ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΥΘΥΜΙΟΣ ΝΤΑΡΑΚΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Σηµειώσεις ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ» ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2006

2 ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Α.Π.Θ. Μεταπτυχιακό πρόγραµµα ειδίκευσης ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ & ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ Τίτλος Κωδικός Κατηγορία Εξάµηνο ιδάσκων Στοιχεία Χηµείας Περιβάλλοντος ΠΠΒΑ.O1 Οµοιογενοποίησης Χειµερινό Ευθύµιος Νταρακάς Περιεχόµενο µαθήµατος Μηχανισµοί σύνθεσης, µεταφοράς και αποικοδόµησης των ουσιών στο φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον. Κινήσεις και µεταβολές των στοιχείων και των χηµικών ενώσεων. Καταστάσεις της ύλης (υγρά, στερεά, αέρια). Βιογεωχηµικοί κύκλοι. Κύριες χηµικές διεργασίες στα φυσικά συστήµατα. Χρήση δεικτών χηµικών παραµέτρων στη µελέτη της ατµόσφαιρας, του εδάφους και του νερού. Όξινη βροχή (σύσταση, σχηµατισµός, επιπτώσεις στο περιβάλλον). οµή, ιδιότητες και χηµεία του νερού. Βασικές χηµικές παράµετροι (φυσικοχηµικές ενδεικτικές µικροβιολογικές) που αφορούν το υδάτινο περιβάλλον. Παράµετροι οργανικής ρύπανσης νερών (διαλυµένο οξυγόνο, βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, χηµικά απαιτούµενο οξυγόνο, ολικός οργανικός άνθρακας). Θρεπτικά άλατα, νιτρορύπανση, ευτροφισµός. Αιωρούµενα και διαλυµένα στερεά στο νερό. Βαρέα µέταλλα. Απολύµανση του νερού. Χλωριωµένοι υδρογονάνθρακες. Μικροβιολογικός έλεγχος νερού. Στερεά απορρίµµατα (σύσταση, δειγµατοληψία, ανάλυση, διασταλλάζοντα υγρά, βιοαέριο).

3 Περιεχόµενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Γενικά. 6 2 ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Γενικά Τα επίπεδα ροής της ενέργειας Ο κύκλος του νερού στο φυσικό περιβάλλον Ο κύκλος του άνθρακα Ο κύκλος του αζώτου Ο κύκλος του φωσφόρου Ο κύκλος του θείου ΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ Γενικά για τα βαρέα µέταλλα Ο υδράργυρος Ο µόλυβδος Το κάδµιο Το χρώµιο Ο χαλκός Εισροές µετάλλων στο περιβάλλον Μέταλλα στα ιζήµατα ΟΙ ΤΟΞΙΚΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ Γενικά Τα παρασιτοκτόνα Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 1

4 Περιεχόµενα 4.3 Τα οργανοχλωριωµένα εντοµοκτόνα φυτοφάρµακα Τα οργανοφωσφορικά εντοµοκτόνα Τα καρβαµιδικά εντοµοκτόνα Τα ζιζανιοκτόνα Τα πολυχλωριωµένα διφαινύλια Οι πολυκυκλικοί αρωµατικοί υδρογονάνθρακες Οι διοξίνες Οι φαινόλες και οι χλωροφαινόλες Οι χλωριωµένοι υδρογονάνθρακες Οι υδρογονάνθρακες πετρελαίου Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Σύσταση και στρωµάτωση της ατµόσφαιρας Ατµοσφαιρική ρύπανση Η όξινη βροχή και οι επιδράσεις της στο περιβάλλον Μέτρα για την αντιµετώπιση της ατµοσφαιρικής ρύπανσης 41 6 ΤΟ ΝΕΡΟ Γενικά Σύσταση των φυσικών νερών Υποβάθµιση της ποιότητας ρύπανση των νερών Ευτροφισµός των φυσικών νερών Νερό ανθρώπινης κατανάλωσης Κατεργασία νερού ανθρώπινης κατανάλωσης Το θαλάσσιο περιβάλλον 52 7 Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ Οι ιδιότητες του νερού Θολότητα νερού Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 2

5 Περιεχόµενα 7.3 Στερεά στο νερό Θερµοκρασία νερού Χρώµα νερού Οσµή και γεύση του νερού Αγωγιµότητα νερού Αλατότητα Οξύτητα και αλκαλικότητα νερού ιαλυµένο οξυγόνο Άλατα και σκληρότητα του νερού Χλωριούχα ιόντα Μετρήσεις θρεπτικών αλάτων Μετρήσεις µετάλλων 68 8 ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ Βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο (ΒΟD 5 ) Χηµικά απαιτούµενο οξυγόνο (COD) Ολικός οργανικός άνθρακας (TOC) ΒΑΣΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Γενικά στοιχεία επεξεργασίας υγρών αποβλήτων Συστήµατα προεπεξεργασίας και πρωτογενούς επεξεργασίας Συστήµατα δευτεροβάθµιας επεξεργασίας Συστήµατα βιολογικής επεξεργασίας Συστήµατα χηµικής επεξεργασίας Συστήµατα τριτοβάθµιας επεξεργασίας Αποµάκρυνση θρεπτικών αλάτων Συστήµατα διάθεσης υγρών αποβλήτων Τεχνολογίας επεξεργασίας της ιλύος ιάθεση της ιλύος 86 Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 3

6 Περιεχόµενα 10 ΑΠΟΛΥΜΑΝΣΗ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΛΥΜΑΤΩΝ Γενικά Ταξινόµηση των απολυµαντικών µέσων Χλωρίωση Οζόνωση Απολύµανση µε υπεριώδη ακτινοβολία Σύγκριση µεθόδων απολύµανσης και δράση απολυµαντικών ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΜΟΛΥΝΣΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΝΕΡΩΝ Γενικά Μέθοδος διηθητικών µεµβρανών Μικροσκοπική καταµέτρηση µικροοργανισµών Νεφελοµετρική µέθοδος Μέθοδος πολλαπλών σωληναρίων ΣΤΕΡΕΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ Γενικά ιεργασίες αποικοδόµησης οργανικών στερεών απορριµµάτων Τα διασταλάζοντα ή στραγγίσµατα των απορριµµάτων Εκποµπές ρύπων στο περιβάλλον από στερεά απόβλητα Το βιοαέριο Χηµικές αναλύσεις απορριµµάτων Αναερόβια χώνευση βιοµάζας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 4

