1. Kationy występujące w wodach naturalnych - źródła, stężenia, znaczenie

Podstawowe składniki wód: Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ → 26%; Cl^-, SO₄^2-, CO₃^2- → 53%; SiO₂ → 12%; pozostałe → 9%

W Zależności od wysokości stężenia wyróżniamy: składniki podstawowe (od kilkunastu do kilkuset mg/l), makroskładniki (od kilkuset μg/l do kilkunastu mg/l) oraz mikroskładniki (poniżej kilkuset μg/l)

Kation sodowy - Stanowi 2,6% skorupy ziemskiej. Wchodzi w skład skaleni np. albit NaAlSi₃O₈ i do wód naturalnych dostaje się w wyniku procesu wymywania skał i gleb. Zawartość w wodzie pitnej wzrasta wskutek uzdatniania wody, gdzie wykorzystuje się takie związki sodu jak: NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃ oraz NaHClO₃. Źródłem jonów sodu w wodach powierzchniowych są zanieczyszczenia pochodzące ze ścieków przemysłowych (fabryki sody oraz chemizacja rolnictwa (saletra sodowa)), komunalnych (mocz, detergenty) oraz zasolonych wód kopalnianych. Zwiększone stężenie sodu występuje w wodach powierzchniowych występujących w pobliżu morza. W wodzie występuje jako nie wytrącający się kation Na+, który zależnie od zawartości siarczanów i węglanów tworzy kompleksy [NaSO₄]^- oraz [NaCO₃]^-. W wodzie morskiej jony sodowe stanowią około 84% masy wszystkich kationów a ich stężenie wynosi ok. 10 mg/l. W wodach śródlądowych i rzekach stężenie wynosi od dziesiątych części do kilkudziesięciu mg/l. Jon sodowy jest niezbędny do życia dla organizmów żywych. W małych stężeniach jest nieszkodliwy, jednak w dużych szkodliwy, a nawet toksyczny. Dlatego istnieją ograniczenia stężenia do max 150 mg/l w wodzie pitnej. Duże stężenie sodu w wodach do nawadniania również jest niekorzystne, ponieważ niszczy strukturę gleby i zmniejsza jej przepuszczalność.

Kation wapniowy - Stanowi 3,4% skorupy ziemskiej. Występuje w skałach i glebie pod postacią minerałów: anortyt CaAl₂Si₂O₈, kalcyt CaCO₃, dolomit CaMg(CO₂)₂, gips CaSO₄*2H₂O, anhydryt CaSO₄. Głównym źródłem są wapienie, które rozpuszczają się pod wpływem CO₂: CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca(HCO₃)₂ CaCO₃-związek słabo rozpuszczalny, Ca(HCO₃)₂ - związek dobrze rozpuszczalny CaCO₃+H₂O+CO₂↔Ca²⁺+2HCO₃ . Jeżeli rośnie w wodzie stężenie CO₂, to musi również wzrastać ilość rozpuszczonego węglanu wapnia. Natomiast kiedy stężenie CO₂ w wodzie maleje, węglan wapnia się wytrąca. Występuje w wodzie jako Ca²⁺ i wraz z magnezem decyduje o twardości wody (duże stężenie niepożądane w wodzie do użytku domowego, gdyż utrudnia np. pranie). Stężenie Ca²⁺ w wodach powierzchniowych od kilku do kilkuset mg/l. Obecność wapnia w wodzie putnej jest elementem diety i w niewielkim stopniu pokrywa dzienne zapotrzebowanie człowieka na ten pierwiastek.

Kation magnezowy - Stanowi 1,9% skorupy ziemskiej. Występuje w minerałach jako magnetyt MgCO₃ oraz dolomit CaMg(CO₃)_2, jest też składnikiem chlorofilu. Sole magnezowe są stałym składnikiem wód powierzchniowych i podziemnych, a ich zawartość jest uzależniona od procesu wymywania ze skał. W wodzie występuje jako kation Mg²⁺, mogący tworzyć kompleksy. W zależności od pH ulega wytrąceniu: w środowisku kwaśnym jako MgCO₃*3H₂O, w środowisku obojętnym jako 3MgCO₃*Mg(OH)₂*3H₂O, a przy pH>9 jako Mg(OH)_2. Zawartość kationu magnezowego w wodach śródlądowych jest mniejsza niż Ca²⁺. W wodach morskich występuje zaraz po sodzie, gdyż wapień ulega selektywnemu pobieraniu przez organizmy. W wodach rzecznych stosunek stężenia Ca:Mg zazwyczaj wynosi 4:1 lub 2:1. Stężenie Mg²⁺ wynosi od dziesiątych części do kilkudziesięciu mg/l. Magnez z wapniem powodują twardość wody (ogólną → jony dwuwartościowe głównie Mg²⁺ i Ca²⁺ oraz inne Fe²⁺, Ba²⁺, Mn²⁺ lub węglanową → węglany i wodorowęglany Ca²⁺ i Mg²⁺, która zanika podczas gotowania). W małych stężeniach jest nieszkodliwy, natomiast jego niedobór może zwiększyć ryzyko zachorowania na nowotwór. Natomiast przy większych stężeniach woda ma gorzki smak. Jako sól gorzka czyli MgSO₄ jest stosowany w medycynie.

Kation potasowy - zawartość potasu w wodach naturalnych jest znacznie mniejsza w porównaniu z zawartością sodu, mimo że zawartość obu pierwiastków w litosferze jest podobna. (potas 2,4%) Wynika to z tego że ze gleba i skały mają większą zdolność absorbowania jonów potasowych niż sodowych, oraz że rośliny pobierają potas jako jedna z substancji pokarmowych. Zawartość tego jonu w wodach wynosi około kilku mg/l. Jednakże przy wysokim zanieczyszczeniu wód nawozami stężenie może wynieść nawet kilkadziesiąt mg/l.

Kationy manganowe - najczęściej spotykanymi formami tego powszechnie występującego pierwiastka są występujące w pyłach atmosferycznych tlenki manganu: pirulozyt MnO₂, braunit Mn₂O3 oraz hausmanit Mn₃O₄. Często spotykane są również formy łączone z żelazem. Znany jest przede wszystkim jako silny utleniacz, nadmanganian potasu KMnO4, mający zastosowanie m.in: w dezynfekcji lub w procesie usuwania barwy i zapachu. Do wód naturalnych dostaje się głównie w skutek procesu wymywania skał i gleb, a także w wyniku spalania paliw np. węgla i benzyny oraz przez działalność kopalni przerabiających mangan (używany do produkcji stopów). W wodach naturalnych mangan występuje na trzech stopniach utlenienia: Mn²⁺, Mn³⁺ oraz Mn⁴⁺. W postaci dwuwartościowej występuje głównie przy braku w wodzie tlenu rozpuszczonego i jest to forma bardzo niestabilna. W środowisku kwaśnym i w obecności dużych stężeń chlorków spotykamy postać trójwartościową, która jest łatwo rozpuszczalna w wodzie i tworzy kompleksy z siarczanami, węglanami i substancjami humusowymi. W wodach zawierających tlen mangan występuje na najwyższym stopniu utlenienia, czyli czwartym, tworząc głównie wodorotlenki, ale są to formy nierozpuszczalne w wodzie. Mangan powszechnie występuje w wodach powierzchniowych, głównie w postaci zawiesin, ale jego stężenie rzadko przekracza 1mg/l. W rzekach jest ono jeszcze niższe i średnio wynosi 0,1 mg/l. Zawartość manganu jest uzależniona od pory roku. Zimą zazwyczaj stężenie tego pierwiastka jest większe, na skutek korzystnych warunków do wypłukiwania tego pierwiastka z podłoża. Latem następuje większe zużycie dwutlenku węgla (w procesach fotosyntezy), wzrost pH oraz zwiększona adsorpcja manganu na zawiesinach przez co zawartość manganu w postaci jonowej znacznie się zmniejsza. W wodach naturalnych sole manganu są bardziej stabilne niż sole żelaza. Wprowadzony do wody Mn²⁺ szybko utlenia się do nierozpuszczalnej formy tlenku: MnO_x, która szybko sedymentuje, dlatego jego stężenia tego pierwiastka w wodach głębinowych mogą być bardzo duże, gdyż stopniowo gromadzi się on w osadach dennych (pod postacią MnO_x), gdzie często występują warunki beztlenowe i możliwy jest oparty na silnie redukcyjnych reakcjach proces przechodzenia manganu do wody. Mangan jest niezbędnym pierwiastkiem do życia dla roślin i zwierząt, biorąc udział w przeprowadzaniu reakcji fotosyntezy i wiązania azotu. Jego niedobory występują rzadko, ale w bardzo dużych stężeniach jest on toksyczny dla organizmów żywych. W wodzie pitnej może wpływać na smak wody, dlatego istnieją ograniczenia jego stężenia do max 0,8 mg/l.

Kationy żelazowe - pierwiastek ten jest bardzo rozpowszechniony w skorupie ziemskiej, choć w formie rodzimej występuje bardzo rzadko. Często natomiast możemy go spotkać w postaci rud np.: hematyt Fe₂O₃, magnetyt Fe₃O₄, limonit Fe(OH)₃ czy piryt FeS₂. Podobnie jak w przypadku manganu głównym źródłem tego pierwiastka w wodach naturalnych są procesy wymywania gleb i skał. Żelazo może występować głównie w dwóch formach utlenienia: Fe²⁺ (związki żelazawe) oraz Fe³⁺ (związki żelazowe), bardzo rzadko spotyka się postaci w cztero i sześcio wartościowym żelazem. W środowisku beztlenowym, redukcyjnym, głównie na dnie jezior lub w wodach podziemnych występuje żelazo dwuwartościowe, mogące tworzyć kompleksy z siarczanami i węglanami [FeSO₄]⁰ oraz [FeCO₃]⁰ lub występować w formach rozpuszczalnych np. [FeOH]⁺. W obecności tlenu żelazo dwuwartościowe szybko utlenia się, dlatego w wodach powierzchniowych występuje głównie pod postacią rozpuszczalną np. [Fe(OH)₂]⁺ lub tworząc jonowe połączenia z siarczanami np. [FeSO₄]⁺, chlorkami [FeCl]²⁺ lub fosforanami [FeHPO₄]⁺. Reakcja przedstawiając utlenianie się Fe²⁺ do Fe³⁺ wygląda następująco: 4Fe²⁺ + O₂ + 10H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8H⁺. Żelazo może występować w wodzie w formie rozpuszczonej, koloidalnej jak i zawieszonej, a zależy to głównie od zawartości substancji organicznych oraz tlenu i dwutlenku węgla, jak również od działalności mikroorganizmów i pH wody. Stężenie żelaza w wodach powierzchniowych jest znacznie niższe od stężenia w wodach podziemnych. W tym pierwszych zazwyczaj nie przekracza kilku mg/l, natomiast w tych drugich sięga czasami nawet kilkudziesięciu mg/l. Żelazo podobnie jak mangan jest pierwiastkiem niezbędnym do normalnego rozwoju i życia dla organizmów żywych, jest też ważnym składnikiem porfiryn np. hemoglobiny. Zarówno jego zbyt wysokie jak i zbyt niskie stężenia mogą powodować wiele zaburzeń wzrostu i rozwoju roślin oraz zwierząt. Żelazo nadaje gorzk-słodki smak wodzie pitnej, dlatego maksymalne dopuszczalne stężenie tego pierwiastka w wodzie powinno wynosić 2 mg/l.

