Vides ķīmija: definīcija, procesi un cilvēka ietekme uz gaisu, ūdeni, augsni
Vides ķīmija: no definīcijas līdz procesiem — kā ķīmiskās reakcijas un cilvēka darbība ietekmē gaisu, ūdeni un augsni; pētījumi un risinājumi ilgtspējīgai nākotnei.
Vides ķīmija ir zinātnisks pētījums par ķīmiskām un bioķīmiskām parādībām, kas notiek dabā. Vides ķīmiju var definēt kā pētījumu par ķīmisko vielu avotiem, reakcijām, pārnesi, ietekmi un likteni gaisā, augsnē un ūdenī, kā arī par cilvēka darbības ietekmi uz vidi. Vides ķīmija ir starpdisciplināra zinātne, kas ietver atmosfēras, ūdens un augsnes ķīmiju, kā arī izmanto analītisko ķīmiju. Tā ir saistīta ar vides un citām zinātņu jomām. Tā atšķiras no zaļās ķīmijas, kas cenšas samazināt potenciālo piesārņojumu tā rašanās vietā.
Vides ķīmija sākas ar izpratni par to, kā darbojas nepiesārņota vide — kādas ķīmiskās vielas dabā parādās dabiski, kā atšķiras to koncentrācijas un kā tās mijiedarbojas ar dzīvajiem organismiem. Tā identificē un kvantificē ķīmiskos savienojumus, nosaka to avotus (dabiskos un antropogēnos) un izpēta, kā ķīmiskās vielas pārvietojas un transformējas atmosfērā, ūdeņos un augsnē. Pēc tam tā precīzi pēta cilvēka ietekmi uz vidi, īpašu uzmanību pievēršot izdalītajām ķīmiskās vielām un to ilgtermiņa sekām.
Galvenie procesi un parādības
- Fizikāla transportēšana: advekcija (pārvietošana ar gaisa vai ūdens plūsmu), difūzija un sedimentācija.
- Ķīmiskās transformācijas: fotolīze (gaismas radītās reakcijas), hidrolīze, oksidēšanās-reducēšanās reakcijas un radikāļu ķīmija, kas zemā atmosfērā veido sekundāros piesārņotājus (piem., troposfēras O3).
- Sorbcija un partīcija: vielu saistīšanās ar māla un organisko vielu frakcijām augsnē un dūņās; starpmediju sadale raksturojas ar parametriem kā KOW (oktanola-ūdens partīcijas koeficients), Kd un Henrija likums.
- Biodegradācija: mikroorganismu spēja patērēt vai transformēt piesārņotājus — svarīgs ceļš piesārņojuma noņemšanai, bet ne vienmēr efektīvs pret ļoti stabilām vielām.
- Bioakumulācija un biomagnifikācija: toksisku, lipofīlu savienojumu uzkrāšanās organismos un koncentrācijas palielināšanās baroķēdē.
Parastie piesārņotāji un to ietekme
- Gaisā: CO2, CH4, NOx, SOx, svina un citu metālu daļiņas, daļiņputekļi (PM2.5, PM10), laika apstākļu un fotohēmijas ceļā veidojas ozons un sekundārie organiskie aerosoli. Šie piesārņotāji ietekmē klimatu, cilvēku elpošanas sistēmas un redzamu gaisa kvalitāti.
- Ūdeņos: barības vielu piesārņojums (slāpeklis, fosfors) izraisa eutrofikāciju un deoksigenāciju; smagie metāli (Hg, Pb, Cd), organiskie piesārņotāji (PCB, pesticīdi, farmaceitiskie produkti) un mikroplastika apdraud ūdensdzīvību un pārtikas drošību.
- Augsnē: pesticīdi, minerālmēsli, smagie metāli, organiskie piesārņotāji un noturīgas ķīmiskas vielas var samazināt augsnes bioloģisko daudzveidību, ietekmēt ražas kvalitāti un nokļūt pārtikas ķēdē.
Metodes un instrumenti vides ķīmijas pētījumos
Vides ķīmiķi izmanto plašu metožu klāstu, lai noteiktu vielu koncentrācijas, izpētītu reakcijas un modelētu likteni:
- Analītiskā ķīmija: GC-MS, LC-MS, ICP-MS, AAS, UV-Vis spektroskopija, TOC mērījumi un hromatogrāfija ir ikdienas rīki organisko un neorganisko savienojumu analīzē.
- Paraugu ņemšana un kvalitātes nodrošināšana: gravitācijas un sastāvdaļu paraugi, grab (vienas reizes) un kompozīta (laika) paraugi, saglabāšanas pasākumi, blanki un dubultparaugi — lai nodrošinātu uzticamību.
