1.16: Повітря, вода та ґрунт

ВСТУП

Діяльність людини виділяє в біосферу різноманітні речовини, багато з яких негативно впливають на навколишнє середовище. Забруднюючі речовини, що викидаються в навколишнє середовище, можуть накопичуватися в повітрі, воді або грунті. Хімічні речовини, що викидаються в повітря, які мають безпосередній вплив на навколишнє середовище, називаються первинними забруднюючими речовинами. Ці первинні забруднювачі іноді реагують з іншими хімічними речовинами в повітрі з утворенням вторинних забруднювачів.

Щодня в озера, річки та океани скидаються різноманітні хімічні речовини та організми. Залишені необробленими, ці стічні та промислові відходи мають серйозний вплив на якість води не тільки в безпосередній близькості, але і нижче за течією.

ЗАБРУДНЮВАЧІ ПОВІТРЯ

Вісім класів забруднювачів повітря: оксиди вуглецю, сірки та азоту, летючі органічні сполуки, зважені тверді частинки, фотохімічні окислювачі, радіоактивні речовини та небезпечні забруднювачі повітря. Оксиди вуглецю включають чадний газ (СО) і вуглекислий газ (CO2). Окис вуглецю, первинний забруднювач, в основному утворюється при неповному згорянні викопного палива. Він також присутній в сигаретному димі. Безбарвний газ без запаху отруйний для дихаючих повітрям тварин. Чадний газ зв'язується з гемоглобіном, перешкоджаючи доставці кисню до клітин. Це викликає запаморочення, нудоту, сонливість та головні болі; у високих концентраціях це може спричинити смерть. Забруднення чадним газом від автомобілів можна зменшити за рахунок використання каталітичних нейтралізаторів та кисневого палива.

Вуглекислий газ утворюється при повному згорянні викопного палива. Він вважається парниковим газом, оскільки він нагріває атмосферу, поглинаючи інфрачервоне випромінювання. В результаті цієї характеристики надлишкова кількість вуглекислого газу в атмосфері може сприяти глобальному потеплінню. Вуглекислий газ також може вступати в реакцію з водою в атмосфері і виробляти слабокислий дощ. Викиди вуглекислого газу можна зменшити, обмеживши кількість спалюваного викопного палива.

До оксидів сірки відносяться діоксид сірки (SO2) і триоксид сірки (SO3). Оксиди сірки в першу чергу утворюються при спалюванні вугілля і нафти. Оксиди сірки мають характерний тухлий яєчний запах, а вдихання їх може призвести до ураження дихальної системи. Вони реагують з атмосферною водою з утворенням сірчаної кислоти, яка випадає в осад у вигляді кислотних дощів або кислотного туману. Кислотні дощі - це вторинний забруднювач, який підкислює озера та струмки, роблячи воду непридатною для водного життя. Він також роз'їдає метали, розчиняє вапнякові та мармурові структури. Оксиди сірки можуть бути видалені з промислових димових газів шляхом «очищення» викидів, шляхом електростатичного осадження сірки, шляхом фільтрації або об'єднання їх з водою, тим самим виробляючи сірчану кислоту, яка може бути використана комерційно.

Оксиди азоту включають: оксид азоту (NO), діоксид азоту (NO2) та закис азоту (N2O). Оксид азоту - прозорий безбарвний газ, що утворюється при згорянні викопного палива. Діоксид азоту утворюється, коли оксид азоту реагує з киснем атмосфери; червонувато-коричневий різкий газ вважається вторинним забруднювачем. Вплив оксидів азоту може спричинити пошкодження легенів, посилити астму та бронхіт, а також підвищити сприйнятливість до грипу та застуди. Діоксид азоту може поєднуватися з атмосферною водою, утворюючи азотну кислоту, яка осідає у вигляді кислотних дощів. Діоксид азоту також є ключовим інгредієнтом у утворенні фотохімічного смогу, а закис азоту - парниковим газом. Автомобільні викиди цих забруднюючих речовин можуть бути зменшені за допомогою каталітичних нейтралізаторів, які перетворюють їх на молекулярний азот і кисень.

Летючі органічні сполуки (ЛОС) включають вуглеводні, такі як метан (CH4), пропан (C3H8) та октан (C8H18) та хлорфторуглеці (ХФУ), такі як дихлордифторметан (CCL2F2).