2. Aniony występujące w wodach naturalnych.

Anion chlorkowy znajduje się we wszystkich wodach naturalnych, przede wszystkim dzięki powszechnie występującym w przyrodzie pokładami soli (NaCl i MgCl₂) a także dzięki temu że chlorki, głównie NaCl, KCl, MgCl₂ i CaCl₂ dobrze się rozpuszczają. Największe pokłady chlorków znajdują się w wodach morskich. Związki chloru występują także w organizmach roślinnych i zwierzęcych. A oprócz naturalnych pokładów soli chlorkowych, do wód naturalnych jon ten może dostawać się też w wyniku zanieczyszczenia ściekami gospodarczymi czy przemysłowymi. Zawartość jonów chlorkowych w wodach naturalnych może wynosić od kilkudziesięciu części g/l aż do kilkuset kg/m³ wody.

Anion wodorowęglanowy jest w wodach najwięcej, i powstaje on w wyniku rozpuszczania się węglanu wapnia czy też węglanu magnezu: CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-; MgCO₃+CO₂+H₂O=Mg²⁺+2HCO₃^-. Stężenie jonu wodorowęglanowego mieści się w granicach 100 mg/l ale istnieją wody o stężeniu nawet 200 mg/l. Ważne jest także że jon ten istnieje w równowadze z CO².

Anion siarczanowy obok chlorków są najbardziej rozpowszechnione w wodach naturalnych. Dostają się do wody na skutek wymywania skał osadowych (w skład których wchodzi gips CaSO4*2H2O lub anhydryt CaSO₄) , z ługowania gleb, a także podczas utleniania siarczków metali ciężkich według następujących reakcji: PbS+2O₂=PbSO₄; 2FeS+7O₂+2H₂O=2FeSO₄+2H₂SO₄ siarczany dostają się także do wód z gazów wulkanicznych i z atmosfery zanieczyszczonej SO₂ i SO₃, które to składniki są wymywane przez wody opadowe. Siarczany mogą pochodzić również z zanieczyszczeń ściekami. Jego stężenie wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu mg/l.

Pozostałe aniony występujące w wodach: NO₃^-, NO₂^-, HPO₄^2-, H₂PO₄^-, F^-, B₄O₇^2-

3. Gazy występujące w wodach naturalnych

Wyróżniamy dwutlenek węgla, tlen, azot, siarkowodór, metan, dwutlenek siarki, wodór, radon i inne gazy szlachetne. Są one pochodzenia atmosferycznego (O₂, N₂, CO₂, SO₂) chemicznego (CO₂, SO_{2 ,} H₂S, H₂, N₂, CH₄) biochemicznego - powstające z biochemicznego rozkładu substancji w warunkach tlenowych i beztlenowych (H₂S, H₂, N₂, CH_4, CO₂) oraz radioaktywnego (Rn, He). Mają one różne znaczenie - zmieniają właściwości wody jako rozpuszczalnika, działają leczniczo oraz niektóre działają agresywnie na materiały budowlane.

Tlen - pochodzi z powietrza atmosferycznego oraz z procesów fotosyntezy roślin wodnych. Występuje w wodach opadowych, powierzchniowych i płytkich podziemnych - tych które stykają się z powietrzem. W wodach wgłębnych są śladowe ilości tlenu bądź też wcale go nie ma. Zawartość O₂ zmniejsza oddychanie organizmów, utlenianie substancji nieorganicznych (takich jak Fe²⁺, H₂S) oraz rozkład substancji organicznych. Rozprzestrzenianie się tlenu w zbiornikach wodnych następuje w wyniku dyfuzji -gdy zbiornik jest stateczny oraz na skutek zjawiska konwekcji dzięki czemu tlen może dojść do głębszych warstw. Zawartość tlenu rozpuszczonego jest podstawowym wskaźnikiem jakości wód podziemnych. Im więcej jest zanieczyszczeń związkami organicznymi tym większe jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen, a zawartość tlenu w wodzie się zmniejsza. Jeżeli dojdzie do sytuacji że tlenu doprowadzanego do wody będzie mniej niż zużywanego wtedy wystąpi deficyt tlenowy. Wywołuje to wtedy zaburzenia w biocenozie np. śnięcie ryb. Dalej posunięty proces prowadzi do pojawienia się procesów beztlenowych, a wkrótce ich przewadze nad procesami tlenowymi. W warunkach beztlenowych żyją jedynie niektóre gatunki bakterii, więc życie w takim zbiorniku wodnym przestaje istnieć. Tlenu wodzie jest w temp.0°C ok. 13mg/l, natomiast w temp.20°C ok. 9mg/l.

Dwutlenek węgla - pochodzi z atmosfery (pochłanianie odbywa się wówczas, gdy zawartość CO₂ jest mniejsza niż jego rozpuszczalność. Jednak w wodach rzecznych i jeziorach zazwyczaj jest to niemożliwe do spełnienia, więc obserwujemy odwrotny proces - wydzielania się CO₂ do atmosfery) oraz z rozkładu związków organicznych a także z procesów metabolicznych przeprowadzanych przez organizmy żywe. Może się uwalniać również w wodzie z wodorowęglanów: 4Fe²⁺+8HCO₃+2H₂O+O₂=4Fe(OH)₃+8CO_2. Do procesów zmniejszających zawartość CO₂ w wodach naturalnych należą: wydzielanie CO₂ do atmosfery z powodu przesycenia wody tym gazem, zużywanie CO₂ w procesie rozpuszczania skał węglanowych CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca₂⁺ + 2HCO₃^-, zużywanie CO₂ przez roślinność wodną w procesie fotosyntezy. Małą zawartość dwutlenku węgla wykazują morza i oceany jak również płytkie wody stojące, w których proces fotosyntez powoduje czasem całkowite wyczerpanie tego gazu. Znane są różne formy występowania CO₂ w wodzie. Ogólny CO₂ dzieli się na wolny, związany, agresywny i równowagi. Wolny występuje w wodach naturalnych w postaci rozpuszczonego CO₂ i kwasu węglowego. Stanowi on sumę CO₂ równowagi i CO₂ agresywnego, przy czym układ ten nie jest stabilny. CO₂ równowagi stanowi część wolnego CO₂ niezbędnego do utrzymania wodorowęglanów w roztworze, zgodnie z reakcją: Ca(HCO₃)₂ → CO₂ + CaCO₃ + H₂O. Pozostały CO₂ może wykazać działanie agresywne w stosunku do betonu i stali, stąd określa się go jako agresywny. Dwutlenek węgla związany występuje pod postacią HCO₃^-. Zawartość CO₂ w wodach naturalnych waha się od kilku do kilkuset(wody podziemne) mg/l.

Siarkowodór - może być pochodzenia mineralnego (w wodach podziemnych w obecności dwutlenku węgla i związków żelaza na skutej rozkładu pirytów), organicznego (z rozkładu w warunkach beztlenowych związków organicznych zawierających siarkę) lub biologicznego (powstaje z redukcji siarczanów). Jego obecność w wodach powierzchniowych jest zjawiskiem stosunkowo rzadkim, gdyż łatwo ulega utlenieniu -istnieje tylko w warunkach beztlenowych. W wyższych warstwach może być utleniany do wolnej siarki, która później opada na dno i przy obecności O₂ tworzy siarczany H₂S+½O₂=H₂O+S; H₂S+2O₂=H₂SO₄. Źródłem w wodach podziemnych są gazy wulkaniczne jak również ścieki przemysłowe. H₂S jest słabym kwasem, który dysocjuje dwustopniowo H₂S → H⁺+HS^-; HS^- → H⁺+S^-2. W wodach naturalnych siarkowodór występuje zatem w postaci jonów HS^- i H⁺.

Wody naturalne mają zróżnicowany skład gazowy, zależny od środowiska. Woda z rejonów wulkanicznych zawiera głównie metan, wodór, dwutlenek węgla i siarki. W głębokich wodach morskich na skutek braku naturalnej cyrkulacji występuje całkowity brak tlenu i przesycenie dwutlenku węgla, duża zawartość metanu oraz siarkowodoru. Wody powierzchniowe i opadowe są przesycone tlenem, w mniejszym stopniu zaś dwutlenkiem węgla i azotu. W wodach podziemnych zawartość tlenu maleje wraz z głębokością, w dużych ilościach natomiast występuje dwutlenek węgla, azot, wodór i inne gazy pochodzące z różnych procesów.

4. Substancje organiczne występujące w wodach naturalnych

Najważniejszym pierwiastkiem tworzącym związki organiczne jest węgiel. Substancje organiczne wchodzą w skład organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących w wodzie lub są produktami: ich działalności życiowej oraz rozkładu obumarłych organizmów. W wodach naturalnych powstają również w wyniku takich procesach jak chemosynteza i fotosynteza. Obydwa procesy polegają na wytwarzaniu z prostych, nieorganicznych związków substancje organiczne (humosowe). Chemosynteza korzysta z energii wydzielającej się podczas procesów chemicznych, a fotosynteza korzysta z energii słonecznej. Głównym źródłem wzbogacającym zbiorniki wodne w substancje organiczne są ścieki, czyli substancje pochodzące z zewnątrz (allochtoniczne). Natomiast autochtoniczne są to substancje genetycznie związane z danym zbiornikiem wodnym. Substancje organiczne mogą być pochodzenia naturalnego (roślinnego lub zwierzęcego) lub sztucznego. Związki organiczne dzielimy na trzy grupy: acykliczne (zawierające prosty lub rozgałęziony łańcuch złożony z atomów węgla np. węglowodory nasycone i nienasycone), karbocykliczne (wyróżniamy alicykliczne i aromatyczne związki posiadające zamknięty łańcuch atomów węgla, czyli pierścień np. cyklopropan, benzen) i heterocykliczne (tworzące pierścienie, w których obecne są oprócz atomów węgla również inne pierwiastki np. pirydyna). Materia organiczna w glebie składa się z substancji: próchniczych (humusowych), bitumicznych, węglowodorów, białek, aminokwasów oraz z nie do końca rozłożonych cząstek organicznych. Substancje organiczne można podzielić w zależności od budowy chemicznej na grupy: węglowodory, związki halogenowane, kwasy karboksylowe i estry oraz związki tlenowe.