- Sensori un reālā laika mērījumi: gāzu un daļiņu sensori, automātiskās mērīšanas stacijas atmosfēras monitorēšanai.
- Modelēšana un risks aprēķini: fate-and-transport modeļi, daudzmediju modeļi un cilvēka veselības/risku novērtējumi, kas palīdz prognozēt izplatību un ietekmi.
Remediācija un piesārņojuma samazināšana
Vides ķīmija nepārtraukti attīsta risinājumus piesārņojuma samazināšanai un seku likvidēšanai:
- Ūdens attīrīšana: primārā, sekundārā un terciārā attīrīšana, bioloģiskie reaktori, aktivētā ogle, membrāntehnoloģijas un AOP (advanced oxidation processes) farmaceitisko vielu un mikroorganisko piesārņotāju noņemšanai.
- Augsnes un gruntsūdeņu sanācija: bioremediācija (mikroorganismi), fito-remediācija (augi), ķīmiskā oksidēšana, adsorbcija un augsnes mazgāšana.
- Prevencijas pasākumi: emisiju ierobežošana, jaunrades zaļās ķīmijas risinājumi, atbilstoša ķimikāliju lietošana un uzglabāšana, notekūdeņu attīrīšana un ilgtspējīga lauksaimniecības prakse.
Cilvēka veselība, politika un sabiedrības loma
Piesārņojums rada dažādas veselības un sociālekonomiskas sekas: elpošanas slimības, neiroloģiskas problēmas, hroniskas saslimšanas un reproduktīvās veselības traucējumi. Tāpēc vides ķīmijā ir ciešas saites ar regulējumu, politiku un sabiedrības izglītošanu. Starptautiski un valstu līmeņa standarti, monitoringa programmas un labākās pieejamās tehnoloģijas (BAT) palīdz samazināt riskus un aizsargāt vidi.
Praktiskie padomi un nākotnes izaicinājumi
- Sekot gaisa kvalitātes brīdinājumiem un samazināt laiku ārā, kad piesārņojums ir augsts.
- Samazināt vienreizlietojamo plastmasu un pareizi šķirot atkritumus, lai mazinātu mikroplastikas nonākšanu ūdeņos.
- Atbalstīt ilgtspējīgu lauksaimniecību un samazināt ķīmisko pesticīdu lietošanu.
- Veicināt ieguldījumus jaunos monitoringa rīkos un modelēšanas metodēs, jo klimata pārmaiņas maina ķīmisko procesu dinamiku vidē.
Vides ķīmiķi un citi speciālisti darbojas, lai saprastu sarežģītos ķīmiskos procesus, izstrādātu risinājumus piesārņojuma novēršanai un nodrošinātu drošāku, ilgtspējīgāku nākotni cilvēcei un dabai. Sadarbība starp zinātni, politiku un sabiedrību ir būtiska, lai efektīvi mazinātu ķīmisko vielu negatīvo ietekmi uz vidi un cilvēku veselību.
Piesārņojums
Piesārņojoša viela ir viela, kas dabā ir tādā daudzumā, kas pārsniedz parasto līmeni vai kas citādi tur nebūtu sastopama. Tas var būt saistīts ar cilvēka darbību. Terminu "piesārņotājs" bieži lieto aizvietojamā veidā ar terminu "piesārņotājs", kas ir viela, kura kaitē apkārtējai videi. Lai gan dažkārt piesārņotāju definē kā cilvēka darbības rezultātā vidē esošu vielu, kurai nav kaitīgas ietekmes, tomēr dažkārt gadās, ka piesārņojuma toksiskā vai kaitīgā ietekme kļūst redzama tikai vēlāk.Vide (piemēram, augsne) vai organisms (piemēram, zivis), kuru ietekmē piesārņojošā viela vai piesārņotājs, tiek saukts par receptoru. Uztvērējs ir ķīmiska vide vai suga, kas aiztur piesārņotāju un mijiedarbojas ar to.
Vides rādītāji
Ķīmiskie ūdens kvalitātes rādītāji ietver izšķīdušā skābekļa (DO), ķīmisko skābekļa patēriņu (ĶSP), bioķīmisko skābekļa patēriņu (BSP), kopējo izšķīdušo cieto vielu (TDS), pH, barības vielu nitrātu un fosfora, smago metālu (tostarp vara, cinka, kadmija, svina un dzīvsudraba) un pesticīdu daudzumu.