7 Πρόλογος ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η ρύπανση και η καταστροφή του περιβάλλοντος αφορά όλους µας, είναι όµως κατ εξοχήν θέµα των σχετικών επιστηµόνων οι οποίοι πρέπει να δραστηριοποιηθούν και να αναλάβουν πρωτοβουλίες για την προστασία του και για µια βιώσιµη ανάπτυξη. Οι ειδικοί επιστήµονες πρέπει να προτείνουν µέτρα και δραστηριότητες που να αποσκοπούν στην πρόληψη και καταστολή της ρύπανσης µε στόχο τη βελτίωση της ποιότητας ζωής και τη διατήρηση της οικολογικής ισορροπίας. Η επιστηµονική έρευνα και η τεχνολογία προσφέρουν τις υπηρεσίες τους στην αντιµετώπιση των προβληµάτων που σχετίζονται µε την προστασία του περιβάλλοντος. Οι νέες αντιλήψεις που διαµορφώνονται σηµατοδοτούν κανόνες για την παραπέρα πορεία προς την πρόοδο και την εξέλιξη που εδραιώνονται στην υιοθεσία της αειφόρου ανάπτυξης. Οι χηµικοί, οι µηχανικοί, οι βιολόγοι, οι υγειονολόγοι, οι γεωχηµικοί κ.λ.π. µπορούν εύκολα να κατανοήσουν τους µηχανισµούς των φυσικοχηµικών διεργασιών που λαµβάνουν χώρα στο περιβάλλον και είναι οι κατ εξοχήν αρµόδιοι επιστήµονες για τον έλεγχο της χηµικής κυρίως ρύπανσης του περιβάλλοντος. Οι επιστήµονες αυτοί πρέπει να είναι σε θέση να επινοούν, να προτείνουν και να εισάγουν µέτρα αντιρύπανσης και για να γνωµατεύουν για την αποτελεσµατικότητα των µέτρων και προδιαγραφών που ήδη εφαρµόζονται. Τα κεφάλαια που ακολουθούν αναφέρονται στα βασικά χηµικά στοιχεία και ενώσεις σε σχέση µε τους µηχανισµούς σύνθεσης, µεταφοράς και αποικοδόµησης των ουσιών στο φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον. Μελετώνται οι κινήσεις και οι µεταβολές που συντελούνται στα στοιχεία και τις χηµικές ενώσεις στις τρεις καταστάσεις της ύλης µέσα από τις χηµικές διεργασίες των φυσικών συστηµάτων. Ιδιαίτερη έµφαση δίνεται στη χρήση δεικτών χηµικών παραµέτρων στη µελέτη της ατµόσφαιρας, του εδάφους και του νερού. Γνώµονα αποτελούν οι βασικές χηµικές παράµετροι που αφορούν το υδάτινο περιβάλλον και οι παράµετροι ρύπανσης της ατµόσφαιρας και των νερών. Οι αναφορές σε τοξικές οργανικές ενώσεις, θρεπτικά άλατα, βαρέα µέταλλα κ.λ.π. συµπληρώνουν τις θεµελιώδεις γνώσεις του περιβαλλοντολόγου µηχανικού σχετικά µε τη διαχείριση και την επεξεργασία υγρών και στερεών αποβλήτων µε στόχο την προστασία του περιβάλλοντος. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 5

8 Το περιβάλλον και τα βασικά χηµικά στοιχεία 1. ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 1.1 Γενικά Το έδαφος, τα νερά, ο αέρας, η χλωρίδα και η πανίδα είναι στοιχεία µε τα οποία ο άνθρωπος συνυπάρχει στον πλανήτη από τη γέννησή του και καλούνται µε µια λέξη «περιβάλλον». Σαν φυσικό περιβάλλον ορίζεται το σύνολο των βιοτικών (χλωρίδα και πανίδα) και αβιοτικών (θερµοκρασία, υγρασία, έδαφος κ.λ.π.) παραγόντων που συνθέτουν τον φυσικό χώρο. Το ανθρωπογενές περιβάλλον αναφέρεται σε εκείνα τα στοιχεία του περιβάλλοντος που έχουν διαµορφωθεί από τον άνθρωπο δηλαδή κτήρια, οδικό δίκτυο, λιµάνια, αεροδρόµια, βιοµηχανίες καθώς και στους βιοτικούς παράγοντες που αναπτύσσονται γύρω απ αυτά (αστική χλωρίδα και πανίδα) (σχήµα1.1.1). Οι κινήσεις και οι µεταβολές που συντελούνται εκεί είναι άλλοτε φυσικές και άλλοτε ανθρωπογενείς. Το περιβάλλον Φυσικό περιβάλλον Ανθρωπογενές περιβάλλον Βιοτικοί παράγοντες περιβάλλοντος (χλωρίδα, πανίδα) Αβιοτικοί παράγοντες περιβάλλοντος (θερµοκρασία, υγρασία, έδαφος κ.λ.π.) Κτήρια, οδικό δίκτυο, λιµάνια, αεροδρόµια, βιοµηχανίες, (αστική χλωρίδα & πανίδα) Σχήµα Φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον Για καλή ποιότητα ζωής του ανθρώπου, για ανάπτυξη και ευηµερία της κοινωνίας, απαιτείται αρµονία στη φύση και οικολογική ισορροπία. Η οικολογική ισορροπία διαταράσσεται από τις διάφορες φυσικές διεργασίες (ηφαίστεια, πυρκαγιές, πληµµύρες, βιολογικές δραστηριότητες) αλλά κυρίως από τις ανθρώπινες δραστηριότητες (βιοµηχανία, παραγωγή ενέργειας, αυτοκίνητα, θέρµανση, ψύξη κ.λ.π.), µε αποτέλεσµα τον άµεσα διαγραφόµενο κίνδυνο για την µελλοντική ποιότητα ζωής του ανθρώπου. Η φύση έχει αναπτύξει διάφορους µηχανισµούς αυτοκαθαρισµού και προστασίας από τη ρύπανση που προκαλείται από τις φυσικές διεργασίες. Αντίθετα η ρύπανση που προκαλείται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες είναι η πλέον επικίνδυνη και οδηγεί σε µη αντιστρεπτές καταστάσεις. Τα απόβλητα (αέρια, υγρά, στερεά) των αστικών και βιοµηχανικών κέντρων καθώς και η µη ορθολογική χρήση διαφόρων χηµικών ενώσεων (λιπάσµατα, εντοµοκτόνα, ζιζανιοκτόνα, παρασιτοκτόνα, κ.λ.π.) ευθύνονται, σε συνδυασµό µε άλλους παράγοντες, για την καταστροφή πολλών φυσικών οικοσυστηµάτων και την εξαφάνιση ορισµένων ειδών. Η ρύπανση της ατµόσφαιρας, των νερών και του εδάφους προκαλεί «εντάσεις» στα οικοσυστήµατα και µειώνει το µέγεθος των πιο ευαίσθητων στις συγκεκριµένες συνθήκες πληθυσµών. Η ατµοσφαιρική ρύπανση ευθύνεται για τον περιορισµό πολλών δασικών εκτάσεων ανά τον κόσµο. Παράλληλα, ο εµπλουτισµός των επιφανειακών και υπόγειων νερών µε ακατέργαστα απόβλητα, (αστικά και βιοµηχανικά), καθώς και µε διάφορες τοξικές οργανικές ενώσεις (εντοµοκτόνα, λιπάσµατα, διοξίνες κ.ά.) επιφέρει ευτροφισµό των επιφανειακών νερών, βιοσυσσώρευση τοξικών ουσιών, τροποποίηση του ph τους κ.λ.π., δυσχεραίνοντας την επιβίωση πολλών ευαίσθητων ειδών. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 6

