Биогенные загрязнители

Сера, фосфор, азот — типичные неметаллы, геохимическая общность рассматриваемой группы элементов проявляется в том, что их миграция и аккумуляция, подвижность и реакционная способность зависят от присутствия органических веществ, окислительно-восстановительных и кислотно-основных режимов.

Соединения серы. Сера — биогенный элемент, необходимый для живых организмов, и обязательный элемент питания растений. В настоящее время значительным источником серы стали техногенные выбросы предприятий металлургической, нефтяной и других отраслей промышленности. Диоксид серы SO₂ составляет более 95 % всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. По ряду данных, планетарный выброс SO₂ составляет около 275 млн.т., то есть стал соизмерим с природными поступлениями соединений серы в воздушную среду.

Диоксид серы SO₂. Бесцветный газ с острым запахом; уже в малых концентрациях (20—30 мг/м³) создает неприятный вкус во рту; раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. В природе наиболее чувствительны к SO₂ хвойные и лиственные леса, так как SO₂ накапливается в листьях и хвое. При содержании SO₂ в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м₃ происходит усыхание сосны за 2—3 года в результате нарушения фотосинтеза и дыхания хвои. Аналогичные изменения у лиственных деревьев возникают при концентрации SO₂ около 0,5—1,0 мг/м³.

Присутствие оксидов серы в атмосфере оказывает негативное влияние на жизнедеятельность животных и растений: диоксид серы взаимодействует с кислородом воздуха с образованием SO₃ и в конечном счете серной кислоты (H₂SO₄):

2SO₂ + О₂ → 2SO₃

SO₃ + Н₂О → H₂SO₄;

Наиболее благоприятные условия протекания этой реакции находятся в пределах озонового слоя атмосферы, где в процессе распада молекул озона на О и О₂ генерируется атомарный кислород. В результате в стратосфере на высоте порядка 18 км присутствует слой с высокой концентрацией SO₃.

Эмиссия значительных количеств соединений серы существенно повышает естественный уровень концентрации элемента вблизи источников выброса. В урбанизированной зоне содержание соединений серы в атмосферном воздухе обусловливается антропогенными эмиссиями. В индустриально-региональной зоне антропогенный вклад существенно превышает воздействие природных источников, а в геохимически чистой превалирует природный фактор. Установлено, что в индустриальных регионах до 60 % почвенной кислотности определяется образованием в атмосфере серной кислоты.

Сера в почвах представлена органическими и неорганическими соединениями, соотношение которых зависит от типа почвы и от глубины залегания генетического горизонта. Наиболее доступная растениям сульфатная форма составляет не более 10—25 % от общего содержания серы. Основные поступления серы в почву происходят с пылью и «кислыми дождями», причем с пылевой фракцией серы поступает в десятки раз больше, чем с «кислыми дождями».

В почвах с непромывным водным режимом и при аэробных условиях сера накапливается в виде гипса или в составе легкорастворимых солей. При умеренном содержании гипс положительно влияет на свойства почв и даже используется для мелиорации солонцов. При высоких уровнях накопления гипс образует плотные скопления, что резко ухудшает физические свойства почв.

Выбросы сернистого газа в биосферу, а также последующее подкисление водоемов, почвенного и растительного покрова оказывает существенное воздействие на живые организмы, которое проявляется во влиянии на земные экосистемы (например, ожоги листьев, поражение хвои) и на здоровье человека. Косвенное воздействие выражается, например, в поражении наземной растительности вследствие изменения метаболических процессов в почве и соответствующего изменения характера питания растений, в гибели гидробионтов в результате образования токсических соединений (алюминия, тяжелых металлов) при снижении рН. К тому же оксиды серы ощутимо ускоряют в городах коррозию металлов – в 1,5-5 раз по сравнению с сельской местностью.

Соединение фосфора. Фосфор является одним из важнейших биогенных элементов и относится к ключевым элементам в биосфере. Фосфор входит в состав нуклеопротеидов, сахарофосфатов, фосфатидов и других соединений. Он активно участвует в процессах обмена веществ и синтеза белка, активно влияет на рост растений. Соединения фосфора входят в состав тканей живых организмов — мозга, костей, панцирей. Среднее содержание фосфора в земной коре достигает 0,09 %, причем его водная и воздушная миграция относительно невысока. Несмотря на значительное разнообразие минеральных и органических соединений фосфора, в природе в виде минералов встречаются практически только производные ортофосфорной кислоты — ортофосфаты, причем до 95 % всех природных фосфатов составляют фосфаты кальция.

