14.3: Хімічне та біологічне забруднення

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20650

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Охарактеризуйте вплив діяльності людини на якість води.

Глобальна водна криза також передбачає забруднення води. Щоб вода була корисною для пиття та поливу, вона не повинна забруднюватися понад певні пороги. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, у 2008 році близько 880 мільйонів людей у світі (або 13% населення планети) не мали доступу до безпечної питної води. При цьому близько 2,6 млрд осіб (або 40% населення планети) проживали без поліпшеної санітарії, яка визначається як наявність доступу до громадської каналізації, септику або навіть простої вигрібної ями. Щороку близько 1,7 мільйона людей помирають від діарейних захворювань, пов'язаних із небезпечною питною водою, недостатньою санітарією та поганою гігієною. Майже всі ці випадки смерті знаходяться в країнах, що розвиваються, і близько 90% з них трапляються серед дітей у віці до 5 років (рис. 1). Погіршення кризи води є проблемою соціальної справедливості; бідним людям частіше не вистачає чистої води та санітарії, ніж заможні люди в подібних районах. У всьому світі підвищення безпеки води, санітарії та гігієни може запобігти до 9% усіх захворювань та 6% усіх смертей.

Окрім глобальної кризи захворювань, що передаються водою, хімічне забруднення сільського господарства, промисловості, міст та гірничодобувної промисловості загрожує глобальній якості води. У громадських опитуваннях Gallup, проведених протягом останнього десятиліття американці послідовно ставлять забруднення води та водопостачання як головні екологічні проблеми з приводу таких питань, як забруднення повітря, вирубка лісів, вимирання видів та глобальне потепління.

Забруднення води - це забруднення води надлишковою кількістю речовини, яка може завдати шкоди людині та/або екосистемі. Рівень забруднення води залежить від великої кількості забруднювача, екологічного впливу забруднювача та використання води. Забруднювачі походять від біологічних, хімічних або фізичних процесів. Хоча природні процеси, такі як виверження вулканів або випаровування, іноді можуть спричинити забруднення води, більшість забруднення походить від людської, наземної діяльності. Забруднювачі води можуть переміщатися через різні водойми, оскільки вода, що несе їх, просувається через етапи водного кругообігу.

Забруднюючі речовини потрапляють у водопостачання з точкових джерел, які легко ідентифікуються і відносно невеликих місцях, або неточкових джерел, які представляють собою великі і більш дифузні ділянки (рис.\(\PageIndex{1}\)). Точкові джерела забруднення включають тваринницькі ферми, які вирощують велику кількість та високу щільність худоби, таких як корови, свині та кури. Також труби в комплекті - це труби з заводів або очисних споруд. Комбіновані каналізаційні системи, які мають єдиний набір підземних труб для збору як стічних, так і зливових стоків з вулиць для очищення стічних вод, можуть бути основними точковими джерелами забруднюючих речовин. Під час сильного дощу зливовий стік може перевищувати пропускну здатність каналізації, що призводить до його резервного копіювання та проливання неочищених стічних вод безпосередньо у поверхневі води.

Цей розділ і наступний будуть присвячені тому, як діяльність людини впливає на якість води.

Занадто багато органічної речовини означає занадто мало кисню

Відходи, що вимагають кисню, є надзвичайно важливим забруднювачем екосистем. Більшість поверхневих вод, що контактують з атмосферою, мають невелику кількість розчиненого кисню, який необхідний водним організмам для клітинного дихання. Бактерії розкладають мертві органічні речовини і видаляють розчинений кисень (O ₂) відповідно до наступної реакції:

\[\text{organic matter} + O_{2} \rightarrow CO_{2} + H_{2} O \nonumber \]

Занадто багато гниючої органічної речовини у воді є забруднювачем, оскільки вона видаляє кисень з води, який може вбити рибу, молюсків та водних комах. Кількість кисню, що використовується аеробним (в присутності кисню) бактеріальним розкладанням органічної речовини, називається біохімічною потребою кисню (БПК). Основним джерелом мертвих органічних речовин у багатьох природних водах є стічні води; трава та листя є меншими джерелами. Незабруднений водойма по відношенню до БПК - бурхлива річка, яка протікає через природний ліс. Турбулентність постійно призводить воду в контакт з атмосферою, де вміст O ₂ відновлюється. Вміст розчиненого кисню в такій річці коливається від 10 до 14 ppm O ₂, БПК низький, а чиста вода риба, наприклад форель. Забруднена водойма по відношенню до кисню - застійне глибоке озеро в міській обстановці з комбінованою каналізаційною системою. Ця система сприяє високому надходженню мертвого органічного вуглецю від переливів стічних вод та обмеженому шансу на циркуляцію води та контакт з атмосферою. У такому озері вміст розчиненого O ₂ становить ≤5 ppm O ₂, БПК високий, а низькі O ₂ -толерантні риби, такі як короп і сом домінують.

