Геобиохимический круговорот хлорсодержащих соединений в антропогенных ландшафтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геобиохимический круговорот хлорсодержащих соединений в антропогенных ландшафтах

Халиков Рауф Музагитович

кандидат химических наук, доцент кафедры инженерной физики и физики материалов Башкирский государственный университет г. Уфа, Российская Федерация

Иванова Ольга Владимировна

кандидат технических наук, доцент Уфимский государственный нефтяной технический университет г. Уфа, Российская Федерация

Латыпова Закира Бадретдиновна

кандидат географических наук, доцент кафедры географии, землеустройства и кадастра Башкирский государственный педагогический университет им.М.Акмуллы г. Уфа, Российская Федерация

Аннотация

Рассмотрены биогеохимические циклы хлорсодержащих веществ в условиях возрастающего антропогенного воздействия производственной деятельности. На разных уровнях организации материальных объектов: от атомно-молекулярного до биогеоценозных ландшафтов показаны иерархически взаимосвязанные круговороты соединений хлора на Земле.

Ключевые слова: соединения хлора, антропогенные ландшафты, хлорорганические пестициды, мониторинг экотоксикантов

хлорсодержащий антропогенный иерархический круговорот

Одной из фундаментальных задач при переходе на инновационный путь развития экономики является разработка востребованных технологий по охране среды обитания от техногенных загрязнений. Хлор является одним из биогенных элементов, которые участвуют в геохимических циклах природы на Земле.

Данная статья нацелена на рассмотрение процессов миграции хлорсодержащих веществ в естественных биогеоценозах и в условиях возрастающего антропогенного прессинга.

Содержание хлористых соединений в земном коре составляет около 0,017% (по массе), причем в свободном состоянии (молекулярный хлор Cl2) встречается лишь в небольших количествах в составе вулканических газов [1]. Высокая химическая активность хлора приводит к тому, что в природе он встречается, как правило, в виде бинарных соединений с ионами натрия, калия, магния, кальция. При этом хлорсодержащие вещества рассеяны: небольшие количества этого элемента входят в состав различных минералов и горных пород.

Встречающиеся в земной коре и почвах минеральные хлориды: NaCl. KCl, CaCl2, MgCl2легко растворимы в воде. В естественных биогеоценозах хлориды в значительных количествах накапливаются только в засоленных почвах, преимущественно в ландшафтах с аридным (засушливым) климатом [2]. Однако широкое использование смеси хлорида натрия с песком для очистки автодорог от гололеда приводит к тому, хлорид-ион становится в современных условиях экозагрязнителем. Важным фактором техногенного воздействия на почвенные агроценозы является также применение калийных минеральных удобрений (в основном виде хлорида калия).

Соединения хлора встречаются в составе около 100 минералов: главным образом это хлориды щелочных и щелочноземельных металлов. Самый распространенный из хлорсодержащих минералов - галит (поваренная соль, каменная соль) NaCl. Реже встречаются смешанные (часто гидраты) хлориды калия, кальция, магния: бишофит MgCl2·6H2O, карналлит KCl·MgCl2·6H2O, сильвин KCl, сильвинит NaCl·KCl, тахигидритCaCl2·2MgCl2·12H2O и др. В виде таких соединений хлор содержится в соляных пластах, образовавшихся при высыхании древних морей в ходе геологической эволюции. Особенно мощные залежи образуют галити калийные соли: их запасы оцениваются более 10 триллионов тонн.

Современный химический состав окружающей среды формировался на протяжении миллионов лет эволюционного развития Земли. Между природной средой и биосферой установилось динамическое равновесие миграции и круговорота необходимых макро- и микроэлементов. В биологический круговорот на суше включается около 0,34•109 т/год соединений хлора. На протяжении года водная биота (живая часть экосистем) Мирового океана вовлекает в круговорот примерно 4,4•109 т хлорсодержащих веществ, т.е. на порядок больше чем на суше [3]. Это значит, что в глобальных циклах круговорота хлористых соединений преобладают хорошо растворимые в воде формы: активная водная миграция с континентов в Мировой океан и возвратный (атмосферный) перенос незначительных количеств с океана на сушу.