К природным источникам фосфора относятся изверженные магматические породы, при выветривании которых фосфор поступает в биосферу, а также осадочные породы типа апатитов, фосфоритов. Кроме того, фосфор поступает в биосферу с космической пылью и метеоритами.

При оценке загрязнения биосферы соединениями фосфора важны техногенные пути их поступления. Значительные количества фосфорных соединений входят в состав моющих средств и с их остатками попадают в сточные воды. Стиральные порошки содержат 10—12% пирофосфата калия или от 4—5 до 40—50 % триполифосфата натрия и некоторые другие фосфорсодержащие компоненты. Фосфор также входит в состав инсектицидов, например хлорофоса.

Вместе с промышленными и бытовыми сточными водами техногенные соединения фосфора могут поступать в почвы и почвенно-грунтовые воды. Особенности миграции и аккумуляции фосфора в биосфере заключаются в практически полном отсутствии газообразных соединений в биокруговороте. В процессе разрушения горных пород соединения фосфора поступают в наземные экосистемы; значительная часть фосфатов вовлекается в круговорот воды, выщелачивается и поступает в воды морей, океанов. Здесь соединения фосфора включаются в пищевые цепи морских экосистем.

В настоящее время явно обозначился и сформировался новый процесс антропогенного происхождения — фосфатизация суши, или возрастание общего содержания соединений фосфора в окружающей среде. Процесс этот протекает неравномерно и наиболее интенсивно идет на территории индустриально развитых стран. Если сера, углерод уходят в газообразной форме в атмосферу, то более устойчивые соединения фосфора накапливаются в местах складирования органических отходов, на свалках, полях орошения, что в итоге приводит, как и в случае соединений азота, к эвтрофикации водоемов избытком фосфатов. Признаки эвтрофикации обнаруживаются при содержании фосфора в воде свыше 15 мг/л, в то время как биологически чистые воды содержат фосфора сотые и тысячные доли мг/л.

Антропогенные поступления представляют существенную долю в балансе фосфора. Применение удобрений, химическое загрязнение биосферы в целом, эрозионные процессы играют решающую роль в фосфатизации биосферы. Решение противоречивой проблемы — дефицит фосфора и эвтрофикация водоемов — требует разработки комплекса мер, направленных как на максимальное снижение потерь фосфора при переработке, внесении удобрений, так и на недопущение загрязнения окружающей среды соединениями фосфора.

Соединения азота. Азот — важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений. Он входит в состав белков (до 16—18 % их массы), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод.

Основные запасы азота на планете приходятся на атмосферу. Главным источником азота в почве является гумус. В биосфере азот присутствует в газообразной форме (N₂, NH₃, NO, NO₂), в виде соединений азотной и азотистой кислот (нитраты и нитриты), солей аммония, а также входит в состав разнообразных органических соединений.

Оксиды азота NO_х (NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅). Основной выбрасываемый оксид NO₂ очень ядовит, раздражающе действует на органы дыхания человека. Особенно опасны оксиды азота в городах, где они, взаимодействуя с углеводородами выхлопных газов автомашин, образуют фотохимический туман — «смог». Отравление оксидами азота начинается легким кашлем. При повышении концентрации N0_х возникает сильный кашель, рвота, иногда головная боль. При контакте оксидов азота с влажной поверхностью легких образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что приводит к отеку легких. При многочасовом воздействии переносимы концентрации не выше 70 мг/м³. Оксиды азота взаимодействуют со многими материалами, разрушая их.

Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид азота N0 и его диоксид NO₂. Мировое количество этих выбросов приближается к 37 млн. т в год без учета отходящих газов нефтепереработки, причем около 97 % этого количества приходится на северное полушарие. Максимальное количество оксидов азота дают промышленно развитые страны. Однако в небольших концентрациях NO₂ обнаруживается на значительных расстояниях от источников выбросов — над Тихим океаном, в Северной Атлантике, на Гавайях. Из-за относительно невысоких концентраций N0 и N0₂ в воздухе в настоящее время серьезную проблему представляет не глобальное, а региональное и локальное загрязнение воздуха оксидами азота.

При взаимодействии нитритов и аминов в живых организмах образуются нитрозамины, являющиеся канцерогенами и способные вызывать нарушения хромосомного аппарата и наследственные уродства. Предельно допустимые количества нитратов для человека, по рекомендации ФАО, не должны превышать 500 мг азота в форме N0 в день.

В настоящее время большую проблему представляет нарушение толщины озонового слоя, на который могут оказывать влияние оксиды азота, вступающие в реакцию окисления N₂O до NO₂ и использующие кислород озонового слоя.