Вуглеводні виділяються в атмосферу в автомобільних вихлопних газах і при випаровуванні бензину. Вони сприяють утворенню фотохімічного смогу. Хлорфторуглеці використовувалися як пропелленти для аерозолів і як холодоагенти, поки не було виявлено, вони можуть спричинити виснаження захисного озонового шару. Викиди летких органічних сполук можна зменшити, використовуючи бензинові форсунки з рекуперацією пари на станціях технічного обслуговування та спалюючи насичений киснем бензин в автомобільних двигунів.

Суспензійні тверді частинки складаються з крихітних частинок пилу, сажі, азбесту та солей, а також мікроскопічних крапель рідин, таких як сірчана кислота та пестициди. Джерела цих забруднюючих речовин включають спалювання викопного палива (наприклад, дизельних двигунів) та дорожньо-будівельну діяльність. Вплив цих частинок може призвести до подразнення дихання, зменшення ємності легенів, раку легенів та емфіземи.

Фотохімічні окислювачі в першу чергу виробляються при утворенні фотохімічного смогу. Озон (O3) - це високореактивний, дратівливий газ, який викликає проблеми з диханням, а також подразнення очей, носа та горла. Це також посилює астму, бронхіт і хвороби серця. Озон та інші фотохімічні окислювачі можуть пошкодити або вбити рослини, зменшити видимість та погіршити гуму, фарбу та одяг. Фотохімічні окислювачі є вторинними забруднювачами, і їх можна контролювати, зменшуючи кількість діоксиду азоту в атмосфері.

До радіоактивних речовин відносяться радон-222, йод-131, стронцій-90. Радон - це газ, що утворюється під час розпаду урану, який природним чином присутній у гірських породах та будівельних матеріалах, виготовлених з цих порід. Відомо, що він викликає рак легенів у людини. Інші радіоізотопи виробляються атомними електростанціями (йод-131) або містяться в опадах від атмосферних ядерних випробувань (стронцій-90). Вони можуть бути введені в харчовий ланцюг через рослини і включатися в тканини людини та інших тварин. Їх іонізуюче випромінювання може спричинити рак, особливо пов'язані з щитовидною залозою та кістками.

Небезпечні забруднювачі повітря включають бензол (C6H6) і чотирихлористий вуглець (CCl4). Бензол є звичайним органічним розчинником з численними промисловими застосуваннями. Чотирахлористий вуглець раніше використовувався як розчинник у бізнесі хімчистки. Він як і раніше використовується в промислових процесах. Вплив цих сполук може спричинити рак, вроджені вади та проблеми центральної нервової системи.

ЗАБРУДНЮВАЧІ ВОДИ

Вісім класів забруднювачів води: інфекційні агенти, відходи, що руйнують кисень, неорганічні хімічні речовини, органічні хімічні речовини, забруднювачі поживних речовин рослин, відкладення, радіоактивні матеріали та теплове забруднення. Інфекційні агенти, такі як бактерії, віруси та паразитарні черв'яки, потрапляють у воду з відходів людини та тварин і викликають такі захворювання, як черевний тиф, холера, гепатит, амебна дизентерія та шистосомоз, стан, що відзначається втратою крові та пошкодженням тканин.

Відходи, що руйнують кисень, включають гній тварин у відгодівлі та стоках ферми, рослинні залишки, промислові скиди та міські стічні води. Їх споживають аеробні бактерії. Надмірне зростання цих організмів може виснажувати воду розчиненого кисню, що призводить до евтрофікації та можливої загибелі водних мешканців, що споживають кисень.

Неорганічні хімічні забруднювачі включають мінеральні кислоти, токсичні метали, такі як свинець, кадмій, ртуть та шестивалентний хром, а також мінеральні солі. Вони містяться в промислових скидах, хімікатах у побутових стічних водах та просочуванні з муніципальних звалищ та звалищ. Наявність неорганічних хімічних забруднювачів у воді може зробити її непридатною для пиття, а також викликати рак та вроджені дефекти. Крім того, достатня концентрація цих хімічних речовин у воді може вбити рибу та інші водні тварини, спричинити зниження врожайності через пошкодження рослин та роз'їдати метали.

