Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Эколого-аналитический контроль состояния окружающей среды. Учебное пособие
.pdf
81
Другим примером минералов биологического происхождения может служить жемчуг, формирующийся в мантии тела моллюсков и состоящий в основном из карбоната кальция и органических веществ.
Образование и рост минералов биологического происхождения определяются не только законами химии и физики, но и биохимическими закономерностями развития живых систем и их составляющих.
Главными составными частями литосферы являются разного рода химические соединения, а не простые вещества. Этим литосфера отличается от атмосферы, где много простых веществ: О2, N2, инертные газы. В земной коре простых веществ в элементарном состоянии всего 0,1 мае. %. Среди них чаще встречаются неметаллы и элементы со слабовыраженными металлическими свойствами:
С, S, As, Sb, благородные металлы: Ag, Au, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, а также Си, Hg,
Pb. Почти все эти химические элементы инертны, что и является главной причиной их присутствия в природе в элементарном состоянии.
8.2. Химические процессы в литосфере
В недрах Земли и на ее поверхности постоянно происходит разрушение
горных пород. Разрушающее действие оказывают высокая и низкая температуры
(резкое колебание температур), вода, СО2 и О2 атмосферы, кислотные осадки
и т.п. Таким образом, большинство химических процессов, происходящих в литосфере, тесно связаны с другими оболочками Земли, их составом. В литосфере,
как и в других оболочках планеты, между ее основными компонентами и с участием составляющих других оболочек могут происходить следующие химические
реакции:
– реакции соединения СаO + CO2 → CaCО3;
– реакции разложения CuCО3 → СuO;
– реакции замещения (окислительно-восстановительные) CuSО4 + Fe →
→ FeSО4+ Cu;
– реакции обмена Na2CО3 + CaCl2 → CaCО3 + 2NaCl.
Отметим, что реакции нейтрализации являются частным случаем реакций
обмена. В качестве примера реакции нейтрализации можно привести не только
взаимодействие между кислотами и основаниями, но и взаимодействие между
кислыми и основными солями (минералами):
Ca(HCO3)2 + 2Cu(OH)Cl → CaCl2 + 2CuCO3 + 2H2O
82
Реально многие из этих процессов протекают с участием воды. При гидролизе минералов в составе земной коры происходят существенные изменения.
Например, в результате гидролиза горных пород вулканического происхождения
в раствор переходят в гидролизованном виде кремнезем SiO2 (минерал кварц)
и глинозем А12О3 (минерал корунд), которые, взаимодействуя, образуют разного
рода глины (алюмосиликаты). Одна из схем такого взаимодействия:
.
Многие минералы могут участвовать в окислительно-восстановительных
процессах, выполняя при этом функцию либо восстановителя, либо окислителя:
,
.
В щелочной среде самородная сера может выполнять как функции окислителя, так и восстановителя:
.
Такого типа окислительно-восстановительные реакции называют реакциями самоокисления-самовосстановления, или диспропорционирования.
8.3. Почва: особенности состава и происходящих в ней процессов
Почва — самый верхний и плодородный слой литосферы, связующее звено
между всеми оболочками планеты и живыми организмами — играет важную
роль в процессах обмена веществом (энергией) между компонентами биосферы.
Почва — среда обитания большого количества живых организмов. Многие химические процессы, происходящие в почве как части литосферы, напрямую связаны с процессами в биосфере. В почве одновременно могут протекать химические, физические и биологические процессы.
Любую почву можно рассматривать как гетерогенную систему, состоящую
из трех фаз: твердой (минеральный «скелет», органические и биологические
компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух).
83
Минеральную основу почвы в основном составляют кварц (песок), глина и
известняк (СаСО3). В зависимости от размера частиц различают почвы: песча-
ные, суглинистые и глинистые. Содержание органических веществ в разных почвах колеблется от 2 % (песчаные, глинистые почвы) до 20 % (болотистые почвы).
С научной точки зрения органические вещества почвы подразделяют на негуми-
новые и гумус. Первые включают не полностью разложившиеся остатки растений
и животных, жиры и дубильные вещества, полисахара, пектины и др. Они легко
разлагаются и поэтому не попадают под понятие «гумус».
