Zagadnienia na egzamin z Chemii Środowiska, 24 czerwca 2013

Znajomość pojęć:

1. Atmosfera, - gazowa powłoka otaczająca planetę o masie wystarczającej do utrzymywania wokół siebie warstwy

gazów w wyniku działania grawitacji. Obecność atmosfery ma istotny wpływ na temperaturę powierzchni planety.

Dzięki efektowi cieplarnianemu powierzchnia osiąga wyższą temperaturę niż wynikałoby to tylko z

nasłonecznienia; zmniejszają się także różnice temperatur między stroną dzienną i nocną. Atmosfera nie dopuszcza

również do powierzchni części widma promieniowania elektromagnetycznego.

2. hydrosfera, - jedna z geosfer, ogół wód na Ziemi obejmujący wody podziemne i powierzchniowe: rzeki, jeziora,

morza, oceany, lodowce i lądolody oraz bagna, a także zawarta w atmosferze i biosferze. Hydrosferę można

podzielić na dwie części: oceanosferę i wody na lądach. Jej zasoby wodne to około 1,4 mld km³. Hydrosferę w

większości tworzą wody słone, bo aż ok. 97,5%. Woda słodka to nieco ponad 2,5%. 69% wody słodkiej

skoncentrowane jest w lodowcach, stałej pokrywie śnieżnej i wiecznej zmarzlinie w Antarktyce i Arktyce oraz w

wysokich partiach gór. Pozostała część wód słodkich przypada na wody podziemne, część jezior, rzeki oraz bagna.

3. litosfera, - zewnętrzna sztywna powłoka Ziemi obejmująca skorupę ziemską i warstwę perydotytową zaliczaną do

górnej części płaszcza ziemskiego. Termin "litosfera" jest często błędnie używany jako zamiennik terminu

"skorupa ziemska". Litosfera jest pojęciem szerszym niż skorupa ziemska. Jest ściśle związana z biosferą oraz

hydrosferą, a także atmosferą. Miąższość litosfery wynosi od ok. 10-100 km a jej temperatura dochodzi do 700°C.

Wyróżnia się dwa zasadnicze rodzaje litosfery: kontynentalną i oceaniczną.

4. biosfera, - strefa kuli ziemskiej zamieszkana przez organizmy żywe, w której odbywają się procesy ekologiczne.

Biosfera jest częścią zewnętrznej skorupy Ziemi, która obejmuje również powietrze, ląd i wodę. Z

najobszerniejszego punktu widzenia geofizyki, biosfera jest światowym systemem ekologicznym i obejmuje

wszystkie żyjące organizmy i ich powiązania ze sobą i z litosferą, hydrosferą i atmosferą. Szacuje się, że ziemska

biosfera zaczęła się tworzyć (przez proces biogenezy) przynajmniej 3,5 miliardów lat temu.

Biosfera obejmuje około:

4 km n.p.m. - atmosfera

300 m p.p.m. - hydrosfera

40 cm w głąb ziemi - litosfera

5. czynnik antropogeniczny, - Czynniki antropogeniczne - czynniki związane z każdą formą pośredniego lub

bezpośredniego wpływu człowieka na środowisko i bytujące w nim rośliny i zwierzęta. Na terenach użytkowanych

rolniczo jest to całokształt działalności związanej z produkcją roślinną i zwierzęcą. Działalność rolnicza,

podporządkowana nadrzędnemu celowi, tj. maksymalizacji produkcji, często prowadzi do degradacji środowiska

(np. w wyniku nadmiernej chemizacji). W rezultacie działalności pozarolniczej również zachodzą niekorzystne

zmiany, np. zmniejszanie powierzchni użytków rolnych na korzyść gospodarki komunalnej i zabudowy

przemysłowej, skażenie atmosfery, wody i gleby przez przemysł, zachwianie stosunków wodnych w glebie

wskutek pogłębiania rzek lub wadliwej melioracji. Na terenach użytkowanych rolniczo jest to całokształt

działalności związanej z produkcją roślinną i zwierzęcą, a na terenach uprzemysłowionych - z przemysłem.

6. ekosystem, - dynamiczny układ ekologiczny na który składa się zespół organizmów (biocenoza) połączonych

relacjami troficznymi (tworzących sieć troficzną) wraz ze środowiskiem przezeń zajmowanym, czyli biotopem, w

którym zachodzi przepływ energii i obieg materii. W skrócie zatem ekosystem to biocenoza wraz z biotopem.

Ekosystemy wyodrębniane są na podstawie istnienia silniejszych powiązań w ich obrębie niżeli między ich

1

składowymi a otoczeniem (biologicznie ważne pierwiastki chemiczne krążą intensywniej w obrębie

poszczególnych ekosystemów niż pomiędzy nimi).

7. biocenoza, - zespół populacji organizmów roślinnych (fitocenoza), zwierzęcych (zoocenoza) i mikroorganizmów

(mikrobiocenoza) danego środowiska (biotopu), należących do różnych gatunków, ale powiązanych ze sobą

różnorodnymi czynnikami ekologicznymi i zależnościami pokarmowymi, tworzących całość, która pozostaje w

przyrodzie w stanie homeostazy (czyli dynamicznej równowagi). Biocenoza oraz biotop, czyli środowisko fizyczne

(nieożywione) tworzą ekosystem.

Biocenozy mogą być naturalne (sawanna, las, jezioro) i sztuczne (park, ogród).

8. biotop, - środowisko życia biocenozy, środowiskowa część ekosystemu. Pierwotnie biotopem określano tylko

abiotyczne elementy siedliska. Obecnie często rozumiany jest jako siedlisko nieożywione zmienione przez

biocenozę. Biotop razem z biocenozą tworzy ekosystem.

9. albedo, - stosunek ilości promieniowania odbitego do padającego, jest parametrem określającym zdolność

odbijania promieni przez daną powierzchnię

10. efekt cieplarniany, - zjawisko podwyższenia temperatury planety powodowane obecnością gazów cieplarnianych

w atmosferze. Zmiany powodujące wzrost roli efektu cieplarnianego mogą być jedną z przyczyn globalnego

ocieplenia.

Ciało niebieskie pozbawione atmosfery (np. Księżyc) pochłania i emituje promieniowanie bezpośrednio ze swojej

powierzchni. Atmosfera zaburza ten proces wymiany ciepła, głównie poprzez ograniczenie ilości energii cieplnej

wypromieniowywanej z powierzchni planety i dolnych warstw jej atmosfery bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną.

Proces ten jest wywołany przez gazy cieplarniane, pyły i aerozole zawieszone w atmosferze. W opisie zjawiska

uwzględnia się też wszystkie inne procesy zachodzące w atmosferze, jak i na powierzchni planety, odpowiedzialne

za przepływ energii z gwiazdy macierzystej, a także przenoszące energię z planety w przestrzeń kosmiczną.

11. aerozol, - odmiana gazozolu, układ koloidalny, w którym ośrodkiem rozpraszającym jest powietrze, a cząstkami

koloidalnymi są substancje ciekłe lub stałe. Aerozole są najpowszechniejszą odmianą gazozoli. Aerozole dzieli się

na mgły (cząstki ciekłe) i dymy (cząstki stałe).

Przykładami aerozoli są: aerozol soli morskiej, sadza, pyły mineralne, smog. Natomiast mgła, krople chmurowe,

kryształy lodu są przykładami hydrometeorów i nie są zwyczajowo klasyfikowane jako aerozole w meteorologii i

fizyce atmosfery, mimo że mieszczą się w pojęciu aerozoli, jak to zostało zdefiniowane tutaj.

12. rodniki,- atomy lub cząsteczki zawierające niesparowane elektrony, czyli charakteryzujące się spinem

elektronowym różnym od 0. Niektóre układy o całkowitym spinie równym 0, lecz wykazujące tzw. polaryzację

spinową (np. niektóre stany przejściowe) czasem traktowane są jako dwurodniki.

Określenia rodniki i wolne rodniki są obecnie tożsame.

13. smog, - nienaturalne zjawisko atmosferyczne polegające na współwystępowaniu zanieczyszczeń powietrza

spowodowanych działalnością człowieka oraz niekorzystnych naturalnych zjawisk atmosferycznych: znacznej

wilgotności powietrza (mgła) i braku wiatru.

Nazwa "smog" powstała ze zbitki dwóch angielskich słów: smoke – dym i fog - mgła.

14. zanieczyszczenie pierwotne, - zanieczyszczenie bezpośrednio emitowane ze źródła, np. emisja gazów

spalinowych (CO

2

, SO

2

) i pyłów do atmosfery podczas spalania węgla.

15. zanieczyszczenie wtórne;- zanieczyszczenia powstające w atmosferze na skutek chemicznych lub fizycznych

przemian zanieczyszczeń pierwotnych lub innych substancji emitowanych do atmosfery ze źródeł stacjonarnych i

ruchomych

2

16. koloidy, - Koloidy to układy dyspersyjne o wyglądzie układów fizycznie jednorodnych, w rzeczywistości jednak

składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo. Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają jednakową wielkość, układ

nazywamy monodyspersyjnym (izodyspersyjnym), jeżeli różnią się wielkością – układem polidyspersyjnym.

17. koloidy hydrofobowe, - koloidy w wodnym ośrodku rozpraszającym, których cząstki nie łączą się z cząsteczkami

wody lub łączą się z nimi słabo. Typowym przedstawicielem tej grupy koloidów jest koloidowy zol złota. K.h. są

wrażliwe na działanie nawet niewielkich ilości soli, które wywołują ich koagulację (poprzez zobojętnienie ładunku

cząstek koloidowych).. Posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej powierzchni gromadzące

ładunek elektryczny.

18. koloidy hydrofilowe, - W przeciwieństwie do zoli hydrofobowych zawdzięczających swą trwałość ładunkowi

elektrycznemu, w przypadku zoli hydrofilowych oprócz ładunku, stabilizująco działa również otoczka

solwatacyjna wokół cząstek koloidalnych.

Białka stanowiące koloidy hydrofilowe posiadają w swoich cząsteczkach takie grupy funkcyjne jak: -COOH,

-NH

2

, -OH, =NH, -SH, które są grupami hydrofilowymi i bardzo dobrze oddziałują z cząsteczkami wody.

19. zanieczyszczenia refrakcyjne, -

zanieczyszczenia chemiczne, które nie podlegają bądź podlegają jedynie w minimalnym stopniu rozkładowi

biologicznemu za pośrednictwem mikroorganizmów. Zanieczyszczenia te są w niewielkim stopniu usuwane ze

ścieków w klasycznych procesach oczyszczania w oczyszczalniach komunalnych. Do tego typu zanieczyszczeń

zalicza się między innymi:



substancje mineralne takie jak metale ciężkie,



niektóre substancje powierzchniowo czynne (np.: alkilobenzenosulfonian ABS),



środki owadobójcze (insektycydy) głównie z grupy związków chloro organicznych

Szczególną grupę zanieczyszczeń chemicznych refrakcyjnych stanowią związki toksyczne to jest pierwiastki,

związki chemiczne, substancje, a także czynniki fizyczne wywołujące w organizmach roślinnych, zwierzęcych i u

człowieka zaburzenia fizjologiczne, uszkodzenia, a przy odpowiednio wysokich dawkach śmierć.