Органічні хімічні забруднювачі охоплюють широкий спектр сполук, включаючи нафту, бензин, пестициди та органічні розчинники. Всі вони погіршують якість води, в яку вони скидаються. Джерелами цих забруднюючих речовин є промислові скиди та стоки з фермерських господарств та міських районів. Іноді ці хімічні речовини потрапляють у водні екосистеми безпосередньо під час розпилення на озерах та ставках (наприклад, для боротьби з комарами). Ці види хімічних речовин можуть викликати рак, пошкодити центральну нервову систему і викликати вроджені вади у людини.

Забруднювачі поживних речовин рослин знаходяться в основному в міських стічних водах, стоках з ферм і садів та побутових стічних вод. Ці хімічні речовини включають нітрати (NO3-), фосфати (PO43-) та амонійні (NH4+) солі, які зазвичай містяться в добривах та миючих засобах. Занадто багато поживних речовин для рослин у воді може спричинити надмірний ріст водоростей у озерах чи ставках. Це, в свою чергу, призводить до виробництва великої кількості відходів, що виснажують кисень. Подальша втрата розчиненого кисню викликає евтрофікацію озер або ставків.

Ерозія грунтів - основний процес, що сприяє відкладенню, або мулу, у водойми. Відкладення можуть затьмарювати воду струмків і річок, зменшуючи кількість доступного сонячного світла водним рослинам. Одночасне зменшення фотосинтезу може порушити місцеву екосистему. Грунт з сільськогосподарських угідь, що осідають в озерах і струмках, може переносити пестициди, бактерії та інші речовини, шкідливі для водних мешканців. Відкладення також можуть заповнювати або засмічувати озера, водойми та водні шляхи, що обмежують використання людиною та порушують середовище існування.

Радіоактивні матеріали, такі як йод-131 і стронцій-90, знаходяться в стоках атомних електростанцій і випадах від атмосферних ядерних випробувань. Вони можуть бути введені в харчовий ланцюг через рослини і включатися в тканини організму людини і тварин. Їх іонізуюче випромінювання може спричинити рак, особливо в щитовидній залозі та кістках, де вони, як правило, концентруються.

Електростанція зазвичай скидає воду, що використовується для охолодження, в сусідню річку, озеро або океан. Оскільки скинута вода може бути значно теплішою, ніж навколишнє середовище, вона є джерелом теплового забруднення. Промислові скиди також є джерелами теплового забруднення. Підвищена температура води може локально виснажувати розчинений кисень і перевищувати діапазон толерантності деяких водних видів, тим самим порушуючи місцеву екосистему.

Обробка води на очисних спорудах може зменшити кількість інфекційних агентів, відходів, що виснажують кисень, неорганічних хімічних речовин, органічних хімічних речовин та поживних речовин рослин. Заборони та обмеження на використання певних хімічних речовин, таких як ДДТ та сполуки шестивалентного хрому, також дуже корисні для зменшення кількості цих хімічних речовин у навколишньому середовищі. Обмежуючи вплив цих шкідливих речовин, їх негативний вплив на людину і місцеві екосистеми можна значно зменшити.

ЗАБРУДНЮВАЧІ ҐРУНТУ

Стійкість пестицидів у ґрунті пов'язана з тим, як швидко ці хімічні речовини деградують у навколишньому середовищі. Існує три способи деградації пестицидів у ґрунті: біодеградація, хімічна деградація та фотохімічна деградація. Активність мікроорганізмів відіграє переважну роль у біодеградації пестицидів. Вода відіграє важливу роль у хімічній деградації пестицидів (наприклад, деякі пестициди гідролізуються на поверхнях мінералів водою). Вплив сонячних променів також може погіршити деякі пестициди.

Різноманітні пестициди використовуються для боротьби з комахами, бур'янами, грибками та цвіллю в сільськогосподарських, садових та побутових умовах. Існує три класи пестицидів: інсектициди, які вбивають комах; гербіциди, які вбивають рослини; і фунгіциди, які вбивають грибки. Кожен з цих класів включає в себе різні види хімічних речовин. Ці хімічні речовини відрізняються хімічним складом, хімічною дією, токсичністю і стійкістю (часом перебування) в навколишньому середовищі. Деякі з цих пестицидів можуть біоакумулювати (наприклад, вони концентруються у певних тканині та органах рослин і тварин). Пестициди можуть накопичуватися в грунті, якщо їх структури не легко руйнуються в навколишньому середовищі. Окрім надання ґрунту токсичним для інших живих організмів, ці пестициди можуть вимиватися в грунтові води, забруднюючи запаси води.