Хлориды являются преобладающими анионами в морской воде, в среднем 1,8%. Происходит это потому, что анионы хлора, вымываемые из минеральных пород, растворимы и выносятся реками в моря и океаны. Именно поэтому в гидросфере анионы хлора Cl-в значительной степени определяют соленость морской воды. Но в засушливых и пустынных ландшафтах в результате интенсивного испарения воды концентрация хлоридов в грунтовых водах сильно повышается. В обратной миграции соединений хлора значительную роль играет ветер, уносящий в виде аэрозолей соли с поверхности океанов, морей и соленых озер.

Растворы солей: хлоридов натрия и калия - обязательная составная часть биологических жидкостей, цитоплазмы организмов. Доминирующий хлорид-анион Cl-живых клеток участвует в поддержании осмотического равновесия. Содержание хлористых соединений в человеческом организме 0,15%: хлорид-ионы invivoактивируют некоторые ферменты, обеспечивают транспортную функцию биомембран. В продуктах питания и природной воде часто недостаточно соединений хлора для нормального развития человека, поэтому с древних времен люди добавляют в пищу поваренную соль. Наземные растения, в отличие от животных организмов, не испытывают дефицита хлористых веществ.

Ежегодно во всем мире производят различными химическими технологиями около 50 миллионов тонн соединений хлора. Только в США в конце 20 века ежегодно путем электролиза NaCl получали около 12 млн. тонн молекулярного хлора Cl2. Основная его масса (до 50%) расходуется на хлорирование органических соединений: для получения растворителей, поливинилхлорида и других пластмасс, пестицидов, лекарственных средств и многих других веществ. Остальное количество газообразного Cl2 употребляется при водоподготовке, для синтеза неорганических хлоридов, а также в целлюлозно-бумажной промышленности для отбеливания.

Технологическим сжиганием водорода в хлоре получают хлороводород, а из него - соляную кислоту. Молекулярный хлор применяют также для производства отбеливающих и дезинфицирующих средств (гипохлоритов, хлорной извести). Загрязнение ландшафтов хлористыми веществами происходит при производстве органических красителей, соляной кислоты и пестицидов.

Круговорот соединений хлора в антропогенных ландшафтах происходит в составе простых и сложных (неорганических и органических) веществ. Некоторые океанические бактерии продуцируют в небольших количествах хлорметан СН3Сl(улетучивается в атмосферу), а морские организмы могут осуществлять биосинтез галогенированных метаболитов (например, хлорвулонов) [4]. Следует отметить, что большинство хлорорганических веществ появились в результате производственной деятельности и являются ксенобиотиками (чужеродными для организмов) в биогеохимических циклах.

Хлорированные органические соединения (производные метана и других углеводородов) в окружающей среде выделяются персистентностью (устойчивостью к трансформациям), токсичностью и биоаккумуляцией. Например, тетрахлорметан(ССl4), обладающий канцерогенным действием, в организме млекопитающих превращается в радикал - *ССl3(трихлорметил), который инициирует биохимические реакции, поражающие клетки печени [5].

К числу экотоксикантов относятся и хлорированные фенолы, используемые в качестве антисептиков древесины, дезинфицирующих средств, интермедиатов в синтезе различных пестицидов [5]. Одними из источников загрязнения водных экосистем являются целлюлозно-бумажные комбинаты, применяющие хлор для отбеливания целлюлозы. Значительные количества соединений хлора переходят в газообразное состояние при сжигании бытовых отходов и топлива при относительно низких температурах (500-700єС). Особую опасность представляют, содержащиеся в летучей золе, полихлорированные дибензо-п-диоксины (рис.1):

Рис.1. Структурная формула хлорорганических диоксинов

Ксенобиотики диоксинового ряда образуются при производстве ароматических и алифатических хлор- и броморганических соединений, неорганических галогенидов [6]. Промышленными технологиями, в процессе которых возможно генерирование диоксиновых соединений, являются процессы производства хлорфенолов и их производных интермедиатов. Среди множества причин, способствующих поступлению диоксинов в природные ландшафты, можно выделить следующие: 1) функционирование несовершенных технологий производства продукции химической, целлюлозно-бумажной промышленности; 2) использование продукции, содержащей примеси диоксинов; 3) нарушение технологий уничтожения, захоронения или утилизации отходов химических и других токсичных производств.

