5. Экологические аспекты химии алканов

Согласно одной из теорий, жизнь на Земле возникла, когда в атмосфере планеты преобладали метан, вода, аммиак и водород, т.е. планета имела восстановительную атмосферу. Под действием УФ-излучения, электрических разрядов происходило образование свободных радикалов, результатом взаимодействия которых друг с другом стало возникновение органических молекул. Химические реакции этих молекул привели к образованию макромолекул, из которых построены все живые организмы. Данная теория была подтверждена в 1963 году лауреатом Нобелевской премии Гарольдом Ури и его студентом Стенли Миллером в Чикагском университете. Они показали, что под действием электрического разряда смесь метана, воды, аммиака и водорода превращается в большое число органических соединений, включая аминокислоты - мономеры белков.

Значительные количества метана содержатся в восстановительной атмосфере тяжелых планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Содержание метана на этих планетах так велико, что были предложены фантастические проекты его транспортировки в далеком будущем на Землю.

Несмотря на то, что Земля имеет окислительную атмосферу, на ней есть (и ежегодно образуется ~2 млрд т) значительное количество метана благодаря метанообразующим бактериям, которые участвуют в анаэробном разложении растительных и животных остатков. Метан образуется в анаэробных зонах водоемов, почве тундр, на рисовых полях, в рубце жвачных животных, а также на свалках и в метантенках – очистных сооружениях. Попадая в атмосферу, метан окисляется там ОН-радикалами через СО до СО₂. В аэробных зонах почвы и водоемов метан может окисляться метилотрофными бактериями до СО₂ и Н₂О.

Другие алканы образуются при неполной минерализации органических веществ и недостатке кислорода, повышенной влажности и повышенной кислотности и консервируются наряду с метаном в виде нефти и газа, в составе бурого, каменного угля. Это составляет миллиарды тонн углерода, изъятого из круговорота веществ.

Алканы являются естественными метаболитами для многих организмов. Так, морская биота за счет фотосинтеза продуцирует около 12 млн. тонн алканов, которые после гибели гидробионтов поступают в окружающую среду.

Процессы естественного (биогенного) образования алканов и их поступления в водоемы до вмешательства человека уравновешивались естественным потреблением. Хозяйственная деятельность человека резко увеличила загрязнение окружающей среды алканами. Среди антропогенных источников поступления углеводородов в окружающую среду - выбросы химических предприятий, потери при добыче и транспортировке газа и нефти, выделение алканов с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, образование метана при гниении продуктов растительного происхождения на свалках.

В окружающей среде алканы подвергаются воздействию ряда физико-химических факторов, которые способствуют самоочищению воды, почвы и воздуха. К таким процессам относят адсорбцию, химическое окисление, разрушение под действием УФ излучения. Полная деструкция углеводородов происходит при участии микроорганизмов, обитающих в воде и почве, которые способны усваивать углерод алканов. К таким микроорганизмам относятся бактерии и грибы.

Возможны три пути окисления алканов: 1) окисление концевого (терминального) атома углерода с образованием первичного спирта, альдегида, а затем соответствующей карбоновой кислоты, которая в дальнейшем подвергается -окислению; 2) окисление второго атома углерода с образованием вторичного спирта, а затем метилкетона; 3) одновременное окисление двух концевых атомов углерода с образованием дикарбоновых кислот.

В настоящее время бактерии, окисляющие алканы, используются для очистки почвы и водоемов от нефтяных загрязнений.

На человека алканы оказывают сильное наркотизирующее действие. Они малорастворимы в воде, поэтому для достижения токсических концентраций в крови требуется высокое содержание этих веществ в воздухе. Низшие алканы в обычных условиях физиологически малоактивны. Они, являясь продуктами жизнедеятельности человека и животных, не подвергаются биотрансформации и выделяются из организма в неизменном виде.

Углеводороды с пятью и шестью атомами углерода оказывают раздражающее действие на дыхательные пути. Высшие предельные углеводороды более опасны при попадании на кожные покровы.

Проницаемость тканей для нормальных алканов выше, чем для разветвленных, причем с увеличением молекулярной массы возрастает. Алканы с разветвленной цепью в организме не задерживаются, а нормальные подвергаются терминальному окислению с образованием соответствующих кислот. Ткани животных и человека способны вовлекать в метаболизм гексан, гептан, октан, октадекан и др. В печени алканы подвергаются окислению до соответствующих карбоновых кислот, которые в виде конъюгатов выводятся из организма или подвергаются дальнейшему окислению до воды и СО₂. В окислении принимают участие ферменты: цитохром-с-редуктазы, цитохромы В₅, Р-450 и др.

Максимальная разовая концентрация в атмосферном воздухе для гексана — 60 мг/м³, для пентана — 100 мг/м³, бутана — 200 мг/м³