20. edafon glebowy, - zespół drobnych organizmów żyjących w powierzchniowych warstwach gleby (np. bakterie,

promieniowce, grzyby, larwy owadów, pierścienice, wazonkowce, pajęczaki, a także drobne ssaki, jak krety,

ryjówki, nornice i myszy). Edafon warunkuje rozkład związków organicznych, bierze udział w tworzeniu

próchnicy glebowej, wpływając na żyzność gleby. Edafon jest głównym ogniwem cyklu przemiany

materii organicznej w przyrodzie na lądzie, gdyż głównie jest on destruentami, czyli odpowiada za rozkład i

mineralizację zarówno szczątków organizmów, jak i ich produktów przemiany materii. Jest jednocześnie

najważniejszym z biotycznych czynników glebowych. Obecność edafonu jest najważniejszym

obok erozji czynnikiem glebotwórczym, a w wytworzonej już glebie edafon jest odpowiedzialny za utrzymanie się

jej charakteru. Wpływa na cechy fizyczno-chemiczne gleby, a więc na jej strukturę, zdolność retencji

wody, przewiewność. Natomiast w podstawowym znaczeniu odpowiada za jej żyzność, gdyż to właśnie obecność

edafonu warunkuje rozkład związków organicznych i przyspiesza uwalnianie składników mineralnych, a także

powstawanie próchnicy glebowej. Edafon, jako formacja roślinna, nazywany jest czasem najniższym, czwartym

piętrem lasu, położonym poniżej runa leśnego. Natomiast za odpowiednik edafonu w środowisku wodnym można

uważać plankton.

21. jezioro oligotroficzne, - jezioro, którego wody są bogate w rozpuszczony tlen, a ubogie w substancje mineralne i

odżywcze. Obserwuje się w nich słaby rozwój życia organicznego. Nie występują tu procesy gnilne. Jeziora

oligotroficzne mają najczęściej piaszczyste, lub żwirowe dno. Wskutek procesu naturalnego użyźniania jezioro

oligotroficzne przekształca się w eutroficzne.

3

22. mezotroficzne,- forma pośrednia pomiędzy jeziorem oligotroficznym i eutroficznym. Ten typ jezior charakteryzuje

się średnią żyznością oraz umiarkowanie wysoką produkcją biologiczną. Może ono powstawać z jeziora

oligotroficznego, a następnie przekształcić się w eutroficzne.

23. eutroficzne, - jezioro bogate w sole mineralne i materię organiczną o sprzyjających warunkach rozwoju życia

organicznego. Jest zwykle płytkie, woda o odcieniu zieleni, o małej przezroczystości i nieduża ilość związków

humusowych. Rozwija się w nim bujne życie i powstaje dużo szczątków organicznych opadających na dno,

gdzie bardzo powoli przebiega ich rozkład. Wobec tego ilość substancji organicznej ciągle rośnie, nie biorąc

udziału w krążeniu materii.

24. dystroficzne, - jezioro o wodach ubogich w tlen i mineralne substancje odżywcze. Zakwaszone, ze skąpym życiem

organicznym, spowodowanym dużą zawartością związków próchniczych. Zmętnione, żółte, brunatne wody. Należą

do nich najczęściej jeziora śródbagienne. Tworzą się z przekształcenia jezior eutroficznych.

25. materiał huminowy = humus = próchnica, - materia organiczna pochodzenia roślinnego lub mikrobiologicznego;

nie składa się z oddzielnych dokładnie określonych cząsteczek, ale stanowi klasę substancji, które powstają i

przebywają w glebie i wodzie, tworząc główny składnik zarówno lądowych (glebowa materia organiczna), jak i

wodnych (naturalna materia organiczna) zasobów węgla pierwiastkowego.

26. cykl hydrologiczny;- naturalny obieg

wody

na

Ziemi

. Obejmuje on procesy zachodzące zarówno w atmosferze

takie jak:

parowanie

,

Kondensacja

,

opady

, transport wilgoci;

biosferze

: pobieranie wody i jej oddawanie w procesie

oddychania, czyli

transpiracji

, jak i w

litosferze

: wsiąkanie, spływ podziemny i powierzchniowy

]

. W cyklu

hydrologicznym wyróżnia się obieg duży i mały.

Tylko część wody na kuli ziemskiej podlega cyklowi hydrologicznemu. Znaczne jej ilości są okresowo (w skali

procesów geologicznych) wyłączone z obiegu (

retencja

).

27. minerał, - pierwiastek, związek chemiczny bądź jednorodna mieszanina pierwiastków lub związków, posiadające

ściśle określony skład chemiczny oraz proporcje, uporządkowaną budowę wewnętrzną (zwykle w postaci

kryształu) i zawsze występujące w stałym stanie skupienia. Stanowi najmniejszą, niepodzielną jednostkę litosfery,

utworzoną w wyniku naturalnych procesów geologicznych lub kosmologicznych.

Powstaje na drodze krystalizacji, przyjmując, w zależności od budujących kryształ składników, określony kształt,

będący odbiciem jego wewnętrznej struktury - tzw. sieci krystalicznej. Struktura określa pozostałe cechy danego

minerału, m.in.: łupliwość (łupliwość minerałów),twardość, barwę i połysk (połysk minerału).

28. minerały pierwotne, -

powstające w procesie krystalizacji magmy, na drodze krystalizacji z roztworów

pomagmowych (pomagmowe procesy) lub przez wydzielanie się z wód źródlanych, jeziornych i morskich, oraz

minerały wtórne - powstające w wyniku przeobrażeń (w procesach wietrzenia, diagenezy lub metamorfizmu)

minerałów pierwotnych. W przyrodzie występują w postaci ogromnych zespołów, czyli skał, tworząc niekiedy w

ich obrębie niewielkie, pojedyncze skupiska monomineralne (np. konkrecje, sekrecje).

29. minerały wtórne, - są minerałami tworzącymi się w skałach w wyniku wtórnych procesów, kosztem innych

minerałów. Najczęściej są one rezultatem procesów pomagmowych oraz wietrzeniowych.

30. skała, - zespół minerałów (o określonym składzie mineralnym, strukturze i teksturze) ukształtowany podczas

procesu geologicznego, tworzący wyodrębnioną warstwę skorupy ziemskiej. Wyróżnia się skały magmowe,

osadowe i metamorficzne. Jest skupiskiem jednorodnych lub różnorodnych minerałów, które powstało w

przyrodzie na skutek naturalnego procesu. Do skał zaliczają się utwory twarde i zbite oraz luźne i plastyczne.

31. makro- i mikroelementy, -

Makroelementy- pierwiastki chemiczne, których zawartość w danym środowisku jest stosunkowo duża; brak

powoduje spowolnienie wzrostu roślin i zmniejszenie plonów; potrzebne do budowania aminokwasów i protein.

4

Mikroelementy- pierwiastki chemiczne występujące w bardzo małych ilościach; niezbędne do prawidłowego

funkcjonowania organizmów

32. forma aktywna, - forma występowania składników pokarmowych w glebie. jony i związki kompleksowe (chelaty)

w roztworze glebowym, łatwo dostępne dla korzeni roślin

33. forma ruchoma, - forma występowania składników pokarmowych w glebie. Cząstki wymiennie zaadsorbowane

przez kompleks sorpcyjny gleby (faza stała).

34. forma zapasowa składników pokarmowych, - związki wchodzące w skład minerałów glebowych oraz cząstki i

jony niewymiennie związane z kompleksem glebowym; niedostępne dla roślin.

35. reakcje biotyczne (= przemiany biochemiczne) Procesy rozkładu biocydów przy udziale mikroorganizmów

występujących w środowisku:

- mikroorganizmy mogą one rozkładać biocyd jako pierwotny substrat, z którego czerpią energię i/lub

potrzebne składniki pokarmowe,

- biocyd może być metabolizowany jednocześnie z podstawowymi substratami potrzebnymi do wzrostu

populacji autochtoniczne

36. reakcje abiotyczne (= przemiany niebiochemiczne) Procesy rozkładu biocydów o czysto chemicznym

charakterze

37. cykl biogeochemiczny, – krążenie pierwiastków i związków chemicznych między organizmami żywymi a ich

nieożywionym środowiskiem; opisuje przemiany pierwiastka we wszystkich procesach geologicznych, fizycznych,

chemicznych i biochemicznych uwzględniając wszystkie formy i stany, w jakich występuje w atmosferze,

hydrosferze oraz litosferze.

38. obieg sedymentacyjny (lokalny), pierwiastek jest jedynie osadzany w glebie czy na dnie oceanów na skutek

ciążenia, nie przechodzi w postać gazową - cykl lokalny;

39. obieg gazowy (globalny), substancja przechodzi w postać gazową i może przemieszczać się na większe odległości

- cykl globalny

40. organizmy autotroficzne (producenci), rośliny, glony i niektóre bakterie; przyswajają węgiel nieorganiczny (CO2

lub jony węglanowe), źródłem energii do syntezy organicznych związków węgla jest:

- światło – organizmy fototroficzne (fotosyntetyzujace)

- reakcje chemiczne (reakcje redox) – organizmy chemotroficzne (chemosyntetyzujace).

41. heterotroficzne (konsumenci), (organizmy cudzożywne) – wszystkie zwierzęta (w tym człowiek), które nie

potrafią przyswajać węgla nieorganicznego, wykorzystują materię organiczną wyprodukowaną przez inne

organizmy żywe – autotroficzne, heterotroficzne oraz reducentów

42. reducenci (destruenci); grzyby oraz większość bakterii; rozkładają odpady organiczne i obumarłą materię

organiczną, uwalniając do środowiska składniki zawarte w resztkach, umożliwiając w ten sposób ponowne ich

wykorzystanie przez inne organizmy

43. samooczyszczanie, samorzutne zmniejszenie zanieczyszczenia w środowisku do poziomów, które są nieszkodliwe

dla zdrowia człowieka i ekosystemu. Zachodzi w wyniku naturalnych procesów poprzez rozkład substancji

zanieczyszczających, ich rozcieńczenie, lub zatrzymanie przez środowisko. Dzięki temu procesowi niewielkie

porcje zanieczyszczeń są w naturalny sposób usuwane, nie powodując szkód dla środowiska.

44. degradacja/biodegradacja. rozkład zanieczyszczeń przez organizmy żywe. Są najważniejszą częścią

samooczyszczania.

5

ATMOSFERA

1. Podział atmosfery na warstwy wg kryterium zmian temperatury – wyjaśnić, z czego wynikają zmiany

temperatury oraz z czego wynikają zmiany składu chemicznego w warstwach.

Kryterium podziału atmosfery na warstwy:

charakter zmian temperatury w miarę wzrostu wysokości w atmosferze.

WARSTWY ATMOSFERY ZIEMSKIEJ:

Troposfera (0-15 km n.p.m.) – temperatura obniża się wraz z wysokością

Stratosfera (15-50 km n.p.m.) – temperatura rośnie wraz z wysokością - Wzrost temperatury związany jest z

pochłanianiem promieniowania nadfioletowego i rentgenowskiego przez ditlen oraz ozon, którego najwięcej znajduje

się na wysokości 20-35 km.

Mezosfera (50-85 km n.p.m.) – temperatura obniża się wraz z wysokością ( 3 powyższe tworzą homosferę) -

Spadek

temperatury związany jest z oddalaniem się od powierzchni Ziemi.

Termosfera (85 – 500 km n.p.m.) – temperatura rośnie wraz z wysokością (heterosfera) - Wzrost temperatury jest

związany z pochłanianiem krótkich i ultrakrótkich fal promieniowania elektromagnetycznego Słońca przez zjonizowane

gazy.

