Химия окружающей среды



                ENVIRONMENTAL CHEMISTRY




NINTH EDITION

STANLEY E. MANAHAN







    CRC Press

                               xM* J Taytorb Francis Croup
                                        Boca Raton London №wYork

CRC Press is an imprintof tha
Taybr & Francis Croup, an Informa business

Стенли Е. Манатам






            ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ


Перевод с английского языка 9-го издания под редакцией С. В. Мякина

7

В о

D

Санкт-Петербург
2018

ЦЕНТР
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ

ПРОФЕССИЯ

УДК 504.75
ББК20.1

М23 Стенли Е. Мана г ан
        Химия окружающей среды : пер. с англ. яз. 9-го изд.; под ред. С. В. Мякина. — СПб. : ЦОП «Профессия», 2018. — 1024 с., ил.

       ISBN 978-5-91884-090-0
       ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.)

           В расширенном и дополненном 9-м издании приведена классификация определений и понятий экологической химии, включая систематическое рассмотрение химии атмосферы, водной среды, геосферы и геохимии, биосферы, промышленной экологии и токсикологической химии. Показаны связь экологической химии и «зеленой» химии, использование промышленной экологии для минимизации и утилизации отходов; приведен обзор химического анализа атмосферы, воды и сточных вод. Специальные главы посвящены химии отходов, анализу загрязняющих веществ, дисперсионным частицам в атмосфере, токсикологической химии. Особо ценными являются разделы, освещающие анализ отходов и загрязняющих веществ в основных средах, выявление следовых компонентов, анализ биологических веществ.
           Материал книги изложен последовательно; каждая глава завершается постановкой вопросов и проблем, а также списком дополнительных источников. Бо-лсс40лст книга служит надежным учебником и руководством по экологической химии для экологов, специалистов по промышленной экологии, аналитиков, студентов и преподавателей профильных вузов.
УДК 504.75
ББК 20.1

©АП Rights Reserved.
     Authorized translation from English language edition published byCRC Press, an imprint of Taylor
& Francis Group LLC.

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы тони было форме без письменного разрешения владельцев авторских, прав.
Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательствам как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений ине несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги




ISBN 978-1-4200-5920-5 (англ.)            © 2010 by Taylor & Francis Group, LLC
ISBN978-5-91884-090-0                              © ЦОП «Профессия», 2018
                               © Перевод, оформление: ЦОП «Профессия», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ






Предисловие..................................................................15

Об авторе....................................................................18

Глава 1. НАУКАОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ЕЕ УСТОЙЧИВ ОСТИ.........................19
   1.1. От солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно.................19
   1.2. Наука об устойчивом развитии.........................................22
   1.3. Химия и окружающая среда.............................................24
   1.4. Вода, воздух, земля, жизнь и развитие со временных технологий...............25
   1.5. Экология, экотоксикология и биосфера.................................29
   1.6. Энергия и энергетические циклы.......................................31
   1.7. Антропогенное влияние и загрязнение..................................34
   1.8. Перенос химических веществ, их превращения и конечные состояния......35
   1.9. Превращения и перенос химических веществ в атмосфере, гидросфере и геосфере.40
   1.10. Экологическое вредительство и терроризм.............................42
   1.11. Экологическая экспертиза............................................44
   Библиографический список..................................................45
   Рекомецдуемая литература..................................................45
   Вопросы и задачи..........................................................46

Пива 2. ХИМИЯ И АНТРОПОСФЕРА: ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И «ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ»... 48
   2.1. Экологическая химия..................................................48
   2.2. Материя и ее циклы...................................................50
   2.3. Антропосфера и экологическая химия...................................57
   2.4. Технологии и антропосфера............................................59
   2.5. Инфраструктура.......................................................62
   2.6. Компоненты антропосферы, оказывающие влияние на окружающую среду.....66
   2.7. Влияние антропосферы на Землю........................................68
   2.8. Интеграция антропосферы в окружающую среду...........................69
   2.9. 3 еленая химия.......................................................72
   Библиографический список..................................................76
   Рекомецдуемая литература..................................................76
   Вопросы и задачи..........................................................78

