ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΕΝΝΟΙΑ ΤΩN Υ ΡΟΓΕΩΧΗΜΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ: Επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων Όργανα Αναπνοής Tubifix Η 2 Ο/Ο 2 Όργανα ιατροφής Ίζηµα/τροφή
Κατάσταση αντινοµίας: Έχοντας ως στόχο την εύρεση τροφής διεισδύει βαθύτερα στo ίζηµα που την περιέχει. Εκεί όµως υπάρχει έλλειψη οξυγόνου. Για να µπορέσει να αναπνεύσει πρέπει να προσπαθεί να αναρριχηθεί στα ψηλότερα στρώµατα νερού όπου περιέχονται µεγαλύτερα ποσά διαλυµένου οξυγόνου. Eκεί όµως η τροφή είναι σπάνια. Οργανισµός που διχάζεται µεταξύ διατροφής και αναπνοής.
Οι άνθρωποι (ως φυσιολογικά όντα) παίζουν ένα µικρό ρόλο στο οικοσύστηµα: Παράδειγµα: Μέσα στην βιόσφαιρα: Η ενέργεια που σχετίζεται µε τον ανθρώπινο µεταβολισµό: 4 x 10 11 W (4 x 10 9 κάτοικοι µε πρόσληψη τροφής 100 W) Πρωτογενής παραγωγή: 10 14 W (φωτοσύνθεση: 6 x 10 15 mol C/yr και σε ενεργειακό ισοδύναµο των 100 Kcal/Mole άνθρακα ο οποίος φωτοσυντίθεται)
Oι άνθρωποι καταναλώνουν 10 έως 20 φορές (στο βόρειο ηµισφαίρειο 50 έως 100 φορές) περισσότερη ενέργεια απ όσο απαιτεί ο µεταβολισµός τους. Το µεγαλύτερο µέρος της ενέργειας που χρησιµοποιείται από τις δραστηριότητες της εκβιοµηχανισµένης κοινωνίας επηρεάζει τελικά και διαταράσσει την λειτουργία των οικοσυστηµάτων. ι) Αλληλεξάρτηση χερσαίων και υδατικών οικοσυστηµάτων. ιι) Ευαισθησία των υδατικών οικοσυστηµάτων. Η πίεση που εξασκείται στο περιβάλλον αντανακλάται κατά κύριο λόγο στα υδατικά οικοσυστήµατα.
Φάσεις της Υποβάθµισης του Περιβάλλοντος από τις Ανθρώπινες ραστηριότητες Φάση Ι: Οξεία αλλά εντοπισµένη ρύπανση από βιοµηχανικά και αστικά απόβλητα. Φάση ΙΙ: Ρύπανση προκαλούµενη από συνθετικές χηµικές ενώσεις Συνθετικές οργανικές ενώσεις. Προϊόντα εξόρυξης: φωσφορικά και βαρέα µέταλλα. Απόβλητα που σχετίζονται µε τη παραγωγή ενέργειας.
Αύξηση της παγκόσµιας παραγωγής, συνθετικών οργανικών ενώσεων από το 1930
Στην περιοχή της τέως υτικής Γερµανίας παρήχθησαν το 1981: 25 εκατ. τόνοι συνθετικού οργανικού υλικού ή 400 Kg/κάτοικο ή 0,1 Κg/m 2 /έτος Πρωτογενής παραγωγή από τα φυτά στις βιοµηχανικές χώρες: 0,3 Κg/m 2 /έτος
DDT DDT: συντέθηκε το 1873. Το 1939 Paul Muller (Geigy) ανακάλυψε τις εντοµοκτόνες ιδιότητες του DDT: «Nobel Prize in medicine and physiology» το 1948 «DDT increased enormously on a worldwide basis after World War II» «The World Health Organization estimates that during the period of its use approximately 25 million lives were saved» Rachel Carson's Silent Spring»,1962
DDT PCBs
ιεργασίες που καθορίζουν την κατανοµή τον χρόνο παραµονής και τις δεξαµενές µιας οργανικής ένωσης σε λίµνη.
Ηεκτίµηση-πρόβλεψη των οικολογικών επιπτώσεων των διαφόρων ρυπαντών δεν µπορεί να επιτευχθεί εκτιµώντας την τοξικότητα και την καταγραφή τους στο περιβάλλον. Εκτίµηση: της κατανοµής, της βιοσυσσώρευσης στην τροφική αλυσίδα, τους χρόνους παραµονής των ρυπαντών στο περιβάλλον. της επίδρασης των ρυπαντών στην λειτουργία των οικοσυστηµάτων.