Powodem zmian składu atmosfery jest różna ilość promieniowania słonecznego na każdym jej poziomie. Cząsteczki

działają jak bardzo aktywne filtry światła. Każda warstwa absorbuje część światła słonecznego, chroniąc gazy poniżej

przed promieniowaniem, które pochłania.

2. Reakcje rodnikowe.

„Rodniki” – cząsteczki zawierające niesparowane elektrony. Niesparowany elektron dąży do przyłączenia drugiego

elektronu, aby utworzyć stabilne wiązanie. Rodniki są wysoce reaktywne.

Rodniki biorą udział w procesach chemicznych zachodzących w atmosferze.

Rodnik hydroksylowy HO* - najważniejsze reaktywne indywiduum w atmosferze:

*

reaguje z wieloma związkami w atmosferze,

*

charakteryzuje się krótkim czasem przebywania.

3. „Efekt cieplarniany” – definicja; gazy cieplarniane – woda (dodatnie i ujemne sprzężenie zwrotne), ditlenek

węgla (naturalne i antropogeniczne źródła CO

2

, zlewy CO

2

, por. z obiegiem węgla), metan (źródła i

samooczyszczanie atmosfery z CH

4

), inne czynniki antropogeniczne (tlenki azotu, CFC, HCFC).

Efekt cieplarniany - intensyfikacja ocieplenia w wyniku absorbowania części promieniowania wyemitowanego z Ziemi

przez gazy w atmosferze.

H

2

O

6

Udział pary wodnej w procesach sprzężenia zwrotnego:

- dodatnie sprzężenie zwrotne - globalne ocieplenie prowadzi do wzrostu szybkości parowania z powierzchni oceanów i

lądów, w wyniku czego następuje wzrost stężenia wody w atmosferze, powodujący zwiększenie ocieplenia,

- ujemne sprzężenie zwrotne - większe zachmurzenie troposfery powoduje wzrost odbicia i absorpcji promieniowania

słonecznego. Z tego powodu strumień promieniowania słonecznego osiągający powierzchnię lądową i wodną Ziemi

ulega zmniejszeniu

CO

2

Źródła naturalne CO

2

:

- procesy oddychania zwierząt, roślin i mikroorganizmów,

- ich rozkład,

- spalanie biomasy podczas pożarów, {CH

2

O} + O

2

↔ CO

2

+ H

2

O

- wody oceaniczne.

Źródła ujemne CO

2

(zlewy):

- fotosynteza, CO

2

+ H

2

O ↔ {CH

2

O} + O

2

- rozpuszczenie CO

2

w wodzie morskiej,

- strącenie jonów węglanowych. CO

2

- (kalcytu - CaCO

3

)

Udział antropogeniczny:

- spalanie paliw kopalnych,

- wycinanie i spalanie lasów.

Źródła CH

4

:

- rozkład martwej materii organicznej w warunkach beztlenowych,

- eksploatacja złóż paliw kopalnych, ich transport i niepełne spalanie,

- układy trawienne zwierząt przeżuwających (krów, owiec, kóz) oraz termitów.

Usuwanie CH

4

:

- utlenianie inicjowane przez rodniki hydroksylowe w troposferze

CH

4

+ *OH ↔ *CH

3

+ H

2

O

- zatrzymywanie przez glebę oraz przenikanie do stratosfery.

Źródła N

2

O:

- denitryfikacja – reakcje mikrobiologiczne, które przekształcają jony azotanowe (V) w tlenek azotu (I) lub też inne

połączenia zawierające azot, zachodzi w glebach, jeziorach i oceanach,

- procesy przemysłowe (produkcja kwasu adypinowego i kwasu azotowego) (udział antropogeniczny),

- nawozy azotowe; zwiększenie zapasów azotanów (V), które ulegają denitryfikacji, prowadząc do produkcji tlenku

azotu (I) (udział antropogeniczny),

- z gleb o wysokiej temperaturze i wilgotności,

- z wysypisk odpadów i ścieków,

- z oceanów, w których znajduje się w wyniku odprowadzenia ścieków.

Chloroflourowęglowodory (CFC), wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC) i inne gazy zawierające halogeny.

Związki te nie występowały w atmosferze, pojawiają się w wyniku działalności ludzkiej.

Źródła:

7

- tetrafluorometan (CF

4

), heksafluoroetan (C

2

F

6

) – podczas elektrolizy Al

2

O

3

w kriolicie (Na

3

AlF

6

) na elektrodach węglowych,

- heksafluorek siarki (SF

6

) - podczas produkcji magnezu.

4. Ozon – troposferyczny („zły”) i stratosferyczny („dobry”); jednostka Dobsona, „dziura ozonowa”, cykl

syntezy i rozkładu ozonu – cykl Chapmana; katalizatory rozkładu ozonu (rodniki zawierające wodór, azot i

chlor – źródła).

„Zły” ozon – w troposferze (składnik smogu fotochemicznego, niebezpieczny dla żywych organizmów, niszczący dla

materiałów). W troposferze, powoduje podrażnienia oraz uszkodzenia u roślin i zwierząt z powodu silnych właściwości

utleniających.

Źródła „złego” O

3

:

- podczas burz,

- pod wpływem promieniowania UV.

„Dobry” ozon – w stratosferze (pochłania UV w zakresach niebezpiecznych dla żywych organizmów). W stratosferze,

absorbuje wysokoenergetyczne promieniowanie słoneczne (UV, l w zakresie 200-315 nm) docierające do Ziemi,

chroni życie roślin i zwierząt.

Termin „dziura ozonowa” – stosowany do opisu zjawiska zubożania warstwy ozonu w ostatnich latach w okresie

wiosennym nad obszarem Antarktyki (X) i Arktyki (III); ozon nadal jest obecny w obszarach polarnych stratosfery, ale

występuje w zmniejszonej ilości (< 220 DU).

DU – jednostka Dobsona; 1 DU odpowiada warstwie ozonu o grubości 10 mm w standardowych warunkach ciśnienia

i temperatury. Średnia światowa wartość wynosi 300 DU.

Cykl Chapmana uwzględnia tylko reakcje, w których uczestniczy jedynie tlen.

Synteza:

O

2

(g) + hn→ O(g) + O(g)

(l< 242 nm)

O(g) + O2(g) + M(g) → O

3

(g) + M(g)

Rozkład:

O

3

(g) + hn → O

2

(g) + O(g)

(230nm < l < 320 nm)

O(g) + O

3

(g) → 2 O

2

(g)

2 O(g) + M(g) → O

2

(g) + M(g)

Na aktualne stężenie ozonu a w szczególności na szybkość jego rozkładu wpływają też inne niż tlen indywidua

chemiczne - występujące naturalnie w atmosferze oraz uwalniane przez przemysł i rolnictwo.

Niewielkie ilości tych substancji biorą udział w katalitycznych procesach rozkładu ozonu w stratosferze.

Ogólny mechanizm katalitycznego rozkładu ozonu:

X + O

3

→ XO + O

2

XO + O → X + O

2

************************

8

O + O

3

→ 2 O

2

reakcja sumaryczna

Najważniejsze indywidua chemiczne, które pełnią funkcję katalizatora są rodnikami należącymi do trzech kategorii:

- związki zawierające wodór - HOx (*H, *OH i HOO*),

- związki zawierające azot - NOx (*NO i *NO

2

),

- związki zawierające chlor - ClOx (*Cl i ClO*).

5. „Kwaśne deszcze” – skład, pochodzenie, skutki dla środowiska.

Kwaśne deszcze – opady (deszcz, śnieg, grad) charakteryzujące się kwaśnym odczynem, pH < 5,7.

Skład, pochodzenie

Zawierają H

2

SO

4

i HNO

3

pochodzące z gazów wyemitowanych do atmosfery przez przemysł energetyczny i hutnictwo

oraz wynikających z przyczyn naturalnych (np. wybuchy wulkanów, wyładowania atmosferyczne), m.in. SO

2

, SO

3

,

NO

x

, CO

2

, H

2

S, HCl.

Skutki kwaśnych deszczy:

skutki bezpośrednie i pośrednie na roślinność,

zakwaszenie gleby,

zakwaszenie jezior,

zaburzenie rozmnażania ptaków oraz innych zwierząt

uszkodzenie budynków z kamienia i konstrukcji metalowych,

wpływ bezpośredni i pośredni na zdrowie człowieka.

6. Smog klasyczny (londynski) i smog fotochemiczny (typu Los Angeles) – przyczyny powstawania, cechy

charakterystyczne, związki toksyczne, różnice, interpretacja wykresu.

Smog – zjawisko atmosferyczne, które polega na jednoczesnym występowaniu antropogenicznych zanieczyszczeń

powietrza oraz mgły (duża wilgotność i brak wiatru).

Tradycyjne paliwo (węgiel).

Charakteryzuje się:

- dużym stężeniem niespalonych cząstek sadzy:

„4 CH” (paliwo) + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O pełne spalanie

„4 CH” + 3 O2 → 4 CO + 2 H2O niepełne spalanie

„4 CH” + O2 → 4 C + 2 H2O niepełne spalanie

- obecnością związków rakotwórczych (np. benzo[a]piren),

- dużym stężeniem ditlenku siarki:

- dużą ilością trudno opadających pyłów,

- zakwaszeniem kwasem siarkowym (VI):

Ze względu na obecność ditlenku siarki, charakteryzuje się właściwościami redukującymi i kwasowymi.

Cząstki węgla są centrami kondensacji dla kropel wody (mgła).

Występuje głównie w miesiącach chłodnych podczas inwersji temperatur w umiarkowanej strefie klimatycznej.

9

Smog fotochemiczny

Paliwo pochodzące z przerobu ropy naftowej, o dużej lotności.

Składniki powodujące powstanie smogu fotochemicznego:

- tlenki azotu,

- światło słoneczne,

- węglowodory.

Utlenianie NO do NO2, a następnie do NO3 i N2O5. Każdy z tych produktów reaguje w procesie fotochemicznym lub

ze związkami obecnymi w atmosferze, dając związki biologicznie szkodliwe. W tych reakcjach uczestniczą śladowe

ilości węglowodorów (z niepełnego spalania) oraz rodniki hydroksylowe.

Smog fotochemiczny powstaje w szeregu reakcji rodnikowych.

NO wydzielany jest ze spalinami oraz powstaje w wyniku spalania paliwa w

powietrzu:

Utlenianie NO do NO2

Rozkład NO2 pod wpływem promieniowania słonecznego, a następnie jego regeneracja:

Powstanie O3 w reakcji atomu tlenu z ditlenem oraz rodnika hydroksylowego w reakcji atomu tlenu z wodą:

Aldehydy, aerozol, działają drażniąco na oczy, są rakotwórcze.

Aldehydy ulegają reakcjom, prowadzącym m.in. do bezwodnika azotowonadoctowego i połączeń pochodnych (PAN -

ang. peroxyacetic nitric anhydride):

CH3CHO + *OH → CH3CO* + H2O

CH3CO* + O2 + M → CH3C(O)OO*

CH3C(O)OO* + *NO2 ↔ CH3C(O)OONO2 (PAN)

PAN - główne składniki smogu fotochemicznego, powodują podrażnienie oczu. Działają jako związki - ‘zbiorniki’

różnych postaci tlenków azotu.

Zwiększone stężenia: tlenek azotu (II), prekursory węglowodorów, aldehydy i utleniacze, ozon i PAN.

Aerozol jest przyczyną zamglenia w czasie smogu. Jego żółtawa barwa spowodowana jest obecnością NO2.