Надмірна кількість поживних речовин для рослин, зокрема азоту (N) та фосфору (P), є забруднювачами, тісно пов'язаними з відходами, вимогливими до кисню. Водні рослини вимагають близько 15 поживних речовин для росту, більшість з яких багато у воді. N і P називаються обмежуючими поживними речовинами, однак, оскільки вони зазвичай присутні у воді в низьких концентраціях і тому обмежують загальну кількість росту рослин. Це пояснює, чому N і P є основними інгредієнтами більшості добрив. Високі концентрації N та P з людських джерел (переважно сільськогосподарських та міських стоків, включаючи добрива, стічні води та миючий засіб на основі фосфору) можуть спричинити культурну евтрофікацію, що призводить до швидкого зростання водних виробників, зокрема водоростей. Товсті килимки плаваючих водоростей або вкорінених рослин призводять до форми забруднення води, що пошкоджує екосистему, забиваючи риб'ячі зябра та блокуючи сонячне світло. Невеликий відсоток видів водоростей виробляють токсини, здатні вбивати тварин, в тому числі і людей. Експоненціальні нарости цих водоростей називають шкідливим цвітінням водоростей. Коли плідний шар водоростей гине, він стає вимогливими до кисню відходами, які можуть створювати дуже низькі концентрації O ₂ у воді (< 2 ppm O ₂), стан, який називається гіпоксією. Це призводить до мертвої зони, оскільки спричиняє смерть від асфіксії організмів, які не в змозі покинути це середовище. За оцінками, 50% озер у Північній Америці, Європі та Азії негативно впливають на культурну евтрофікацію. Крім того, розмір і кількість морських гіпоксичних зон різко зросли за останні 50 років, включаючи дуже велику мертву зону, розташовану на шельфі Луїзіани в Мексиканській затоці. Культурна евтрофікація і гіпоксія важко боротися, оскільки вони викликані в першу чергу неточковим джерелом забруднення, яке важко регулювати, і N і P, які важко видалити зі стічних вод.

Евтрофікація - це збільшення концентрації хімічних поживних речовин в екосистемі до такої міри, що збільшує первинну продуктивність екосистеми. Залежно від ступеня евтрофікації можуть відбуватися наступні негативні наслідки навколишнього середовища, такі як аноксія (виснаження кисню) і серйозне зниження якості води, що впливає на рибу та інші популяції тварин.

Хімічне забруднення відходами

З 1990-х років забруднення води фармацевтичними препаратами є екологічною проблемою, що викликає занепокоєння. Крім того, важливо зазначити, що багато фахівців охорони здоров'я в Сполучених Штатах почали писати звіти про фармацевтичне забруднення у водних шляхах у 1970-х роках». Більшість фармацевтичних препаратів депонуються в навколишньому середовищі через споживання та виведення людини, і часто фільтруються неефективно муніципальними очисними спорудами, які не призначені для управління ними (рис.\(\PageIndex{2}\)). Потрапивши у воду, вони можуть надавати різноманітний, тонкий вплив на організми, хоча дослідження все ще обмежені. Фармацевтичні препарати також можуть бути відкладені в навколишньому середовищі через неправильну утилізацію, стік з мулу добрив і рекультивованих стічних вод зрошення, а також діряві каналізаційні труби. У 2009 році в слідчому звіті Associated Press дійшло висновку, що американські виробники легально випустили 271 мільйон фунтів сполук, що використовуються в якості наркотиків, в навколишнє середовище, 92% з яких складали промислові хімікати фенол і перекис водню, які також використовуються як антисептики. Він не міг розрізнити препарати, випущені виробниками на відміну від фармацевтичної промисловості. Він також виявив, що, за оцінками, 250 мільйонів фунтів фармацевтичних препаратів та забрудненої упаковки були викинуті лікарнями та установами тривалого догляду.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Незаконні наркотики, такі як екстазі (вище), можна знайти у водних шляхах. (Громадське надбання; Віллі Тернер через Вікіпедію)