ГлаваЗ. ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ....................................................80
   3.1.3  начение воды.......................................................80
   3.2. Вода: от молекул до океанов..........................................81
   3.3. Характеристики водоемов..............................................86
   3.4. Жизнь в воде.........................................................88
   3.5. Введение в химию воды................................................89
   3.6. Газы вводе...........................................................91
   3.7. Кислотность воды и содержание в ней диоксцда углерода................93
   3.8. Щ елочность..........................................................97
   3.9. Кальций и другие металлы в воде.....................................100

Оглавление

   3.10. Комплексообразование и хелатообразование..........................105
   3.11. Связывание и структура комплексов металлов.................................108
   3.12. Расчет концентраций соединений....................................109
   3.13. Комплексообразование с де протонированным и лигандами.............110
   3.14. Комплексообразование с протонированными лигацдами.................111
   3.15. Растворение иона свинца из твердых веществ с участием НТА.........114
   3.16. Полифосфаты и фосфонаты в воде....................................118
   3.17. Комплексообразование с участием гуминовых соединений..............121
   3.18. Комплексообразование и окислительно-восстановительные процессы....123
   Библиографический список................................................124
   Рекомендуемая литература................................................124
   Вопросы и задачи........................................................125
Глава 4. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ХИМИИ ВОДЫ ... 128
   4.1. Значение окислительно-восстановительных процессов..................128
   4.2. Электрон и окислительно-восстановительные реакции..................131
   4.3. Активность электрона и рЕ..........................................133
   4.4. Уравнение Нернста..................................................134
   4.5. Тенденции в реакциях: от полуреакций к полной реакции..............135
   4.6. Уравнение Нернста и химическое равновесие..........................137
   4.7. ВзаимосвязьрЕ и свободной энергии..................................138
   4.8. Представление реакций в пересчете на один электрон-моль............139
   4.9. Предельные значения ре в воде......................................142
   4.10. Значения рЕ в природных водных системах...........................144
   4.11. Диаграммы рЕ— pH................................................  144
   4.12. Гуминовые соединения в качестве природных восстановителей.........148
   4.13. Фотохимические процессы окисления-восстановления..................149
   4.14. Коррозия..........................................................150
   Библиографический список................................................151
   Рекомендуемая литература................................................151
   Вопросы и задачи........................................................152
Глава 5. МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ХИМИИ ВОДЫ.............................154
   5.1. Химические взаимодействия с участием твердых веществ, газов и воды.154
   5.2. Значение осадков и их образование..................................155
   5.3. Растворимость......................................................158
   5.4. Коллоцдные частицы в воде..........................................161
   5.5. Коллоцдные свойства глин...........................................167
   5.6. Агрегирование частиц...............................................168
   5.7. Сорбция на поверхности твердых веществ.............................171
   5.8. Обмен растворимыми веществами между раствором и донными осадками...173
   5.9. «Внутренняя* вода..................................................179
   5.10. Межфазные взаимодействия при превращениях химических веществ и их переносе.180
   Библиографический список................................................183
   Рекомендуемая литература................................................184
   Вопросы и задачи........................................................185
Глава 6. МИКРОБИОХИМИЯ ВОДЫ................................................187
   6.1. Биохимические процессы в воде......................................187
   6.2. Водоросли..........................................................189
   6.3. Грибы..............................................................191