П'ять класів інсектицидів: хлоровані вуглеводні, фосфороргнати, карбамати, рослинні та синтетичні рослинні речовини. Хлоровані вуглеводні, такі як ДДТ, високотоксичні для птахів і риб, але мають відносно низьку токсичність у ссавців. Вони зберігаються в навколишньому середовищі, триваючи багато місяців або років. Через їх токсичність і стійкість їх використання в якості інсектицидів було дещо обмежено. Фосфороргнати, такі як малатион, більш отруйні, ніж інші види інсектицидів, але мають набагато менший час перебування в навколишньому середовищі. Таким чином, вони не зберігаються в навколишньому середовищі і не можуть біоакумулюватися. Карбамати, такі як Севін, як правило, менш токсичні для ссавців, ніж фосфороргнати. Вони також мають відносно низьку стійкість у навколишньому середовищі і зазвичай не біоакумулюються. Рослинні препарати, такі як камфора, отримують з рослинних джерел. Багато з цих сполук токсичні для ссавців, птахів та водних тварин. Їх стійкість в навколишньому середовищі відносно низька, і в результаті біоакумуляція не є проблемою. Синтетичні рослинні засоби, такі як алетрин, як правило, мають низьку токсичність для ссавців, птахів та водних тварин, але незрозуміло, наскільки вони стійкі і чи біоакумулюються чи ні.

Три класи гербіцидів: контактні хімічні речовини, системні хімікати та ґрунтові стерилізатори. Більшість гербіцидів не зберігаються в грунті дуже довго. Контактні хімічні речовини наносяться безпосередньо на рослини і викликають швидке погіршення клітинної мембрани. Один з таких гербіцидів, Паракват, отримав славу, коли його використовували як дефоліант на порах марихуани. Паракват токсичний для людини, але не біоакумулюється. Системні хімічні речовини, такі як Алар, поглинаються корінням та листям рослин і мають низьку та помірну токсичність для ссавців та птахів; деякі системні гербіциди дуже токсичні для риб. Ці сполуки не мають схильності до біоакумулювання. Грунтові стерилізатори, такі як Дифенамід, роблять грунт, в якому живуть рослини, токсичним. Ці хімічні речовини мають низьку токсичність у тварин, і не біоакумулюються.

Фунгіциди використовуються для знищення або пригнічення росту грибків. Їх можна розділити на дві категорії: протектори і системики. Захисні фунгіциди, такі як Каптан, захищають рослину від зараження в місці внесення, але не проникають всередину рослини. Системні фунгіциди, такі як Совран, всмоктуються через коріння і листя рослини і перешкоджають розвитку хвороб на ділянках рослини далеко від місця застосування. Фунгіциди не дуже токсичні і помірно стійкі в навколишньому середовищі.

Грунт може поглинати велику кількість забруднюючих речовин, крім пестицидів щороку. Сірчана кислота дощу перетворюється в грунті на сульфати, а азотна кислота дощу виробляє нітрати в грунті. Обидва вони можуть функціонувати як забруднювачі поживних речовин рослин. Зважені тверді частинки з атмосфери можуть накопичуватися в грунті, приносячи з собою інші забруднюючі речовини, такі як токсичні метали та радіоактивні матеріали.

Точкові та неточкові джерела забруднення

Екологічні норми призначені для контролю кількості та впливу забруднюючих речовин, що виділяються сільськогосподарською, промисловою та побутовою діяльністю. Ці закони визнають дві категорії забруднювачів та забруднювачів — точкове джерело та неточкове джерело.

Точкове джерело забруднення

Точкові джерела - це поодинокі, дискретні місця або об'єкти, які випромінюють забруднення, такі як завод, димова труба, тунель, канава, контейнер, автомобільний двигун або свердловина.

Оскільки точкові джерела можуть бути точно розташовані, викид забруднюючих речовин з них відносно легко контролювати та контролювати. Агентство з охорони навколишнього середовища США, або EPA, встановлює норми викидів для конкретних хімічних речовин і сполук. Потім відтоку від точкового джерела відбирають, а забруднюючі речовини в ньому вимірюють точно для того, щоб рівень скидання відповідав нормам.

