Промышленные и бытовые отходы → Превращения веществПромышленные и бытовые отходы → Превращения веществПромышленные и бытовые отходы → Превращения веществПревращения 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:
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):
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:
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.