Węglowodany - czyli cukry charakteryzują się naturalnym pochodzeniem bądź są produktami rozkładu obumarłych szczątków zwierzęcych i roślinnych. W wodach naturalnych występuje zazwyczaj mieszanina węglowodanów w postaci rozpuszczonej lub jako koloidy. Zależnie od wielkości dzielimy je na monosacharydy i cukry złożone (poli i oligosacharydy). Monosacharydy są cukrami prostymi (C_nH_2nO₂). Ponadto dzielimy je jeszcze ze względu na ilość tlenów w cząsteczce. Dwa zawierają biozy, trzy - triozy, pięć - pentozy. Najważniejszą pentozą jest ryboza, natomiast do heksoz należą np.: glukoza, fruktoza. Cukry proste to substancje stałe, higroskopijne i dobrze rozpuszczalne w wodzie. Oligosacharydy są zbudowane z monosacharydów połączonych wiązaniami glikozydowymi (tworzą się między grupami OH) np. maltoza C₁₂H₂₂O₁₂ oraz o takim samym wzorze strukturalnym: laktoza i sacharoza. Natomiast polisacharydy składają się z setek, a nawet tysięcy cząsteczek monosacharydów. Zazwyczaj są to substancje zapasowe (skrobia, glikogen, celuloza zapasowa) albo budulcowe (celuloza).

Tłuszcze - są mieszaniną estrów wyższych kwasów karboksylowych i glicerolu. Tłuszcze właściwe są mieszaniną trój, dwu i jednoglicerydów. Występują one we wszystkich organizmów żywych, w których pełnią funkcję budulcową, zapasową i energetyczną. Tłuszcze w wodach naturalnych są pochodzenia naturalnego i pochodzą z rozkładu organizmów wodnych lub mogą pochodzić z zanieczyszczeń ściekami miejskimi i przemysłowymi. Występują w wodzie pod postacią emulsji i jako roztwory koloidalne.

Białka - w wodach naturalnych pochodzą z rozkładu obumarłych organizmów roślinnych i zwierzęcych żyjących się w wodzie lub dostają się wraz ze ściekami. Białka zbudowane są z aminokwasów, które zawierają dwie grupy funkcyjne: karboksylową COOH i aminową NH₂.

Lignina - dostaje się do wód naturalnych w wyniku rozkładu roślin oraz ze ścieków pochodzących głównie z przemysłu papierniczego.

5.Substancje biogenne w wodach naturalnych.

Substancje biogenne to takie, które są wchodzą w skład organizmów roślinnych i zwierzęcych, i są niezbędne do życia. Stanowią materiał budulcowy.

Związki azotu (w postaci azotynów i soli amonowych) są wykorzystywane przez wszystkie rośliny, w związku z tym aby zawartość ich w glebie i wodzie nie uległa wyczerpaniu istnieje ciągły obieg azotu w przyrodzie. Najwięcej azotu, bo aż 90% skoncentrowane jest w atmosferze. Azot tan tworzy trwałe cząsteczki dwuatomowe N₂ i dopiero podczas wyładowań atmosferycznych azot wiąże się z tlenem i wodą tworząc kwas azotowy HNO₃, 2NO+O₂2NO₂; 2NO₂+H₂OHNO₃+HNO₂, który z wodami opadowymi przedostaje się do gleby. Niektóre bakterie azotowe żyjące w glebie i na korzeniach roślin motylkowych (brodawkowe) maja zdolność do asymilowania azotu atmosferycznego. Poza powietrzem atmosferycznym azot występuje w saletrze sodowej jako azotan sodowy NaNO₃ i saletrze potasowej KNO₃. Niewielkie ilości znajdują się również w glebie i w wodach naturalnych pod postacią rozpuszczonych soli i związków organicznych oraz w żywej biomasie, jako podstawowy składnik białka roślinnego i zwierzęcego. Rozkład białka roślinnego lub zwierzęcego powoduje, że azot zawarty w związkach organicznych przechodzi w azot amonowy, a proces ten nazywamy deaminacją. Na przykładzie glicyny: CH₂NH₂COOH + ³/₂O₂ → 2CO₂ + H₂O + NH_3. Część azotu wydalana jest w fekaliach i moczu pod postacią mocznika, który w wodzie szybko utleniany jest do amoniaku: CO(NH₂)₂ + 2H₂O → 2NH₃ + H₂CO_3. Uwolniony amoniak dalej może służyć do produkcji białka w procesie asymilacji. Część amoniaku w warunkach tlenowych jest utleniany do azotynów, a następnie do azotanów w obecności bakterii, a proces ten nazywa się nitryfikacją. 15NH₄⁺ + 26HCO₃^- + 2O₂ → HNO₃^- + 23H₂O + 6H₂CO₃ + 4C₅H₇NO₂. W warunkach beztlenowych następuje redukcja NO₃^- i NO₂^- do tlenków azotu lub wolnego azotu, a proces ten nazywa się denitryfikacją: 2HNO₃ → 2HNO₂ → (I)N₂O → N₂ lub 2HNO₂ → (II)2NO. Denitryfikacja występuje w warstwach przydennych zbiornika wodnego, gdzie istnieją strefy beztlenowe i w osadach dennych. Przy obecności tlenu mogą zachodzić tu również procesy nitryfikacji. W wodach powierzchniowych świeżo zanieczyszczonych ściekami azot występuje w formie organicznej jako białko lub produkty jego rozkładu i jako amoniak. W wodach naturalnych związki azotu mogą być zarówno organiczne, jak i nieorganiczne.

Związki fosforu - jest składnikiem organizmów roślinnych i zwierzęcych jako istotny składnik kości i białka. W postaci kwasów nukleinowych występuje w komórkach nerwowych i w mózgu. W wodach naturalnych fosforu jest niewiele (od dziesiątych części mg/l w wodach podziemnych do kilku mg/l w wodach powierzchniowych. Związki fosforu mogą pochodzić również z gleb nawożonych nawozami fosforowymi oraz ze ścieków. W wodzie fosfór występuje pod postacią różnych związków np. ortofosforanów, fosfolipidów, pestycydów i polifosforanów.

Związki krzemu - wchodzą w skład krzemianów, glinokrzemianów, kwarcu i piasku. Najbardziej pospolitym związkiem krzemu jest krzemionka SiO₂, która buduje organizmy żywe (np. u roślin wytrzymałe ściany komórek). W wodach naturalnych najczęściej występuje pod postacią rozpuszczonych metakrzemianów, czyli słabych kwasów, które dysocjują: H₂SiO₃ → H⁺+HSiO₃^- ; HsiO₃^- → H⁺+SiO₃^2-.

Związki żelaza - żelazo trójwartościowe występujące wyłącznie w wodach powierzchniowych, natomiast żelazo dwuwartościowe w wodach podziemnych. Fe²⁺ przechodzi w roztwór głównie w postaci wodorowęglanu żelaza. Przy zawartości dwutlenku węgla poniżej stanu równowagi i przy przyjmowaniu rozpuszczonego tlenu zachodzi hydroliza i żelazo przechodzi w trudno rozpuszczalny wodorotlenek żelaza . Fe²⁺ + 2HCO₃^- + 2H₂O<->Fe(OH)₂ + 2H₂CO₃. Wodorotlenek żelaza(II) dalej łatwo utlenia się i przechodzi w wodorotlenek żelaza(III) nierozpuszczalny w wodzie. 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O<-> 4Fe(OH)₃. Wody zawierające żelazo mają zwykle odczyn kwaśny.

6.Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT_n) - przebieg procesu, czynniki wpływające na wartość, interpretacja wyników

Biochemiczne zapotrzebowanie tlenu określane po n dniach, zazwyczaj 5 określa różnicę zawartości tlenu rozpuszczonego na początku i po n dniach inkubacji (w warunkach bez dostępu światła, tlenu i w temperaturze pokojowej), co pokazuje ilość tlenu zużytego na biochemiczne utlenianie związków organicznych (rozkładają się biochemicznie w warunkach tlenowych, w obecności substancji pokarmowych i przy udziale mikroorganizmów, czego produktem końcowym są związki nieorganiczne). Na skutek tego, że związki obecne w wodzie z różną szybkością się utleniają, aby uzyskać najbardziej zadowalające wyniki trzeba prowadzić proces przez około 20 dób. Jednak najintensywniej procesy te przebiegają przez pierwsze 5 dób dlatego stosuje w praktyce pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (po 5 dobach następuje około 70% całkowitego BZT). W wodach czystych wartość BZT wynosi kilka mg/l, w zanieczyszczonych nawet kilkadziesiąt mg/l. Metoda ta pozwala określić rozkładalność jedynie związków łatwo rozkładalnych, a ponieważ w środowisku, a szczególnie w ściekach istnieje bardzo dużo trudno rozkładalnych substancji częściej niż BZT stosuje się chemiczne utleniacze (ChZT), które są w stanie rozłożyć nawet te trudno rozkładalne związki, dlatego ChZT>BZT. BZT₅, czyli biochemiczne zapotrzebowanie tlenu jest zatem umownym wskaźnikiem zanieczyszczenia organicznego,natomiast BZT, czyli biologiczne zużycie tlenu określa procesy rozkładu związków organicznych. Proces ten jest zależny od wielu czynników m.in.: pH, temperatury, zawartości tlenu i substancji pożywkowych, obecności substancji toksycznych oraz od ilości, jakości i wydajności mikroorganizmów. Reakcja biochemicznego rozkładu związków organicznych przy udziale bakterii wygląda następująco: substancja organiczna + O₂ → CO₂ + H₂O + bakterie; Do opisu przebiegu procesu BZT stosowano równanie: y = L_o(1-10^-k1*t), gdzie Lo-całkowita zawartość rozkładalnych związków organicznych, y-ilość substancji organicznych rozłożona po czasie t, k₁-stała szybkości reakcji. Jednak nie odpowiada ono w pełni przebiegowi BZT, dlatego wprowadzono również inne równania np. logarytmiczne, paraboliczne, czy uwzględniające poszczególne fazy procesu.

