Концепция экосистемы

Виды соединений азота:

В состав атмосферы  входит ряд азотосодержащих соединений, из которых наиболее распространена закись азота (N2O). Этот газ в нижних слоях воздуха нейтрален и  не участвует в образовании кислотных дождей. Также в составе атмосферы Земли находятся кислотные оксиды азота, такие как: окись азота

NO, и двуокись  азота NO2. Кроме того в состав  атмосферы входит единственное  щелочное соединение азота –  аммиак.

К наиболее важным соединениям азота находящимся в составе атмосферы Земли относятся:

1. Закись азота  – NO2

2. Окись азота  – NO

3. Азотистый  ангидрид – N2O3

4. Двуокись  азота – NO2

5. Оксид азота  – N2O5

Источники соединений азота:

Естественные  источники эмиссии соединений азота  в атмосферу:

I. Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота.

Согласно  данным на 1990 г. ежегодно во всем мире образуется этим путем около 8 млн. т. оксидов  азота (в пересчете на азот).

II. Грозовые  разряды. Во время электрических  разрядов в атмосфере из-за  очень высокой температуры и  перехода в плазменное состояние  молекулярные азот и кислород  в воздухе соединяются в оксиды  азота. Образовавшееся таким способом  количество оксида азота составляет около 8 млн. т.

III. Горение  биомассы. Данный вид источника  может иметь как искусственное  так и естественное происхождение.  Наибольшее количество биомассы  сгорает в результате процесса  выжигания леса (с целью получения  производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн. т.оксидов азота (в пересчете на азот) в течении года.

IV. Прочие  источники. Прочие источники естественных  выбросов оксидов азота менее  значительны и с трудом поддаются  оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит попадание смеси образовавшихся оксидов NO и NO2 в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти источники совместно вырабатывают в течении года от 2-ух до 12 млн.т.оксидов азота (в пересчете на азот).

Антропогенные источники эмиссии соединений азота  в атмосферу:

Среди антропогенных  источников образования оксидов  азота на первом месте стоит горение  ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.). Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. В данном случае количество образовавшегося оксида азота NO попорционально темрпературе горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотосодержащих веществ. Сжигая ископаемое топливо, человечество ежегодно выбрасывает в воздушный бассеин Земли около12 млн.т. оксидов азота. Немного меньше оксидов азота, около 8 млн.т. в год поступает от сжигания горючего

(бензина,  дизельное топливо и т.д.) в  двигателелях внутреннего сгорания..

Промышленностью во всем мире выбрасывается около 1 млн.т. азота ежегодно.

Таким образом, по крайней мере 37% из почти 56 млн.т. ежегодных выбросов оксида азота образуется из антропогенных источников. Этот процент, однако, будет намного больше, если к нему прибавить продукты сжигания биомассы.

Атмосферный аммиак:

Аммиак, имеющий  в водном растворе щелочную реакцию, играет значительную роль в регулировании кислотных дождей, так как он может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения:

NH3 + H2SO4 = NH4HSO4

NH3 + NH4HSO4 = (NH4)2SO4

NH3 + HNO3 = NH4NO3

Таким образом, нейтрализуются кислотные осадки и  образуются сульфаты и нитрат аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества разрушаются определенными бактериями, и одним из конечных продуктов этого процесса является аммиак. Ученым удалось установить, что активность бактерии, приводящая в конечном счете к образованию аммиака, зависит в первую очередь от температуры и влажности почвы. В высоких географических широтах (Северная Америка и Северная

Европа), особенно в зимние месяцы, выделение аммиака  почвой может быть незначительным. В то же время на этих территориях наблюдается наибольший уровень эмиссии двуокиси серы и оксидов азота, в результате чего находящиеся в атмосфере кислоты не подвергаются нейтрализации и, таким образом, возрастает опасность выпадения кислотного дождя. В процессе распада мочи домашних животных высвобождается большое количество аммиака.

Этот источник аммиака настолько значителен, что  в Европе он превышает возможности  выделения аммиака почвой.

