическим поглощением связано накопление в почве биогенных элементов: азота, фосфора, калия, серы, кальция, магния и других микроэлементов.

Основные загрязнители почвы: 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы и отбросы производства; 4) газо-дымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты.

Основными источниками антропогенного загрязнения являются:

• твердые и жидкие отходы добывающей, перерабатывающей и химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта;

• отходы потребления, в первую очередь твердые бытовые отходы;

• сельскохозяйственные отходы и применяемые в агротехнике ядохимикаты;

• атмосферные выпадения токсичных веществ;

• аварийные выбросы и сбросы загрязняющих веществ.