В литературе под термином «гумус» (лат. humus — земля, почва) чаще
всего понимают темноокрашенное органическое вещество почвы (перегной), образующееся в результате биохимического разложения растительных и животных
останков и накапливающееся в верхнем почвенном горизонте. Таким образом,
под гумусом понимают совокупность всех органических соединений, находящихся в почве.
Почвы, называемые черноземами, содержат максимальное количество гумуса — в среднем 500 т/га. По оценкам ученых, общие запасы гумуса в почвах
мира составляют около 2 561 млрд т (в расчете на слой толщиной 1 м). По химическому составу гумус — сложная смесь гуминовых соединений (органических
кислот), по элементному составу основными компонентами гумуса являются водород, углерод, кислород, а также азот (2–5 %), сера (~ 1 %), фосфор, калий. За
счет высокого содержания упомянутых биогенных элементов гумус — главный
источник, из которого растения получают питание.
Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными
растениями, микроорганизмами и животными. Основная почвообразующая роль
принадлежит лесной растительности, второе место занимает травянистая растительность. В формировании плодородия почв важная роль принадлежит почвенным микроорганизмам (бактериям, грибам, водорослям). Их общее число может
достигать нескольких миллиардов в один год. Микрофлора почвы составляет
в сухой массе примерно 2 т вещества животного происхождения на 1 га. Важную
роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии. Гетеротрофные бактерии разлагают органические остатки до простых минеральных соединений. Они
могут быть как аэробными, так и анаэробными. Одни осуществляют процесс ам-
монификации (разложение органических веществ до аммиака), другие восста-
навливают нитрат-ион NO
3
–
до NО
2
–
иона и далее до N2O или N2 (процесс денит-
рификации). Например, процесс денитрификации с участием глюкозы можно за-
писать в виде следующих уравнений:
5C6H12O6 + 24NO
3
–
= 12N2 + 30CO2 + 18H2O + 24OH–,
C6H12O6 + 6NO
3
–
= 3N2O + 6CO2 + 3H2O + 6OH–.
84
Последний процесс является также одним из основных биологических источников поступления оксида азота (I) в атмосферу.
Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротрофов. Например,
аэробные бактерии участвуют в процессах нитрификации и нитрофикации:
2NH3 + 3O2 = 2HNO3 + 2H2O,
2HNO2 + O2 = 2HNO3.
Широко распространенные в почвах так называемые серобактерии окисляют H2S, S и другие соединения серы до H2SO4 (процесс сульфофикации):
2H2S + 3O2 = 2S + 2H2O,
2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4.
При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распространенных
в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fe(II). В конечном итоге
результат происходящих процессов (в том числе гидролиза) можно записать
в следующем виде:
4FeCO3 + 3O2 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 4CO2.
Эти же бактерии могут также окислять соли Мn(П).
К физико-химическим процессам, происходящим в почвах, относят процессы эрозии и засоления почв.
Эрозия почв — это явления разрушения и сноса почв и рыхлых пород потоками воды и ветра. Соответственно, бывает ветровая и водная эрозия. Эрозия
уносит с полей биогенные элементы Р, К, N, Ca, Mg гораздо больше, чем их вносится с удобрениями. Продуктивность почв при этом может снижаться на
35–70 %. То, что смывается или выдувается при естественной эрозии в течение
столетий, антропогенная эрозия уносит в самые короткие сроки. Разрушение
почвы эрозией происходит быстро, тогда как для естественного восстановления
верхнего плодородного слоя толщиной 25 см требуется сотни и тысячи лет. Одними из основных причин антропогенной эрозии почвы являются:
– уменьшение содержания гумусовых веществ в почве, приводящее к изменению структуры и водопроницаемости пахотных земель;
85
– нарушение баланса по воде, которое является следствием вырубки лесов,
поливного земледелия и других воздействий, снижающих структурную устойчивость почв.