9 Το περιβάλλον και τα βασικά χηµικά στοιχεία 2. ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΧΗΜΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 2.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζονται τα βασικά χηµικά στοιχεία και οι χηµικές ενώσεις που βρίσκονται στο φυσικό και ανθρωπογενές περιβάλλον. Τα βασικά χηµικά στοιχεία (πίνακας 2.1.1) είναι ο άνθρακας (C), το οξυγόνο (Ο), το άζωτο (Ν), ο φώσφορος (Ρ) και το (S) και συνυπάρχουν στο περιβάλλον (αέρα, έδαφος ή νερό) είτε ελεύθερα είτε υπό µορφή διαφόρων χηµικών ενώσεων. Όλα τα χηµικά στοιχεία ανάλογα µε τις ιδιότητές τους κατατάσσονται σε οµάδες σύµφωνα µε το περιοδικό σύστηµα των στοιχείων και παρουσιάζονται στον πίνακα H O C N S P Σχήµα Τα βασικά χηµικά στοιχεία Ο άνθρακας (C) θεωρείται πολύ βασικό στοιχείο καθώς χρησιµοποιείται στη σύνθεση της οργανικής ύλης, η οποία είναι µέρος της ζωής στον πλανήτη. Το µεγαλύτερο ποσοστό χηµικής ενέργειας που απαιτείται για τη ζωή είναι αποθηκευµένο στις οργανικές ενώσεις υπό µορφή δεσµών µεταξύ ατόµων άνθρακα αλλά και µεταξύ ατόµων άνθρακα µε άλλα στοιχεία. Το οξυγόνο (Ο 2 ) είναι επίσης πολύ βασικό στοιχείο. Περιέχεται σε όλους τους ζωντανούς οργανισµούς. Στον ανθρώπινο οργανισµό αποτελεί το 66% κατά βάρος του σώµατός του. Αποτελεί το 50% κατά βάρος του γήινου φλοιού και το 21% κατ όγκο. Αποτελεί επίσης τα 88,8% κατά βάρος του νερού. Το 1781 διαπιστώθηκε για πρώτη φορά η απαραίτητη παρουσία του στα φαινόµενα της καύσης και της αναπνοής. Το οξυγόνο είναι το πιο διαδεδοµένο οξειδωτικό µέσο καθώς αντιδρά σχεδόν µε όλα τα στοιχεία, εκτός από τα ευγενή αέρια. Το υδρογόνο (Η 2 ) είναι το πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα και το ελαφρύτερο γνωστό χηµικό στοιχείο (14,4 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα). Βρίσκεται στη φύση κυρίως µε τη µορφή ενώσεων, αλλά και ελεύθερο, όπως στις ηφαιστειακές εκρήξεις, στις πετρελαιοπηγές, στις ρωγµές ηφαιστείων και στην ατµόσφαιρα σε ύψη πάνω από τα 100 Km. Το άζωτο (Ν 2 ) αποτελεί µέρος των ζωτικών οργανικών ενώσεων στους µικροοργανισµούς όπως στα αµινοξέα, στις πρωτεΐνες και στο DNA. Στην αέριά του µορφή το άζωτο καταλαµβάνει το 78% της τροπόσφαιρας και δεν µπορεί να αφοµοιωθεί από τους οργανισµούς. εν µπορεί να προσληφθεί αυτούσιο από τα φυτά και τα ζώα γι αυτό πρέπει πρώτα να µετατραπεί βιολογικά από τα βακτηρίδια ώστε να εισέλθει στην τροφική αλυσίδα σαν µέρος του κύκλου του αζώτου. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι µηχανισµοί σύνθεσης, µεταφοράς και αποικοδόµησης των ουσιών που συντίθενται από τα στοιχεία αυτά στο φυσικό και το ανθρωπογενές περιβάλλον. Ο φώσφορος (Ρ) είναι ένα ουσιώδες θρεπτικό συστατικό για τα φυτά και τα ζώα στη µορφή των 3- ιόντων ΡΟ 4 και ΗΡΟ 2-4. Αποτελεί µέρος των µορίων του DNA, µορίων που αποθηκεύουν τις απαραίτητες ποσότητες ενέργειας (ATP και ADP δηλαδή της τρι-φωσφορικής και δι-φωσφορικής αδενοσύνης) και των λιπών της κυτταρικής µεµβράνης. Αποτελεί επίσης θεµέλιο λίθο βασικών τµηµάτων των έµβιων όντων όπως των οστών και των οδόντων τους. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 7