Химические превращения  загрязняющих кислотных веществ  в атмосфере:

Попадающие в воздух загрязняющие вещества в значительной мере подвергаются физическим и химическим преобразованиям в атмосфере. Данные процессы протекают одновременно с распространением этих веществ.

Химические превращения  соединений серы:

Как правило сера входит в состав выбросов не в полностью окисленной форме

(степень окисления  серы в ее двуокиси равна  4, т.е. к двум атомам кислорода  присоединяется один атом серы). Если соединения серы находятся  в воздухе в течение достаточно  длительного времени, то под  действием содержащихся в воздухе окислителей они превращаются в серную кислоту или сульфаты. В процессе окисления кислородом (О2) сернистого газа (SO2), сера повышает свою степень окисления и переходит в трехокись серы (SO3), которая в свою очередь являясь очень гигроскопичным веществом и взаимодействуя с атмосферной водой, очень быстро превращается в H2SO4. Именно по этой причине в обычных атмосферных условиях трехокись серы не содержится в воздухе в больших количествах. В результате реакции образуются молекулы серной кислоты, которые в воздухе или на поверхности аэрозольных частиц быстро конденсируются.

Кроме двуокиси серы в  атмосфере находится также значительное количество других природных соединений серы, которые в конечном счете  окисляются до серной кислоты (или сульфатов).

Химические превращения  соединений азота:

Наиболее распространённым соединением азота, входящим в состав выбросов, является окись азота NO, которая  при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота. Последняя  в результате реакции с радикалом гидроксила превращается в азотную кислоту NO2 + OH = HNO3. Полученная таким образом азотная кислота в отличае от серной может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Это связанно с тем, что азотная кислота обладает большей летучестью, чем серная. Пары азотной кислоты могут быть поглощены капельками облаков или осадков или частицами аэрозоля.

Кислотная седиментация (кислотные  дожди)

Заключительным этапом в круговороте загрязняющих веществ  является седиментация, которая может происходить двумя путями:

1. вымывание осадков,  или влажная седиментация

2. выпадение осадков,  или сухая седиментация

Совокупность этих двух процессов и называется кислотной  седиментацией.

Воздействие кислотных дождей на окружающую среду

Результатом кислотной седиминтации является то, что кислотные атмосферные микроэлементы, соединения серы и азота попадают на поверхность Земли, что приводит к сильным изменениям кислотности  водоемов и почв. В первую очередь  повышение кислотности сказывается на состоянии пресноводных водоемов и лесов. Кислотные дожди оказывают различное влияние. Изначально осадки имеющие повышенное содержание азота первое время способствуют росту деревьев в лесу, так как происходит снабжение деревьев питательными веществами. Однако в результате постоянного их потребления лес ими перенасыщается, что приводит к закислению почвы. В результате изменения кислотности почв изменяется растворимость в них тяжелых и токсичных металлов, которые могут попасть в организм животных и человека передаваясь по трофической цепочке, в которой будет происходить их накопление. Под действием кислотности изменяется биохимическая структура почвы, что приводит к гибели почвенной биоты и некоторых растений.

Под воздействием кислотных дождей происходит вымывание из растений неорганических соединений, к которым относятся все основные микро– и макроэлементы. Так, например, в наибольших количествах обычно вымываются калий, кальций, магний и марганец. Также подвергаются вымыванию из растений и различных органических соединения, такие как: сахара, аминокислоты, органические кислоты, гормоны, витамины, пектиновые и фенольные вещества и т.п. В результате этих процессов возрастают потери необходимых для растений биогенных элементов, что в результате приводит к их повреждениям.

Поступающие в почву с кислотным дождем ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего происходит либо выщелачивание  кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Возрастает мобильность токсичных тяжелых металлов, таких как марганец, медь, кадмий. Растворимость тяжелых металлов сильно зависит от рН. Раствореные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести их к гибели. Одним из наиболее опасных элементов, для живых организмов живущих в почве, является алюминий растворенный в сильнокислой среде. Во многих почвах, например, в северных умеренных и бореальных лесных зонах, наблюдается поглощение более высоких концентраций алюминия по сравнению с концентрациями щелочных катионов. Хотя многие виды растений в состоянии выдержать это соотношение, однако при выпадении значительных количеств кислотных осадков соотношение алюминий-кальций в почвенных водах настолько изменяется, что ослабляется рост корней и создается опасность для существования деревьев.

