Экологиялық химия пәні

Пәні бойынша оқу-әдістемелік кешені

Тақырыптардың тізімі

Тақырып 1. Экологиялық байланыстардың химиялық негіздері Тақырып 2. Биосфераның химиялық кезеңдері Тақырып 3. Биосфера құрылымы.Экожүйе туралы түсінік Тақырып 4. Биосферадағы химиялық әлементтер. Тақырып 5. Қоршаған ортаның токсиканттары Тақырып 6. Қоршаған ортаның сапалық стандарттары Тақырып 7. Атмосфераның химиялық экологиясы. Тақырып 8. Гидросфераның экологиялық химиясы Тақырып 9. Литосфераның экологиялық химиясы Тақырып 10. Экологиялық мониторинг.

4. Глоссарий

Аэробиосферада ауа қабатында өмір сүретін организмдер тіршілік етеді.

Биосфера – тірі организмдердің тіршілік ететін ортасы.

Биогендік миграция – тірі организмдердің тіршілік ету есебінен жүргізіледі.

Гидросфера – атмосфера мен жер қабатының аралығында орналасқан жердің су қабаты.

Гидробиосфера – бұл бүкіл әлемдік сулар, онда гидробионттар тіршілік етеді.

Геобиосфера - геобионттардың негізгі тіршілік ететін ортасы, жердің қатты қабығы.

Ксенобиотиктер – тірі ағзаға бөтен, жат заттар. Диоксиндер - ароматты ядродан тұратын полихлорланған қосылыстар - суперэкотоксиканттар болып табылады.

Қоршаған ортаның ластануы - табиғатқа тән емес агенттердің енуі немесе бар заттардың концентрациясының артуын, санның нәтижесінде қолайсыз әсерлер туғызуы.

Литосфера – тереңдеген сайын зат ауданы кіші сфераларға ауысатын Жердің сыртқы қатты қабықшасы.

Мониторинг – қоршаған ортаның антропогенді факторлердің әсерінен күйінің өзгеруіне болжам, баға және бақылаулардың кешенді жүйесі.

Техногендік миграция – адам қызметінің техногендік әсер етуі.

Тірі ағзаны қоршаған орта – ол өзі тікелей және жанама қатынаста болатын табиғи денелер және құбылыстар.

Фосфор – бұл адамның тіршілігін қамтамасыз ететін өмір тізбегіндегі әлсіз буыны.

5.Дәріс сабақтары Тақырып 1. Экологиялық байланыстардың химиялық негіздері

Тірі ағзаны қоршаған орта – ол өзі тікелей және жанама қатынаста болатын табиғи денелер және құбылыстар. Тірі ағзаға жанама және тікелей әсер ететін орта жағдайы экономикалық факторлар деп аталады. Орта экономикалық факторлардың бірнеше классификациялары бар. Ең қарапайым және классикалық болып табылатыны факторлардың екі категорияға бөлінуі: абиотикалық және биотикалық.

Абиотикалық факторға климатты жарық температура ылғалдылық ауа қозғалысы, қысым, эдафогенді, механикалық құрам, сыйымдылық, ауа өткізгіштік тығыздық ораграфиялы рельеф, теңіз деңгейінен биіктік экспозиция склона, химиялық - ауаның газды құрамы ортаның тұзды құрамы, концентрация қышқылдық және топырақ ерітінділерінің құрамы кіреді.

Биотикалық факторларға: фитогенді, зоогенді, микробиогенді және антропогенді фактор жатады.

Организмдердің әртүрлі орта факторларына бейімделу реакциялары сол факторлардың тұрақтылық дәрежесімен анықталуымен А.С Манчерский экологиялық факторлардың түпкі классификациясын ұсынды. Бұл:

- маусымдық ауысымға және жердің айналу периодына тәуелді бірінші периодты фактор.

- бірінші периодтың нәтижесі ретінде екінші периодты факторлар (ылғалдылық, жауын-шашын, өсімдік тағамдарының динамикасы еріген газдардың судағы құрамы).

- дұрыс периодтыққа ие емес периодты емес факторлар (эдафикалық қатынас, әр түрлі түрлердің қатынастары) антропогенді жерлер, топырақ-грунтт факторлар.