Оглавление

7

    6.4. Простейшие микроорганизмы............................................192
    6.5. Бактерии.............................................................193
    6.6. Прокариотические бактериальные клетки................................195
    6.7. Кинетика роста бактерий..............................................196
    6.8. Метаболизм бактерий..................................................198
    6.9. Микробиологические превращения углерода..............................203
    6.10. Биоразложение органических веществ..................................206
    6.11. Микробиологические превращения азота..............................210
    6.12. Микробиологические превращения фосфора и серы.......................215
    6.13. Микробиологические превращения галогенов и органических галогенцдов.218
    6.14. Микробиологические превращения металлов и металлоидов...............219
    Библиографический список..................................................223
    Рекомендуемая литература..................................................224
    Вопросы и задачи..........................................................224
1km 7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ.......................................................229
    7.1. Природа и типы загрязняющих веществ в воде...........................229
    7.2. Элементарные загрязняющие вещества...................................231
    7.3. Тяжелые металлы......................................................233
    7.4. Металлоцды...........................................................236
    7.5. Металлы и металлоцды, связанные в органические соединения............237
    7.6. Неорганические соединения............................................239
    7.7. Питательные вещества для водорослей и эвтрофикация...................241
    7.8. Кислотность, щелочность и соленость..................................243
    7.9. Кислород окислители и восстановители.................................244
    7.10. Органические загрязняющие вещества..................................246
    7.11. Загрязнение воды пестиццдами........................................253
    7.12. Полихлор би фен илы.................................................265
    7.13. Новые загрязняющие вещества в воде, фармацевтические препараты и загрязнение воды бытового назначения..................................266
    7.14. Р адионуклцды в водной среде........................................272
    Библиографический список..................................................277
    Рекомендуемая литература..................................................278
    Вопросы и задачи..........................................................279
1km 8. ОБРАБОТКА ВОДЫ.........................................................282
    8.1. Обработка и использование воды.......................................282
    8.2. Обработка воды, используемой в городском хозяйстве...................282
    8.3. Обработка вод промышленного назначения...............................283
    8.4. Обработка канализационных стоков.....................................285
    8.5. Обработка промышленных сточных вод...................................292
    8.6. Удаление твердых веществ.............................................294
    8.7. Удаление кальция и других металлов...................................297
    8.8. Удаление растворенных органических веществ...........................304
    8.9. Удаление растворенных неорганических веществ.........................306
    8.9. Обратный осмос.......................................................308
    8.10. Иловые осадки.......................................................312
    8.11. Дезинфекция воды....................................................314
    8.12. Природные процессы очистки воды.....................................318
    8.13. Экологичное водопотребление.........................................320

Оглавление

    8.14. Экономия воды....................................................325
    8.15. Защита систем водоснабжения от террористических угроз............326
    Библиографический список...............................................327
    Рекомендуемая литература...............................................328
    Вопросы и задачи.......................................................328
Глава 9. АТМОСФЕРА И ЕЕ ХИМИЯ..............................................331
    9.1. Введение..........................................................331
    9.2. Значение атмосферы................................................336
    9.3. Физические характеристики атмосферы...............................337
    9.4. Перенос энергии в атмосфере.......................................340
    9.5. Атмосферный массоперенос, метеорология и погода...................344
    9.6. Инверсия и загрязнение воздуха....................................351
    9.7. Глобальный климат и микроклимат...................................352
    9.8. Химические и фотохимические реакции в атмосфере...................355
    9.9. Кислотно-основные реакции в атмосфере.............................365
    9.10. Реакции атмосферного кислорода...................................366
    9.11. Реакции атмосферного азота.......................................367
    9.12. Атмосферная влага................................................368
    9.13. Влияние антропосферы.............................................369
    9.14. Химические превращения и перенос веществ в атмосфере.............369
    Библиографический список...............................................372
    Рекомендуемая литература...............................................372
    Вопросы и задачи.......................................................373
Пива 10. ДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИ ЦЫ В АТМОСФЕРЕ...................................375
    10.1. Введение.........................................................375
    10.2. Физическое поведение частиц в атмосфере..........................377
    10.3. Физические процессы образования частиц...........................379
    10.4. Химические процессы образования частиц...........................380
    10.5. Состав неорганических частиц.....................................383
    10.6. Токсичные металлы в атмосфере....................................386
    10.7. Радиоактивные частицы............................................388
    10.8. Состав органических частиц.......................................389
    10.9. Воздействие частиц...............................................391
    10.10. Вода в дисперсном состоянии.....................................392
    10.11. Атмосферные химические реакции с участием частиц................394
    10.12. Снижение выбросов частиц в атмосферу............................396
    Библиографический список...............................................399
    Рекомендуемая литература...............................................400
    Вопросы и задачи.......................................................400
Глава 11. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ГАЗООБРАЗНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В АТМОСФЕРЕ.......................................................403
    11.1. Неорганические загрязняющие газы.................................403
    11.2. Образование оксида углерода и снижение его содержания............403
    11.3. Превращения оксида углерода в атмосфере..........................404
    11.4. Источники диоксида серы и цикл превращений серы..................405
    11.5. Реакции диоксида серы в атмосфере................................407
    И .6. Оксцды азота в атмосфере.........................................413
    И .7. Кислотные дожди..................................................422