7. ChZT i indeks nadmanganianowy

Nazywany chemicznym zapotrzebowaniem tlenu. Związki organiczne trudniej lub wcale nie ulegające rozkładowi poddaje się działaniu silnego utleniacza np. nadmanganianu potasu KMnO₄, dichromianu potasu K₂Cr₂O₇ lub nadjodanu KIO₃. Metoda z nadmanganianem nazywana jest utlenialnością, a jej wynik podawany jest w mg/l zużytego tlenu. Na podstawie zużytego utleniacza określamy ilość związków organicznych w wodzie. Związki organiczne występują w dużej różnorodności, jedne z nich utleniają się łatwiej, inne trudniej, jedne potrzebują do utlenienia więcej utleniacza, a inne mniej. W wodach naturalnych procentowy skład związków organicznych jest bardzo podobny i dlatego metodę tę możemy stosować uzyskując dość dużą dokładność. W metodzie ChZT z dichromianem stosujemy o wiele ostrzejsze warunki, dlatego metody tej używa się dla ścieków i wód zanieczyszczonych zawierających trudno utleniające się związki pochodzenia antropogenicznego, np. węglowodory. Metodę indeksu nadmanganianowego stosujemy dla czystych i lekko zanieczyszczonych wód naturalnych. Metody przeprowadzamy podobnie, określając ilość zużytego utleniacza na podstawie różnicy pomiędzy początkową ilością utleniacza a końcową. Jak same nazwy wskazują w pierwszej metodzie używamy nadmanganianu jako utleniacza, w drugiej zaś dichromianu.

8. Azot ogólny Klejdahla i AOX

AOX są to absorbujące się organiczne halogeny, czyli fluorowce o złożonej strukturze, mało lotne i trudne do oznaczenia. Występują w wodzie morskiej w postaci minerałów, stanowią krystaliczne związki jonowe, polarne, dobrze rozpuszczalne w wodzie np. chlorowane ligniny. Stosowane są w przemyśle chemicznym i ze ściekami mogą dostawać się do wód. Pomimo małego stężenia są bardzo toksyczne i mają właściwości rakotwórcze. Oznaczanie polega na określeniu zawartości wszystkich związków zawierających halogeny. Azot ogólny stanowi sumę azotu organicznego, który występuje w białkach, polipeptydach, moczniku, aminach i innych związków. Wyróżniamy azot występujący w postaciach: azotyny, azotany, azydki, azozwiązki, oksymy, hydrazony oraz azyny. Oznaczamy metodą Klejdahala które polega na dwóch procesach destylacji i mineralizacji. Azot ogólny wykorzystuje się do określania wodnego bilansu tlenowego w wodach naturalnych.

9. Wskaźniki ogólnej zawartości substancji mineralnych

10. Związki siarki w atmosferze

W skali światowej 1/3 związków siarki wprowadzana jest do powietrza atmosferycznego przez źródła przemysłowe-sztuczne (powstaje głównie w wyniku spalania paliw kopalnych -węgla i ropy naftowej, w trakcie którego utleniana jest siarka w nich zawarta). Pozostałe 2/3 pochodzą ze źródeł naturalnych, czyli wybuchów wulkanów, procesów rozkładu materii organicznej, pożarów lasów i stepów oraz erozji gleb. Zanieczyszczenia pochodzące ze źródeł naturalnych są rozłożone równomiernie na dużych obszarach, co ułatwia ich niwelację w naturalnym obiegu, natomiast te pochodzące ze źródeł sztucznych koncentrują się w dużych ilościach na małych obszarach (głównie nad miastami lub fabrykami). Związki siarki stanowią liczną grupę zanieczyszczeń powietrza, a najważniejsze są dwutlenek i trójtlenek siarki oznaczane sumarycznie jako SO_x.. Znacznie większe ilości powstają dwutlenku siarki SO₂ niż trójtlenku SO₃. Istnienie SO₃ jest możliwe w atmosferze tylko przy braku obecności pary wodnej. Gdy tylko ona jest trójtlenek siarki szybko utlenia się do kwasu siarkowego(VI): SO₃+ H₂O → H₂SO₄. Kwas siarkowy ulega dysocjacji elektrolitycznej w kropelkach wody, w wyniku czego powstają jony SO₄^-2 i H⁺ , które stanowią główne związki zakwaszające. W ciągu dnia, przy małej wilgotności zachodzą procesy fotochemiczne (hv), które polegają na katalitycznym utlenianiu SO₂ w obecności tlenków azotu do SO₃. Reakcja przebiega następująco: 2SO₂ + O₂ → 2SO_3. Na skutek pochłonięcia wysoko energetycznego promieniowania słonecznego cząstka SO₂ ulega wzbudzeniu i reaguje z tlenem cząsteczkowym, w wyniku czego powstaje SO_3. Nocą, gdy wilgotność powietrza jest większa lub występują opady następuje sorpcja SO₂ na kropelkach wody (lub pyłów) z wytworzeniem siarczanów. Reakcja ta jest możliwa, gdyż obecność tlenków azotu znacznie zwiększa szybkość utleniania się dwutlenku siarki. Kolejnym, toksycznym związkiem siarki jest siarkowodór mający charakterystyczny zapach. Siarkowodór wydzielany jest w wyniku działalności wulkanicznej oraz z gorących źródeł jak również w wyniku beztlenowych procesów rozkładu substancji organicznych. W powietrzu atmosferycznym jest on szybko utleniany do dwutlenku siarki SO₂: H₂S + ³/₂O₂ → H₂O + SO₂. Innymi zanieczyszczeniami powietrza będącymi związkami siarki są: dwusiarczek węgla CS₂ oraz siarczek metylowy CH₃SCH₃.

11. Tlenki azotu w atmosferze

Powietrze atm. składa się w 78% z azotu. Znane są związki azotu występujące w powietrzu w postaci: NO, NO₂, NH₃, N₂O, N₂O₅. Zasadniczą rolę jednak jako zanieczyszczenia pełnią NO-gaz bezbarwny i bezwonny oraz NO₂-o brunatnej barwie i duszącym zapachu określane jako NO_x. Tlenek azotu emitowany jest do atmosfery w znacznie większych ilościach niż dwutlenek azotu, gdyż powstaje w wyniku spalania w wysokich temperaturach według reakcji: N₂ + O₂ → 2NO. Przy stopniowym obniżaniu temperatury powstały tlenek azotu będzie ulegał dysocjacji na jony N₂ i O₂. Jeżeli temperatura zostanie obniżona gwałtownie wówczas tlenek azotu nie ulegnie rozpadowi i wystąpi w niskiej temperaturze. W temperaturze pokojowej azot i tlen nie wchodzą w reakcję. Bardzo wolno z tlenku azotu powstaje dwutlenek azotu, na co wpływ ma temperatura i stężenie. Wraz ze wzrostem temperatury szybkość tej reakcji maleje. W niższych temperaturach, gdzie szybkość tej reakcji powinna być większa obserwuje się negatywny wpływ stężenia i szybkość również maleje. Naturalnym źródłem tlenków azotu są procesy biologicznego rozkładu i są one rozłożone równomiernie, natomiast te pochodzące z przemysłu (spalanie węgla i paliw) mają układ nierównomierny i ich wartości są nawet 10000 krotnie większe. Tlenki azotu mają szkodliwy wpływ na środowisko również przez ich dużą rolę w tworzeniu się w procesie fotochemicznym utleniaczy stanowiących najszkodliwsze składniki smogu. Utleniacze te powstają gdy zostanie zaburzony naturalny cykl przemian tlenków azotu przez zanieczyszczenia docierające do atmosfery np. węglowodory. Zachodzą wówczas reakcje fotodysocjacji NO₂* NO₂, które absorbują ultrafioletowe promieniowanie zgodnie z reakcją: NO₂ → NO + O. Ta reakcja odgrywa dużą rolę w powstawaniu smogu fotochemicznego. Działa to niekorzystnie na mieszkańców miast, a szczególnie na osoby ze schorzeniami układu oddechowego. Naturalnym źródłem NO_x są procesy biologiczne, a zwłaszcza procesy przemiany materii niektórych bakterii, w wyniku których powstaje NO. Gleby Ziemi są bogate w różnorodne związki azotu np. mocznik (diamid kwasu węglowego NH₂CONH₂). W wyniku hydrolizy zachodzi przemiana NH₂CONH₂ w amoniak (NH₃) i CO₂: NH₂CONH₂ + H₂O → 2NH₃ + CO₂ . Jeśli gleba, w której przebiega hydroliza ma odczyn alkaliczny, może wydzielać się gazowy amoniak, podczas gdy w środowisku kwaśnym amoniak reaguje z wytworzeniem jonów amonowych(NH₄⁺) NH₃ + H⁺ → NH₄⁺ . Podczas wyładowań atmosferycznych azot wiąże się z wodą tworząc kwas azotowy HNO₃: 2NO₂+H₂OHNO₃+HNO_2, który duże znaczenie ma w procesie powstawania kwaśnych deszczy.