Нові методи зменшення викидів з точкових джерел, швидше за все, будуть розроблені, оскільки їх ефективність можна оцінити швидко та безпосередньо, а також тому, що забруднювачі точкових джерел мають очевидний фінансовий стимул для зменшення відходів та уникнення регуляторних штрафів.

Неточкове джерело забруднення

Неточкові джерела є дифузними і поширеними. Забруднення змітаються у водні шляхи опадами і таненням снігу або видуваються в повітря вітром. Вони надходять з різних джерел, таких як транспортні засоби, що капають нафту на дороги та стоянки, пестициди, що використовуються на газоні та парках та полах, відходи, що зберігаються худобою та домашніми тваринами, або грунт, порушений будівництвом чи оранкою.

Забруднення неточкових джерел важче регулювати, ніж викиди точкових джерел. Забруднення вимірюється не в джерелі, а в місці призначення. Зразки збираються з повітря, ґрунту та води, або з крові та тканин організмів у забруднених районах. Внесок різних неточкових джерел у ці рівні забруднення можна лише оцінити. Правила EPA не можуть бути спрямовані на конкретних осіб або підприємств і натомість, як правило, спрямовані на муніципалітети. Наприклад, федеральні стандарти встановлюються для допустимих рівнів хімічних речовин у питній воді, і громади несуть відповідальність за обробку своєї води, поки вона не відповідає цим стандартам.

Це може бути важко зменшити багато типів неточкових джерел забруднення, оскільки більшість людей, які сприяють цьому, безпосередньо не стикаються з юридичними чи фінансовими наслідками. Особи повинні бути переконані, що їх діяльність завдає екологічної шкоди і що вони повинні змінити свою поведінку або витратити свої гроші на виправлення ситуації. Як тільки вони це зроблять, їм, можливо, доведеться довго чекати помітних екологічних результатів.

Частини на мільйон (ppm) і Мікрограмів на мілілітр (мкг/мл)

Дуже малі кількості деяких хімічних речовин можуть мати великий вплив на організми. Через це речовини, які присутні в слідових кількостях, такі як поживні речовини та забруднюючі речовини, зазвичай вимірюються та реєструються за допомогою дуже малих одиниць. Дві найпоширеніші заходи - це частини на мільйон і мікрограми на мілілітр.

Мікрограмів на мілілітр (мкг/мл)

Мікрограмів на мілілітр, або мкг/мл, вимірює масу на об'єм. Зазвичай він використовується для вимірювання концентрації речовини, розчиненої або підвішеної в рідині. Один мікрограм - це одна мільйонна частина грама (1 ug = 0.0000001 г), а один мілілітр - одна тисячна частина літра.

Частини на мільйон (ppm)

Частини на мільйон, скорочено ppm, - це безодинична міра пропорції. Його отримують шляхом ділення кількості речовини в пробі на кількість всієї проби, а потім множення на 106. Іншими словами, якщо деяка кількість газу, рідини або твердої речовини розділена на мільйон частин, кількість цих частин, що складаються з будь-якої конкретної речовини, є часткою цієї речовини. Наприклад, якщо 1 мл бензину змішати з 999,999 мл води, то вода містить 1 проміле газу.

Еквіваленти концентрації

Так як мікрограм - одна мільйонна частина грама, а мілілітр води дорівнює одному граму води, мкг/мл еквівалентно частинам на мільйон. PPM також еквівалентно багатьом іншим пропорційним вимірюванням, включаючи міліграми на літр (мг/л), міліграм на кілограм (мг/кг) та фунти на акр (фунт/акр). Але частини на мільйон часто є більш корисними для опису та порівняння слідових кількостей хімічних речовин, оскільки він усуває конкретні одиниці та застосовується до рідин, твердих речовин та газів.

Приклади

Як ppm, так і Ug/мл можуть бути використані для опису кількості пилу твердих частинок у зразку повітря:

Якщо загальний пил твердих частинок в одному літровому обсязі повітря становить 5 мг, в повітрі, який був відібраний, є 5 ppm пилу твердих частинок, оскільки мг/л (міліграми на літр) = проміле.

Скільки барвника слід додати в один галон води, щоб досягти остаточної суміші 500 ppm?