Оглавление

9

    11.8. Аммиак в атмосфере...............................................422
    11.9. Фтор, хлор и их газообразные соединения..........................423
    11.10. Восстановительные сернистые газы................................425
    Би б ли о гр аф иче ский сп и сок......................................428
    Рекомендуемая литература...............................................428
    Вопросы и задачи.......................................................429
Глава 12. ОРГАНИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА В .АТМОСФЕРЕ..................431
    12.1. Органические соединения в атмосфере..............................431
    12.2. Биогенные органические соединения................................432
    12.3. Углеводородные загрязняющие вещества.............................436
    12.4. Карбонильные соединения: альдегиды и кетоны......................441
    12.5. Прочие кислородсодержащие соединения.............................444
    12.6. Органические соединения азота....................................448
    12.7. Галогенорганические соединения...................................451
    12.8. Органические соединения серы.....................................457
    12.9 .Дисперсные органические соединения...............................458
    12.10. Вредные загрязняющие органические соединения в атмосфере........459
    Библиографический список...............................................462
    Рекомендуемая литература...............................................462
    Вопросы и задачи.......................................................463
Глава 13. ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ..............................................465
    13.1. Введение.........................................................465
    13.2. Выбросы, приводящие к образованию смога..........................466
    13.3. Реакции органических соединений в атмосфере, приводящие к образованию смога.472
    13.4. Обзор процессов образования смога................................475
    13.5. Механизмы образования смога......................................477
    13.6. Реакционная способность угле водороде в..........................485
    13.7. Неорганические соединения в составе смога........................486
    13.8. Воздействие смога............................................... 487
    Би б ли о гр аф иче ский сп и сок...............................................490
    Рекомецлуемая литература........................................................491
    Вопросы и задачи................................................................491
Глава 14. ФАКТОРЫ ГЛОБАЛЬНОЙ УГРОЗЫ В .АТМОСФЕРЕ...........................494
    14.1. Изменение климата и антропогенные эффекты........................494
    14.2. Глобальное потепление............................................497
    14.3. Мероприятия -(зеленой» науки и технологии борьбы с глобальным потеплением.503
    14.4. Кислотные дожди..................................................509
    14.5. Разрушение озона в стратосфере...................................513
    14.6. Коричневые облака в атмосфере....................................519
    14.7. Вред, причиняемый атмосфере фотохимическим смогом................522
    14.8. Ядерная зима.....уС..............................................526
    14.9. Что делать?......................................................529
    Библиографический список...............................................532
    Рекомендуемая литература...............................................532
    Вопросы и задачи.......................................................533
Глава 15. ГЕОСФЕРА И ГЕОХИМИЯ..............................................535
    15.1. Введение.........................................................535

Оглавление

    15.2. Природа твердых веществ в геосфере................................537
    15.3. Физическая форма геосферы.........................................541
    15.4. Внутренние процессы...............................................544
    15.5. Отложения.........................................................546
    15.6. Глины.............................................................548
    15.7. Геохимия..........................................................550
    15.8. Грунтовые воды в геосфере.........................................552
    15.9. Экологические аспекты геосферы....................................556
    15.10. Землетрясения....................................................558
    15.11. Вулканы......................................................... 560
    15.12. Подвижки грунта..................................................562
    15.13. Явления, связанные сводными потоками.............................564
    15.14. Явления на границе раздела «земля — океан».......................566
    15.15. Явления на границе раздела «земля — атмосфера»...................569
    15.16. Влияние лада.....................................................570
    15.17. Влияние деятельности человека....................................571
    15.18. Геосфера и загрязнение воздуха...................................573
    15.19. Геосфера и загрязнение воды......................................575
    15.20. Геосфера и утилизация отходов....................................575
    Библиографический список................................................578
    Рекомендуемая литература................................................578
    Вопросы и задачи........................................................579
1km 16. ПОЧВА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ....................581
    16.1. Почва и сельское хозяйство........................................581
    16.2. Природа и состав почвы............................................584
    16.3. Кислотно-основные и ионообменные реакции в почвах.................593
    16.4. Питательные макроэлементы в почве.................................596
    16.5. Азот, фосфор и калий в почве......................................597
    16.6. Питательные микроэлементы в почве.................................601
    16.7. Удобрения.........................................................603
    16.8. Загрязнения, вызванные животноводством............................606
    16.9. Пестиццды и их остатки в почве....................................606
    16.10. Отходы и загрязняющие вещества в почве...........................609
    16.11. Потери и деградация почвы........................................612
    16.12. Сохранение почвы.................................................614
    16.13. Генная инженерия и сельское хозяйство............................617
    16.14. -('Зеленая» химия и устойчивость сельского хозяйства.............619
    16.15. Сельское хозяйство иадоровье.....................................623
    16.16. Защита системы снабжения продуктами питания от террористических угроз.624
    Библиографический список.....................................................625
    Р е ком ендуем ая литер атур а...............................................625
    Вопросы и задачи.............................................................627
1km 17. ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ...............................629
    17.1. Отход от старых неправильных способов..................................629
    17.2. 3 еленая химия.........................................................63 0
    17.3. Снижение рисков: опасность и длительность воздействия.............633
    17.4. Предотвращение образования отходов и зеленая химия................637
    17.5. 3 еленая химия и синтетическая химия..............................638