12. Ozon w troposferze i stratosferze

Jest to niebieskawy gaz będący reaktywną odmianą tlenu, cięższy od powietrza, o charakterystycznym zapachu. Nawet w niewielkich stężeniach jest gazem toksycznym. Powstaje na dużych wysokościach w reakcjach fotochemicznych - jako odmiana alotropowa tlenu może powstawać z tlenu atmosferycznego pod wpływem wyładowań elektrycznych lub pod wpływem działania światła słonecznego na tlen. Powsatje gdy tlen cząsteczkowy zderzy się z tlenem atomowym. Ozon powstaje również nad miastami w wyniku reakcji fotochemicznych zachodzących w powietrzu zanieczyszczonym tlenkami azotu, węglowodorami i tlenkiem węgla. Stężenie ozonu w atmosferze zależy od wysokości. Ozon oraz jednoatomowy tlen O występują w górnych warstwach atmosfery - prawie 90% ozonu znajduje się w stratosferze na wysokości 23-25km.Największą wartość stężenie ozonu przybiera w stratosferze na wysokość 20 km (0,2 ppm). Do dolnych, gęstych warstw atmosfery ozon przenika w niewielkich ilościach, gdzie szybko ulega rozpadowi. Jest to troposfera, której pułap sięga (w zależności od szerokości geograficznej) wysokości 8-17 km, zawierająca około 10% ozonu. Ozon ma szczególną właściwość do szybkiego absorbowania promieniowania ultrafioletowego w zakresie 200-300 nm, co chroni ziemię przed nadmiernym promieniowaniem nadfioletowym. Jako silny środek bakteriobójczy nie występuje w wodach naturalnych, ma jednak znaczenie przy uzdatnianiu wody jako substancja silnie utleniająca (ozonowanie stosowane coraz częściej zamiast chlorowania). Znaczny spadek stężenia tego gazu powodują: para wodna i tlenki azotu, które wchodzą z nim w reakcje oraz niszczące go freony a także wysoko latające samoloty odrzutowe. Termiczny rozkład ozonu przebiega zgodnie z równaniami: O₃ + M → O₂ + O + M; O + O₂ → O₃ + M; O + O₃ → 2O_2. Reakcja z tlenkiem azotu: NO + O₃→ NO₂ + O₂ +200 kJ równocześnie z fotolizą dwutlenku azotu: NO₂ → NO + O; O + O₂ → O₃ + M; NO + O₃ → NO₂ + O₂. Reakcja z dwutlenkiem węgla jest zdecydowanie szybsza niż pozostałe reakcje ozonu. Reakcja ozonu z dwutlenkiem węgla przebiega następująco: 2NO₂ + O₃ → N₂O₅ + O₂.

13. Dziura ozonowa

Freony to gazy lub łatwo lotne związki węgla z fluorem i z chlorem(CFCl), są bardzo mało toksyczne, niepalne, nietrujące - do niedawna powszechnie stosowane w dezodorantach i w lodówkach jako materiał chłodzący. Charakteryzują się dużą prężnością pary w niskich temperaturach i dużym ciepłem parowania umożliwiającymi zastosowanie ich jako czynników chłodzących w instalacjach chłodniczych oraz jako rozpuszczalniki. Najbardziej znanymi i najczęściej używanymi freonami jest dichlorodifluorometan (CCl₂F₂) oraz dichlorotetrafluoroetan (C₂Cl₂F₄). Jednak uwalniane w coraz większej ilości zaczęły się przedostawać do wyższych warstw atmosfery, gdzie jest ok. 90% ozonu, chętnie z nim reagując i przez to niszcząc naturalną warstwę ochronną ziemi. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego freony ulegają fotolizie, w wyniku czego uwalniane zostają atomy chloru. Chlor wchodzi w reakcję z ozonem, tworząc równie aktywny tlenek chloru (ClO) oraz zwykły tlen (O₂). Następnie reakcja dwóch cząsteczek tlenku chloru prowadzi do powstania cząsteczki dwutlenku chloru (ClO₂) oraz uwolnienia kolejnego atomu chloru, który rozbija następne cząsteczki ozonu. Oprócz tego dwutlenek chloru może ulegać rozpadowi na atom chloru oraz dwuatomową cząsteczkę tlenu. Reakcje chemiczne zachodzące podczas niszczenia ozonu: C_nCl_xF_y→C_nF_y + x Cl; Cl + O₃→ClO + O_2; 2ClO → ClO₂ + Cl; ClO₂ → Cl + O_2. Reakcje przebiegają aż do całkowitego wyczerpania się cząsteczek ozonu lub do momentu usunięcia chloru wskutek innych reakcji chemicznych. Reakcje niszczenia ozonu przez freony przebiegają szybciej, niż reakcje powstawania ozonu, zatem jego koncentracja wyraźnie ulega zmniejszeniu. Reakcje te przebiegają wyjątkowo szybko w niskiej temperaturze. Co w pewien sposób może tłumaczyć dramatyczny spadek ilości ozonu, obserwowanego nad kontynentem antarktycznym.

14. Procesy fotochemiczne w atmosferze

Absorbancja fotonu A + hυ → A^x przez atom lub cząsteczkę lub wolny rodnik przy udziale światła w zakresie widzialnym i ultrafioletowym rozpoczyna każdy proces fotochemiczny. Wywołuje to wzbudzenie cząsteczki, która może następnie ulec takim przemianom jak: fluorescencja, dezaktywacja zderzeniowa, dysocjacja lub bezpośrednia reakcja. W powstawaniu smogu fotochemicznego obserwujemy dysocjację wzbudzonej cząsteczki i mówimy, że jest to pierwotna reakcja fotochemiczna. Natomiast gdy w kolejnych reakcjach biorą udział produkty powstałe w poprzednich mówimy, że są to wtórne reakcje fotochemiczne. Ilość reakcji fotochemicznych jest zależna od natężenia promieniowania słonecznego, które zależy od szerokości geograficznej, pory dnia i roku, zachmurzenia i zanieczyszczenia w atmosferze: E = hυ; c = λυ; E = hc/λ. Substancjami absorbującymi promieniowanie w zakresie 300-700 nm są np. ozon, tlen, dwutlenek siarki i azotu. Substancjami nie absorbującymi w tym zakresie są np. azot, woda, tlen i dwutlenek węgla. W okresie powstawania smogu fotochemicznego stężenia substancji absorbujących są na danym terenie zmienne. Wśród wtórnych reakcji fotochemicznych wyróżniamy reakcje: z udziałem trzeciego ciała (M), z tlenem atomowym, z ozonem oraz z wolnymi rodnikami.

16. Woda w glebie

Woda występuje w przyrodzie w trzech stanach skupienia: stałym (lód), ciekłym (woda) i gazowym (para). Znajduje się w nieustannym obiegu pomiędzy ziemią a atmosferą. Gleba ma strukturę porowatą, ma dużo wolnych przestrzeni pomiędzy granulkami ciała stałego. Są one zajmowane przez wodę albo powietrze. Woda to ważny element gleby dla rozwoju organizmów ale również z punktu widzenia wód podziemnych. Woda jest związana w różnym stopniu z cząsteczkami gleby. Niektóre minerały są uwodnione. Rozróżniamy wodę: higroskopijną, która jest związana siłami Van der Waalsa z cząstkami glebowymi i nie może być pobrana przez mikroorganizmy i rośliny wyższe; błonkowatą, która tworzy się na powierzchni błonek wody higroskopijnej. Jest słabiej związana niż woda kapilarna. Bierze udział w procesach glebowych; oraz kapilarną, która wypełnia włoskowate kawałki glebowe i jest dostępna dla roślin dzięki siłom kapilarnym. Woda przylega do ścianek, a siły włoskowate powodują, że nie może spłynąć i zostaje zatrzymana. Woda która nie jest zatrzymywana spływa w dół do wód gruntowych i jest to czwarty typ - woda grawitacyjna, która wypełnia szerokie przestrzenie pomiędzy cząstkami gleby, jest łatwo dostępna dla roślin i przyczynia się do przewietrzania gleb. Znajduje się nad lustrem wód gruntowych. Piąty typ jest to woda gruntowa, czyli swobodna, nie związana z cząstkami gleby, płynąca, wypełniająca przestrzenie.

17.Główne minerały glebowe

Gleba - kilkudziesięcio centymetrowa warstwa gruntu składa się głównie z wody, gazów, i ciał stałych. W glebie na pewnej wysokości nie ma części organicznych, są tylko mineralne. Skorupa Ziemska składa się z wielu związków chemicznych o różnych strukturach. Minerały obecne w skorupie to krzem - 27,7% (krzemionki, krzemiany, glinokrzemiany), glin - 8,1%, żelazo - 5%, wapń - 3,6%, sód - 2,8%, potas - 2,5%, magnez - 2,1% oraz pozostałe takie jak fosfor, mangan, bor, miedź, molibden, kobalt - 1,4%. W zależności od stopnia zwietrzenia części mineralne gleby dzieli się według wielkości na: części szkieletowe (kamienie, żwir) - powyżej 1 mm średnicy, części ziemiste - poniżej 1mm średnicy (piasek, pył), części spławialne - poniżej 0,02 lub 0,01mm, a wśród nich ważne części ilaste (to znaczy ił koloidowy) - poniżej 0,0001 lub 0,0002mm.

Krzemiany (połączenie krzemionki z tlenkiem innego metalu): kwarc ( SiO₂) - nie rozkłada się już do żadnego związku

Glin (tlenek glinu może tworzyć połączenie z tlenkiem zasadowym). W krzemianach w wyniku różnych procesów krzem może być zastępowany glinem. Połączenia tlenków metali, glinu, krzemu - to glinokrzemiany, proporcje tych połączeń są różne. Wśród glinu bardzo istotną rolę odgrywają substancje ilaste, są to glinokrzemiany pozbawione trzeciego tlenku, charakteryzują się drobnymi rozmiarami < 0,2÷0,4 μm >. Ze skupisk iłów glinokrzemianowych powstają masy łupków ilastych. Gleba powstaje ze skały macierzystej w procesie wietrzenia, które obejmuje między innymi hydrolizę kwaśną, zachodzącą w obecności CO₂. Końcowym etapem takiej reakcji mogą być różne tlenki, przy czym tlenki glinu i krzemu są nierozpuszczalne w wodzie. Z minerałów ilastych powstałych w wyniku wietrzenia glinokrzemianów najważniejszymi są : kaolinit, montmorylonit oraz illit. Minerały te stanowią główne składniki gleby. Kaolinit, wchodzący w skład gliny, przedstawia glinokrzemian o stosunku krzemu do glinu 1:1. W strefie podzwrotnikowej hydroliza glinokrzemianów doprowadza do powstania koloidalnych osadów wodorotlenku glinowego i uwodnionej krzemionki, wskutek czego tworzy się boksyt bądź lateryt (boksyt zawierający znaczny procent tlenków żelaza) i opal (uwodniona krzemionka).

Węglany wapnia i magnezu - kalcyt (węglan wapnia); dolomit CaCO₃·MgCO₃ (jest to mieszanina chemiczna, nie fizyczna); magnezyt MgCO₃ ; gips CaSO₄;diaspor ( wolny tlenek glinu ) Al₂O₃

Żelazo - 5% zawarte w litosferze. W wyniku hydrolizy soli żelazowych powstają skupienia koloidalnego osadu Fe(OH)₃. Osad ten przeobraża się w limonit (towarzyszy mu często kwas fosforowy) i hematyt.- syderyt (żelazo) FeCO→ z wodą daje rozpuszczalny wodorowęglan i to jest źródło żelaza w wodach podziemnych;- hematyt Fe₂O₃; - magnetyt Fe₂O₄. W trakcie procesu wietrzenia może zachodzić utlenianie żelaza i manganu np.: Fe₂O₃ · FeO + 2O₂ → 6Fe₂O₃ (magnetyt przechodzi w hematyt). Redukcja żelaza zachodzi w obecności reduktorów np.: siarkowodoru. Duża część żelaza nie występuje w postaci krystalicznej tylko w koloidalnej. Skład mineralny gleby ma wpływ na jej barwę np.: gleba zasobna w związki żelaza - barwa czerwona.