Використання фармацевтичних препаратів та засобів особистої гігієни (PPCP) зростає з прогнозованим збільшенням з 2 мільярдів до 3,9 мільярдів річних рецептів між 1999 та 2009 роками лише у Сполучених Штатах. \(\PageIndex{3}\)На малюнку показано, як ПГЦП потрапляють у навколишнє середовище через індивідуальну людську діяльність та як залишки від виробництва, агробізнесу, ветеринарного використання та використання лікарень та громад. В Європі споживання фармацевтичних залишків через побутові стічні води, за оцінками, становить близько 80%, тоді як 20% надходить з лікарень. Особи можуть додавати ПГЦП у навколишнє середовище шляхом виведення відходів та купання, а також шляхом безпосередньої утилізації невикористаних ліків у септики, каналізацію або сміття. Оскільки ПГХП, як правило, відносно легко розчиняються і не випаровуються при нормальних температурах, вони часто потрапляють у ґрунт та водойми.

Деякі ПГХП легко розщеплюються або обробляються організмом людини або тварини та/або швидко деградують у навколишньому середовищі. Однак інші не ламаються або деградують легко. Імовірність або легкість, з якою буде руйнуватися окрема речовина, залежить від його хімічного складу та метаболічного шляху з'єднання.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Способи надходження ПГКП в навколишнє середовище з житлових будинків за допомогою септиків і каналізаційних систем [11]

Хоча повний вплив більшості ПГХП на навколишнє середовище не зрозумілий, існує занепокоєння щодо потенціалу, який вони мають для шкоди, оскільки вони можуть діяти непередбачувано при змішуванні з іншими хімічними речовинами з навколишнього середовища або концентруватися в харчовому ланцюгу. Крім того, деякі ПГХП активні при дуже низьких концентраціях і часто виділяються безперервно у великих або поширених кількостях.

Через високу розчинність більшості ПГХП водні організми особливо вразливі до їх впливу. Збільшення присутності естрогену та інших синтетичних гормонів у стічних водах завдяки контролю народжуваності та гормональної терапії було пов'язане з підвищеною фемінізацією оголених риб та інших водних організмів. Хімічні речовини в межах цих продуктів PPCP можуть або впливати на фемінізацію або маскулінізацію різних риб, отже, впливаючи на їх репродуктивні показники.

Основним шляхом потрапляння фармацевтичних залишків у водне середовище, швидше за все, є виведення з пацієнтів, які проходять фармацевтичне лікування. Оскільки багато фармацевтичних речовин не метаболізуються в організмі, вони можуть виводитися в біологічно активній формі, як правило, через сечу. Крім того, багато фармацевтичних речовин не повністю забираються з кишечника (після перорального прийому у пацієнтів) в їх кровотік. Фракція, яка не потрапляє в кров, залишиться в кишечнику і врешті-решт виводиться через фекалії. Отже, і сеча, і фекалії від лікуваних пацієнтів містять фармацевтичні залишки. Від 30 до 90% перорально введеної дози, як правило, виводиться як активна речовина з сечею.

Додатковим джерелом забруднення навколишнього середовища фармацевтичними препаратами є неправильна утилізація невикористаних або прострочених залишків ліків. У європейських країнах системи повернення таких залишків зазвичай існують (хоча не завжди використовуються в повній мірі), тоді як, наприклад, в США існують лише добровільні ініціативи на місцевій основі. Хоча більшість відходів йде на спалювання, і людей просять кинути невикористані або прострочені фармацевтичні препарати в розслідування побутових відходів у Німеччині показали, що до 24% рідких фармацевтичних препаратів і 7% таблеток або мазей утилізуються завжди або принаймні «рідко» через туалет або раковину.

Правильне знищення фармацевтичних залишків повинно давати продукти відпочинку без будь-якої фармацевтичної або екотоксичної активності. Крім того, залишки не повинні виступати складовими в екологічному формуванні нових таких продуктів. Спалювання при високій температурі (>1000 градусів Цельсія) вважається відповідним вимогам, але навіть після такого спалювання залишкової золи від спалювання слід належним чином подбати.

Фармацевтичні препарати, що застосовуються у ветеринарії, або як добавки до тваринної їжі, становлять іншу проблему, так як вони виводяться в грунт або, можливо, відкриті поверхневі води. Загальновідомо, що такі виділення можуть впливати безпосередньо на наземні організми, що призводить до вимирання відкритих видів (наприклад, гнойовиків). Ліпідно-розчинні фармацевтичні залишки від ветеринарного використання можуть сильно зв'язуватися з частинками грунту, з невеликою тенденцією витікати в грунтові води або місцеві поверхневі води. Більш водорозчинні залишки можуть бути вимиті дощем або талим снігом і досягати як грунтових, так і поверхневих водних потоків.