Оглавление

11

    17.6. Сырье.................................................................640
    17.7. Реагенты..............................................................643
    17.8. Стехиометрические и каталитические реагенты...........................646
    17.9. Среды и растворители..................................................647
    17.10. Интенсификация реакций..............................................652
    17.11. Промышленная экология...............................................655
    17.12. Пять основных компонентов промышленной экосистемы....................657
    17.13. Промышленный метаболизм.............................................660
    17.14. Материальные потоки и рециклинг в промышленной экосистеме............661
    17.15. Промышленная экосистема Калуцдборга.................................662
    17.16. Анализ воздействия на окружающую среду в промышленной экологии.......664
    17.17. Жизненные циклы: расширение и замыкание циклов материальных потоков.666
    17.18. Оценка жизненных циклов..............................................669
    17.19. Расходная, повторно используемая и сервисная ^долговечная) продукция.671
    17.20. Экологическое проектирование.........................................673
    17.21. Внутренняя безопасность..............................................676
    17.22. Промышленная экология и экологический инжиниринг.....................678
    Библиографический список....................................................679
    Рекомендуемая литература....................................................679
    Вопросы и задачи............................................................681
Глава 18. РЕСУРСЫ И УСТОЙЧИВЫЕ МАТЕРИАЛЫ........................................684
    18.1. Где достать необходимые материалы?....................................684
    18.2. Минералы в геосфере...............................................    685
    18.3. Добыча и извлечение...................................................687
    18.4. Металлы...............................................................689
    18.5. Источники металлов и промышленная экология............................692
    18.6. Неметаллические минеральные ресурсы...................................698
    18.7. Фосфаты...............................................................699
    18.8. Сера..................................................................701
    18.9. Древесина: важнейший возобновляемый ресурс............................702
    18.10. Расширение ресурсов при помощи методов промышленной экологии.........703
    Библиографический список....................................................706
    Рекомендуемая литература....................................................707
    Вопросы и задачи............................................................707
Глава 19. УСТОЙЧИВАЯ ЭНЕРГЕТИКА КЛЮЧ К РЕШЕНИЮ ВСЕХ ПРОБЛЕМ....................709
    19.1. Энергетическая проблема...............................................709
    19.2. Природа энергии.......................................................710
    19.3. Источники энергии, используемые в антропосфере........................711
    19.4. Устройства и способы преобразования энергии...........................714
    19.5. Зеленые технологии и эффективность преобразования энергии.............720
    19.6. Экономия энергии и ее возобновляемые источники........................721
    19.7. Нефть и природный газ.................................................725
    19.8. Каменный уголь........................................................727
    19.9. Секвестрация углерода для использования ископаемого топлива...........729
    19.10. Промышленная экология в энергетике и химии...........................732
    19.11. Ядерная энергия......................................................734
    19.12. Геотермальная энергия................................................737
    19.13. Солнце: цдеальный возобновляемый источник энергии....................738