Засоление почв — процесс накопления вредных для растений солей
(СаСО3, MgCO3, Na2CO3, Na2SO4, NaCl и др.) в верхних слоях почвы. Этот процесс ежегодно превращает в разных странах мира сотни тысяч гектаров поливных земель в бесплодные. Процессу засоления способствует нарушение правил
строительства и эксплуатации ирригационных систем, которые орошают огромные площади земли. Для орошения пригодны воды с концентрацией солей до
1 г/л. Особенно нежелательно присутствие Na2CO3. В реках Na2CO3 обычно содержится в количестве 0,2–0,3 г/л. Однако засоление происходит также из-за
того, что минерализованные грунтовые воды (в них содержится больше солей)
поднимаются на поверхность, способствуя накоплению солей в почвенном профиле. Фактически при поверхностном орошении через 8–10 лет грунтовые воды
поднимаются до критического уровня (1,5–2,5 м) и вызывают засоление и заболачивание. Избежать этого можно, если применять современные технологии: использовать закрытые трубопроводы, дождевую воду, проводить концентрирование оросительных вод, т.е. осуществлять целый комплекс технологических мероприятий, обеспечивая тем самым высокую культуру земледелия.
8.4. Почва, удобрения, пестициды и наше здоровье
Эколого-химическая характеристика качества почвы определяется следующими показателями, важными для практического использования:
– общее содержание органических соединений (гумуса);
– содержание азота (аммонийного, нитратного, входящего в органические
соединения);
– содержание «связанной» угольной кислоты (прежде всего карбонатов
кальция и магния);
– содержание питательных для растения элементов (кальция, магния, калия,
фосфора и т.д.) с учетом их биологического усвоения;
– содержание микроэлементов;
– фракционный состав;
– показатель рН;
– влагоемкость, гигроскопичность, объем пор и некоторые другие.
86
Одним из важных факторов антропогенного воздействия на почвенные
экосистемы является применение минеральных удобрений. С ними часто связывают успехи современного сельского хозяйства.
Минеральные удобрения обычно подразделяют на азотные, фосфорные,
калийные и смешанного типа (сложные).
К азотным удобрениям относятся: калийная KNO3, натриевая NaNO3, аммиачная NH4NO3 и кальциевая Ca(NO3)2 селитра, т.е. нитраты, а также сульфат
аммония (NH4)2SO4.
К фосфорным: суперфосфат — смесь CaSO4 и Са(Н2РО4)2, двойной суперфосфат Са(Н2РО4)2, преципитат СаНРО4·2Н2О, фосфоритная мука Са3(РО4)2.
К калийным: поташ К2СО3 (входит в состав древесной золы), калийная селитра KNO3, а также смешанные хлориды — сильвинит КС1·NaCl, карналлит
КС1·MgCl2·6Н2О.
К удобрениям смешанного типа относятся: аммофос — смесь NH4H2PO4
и (NH4)2HPO4; калийная селитра KNO3; нитрофоска — смесь (NH4)2HPO4,
NH4NO3, KC1 или K2SO4.
Почва, на которой выращивают растения, кроме макроэлементов (N, Р, К,
S, Mg, Ca) должна содержать микроэлементы (Zn, Mn, В, Мо, Со и др.). Такой
элемент, как железо, особенно необходим для тропических и субтропических
растений.
Под плодородием почвы понимают свойство почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания и воде, снабжать корневые системы необходимым количеством воздуха и тепла. Для произрастания растений почва
должна содержать биогенные элементы: N, Р, К, которые и входят в состав минеральных удобрений. Желательное соотношение элементов N: Р: К в удобрениях изменяется в пределах от 1: 1: 1 до 1: 2: 2,5. Внесение удобрений — необходимое условие ведения современного сельского хозяйства. Около 2/3 урожая
сельскохозяйственной продукции человек использует для своих нужд. В итоге
в почву возвращается меньше биогенных элементов, чем было накоплено биомассой растений. Следовательно, в идеале для сохранности почвенных экосистем на поля необходимо вносить количество биогенных элементов, эквивалентное количеству изымаемых из почвы. В действительности это условие выполнить
достаточно трудно.
Известно, что далеко не все количество вносимых в почву удобрений достигает растений. Значительная часть удобрений теряется, попадает в водные
объекты, в атмосферу, внося тем самым дополнительные загрязнения в окружающую человека среду. Но возможно и повышенное содержание удобрений в почве.
Рассмотрим эту ситуацию на примере азотных и фосфорных удобрений.