Хвороби, що передаються водою

Хвороби, що передаються водою, - це стани, викликані патогенними мікроорганізмами, які передаються у воді. Ці захворювання можуть поширюватися під час купання, миття, пиття води або вживання їжі, що піддається впливу забрудненої води. Хоча діарея та блювота є найбільш часто повідомленими симптомами хвороби, що передаються водою, інші симптоми можуть включати проблеми зі шкірою, вухом, дихальними або очима. Захворювання, що передаються водою, впливають на економіку країни, а також впливають на економіку, будучи дорогими для боротьби.

Мікроорганізми, що викликають захворювання, які характерно переносяться водою, включають найпростіші та бактерії, багато з яких є кишковими паразитами або вторгаються в тканини або кровоносну систему через стінки травного тракту. Різні інші захворювання, що передаються через воду, викликаються вірусами. (Незважаючи на філософські труднощі, пов'язані з визначенням вірусів як «організмів», практично і зручно розглядати їх як мікроорганізми в зв'язку з цим.)

Все ж інші важливі класи захворювань, що передаються водою, викликаються метазойними паразитами. Типові приклади включають певні нематоди, тобто «круглі черв'яки». Як приклад інфекцій нематод, що передаються водою, однією з важливих захворювань нематод, що передаються водою, є Дракункуліоз. Він набувається ковтанням води, в якій відбуваються певні копеподи, які діють як переносники для нематоди. Кожен, хто ковтає копепод, який заражається личинками нематоди в роду Dracunculus, стає схильним до зараження. Личинки викликають хворобу морських черв'яків.

Іншим класом водних метазойних збудників є певні представники Schistosomatidae, сімейства кров'яних сосальщиков. Зазвичай вони заражають жертв, які контактують зі шкірою з водою. Кров'яні сосальщики - збудники, які викликають шистосомоз різних форм, більш-менш серйозно вражаючи сотні мільйонів людей у всьому світі.

Відео\(\PageIndex{1}\) Коаліція з охорони здоров'я глобальної спільноти працює в рамках існуючих соціальних структур в Белен, Ікітос, Перу, щоб відстоювати права людини членів громади. Ми спілкуємося безпосередньо з членами спільноти на відкритому форумі, щоб дізнатися про їхні потреби, бажання та ідеї для створення можливості змінити свої спільноти на краще.

У таблиці нижче наведені захворювання, що передаються водою, які можуть бути наслідком вірусів, бактерій і паразитів. У деяких випадках вакцини доступні. Під час їжі, пиття або плавання важливо знати про те, як на вас можуть вплинути ці збудники. Санація питної води сполуками на основі хлору знижує потужність цих збудників. Крім того, правильне поводження з їжею та напоями може зменшити ризик розвитку однієї або декількох наступних проблем зі здоров'ям.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Збудники, які викликають хвороби, що передаються водою.
Назва збудника	Тип збудника	Джерело	Проблеми зі здоров'ям	Профілактика/лікування
лямблії	Паразит	Забруднення фекалом і сира їжа	Блювота, діарея та судоми	Ліки після цього
Криптоспоридій	Паразит	забруднення фекалом	Блювота, діарея, лихоманка та судоми	Ліки після цього
Черевний тиф	Бактерії	забруднення фекалом	Висока температура, болі в шлунку, головний біль та висип	Вакцинація/Антибіотики
кишкова паличка	Бактерії	забруднення фекалом	Діарея і судоми	Рідини
Легіонела	Бактерії	Зустрічається природним шляхом в нагрітій воді	Причини легіонерів (різновид пневмонії)	Ліки після
Холера	Бактерії	Пов'язані з фекальним забрудненням або недовареними або сирими молюсками	Діарея	Вакцина/регідратація, антибіотики та цинк
Гепатит А	Вірус	Забруднена їжа і вода	Блювота, темна сеча і пожовтіння очей.	Вакцинація/Рідини
Поліомієліт	Вірус	забруднення фекалом	Симптоми грипу, параліч	Вакцинація

(Малюнок\(\PageIndex{4}\)) показує, як людина може захворіти лямбліозом від лямблій, паразита. Цей конкретний збудник може жити в організмі до півроку. Після виявлення через зразок калу пацієнту можуть бути призначені специфічні антибіотики, такі як Флагіл для лікування інфекції. На жаль, вакцини для профілактики лямбліозу немає.