Оглавление

    19.14. Энергия движения воздушных и водных масс.............................742
    19.15. Энергия биомассы.....................................................746
    19.16. Водород как средство хранения и использования энергии................755
    19.17. Комплексные энергетические циклы.....................................756
    19.18. Промышленная эколо гия в производстве метана.........................757
    Библиографический список....................................................758
    Рекомендуемая литература....................................................759
    Вопросы и задачи............................................................760
Пгава20. ПРИРОДА, ИСТОЧНИКИ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ОПАСНЫХ ОТХОДОВ... 7 62
    20.1. Введение..............................................................762
    20.2. Классификация опасных веществ и отходов...............................765
    20.3. Источники отходов.....................................................767
    20.4. Легковоспламеняющиеся и горючие вещества..............................770
    20.5. Вещества с высокой реакционной способностью...........................774
    20.6. Коррозионно-активные вещества.........................................777
    20.7. Токсичные вещества....................................................778
    20.8. Физическое состояние и разделение отходов.............................779
    20.9. Экологическая химия опасных отходов...................................780
    20.10. Физические и химические свойства опасных отходов.....................781
    20.11. Перенос, воздействие, превращения и накопление опасных отходов.......782
    20.12. Опасные отходы и антропосфера........................................785
    20.13. Опасные отходы в геосфере............................................786
    20.14. Опасные отходы в гцдросфере..........................................789
    20.15. Опасные отходы в атмосфере...........................................791
    20.16. Опасные отходы в биосфере............................................793
    20.17. Опасные вещества и терроризм.........................................796
    Библиографический список....................................................800
    Рекомендуемая литература....................................................800
    Вопросы и задачи............................................................801
Глава 21. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ ДЛЯ
        МИНИМИЗАЦИИ, УТИЛИЗАЦИИ И ОБРАБОТКИ ОТХОДОВ.............................804
    21.1. Введение..............................................................804
    21.2. Уменьшение и минимизация отходов......................................805
    21.3. Рециклинг.............................................................807
    21.4. Физические методы обработки отходов...................................812
    21.5. Химическое разделение: общие положения................................817
    21.6. -('Зеленые» технологии обработки отходов методами фотолиза и сонолиза.824
    21.7. Методы термической обработки..........................................825
    21.8. Биоразложение отходов.................................................830
    21.9. Фито восстановление...................................................833
    21.10. Обработка почвой и компостирование...................................834
    21.11. Подготовка отходов к утилизации......................................835
    21.12. Окончательная утилизация отходов.....................................839
    21.13. Просачивание фильтрата и выбросы газов...............................842
    21.14. 0 бработка in situ...................................................843
    Би б ли о гр аф иче ский сп и сок.......................................847
    Рекомендуемая литература....................................................847
    Вопросы и задачи............................................................849

Оглавление

13

Глава22. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ...........................................851
   22.1. Биохимия.........................................................851
   22.2. Биохимия и клетка................................................852
   22.3. Белки............................................................854
   22.4. Угле воды.......................................................85 8
   22.5. Липиды...........................................................860
   22.6. Ферменты.........................................................864
   22.7. Нуклеиновые кислоты..............................................867
   22.8. Рекомбинантная ДНК. и генная инженерия...........................870
   22.9. Метаболические процессы..........................................871
   22.10. Метаболизм ксенобиотиков........................................872
   Библиографический список...............................................874
   Рекомендуемая литература...............................................874
   Вопросы и задачи.......................................................875
Глава23. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ..........................................877
   23.1. Введение в токсикологию и токсикологическую химию................877
   23.2. Взаимосвязь {едоза — реакция»................................... 880
   23.3. Относительная токсичность........................................881
   23.4. Обратимость и чувствительность...................................884
   23.5. Ксенобиотики и эцдогенные вещества...............................884
   23.6. Токсикологическая химия..........................................885
   23.7. Кинетическая и динамическая фазы.................................888
   23.8. Тератогенез, мутагенез, канцерогенез и воздействие на иммунную и репродуктивную системы..............................................891
   23.9. Опасность дия здоровья...........................................899
   Библиографический список...............................................901
   Рекомендуемая литература...............................................901
   Вопросы и задачи.......................................................903
Птава24. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ВЕЩЕСТВ..................................904
   24.1. Введение.........................................................904
   24.2. Элементарные токсичные вещества и их формы.......................907
   24.3. Токсичные неорганические соединения..............................909
   24.4. Токсикология органических соединений.............................917
   24.5. Природные токсичные вещества.....................................938
   Библиографический список...............................................938
   Рекомендуемая литература...............................................939
   Вопросы и задачи.......................................................940
Птава25. ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОДЫ И СТОЧНЫХ ВОД.............................942
   25.1. Общие аспекты экологического химического анализа.................942
   25.2. Классические методы..............................................944
   25.3. Спектрофотометрические методы....................................945
   25.4. Электрохимические методы анализа.................................950
   25.5. Хроматография....................................................952
   25.6. М а со спектрометрия.............................................956
   25.7. Анализ проб воды.................................................957
   25.8. Автоматизированный анализ воды...................................965
   25.9. Специфические примеси............................................965