Rodnik hydroksylowy *OH reaguje z węglowodorami, utleniając je do aldehydów.

10

Smog klasyczny, składający się z cząstek sadzy, innych cząstek materii i ditlenku siarki. Jego najistotniejszym źródłem

jest spalanie węgla. Charakteryzujesię właściwościami redukującymi i kwasowymi.

HYDROSFERA

1. Wiązanie wodorowe w cząsteczce wody – tworzenie i właściwości wiązania wodorowego.

W.w. - silne oddziaływania międzycząsteczkowe między atomami o dużej elektroujemności jednej cząsteczki (tlenu) a

atomami wodoru związanymi z elektroujemnymi atomami innej cząsteczki.

Powstawanie wiązania wodorowego zostanie wyjaśnione na przykładzie cząsteczki wody, która zawiera silnie

spolaryzowane wiązanie między tlenem i wodorem. Atom tlenu ma większą elektroujemność i przyciąga on w swoim

kierunku elektrony tworzące wiązanie, co powoduje że atom wodoru zyskuje znaczny cząstkowy ładunek dodatni.

Atom wodoru, który jest dodatnio naładowany jest z kolei przyciągany przez wolną parę elektronową znajdującą się na

atomie tlenu sąsiadującej cząsteczki wody. Na skutek oddziaływania ujemnie naładowanej wolnej pary elektronowej

atomu tlenu cząstkowego ładunku dodatniego atomu wodoru powstaje wiązanie wodorowe.

2. W oparciu o strukturę cząsteczki wody i wiązanie wodorowe wyjaśnić niezwykłe cechy wody i ich wpływ na życie

biologiczne w wodach naturalnych.

3. Cykl hydrologiczny i czynniki decydujące o cyklu.

4. Zawieszony węgiel organiczny (ZWO) i rozpuszczony węgiel organiczny (RWO) i związana z nim troficzność

jezior.

5. Tworzenie się materii organicznej – szlak syntetyczny i degradacyjny powstawania materiału huminowego; klasy

humusu.

6. Formy występowania metali w środowisku wodnym. Dostępność pierwiastków dla organizmów. Warunki

poprawiania dostępności pierwiastków związanych z materią organiczną lub z ligandami nieorganicznymi.

Metale występują w środowisku wodnym jako:

- akwakompleksy (całkowicie sprotonowane lub częściowo zdeprotonowane),

- kompleksy z ligandami nieorganicznymi (z Cl- i CO3 2-),

- kompleksy z naturalnie występującymi cząsteczkami organicznymi (np. cytryniany lub kwasy fulwowe).

Pierwiastki o znaczeniu środowiskowym – w pierwotnych strukturach mineralnych osadu zawiesiny lub zaadsorbowane

na powierzchni cząstek.

Metale w zawiesinie materiałów osadowych często są mniej dostępne dla organizmów niż postaci rozpuszczone tego

samego pierwiastka.

Pierwiastki zaadsorbowane na powierzchni są bardziej dostępne niż pierwiastki strukturalne.

Pierwiastki zasocjowane z cząstkami wodoro(tlenków) Fe lub Mn mogą przejść do roztworu w wyniku redukującego

rozpuszczenia.

Materia organiczna w zawiesinie może w warunkach utleniających rozłożyć się na mniejsze, rozpuszczalne cząsteczki i

uwolnić rozpuszczalne postaci skompleksowanych metali.

7. Koloidy – cechy charakterystyczne, funkcje w środowisku, przykłady koloidów występujących w środowisku.

Materiały koloidalne - substancje słabo rozpuszczalne w wodzie mogą tworzyć roztwory koloidowe i zawiesiny. Są to

rozdrobnione w wodzie większe cząstki z wodną otoczką. Koloidy występują powszechnie w środowisku naturalnym.

11

Cząsteczki niektórych związków chemicznych tworzą silne wiązania międzycząsteczkowe, uniemożliwiające

rozpuszczanie się tych cząsteczek w wodzie. Jeśli jednak na powierzchni tych cząsteczek występują ładunki

elektryczne, to na skutek przyciągania elektrostatycznego gromadzi się wokół nich warstewka wody. Otoczone wodą

cząsteczki ulegają rozproszeniu = dyspersji w środowisku wodnym.

W fazie wodnej koloidem są rozproszone cząsteczki w otoczce wodnej: zawiesiny i koloidy nieorganiczne (iły,

glinokrzemiany, krzemionka) i organiczne (substancje humusowe), organizmy żywe roślinne i zwierzęce.

Koloidy powstające w specyficznych warunkach środowiska:

-

Środowisko o wysokim pE – warunki utleniające; w redukujących warunkach żelazo i mangan istnieją w

wodzie w postaci jonów Fe2+ i Mn2+; w utleniającym środowisku Fe i Mn tworzą koloidy Fe2O3 ·H2O oraz

MnO2 ·H2O, które mogą pozostać w zawiesinie, albo osadzać się.

-

Środowisko o niskim pE - w warunkach redukujących (osady wód głębinowych), żelazo i mangan występują

w postaci jonów Fe2+ i Mn2+, natomiast siarczany ulegają redukcji do siarczków. W rezultacie strącają się

koloidalne siarczki żelaza i manganu.

-

Środowisko o niskim pH - koloidalny osad kwasów huminowych.

-

Środowisko o wysokim pH - węglan wapnia. Na powstawanie koloidu CaCO3 wpływa proces fotosyntezy.

Zarówno organiczne jak i nieorganiczne substancje są transportowane przez koloidy.

Kwasy huminowe i fulwowe tworzą hydrofilowe koloidy w wodzie, transportujące w ten sposób pestycydy i herbicydy

(nierozpuszczalne w wodzie).

Minerały ilaste wiążąc zarówno materiał organiczny jak i nieorganiczny przyczyniają się do oczyszczania wody.

8. Punkt zerowego ładunku. Zdolność kationowymienna.

9. Minerały ilaste – cechy charakterystyczne. Uzasadnienie występowania ujemnego ładunku na powierzchni

materiałów ilastych. Struktura i wyjaśnienie funkcji kationowymiennych minerałów ilastych.

Minerały ilaste

- minerały glinokrzemianowe o strukturze warstwowej (połączone warstwy krzemotlenowe i glinotlenowe);

pochodzenia lądowego - produkt wietrzenia minerałów pierwotnych.

Ładunek ujemny powierzchni iłu jest wynikiem:

- obecności atomów tlenu z nadmiarem ładunku ujemnego w miejscach rozerwania wiązań w narożach jednostek

strukturalnych;

- dysocjacji grup OH- ulokowanych w warstwie oktaedrycznej;

- podstawienia atomami Al atomów Si w warstwach tetraedrycznych, oraz jonami Fe2+ lub Mg2+ atomów Al w

warstwie oktaedrycznej. Sumarycznym wynikiem zamiany jonów 4+ na jony 3+ oraz jonów 3+ na jony 2+ jest

zmniejszenie ładunku dodatniego czyli wzrost nadmiaru ładunku ujemnego na powierzchni.

Minerały ilaste stanowią klasę koloidalnych minerałów krzemianowych, które występują w zawiesinie w wodzie, glebie

i w osadach. Ważną właściwością minerałów ilastych jest ich zdolność działania jako wymieniacze kationowe, którą

można określić ilościowo przez pomiar ich zdolności kationowymiennej.

10. Uzasadnienie występowania ujemnego ładunku na powierzchni materiałów huminowych. Wyjaśnienie

funkcji oczyszczania wód z zanieczyszczeń.

12

Wolne postaci materiałów huminowych są kwasami. Kwasowy charakter jest przedewszystkim związany z obecnością

grup karoksylowych i fenylowych. Te pierwsze mają pK w zakresie 2,5-5. Grupy karboksylowe są dostatecznie

mocnymi kwasami i pozostają w znacznym stopniu zdeprotonowane, gdy materiał rozpuszcza się w wodzie. Jeśli woda

w zbiorniku jest niedostatecznie buforowana ze względu na brak innych akceptorów protonów takich jak

wodorowęglany, to rozpuszczony materiał huminowy zakwasza ją do typowej wartości pH 5,5-6,5. Ponieważ pH wody

pozostaje znażnie wyższe niż wartości pK kwasowych grup karboksylowych, sam materiał huminowy jest ujemnie

naładowany i, w pewnych przypadkach, może stanowić główne źródło anionowego ładunku w fazie rozpuszczonej.

Ze względu na swoje właściwości materiał huminowy wywiera wpływ na bilans ładunków i zasadowość wody oraz

oddziałuje z jonami metali, małymi obojętnymi cząsteczkami organicznymi i ciałami stałymi – dzięki tym funkcjom

jest w stanie związać i unieszkodliwiać powyższe typy zanieczyszczeń - materiał huminowy może zostać przyłączony

do fazy mineralnej, na której tworzy powłokę, blokując powierzchnię minerału na bezpośrednie reakcje z innymi

substancjami rozpuszczonymi.

11. Biotyczny model ligandu - model służący do opisu sposobu pobierania metalu przez żywe organizmy.

12. Związki powierzchniowo czynne i ich szkodliwe działanie na środowisko.

13. Sorpcja substancji organicznych na ciałach stałych – na składnikach mineralnych i na składnikach

organicznych; sorpcja materiałów huminowych na składnikach mineralnych.

Termin ”sorpcja” obejmuje pojęcia „adsorpcja” i „absorpcja”.

Składniki mineralne - uwodnione tlenki i minerały ilaste, które zawierają na swej powierzchni grupy hydroksylowe

skierowane od strony minerału w kierunku roztworu wodnego. Za wiązanie się substancji z powierzchną

odpowiedzialne są oddziaływania van der Waalsa, indukowany dipol-dipol trwały, dipol trwały-dipol trwały oraz

wiązania wodorowe. W większości przypadków sorpcja ta jest bardzo słaba.

Składniki organiczne - bardziej aktywne powierzchnie mają makrocząsteczki naturalnie występujące u zawiesinach i

osadach; materiał huminowy ma właściwości polarne ze względu na obecność grup funkcyjnych zawierających tlen

oraz hydrofobowe ze względu na części węglowodorowe.

Małe cząsteczki hydrofobowe mogą się skutecznie „rozpuszczać” wewnątrz tego niewodnego medium.

Materiał huminowy może zostać przyłączony do fazy mineralnej, na której tworzy powłokę, blokując powierzchnię

minerału na bezpośrednie reakcje z innymi substancjami rozpuszczonymi.

LITOSFERA

1. Rodzaje skał ze względu na pochodzenie. Cykl skalny.

2. Wietrzenie fizyczne skał (czynniki odpowiadające za proces wietrzenia fizycznego).

3. Wietrzenie chemiczne skał (procesy chemiczne odpowiedzialne za wietrzenie chemiczne oraz czynniki wpływające

na szybkość wietrzenia chemicznego).

WYKŁAD 10! slajd 31 pomyłka – powinno być „tlenogliniany” zamiast „glinokrzemiany”

4. Gleba – powstawanie gleby, skład, właściwości, dostępność i formy składników glebowych.

5. Formy występowania zanieczyszczeń w glebach. Wpływ postaci zanieczyszczenia na szkodliwość względem

roślin.

13

Zanieczyszczeniami gleb i gruntów są wszelkie związki chemiczne i pierwiastki promieniotwórcze, a także

mikroorganizmy, które występują w glebach w zwiększonych ilościach.