10 Το περιβάλλον και τα βασικά χηµικά στοιχεία Πίνακας Χαρακτηριστικά και ιδιότητες των βασικών χηµικών στοιχείων Χαρακτηριστικά Ο Οξυγόνο C Άνθρακας Ν Άζωτο P Φώσφορος Ατοµικός αριθµός S Θείο Ατοµική µάζα g.mol g.mol g.mol -1 30,9738 g.mol g.mol -1 Αριθµός οξείδωσης ± 3, 4, 5 - Ηλεκτραρνητικότητα Πυκνότητα (20 C) , kg.m -3 g.cm -3 g.cm -3 g.cm -3 g.cm -3 Σηµείο τήξης -219 C 3652 C -210 C 44,2 C 113 C Σηµείο βρασµού -183 C 4827 C -196 C 280 C 445 C Ακτίνα Vanderwaals nm nm nm 1,04 Å nm Ιοντική ακτίνα (nm) 0.14 (-2) (-4) (+4) (-3) (+5) (+3) 0,34 Å (-2) (+6) Ισότοπα Ηλεκτρονική στοιβάδα Ενέργεια ιονισµού (1 η ) Ενέργεια ιονισµού (2 η ) Ενέργεια ιονισµού (3 η ) Ανακαλύφθηκε από [He] [He] 2s 2 2p 2 [He] 2s 2 2p 3 [Ne] [Ne] 3s 2 3p 4 2s 2 2p 4 3s 2 3p ,118 kj.mol -1 kj.mol -1 kj.mol -1 ev ,725 kj.mol -1 kj.mol -1 kj.mol -1 ev ,141 kj.mol -1 kj.mol -1 kj.mol -1 ev Τον Joseph Priestly το 1774 Τους αρχαίους Τον Rutherford το 1772 Τον Hennig Brandt το kj.mol kj.mol kj.mol -1 Τους αρχαίους Πίνακας Οµαδοποίηση των 112 χηµικών στοιχείων του περιοδικού συστήµατος Αλκαλιµέταλλα Λίθιο (Li) Νάτριο (Na) Κάλιο (K) Ρουβίδιο (Rb) Καίσιο (Cs) Φράνκιο (Fr) Αλογόνα Φθόριο (F) Χλώριο (Cl) Βρώµιο (Br) Ιώδιο (I) Άστατο (At) Σκάντιο (Sc) Τιτάνιο (Ti) Βανάδιο (V) Χρώµιο (Cr) Μαγγάνιο (Mn) Αλκαλικές γαίες Βηρύλλιο (Be) Μαγνήσιο (Mg) Ασβέστιο (Ca) Στρόντιο (Sr) Βάριο (Ba) Ράδιο (Ra) Ευγενή αέρια Ήλιο (He) Νέον (Ne) Αργό (Ar) Κρυπτόν (Kr) Ξένον (Xe) Ραδόνιο (Rn) Σίδηρος (Fe) Κοβάλτιο (Co) Νικέλιο (Ni) Χαλκός (Cu) Μεταβατικά στοιχεία (38 στοιχεία) Αµέταλλα Υδρογόνο (H) Άνθρακας (C) Άζωτο (N) Οξυγόνο (O) Φώσφορος (P) Θείο (S) Σελήνιο (Se) Τα «άλλα µέταλλα» Αργίλιο (Al) Γκάλιο (Ga) Ίνδιο (In) Κασσίτερος (Sn) Θάλιο (Tl) Μόλυβδος (Pb) Βισµούθιο (Bi) Ψευδάργυρος (Zn) Ρόδιο (Rh) Παλλάδιο (Pa) Άργυρος (Ag) Κάδµιο (Cd) Μεταλλοειδή Βόριο (B) Πυρίτιο (Si) Γερµάνιο (Ge) Αρσενικό (As) Αντιµόνιο (Sb) Τελλούριο (Te) Πολώνιο (Po) Λανθανίδες - Ακτινίδες (30 στοιχεία) Λανθάνιο (La) Ακτίνιο (Ac). Λευκόχρυσος (Pt) Χρυσός (Au) Υδράργυρος (Hg) Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 8

11 Το περιβάλλον και τα βασικά χηµικά στοιχεία Ο φώσφορος υπάρχει στα νερά, στα ιζήµατα, στα εδάφη και στα ορυκτά. εν υπάρχει όµως ποτέ στην ατµόσφαιρα παρά µόνο σε απειροελάχιστες ποσότητες σαν πολύ µικρά σωµατίδια σκόνης γιατί είναι συνήθως υγρό σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Το θείο (S) είναι ένα στοιχείο που βρίσκεται παντού (νερά, έδαφος, αέρας). Αποτελεί συστατικό των αµινοξέων, των πρωτεϊνών, των βιταµινών και των ενζύµων (µε τη µορφή της σουλφυδρυλοµάδας R- SH). Τα φυτά απορροφούν το θείο όταν αυτό βρίσκεται διαλυµένο υπό µορφή αλάτων στο νερό. Τα ζώα καταναλώνουν φυτά και φυτοφάγα ζώα κι έτσι προσλαµβάνουν το απαραίτητο για τον οργανισµό τους θείο. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 9

12 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι 2.2 Τα επίπεδα ροής της ενέργειας Για καλύτερη κατανόηση των βιοχηµικών κύκλων στα οικοσυστήµατα είναι απαραίτητη η γνώση της ροής της ενέργειας η οποία διακρίνεται σε τρία βασικά επίπεδα (σχήµα 2.2.1). Το πρώτο επίπεδο περιλαµβάνει τους οργανισµούς που έχουν την ικανότητα να συνθέτουν οργανικές ενώσεις από ανόργανα µόρια δεσµεύοντας ηλιακή ή χηµική ενέργεια. Οι οργανισµοί αυτοί (φυτά, φύκια, θάµνοι) ονοµάζονται αυτότροφοι ή παραγωγοί γιατί συνθέτουν την τροφή τους µόνοι τους. Η φωτοσύνθεση είναι µια διαδικασία που αποτελεί κλασικό παράδειγµα σύνθεσης οργανικών µορίων από ανόργανες ενώσεις µε τη χρήση της ηλιακής ενέργειας. Οι οργανικές ενώσεις που παράγονται είναι τα σάκχαρα στα οποία αποθηκεύεται η δεσµευµένη από τον ήλιο ενέργεια και ελευθερώνεται οξυγόνο το οποίο είναι απαραίτητο για την αναπνοή (ζωτική λειτουργία της ζωής). Η απελευθέρωση της ενέργειας γίνεται κατά τη διάρκεια της αναπνοής, µε αντίδραση αντίστροφη αυτής της φωτοσύνθεσης, δηλαδή µε τη διάσπαση (καύση) των οργανικών µορίων σε ανόργανες ενώσεις οπότε παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Η φωτοσύνθεση περιγράφεται αναλυτικά στο κύκλο του άνθρακα. 3 ο Επίπεδο (Αποικοδοµητές) 2 ο Επίπεδο Ετερότροφοι οργανισµοί (Καταναλωτές) 1 ο Επίπεδο Αυτότροφοι οργανισµοί (Παραγωγοί) Σχήµα Τα τρία βασικά επίπεδα ροής της ενέργειας Το δεύτερο επίπεδο αναφέρεται στους οργανισµούς που βασίζονται στους παραγωγούς για να δεσµεύσουν την ενέργεια που είναι απαραίτητη για τις ζωτικές και λοιπές λειτουργίες τους δηλαδή τα ζώα. Οι οργανισµοί αυτοί ονοµάζονται ετερότροφοι ή καταναλωτές. Το τρίτο επίπεδο περιλαµβάνει τους οργανισµούς που τρέφονται από τα απορρίµµατα και τα νεκρά σώµατα των παραγωγών και των καταναλωτών. Οι οργανισµοί αυτοί ονοµάζονται αποικοδοµητές γιατί διασπούν τις οργανικές ενώσεις επαναφέροντας τα ανόργανα µόρια, ώστε να είναι εκ νέου διαθέσιµα στα φυτά. Οι αποικοδοµητές είναι µικροοργανισµοί (µύκητες, βακτηρίδια) και βρίσκονται στα εδάφη και στους πυθµένες των υδατικών οικοσυστηµάτων. Αποικοδοµώντας τη νεκρή οργανική ύλη, οι αποικοδοµητές αυξάνονται µέχρις ότου νεκρωθούν και µε τη σειρά τους διασπαστούν από άλλους µικροοργανισµούς. 2.3 Ο κύκλος του νερού στο φυσικό περιβάλλον Ο φυσικός κύκλος του νερού έχει ιδιαίτερη σηµασία για τη διατήρηση της ζωής στη γη. Ο κύκλος αυτός επηρεάζει τις διάφορες κλιµατολογικές συνθήκες που επικρατούν στον πλανήτη. Το αποθηκευµένο σε πάγους και χιόνια νερό λιώνει µε την αύξηση της θερµοκρασίας του πλανήτη, απορρέει και αποθηκεύεται στους επιφανειακούς και τους υπόγειους ταµιευτήρες. Ένα άλλο ποσοστό νερού διηθείται µέσω των διαφόρων πετρωµάτων και καταλήγει πάλι στους ωκεανούς ή στους υπόγειους ταµιευτήρες. Με την εκφόρτιση του υπογείου νερού πληρούνται οι επιφανειακοί ταµιευτήρες (λίµνες) ενώ ένα άλλο ποσοστό οδηγείται µέσω των ποταµών στους ωκεανούς. Με την Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 10