\(\PageIndex{4}\)Малюнок Життєвий цикл лямблій.

Кислі води

Вода може забруднитися в будь-якій частині водного кругообігу. Забруднення повітря може впливати на водяну пару і водяну рідину. Джерела горіння, такі як транспортні засоби та електростанції, генерують такі сполуки\(\ce{NO_xs}\)\(\ce{SO_xs}\)\(\ce{CO}\), як\(\ce{CO2}\),,, та інші різні неорганічні та органічні летючі органічні сполуки (ЛОС) видів (Таблиця\(\PageIndex{2}\)). Деякі з цих сполук можуть стати розчинними у воді. Це може вплинути на рівень рН (або кислотності) поверхневих вод води. У нормі рН води є нейтральним значенням (або рН = 7). Коли\(\ce{NO_xs}\),\(\ce{SO_xs}\)\(\ce{CO}\),\(\ce{CO2}\) вступають в кругообіг води, то рівень рН знижується нижче 7,0. Якщо ці гази поглинаються в дощових хмарах, то результати кислотних дощів. Специфічні кислоти, що беруть участь у кислотних дощах, є сірчана, азотна та вуглекислота. Ця екологічна проблема зачіпає живі організми і будівельні матеріали. Кислотні розчини можуть роз'їдати метали і робити їх розчинними, а також.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Джерело забруднення води (через кислотні дощі) в Сполучених Штатах
Продукти згоряння	Джерела
СО ₂ і СО	Спалювання будь-якого матеріалу (будь-якого палива або дерева)
NO _X (NO ₂ і NO _³)	Високотемпературне згоряння будь-якого палива (газу, дизеля або вугілля), продукту блискавки
_{SO х (SO} ₂ і SO ₃)	Спалювання палива на основі сірки (дизеля та вугілля), викиди вулканічних речовин
ЛОС (летюча органічна сполука)	Спалювання будь-якого палива на основі вуглецю (газу, дизельного палива або вугілля), випарів фарб або розчинників

Малюнок\(\PageIndex{5}\): рН дощової води над континентальною частиною США.

У США на північному сході найбільше проблем з кислотними дощами. Концентровані популяції, які використовують електричну енергію та транспортні засоби, значною мірою сприяють зниженню рН дощової води. Зниження газоподібного виходу вимагає обмеження джерел згоряння (транспортних засобів та електростанцій). Кислотність в дощі вимірюється шляхом збору зразків дощу і вимірювання його рН. Щоб знайти розподіл кислотності дощу, проводять моніторинг погодних умов і збирають зразки дощу на ділянках по всій країні (рис.\(\PageIndex{5}\)). Райони найбільшої кислотності (найнижчі значення рН) розташовані на північному сході США. Така картина високої кислотності викликана великою кількістю міст, щільним населенням та концентрацією енергетичних та промислових підприємств на північному сході. Крім того, переважаючий напрямок вітру приносить шторми і забруднення на північний схід з Середнього Заходу, а пил з грунту і гірських порід на північному сході США рідше нейтралізує кислотність під час дощу.

Резюме

Забруднення води - це забруднення води надлишковою кількістю речовини, яка може завдати шкоди людині та/або екосистемі.
Забруднюючі речовини потрапляють у водопостачання з точкових джерел, які легко ідентифікуються та порівняно невеликі місця, або неточкові джерела, які є великими та більш дифузними територіями.
Органічні речовини, а також фосфати та нітрати з відходів людини та сільськогосподарських тварин підтримують ріст водоростей та мікроорганізмів, включаючи бактерії.
Евтрофікація - це збільшення концентрації хімічних поживних речовин в екосистемі до такої міри, що збільшує первинну продуктивність екосистеми. Залежно від ступеня евтрофікації можуть відбуватися наступні негативні наслідки навколишнього середовища, такі як аноксія (виснаження кисню) і серйозне зниження якості води, що впливає на рибу та інші популяції тварин.
Кислотні дощі (що утворюються внаслідок забруднення повітря) могли впливати на будівельні матеріали і живі організми на суші і різних водоймах.

Автори та атрибуція

Template:contribgordon
Essentials of Environmental Science by Kamala Doršner is licensed under CC BY 4.0. Modified from the original by Matthew R. Fisher.
Template:ContribAgnewM
Wikipedia
US EPA