Główne czynniki powodujące zanieczyszczenie gleby:

- zakwaszenie gleby - wywołane wypłukiwaniem wapnia i magnezu do głębszych warstw gleby, kwaśnymi opadami

(tlenki siarki, azotu i węgla), stosowaniem nawozów fizjologicznie kwaśnych; nadmierne zakwaszenie gleby powoduje

wymywanie substancji odżywczych, uwalnianie toksyczne jonów glinu oraz wprowadzanie w obieg jonów metali

ciężkich;

- nawozy sztuczne - wypłukiwane do rzek i zbiorników wodnych wywołują eutrofizację wód;

- metale ciężkie (Pb, Cd, Hg, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, Ag) - pochodzą od zanieczyszczeń przemysłowych (przemysł

wydobywczy, metalurgiczny), są wywołane spalaniem benzyn, wyrzucaniem akumulatorów, farb i środków

antykorozyjnych; w większych ilościach pierwiastki te są toksyczne dla ludzi i zwierząt, ale w małych ilościach są

niezbędne organizmom (mikroelementy);

- zniszczenia przemysłowe i wysypiska odpadow.

FORMY:

Metale, trwałe, mogą występować w formie mniej lub bardziej mobilnej:

- pierwiastki (metale ciężkie) - mało reaktywne,

- związki metali - ulegają hydrolizie, lub w postaci jonów wiążą się z kompleksem sorpcyjnym gleby, lub przekształcają

się w toksyczne pochodne.

Szkodliwe oddziaływanie związków organicznych i ich mobilność w środowisku wiążą się z ich budową chemiczną

(z czego wynika toksyczność) oraz właściwościami fizykochemicznymi, takimi jak: rozpuszczalność w wodzie, lotność,

hydrofobowość – hydrofilowość, podatność na rozkład.

Substancje organiczne mogą w środowisku glebowym podlegać całkowitemu rozkładowi (mineralizacja) lub

częściowemu - z utworzeniem innych związków organicznych (nietoksycznych, mniej lub bardziej toksycznych niż

związek wyjściowy).

Zanieczyszczenia chemiczne mogą być przez glebę silnie wiązane lub mogą być transportowane przez wodę w

postaci rozpuszczonej lub zawiesiny.

14

6. Trwałe zanieczyszczenia organiczne – cechy charakterystyczne; polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD) i

polichlorowane dibenzofurany (PCDF), WWA, zanieczyszczenia ropopochodne, biocydy i pestycydy (źródła

naturalne i antropogeniczne, przedostawanie się do organizmów żywych, inne formy szkodliwości względem

środowiska).

Oddziaływanie związków organicznych na środowisko glebowe zależy od ich toksyczności, właściwości

fizykochemicznych, podatności na rozkład, a w szczególności na biodegradację.

Trwałe zanieczyszczenia organiczne (TZO) są szczególnie odporne na biodegradację; mają łatwość przemieszczania

się, są nadzwyczaj toksyczne; są nierozpuszczalne w wodzie, łatwo rozpuszczalne w tłuszczach; kumulują w mleku i

tkankach tłuszczowych organizmów zwierzęcych.

Kryteria zaliczenia związków do TZO:

- wysoka toksyczność,

- trwałość we wszystkich sferach środowiska naturalnego,

- biokoncentracja narastająca w kolejnych ogniwach łańcucha pokarmowego.

PCDD i PCDF

Polichlorowane dibenzodioksyny (PCDD) i polichlorowane dibenzofurany (PCDF) - tworzą się stale, jako produkty

uboczne niektórych procesów; w środowisku naturalnym – wskutek pożarów lasów, jako produkty uboczne procesów

spalania odpadów zawierających chlorowane związki organiczne (PSW, PCB), jako produkty uboczne podczas

wytwarzania niektórych związków organicznych (pestycydow i rozpuszczalnikow organicznych zawierających atomy

chloru)

Biodegradowalność dioksyn maleje ze wzrostem liczby atomów chloru w cząsteczce.

Dioksyny są immobilizowane w glebie; ze względu na brak rozpuszczalności w wodzie i hydrofobowość nie są

pobierane przez korzenie roślin; mogą być pobierane przez zwierzęta z glebą i częściami roślin, na których są

zaadsorbowane i kumulować się w tkance tłuszczowej i tłuszczu mlecznym. W organizmie człowieka, podobnie jak w

15

organizmach zwierząt, może następować kumulacja tych niebezpiecznych związków zagrażająca zdrowiu. Znaczne

ilości dioksyn mogą zawierać potrawy przyrządzane na grillu, dioksyny mogą powstawać na skutek palenia drewna w

otwartych i źle wentylowanych kominkach.

Inne związki organiczne (m.in. WWA i PCB) w środowisku glebowym: są nierozpuszczalne w wodzie, silnie

sorbowane przez związki próchnicze (kwasy huminowe), bardzo trudno ulegają biodegradacji (zwłaszcza cząsteczki o

dużej ilości skondensowanych pierścieni).

Zanieczyszczenie ropopochodne

Zanieczyszczenie ropopochodne - mieszanina węglowodorów o podobnych właściwościach fizykochemicznych i

podobnym przeznaczeniu, pochodzące z przeróbki ropy naftowej (benzyna silnikowa, olej napędowy, olej opałowy, olej

smarowy).

Źródła - awarie rurociągów, wypadki komunikacyjne z udziałem cystern przewożących te substancje, wycieki w

zakładach wydobywczych, petrochemicznych i na stacjach paliw.

Obumieranie roślin związane z gorszym natlenieniem wskutek zwiększonego zużycia tlenu przez mikroorganizmy do

biodegradacji zanieczyszczeń.

W glebach lekkich szybsza biodegradacja, ale łatwiejsza migracja zanieczyszczeń w głąb gleby i zanieczyszczanie

wód gruntowych.

PESTYCYDY

Są wprowadzane przez człowieka, z zamiarem eliminacji specyficznych organizmów.

- naruszenie równowagi w ekosystemach (niszczenie edafonu oraz zanieczyszczenie wód powierzchniowych i

podziemnych),

- możliwe zanieczyszczenie pasz i żywności,

- możliwe obniżenie jakości produktów spożywczych,

- narażenie osób stykających się bezpośrednio z pestycydami na ich szkodliwe działanie.

Pestycydy mogą przejść od następnego ogniwa łańcucha pokarmowego – do organizmów zwierzęcych lub ludzkich;

środki ochrony roślin dobrze rozpuszczalne w tłuszczach mogą kumulować się w tkankach żywych organizmów.

BIOCYDY

Biocydy - wszelkie substancje stosowane do eliminacji niektórych organizmów.

7. Biodegradacja zanieczyszczeń organicznych (na przykładzie biocydów) - reakcje fotolityczne (pośrednie i

bezpośrednie), reakcje chemiczne (abiotyczne – hydroliza, utlenianie) i biotyczne (przyspieszanie reakcji

abiotycznych przez mikroorganizmy).

Biocydy - wszelkie substancje stosowane do eliminacji niektórych organizmów.

Ale też:

Biocyd - dowolna substancja, wytworzona przypadkowo lub uwolniona do powietrza, wody lub gleby, która wykazuje

określoną toksyczność w stosunku do rozmaitych form życia. Biocydy organiczne obejmują wiele rodzajów związków

16

syntetycznych, obcych dla środowiska gleba/woda. Niektóre z nich są materiałami przypadkowo uwalnianymi do

środowiska, podczas gdy inne, których pestycydy są najbardziej spektakularnym przykładem, są produkowane i

stosowane ze względu na ich szczególne właściwości toksyczne. W obu przypadkach jesteśmy zainteresowani ich

trwałością i ruchliwością w środowisku.

Biocydy organiczne

Trwałość chemiczna:

* Ostatecznymi produktami rozkładu cząsteczki organicznej (mineralizacji) są proste trwałe cząsteczki (CO2, H2O).

* Produkty pośrednie mają zróżnicowaną trwałość; w wielu przypadkach produkty pośrednie mają niższą toksyczność

niż związki macierzyste, rzadziej produkty rozkładu wykazują toksyczność większą.

Biocydy organiczne – trwałość chemiczna

* Reakcje fotolityczne – pod wpływem promieniowania słonecznego.

* Warunki przebiegu reakcji fotolitycznej:

- wystawiony na działanie światła słonecznego - podczas dnia; związek chemiczny w fazie gazowej, na powierzchni

cząstek aerozoli atmosferycznych lub wewnątrz nich, w wodach powierzchniowych oraz na wystawionej na działanie

promieniowania słonecznego powierzchni roślin lub gleby

- zdolność danej cząsteczki do absorpcji określonej porcji promieniowania z widma słonecznego, w wyniku czego

przechodzi ona w stan wzbudzony, oraz duża wydajność kwantowa dalszego jej rozkładu w porównaniu z wydajnością

innych przemian dezaktywacyjnych (fotoliza bezpośrednia - cząsteczka absorbuje promieniowanie, a pochłonięta przez

nią energia jest wystarczająca do wywołania reakcji chemicznej), lub

- wzbudzenie radiacyjne sensybilizatora (a nie samego biocydu), a następnie przeniesienie energii, elektronu, atomu

wodoru lub protonu do cząsteczki biocydu (fotoliza pośrednia), cząsteczka biocydu ulega aktywacji i może

uczestniczyć w reakcji chemicznej.

Biocydy organiczne – trwałość – reakcje fotolityczne

* Procesy rozkładu biocydów o czysto chemicznym charakterze – procesy abiotyczne.

* Procesy rozkładu biocydów przy udziale mikroorganizmów występujących w środowisku – procesy biotyczne:

- mikroorganizmy mogą one rozkładać biocyd jako pierwotny substrat, z którego czerpią energię i/lub potrzebne

składniki pokarmowe,

- biocyd może być metabolizowany jednocześnie z podstawowymi substratami potrzebnymi do wzrostu populacji

autochtonicznej.

* Liczne reakcje są zarówno biotyczne, jak i abiotyczne; w zależności od panujących warunków dominuje jeden lub

drugi mechanizm.

Biocydy organiczne – trwałość - reakcje niefotolityczne

* Hydroliza - reakcja, w której cząsteczka wody oddziałuje z cząsteczką substratu, zastępując część cząsteczki (grupę

opuszczającą) grupą OH. Ogólne równanie reakcji hydrolizy można przedstawić równaniem

AB + H

2

O

⇌ BH + AOH

gdzie:



AB – substancja ulegająca hydrolizie



BH i AOH – produkty hydrolizy

17

Zachodzi według mechanizmu czysto chemicznego lub mikrobiologicznego, hydroliza abiotyczna przebiega często

bardzo powoli.

* W wyniku utleniania powstają końcowe zmineralizowane produkty.

Charakter akceptora elektronów (czynnika utleniającego) zależy od warunków panujących w środowisku: w glebach i

wodach powierzchniowych, gdzie pE jest wyższe i są duże ilości ditlenu - ditlen, rodniki hydroksylowe, nadtlenek

wodoru, ozon; w warunkach anaerobowych - azotany(V) i siarczany(VI); gdy wszystkie utleniacze zostaną

wyczerpane, wówczas zachodzi redukujący rozkład. Większość reakcji utleniania jest wspomagana przez

mikroorganizmy.

* Reakcja redukcji zachodzi przy małej wartości pE środowiska – na przykład w wodzie gruntowej pozbawionej tlenu i

w glebach zalanych wodą.

Biocydy organiczne – trwałość - reakcje niefotolityczne

* Szybkość reakcji rozkładu biocydów wskazuje czy wyjściowy związek stanowi zagrożenie dla ludzi lub dla innych

organizmów, które nie są celem jego działania.