13 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι εξάτµιση του περιεχοµένου των επιφανειακών ταµιευτήρων (ωκεανοί, λίµνες, ποταµοί) το νερό οδηγείται και πάλι στην ατµόσφαιρα όπου συµπυκνώνεται και αποθηκεύεται στα σύννεφα. Από τα σύννεφα µε τη µορφή της βροχής το νερό κατακρηµνίζεται και πάλι στη γη. Ο υδρολογικός κύκλος του νερού στη φύση παρίσταται διαγραµµατικά στο σχήµα που ακολουθεί. Σχήµα Ο υδρολογικός κύκλος 2.4 Ο κύκλος του άνθρακα (διοξειδίου του άνθρακα CO 2 ) Ο κύκλος του άνθρακα (σχήµα 2.4.1) αποτελείται από δύο µέρη, το γήινο και το υδάτινο. Το υδάτινο µέρος περιλαµβάνει τη διαδροµή του άνθρακα δια µέσω των υδάτινων οικοσυστηµάτων και το γήινο τη διαδροµή στα γήινα οικοσυστήµατα. Ο κύκλος βασίζεται στο διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), το οποίο βρίσκεται στην ατµόσφαιρα σε αέρια µορφή και στο νερό σε διαλυµένη µορφή. Τα φυτά µε τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας χρησιµοποιούν το CO 2 της ατµόσφαιρας και το νερό µε σκοπό να δηµιουργήσουν οξυγόνο και υδατάνθρακες. Το οξυγόνο που παράγεται είναι απαραίτητο για τη διατήρηση της ζωής όλων των έµβιων όντων. Οι υδατάνθρακες αποτελούν βασική πηγή ενέργειας για τους ζωικούς οργανισµούς οι οποίοι τρέφονται και τους µεταβολίζουν σε άλλες οργανικές ενώσεις. Μετά τον θάνατο των διαφόρων ζωικών και φυτικών οργανισµών λαµβάνει χώρα η αποσύνθεσή τους και δηµιουργείται πάλι ελεύθερο διοξείδιο του άνθρακα. Η σπουδαία αυτή φωτοχηµική διεργασία που συντελείται στον πλανήτη από τη γέννησή του λέγεται φωτοσύνθεση και είναι εφικτή µόνο από τα φυτά και µερικά βακτηρίδια. Η χλωροφύλλη που υπάρχει στα φύλλα των φυτών είναι αυτή που επιτρέπει τη σύλληψη και χρήση της ηλιακής ενέργειας µε σκοπό την παραγωγή οξυγόνου και υδατανθράκων σύµφωνα µε την αντίδραση: hn 2 + 6H 2O C 6H12O CO O Το οξυγόνο που παράγεται κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης καταναλώνεται από τους αερόβιους µικροοργανισµούς και τα ζώα. Το διοξείδιο του άνθρακα ελευθερώνεται πάλι στην ατµόσφαιρα µε την εκπνοή των καταναλωτών οξυγόνου, οι οποίοι διασπούν επίσης τους 2 Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 11

14 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι υδατάνθρακες και τις υπόλοιπες οργανικές ενώσεις παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα που µε τη σειρά του θα χρησιµοποιηθεί και πάλι από τα φυτά προς παραγωγή οξυγόνου. Ο άνθρακας µπορεί να αποθηκευτεί σαν βιοµάζα στις ρίζες φυτών και δένδρων αλλά και υπό άλλης µορφής οργανική ύλη για µεγάλα χρονικά διαστήµατα. Αυτή η οργανική ύλη µεταφέρεται πάλι στην ατµόσφαιρα µετά τη διάσπαση και αποσύνθεσή της. Ακόµα οι ανθρώπινες καύσεις µε διάφορες δραστηριότητες απελευθερώνουν στην ατµόσφαιρα τεράστιες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα. Η καύση των ορυκτών καυσίµων (πετρέλαιο, λιγνίτης κ.λ.π.) καλύπτει τις ενεργειακές ανάγκες του ανθρώπου. Οι ενεργειακές αυτές πηγές δεν είναι φυσικά ανανεώσιµες και απαιτούνται τεράστιοι χρόνοι για την αναπλήρωσή τους. Μια άλλη πηγή απελευθέρωσης διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα είναι µια φυσική διεργασία, αυτή της έκρηξης των ηφαιστείων. Στα υδάτινα οικοσυστήµατα το διοξείδιο του άνθρακα µπορεί να αποθηκευτεί σε ιζήµατα και πετρώµατα. Η απελευθέρωσή του στην ατµόσφαιρα είναι χρονοβόρος διαδικασία δεδοµένου ότι η γεωλογική διαδικασία της διάλυσης των πετρωµάτων συντελείται µε πολύ αργό ρυθµό. ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) ατµόσφαιρας Αναπνοή Φωτοσύνθεση Ηφαίστεια Ζώα Φυτά Καύσεις Φθορά Θάνατος ΝΕΡΟ Ανθρακικά Ε ΑΦΟΣ Απολιθώµατα Ασβεστόλιθοι ολοµίτες Σήψη Αποσύνθεση Πετρέλαιο Λιγνίτης Σχήµα Ο κύκλος του άνθρακα Το διαλυµένο στο νερό διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ), βρίσκεται υπό µορφή ανθρακικών (CO 3 2- ) και όξινων ανθρακικών (HCO 3 - ) αλάτων, τα οποία είναι πολύ σπουδαία φυσικά ρυθµιστικά διαλύµατα που προστατεύουν το νερό από τον κίνδυνο των αυξοµειώσεων της οξύτητας και της αλκαλικότητάς του (ph). Με την άνοδο της θερµοκρασίας των φυσικών νερών, τα ανθρακικά και τα όξινα ανθρακικά άλατα επιστρέφουν στην ατµόσφαιρα µε τη µορφή του διοξειδίου του άνθρακα. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 12