Происходящие  в составе почвы изменения  могут преобразовывать состав микроорганизмов  в почве, воздействовать на их активность и тем самым влиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление.

Несмотря  на выпадающие кислотные осадки почва  обладает способностью к выравниванию кислотности среды т.е. до определенной степени она может сопротивляться усилению кислотности. Сопротивляемость почвы определяет как правило наличие известниковых и песчаниковых пород (в состав которых входит карбонат кальция CaCO3), которые в результате гидролиза имеет щелочную реакцию.

Закисление  пресных вод.

Закисление  пресных вод – это потеря ими  способности к нейтрализации.

Закисление  как правило вызывают сильные  кислоты такие как серная и  азотная кислота. На протяжении длительного  периода более важную роль играют сульфаты, но во время эпизодических  явлений (таяние снега) сульфаты и нитраты  действуют совместно.

Процесс закисления водоемов можно условно разделить на 3 фазы:

1. Убыль ионов  гидрокарбоната, т.е. уменьшение  способности к нейтрализации  при неизменяющемся значении  рН.

2. Уменьшение  рН при уменьшении количества  ионов гидрокарбоната. Значение  рН тогда падает ниже 5,5. Наиболее чувствительные виды живых организмов начинают погибать уже при рН = 6,5.

3. При рН = 4,5 кислотность растворастабилизируется.  В этих условиях кислотность  раствора регулируется реакцией  гидролиза алюминия. В такой среде  способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Гибель живых  существ помимо действия сильноядовитого  иона алюминия может быть вызванна и тем, что под воздействием иона водорода выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ начинает умненьшаться. Ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия, который осаждается в форме донного осадка: Al3+ + PO43- ( AlPO4. Как правило уменьшение рН воды идет парралельно с сокращением популяций и гибелью рыб, земноводных, фито- и зоопланктона, а также множества различных других организмов.

Наибольшего масштаба закисление озер и рек достигло в Швеции, Норвегии,

США, Канаде, Дании, Бельгии, Голландии, Германии, Шотландии, Югославии и ещё в целом ряде Европейских государств. Изучение 5000 озер в южной

Норвегии показало, что  в 1750 из них исчезли популяции  рыб, а 900 другим озерам угрожает серьезная  опасность. В южной и центральной  частях Щвеции наблюдается потеря рыбы в 2500 озерах, то же самое предпологается в ещё

6500 озерах, где уже обнаруженны  признаки закисления. Почти в  18 000 озерах рН воды менее 5,5, что очень неблагоприятно влияет  на популяции рыб.

 

Непосредственное воздействие  кислотных осадков на окружающую среду

1. Гибель растений. Непосредственная  гибель растений в наибольшей  степени наблюдается вблизи от  непосредственного источника выбросов, а также в радиусе нескольких  десятков километров от этого  источника. Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, главным образом на его листьях, и проникая в организм растения принимает участие в различных окислительно восстановительных реакциях. Под их воздействием происходит окисление ненасышенных жирных кислот мембран, тем самым изменяется их проницаемость, что в дальнейшем оказывает влияние на такие жизнено-важные процессы как дыхание и фотосинтез. В первую очередь происходит гибель лишайников, которые могут существовать только при очень чистом состоянии окружающей среде. Лишайники являются чувствительными индикаторами различных видов воздушного загрязнения. Недавние исследования, произведённые в университете Ноттингема, показали, что образующие подушки виды рода Cladonia могут служить чувствительными индикаторами кислотных дождей.

2. Прямое воздействие  на человека. Особую опасность  для здоровья человека представляют  аэрозольные частицы кислотного  характера. Степень их опасности  зависит в первую очередь от  их размеров. Крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, тогда как мелкие