Оглавление

   25.10. Появление и а нал из но вых загрязняющих веществ вводе.............966
   25.11. Хиральные загрязняющие вещества...................................968
   Библиографический список.................................................968
   Р еком е ндуем ая л итер атура............................................9 69
   Вопросы и задачи.........................................................970
Глава26. АНАЛИЗ ОТХОДОВ И ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ...................................971
   26.1. Введение...........................................................971
   26.2. Гидролитическое разложение образца для элементного анализа.........972
   26.3. Отделение определяемых веществ при анализе органических соединений.973
   26.4. Очистка образцов...................................................976
   26.5. Подготовка образцов к анализу летучих органических соединений......977
   26.6. Биологический и иммунологический анализ отходов....................979
   26.7. Определение хелатообразующих агентов...............................980
   26.8. Определение токсичности методом выщелачивания......................981
   Библиографический список.................................................983
   Р еком е ндуем ая л итература............................................983
   Вопросы и задачи.........................................................984
Глава 27. АНАЛИЗ АТМОСФЕРЫ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВОЗДУХ ВЕЩЕСТВ....................985
   27.1. Мониторинг атмосферы...............................................985
   27.2. Отбор проб.........................................................986
   27.3. Методы анализа.....................................................989
   27.4. Определение содержания ди о ксцд а серы............................990
   27.5. Оксиды азота.......................................................992
   27.6. Анализ окислителей.................................................993
   27.7. Определение оксцда углерода........................................994
   27.8. Определение содержания углеводородов и органических соединений.....996
   27.8. Анализ твердых примесей............................................997
    27.10. Прямой спектрофотометрический анализ газообразных загрязняющих веществ в воздухе.................................................1002
   Библиографический список................................................1004
   Рекомендуемая литература................................................1004
   Вопросы и задачи........................................................1005
Глава 28. АНАЛИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ         И   КСЕНОБИОТИКОВ........1007
   28.1. Введение..........................................................1007
   28.2. Индикаторы воздействия ксенобиотиков..............................1008
   28.3. Определение металлов..............................................1010
   28.4. Определение неметаллов и органических соединений..................1011
   28.5. Определение исходных органических соединений......................1012
   28.6. Количественное определение продуктов реакции I и II фазы..........1013
   28.7. Определение аддуктов..............................................1018
   28.8. Перспективы иммунологических метод о в............................1020
   Библиографический список................................................1021
   Рекомендуемая литература................................................1021
   Вопросы и задачи........................................................1022