15 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι 2.5 Ο κύκλος του αζώτου Ο κύκλος του αζώτου (σχήµα 2.5.1) ξεκινά µε τη µετατροπή του ατµοσφαιρικού αζώτου σε αµµωνία µε τη βοήθεια φυσικών διεργασιών όπως η ηλιακή και η κοσµική ακτινοβολία. Στη βιοµηχανία µετατρέπονται τεράστιες ποσότητες ατµοσφαιρικού αζώτου σε αµµωνία. Βιολογικά µετατρέπεται το ατµοσφαιρικό άζωτο σε αµµωνία (ΝΗ 3 ) και αµµωνιακά άλατα (ΝΗ 4 + ) µε τη βοήθεια µικροοργανισµών (π.χ. κυανοβακτηρίδια). Άζωτο (N 2 ) ατµόσφαιρας Μικροοργανισµοί (π.χ. κυανοβακτηρίδια) Κοσµική & ηλιακή ακτινοβολία Βιοµηχανία Λιπασµάτων ΝΟ 3 - (Νιτρικά) νερό & έδαφος ΑΠΟΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ Απονιτροποιητικά βακτηρίδια (Denitrifying bacteria) Φυτά Ζώα Βακτηρίδια Nitrobacter Φθορά Σήψη Αποσύνθεση ΝΟ 2 - (Νιτρώδη) νερό & έδαφος ΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ Βακτηρίδια Nitrosomonas ΝΗ 4 + (Αµµωνιακά) Προϊόν σήψης Κοπριά & εδάφη (Humus & Detritus) Σχήµα Ο κύκλος του αζώτου Η αµµωνία χρησιµοποιείται από τα φυτά σαν πηγή αζώτου. Οι αµµωνιακές ενώσεις που υπεισέρχονται στο µεταβολισµό των έµβιων όντων µετατρέπονται σε διάφορες αζωτούχες οργανικές ενώσεις (αµινοξέα, πρωτεΐνες) οι οποίες είναι απαραίτητες για την επιβίωσή τους. Κατάλοιπο των νεκρών οργανισµών είναι πάλι η αµµωνία. Η αµµωνιοποίηση (nitrogen fixation) είναι µια βιολογική διαδικασία η οποία παρίσταται µε την εξίσωση: N Cyan bacteria 2 + H2 2 3 NH Μετά την αµµωνιοποίηση, η αµµωνία και τα αµµωνιακά άλατα µετατρέπονται σε νιτρώδη (ΝΟ 2 - ) και νιτρικά (ΝΟ 3 - ) άλατα µε µια διαδικασία η οποία ονοµάζεται νιτροποίηση (nitrification). Αερόβια βακτηρίδια χρησιµοποιούν οξυγόνο µε σκοπό τη νιτροποίηση. Το αµµωνιακά άλατα µετατρέπονται σε 3 Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 13

16 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι νιτρώδη µε το βακτηρίδιο nitrosomonas και τα νιτρώδη σε νιτρικά άλατα µε το βακτηρίδιο nitrobacter. Οι αντιδράσεις έχουν ως εξής: Nitrosomonas 2 NH3 + 3O 2 2NO2 + 2H + 2H2O + Nitrobacter 2 + O NO NO Τα φυτά απορροφούν και αφοµοιώνουν αµµωνιακά και νιτρικά άλατα τα οποία µετατρέπονται σε οργανικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο υπό µορφή διαφόρων αµινοοµάδων (R-NH 2 ), όπως οι πρωτεΐνες, τα αµινοξέα και το DNA. Τα ζώα δεν µπορούν να απορροφήσουν άµεσα τα νιτρικά, αλλά µόνο έµµεσα µέσω των φυτών και των φυτοφάγων ζώων. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία της νιτροποίησης και εκπληρωθούν οι ανάγκες των φυτών και των ζώων σε αζωτούχες ενώσεις, ειδικά βακτηρίδια αρχίζουν την διαδικασία της αµµωνιοποίησης µε σκοπό να µετατρέψουν και πάλι τα νιτρικά θρεπτικά άλατα σε αµµωνία και ευδιάλυτα αµµωνιακά άλατα. Αµέσως µετά, άλλα ειδικά αναερόβια βακτηρίδια (ετερότροφοι ανεκτικοί αναερόβιοι µικροοργανισµοί όπως acrhromobacter, bacillus, denitrobacillus) θα τα µετατρέψουν σύµφωνα µε µια διαδικασία η οποία ονοµάζεται απονιτροποίηση (denitrification), σε αέριο άζωτο το οποίο ελευθερώνεται στην ατµόσφαιρα. + Denitrifying bacteria NO HCHO H N2O + CO2 + 1 Η αδρανοποίηση των νεκρών οργανικών ενώσεων έχει σαν κατάλοιπο και πάλι την αµµωνία (ΝΗ 3 ). Η ουρία είναι επίσης κατάλοιπο του µεταβολισµού των ζώων. Η ουρία καθώς και διάφορες άλλες αζωτούχες ενώσεις από νεκρούς οργανισµούς µετατρέπονται κατά τη διαδικασία της αδρανοποίησης σε αµµωνία και στη συνέχεια γίνεται η νιτροποίηση της και η απονιτροποίηση σε Ν Ο κύκλος του φωσφόρου Ο φώσφορος υπάρχει στα νερά, στα ιζήµατα, στα εδάφη και στα ορυκτά. εν υπάρχει όµως ποτέ στην ατµόσφαιρα παρά µόνο σε απειροελάχιστες ποσότητες σαν πολύ µικρά σωµατίδια σκόνης γιατί είναι συνήθως υγρό σε κανονικές συνθήκες θερµοκρασίας και πίεσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις βρίσκεται σε πετρώδεις σχηµατισµούς και ιζηµατογενή πετρώµατα στα βάθη των θαλασσών στη µορφή των φωσφορικών αλάτων. Τα φωσφορικά άλατα απελευθερώνονται από την αποσάθρωση των ορυκτογεννών σχηµατισµών και διαλύονται σε µαλακά ιζήµατα απ όπου απορροφώνται από τα φυτά. Επειδή συνήθως οι συγκεντρώσεις του φωσφόρου στα µαλακά αυτά ιζήµατα είναι γενικά πολύ µικρές, αποτελεί κρίσιµο παράγοντα για την ανάπτυξη των φυτών. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται καθηµερινά όλο και περισσότερες ποσότητες φωσφορικών λιπασµάτων από τον άνθρωπο στις καλλιέργειες. Τα φωσφορικά αποτελούν επίσης κρίσιµο και περιοριστικό παράγοντα και για τη θαλάσσια χλωρίδα επειδή δεν είναι τόσο ευδιάλυτα. Ο φώσφορος µετακινείται πολύ αργά από τις αποθέσεις των εδαφών και των ιζηµάτων και προσλαµβάνεται από τους οργανισµούς οι οποίοι µε τη σειρά τους τον αποβάλουν στα εδάφη και τα ιζήµατα των θαλασσών (σχήµα 2.6.1). Τα ζώα απορροφούν φώσφορο καταναλώνοντας φυτά και φυτοφάγα ζώα. Ο φώσφορος ανακυκλώνεται όπως είναι φυσικό πολύ πιο γρήγορα στην αλυσίδα φυτών ζώων απ ότι µεταξύ πετρωµάτων και ιζηµάτων. Όταν τα φυτά και τα ζώα πεθαίνουν, τα φωσφορικά άλατα επιστρέφουν στα εδάφη και στους ιζηµατογενείς σχηµατισµούς στα βάθη των ωκεανών όπου παραµένει για εκατοµµύρια χρόνια. Μετά, µε πολύ αργούς ρυθµούς, µέσα από την γεωλογική ανύψωση σχηµατίζονται ορυκτά, πετρώµατα και όρη, τα οποία µε τη σειρά τους αποσαθρώνονται και πάλι µε αποτέλεσµα την απελευθέρωση φωσφορικών αλάτων, τα οποία ξαναµπαίνουν στον ατέλειωτο κύκλο του φωσφόρου. Επιγραµµατικά θα µπορούσαµε να πούµε ότι τα πιο βασικά τµήµατα του κύκλου του φωσφόρου είναι η µετατροπή των διαφόρων ανόργανων φωσφορικών αλάτων του εδάφους από τα φυτά σε διάφορες οργανικές ενώσεις του φωσφόρου ο µεταβολισµός των οργανοφωσφορικών ενώσεων από τα ζώα η µετατροπή των οργανοφωσφορικών ενώσεων µε τη βοήθεια διαφόρων ετεροτροφικών µικροοργανισµών (βακτηρίδια, µύκητες κ.λ.π.) σε ανόργανα φωσφορικά άλατα. 1 2 H 2 O Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 14