18. Glinokrzemiany i substancje ilaste

Glinokrzemiany są to najbardziej złożone związki, składające się z krzemianów i związków glinu, mające budowę uporządkowaną np. skalenie (ortoklaz: KAlSi₃O₈, albit: NaAlSi₃O3). Ilościowy udział krzemianów i glinokrzemianów w budowie skał wynosi około 75%. Krzemiany, oprócz dominującego znaczenia skałotwórczego, mogą być także źródłem wielu cennych metali (np. krzemiany Ni, Zn, Zr, Li), tworzą również złoża wielu ważnych surowców mineralnych (kaolin, azbest, skalenie). Krzemiany, w których część anionów [SiO₄]^{4 -} zastąpiona jest anionami [AlO₄]^5-, określane są jako glinokrzemiany. Glinokrzemiany, czyli krzemiany glinu, podwójne tlenki o ogólnym wzorze mAl₂O₃⋅nSiO₂ (najprostszym wzorem jest Al₂O₃⋅SiO₂ odpowiadający: andaluzyowit oraz sylimanitowi). Ważniejszymi glinokrzemianami są także: kaolinit Al₂O₃⋅2SiO₂ i topaz Al₂SiO₄(OH,F)₂. Andaluzyt Al₂[SiO]₅ minerał, który krystalizuje w układzie rombowym, o barwie różowej, czerwonobrązowej, różowoczerwonej, białej, białoszarej, żółtej lub zielonej . Używany do wyrobu ceramiki szlachetnej oraz materiałów ogniotrwałych i kwasoodpornych. Znajduje również zastosowanie w jubilerstwie. Sylimanit Al₂SiO₅, krzemian(IV)glinu, również minerał, krystalizujący w układzie rombowym. Barwa najczęściej biała, szara, brunatna lub zielona. Częsty składnik skał metamorficznych (głównie gnejsów i łupków łyszczykowych). Topaz Al₂SiO₄(OH, F)₂, przezroczysty minerał o różnych odcieniach (głównie żółty lub złoty, czasem zielony, niebieski lub czerwony).

Substancje ilaste są to uwodnione glinokrzemiany Al, Mg i Fe np. montmorillonit, kaolinit czy illit. Decydują o plastyczności gliny, pęcznieją przy zetknięciu z wodą tworząc warstwy nieprzepuszczalne. Są wymieniaczami jonowymi, dzięki obecności H⁺. Minerały ilaste powstają głównie w wyniku wietrzenia chemicznego glinokrzemianów. Rodzaj powstających minerałów ilastych zależy od składu chemicznego wietrzejącego minerału pierwotnego oraz od warunków środowiska (odczynu, obecności różnych jonów). Odczyn kwaśny sprzyja powstawaniu kaolinitu, obojętny lub alkaliczny - montmorillonitu. Grupa minerałów ilastych wyróżnia się zespołem charakterystycznych cech, do których należą: powierzchnia właściwa - cząstki ilaste ze względu na ich drobne wymiary posiadają dużą powierzchnię zewnętrzną, elektroujemne ładunki - cząstki ilaste posiadają zazwyczaj ładunek ujemny. Powoduje on przyciąganie przez powierzchnię minerału ilastego ogromnej ilości kationów. W ten sposób powstaje tzw. podwójna warstwa jonowa, właściwości fizyczne - w zależności od wilgotności minerały ilaste wykazują odmienne właściwości. W stanie wilgotnym są one plastyczne i maziste, zaś w trakcie suszenia kurczą się, przechodząc w zwięzły i silnie scementowany materiał. Właściwości te decydują o szeregu właściwości fizycznych gleb, takich jak pęcznienie i kurczliwość, czy plastyczność i lepkość. Kaolinit Al₄(OH)₈(Si₄O₁₀) -najczęściej jest produktem wietrzenia glinokrzemianów (głównie skaleni) w środowisku wilgotnym i w obecności CO₂ (odczyn kwaśny). Proces kaolinizacji rozwija się zwłaszcza w skałach granitowych i pokrewnych. Kaolinit jest głównym składnikiem glin i iłów, występuje powszechnie w zwietrzelinach i glebach, w których wchodzi w skład frakcji ilastej. Illit-najczęściej jest produktem wietrzenia glinokrzemianów (głównie skaleni). Może również powstawać w procesach przemian innych minerałów ilastych i muskowitu. Illit jest pospolitym składnikiem iłów, występuje powszechnie w zwietrzelinach i glebach, w których wchodzi w skład frakcji ilastej. Montorillonit - powstaje w strefie wietrzenia ciemnych skał magmowych: diabazów, bazaltów i gabra w warunkach alkalicznych. Jest on głównym składnikiem iłów bentonitowych. W glebach występuje jedynie tam, gdzie zaistniały warunki alkaliczne, niezbędne przy jego tworzeniu.

19. Substancje organiczne gleb

Substancje humusowe są to różnorodne pod względem budowy chemicznej będące mieszaniną wielu związków produkty powstałe w wyniku procesu humifikacji, czyli rozkładu związków organicznych zawartych w szczątkach roślinnych i zwierzęcych na związki wielocząsteczkowe o charakterze kwasów organicznych, a ich zawartość w glebie wynosi ok 10%. Cechują się silnym brązowym lub czarnym zabarwieniem, są trudno rozpuszczalne w wodzie i powoli biodegradują się w środowisku naturalnym. Wyróżniamy humus glebowy i wodny. Humus glebowy, czyli próchnica składa się z nierozłącznych pozostałości pochodzenia roślinnego takich jak: lignina, celuloza oraz białko. Zawartość humusu w glebie stanowi od 5-75%. Podczas tworzenia substancji humusowych zachodzą procesy syntezy, polimeryzacji i kondensacji, co sprawia, że związki te łączą w sobie dużą grupę różnych związków organicznych. Udział poszczególnych grup chemicznych w substancjach humusowych jest bardzo różnorodny i jest w pełni zależny od przebiegu biochemicznych reakcji rozkładu. Kwasy fulwowe i huminowe posiadają najczęściej występujące grupy funkcyjne: karboksylową (-COOH), fenolową (grupa hydroksylowa bezpośrednio związana z pierścieniem aromatycznym), alkoholowa (-OH), metoksylowa (-O-CH3), karbonylowa(>C=O), eterowa (≥C-O-C≤), estrowa (O≡C-O-C-R). Kwasy humusowe, rozpuszczalne w roztworach o charakterze zasadowym (ługach) i dające się strącić kwasami, są słabymi kwasami organicznymi mającymi charakter koloidów o ładunkach ujemnych (pH ok 3,5). W roztworach silnie zasadowych tworzą roztwory rzeczywiste. W ich cząsteczkach stwierdzono obecność związków aromatycznych, heterocyklicznych, chinoidowych a także pirydyny oraz puryny, a najczęściej występującymi grupami funkcyjnymi są: karboksylowe, hydroksylowe, fenolowe, alkoholowe oraz metoksylowe. Przeciętnie w cząsteczce kwasu humusowego występuje: 52 atomy węgla, 2,5 atomu wodoru, 30 atomów tlenu oraz 2,6 atomu azotu przez co masy cząsteczkowe tych związków sięgają często 1500 u. Kwasy fulwowe (fulwokwasy) natomiast są to pozostałości po wyługowaniu kwasów humusowych i hematometalowych, podobne do nich pod względem budowy, ale w większym stopniu zdysocjowane prze co bardziej kwaśne. Są to zatem ogromne amorficzne grupy związków organicznych polihetero z pewnymi grupami funkcyjnymi wysunięty na zewnątrz. Przeciętna zawartość atomów węgla wynosi 43, wodoru 5,5 a azotu 1,1, a ich masa cząsteczkowa jest mniejsza od kwasów humusowych. Posiadają złocistą barwę, lepszą rozpuszczalność w wodzie i chętnie hydrolizują w środowisku kwaśnym. Wykazują własności kompleksotwórcze, głównie dzięki obecności w nich grup karboksylowej i fenolowej. Przyjmuje się, że przy pH zbliżonym do 1 kwasy fulwowe rozpuszczają się zarówno w roztworach kwaśnych jak i zasadowych. Kwasy hematometalowe różnią się od humusowych rozpuszczalnością w alkoholach, posiadają mniejsze masy cząsteczkowe (do 800 u). Pod względem składu elementarnego niewiele różnią się od kwasów humusowych.

Substancje humusowe mają istotne znaczenie dla gleb, pozytywnie wpływając na ich strukturę. Ich zawartość zależy od rodzaju gleby, składu chemicznego i pH wody. Substancje te spotykamy głównie w wodach spływających terenów bagiennych. Mają one dużą zdolność tworzenia mało trwałych kompleksów z jonami metali (szybko wydzielane są z powrotem do wody) m.in.: Fe³⁺, Al³⁺, Cu³⁺. Stwierdzono, że substancje humusowe są źródłem nie tylko przykrego zapachu i mętnej barwy, ale również kumulują substancje toksyczne (przez tworzenie kompleksów z metalami ciężkimi), adsorbują związki organiczne np. pestycydy, ftalany i węglowodory halogenowe. Ponieważ wolno się rozkładają, długo pozostają w środowisku naturalnym, wpływając na smak i barwę wody (wzrost pH powoduje wzrost barwy)

20. Metale ciężkie w środowisku - źródła obecności, mobilność, aspekty ekologiczne

Metale ciężkie to ogólny termin obejmujący grupę metali i półmetali o gęstości większej niż 6g/ml. Obejmuje następujące metale: Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn. Metale ciężkie występują w środowisku w sposób naturalny, w minerałach skałotwórczych i rudach. Występowanie metalu ciężkiego nie jest dowodem skażenia środowiska, tylko jego nadmierne stężenie. Są pierwiastkami śladowymi, gdyż stanowią 1% skał skorupy ziemskiej. Są nierównomiernie rozłożone w skałach dlatego na niektórych terenach można się spotkać z nadmiernym stężeniem danego pierwiastka, a na innych z ich brakiem. Składowiska odpadów związane z bieżącym wydobyciem i wietrzenie rud metali w dawnych lub porzuconych kopalniach stanowią istotne źródło emisji metali ciężkich do środowiska. Są to przede wszystkim: Cu, Hg, Pb, Zn, As. Metale te najsilniej oddziałują na środowisko przez powietrze (dymy pyły) a także wodę (wycieki i odpady). Rolnictwo stanowi niepunktowe źródło skażenia metalami poprzez zanieczyszczenia w nawozach mineralnych Cd, Cr, Mo, Pb, U w pestycydach Cu, As, Hg, Pb, Mn, Zn środkach suszących As, a w przypadku bawełny środkach konserwujących żywność As, Cu, Cr. Spalanie paliw kopalnych powoduje, że wiele metali ciężkich ulega emisji do atmosfery, gleby i rzek. W paliwach kopalnianych są: Pb, Cd, Zn, As, Sb, Cu, Mn. D. Wyróżniamy następujące formy występowania metali ciężkich: jonowa - tak jak każdy metal w roztworze wodnym lub glebowym; jako związek nierozpuszczalny (cząstki stałe) np. wodorotlenki, węglany, fosforany (mniej), siarczki (w osadach dennych wód, w warstwach beztlenowych); jako organiczne połączenia metali (Hg, Pb, As, Sn). Stężenia naturalne rosną wskutek migracji antropogenicznych zanieczyszczeń.

