Перенос между различными средами

Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами, причем, разумеется, факторы окружающей среды играют здесь решающую роль.

В настоящее время с помощью математических моделей предпринимаются попытки заранее рассчитать концентрации этих веществ в соответствующих средах. В этих моделях учитываются такие физико-химические свойства химических веществ, как молекулярная масса, давление пара и растворимость в воде. Имеются математические уравнения процессов перехода веществ из одной среды в другую, которые позволяют на основании физико-химических свойств веществ при определенных внешних условиях дать количественную оценку концентраций веществ.

1. Перенос почва — вода.

Перенос веществ на границе раздела почва — вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искусственного орошения и собственно переноса этих веществ в почве, например, в виде водных растворов. Загрязнение вод может происходить как водой, стекающей по поверхности почвы, так и водой, проникающей на всю глубину почвы. Для всех переходов химических продуктов через границу почва — водная фаза основную роль играют процессы адсорбции.

Адсорбция играет основную роль в процессе перемещения химических соединений в почве, а также при их испарении из почвы и поглощении растениями. Адсорбция замедляет массоперенос в почве. Массоперенос растворенных химических веществ является функцией диффузии, конвекции и дисперсии веществ, а также их разложения абиотическими и биотическими реакциями.

Диффузия (диффузионный массоперенос) является физическим процессом, в ходе которого молекулы, атомы или ионы в результате теплового движения перемещаются из области большей концентрации в область с меньшей. Этот процесс происходит независимо от течения воды. В пористом объеме почвы диффузия идет медленнее, чем в свободной жидкости.

Конвекция (конвективный массоперенос) представляет собой принудительное перемещение растворенных веществ потоком воды.

Дисперсией (дисперсионный перенос) называют перераспределение (соответственно перемешивание) растворенных веществ в движущейся в порах воде, вызванное неоднородностью поля скоростей потока в каждом отдельно взятом объеме воды в поре. Наряду с конвекцией дисперсия вносит свой вклад в общий массоперенос химических веществ в грунтовых водах, причем этот вклад зависит от скорости перемещения почвы.

2 Перенос вода — воздух.

Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду.

Скоростью улетучивания называют поток массы вещества, проходящий через границу вода — воздух. Она определяется как количество вещества, проходящее через единицу площади в единицу времени. Эта скорость пропорциональна разности концентраций соответствующего вещества в обеих фазах.

Скорости переноса зависят от внешних условий окружающей среды, особенно от скорости ветра и турбулизации воды, а также и от температуры. Их зависимость от свойств вещества сводится главным образом, как и в случае диффузии, к зависимости от молекулярной массы и молярного объема.

Наряду с летучестью веществ из воды и сухого осаждения из атмосферы в воду существуют еще и другие пути для материального обмена между водой и воздухом, - например, разбрызгивание ветром воды в море, влажное осаждение и удаление из атмосферы с дождем. Доля таких путей переноса в общем обмене химическими веществами между водными бассейнами и атмосферой зависит от географического положения и климатических условий, а также от физико-химических свойств этих веществ.

3. Перенос почва — воздух.

Переход вещества из почвы в атмосферу путем диффузии в природных условиях называют летучестью из почвы, а обратный процесс — сухим осаждением в почву.

Летучесть с влажной поверхности почвы существенно выше, чем с сухой. Летучесть химических соединений с влажной поверхности почвы происходит преимущественно из жидкой фазы. Летучесть химических веществ из почвы в атмосферу зависит также от свойств почвы, температуры и скорости ветра.

Другим путем уноса вещества из почвы в атмосферу является перенос с пылью (ветровая эрозия); перенос в обратном направлении — влажное осаждение, например вымывание из воздуха дождем. Так же, как в случае перехода вода/воздух, доля каждого направления переноса зависит от физико-химических свойств вещества, а также типа почвы и климатических условий.

4. Поступление и накопление в живых организмах

В принципе любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступление и выделение из организма происходят с одинаковой скоростью; установившаяся при этом в организме концентрация называется концентрацией насыщения. Если она выше наблюдающейся в окружающей среде или продуктах питания, говорят об обогащении или аккумуляции (накоплении) в живом организме.

Обогащение организмов элементами или веществами по отношению к их содержанию в окружающей среде является одной из основных функций любого живого организма. Ее характер зависит от вида организма и является одним из важных свойств, определяющих разнообразие живых организмов в биосфере.

Под коэффициентом обогащения или аккумуляции понимают отношение концентрации вещества в организме к концентрации того же вещества в окружающей среде или в пище.