Тірі ағзаға абиотикалық факторлар химиялық компоненттерінің әсері бөлек факторлар амплитудасының мүмкін ауытқу жоғары және төменгі шекараларының болуымен яғни тіршілік етудің белгілі режимімен көретіледі. Қайсыбір фактордың шегі кең болған сайын тұрақтылық жоғары немесе ағзаның таланттылығы. Концентрациясы минимум элемент өсімдік дамуының факторы болып табылады. Ол Ю.Либихтің минимум заңымен анықталады. Либих химик ,органик агрохимияның негізін салушылардың бірі. Өсімдіктердің миниралды қоректену теориясын шығарды. Мысалы: бір өсімдік қоректерінің негізгі элементі біреу сол топырақта аз болады. Бір культураны отырғызу нәтижесінен оның қоры таусылғанда басқа элементтер жеткілікті болса да өсімдіктер өсімі тоқталады. Либих заңы тек жағдайда қолданылады. Фактордың қатынасын ескеру қажет. Жоғары концентрацияда немесе бір заттың мүмкін болуы немесе басқа фактордың әрекеті минералды қоректену әлементтінің қолдану жылдамдығының өзгерту мүмкін.Кей жағдайларда ағза процент элементті өзіне химияны жауынымен ауыстыруға қабілетті. Егер өсімдік жарық жерде өссе, оларға цинк аз мөлшерде керек,ал стронций көп жерлерді мекендейтін молекулар біртіндеп тұрғызу кезінде онымен кальциді алмастырады.

Ортаның экологиялық факторлары тірі организмдерге әр текті әсер етуі мүмкін.

1.Биохимиялық және физиолгиялық функцияларға өзгеріс әкелетін тітіркендіргіштер. Мысалы ауаның жоғары температурасы сүтқоректілерде тер бөлінудің артуына және денелердің салқындауына алып келеді.

2.Белгілі жағдайда тіршілік етудің басымсыздығынқамсыздандыратын шектегіштер (мысалы құрғақ аудандарда ылғалдылық жетіспеуі, онда организмдердің, мысалы құрғақ аймақтарда ылғалдылықтың жетіспеуі онда организмдердің өтуіне төтеп береді.

3.Ағзаларда анатомиялық және морфологиялық өзгерістерге әкелетін модификаторлар (мысалы кейбір елдердегі индустриалды аймақтардағы ортаның шаңмен ластануы) ауылдық жерде өзінің ашық реңін сақтаған көгілдір көбелектің қара рең алуына әкеледі.

4.Ортаның басқа факторлардың өзгерісін куәландыратын дабылдар. Экологиялық фактордың ағзаларға әсері негізнде жалпы заңдылықтар қатары көрсетіледі. Оптимум заңы-факторлардың ағзаға (әсері негізінде жалпы) заңды немесе теріс оның әсер ету күшіне теуелді фактор әсерінің жеткіліксіз немесе артық болуы особтардың өміршеңдігінде тең дәрежеде терістігінде көрсетіледі. Экологиялық факторлардың жағымды әсер ету күші оптимум заңы деп аталады. Бір түрлер ал ауытқуды, кең көлемде басқалары тар көлемде өткереді.

Тақырып 2. Биосфераның химиялық кезеңдері

Бізді айнала қоршаған ортада яғни планетамыздағы барлық процесстер бұл табиғаттағы қозғалыстар түрлі болып табылады. Бұл қозғалыстар түрлі химиялық элементтердің қосылуынан өзгереді. Тіпті уақыт өте келе өлі табиғаттың өзі де химиялық процесстердң нәтижесінде өзгерістерге ұшырады. Бұл табиғатта болатын заңды Геккелдің (1834-1919) пайымдауынша түрлі химиялық және физикалық әсерлердің салдарынан брнеше көміртегі қосыла бастады. Бұл заттар қосымша болып табылады. Бірінші кішкентаі түйіршік түзе отырып,уақыт өте бөлініп көбейе бастайды. Осындай ұсақ түйіршіктердің қосылуының нәтижесінде ядро қабығы пайда болады. Бұл дегеніміз жер бетіндегі тірі организмдердің қалыпты формасы болып табылады.

