На главную Написать сообщение Поиск по сайту Новости публикаций Плакаты и знаки по охране труда и БЖД Видео по охране труда и технике безопасности Зарубежные средства индивидуальной защиты Юридическая консультация онлайн
В начало разделаПромышленные и бытовые отходы → Превращения веществ

Превращения веществ


Превращения веществ — это изменения их химической структуры под воздействием факторов окружающей среды.


Абиотические превращения (под воздействием кислорода, света) — это реакции с молекулярным кислородом или кислородными радикалами, образующимися в атмосфере или воде при протекании фотохимических реакций:

  1. большинство реакций окисления и окислительно-восстановительных процессов приведены в широко распространенной литературе;
  2. гидролитические процессы, основанные на том, что многие органические химикаты легко гидролизуются до гидрофильных конечных продуктов (исследования показали, что гидролиз пестицидов в природных условиях приводит в водных растворах к потере токсических свойств);
  3. фотохимические реакции в тропосфере характерны для органических молекул, которые не поглощают ультрафиолетовые излучения при длине волны более 290 нм;
  4. фотохимические реакции веществ в ОС, которые, способны вызвать химические превращения хлорорганических соединений в тропосфере (внутримолекулярные реакции при возбужденном состоянии);
  5. межмолекулярные реакции между различными активными и неактивными частицами в тропосфере.


Многие окислительные реакции могут быть одновременно и фотохимическими (например, реакции вредных веществ с активными частицами кислорода).


Биотические превращения вызываются живыми организмами или продуцируемыми ими ферментами, что называют «метаболизмом вредных веществ», а продукты превращения — метаболитами.


Соединения металла (ртути, олова, свинца) и неметалла (мышьяка), накопления которых в ОC происходит от естественных и антропогенных (сточные воды, выхлопные газы) источников почти поровну. Накопление этих веществ в ОС нежелательно из-за вредных для живых организмов последствий (острые или хронические отравления, их цитотоксические свойства). Биотические превращения металлов, т.е. включение ионов металлов в органические производные, приводят к повышению токсичности по отношению к теплотворным живым организмам.


Например, в природном цикле ртути одним из микробиологических механизмов превращения является окисление (через стадию образования сульфита ионы ртути из нерастворимого природного сульфида ртути HgS переходят в растворимый сульфат ртути):

Превращения веществ

Ионы ртути Hg2+ восстанавливаются под действием никотинамид-адениндинуклеотида (NADH2) до металлической ртути, давление паров которой настолько велико, что металл постепенно переходит в газовую фазу.


По другому механизму ионы ртути Hg2+ метилируются до метил-ртути и диметилртути:

Превращения веществ

Биологическое метилирование происходит во всех живых организмах. Некоторые микроорганизмы разлагают метилртуть, восстанавливая ее до металлической ртути и метана.


Металлическая ртуть и диметилртуть летучи, а метилртуть накапливается в жировых тканях. Обычно неорганическая ртуть (Hg2+) в организме водорастворима.


Вторая реакция ртути в окружающей среде (метилирование) приводит к значительному повышению токсичности соединений для теплокровных живых организмов и способствует накоплению метилртути в цепях питания. В лабораторных условиях изучено присоединение метильного радикала к палладию, свинцу, платине, олову, золоту, хрому, мышьяку, селену.


Органические посторонние вещества обычно взаимодействуют с организмом по одному из процессов: первый — разложение органического вещества до неорганических продуктов или низкомолекулярных органических фрагментов, способных участвовать в природных циклах углерода с выделением углерода и энергии и обеспечением роста; или второму, заключающемуся в превращении микроорганизмами большинства химических соединений без выделения углерода и энергии, что не обеспечивает роста биомассы.


Образованные из ксенобиотических веществ продукты являются химическими веществами, посторонними для ОС, т.е. антропогенными веществами. Специфические ферменты некоторых микроорганизмов, полученных в результате мутаций и селекции, способны воздействовать на посторонние вещества. Первичными реакциями превращения являются: окисление, восстановление и гидролиз, а вторичными — превращение посторонних веществ в вещества, входящие в состав организма, или их встраивание в макромолекулы природных органических веществ.


У наземных высших растений установлено обогащение за счет химических веществ, содержащихся в почве в зависимости от вида растения и вещества. Пути усвоения химических веществ растениями весьма многообразны (корневой системой с выносом в наземную часть сокодвижением; летучих химических веществ его листьями; из частиц почвы или пыли, попавших на листья), а также зависят от свойств среды.