Вимірювання концентрації та екологічні норми

Оскільки багато токсинів починають мати негативний вплив на навколишнє середовище на дуже низьких рівнях, їх велика кількість в проміле або мкг/мл використовуються для встановлення меж забруднюючих речовин, які законодавчо дозволені в димі, скидання води, забруднення ґрунту тощо. Наприклад, вугільні електростанції можуть обмежуватися скиданням 0,5 проміле SO2 в диму штабеля. Якщо викиди заводу перевищують цю кількість, це може порушувати місцеві або федеральні стандарти якості повітря і може бути накладено штраф.

Вплив забруднення на дику природу

Не безпідставно нас найбільше турбує вплив забруднення на здоров'я та інтереси людини. Однак зростає документація про шкоду, яку забруднення завдає дикій природі. Нижче наведено лише невеликий зразок.

Пестициди

Пестицид ДДТ був заборонений в США в 1972 році, оскільки він спричинив розрідження та розбивання яєць хижаків. Але залишкові ДДТ та інші стійкі хлорорганічні пестициди продовжують впливати на дику природу Крім того, ДДТ все ще використовується в багатьох інших країнах як найбільш ефективна боротьба з комарами, що несуть малярію.

Ліки за рецептом

Ліки, що відпускаються за рецептом, кофеїн та інші ліки можуть проходити як через людський організм, так і очисні споруди, і зараз присутні в багатьох водних шляхах. Деякі з них можуть бути токсичними для водних мешканців. Інші, особливо стероїди, естроген, тестостерон і подібні регуляторні гормони, швидше за все, будуть перешкоджати розвитку організмів.

Важкі метали

Коли мисливці стріляють тварин свинцевим пострілом, але не відновлюють мертвих або поранених тварин, постріл врешті-решт потрапляє в організм інших диких тварин. Свинець концентрується в міру проходження по харчовому ланцюгу, а верхні хижаки, особливо хижаки, отримують отруєння свинцем. Багато держав зараз вимагають використання сталевого пострілу.

Гірничі відходи також виділяють токсичні рівні речовин, таких як свинець і ртуть, у водні шляхи.

Підкислення води

Кислотні дощі і сніг утворюються при спалюванні високосірчаних вугілля на електростанціях. Кислотний стік шахти викликаний реакцією дощової води з шахтними хвостами. Підкислення може стерилізувати водойми, знищуючи всю водну флору і фауну. Коли дикі птахи та інші дикі тварини поглинають цю воду, вони можуть бути отруєні важкими металами.

Діоксин

Діоксин утворюється при спалюванні відходів і при виробництві деяких паперів і пластмас. Він накопичується в тваринних жирах і концентрується до харчового ланцюга, і був пов'язаний з раковими захворюваннями та репродуктивними проблемами у ряді видів.

Розливи нафти

Розливи нафти мають негайні руйнівні наслідки — морські ссавці і водоплавні птахи, покриті нафтою, тонуть, отруюються або гинуть від переохолодження. Кульки нафти, які опускаються на морське дно, можуть задушити організми. Менш очевидні наслідки включають пухлини та репродуктивні пошкодження у риб та ракоподібних, спричинені побічними продуктами нафти.

Шумове забруднення

Хронічне шумове забруднення низьколітаючих літаків, снігоходів, мотоциклів та руху може призвести до того, що дика природа відмовиться від місць існування, втратить репродуктивну функцію та стати більш вразливою до хижацтва через втрату слуху.

Світлове забруднення

Світлове забруднення вночі дезорієнтує кажанів, комах та перелітних птахів.

евтрофікація

Евтрофікація є результатом додавання до водойм збагачувальних речовин — миючих засобів, добрив та органічних відходів. Вибуховий ріст і подальший розпад водоростей витрачають наявний кисень, який, в свою чергу, задихає водних тварин і рослин. Зміна хімії води також може вигнати місцеві види.

осідання

Відкладення, розмиті під час будівництва або сільськогосподарських практик, вимиваються у водні шляхи, пошкоджуючи місця нересту риб і задушуючи донні житлові організми.

Резюме

Дослідження впливу забруднення на дику природу становлять більше, ніж академічний інтерес. Як і горезвісна канарка у вугільній шахті, хвороби і пошкодження в природному світі часто є передвісником подібної небезпеки для нас самих.