Сулы ортада түрлі химиялық заттармен толтырылған. Атап айтатын болсақ алюминий және фосфор тұздары жарық және жылуды пайдалана отырып күрделі емес органикалық қосылыстарға түседі. Күрделі физика химиялық процесстердің нәтижесінде бірінші реттік тірі жүйе – қоймалжың сұйықтық пайда болады. Бұл сұйықтың ерекшелігі тұрақты, ол кейде бұзылып, қайтадан қалпына келе озінің алады. Сондықтан заттар ол бірнеше бөліктерге бөліну қасиетіне ие. Әрбір жеке тамшылар қосыла келе үлкен топтарға айналады. Соның нәтижесінде белгілі бір сапалы жетістіктері қол жеткізеді. Сұйықтық іріктеліп, ядро ішіндегі керек емес заттардан артады. Осындай үздіксіз зат алмастырудың нәтижесінде осы тамшылар қарапайым тірі организмдерге ,яғни клеткаларға айналады.

Вернадский 1926 жылы жарық көрген «Биосфера» деген еңбегінде биосферадағы тіршіліктің дамуын, қалыптасуы мен болашағын зерттей келіп биосферадағы тіршіліктің негізгі қозғаушы күші күн энергиясы мен химиялық энергиясы тірі және өлі заттар арасындағы миграция жүзеге асатын зат алмасу процесі яғни органикалық көбеюі мен дамуы деп тұжырым жасайды.

Шын мәнінде биосферадағы жалпы тіршіліктің пайда болуы биоорганикалық элементтер негізінде органикалық заттың пайда болу тұрғысымен қарастырады. Жер қабығы (литосфера) бүкіл тіршілікке қолайлы ортасы және тірегі ретінде биосфера шегінде үлкен рөл атқарады. Оның түп негізін әр түрлі минералдар, тау жыныстары, органикалық қалдықтар мен метаморфтық тау жыныстары құрайды. Жер қабатының континентальды және мүхиттың қабатын ажыратуға болады. Олар бір бірімен құрамындағы тау жыныстарының сипатына қарай жіктеледі. Мәселен, мұхиттың қабатбазольт, ол континентальды қабат гранит жыныстарынан тұрады.

Литосфераның химиялық құрамы негізінен Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K элементтерінен тұрады. О₂ басқа химиялық элементтерден тығыз қосынды күйде минералды жыныстардың негізін құрайды. Жалпы алғанда жер қабатының 9,2 % - тау жыныстары, 20 % - металдар алады.

Академик Вернадский биосферадағы тіршілік процесін зерттей келе химиялық элементтердің бір тобын биофильді заттар деп аталады.

Биофильді элементтердің атомы тірі организмдердің денесінде күрделі органикалық қосылыстар түзе отырып, көмірсулар, липид, белок, нуклейн қышқылдарын құрайды. Ал бұл органикалық заттар тіршіліктің тірегі.

Тақырып 3. Биосфера құрылымы. Экожүйе туралы түсінік

Биосфера - тірі организмдердің тіршілік ететін ортасы. Биосфера түсінігін 1878 жылы австрия оқымыстысы Э. Зюсс ұсынған. Кейінірек В.И. Вернадский биосфера планетаның бір бөлігі ретінде, онда тірі ағзалардың орналасқандығына тоқталып өткен болатын. Тірі ағза планетаның айрықша термодинамикалық, физикалық, және химиялық шарты ретінде қаралады, және де кеңістікте жоғары төзімділікке ие болады. Биосфера – бұл өмір сүруге арналған жердің сыртқы бөлігі ғана емес, сонымен қатар ол құрылымдық ұйымдастырылған. Тірі ағза өзінің пайда болған уақытында планетаның бастапқы табиғатын терең өзгерткен болатын. Өмірдің өзі қоршаған орта жағдайларына бейімделе бастады. Стратосферада тірі ағзаларды ультракүлгін және басқа да ғарыштық сәулелерден қорғайтын азон қабаты пайда болды.

Ресурстардың жетіспеушілігіне тірі ағзалар топырақ қабатының пайда болуы арқылы төтеп берді. Өзінің биохимиялық мәніне қарай топырақ қабатын стратосферадағы азон қабатымен салыстыруға болады. Фотосинтез органикалық зат массасы түріндегі белсенді биохимиялық энергияны қорға жинаудың механизмі болып табылады.