21. Ropopochodne węglowodory

Stanowią mieszaninę związków, głównie węglowodorów, o zróżnicowanych właściwościach fizycznych, chemicznych i biologicznych. Obecność w środowisku węglowodorów, nawet nietoksycznych, jest przyczyną niszczenia życia biologicznego wskutek odcięcia dostępu powietrza i wody. Wprowadzenie do ekosystemów produktów naftowych powoduje zaburzenia w przebiegu naturalnych cykli obiegu materii i energii. W ropie naftowej w największej ilości występują węglowodory naftenowe (cykloparafinowe) - zawiera ich ok. 50%, a ich ilość rośnie wraz z temperaturą wrzenia. Następne w kolejności to węglowodory parafinowe, które dominują we frakcjach benzynowych i są podstawową grupą węglowodorów najstarszych rodzajów ropy. Parafiny o prostym łańcuchu, zwane n-parafinami są chemiczne inertne, nie stwarzają zatem żadnego zagrożenia dla środowiska. Kolejna grupa węglowodorów występujących w ropie naftowej to węglowodory aromatyczne (areny). Zawierają one przynajmniej jeden pierścień benzynowy. Jest to płaski, 6-węglowy pierścień zawierający naprzemiennie podwójne i pojedyncze wiązania z sąsiednimi atomami węgla. Ropa naftowa rzadko zawiera więcej niż 15% węglowodorów aromatycznych. Kancerogenność benzenu oraz duża toksyczność jego alkilowych pochodnych, które są dobrze rozpuszczalne w wodzie powodują, że jest to grupa węglowodorów bardzo niebezpieczna dla środowiska o działaniu mutagennym i kancerogennym. Zanieczyszczenie gruntów i wód produktami naftowymi wpływa niekorzystnie na produkcję roślinną. Stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt (większość produktów naftowych działa toksycznie na organizmy żywe). Dlatego konieczne jest przeprowadzenie szeregu zabiegów o charakterze fizycznym, chemicznym lub biologicznym mających na celu oczyszczenie skażonych terenów. Podstawowe metody postępowania z zanieczyszczeniami ropopochodnymi w środowisku gruntowo-wodnym to: unieruchomienie substancji ropopochodnych przez zastosowanie metod izolacji (bariery fizyczne, bariery hydrauliczne, zagęszczenie materiału gruntowego) i likwidacja, inaczej dekontaminacja (m.in. utylizacja wysokotemperaturowa czyli termiczny rozkład substancji ropopochodnych, płukanie i ogrzewanie gruntu). W ostatnich latach coraz szersze zastosowanie znajdują technologie remediacji oparte na metodach biologicznych. Podstawową rolę w procesie biologicznego oczyszczania spełniają mikroorganizmy zdolne do wykorzystywania węglowodorów (szczególnie niebezpiecznych składników produktów naftowych) w charakterze źródła węgla i energii. Węglowodory obecne w środowisku są degradowane biologicznie głównie przez bakterie i grzyby. Mikroorganizmy, które rozkładają tę grupę związków występują w środowisku naturalnym w większych ilościach, przede wszystkim w miejscach zanieczyszczonych produktami naftowymi. Stwierdzono, że około 100 gatunków mikroorganizmów ma zdolność rozkładu węglowodorów. W środowisku wodnym dominują bakterie jako drobnoustroje biorące udział w rozkładzie węglowodorów. Grzyby odgrywają nieco mniejszą rolę. W glebie - zarówno bakterie, jak i grzyby rozkładające węglowodory występują licznie i biorą aktywny udział w procesie biodegradacji.

22. Lotne węglowodory aromatyczne

Węglowodory aromatyczne mają wiązania podwójne np. benzen, toluen i występują w składzie ropy naftowej. Lotne węglowodory aromatyczne są to m.in.: benzen C₆H₆, toluen oraz ksylen. Węglowodory aromatyczne są bardziej toksyczne od węglowodorów alifatycznych, w szczególności benzen, który ma właściwości rakotwórcze. Obecnie najczęściej stosowany jako rozpuszczalnik jest ksylen. Węglowodory aromatyczne dobrze rozpuszczają się w wodzie, bo mają budowę polarną. Stanowią głównie zagrożenie dla środowiska wodnego i powietrza, w środowisku glebowym pozostają krótko, gdyż zostają szybko wypłukane. Pokrywa na powierzchni wody z np. ropy naftowej ogranicza dostępność tlenu.

23. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne

WWA to związki składające się z co najmniej kilku pierścieni aromatycznych (co najmniej dwa pierścienie z dwoma atomami węgla wspólnymi dla obu pierścieni - wspólne krawędzie), gdzie każdy atom węgla wytwarza podwójne wiązanie z innym atomem węgla w jednym pierścieniu. Powstają podczas przeróbki paliw, głównie węgla i ropy naftowej. Duże ilości WWA powstają w ściekach przemysłu petrochemicznego i miejskich, gdzie istotny wpływ ma spływ z dróg substancji będących produktem ścierania się opon i powierzchni asfaltowych oraz spalin wydzielanych przez pojazdy. WWA mogą być endogennie syntetyzowane przez rośliny i niektóre bakterie. Biosynteza tych związków może również zachodzić w bakteriach, grzybach i roślinach w warunkach zarówno tlenowych (aerobowych) jak i beztlenowych (anaerobowych), w osadach dennych zaś tylko w warunkach beztlenowych. WWA słabo rozpuszczają się w wodzie, gdzie występują głównie jako zawiesina. Obecność detergentów, czyli innych związków organicznych zwiększa tą rozpuszczalność. WWA występują głównie w ściekach miejskich i przemysłowych, ale również w rzekach w pobliżu miejsca dopływu ścieków petrochemicznych. Ich stężenie w wodach waha się od kilkudziesięciu μg/l w wodach mało zanieczyszczonych do nawet kilku tysięcy μg/l w wodach silnie zanieczyszczonych. WWA są szkodliwe dla organizmów żywych, niektóre z nich działają rakotwórczo (tlen rozbija wiązanie podwójne między węglami i ws ten sposób łączy się z łańcuchem DNA). Najbardziej niebezpieczny i najsilniej rakotwórczy jest benzo(a)piren, następnie benzo(b)fluoranten. Średnio aktywne/szkodliwe: benzo(a)antracen, perylen, benzo(e)piren, chryzen. Ze względu na małe stężenia WWA można wydzielić z wody i łatwo oznaczyć. Również ich rozkład nie jest szybki, więc łatwo można je wykryć. Ilość WWA w środowisku jest dość stała, gdyż na miejsce rozłożonych związków dochodzą nowe z pyłu.

24. Lotne węglowodory chlorowane

Jeżeli wprowadzimy atomy pewnego pierwiastka do związku chemicznego to rośnie toksyczność tego związku. Jeżeli natomiast zamiast wodoru wprowadzimy fluor albo chlor to ta chlorowcopochodna lub fluorowcopochodna jest bardziej groźna dla środowiska. Pochodne chlorowane są często stosowane jako rozpuszczalniki. Każdy rozpuszczalnik paruje, stanowiąc zagrożenie dla powietrza atmosferycznego. W ten sposób dostają się do ścieków (pralnia chemiczna, zakłady metalowe - do odtłuszczania metali). Są składnikami klejów, wyróżniamy m.in: CH₃Cl - chlorek metylu (bardzo lotny), CH₂Cl₂ - chlorek metylu (używane do ekstrakcji), CHCl₃ - chloroform (kiedyś używany do narkozy), CCl₄ (był stosowany w pralniach chemicznych i w gaśnicach). W skutek powodowania dziury ozonowej został wyeliminowany z użycia. Powyższe związki powstają na skutek chlorowania metanu. Związki chlorowane pochodzące od etylenu: CHCl = CCl₂ - trichloroetylen dobrze rozpuszcza tłuszcze, jest mniej szkodliwy; CCl₃ = CH₃ - trichloroetan (mało toksyczny, stosowany do odtłuszczania i produkcji kleju). Wszystkie związki są bardzo trudno rozkładalne, głównie tetrachlorek węgla (najbardziej odporny na rozkład biologiczny). Mobilność w środowisku - im więcej atomów chloru tym rozpuszczalność mniejsza, np. CH₂Cl₂ dobrze rozpuszczalny. CCl₄ - słabo rozpuszczalny. Mają budowę najmniej polarną, są najmniej lotne, mają duże ciepło parowania. W skutek lotności związki te nie utrzymują się długo w środowisku. Dostają się do atmosfery, są cięższe od wody dlatego toną.