Материальный нетто-баланс человечества как биологического сообщества, за исключением твердого бытового мусора, вполне вписывается в глобальный биотический круговорот. В расчете на одного городского жителя образуется 150—350 кг бытового мусора в год, который в большинстве случаев не перерабатывается, а вывозится на свалки, занимающие огромные территории вокруг городов, и становится опасным загрязнителем воздуха, воды и почв. В стране работает только 7 мусоросжигательных и 2 мусороперерабатывающих заводов.


Серьезные ресурсные и экологические проблемы связаны с технической энергетикой и промышленным производством, включая промышленные технологии в сельском хозяйстве. За год образуется более 100 млрд т твердых и жидких отходов добывающей и перерабатывающей промышленности; из них около 15% попадает со стоками в водоемы, остальное количество добавляется к отвалам «пустой» породы, свалкам и другим хранилищам и захоронениям промотходов.


Общая масса извлекаемых из недр и перемещаемых на поверхности земли материалов уже превышает средний объем вулканической деятельности (всего в мире насчитывается 609 вулканов, относимых к действующим; в XX в. произошло более 1380 извержений, во время которых в атмосферу выброшено более 57 км3 пепла, содержащего свинец, кадмий, медь, цинк, серебро, мышьяк).


В отличие от нетто-потребления людей количественные характеристики хозяйственного цикла антропогенного массообмена резко различаются в разных странах и регионах мира. Кратность превышения производственного потребления вещества над нетто-потреблением людей колеблется От нескольких единиц в экономически наиболее отсталых районах, где сохраняются элементы доиндустриального хозяйства, до 300 в странах с развитой индустрией. Соответственно различаются и потоки изъятия местных природных ресурсов и техногенного загрязнения среды.


Наиболее существенным отличием антропогенного массообмена от биотического круговорота является его незамкнутость в качественном и в количественном отношении. Только часть отходов производства может быть утилизирована биотой или нейтрализована в результате биогеохимической миграции веществ. При этом темпы возобновления, утилизации и нейтрализации значительно отстают от темпов изъятия ресурсов и загрязнения среды. Продукция природных биоценозов дает людям дрова и строительный материал, целлюлозу и каучук, пищу и лекарства. Но основу технической энергетики и производства составляет преобразованная в недрах продукция прошлых биосфер — уголь, нефть и газ. Сейчас за одни сутки человечество использует столько этой продукции, сколько ее образовалось за 300-350 лет.


В течение последних десятилетий технологии общественного производствами сфера потребления все больше удалялись от использования природных материалов, от циклов естественного круговорота веществ в природе. Современная промышленность вносит в окружающую среду огромные количества таких материалов и веществ, которые чужды экологическим системам и природным ландшафтам.


Все возрастающая масса таких ксенобиотиков (грен, «ксенос» — чужой, чуждый) — пестицидов, гербицидов, фреонов, синтетических пластиков, тяжелых металлов попадает в атмосферу, водоемы и почву в таких количествах, которые превышают ассимиляционную и самоочищающую способность природных систем. Сложность ситуации заключается еще и в том, что при современных масштабах и характере воздействия человека на природную среду она отвечает совершенно неожиданной (для человека) реакцией, что обусловлено исчерпанием способности среды к самовосстановлению, наличием большого количества взаимосвязей в природе.


Например, все металлы, рассеиваемые в результате производственной деятельности человечества, поступают главным образом в гумусосферу. Из почвы они усваиваются растениями, с растительной пищей и воздухом могут переходить в организмы животных. Поэтому в качестве мерила масштабов техногенных влияний очень наглядными является отношение ожидаемого суммарного техногенного выброса того или иного металла к его современному содержанию в почве и живом веществе (количество вещества, вовлеченного в кругооборот). Расчеты показали, что такое отношение наиболее велико для мышьяка — 470,2; сурьмы — 387,5; висмута — 381,3; урана — 297,5; кадмия —- 50,6. Эти элементы содержатся в биоте в микроколичествах, но с каждой добытой тонной руды и топлива захватываются биосферой и надолго попадают в кругооборот органического вещества.


Часть отходов подвергается ассимиляции и биотической и геохимической нейтрализации в процессе деструкции; другая часть, содержащая ксенобиотики, после; биологической и геохимической миграции подвергается иммобилизации, рассеянию и выносу, выступают как техногенные загрязнения окружающей среды. Совокупный вредный эффект от их поступления в кругооборот зависит от коэффициента опасности отходов, их массы, продуктивности и устойчивости экосистем, в частности, устойчивости по отношению к техногенным воздействиям.