87
Хорошо известно, что азот необходим для образования новых клеток, синтеза белков, ферментов, хлорофилла. Резкое увеличение и практически неконтролируемое применение азотных удобрений привело в ряде регионов планеты
к нарушению природного естественного баланса по азоту. Повышение содержания нитратов в почве и, соответственно, в растениях, овощах и фруктах, питьевой воде может приводить к следующим отрицательным последствиям.
При накоплении нитратов в почве, особенно при использовании аммиачных форм азотных удобрений, происходит потеря гумуса, возрастает его минерализация, изменяются микробиологические свойства почвы.
Чрезмерное применение азотных удобрений с учетом их последующей трансформации вызывает повышение содержания N2O в атмосфере. Газообразные потери азота за счет денитрификации составляют 24 % суммарного количества
азота, введенного на поля.
Накопление нитратов в почве приводит к повышенному содержанию нитратов и нитритов в овощах и фруктах. В организме человека нитрат-ионы восстанавливаются до нитрит-ионов, способствуя переводу гемоглобина в метгемоглобин (первый содержит двухвалентное железо, второй — трехвалентное). Метгемоглобин, в отличие от гемоглобина, не способен транспортировать кислород.
При увеличении в крови содержания метгемоглобина сначала появляются признаки удушья и цианоза (синюшность), а при дальнейшем повышении — увеличение сердечной недостаточности и смерть.
В ЖКТ человека нитриты в кислой среде могут реагировать с аминами,
образуя нитрозамины, представляющие канцерогенные вещества. Считают, что
не менее 5 % злокачественных опухолей возникает из-за повышенного содержания нитритов и нитратов в пище.
Суточное потребление нитратов не должно превышать 200 мг/л, нитритов — 20 мг/л. Следует знать правило: где есть нитраты, там могут быть
и нитриты.
Большинство фосфорных удобрений, в отличие от азотных, плохо растворимы в воде. Фосфаты малоподвижны в почвенной среде, и, как следствие, эффективность их использования меньше, чем азотных удобрений. Лишь малая
доля фосфора из фосфорных удобрений усваивается растениями. Значительная
часть фосфорных удобрений в итоге попадает в водоемы, способствуя цветению
воды, которое часто называют биологическим загрязнением гидросферы.
Избыток фосфора, внесенный в почву в виде фосфорных удобрений, как
правило, нетоксичен для живых организмов. Однако при использовании фосфорных удобрений в почве накапливаются нежелательные соединения мышьяка,
фтора и некоторые другие, которые содержатся в фосфорных удобрениях в виде
примесей.
88
Таким образом, в процессе обработки почвы уменьшается содержание
в ней гумуса и минеральных веществ. Поэтому для восполнения их потерь в обрабатываемые земли необходимо вносить как минеральные, так и органические
удобрения. Но как, когда, в каком виде и сколько? Перспективными являются
удобрения, обладающие пролонгированным действием (способностью постепенно отдавать в почву питательные вещества). С этих же позиций перспективно
микрокапсулирование удобрений, заключающееся в покрытии каждой гранулы
(капсулы) тонкой полимерной пленкой, постепенно пропускающей в почву содержащиеся в грануле вещества.
С точки зрения здоровья человека большую проблему для него, кроме удоб-
рений, представляют химические средства защиты растений. К таким сред-
ствам в первую очередь относят пестициды, которые все без исключения являются ядами широкого спектра действия.
Обычно пестициды подразделяют на инсектициды — химические средства
для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды — с грибковыми заболеваниями растений, гербициды — химические вещества, применяемые для избирательного или полного уничтожения растительности.
Установлено, что до 97–99 % инсектицидов и фунгицидов, а также от 60 %
до 95 % гербицидов даже при строгом соблюдении всех правил попадают в почву,
воздух и водоемы. Накапливаясь в окружающей среде, они по пищевым цепочкам в природных экосистемах могут многократно увеличивать свою концентрацию в ряде организмов растительного и животного происхождения. Например,
в тканях некоторых рыб и птиц их концентрация достигала значений в десятки
и даже сотни тысяч раз больших, чем в начале пищевой цепи.