* Szybkość degradacji zależy od:

- chemicznego charakteru substancji (trwałość cząsteczki jest odwrotnie proporcjonalna do szybkości jej rozkładu),

- dostępności innych reagentów,

- warunków panujących w środowisku - temperatury (reakcje abiotyczne - zgodnie z zależnością Arrheniusa; reakcje

biotyczne analogicznie, ale każdy mikroorganizm charakteryzuje się własną wartością optymalnej temperatury; w temp.

< 0

o

C większość procesów mikrobiologicznych ustaje, w temp. > 50

o

C ginie większość mikroorganizmów (np. gleba

ciemna pod wpływem intensywnego promieniowania słonecznego); wilgoci - niezbędna do przebiegu wielu reakcji

abiotycznych i większości reakcji biotycznych; szybkości procesu degradacji ulegają zwiększeniu wraz ze wzrostem

ilości wilgoci w glebie aż do osiągnięcia polowej pojemności wodnej; dalsze zwiększanie zawartości wilgoci prowadzi

do beztlenowych, redukujących warunków.

OBIEGI PIERWIASTKÓW

1. Mikroorganizmy - udział mikroorganizmów w obiegu pierwiastków.

Bakterie tlenowe (aerobowe) – w środowisku pozostającym w kontakcie z dużą ilością powietrza

zawierającego tlen; wykorzystują tlen cząsteczkowy, w postaci gazu lub rozpuszczony w wodzie, jako akceptora

elektronów w reakcjach utleniania. W takiej reakcji ditlen ulega redukcji i zużywane są jony oksoniowe:

Bakterie beztlenowe (anaerobowe) - gdy transport powietrza jest ograniczony i ditlen zostanie wyczerpany;

wykorzystują substancje inne niż tlen cząsteczkowy, ubogie w elektrony, (np. siarczany(VI)), do przyjęcia elektronów z

redukowanego substratu. Substancja akceptująca elektrony ulega redukcji:

2. Obieg azotu – postać nieorganiczna przyswajana przez rośliny,

Dla roślin źródłem azotu mogą być jedynie mineralne sole azotu rozpuszczone w wodzie. Większość roślin pobiera azot

poprzez systemy korzeniowe w formie jonów NO2- lub NO3- oraz NH4+. Związki te pojawiają się w ziemi w efekcie

padania deszczy oraz procesów gnilnych.

źródła tej formy w glebie,

18

Azotany w glebie są częściowo asymilowane przez rośliny i drobnoustroje. Część azotanów zostaje wymyta i dostaje

się do rzek, jezior oraz mórz, a część azotu przyswajalnego wraca do atmosfery w następstwie działania bakterii

denitryfikacyjnych Nawożenie gleby związkami azotu – uzupełnienie naturalnego zapasu azotu w glebie.

organizmy asymilujące azot cząsteczkowy (reakcja wiązania azotu),

Reakcje wiązania azotu - przekształcenie diazotu N2 w związek występujący w środowisku wodnym lub lądowym

(jony NO3- lub NH4+). Proces wiązania azotu jest niedostępny dla większości roślin zielonych (i glonów). Zdolność

asymilacji azotu z atmosfery mają:

- w ekosystemie lądowym - rośliny motylkowe i olchy, żyjące w symbiozie z bakteriami brodawkowymi (rodz.

Rhizobium) bytującymi na ich korzeniach;

- w ekosystemie wodnym – sinice

dwuetapowy proces nitryfikacji (reakcje utleniania jonów amonowych do azotanów(III) w obecności bakterii

Nitrosomonas i azotanów(III) do azotanów(V) w obecności bakterii Nitrobacter),

Proces nitryfikacji jest to proces przemiany azotu amonowego w postać azotanów.

Reakcja przebiega dwustopniowo z udziałem bakterii tlenowych:

- przekształcenie amoniaku do azotanów(III):

- przekształcenie jonów azotanowych(III) do azotanów(V):

amonifikacja (reakcja przekształcenia azotu z postaci organicznej w postać nieorganiczną – jony amonowe),

Amonifikacja - przekształcenie azotu z postaci organicznej w postać nieorganiczną. Większość azotu organicznego jest

związana w aminokwasach, które są

składnikami białek. Rozkładające się rośliny i zwierzęta powodują powstawanie amoniaku lub jonów amonowych (w

zależności od pH środowiska), czyli przejście azotu w

formę zredukowaną. Na przykład w reakcji:

denitryfikacja (redukcja azotanów(V) do azotu cząsteczkowego lub tlenku azotu(I) lub jonów amonowych),

Denitryfikacja - „odzyskanie” azotu cząsteczkowego z azotanów; przebiega w warunkach anaerobowych, w obecności

bakterii i substancji organicznych. Rodzaje denitryfikacji:

- redukcja azotanów(V) do gazowego azotu; zachodzi przy udziale bakterii z rodz. Pseudomonas:

- redukcja azotanów(V) do tlenku azotu(I):

- redukcja azotanów(V) do jonów amonowych; jony amonowe mogą zostać włączone do struktury komórki lub

uwolnione do atmosfery:

udział antropogeniczny

Wkład człowieka w obieg azotu:



produkcja nawozów azotowych w wyniku stosowania syntezy Habera

19

Szacowana ilość związanego azotu w procesie przemysłowym jest równoważna ilości azotu wiązanego w środowisku

naturalnym przez mikroorganizmy.



spalanie kopalin w celach energetycznych powoduje zwiększenie strumienia tlenków azotu cyrkulującego w

środowisku.



spalanie ropy naftowej (benzyn) w silnikach spalinowych pojazdów mechanicznych (źródło tlenków azotu).

3. Obieg węgla – postać przyswajana przez rośliny;

Podstawowym reagentem w obiegu węgla w przyrodzie jest CO2; w atmosferze występuje w postaci gazowej, a w

środowisku wodnym w postaci rozpuszczonej.

fotosynteza i oddychanie – wyjaśnienie pojęć, reakcje, znaczenie dla życia;

Podstawowymi procesami w obiegu węgla są: proces fotosyntezy i proces spalania (oddychania). Fotosynteza i

oddychanie są procesami przeciwnymi względem siebie.

Fotosynteza – przekształcenie pod wpływem światła słonecznego i w obecności chlorofilu, ditlenku węgla i wody w

materię organiczną – złożone węglowodany (np. glukoza).

Powstała materia organiczna magazynuje energię, jest zużywana przez organizmy żywe w łańcuchu pokarmowym, a w

wyniku obumierania tworzy próchnicę lub osady na dnie mórz. Produktem ubocznym fotosyntezy jest tlen uwalniany

do atmosfery

Znaczenie fotosyntezy:

- źródło tlenu cząsteczkowego;

- synteza związków organicznych (materia organiczna);

- magazynowanie energii (słonecznej) w postaci energii chemicznej gromadzonej w wiązaniach zsyntetyzowanej

materii organicznej.

Materia organiczna powstająca w procesie fotosyntezy:

- zbiornik energii, z którego rośliny podtrzymują swoje funkcje życiowe;

- stanowi biomasę;

- jest wykorzystywana przez konsumentów (zwierzęta, grzyby, bakterie) do czerpania energii - w postaci organizmu

żywego, jak i kiedy jest obumarła.

W oddychaniu tlen z powietrza reaguje z węglowodanami uwalniając zgromadzoną energię i ditlenek węgla.

procesy beztlenowe przyswajania węgla;

Procesy beztlenowe przyswajania węgla obejmują:

- chemosyntezę:

- oddychanie beztlenowe,

- fermentację beztlenową (np. alkoholowa, mleczanowa):

- fermentację metanową.

rozkład martwej biomasy (utlenianie, por. z obiegiem azotu i siarki),

20

Rozkład (degradacja) martwej biomasy, zwłaszcza pochodzenia roślinnego, a także drobnoustroje, jest kontrolowana

prawie wyłącznie przez aktywność mikroorganizmów.

Rozkład martwej materii organicznej jest najczęściej procesem utleniania.

Czynnikami utleniającymi mogą być:

- ditlen

- azotany(V)

- siarczany(VI)

- samoutlenianie biomasy – gdy nie występują żadne czynniki utleniające martwa materia organiczna może ulegać

utlenieniu w reakcjach anaerobowych

remineralizacja fitoplanktonu i osadów (przekształcanie węgla organicznego w postać nieorganiczną),

Remineralizacja fitoplanktonu i osadów przy udziale mikroorganizmów prowadzi do powstania składników

odżywczych, węglanów i wodorowęglanów (w głębi oceanu) oraz

ditlenku węgla.

Ditlenek węgla z wodą tworzy kwas węglowy oraz wodorowęglany (HCO3-, MgHCO3+, NaHCO3, CaHCO3+) i

węglany. Trudno rozpuszczalne sole wapniowych wchodzą w skład muszli, pancerzy i szkieletów organizmów

morskich, ze szczątków których powstają skały wapienne.

powstawanie paliw kopalnych (z węgla organicznego),

W pewnych warunkach obumarła materia szybciej się akumuluje niż rozkłada w ekosystemie. Pozostaje wówczas

zgromadzona, jako podziemne depozyty. Pod

wysokim ciśnieniem tworzą się po wielu tysiącach lat, paliwa kopalne

powstawanie osadów (z węgla nieorganicznego),

udział antropogeniczny

Największy wpływ człowieka w obieg węgla stanowią:



eksploatacja paliw kopalnych;



spalanie paliw kopalnych w celach energetycznych;



wykorzystanie biomasy jako surowca energetycznego, które powodują zwiększenie ilości CO2 w atmosferze.

Spalanie paliw kopalnych jest oddawaniem środowisku w obecnych czasach, energii i ditlenku węgla zasymilowanego

miliony lat temu. Spalanie biomasy (wierzby, malwy, oraz spalenie odpadów organicznych), powoduje oddanie

środowisku ditlenku węgla zasymilowanego w ciągu ostatnich lat – „zerowa emisja” CO2.

Zwiększenie ilości ditlenku węgla w atmosferze wpływa na zmiany pogody oraz na procesy chemiczne przebiegające w

oceanach.

4. Obieg siarki – postać przyswajana przez rośliny;

Rośliny (producenci) pobierają z gleby siarkę w postaci siarczanów (SO42-).

przemiany w roślinach,

W roślinie, większość siarczanów podlega procesom metabolicznej redukcji do tioli, które wbudowują się do

aminokwasów i białek i in. Niezbędnych roślinie związków organicznych (np. tioalkohole, tioetery, tioglikozydy,

biotyna (witamina H)).

Pozostałe niezredukowane siarczany stanowią rezerwę siarki.

21

Rośliny mogą pobierać gazowy SO2 z atmosfery przez szparki oddechowe znajdujące się na liściach.

redukcja siarczanów w warunkach beztlenowych (por. z obiegiem węgla),

Siarczany mogą być również redukowane w warunkach beztlenowych (w glebie lub wodach naturalnych) przy udziale

mikroorganizmów:

- przy niskim pH do siarkowodoru (jonów HS−) lub siarczku dimetylu (CH3)2S):

- przy wyższym pH (powyżej 5,5) do siarki w stanie wolnym:

desulfuryzacja (rozkład materii organicznej i redukcja organicznych związków siarki do związków S(II)),

Desulfuryzacja – redukcja organicznych związków siarki i siarczanów przy udziale bakterii beztlenowych.