На уфимском предприятии "Химпром" более 50 лет существовало крупнотоннажное производство хлорорганических соединений, в т.ч. пестицидов. Эти производства явились источником поступления в окружающую среду диоксинов как побочных продуктов. Чрезвычайно широкий спектр биохимического действия диоксинов стал причиной выделения этих ксенобиотиков в категорию суперэкотоксикантов [7]. Диоксины, подавляя иммунитет и цитотоксически воздействуя на процессы деления клеток, провоцируют развитие онкозаболеваний.

С конца 40-х годов прошлого века началось масштабное производство хлорорганических пестицидов (алдрин, гептахлор и др.). К числу нейротоксичных пестицидов относятся дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) и полихлорированные бифенилы. Способность атома хлора к нуклеофильному замещению при взаимодействии с аминогруппами белков и нуклеиновых кислот объясняет их высокую токсичность. Например, гербицид пентахлорфенол C6Cl5OH (ПДКр.з. = 0,1 мг/м3) вызывает дерматиты, раздражение дыхательных путей [8].

Пестициды, содержащие хлор (ДДТ, гексахлоран и др.), отличаются не только высокой токсичностью, но и способностью накапливаться (увеличение концентрации ? 10 раз) в различных звеньях пищевой цепи (рис.2). Первое звено трофической цепи - продуценты (фотосинтезирующие растения, фитопланктон), конечное - консументы высшего порядка (или редуценты). Хлорорганические инсектициды, использованные против вредных насекомых (малярии) на сельскохозяйственных полях и лесах, вместе с осадками и речными стоками со временем накапливаются в Мировом океане.

Рис. 2. Схема аккумуляции дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) в трофических цепях гидросферы

В наибольших количествах полихлорированные экотоксиканты накапливаются в организмах высших уровней водных экосистем: в жировых тканях рыб, морских птиц и животных. Стойкие экотоксиканты (период полураспада десятки лет) аккумулируются в пищевых цепях, например, инсектицид дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) был найден в организме пингвинов, обитающих в Антарктиде. Когда отрицательные последствия применения ДДТ стали катастрофическими, от его использования в 1970-80 годах постепенно отказались в развитых государствах.

Следовательно, хлорсодержащие пестициды, выступая как мощный фактор антропогенного воздействия, отрицательно влияют на биоразнообразие природных экосистем. Увеличение изменчивости привело к росту числа устойчивых (резистентных) к действию хлорорганических пестицидов видов насекомых-вредителей. Особенно неблагоприятные последствия использования гербицидов проявляются в агробиоценозах, приводя к резкому сокращению видового состава.

Непрерывное увеличение промышленного производства хлорсодержащих веществ и расширение их ассортимента неизбежно влекут за собой усиление экологической нагрузки на биогеоценозы. В результате производственной деятельности человека усиливается прессинг соединений хлора в антропогенных ландшафтах (рис. 3):

Рис. 3. Схема круговорота хлорсодержащих соединений в природных сферах Земли

В настоящее время питьевую воду в процессе технологической водоподготовки хлорируют для уничтожения патогенных микробов. В питьевой воде, согласно ГОСТ Р 51232-98,после 30 минутного контакта хлора с водой остаточного хлора не должно быть более 0,5 мг/дм3. Активный хлор включает, кроме растворённого в воде молекулярного хлора, и другие соединения хлора (гипохлориты). В процессе водоподготовки, в результате взаимодействия хлора с органическими веществами, присутствующими в природной воде могут образовываться хлорированные оксосоединения [9].