Не используемые организмами природные вещества либо не активны и не потребляются организмом, либо в ходе эволюции у организма сложились механизмы его выделения, либо вещества хорошо усваиваются организмом, но образуют в нем индифферентный балласт. В высших организмах не существует специфических механизмов количественного удаления органических ксенобиотических соединений, поэтому возможно отложение, например, липофильных веществ в жире.

- биоконцентрирование — обогащение химическим соединением организма в результате прямого восприятия из окружающей среды, без учета загрязнения питания;

- биоумножение — обогащение организма химическим соединением непосредственно в результате питания. В природной водной среде этот процесс идет одновременно с биоконцентрированием;

- биоаккумуляция — обогащение организма химическим веществом путем его потребления из окружающей среды и питания;

Биоконцентрирование, биоумножение и биоаккумуляция оцениваются соответствующими коэффициентами обогащения. Экологическое обогащение — прирост концентрации какого-либо вещества в экосистеме или цепи питания при переходе от низкого к более высокому трофическому уровню.

Коэффициенты биоконцентрирования различных химических соединений в водных организмах различаются, по крайней мере, на 5 порядков (т. е. в 100000 раз) в зависимости от физико-химических свойств соответствующего соединения. Важнейшим свойством живого организма, связанным с биоконцентрированием, является содержание в нем липидов (жиров). Чем больше в организме липидов, тем больше коэффициент биоконцентрирования.

Хотя биоконцентрирование определяется и другими факторами, такими как специфические биохимические реакции и селективная проницаемость мембран, процессы накопления липофильных химикатов из воды в основном представляют собой процесс распределения между водной фазой и липидной фракцией организмов.

В отличие от водных организмов, у наземных, биоаккумуляция происходит в основном за счет питания. У наземных высших растений установлено обогащение за счет химических веществ, содержащихся в почве. Этот процесс имеет большое значение в накоплении химических веществ в растительных продуктах питания, их усвоении растительноядными животными и возможным экологическим усилением обогащения. Существует несколько путей усвоения и перераспределения химических веществ из почвы в высшие растения:

- усвоение корневой системой и перенос в наземную часть растения сокодвижением;

- усвоение листьями летучих химических веществ, выделившихся из почвы;

- усвоение листьями химических веществ из пыли.

5. Географический и биотический перенос.

После того как произошло распределение поступивших в окружающую среду химических веществ между воздухом, водой и почвой, необходимо проследить их дальнейшую миграцию на более или менее далекие расстояния в результате действия различных физических факторов. Такой перенос называют географическим. Наряду с ним имеется также биотический перенос живыми организмами, в которых прошло биологическое накопление вредных веществ.

Биотический перенос химических веществ организмами после их потребления и аккумулирования происходит в результате активного перемещения животных, а также при передаче по цепи питания. К этому процессу относится и вторичное перемещение водными червями веществ, оказавшихся в донных осадках, и деятельность человека, например, перевозки сельскохозяйственных продуктов (на локальные и региональные расстояния). В большинстве случаев географический перенос преобладает над биотическим и осуществляется главным образом через атмосферу и воду.

Атмосферная миграция — важнейший путь перемещения химических веществ в окружающей среде. Процессы перемешивания и переноса в тропосфере происходят быстро; обмен между тропосферой и стратосферой длится в течение нескольких лет.

Атмосферный перенос локального масштаба происходит в течение минут, регионального — от часов до нескольких суток, а для глобального переноса необходимо время от нескольких суток до нескольких недель. Количественная оценка и прогноз переноса в воздухе на расстояния местного масштаба возможны, если имеется информация о вертикальной структуре атмосферы и господствующих ветрах. При этом должен также учитываться перенос пыли. Для регионального переноса этого уже недостаточно, так как за тот период времени, который необходим для переноса химических веществ на расстояние порядка нескольких сот километров, погодные условия могут измениться. Глобальный перенос еще труднее оценить количественно; здесь можно привлечь лишь данные о средних скоростях перемешивания в больших регионах. Время полного перемешивания в пределах полушария составляет от половины до трех месяцев, а перемешивание между полушариями длится примерно один год.

Нормальная океаническая циркуляция имеет определенное значение для глобального переноса, однако, только на периоды порядка нескольких лет. Водная миграция реками не имеет существенного значения для регионального распределения, в то время как поверхностные и подпочвенные воды необходимо учитывать при оценке локального распределения вредных химических веществ в окружающей среде.

Миграция химических соединений в почве по сравнению с переносом в воздухе и воде происходит очень медленно. Она осуществляется главным образом в водных средах.

Источник: http://gusakova.ru/uchebnaya-rabota/himiya-okruzhayushhey-sredyi/