В мире ежегодно регистрируется около полумиллиона случаев отравления
людей пестицидами. Поэтому перед тем как использовать удобрения или пестициды, например на своем участке, необходимо не только узнать их химический
состав, но и на основе полученной информации решить — когда, в каком виде
и каких количествах их применять, нет ли им заменителей и т.д. Помните: «Познание без размышления — бессмысленно. Размышление без познания — опасно».
89
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
СОСТАВЛЕНИЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ КАРТ
Цель работы: получение данных об экологической обстановке территории;
выявление основных загрязнителей окружающей среды.
Задание для работы:
1. Ознакомиться с примерами экологических карт (Экологические карты
ФГБУ «Приволжское УГМС» http://pogoda-sv.ru/info/ecology_maps/).
2. Подготовительный этап. Сбор и систематизация необходимой информа-
ции в соответствии с задачами исследования (полевые наблюдения, литературные источники, статистические данные, информация, собранная в Комитетах
и отделах экологии, садово-парковых конторах, учреждениях здравоохранения,
с помощью интервьюирования и анкетирования и др.).
3. Проектирование. Выбор географической и математической основы карты;
способов отображения — условных знаков (самостоятельное выполнение карты
или картосхемы местности, получение готовой схемы на сайтах отдела архитектуры или землеустройства администрации района).
4. Составление карты. Нанесение собранной информации на географиче-
скую основу (обработка информации и нанесение ее на карту в виде условных
знаков, столбчатых или круговых диаграмм). Сервисы: My Maps https://www.goo-
gle.com/maps/d/, CartoDB https://carto.com/, BatchGeo https://ru.batchgeo.com/,
QuickMap 2.2 http://www.sci.aha.ru/DG/qmap.htm.
5. Обработка результатов и выводы.
6. Оформить выполненную работу согласно требованиям, используя
MS Word. Графики зависимостей построить, используя MS Excel.
7. Ответить на контрольные вопросы к лабораторной работе, используя для
выполнения заданий и коммуникации Word, Excel, MyTestX, Microsoft Teams
(в случае выполнения работы в составе бригады используются сервисы для совместной и одновременной работы: Microsoft Teams, Рadlet).
Геоэкологические карты — способ отображения на местности состояния
экологической обстановки и выявления отношений в системе «Природа — Общество».
Геоэкологические карты представлены тремя группами:
1) карты природы (ландшафтные, климатические, гидроэкологические, поч-
венные, карты растительности, животного мира и др.);
90
2) карты антропогенных нагрузок (степень использования территории в про-
мышленности, сельском хозяйстве, для развития транспорта, размещения населения и его отдыха и др.);
3) карты последствий воздействия человека на природу (карты загрязнения
воздуха, вод, почв, состояния растительности, животного мира или экологического состояния территории в целом) и карты последствий воздействия окружающей среды на человека (карта заболеваемости, медико-экологическая карта и др.).
Топографическая основа карты — это карта или картосхема изучаемой
местности. Ее можно разработать самостоятельно или под руководством учителя, либо взять в районном отделе архитектуры.
Сбор информации осуществляется в процессе наблюдений, работы с литературными источниками, опроса населения или работников экологических служб
города и районов.
Комплексный анализ созданных карт позволит дать объективную оценку
состояния окружающей среды и ее влияния на человека.
Оборудование: карта или картосхема местности, определители, карандаши,
резинка, трафарет, микрокалькуляторы, блокнот, транспортир, линейка.
Выполнение работы.
Составление геоэкологических карт осуществляется поэтапно.
Подготовительный этап. Сбор и систематизация необходимой информации в соответствии с задачами исследования (полевые наблюдения, литературные источники, статистические данные, информация, собранная в Комитетах
и отделах экологии, садово-парковых конторах, учреждениях здравоохранения,
с помощью интервьюирования и анкетирования, и др.).
Проектирование. Выбор географической и математической основы карты;
способов отображения — условных знаков (самостоятельное выполнение карты
или картосхемы местности, получение готовой схемы в отделе архитектуры или
землеустройства администрации района).
Составление карты. Нанесение собранной информации на географическую основу (обработка информации и нанесение ее на карту в виде условных
знаков, столбчатых или круговых диаграмм).
При составлении карт используйте следующие рекомендации:
1. Физико-географическая характеристика объекта:
1.1. Географическое положение.
1.2. Тектоника.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]