Siarka związana w aminokwasach i białkach może ulec desulfuryzacji wraz z rozkładem martwej materii organicznej

lub zostać wchłonięta przez zwierzęta, dla których jest to jej jedyna przyswajalna postać. Po śmierci siarka związana w

ciałach zwierząt wraca do obiegu.

Rozkład materii organicznej prowadzi do powstawania związków siarki na −II stopniu utlenienia (siarkowodoru H2S i

jego związków (siarczków) - tlenosiarczek węgla (COS), dwusiarczek węgla (CS2) i wydzielany głównie przez morski

fitoplankton siarczek dimetylu (DMS, (CH3)2S)).

utlenianie siarczków,

Zredukowane związki siarki utleniane są do siarki na stopniu utlenienia 0 (siarka rodzima) i +VI (siarczany).

Utlenianie może zachodzić samoistnie pod wpływem tlenu.

Utlenianie często jest przeprowadzane przez bakterie siarkowe: bez udziału tlenu (powstają wówczas złoża siarki

rodzimej) lub z udziałem tlenu (wówczas powstają siarczany).

Związki siarki w atmosferze istniejące w postaci gazowej (H2S, SO2), utleniają się do tritlenku siarki SO3, który w

połączeniu z wodą tworzy kwas siarkowy, H2SO4. Kwas siarkowy w postaci kwaśnych deszczy opada na ziemię.

udział antropogeniczny.

Spalanie węgla, gazu ziemnego i innych paliw kopalnych zwiększyło ilość związków siarki w atmosferze i w oceanach

oraz zmniejszyło jej ilość w skałach osadowych.



W wyniku tych procesów zwiększył się zasób siarki w postaci utlenionej (siarczanów) w cyklu globalnym, kosztem

zapasów siarki zredukowanej w skorupie ziemskiej.



Zmiany w globalnym cyklu siarki dotyczą zwiększenia przepływu siarki przez atmosferę. Wyemitowany ditlenek

siarki tworzy kwas siarkowy, powodując znaczne obniżenie pH deszczu – do ok.4,5 w porównaniu z pH 5,6

niezanieczyszczonego deszczu.

5. Obieg fosforu – postać przyswajana przez rośliny;

Najłatwiej pobierane przez rośliny i przez glony w wodach naturalnych są rozpuszczalne fosforany nieorganiczne, jony

H2PO4-, HPO4 2-, PO4 3-.

przemiana na formę organiczna,

Fosforany dostają się do gleby i do wód naturalnych wskutek wietrzenia i rozpuszczania minerałów fosforanowych

zawartych w skałach, a także na skutek erozji gleb i wymywania z nich nawozów fosforowych. Istotnym źródłem

fosforu w wodzie jest tez biochemiczny rozkład obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych.

Fosfor wbudowuje się do związków organicznych budujących komórki rośliny.

22

mineralizacja związków fosforoorganicznych,

Związki fosforoorganiczne w szczątkach obumarłych organizmów mogą ulegać procesom mineralizacji, przekształcając

się w rozpuszczalne i nierozpuszczalne fosforany nieorganiczne. Reducentami są bakterie fosforowe (w glebie) lub

fitoplankton (w zbiornikach wodnych).

W warunkach beztlenowych organiczne związki fosforu mogą być zredukowane do fosfanów (PH3, P2H4).

konsekwencje słabej rozpuszczalności fosforanów dla środowiska,

Fosforany są słabo rozpuszczalne i wytrącają się z roztworu.

Na dnie zbiorników wodnych zostają odłożone:

- część fosforanów powstałych z rozkładu materii organicznej;

- martwa materia ze związanym fosforem.

W tej postaci fosfor jest nieprzyswajalny dla organizmów.

udział antropogeniczny,

Największy wpływ człowieka na obiegu fosforu powoduje:



stosowanie nawozów fosforowych,



stosowanie środków czystości zawierających fosforany - polifosforany (np. jon trifosforanowy, P3O10 5−) dodawane

do detergentów charakteryzują się zwiększoną rozpuszczalnością, dlatego są odpowiedzialne za zwiększenie stężenia

fosforu w wodach powierzchniowych.

Wzbogacenie wód powierzchniowych w substancje pokarmowe (eutrofizacja), powoduje gwałtowny rozwój glonów,

których nadmiar prowadzi do zabijania życia w głębszych warstwach zbiorników wodnych poprzez ograniczanie

dostępu tlenu i światła słonecznego.

Związki fosforu dostają się do morza i zostają odłożone na dnie

obieg lokalny fosforu.

Fosfor występuje na Ziemi w wodzie, glebie i osadach.

W większości przypadków fosfor występuje w postaci fosforanów:

- w skałach pochodzenia organicznego - fityniany wapnia, magnezu, żelaza, fosfolipidy, kwasy nukleinowe; resztki

kości i produkty wydalania,

- w skałach pochodzenia nieorganicznego - fosforany wapnia, glinu, żelaza.

W wodach naturalnych fosfor występuje w związkach organicznych i nieorganicznych, najczęściej w postaci orto-,

meta- i polifosforanów - fosforany wapnia, magnezu, amonu, sodu i potasu.

ZANIECZYSZCZENIA

1. Co to jest samooczyszczanie? Jakie procesy zachodzą

podczas samooczyszczania?

Samooczyszczanie - samorzutne zmniejszenie zanieczyszczenia w środowisku do poziomów, które są nieszkodliwe dla

zdrowia człowieka i ekosystemu. Zachodzi w wyniku naturalnych procesów poprzez rozkład substancji

zanieczyszczających, ich rozcieńczenie, lub zatrzymanie przez środowisko. Dzięki temu procesowi niewielkie porcje

zanieczyszczeń są w naturalny sposób usuwane, nie powodując szkód dla środowiska.

Procesy fizyczne - kondensacja, krystalizacja, absorpcja, adsorpcja, rozpuszczanie, odparowanie itp. Rezultatem jest

obniżenie stężenia zanieczyszczeń w ośrodku pierwotnym, lecz całkowita ich zawartość w środowisku nie ulega

zmianie.

Procesy chemiczne - utlenianie, redukcja, neutralizacja, hydroliza, hydratacja. Produkty tych reakcji pozostają w

atmosferze; często są zanieczyszczeniami wtórnymi, równie lub bardziej szkodliwymi od zanieczyszczeń pierwotnych.

23

Procesy biologiczne i biochemiczne - biodegradacja - rozkład zanieczyszczeń przez organizmy żywe. Są najważniejszą

częścią samooczyszczania.

2. Samooczyszczanie atmosfery - zjawiska fizyczno-

chemiczne, reakcje chemiczne, reakcje fotochemiczne

(bezpośrednia fotoliza lub powstawanie rodników).

3. Samooczyszczanie środowiska wodnego – przemiany

biochemiczne (mineralizacja, degradacja /biodegradacja,

przemiany aerobowe i anaerobowe, udział

mikroorganizmów i ich dostosowywanie się do nowych

warunków)

Przemiany biochemiczne to przemiany wywołane przez mikroorganizmy obecne w środowisku wodnym. Ulegać im

mogą organiczne i niektóre nieorganiczne związki chemiczne; podstawowe znaczenia mają one dla związków

organicznych.

W przemianach biochemicznych pierwotny związek chemiczny zostaje stopniowo rozkładany, aż do prostych

związków nieorganicznych, jak CO

2

, H

2

O i sole mineralne (mineralizacja); przebiega przez wiele stadiów pośrednich.

Cały proces i prowadzące do mineralizacji stadia pośrednie nazywane są degradacją lub biodegradacją.

Procesy biodegradacji przebiegają stale w środowisku, a ich substratami są substancje organiczne wytwarzane

naturalnie w ekosystemach.

Procesom biodegradacji mogą ulegać antropogeniczne materiały organiczne, o ile, że nie są dla mikroorganizmów

toksyczne. Są to jednak procesy bardziej złożone, niż w przypadku naturalnej materii organicznej.

Główny wpływ na procesy biodegradacji mają:

- Aktywność mikroorganizmów (rodzaj i wielkość populacji) – wpływa na szybkość procesu,

- Warunki oksydacyjno – redukcyjne – wpływają na dobór wykorzystywanych reakcji chemicznych,

- Temperatura,

- pH i dostępność składników odżywczych.

Wykorzystywanie związku do celów energetycznych wymaga utleniacza. Przemiana aerobowa – utleniaczem jest tlen

z powietrza; przemiana anaerobowa - przebiega bez dostępu tlenu

W przemianie aerobowej do utleniania związku organicznego wykorzystywany jest rozpuszczony w wodzie tlen z

powietrza:

W biodegradacji związków organicznych podstawową rolę odgrywają enzymy produkowane przez mikroorganizmy. Są

one specyficzne zarówno dla danego rodzaju mikroorganizmów, jak i związków, dla rozkładu których są potrzebne -

dany gatunek lub populacja mikroorganizmów, jest w stanie rozkładać tylko te grupy związków chemicznych, do

których jest genetycznie przygotowana.

Wprowadzenie do środowiska wodnego nowych związków chemicznych (w przypadku skażeń chemicznych

wywołanych związkami chemicznymi otrzymanymi syntetycznie), wymaga adaptacji mikroorganizmów; z reguły -

wykształcenia zdolności produkowania odpowiednich enzymów. Początkowo degradowanie nowych substancji będzie

utrudnione lub niemożliwe.

niebiochemiczne (hydroliza, reakcje fotochemiczne – warunki wystąpienia tego procesu, przemiany pośrednie i

bezpośrednie, strącanie).

24

Przemiany niebiochemiczne to przemiany bez udziału mikroorganizmów. Ulegają im niektóre zanieczyszczenia

organiczne obecne w środowisku wodnym. Do najważniejszych z nich należą hydroliza i przemiany fotochemiczne

Hydroliza – hydrolizie ulegają:

- halogenki alkilowe

Halogenek alkilowy ulega przemianie w alkohol, a uwolniony atom chlorowca tworzy z dodatnio naładowanym jonem

wodorowym odpowiedni kwas.

- estry

W reakcji hydrolizy estrów powstają alkohole i kwasy.

Reakcje fotochemiczne – światło może wywoływać reakcje środowisku wodnym; warunkiem jest przeniknięcie

światła przez warstwę wody i przeniesienie energii fotonów do cząsteczki związku. Degradacja związku w wyniku

reakcji fotochemicznych nazwana jest fotodegradacją.

Przemiany bezpośrednie - cząsteczka związku absorbuje energię fotonu, przechodzi w stan wzbudzony i ulega

przemianie. Tylko niewielki ułamek wzbudzonych światłem cząstek ulega degradacji, pozostałe powracają do stanu

podstawowego wypromieniowując zaabsorbowaną energię w zjawisku fluorescencji lub fosforescencji, lub przekazując

ją cząsteczkom wody czy wydzielając jako ciepło. Bezpośrednia fotodegradacja zachodzi dla związków o elementach

struktury absorbujących światło (podwójne wiązania między atomami węgla – alkeny, pierścienie aromatyczne,

podwójne wiązania między atomami azotu czy węgla i siarki.)

W przemianie pośredniej – foton absorbowany jest przez cząsteczkę chromoforu, następnie energia, elektrony lub jon

wodorowy przeniesione są do cząsteczki degradowanego związku.

Naturalne chromofory - substancje humusowe, niektóre tlenki metali (TiO

2

).

Strącanie - reakcjom strącania mogę ulegać zanieczyszczenia, które tworzą trudno rozpuszczalne w wodzie związki w

warunkach panujących w środowisku wodnym.