Өсімдіктер, жануарлар, насекомдар, омыртқасыздар, микроорганизмдер бірлесіп тіршілік ету механизімін көрсете білді. Қоректік тізбек фотосинтезбен байланысты экожүйе ішілік энергияны ұзақ ұстау арқылы қамтамасыз етеді. Осы негізде заттардың басты биохимиялық айналымы жүреді.

В.И. Вернадскийдің негіздеген идеясы бойынша организмдердің тіршілік орны ретіндегі биосфера үш подсфераға бөлінеді: аэробиосфера, гидробиосфера және геобиосфера.

Аэробиосферада ауа қабатында өмір сүретін организмдер тіршілік етеді. Тіршілік факторы болып табылатын аэробиосферада су тамшысы және қатты аэрозолдер жерден жоғары көтеріледі. Аэробиосфера өз кезегінде 2 субподсфераға бөлінеді: тропобиосфера және альтобиосфера.

Гидробиосфера – бұл бүкіл әлемдік сулар, онда гидробионттар тіршілік етеді. Өз кезегінде гидробиосфера континенталдық орта - аквабиосфераның және маринобиосфераның (теңіздер мен мұхиттар әлемі) тіршілік етуіне жағдай жасайды.

Геобиосфера - геобионттардың негізгі тіршілік ететін ортасы, жердің қатты қабығы. Геобиосфера 5 субподжүйеге бөлінеді және соның біреуі литобиожүйе.

Биосфераның биологиялық спектрінде бірлестік, популяция, ағза, орган, жасуша, ген бар.

гендер жасушалар органдар ағзалар популяциялар бірлестіктер

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

заттар

энергия

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓

гендік жасушалық органдық ағзалық популяциялық жүйелер жүйелер жүйелер жүйелер жүйелер

Сурет 3.1. Экология бойынша оқыту пәні

Айта кететін бір жайт, спектрден нақты шекараны табу қиын, әр деңгей бір – бірімен өзара берік байланысқан. Тірі ағза популяциядан тыс ұзақ өмір сүре алмайды. Егер энергия ағыны мен заттар айналымы жүрмесе бірлестіктің тіршілік етуі мүмкін емес.

Барлық биотикалық бірлестік организмдері белгілі бір аумақта бірлесіп тіршілік етеді және қоршаған ортада өзара қимыл қозғалыста болады, яғни осы арқылы дәл анық түрде биотикалық құрылым пайда болады, өлі және тірі табиғат арасында заттар айналымы жүреді, яғни бұл экологиялық жүйе деп аталады.

Тақырып 4. Биосферадағы химиялық әлементтер

Тірі ағзалар мен оларды қоршаған орта арасындағы зат алмасу процесі өмірле басты рөл атқарады. Экожүйені түсіндіру үшін ең алдымен биогеохимиялық айналым және экожүйе ішінде өтіп жатырған әр түрлі фазаларды түсүну қажет. Кез-келғен экожүйе биосфераның құрамдас бөліғі ретінде организмді материалдық ресурстармен қамтамасыз етуші фактор болып табылады. Экожүйелер деңғейінде биосферада әр түрлі физико-химиялық процестер жүріп отырады. Қазіргі кезде адамзат қауымы биосфера химиясын негізгі тасмалдаушысы болып табылады. Біздің планетамыздағы барлық заттар биохимиялық айналым процесінде жүреді. Негізгі екі айналымға бөлінеді: үлкен айналым және кіші айналым. Үлкен айналым шамамен млн.жылдар бойы пайда болған. Кіші айналым үлкен айналымның бір бөлігі бола түра топырақ құрамындағы су көміртегі өсімдікке пайда болуынан тұрады және олар өсімдік ұлпаларының түзілетінін қамтамасыз етеді және органикалыфқ заттардың құрамына кіреді.Өсімдік тіршілігі жойылғаннан кейін ол заттар микрофлора және мизофауна иелігіне өтеді.Яғни қайтадан тірі зат бөлшегі болуға дайындалады.

Бейорганикалық ортадағы химиялық элементтердің айналымы өсімдік пен жануарлардың организмі арқылы кері қарай бейроганикалық ортаға түсуі күн әнергиясы және химиялық реакция энергиясын пайдалануын беогеохимиялық цикл деп аталады.Ең басты циклге жататындар коміртегі қышқылының биогеохимиялық циклі су,азот,фосфор,және биогенді ктиондар жатады.