25 i 26. Insektycydy chloroorganiczne i fosforoorganiczne

Są to pestycydy, czyli naturalne lub syntetyczne substancje stosowane w ochronie roślin, higienie sanitarnej i weterynarii, jako środki owadobójcze. W pestycydach organicznych można wymienić dwie najważniejsze grupy: chloroorganiczne i fosforoorganiczne. Do najważniejszych pestycydów chloroorganicznych należą: DDT( dichlorodifenylotrichlotoetan), czyli trwały środek owadobójczy, praktycznie nierozpuszczalny w wodzie (dobrze w rozpuszczalnikach organicznych i tłuszczach), odporny na całkowity rozkład przez mikroorganizmy zawarte w glebie, wolno ulatnia się w powietrzu (ma niską prężność pary). W małych dawkach DDT i jego metabolity są prawie całkowicie wchłaniane przez człowieka przy spożyciu drogą pokarmową lub poprzez wdychanie i magazynowane w tkance tłuszczowej oraz mleku, HCH (heksachlorocykloheksan) przy którego produkcji uzyskuje się kilka izomerów o działaniu owadobójczym. Produkt zawierający 99% najsilniej dziłającego izomeru owadobójczego nosi nazwę lindanu, który w środowisku naturalnym ulega bardzo powolnej degradacji poprzez oddawanie kolejnych atomów chlorów. Aldryna oraz Metoksychlor (DMDT), który jest słabo rozpuszczalny w wodzie i słabo rozprzestrzenia się w większości gleb uprawnych. W warunkach normalnych nie stanowi zagrożenia dla środowiska. Do pestycydów fosforoorganicznych zaliczamy np. paration, malation oraz trichlorofon. Pestycydy jako związki na ogół słabo rozpuszczalne w wodzie występują w wodach w małych stężeniach (w osadach dennych większe stężenia). Ryby kumulują znaczną ilość pestycydów, znaczne ilości DDT wykrywa się również w tkance tłuszczowej człowieka. Rozkład pestycydów w środowisku naturalnym zachodzi głównie na drodze biochemicznej, niewielkie znaczenie ma rozkład chemiczny i fotochemiczny. Organiczne pestycydy dobrze rozpuszczalne w wodzie szybko hydrolizują, łatwo rozkładając się. Jednocześnie są one łatwo wymywane z pól uprawnych i terenów rolniczych. Trudno rozpuszczalne w wodzie pestycydy łatwiej można rozpuścić w tłuszczach, przez co są kumulowane w znacznych ilościach w tkankach tłuszczowych zwierząt i ludzi (stężenia w organizmach są tysiące razy większe niż w wodach). Wyróżniamy współczynnik biokumulacji pestycydów: WB = (Stężenie pestycydu w organizmie wodnym) / (Stężenie pestycydu w wodzie). Im większa wartość WB tym pestycyd ma większą zdnolność do gromadzenia się w organizmach żywych. Zdolność do biokumulacji zazwyczaj wzrasta wraz ze wzrostem rozpuszczalności w tłuszczach. Pestycydy mają zdolność i do adsorbowania na zawiesinach na obszarach dennych, dlatego tam występują ich znacznie większe ilości niż w wodach powierzchniowych. Ze względu na trwałość wyróżniamy: trwałe, rozkładające się nawet do 5 lat w środowisku naturalnym (np. DDT, jeden z izomerów HCH) - są przy tym bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie (rozpuszczają się w tłuszczach), umiarkowanie trwałe (do 2 lat) oraz nietrwałe rozkładające się w ciągu kilkunastu bądź kilku tygodni. Jako substancje toksyczne były modyfikowane w odpowiedni sposób, aby stac się selektywnie toksycznymi tzn. działały na owady toksycznie, nie szkodząc przy tym pozostałym organizmom. Nigdy tego nie osiągnięto, dlatego obecnie pestycydy są stopniowo wycofywane z użycia, głównie ze względu an ich długi czas rozkładu w środowisku naturalnym.

27. Herbicydy

Herbicydy są jednymi z najczęściej stosowanych pestycydów. To syntetyczne substancje organiczne stosowane do zwalczania chwastów upraw rolnych i leśnych. Herbicydy triazynowe są to związki chemiczne będące pochodnymi triazyny. Najczęściej stosowane to simazyna i atrazyna, jak również pochodne kwasu fenoksyoctowego np. kwas 2,4 dichlorofenoksyoctowy, rzadziej kwas octowy (lub zastępowany kwasem propionowym). Związki te powodują nadmierny przyrost części naziemnej rośliny przy jednoczesnym zahamowaniu wzrostu systemu korzeniowego, który nie nadąża z dostarczaniem składników pokarmowych i roślina usycha. Znany herbicyd Dalapon jest związkiem alifatycznym skutecznym w tępieniu perzu, nietrwały i łatwo hydrolizuje do kwasu pirogronowego. Herbicydy są przeważnie dobrze rozpuszczalne w wodzie, co wpływa na ich dużą mobilność. Charakteryzują się średnim poziomem toksyczności. Współcześnie stosowane preparaty są ponadto podatne na biodegradację, co zapobiega ich akumulowaniu się w środowisku.

28. Polichlorowane bifenyle i chlorobenzeny

Polichlorowane bifenyle jak i chlorobenzeny należą do chlorowanych związków aromatycznych i stanowią istotne zagrożenia dla środowiska naturalnego żyjących w nim organizmów żywych. Polichlorowane bifenyle (PCB) są mieszaninami izomerów o różnej liczbie atomów chloru i rozmieszczeniu w pozycji orto (podstawniki Cl w 1 i 2 pozycji pierścienia). Są to związki niejonowe o bardzo małej rozpuszczalności w wodzie, a wraz ze wzrostem liczby atomów chloru ta rozpuszczalność maleje (mają właściwości lipofilne - dobrze rozpuszczają się w związkach organicznych). Dostają się do wód naturalnych głównie wraz ze ściekami pochodzącymi z przemysłu, ponieważ stosowane są głównie przy produkcji tworzyw sztucznych, plastyfikatorów, smarów, materiałów przylepnych oraz farb ochronnych. Produkowane PCB są związkami wolno rozkładającymi się i długo utrzymującymi się w środowisku (nawet do kilkudziesięciu lat). Pomimo małej lotności dosyć szybko wyparowują z wody, a ich właściwości hydrofobowe powodują szybsze gromadzenie się na granicy faz powietrze-woda, co powoduje szybsze utlenienie). PCB adsorbują na cząstkach stałych, głównie materii organicznej, a dużą zdolność do ich adsorbowania wykazują substancje humusowe. Są bardzo toksyczne dla ludzi, przy większych stężeniach powodując poważne chorób skóry. PCB obecnie są coraz mniej używane, jednak ich obecność w środowisku naturalnym jest wciąż duża ponieważ są to związki trudno rozkładalne. Do wód powierzchniowych dostają się głównie wraz ze ściekami a także z wodami opadowymi. Ponieważ łatwo adsorbują na zawiesinach gromadzą się głównie w osadach dennych (ich stężenia wynoszą nawet kilkunastu tysięcy μg/l). Pomimo małych stężeń w wodzie PCB mają zdolność do biokumulowania w organizmach wodnych np. w małżach jak również w łańcuchach pokarmowych. PCB nie wykazują silnej toksyczności, lecz działają bardzo niekorzystnie na rośliny poprzez hamowanie procesu fotosyntezy i zmniejszanie zawartości chlorofilu. Ponieważ wykazują szkodliwe działanie na organizm człowieka, przyjmuje się ograniczenia w ich spożyciu, w jadalnych rybach, czy w wodzie pitnej.

Chlorowane benzeny natomiast są to związki stosowane głównie jako półprodukty w syntezie chemicznej bądź jako rozpuszczalniki. Charakteryzują się dużą lotnością.

29. Dioksyny

Pod tą nazwą mieści się 75 polichlorowanych di-benzo-o-dioksyn (PCDD). Wyróżnia się związki o zawartości od 1 do 8 atomów chloru w cząsteczce: izomery monochlorowe (MCDD), dichlorowe (DCDD), trichlorowe (T3CDD), tetrachlorowe (T4CDD), pentachlorowe (P5CDD), heksachlorowe (H6CDD), heptachlorow (H7CDD) i oktachlorowe (OCDD).Wraz ze wzrostem liczby atomów chloru w cząsteczkach zmniejsza się zdolność do rozkładu dioksyn w środowisku naturalnym. PCDD nie są specjalnie produkowane, ani nie mają konkretnego zastosowania. Są one produktem ubocznym (niepożądanym) podczas produkcji pestycydów, herbicydów, albo wskutek spalanie śmieci w spalarniach. Do wód powierzchniowych dostają się wraz ze ściekami przemysłowymi (rolnictwo, chemiczny, papierniczy). Dioksyny występują głównie w środowisku wodnym, gdzie są bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie i trudno rozkładalne (nawet do kilku lat). Są natomiast doskonale rozpuszczalne w tłuszczach, dlatego akumulują się w tkankach tłuszczowych, ryb, ptaków, węży, a także ssaków. Jak substancje absorbujące się na zawiesinach gromadzą się głównie w osadach dennych. Najbardziej toksyczną dioksyną jest 2,3,7,8-TCDD - może powodować zatrucia i zmiany w układzie nerwowym i w wątrobie. Ich działanie polega na powolnym, ale skutecznym uszkadzaniu narządów wewnętrznych: wątroby, płuc, nerek, rdzenia kręgowego lub kory mózgowej. Badania kliniczne wykazały, że dioksyny działają silnie mutogennie, naruszając właściwą strukturę kodu genetycznego, rozmnażających się komórek żywych organizmów. Jedyną metodą wykrywania zawartości dioksyn jest monitoring środowiska.

30. Ftalany

Są to diestry kwasów ftalowych, inaczej zwanych benzenodikarboksylowymi, które występują jako izomery orto (podstawniki COOH w pozycjach 1 i 2 pierścienia), meta (podstawniki COOH w pozycjach 1 i 3) i para(podstawniki COOH w pozycjach 1 i 4). Do najważniejszych należą np. DMP (ftalan dimetylu), DEP (dietylu), DBP (dibutylu). Są one głównie stosowane do produkcji tworzyw sztucznych, DMP stosowany jest jako środek odstraszający komary i owady ale również jako plastyfikatory do produkcji tworzyw sztucznych. Do wód naturalnych dostają się wskutek wymywania z butelek lub przewodów polietylenowych. Ich właściwości fizyczne są różne np. temperatura topnienia DMP wynosi 0-2°C, natomiast dla DEP -40°C, temperatura wrzenia: DMP = 230°C, DEP = 290°C, rozpuszczalność w wodzie DMP = 0,4 g/100g w temperaturze 25°C, a DEP = 0,15. Ftalany bardzo powoli rozkładają się w środowisku wodnym mimo iż ich stężenia nie są wysokie i wynoszą od kilku μg/l w wodach powierzchniowych i rzekach do nawet kilkudziesięciu mg/l w osadach dennych. Nie stwierdzono szkodliwego oddziaływania na organizmy żywe żyjące w wodzie.

---