4. Samooczyszczanie w środowisku wodno-gruntowym – procesy fizyczne (sorpcja – zanieczyszczenia jonowe i

zanieczyszczenia niejonowe,

Zanieczyszczenia wprowadzone do gruntu mają tendencję do akumulacji, przyczyną tego są procesy sorpcyjne

wiążące organiczne i nieorganiczne zanieczyszczenia na powierzchni cząstek stałych czy koloidów.

Sorpcja odgrywa rolę w podziale między składniki gleby, w ulatnianiu się substancji z powierzchni gleby, jak również

wpływa na jej przemiany przez organizmy glebowe.

Na wielkość adsorpcji przez glebę wpływają fizykochemiczne właściwości substancji oraz gleby (proporcje materiału

nieorganicznego i organicznego w glebie, wody, powietrza i mikroorganizmów).

Rodzaje mechanizmów sorpcji – oddziaływania Van der Waalsa, hydrofobowe, wiązania wodorowe, przeniesienie

ładunku, wymiana ligandów, wiązanie jonowe, bezpośrednie lub indukowane oddziaływaniu jon dipol lub dipol dipol

oraz wiązania kowalentne

Zanieczyszczenia o charakterze jonowym - (kationy metali, aniony nieorganiczne i pewne związki organiczne),

adsorbują się na koloidach, a adsorpcja ma charakter jonowymienny. Niejonowe związki organiczne adsorbują się na

polimerowych związkach humusowych na drodze adsorpcji fizycznej i chemicznej.

Wiązanie zanieczyszczeń w glebie zachodzi również w procesie tworzenia różnych kompleksów. W tworzeniu

kompleksów podstawową rolę odgrywa materiał organiczny gleby.

ujemny lub dodatni ładunek na powierzchni – przykłady związków,

25

Ujemne ładunki na powierzchni koloidów glebowych są odpowiedzialne za sorpcję lub wymianę kationów. Nadmiar

ładunków ujemnych na powierzchni mają gliny i koloidy oraz polimerowe związki humusowe (ujemny ładunek jest

wynikiem dysocjacji protonu z grup karboksylowych i fenolowych.)

Zdolności do wymiany poszczególnych kationów zależą od ich wartościowości, rozmiaru tworzonych hydratów,

rodzaju i stężenia innych jonów w roztworze. Ogólną zasadą jest to, że jony o dużej średnicy formy zhydratyzowanej

mają mniejszą zdolność do wymieniania aniżeli jony o średnicy małej.

Adsorpcja anionów może zachodzić tylko na dodatnich ładunkach na koloidach glebowych. Ładunki takie występują

na hydroksytlenkach Fe i Al.

Większość gleb wykazuje znacznie mniejszą zdolność do sorpcji anionów aniżeli kationów - np. aniony NO

3

-

lub Cl-

są adsorbowane w nieznacznym stopniu; aniony H

2

PO

4

-

i HPO

4

2-

, są adsorbowane silnie.; związki organiczne

występujące w postaci anionowej, są adsorbowane przez hydroksytlenki i polimery humusowe.

adsorpcja specyficzna,

Adsorpcja specyficzna – wiele kationów metali ciężkich i większość anionów, tworzy częściowo kowalentne wiązania

z ligandami na powierzchni adsorbującej, zwłaszcza hydroksytlenków Fe, Al i Mn. Ta adsorpcja jest silnie zależna od

pH i metale zdolne do tworzenia hydroksykompleksów są w bardzo dużym stopniu adsorbowane.

współstrącanie,

Wiązanie zanieczyszczeń w glebie w wyniku współstrącenia – ma szczególne znaczenia dla metali i odgrywa dużą rolę

w glebach o zmiennej wilgotności. Związkami, z którymi współstrącają się inne kationy są uwodnione tlenki Fe i Mn,

węglan wapnia i minerały ilaste.

sorpcja zanieczyszczeń organicznych

Adsorpcja zanieczyszczeń organicznych zależy od ich polarności lub ładunku i rozpuszczalności w wodzie (zależą od

pH gleby), oraz przede wszystkim, od materiału organicznego w glebie.

Niejonowe i niepolarne zanieczyszczenia organiczne są adsorbowane przez material humusowy gleby; na jego

powierzchni, w wyniku adsorpcji następuje koncentracja zanieczyszczeń.

tworzenie związków kompleksowych – mobilizacja lub immobilizacja jonów;

biodegradacja – mikroorganizmy,

W biodegradacja zanieczyszczeń organicznych w gruncie, oprócz bakterii uczestniczą grzyby. Metaboliczne

możliwości bakterii jako grupy są większe, a degradacja z ich udziałem może przebiegać w warunkach aerobowych i

anaerobowych, podczas gdy z udziałem grzybów przebiega tylko w warunkach aerobowych.

warunki procesu;

Dodatkowe czynniki wpływające na proces biodegradacji w środowisku glebowym:

- odczyn roztworu glebowego - optymalny dla bakterii (6,5 > pH >7,5, max 9,0), dla grzybów (4.5 > pH > 6,0);

- temperatura - optymalna temperatura dla bakterii i grzybów mieści się w granicach 30-38

o

C;

- wilgotność gleby i dostęp do soli mineralnych, niezbędnych składników do rozwoju mikroorganizmów i reakcji

biodegradacji;

- dostęp tlenu - szybkość procesów aerobowych jest znacznie większa aniżeli anaerobowych, większa jest również

populacja mikroorganizmów aerobowych.

biofilm – powstawanie i wpływ czynników na jego grubość

Mikroorganizmy w wodach gruntowych przyczepiają się do ziaren materiału mineralnego, pobierając wszystkie

potrzebne do życia substancje z przepływającej wody.

Na powierzchni ziaren tworzą warstwę nazywaną biofilmem; substancje odżywcze (w tym degradowane związki),

dyfundują z roztworu do powierzchni biofilmu i następnie w jego wnętrzu.

26

Grubość biofilmu, a tym samym szybkość biodegradacji, zależą m.in. od maksymalnej szybkości degradacji związku

przez dany rodzaj mikroorganizmów, szybkości wymierania mikroorganizmów, stężenia degradowanego związku

chemicznego w wodzie, współczynnika dyfuzji molekularnej.

5. Oczyszczanie ścieków – metody oczyszczania ścieków,

Metody oczyszczania ścieków można podzielić na:

- mechaniczne – usuwanie jedynie zanieczyszczeń nierozpuszczalnych, tj. ciał stałych i tłuszczów ulegających

osadzaniu lub flotacji, przy użyciu krat, sit, piaskowników lub odtłuszczaczy; rozdrabnianie, cedzenie, filtrowanie,

sedymentacja, flotacja, koalescencja i odwirowywanie;

- fizykochemiczne – odparowanie, odgazowanie, wymrażanie, koagulacja, sorpcja, wymiana jonowa i ekstrakcja;

- chemiczne - wytrącanie niektórych związków rozpuszczalnych lub ich neutralizacja; utlenianie, redukcja, wytrącanie

i zobojętnianie;

- biologiczne - mineralizacja przez drobnoustroje w środowisku wodnym; usuwanie ze ścieków zanieczyszczeń

organicznych lub związków biogennych i refrakcyjnych

oczyszczanie biologiczne – metoda złoża biologicznego,

metoda złoża biologicznego – złoże biologiczne stanowi materiał, na którego powierzchni rozwija się błona

biologiczna. Składa się ona z organizmów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, głównie bakterii, które w warunkach

tlenowych rozkładają substancje organiczne ze ścieków. Ścieki są w stałym kontakcie z powierzchnią błony

biologicznej;

metoda osadu czynnego;

metoda osadu czynnego – osad czynny jest konglomeratem różnych rodzajów organizmów, głównie bakterii

tlenowych, rozkładających substancję organiczną w ściekach. Organizmy te tworzą specyficzne skupiska, najczęściej

kłaczkowatej budowy, zwane osadem czynnym. Oczyszczanie ścieków polega na napowietrzaniu ścieków

wymieszanych z osadem czynnym, a później następuje oddzielenie kłaczków tego osadu od oczyszczanych ścieków, i

zawracaniu osadu czynnego do nowej porcji dopływających ścieków. W trakcie procesu oczyszczania ścieków

następuje przyrost masy osadu czynnego. Nadmiar tego osadu musi być mechanicznie usuwany z obiegu i

unieszkodliwiony.

usuwanie fosforu,

Proces biologicznego usuwania fosforu rozpoczyna się od wprowadzenia ścieku do zbiorników, gdzie panują warunki

anaerobowe i beztlenowe. W tych zbiornikach następuje namnażanie bakterii i innych organizmów gromadzących

fosfor. Po przejściu do środowiska aerobowego wybrane mikroorganizmy wydajnie pobierają rozpuszczalny fosfor ze

strumienia ścieków.

Koagulanty chemiczne do usuwania fosforanów(V):

Ałun Al

2

(SO

4

)

3

może reagować z fosforanami(V), w wyniku czego strąca się trudno rozpuszczalny fosforan(V) glinu.

Chlorek żelaza(III) – stosowanie FeCl

3

wymagają bardziej kwasowego środowiska ścieków; to oznacza, że może on

wpływać silnie korodująco na pompy i inne metalowe części układu transportującego ścieki.

Wodorotlenek wapnia – stosowanie Ca(OH)

2

wymaga pH roztworu ścieków o wartości 9.0 w celu zapewnienia

całkowitego strącenia; po osadzeniu się i usunięciu szlamu, ale przed odprowadzeniem oczyszczonej wody, konieczne

jest obniżenie pH do wartości wykazywanej przez dopływający ściek, zazwyczaj między 6.5 i 7.5.

usuwanie azotu,

Usuwanie jonów amonowych:

-Zwiększenie pH wody za pomocą wodorotlenku wapnia i następnie przepuszczenie przez płuczkę, w której woda ulega

napowietrzeniu, w celu usunięcia gazowego amoniaku.

27

-usuwanie jonów amonowych z roztworu obojętnego na drodze wymiany jonowej.

Mikrobiologiczne usuwanie azotu

Można zastosować „procesy nitryfikacji-denitryfikacji”. W pierwszym etapie środowisko jest aerobowe, sprzyja więc

mikrobiologicznej nitryfikacji w celu przekształcenia jonów amonowych w azotany(V). Drugi etap wymaga warunków

anaerobowych

unieszkodliwianie szlamu

W procesie oczyszczanie ścieków powstają dwa produkty - sama woda, która po oczyszczeniu może zostać zrzucona do

zbiornika wodnego, oraz stały szlam, który musi być dalej poddany unieszkodliwianiu.

Szlam zawiera przede wszystkim niewykazujący aktywności materiał mikrobiologiczny, pozostałości materii

organicznej oraz nieorganiczne ciała stałe pochodzące z surowego ścieku oraz dodanego koagulantu; a także niewielkie

ilości rozpuszczonych metali i innych związków nieorganicznych.

Szlam poddaje się w osobnym reaktorze anaerobowemu trawieniu w obecności mikroorganizmów. W tych warunkach

zachodzi proces fermentacji:

Ostateczne usunięcie szlamu obejmuje składowanie w bezpiecznych wysypiskach lub rozsiewanie na polach w celu

poprawy jakości gleb rolniczych lub leśnych. Dwa zastrzeżenia dotyczące szlamu odnoszą się do obecności w nim

takich metali jak kadm oraz trwałych mikroorganizmów patogennych, które mogą pozostać w trawionym materiale

28