Φάση ΙΙΙ. Προβλήµατα τρίτης γενεάς: παρεµβολή στους υδρογεωχηµικούς κύκλους. Οι άνθρωποι: τροποποιητές των γεωχηµικών κύκλων και παράγοντες περιβαλλοντικών αλλαγών σε πλανητικό επίπεδο. Αίτιο και αποτέλεσµα µπορεί να απέχουν σηµαντικά στο χώρο και στον χρόνο. Οκύκλος του νερού συνδέεται µε τους βιο- ή υδρογεωχηµικούς κύκλους. Ησχέση µεταξύ των διαφόρων γεωχηµικών κύκλων στοιχείων (C, S, O)
Οι γεωχηµικές δεξαµενές σηµαντικές για την ρύθµιση του περιβάλλοντος για τα τελευταία 600 εκατ. έτη:
CaSiO 3 + CO 2 SiO 2 + CaCO 3 Εξ. 1 CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 Εξ. 2 17O 2 + 4FeS + 8H 2 O 2Fe 2 O 3 + 8H 2 SO 4 Εξ. 4 O 2 + 4FeSiO 3 4Fe 2 O 3 + 4SiO 2 Εξ. 3
Ηευαισθησία των οικοσυστηµάτων σε διαταραχές Μικρό µέγεθος δεξαµενής: µικρός χρόνος παραµονής των ουσιών: ευαίσθητη σε διαταραχές Εκµετάλλευση της δεξαµενής οργανικού άνθρακα: επηρεάζει τις µικρές δεξαµενές. Ζωντανή βιοµάζα: µικρή δεξαµενή: είδη απαιτούν ιδιαίτερες περιβαλλοντικές συνθήκες
Ρύπανση και ποιότητα υδάτων Kg coal equiv /year Energy/unit area
Παράµετρος ολικού ρυπαντικού φορτίου J = I DA x DA Runoff x WP ή EC ή GNP C x (1-n) I = Πληθυσµός DA = Περιοχή απορροής WP = Παραγωγή αποβλήτων EC = Κατανάλωση ενέργειας GNP = Ακαθάριστο Εγχώριο Προϊόν (ΑΕΠ) n = αποτελεσµατικότητα περιβαλλοντικής προστασίας (ανακύκλωση, επεξεργασία νερού) C = Per Capita (ανά κεφαλή)
Ποταµός κάτοικοι/km 2 κάτοικοι/m 3 sec USD/m 3 Ρήνος 140 15000 3,4 ούναβης 83 10400 1,1 Ohio (ΗΠΑ) 76 5800 1,3 Μισισιπής 19 3300 0,75 Ροδανός 63 3700 0,55 Kemijoki (Ιαπωνία) 2,5 250 0,03 M.O. Γης 27 3000 0,15 Η.Π.A. 28 4200 1,0 Ευρώπη 66 6500 - Ασία 45 4877 - Αφρική 11 2500 - Β. Αµερική 15 1600 - Ν. Αµερική 10 560 -
Εισαγωγή αποβλήτων σε ύδατα και συνεπαγόµενη σύσταση των υδάτων
Κριτήρια ποιότητας ύδατος (WQC) Πρότυπα (Standards) Επίπεδα ανεκτών συγκεντρώσεων που καθορίζονται από κυβερνητικές υπηρεσίες ή διεθνείς οργανισµούς στα πλαίσια προγραµµάτων ελάττωσης της ρύπανσης των υδάτων. Παράδειγµα: Για ένα ρυάκι µε ροή Q, η ροή χηµικής µάζας Lµπορεί να εκφραστεί: L= CxQ= AxbQ Συγκέντρωση Απόβλητα Έκπλυση εδαφών
C x Q = A x bq C= A Q + b DOC µε µέσο εύρος 5%-95% από διάφορα ποτάµια
Είναι δύσκολο να ορισθεί µία κατάσταση αναφοράς. Κριτήρια σε προηγούµενες δεκαετίες: α) Η συγκέντρωση του διαλυµένου οξυγόνου ως δείκτης ρύπανσης, και ως παράγοντας ρυπαντικού φορτίου το βιοχηµικά απαιτούµενο οξυγόνο (Biochemical Oxygen Demand, BOD). β) Οργανισµοί δείκτες οι οποίοι φανερώνουν την ύπαρξη συγκεκριµένων ρυπαντικών συνθηκών. Σπουδαιότητα της Χηµικής Ανάλυσης
n n n
Ευαισθησία Αναλυτικών Τεχνικών και Περιβαλλοντική Ερµηνεία
ιατάραξη της ισορροπίας Φ/Α Μέσω εισροής αποβλήτων (P, N, C) Οι φωτοσυνθετικοί οργανισµοί συνθέτουν βιοµάζα (P = ρυθµός φωτοσύνθεσης). Η αναπνοή (R = ρυθµός αναπνοής) αυξάνεται λόγω αποδόµηση.