Серьезные опасения экологов вызывают также неконтролируемое использование в быту фреонов (хлорфторуглеводородов CFCl3, CF2Cl2) и др. озоноразрушающих веществ, которые приводят к необратимым изменениям в составе атмосферы. Фреоны на высоте 30 км под воздействие ультрафиолетового излучения распадаются с образованием атомарных радикалов Сl*, которые быстро взаимодействуют с озоном О3:

т.е. один атом хлора может разрушить до 10000 молекул озона О3.

В последнее время современное общество всё чаще сталкивается с хемофобией- панической боязни химических соединений в производстве и бытовых условиях. Экологические беды и катастрофы - следствие низкого уровня знаний человека о природе и недостаточно глубокого понимания физико-химической и биологической сущности процессов, протекающих на Земле (в организме человека и вокруг него). Для предотвращения негативных экологических последствий хлорсодержащих токсикантов в ландшафтах необходимо повысить уровень экомышления администраторов, инженеров, экономистов.

В поле зрения технологических инноваций лежат следующие проблемы защиты окружающей среды от хлорорганических загрязнителей:

прогнозирование трансформаций химических загрязнений в природных ландшафтах, разработка рекомендаций по снижению концентрации наиболее опасных экотоксикатов;

постоянный контроль (мониторинг) за состоянием окружающей среды; утилизация побочных продуктов хлорорганических производств методами «зеленой химии».

Инновационные пути решения непростых экологических проблем должны основываться на мониторинге и управления качеством среды обитания [10]. Медленное снижение объемов использования хлорорганических пестицидов объясняется тем, что экологически более безопасные - альтернативные методы защиты растений недостаточно разработаны, особенно в области подавления сорняков. Достаточно эффективными подходами уменьшения пестицидного воздействия на агробиоценозы являются тенденции создания препаратов с низкой дозой, быстрым разложением и биопрепаратов [11]. В зонах санитарной охраны источников питьевого водоснабжения следует ограничить применение хлорсодержащих инсектицидов.

Таким образом, за миллиарды лет геологической истории нашей планеты сформировались биогеохимические круговороты, в том числе и соединений хлора и это является основой нормального функционирования живых организмов. Мониторинг за количеством экотоксикантов, разработка малоотходных технологий являются достаточно эффективными способами уменьшения антропогенного прессинга хлористых ксенобиотиков на ландшафты и сферы Земли.

Список литературы

1. Башкин В.Н. Биогеохимия. - М.: Научный мир, 2004. - 584 с.

2. Садовникова Л.К., Орлов Д.С., Лозановская И.Н. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении. - М.: Высшая школа, 2006. - 334 с.

3. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. - М: Изд. центр «Академия», 2003. - 400 с.

4. Iguchi K., Kaneta S., Mori К. et al. Chlorovulones, new halogenated marine prostanoids with an antitumor activity from the stolonifer Clavularia viridis Quoy and Gaimard // Tetrahedron Lett. - 1985. - V. 26.- N. 47.- P. 5787-5790.

5. Безель В.С., Большаков В.Н. Экологическая токсикология: проблемы, задачи, подходы // Токсикологический вестник. - 1995. - № 1. - С. 2-7.

6. Коломиец А.Ф. Полихлорполициклические ксенобиотики // Успехи химии. - 1991.- Т. 60. - № 3. - С. 536-545.

7. МайстренкоВ.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. -М.: Химия, 1996. - 319 с.

8. Oberg L., Andersson R., Rappe С. De novo formation of hepta- and octachlorodibenzo-p-dioxins from pentachlorophenol in municipal sewage sludge // Organohalogen Compounds. - 1992. - V. 9. - P. 351-354.

9. Слипченко A.B., Кульский Л.A., Мацкевич Е.С. Современное состояние методов окисления примесей воды и перспективы // Химия и технология воды. - 1990. - Т. 12. - № 4. - С. 326-349.

10. Халиков Р.М., Иванова О.В. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. - 2014. - № 3 (03). - С. 10.

11. Халиков Р.М., Латыпова З.Б. Разработка фитопростаноидного биопрепарата: один из подходов уменьшения техногенного прессинга на природные ландшафты // Nauka-Rastudent.ru.- 2014. -№ 1(01) - С. 5.

Размещено на Allbest.ru