Pieteikumi
Vides ķīmiju izmanto Vides aģentūra (Anglijā un Velsā), Vides aizsardzības aģentūra (ASV), Sabiedrisko analītiķu asociācija un citas vides aģentūras un pētniecības iestādes visā pasaulē, lai atklātu un noteiktu piesārņotāju veidu un avotus. Tie var ietvert:
- Rūpniecības radītais zemes piesārņojums ar smagajiem metāliem. Pēc tam tie var nonākt ūdenstilpēs un nonākt dzīvajos organismos.
- barības vielu izskalošanās no lauksaimniecības zemēm ūdenstecēs, kas var izraisīt aļģu ziedēšanu un eitrofikāciju.
- Piesārņojošo vielu noteces no necaurlaidīgām virsmām (ceļiem, autostāvvietām un jumtiem) lietusgāžu laikā. Tipiski piesārņotāji ir benzīns, motoreļļa un citi ogļūdeņražu savienojumi, metāli, barības vielas un nogulsnes (augsne).
- Metālorganiskie savienojumi.
Metodes
Kvantitatīvā ķīmiskā analīze ir būtiska vides ķīmijas daļa, jo tā sniedz datus, kas veido lielāko daļu vides pētījumu.Parastās analītiskās metodes, ko izmanto kvantitatīvai noteikšanai vides ķīmijā, ietver klasiskās mitrās ķīmijas metodes, piemēram, gravimetriskās, titrimetriskās un elektroķīmiskās metodes. Sarežģītākas pieejas izmanto metālu un organisko savienojumu mikroelementu noteikšanā. Metālus parasti mēra ar atomu spektroskopijas un masspektrometrijas metodi: Atomu absorbcijas spektrofotometrijas (AAS) un induktīvi saistītās plazmas atomu emisijas (ICP-AES) vai induktīvi saistītās plazmas masas spektrometrijas (ICP-MS) metodes. Organiskos savienojumus parasti mēra arī ar masspektrometriskām metodēm, piemēram, gāzu hromatogrāfijas un masas spektrometrijas (GC-MS) un šķidrumu hromatogrāfijas un masas spektrometrijas (LC/MS) metodēm. Metodes, kas nav MS metodes, kurās izmanto GC un LC ar universāliem vai specifiskiem detektoriem, joprojām ir pieejamo analītisko instrumentu arsenāla pamatā.
Citi vides ķīmijā bieži mērāmie parametri ir radioķīmiskās vielas. Tie ir piesārņotāji, kas izstaro radioaktīvas vielas, piemēram, alfa un beta daļiņas, kas apdraud cilvēku veselību un vidi. Šiem mērījumiem visbiežāk izmanto daļiņu skaitītājus un scintilācijas skaitītājus. Bioanalīzes un imūnanalīzes izmanto, lai novērtētu ķīmisko vielu toksiskumu uz dažādiem organismiem.
Publicētās analītiskās metodes
Valdības aģentūras un privātas pētniecības organizācijas ir publicējušas speciālistu recenzētas testēšanas metodes. Veicot testus, lai pierādītu atbilstību normatīvajām prasībām, jāizmanto apstiprinātas publicētās metodes.
Saistītās lapas
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir vides ķīmija?
A: Vides ķīmija ir zinātnisks pētījums par ķīmiskām un bioķīmiskām parādībām, kas notiek dabā. Tā ietver izpratni par ķīmisko vielu avotiem, reakcijām, pārnesi, iedarbību un likteni gaisā, augsnē un ūdenī, kā arī par to, kā cilvēka darbība ietekmē šo vidi.
J: Ar ko vides ķīmija atšķiras no zaļās ķīmijas?
A: Vides ķīmija sākas ar izpratni par to, kā darbojas nepiesārņota vide. Tā identificē dabā esošās ķīmiskās vielas un pēta to koncentrāciju un ietekmi. Zaļā ķīmija cenšas samazināt potenciālo piesārņojumu tā avotā, pirms tas nonāk vidē.
J: Kādus ķīmijas jēdzienus vides ķīmiķiem ir svarīgi saprast?
A: Svarīgi vispārīgi ķīmijas jēdzieni ietver izpratni par ķīmiskajām reakcijām un vienādojumiem, šķīdumiem, mērvienībām, paraugu ņemšanu un analītiskajām metodēm.
J: Kāda veida savienojumus pēta vides ķīmiķi?
A: Vides ķīmiķi pēta savienojumus ar bioloģisku aktivitāti, piemēram, feromonus.
J: Kādas jomas aptver vides zinātne?
A: Vides zinātne ietver atmosfēras, ūdens un augsnes ķīmiju, kā arī izmanto analītisko ķīmiju.
Meklēt