Αύξηση C λόγω προσθήκης P στην λίµνη Αύξηση Ν µε αύξηση P Αύξηση πρωτογενούς παραγωγής
Ξενοβιοτικές Ενώσεις και Υδατικά Οικοσυστήµατα: Οικοτοξικολογία Ουσίες οι οποίες απειλούν ζώα, υδατικούς οργανισµούς και ανθρώπους: οξεία τοξικότητα ( ( ηµέρες) Ουσίες που επιδρούν κυρίως στη οργάνωση και δοµή των υδατικών οικοσυστηµάτων: ρυπαντές που παρενοχλούν αυτορυθµιζόµενες λειτουργίες του συστήµατος ή παρεµβαίνουν στην τροφική αλυσίδα.
Ανθεκτικοί ρυπαντές Ο αριθµός των χηµικών που συντίθενται ανά έτος φθάνει τα 1.8 εκ. µε ρυθµό αύξησης στις 250000 ενώσεις/ έτος. 300-500 φθάνουν έως το σηµείο της εµπορικής παραγωγής µε συνολική παγκόσµια παραγωγή 100-200 εκ. τόνοι. Το 1/3 της συνολικής παραγωγής καταλήγει στο περιβάλλον. Αρκετά από αυτά δεν βιοαποδοµούνται. Οι συγκεντρώσεις των οργανικών ενώσεων για την πρόσληψη τους από µικροοργανισµούς κυµαίνονται από 10-5 σε 10-10 Μ. Ο ρυθµός βιοαποδόµησης σε χαµηλές συγκεντρώσεις µπορεί να είναι πολύ αργός.
Μεταφορά πτητικών ρυπαντών στο πόσιµο νερό
Βιοσυσσώρευση/Βιοµεγένθυνση Κατανοµή των λιπόφιλων ενώσεων ανάµεσα στο νερό και στους οργανισµούς. Συντελεστής κατανοµής κ-οκτανόλης-νερού: K ow = α ο α w = c o c w Για µία µεγάλο εύρος χηµικών το Κ ow είναι αντιστρόφως ανάλογο µε την διαλυτότητα του στο νερό και επίσης συσχετίζεται µε τον παράγοντα βιοσυσσώρευσης.
Κ ow = ƒ(sh 2 O) & ƒ(bc)
Βιοαποδόµηση Η αποδόµηση ενός µορίου αυξάνεται ή µειώνεται µε την προσθήκη υποκαταστατών (degradophores). Αυτές οι µοριακές οµάδες καθιστούν τις ενώσεις υποστρώµατα για προσβολή από µικροβιακές οξειδάσες.
R1 Cl CH 3 O R2 Cl CH 3 O Οικολογική µεγέθυνση (ppm ψάρι/ppm νερό) 84500 1545 C 2 H 5 O C 2 H 5 O 1536 CH 3 CH 3 140 CH 3 S CH 3 S 5,5 CH 3 O CH 3 S 310 CH 3 C 2 H 5 O 400 Cl CH 3 1400
Μεταβολές στην αφθονία των ειδών: Το πρόβληµα της Βιοποικιλότητας
Επαγωγή καρκίνου από χηµικές ενώσεις µέσω µετάλλαξης Η µετάλλαξη µπορεί να προκληθεί από την αλληλεπίδραση µίας δραστικής ένωσης (ηλεκτρονιόφιλης) µε το DNA
Γίγνεσθαι ρυπαντή στο περιβάλλον Έδαφος
Οργανική Ενωση Ποσοτική περιγραφή των σταθερών αλληλεπιδράσεων σε µοριακή κλίµακα (---> φυσικοχηµικές ιδιότητες, δραστικότητες) Ποσοτικοποίηση των περιβαλλοντικών παραγόντων (π.χ., θερµοκρασία, ph, ιονική ισχύς, ιοντική σύσταση, ένταση φωτός, συγκέντρωση φυσικού οργανικού υλικού, ταχύτητα ανέµου, µικροβιακή δραστηριότητα κλπ) Ποσοτική περιγραφή των διάφορων περιβαλλοντικών διεργασιών (π.χ., µετακίνηση σε αέρα-νερό, προσρόφηση-εκρόφηση, χηµικός, φωτοχηµικόςή βιολογικός µετασχηµατισµός) Ποσοτικοποίηση των διεργασιών ανάµιξης και µεταφοράς Ποσοτική περιγραφή της δυναµικής συµπεριφοράς µιας οργανικής ένωσης σ'ένα φυσικό σύστηµα (---> µαθηµατικά µοντέλα, µελέτες πεδίου)
Τα ιζήµατα ως δείκτες ρύπανσης από βαρέα µέταλλα Βαλτική Greifensee Παραγωγή γαιάνθρακα στην Ευρώπη (170 χρόνια) Α: γαιάνθρακας, Β: λιγνίτης