17 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι Ορυκτά Πτηνά Περιττώµατα Λιπάσµατα Φυτά Ζώα Ζώα Φωσφορικά (PO 4 3- ) Φθορά - Σήψη (Αποσυνθετικοί µικροοργανισµοί) ιήθηση Φυτά Φωσφορικά (PO 4 3- ) Αποσάθρωση «Γεωλογική ανύψωση φωσφορικών» Ιζήµατα Πετρώµατα - Ορυκτά ΝΕΡΟ Ε ΑΦΟΣ - ΥΠΕ ΑΦΟΣ Σχήµα Ο κύκλος του φωσφόρου 2.7 Ο κύκλος του θείου Οι µεγαλύτερες ποσότητες θείου στη γη βρίσκονται στα διάφορα πετρώµατα και στα ιζηµατογενή πετρώµατα στα βάθη των ωκεανών. Θείο υπάρχει όµως και στην ατµόσφαιρα στην οποία εισέρχεται είτε µε φυσικό τρόπο είτε µε τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Φυσικές πηγές εισόδου του θείου στην ατµόσφαιρα είναι οι εκρήξεις των ηφαιστείων, οι βακτηριδιακές διεργασίες, η εξάτµιση από τα νερά και ο θάνατος των οργανισµών. Κατά την αερόβια αποσύνθεση των διαφόρων οργανικών ενώσεων αποσπώνται οι σουλφυδρυλοµάδες µε αποτέλεσµα το σχηµατισµό υδρόθειου (Η 2 S). Κυρίως από τη βιοµηχανία απελευθερώνονται στην ατµόσφαιρα µεγάλες ποσότητες διοξειδίου του θείου (SO 2 ) και υδρόθειου (H 2 S) όπου συναντούν και αντιδρούν µε το ελεύθερο οξυγόνο προς σχηµατισµό τριοξειδίου του θείου (SO 3 ) το οποίο µε τη σειρά αντιδρά µε την υγρασία της ατµόσφαιρας και µετατρέπεται σε θειικό οξύ (H 2 SO 4 ) το οποίο πέφτει πάλι στη γη υπό µορφή όξινης βροχής. Θειικό οξύ µπορεί ακόµα να παραχθεί και από τα διµεθυλοσουλφίδια που εκπέµπονται στην ατµόσφαιρα από διάφορα είδη πλαγκτόν. Όταν το θείο είτε υπό σωµατιδιακή µορφή είτε υπό µορφή θειικού οξέως ξαναπέσει στη γη, µετατρέπεται σε θειικά άλατα, τα οποία απορροφώνται και πάλι από τα φυτά. Με αναερόβιες διεργασίες τα θειικά µετατρέπονται σε υδρόθειο ή σε σουλφυδρυλοµάδες των πρωτεϊνών των βακτηριδίων κι έτσι απελευθερώνεται θείο στην ατµόσφαιρα για να ξαναρχίσει ο κύκλος. Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 15

18 Οι βιογεωχηµικοί κύκλοι Υδρόθειο (H 2 S) Νέφος ιοξείδιο του θείου (SO 2 ) Ηφαίστεια Όξινη βροχή (H 2 SO 4 ) Βιοµηχανία Ζώα Φυτά Λιπάσµατα Εντοµοκτόνα Ζωικά απόβλητα Φυτικά υπολείµµατα ιάλυση Οργανικές θειούχες ενώσεις SO 4 2- Θειικά ιήθηση Θειούχα ορυκτά Οξείδωση Αναγωγή Σουλφίδια Στοιχειακό θείο (S) Προσρόφηση στο έδαφος Άργιλος Σχήµα Ο κύκλος του θείου Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 16

19 Τα µέταλλα 3. ΤΑ ΜΕΤΑΛΛΑ 3.1 Γενικά για τα βαρέα µέταλλα Ως βαρέα θεωρούνται τα µέταλλα που έχουν ειδικό βάρος µεγαλύτερο από εκείνο του σιδήρου (Fe), δηλαδή ο µόλυβδος (Pb), το χρώµιο (Cr), το νικέλιο (Ni), το κάδµιο (Cd), ο υδράργυρος (Hg), το βανάδιο (V) κ.λ.π. Μερικά µέταλλα είναι απαραίτητα για τη ζωή αλλά σε πολύ µικρές ποσότητες όπως ο σίδηρος (Fe), ο χαλκός (Cu), ο ψευδάργυρος (Zn), το µαγγάνιο (Mn) κ.λ.π. αλλά γίνονται τοξικά σε µεγαλύτερες. Για παράδειγµα η αιµοσφαιρίνη περιέχει σίδηρο ενώ πολλά ένζυµα περιέχουν ψευδάργυρο και η βιταµίνη Β 12 περιέχει κοβάλτιο (Co). Κάποια µέταλλα (Hg, Pb, As, Cd) δεν υπάρχουν στους οργανισµούς και είναι επιβλαβή για τη ζωή σε αρκετά χαµηλές συγκεντρώσεις επειδή επιδρούν αρνητικά στο γενετικό υλικό των κυττάρων (DNA και RNA), µε αποτέλεσµα την δηµιουργία µεταλλάξεων. Επίσης προκαλούν αλλοιώσεις στο αίµα. Ο µηχανισµός της τοξικής τους δράσης οφείλεται κυρίως στη συγγένεια των µεταλλο-κατιόντων µε το θείο. Το θείο υπάρχει στα ένζυµα που ελέγχουν την ταχύτητα των µεταβολικών αντιδράσεων του οργανισµού µε τη µορφή των σουλφυδρυλικών οµάδων (-SH). Οι σουλφυδρυλικές οµάδες ενώνονται σχετικά εύκολα µε τα κατιόντα των βαρέων µετάλλων που προσλαµβάνονται από τον οργανισµό µέσω της τροφικής αλυσίδας και οι δεσµοί µετάλλου θείου που προκύπτουν επηρεάζουν τα ένζυµα ώστε αυτά να µην µπορούν να δράσουν φυσιολογικά. Αποτέλεσµα µπορεί να είναι ακόµα και ο θάνατος του οργανισµού. Τα µέταλλα δεν αποικοδοµούνται όπως οι άλλες χηµικές ουσίες, αλλά βιοσυσσωρεύονται (συσσωρεύονται δηλαδή στην τροφική αλυσίδα µε συνεχώς αυξανόµενες συγκεντρώσεις) και είναι τοξικά για τον άνθρωπο. Ορισµένα µεθυλιωµένα παράγωγά τους είναι µάλιστα πολύ πιο τοξικά απ ότι τα απλά ιόντα. Η τοξικότητα καθώς επίσης και η σειρά τοξικότητας των βαρέων µετάλλων εξαρτάται από διάφορους παράγοντες (σχήµατα και 3.1.2). Η τοξικότητα των µετάλλων εξαρτάται από: Το είδος του µετάλλου Τη συγκέντρωση του µετάλλου Την ύπαρξη και τη συνεργιστική δράση άλλων µετάλλων Το είδος του οργανισµού Σχήµα Παράγοντες που επηρεάζουν την τοξικότητα των µετάλλων Η τοξικότητα, όπως φαίνεται και στο σχήµα 3.1.3, µπορεί να εκφραστεί µε διάφορους τρόπους. Υπάρχουν όµως και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν το βαθµό τοξικότητας των µετάλλων όπως η χηµική µορφή του µετάλλου στο νερό ανόργανη - οργανική διαλυτή (ιονική, µοριακή) - σωµατιδιακή (προσροφηµένα, σε κολλοειδή διασπορά κ.λ.π.), η παρουσία άλλων µετάλλων που έχουν συνεργιστική ή ανταγωνιστική δράση, παράγοντες που επηρεάζουν την φυσιολογία των οργανισµών και πιθανώς την µορφή µε την οποία βρίσκεται το µέταλλο στο νερό (θερµοκρασία, ph, διαλυµένο οξυγόνο, αλατότητα, ένταση του φωτός κ.λ.π.) και περιβαλλοντικούς παράγοντες, η κατάσταση στην οποία βρίσκεται ο οργανισµός (στάδια εξέλιξης, ηλικία, µέγεθος, φύλο, διατροφή, δραστηριότητα, εξωτερική προστασία π.χ. κέλυφος, συµπεριφορά κ.λ.π.). Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 17

20 Hg 2+ Cu 2+ Cr 3+ Sn 2+ Fe 3+ Mn 2+ Τα µέταλλα Zn 2+ Ni 2+ Μείωση της τοξικότητας Αύξηση της τοξικότητας Pb 2+ Cd 2+ Σχήµα Σειρά τοξικότητας ορισµένων µεταλλικών ιόντων Έκφραση τοξικότητας µετάλλων Νευροφυσιολογικές διαταραχές Γενετικές αλλοιώσεις των κυττάρων (µεταλλάξεις) Επιδράσεις Στην ενζυµική δραστηριότητα Στην ορµονική δραστηριότητα Στις βασικές λειτουργίες του οργανισµού Στην αναπαραγωγή Στην τερατογένεση και την καρκινογένεση Σχήµα Έκφραση της τοξικότητας των µετάλλων 3.2 Ο Υδράργυρος Ο υδράργυρος (Hg), το µοναδικό µέταλλο που βρίσκεται σε θερµοκρασία δωµατίου σε υγρή µορφή, είναι πτητικό µέταλλο µε πολύ τοξικούς ατµούς. Χρησιµοποιείται στη χηµική βιοµηχανία, τις βιοµηχανίες ξυλείας, χαρτιού, υφαλοχρωµάτων, στα ιατρικά θερµόµετρα αλλά και στην οδοντιατρική (σπανιότερα σήµερα). Αποτελεί συστατικό των φυτοφαρµάκων. Ατµοί υδραργύρου απελευθερώνονται στο περιβάλλον από τις καύσεις του πετρελαίου και την αποτέφρωση στερεών αποβλήτων που περιέχουν προϊόντα υδραργύρου (σχήµα 3.2.1). Οργανικές ενώσεις του υδραργύρου χρησιµοποιούνται ως µυκητοκτόνα και καταλήγουν στο περιβάλλον όπου διασπώνται και ο υδράργυρος παγιδεύεται υπό µορφή αδιάλυτων ενώσεων µε διάφορες θειικές οµάδες σε αργιλώδη και οργανικά υλικά. Ο µεθυλοϋδράργυρος (Hg(CH 3 ) 2 ) που σχηµατίζεται συνήθως στα ιζήµατα των ποταµών και των λιµνών, υπό αναερόβιες συνθήκες από βακτήρια και µικροοργανισµούς είναι µια πολύ πτητική ένωση η οποία εξατµίζεται και ελευθερώνεται και πάλι στο περιβάλλον. Ο άνθρωπος βιοσυσσωρεύει Ευθ. Νταρακάς Στοιχεία χηµείας περιβάλλοντος 18