ПРЕДИСЛОВИЕ







Девятое издание «Химии окружающей среды», во многом сохраняя организационную структуру и детальность изложения предыдущих изданий, содержит новые сведения, характерные для стремительно развивающейся науки о химии окружающей среды. Таким образом, вместо того, чтобы открываться рассмотрением конкретной экологической проблемы (к примеру, истощения стратосферного озонового слоя), книга для начала раскрывает системные принципы химии окружающей среды. Благодаря этому читатель, переходя к рассмотрению конкретных проблем загрязнения, уже имеет о них некоторое представление. По сравнению с восьмым изданием в главы 1 и 2 были внесены существенные изменения с целью дать более точное представление об экологической устойчивости, энвиронике как науке в целом, о превращении и переносе химических веществ, их круговороте, о природе химии окружающей среды и экологически безопасной («зеленой») химии. Содержащаяся в восьмом издании глава, посвященная проблеме терроризма, была уцалена, но определенные аспекты этой темы (например, потенциальная возможность использования токсичных веществ террористами) теперь представлены в целом ряде глав. По причине важности энергии дня окружающей среды и экологической устойчивости в книгу была добавлена большая глава, раскрывающая именно данную тему. В настоящее издание нс были включены отдельные главы, посвященные химическим основам и органической химии, но их можно запросить в формате pdf у автора или издателя.
   В книге окружающая среда рассматривается как состоящая из пяти сфер: 1) гидросферы; 2) атмосферы; 3) геосферы; 4) биосферы и 5) антропосферы. Особо подчеркивается значение антропосферы — той части окружающей среды, что создана и управляется чел о веком и разработанными им технологиями. Эта часть сферы окружающей среды оказывает столь большое влияние на планету и ее экологические системы, что, согласно мнению лауреата Нобелевской премии Пола Крутзена, впору говорить о завершении эпохи голоцена, на протяжении которой на Земле существовало человечество, и начале эпохи антропоцена, в рамках которой последствия человеческой деятельности (в частности, выбросы газов, существенно влияющие на потепление климата и защитные свойства атмосферы) будут иметь определяющее влияние на условия существования человечества. Поскольку технологии будут использоваться для обеспечения жизни людей на планете, крайне важно, чтобы антропосфера разрабатывалась и управлялась на таких принципах, которые окажутся совместимы с экологической устойчивостью и позволят конструктивно взаимодействовать с другими сферами окружающей среды. В этой связи химия окружающей среды может сыграть свою роль.

Предисловие

   Со времени опубликования в 1972 е первого издания книги «Химия окружающей среды» наука о химии окружающей среды значительного эволюционировала. (В отношении этой эволюции можно отметить интересный факт: в каждом новом издании приходилось пересматривать расчет pH обычной дождевой воды, поскольку концентрации диоксида углерода в атмосфере увеличивались настолько, что эти показатели влияли на результат, представленный в каждом предыдущем издании.) Если в начале 1970-х гг химия окружающей среды занималась главным образом загрязнением и его последствиями, то сегодня акцент делается на устойчивости (экологической стабильности). Кроме того, с тех пор во многом утратили свою остроту проблемы, связанные с хлорорганическими пестицидами и фосфатными моющими средствами, вызывающими эвтрофикацию вод, поскольку производство и продажа этих веществ практически прекратились. На момент выхода первого издания еще не было до конца понятно, что происходит с большими количествами окевда углерода, выделяемого в атмосферу автомобилями; изначально полагали, что это загрязняющее вещество перерабатывается в ходе метаболизма почвенных микроорганизмов. Однако сегодня известно, что повсеместно присутствующие гидроксильные радикалы очищают атмосферу от СО. В 1972 г проблема истощения озонового слоя стратосферы только начинала приобретать актуальность и никак не связывалась с используемыми в холодильных установках хлорфторугле родам и (фреонами), которые, как выяснилось, являются главным фактором ее возникновения. По мере выхода последующих изданий книги была обнаружена озоновая дыра, возникающая весной в Антарктике и увеличивающаяся с каждым годом; Молина, Роуланд и Крут-цен получили за работу в этой области заслуженную Нобелевскую премию, ставшую первой d области экологической химии. Было доказано, что потенциал парпико во го эффекта, обусловленного выбросом диоксида углерода, метана и других газов, поглощающих инфракрасное излучение, представляет собой серьезную угрозу для планеты, пути устранения которой все еще не найдены. В 1972 г еще не существовало таких терминов, как зеленая химия и промышленная экология^ эти дисциплины, что появились лишь в 90-е гг прошлого века, стали важнейшими элементами экологической химии.
   В главе 1 представлен общий обзор и базовые принципы в области науки об окружающей среде и экологической устойчивости. В начале главы вкратце рассматривается важнейший вопрос нашего времени, касающийся энергии (см. раздел «От солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно»). Далее рассматриваются вопросы превращения и переноса химических веществ, проблемы экологического терроризма и экологической криминалистической экспертизы.
   В главе 2 дается подробное определение химии окружающей среды и зеленой химии. Рассматривается важный принцип круговорота веществ. Вводится понятие антропосферы, рассказывается о ее взаимосвязи с другим и сферами окружающей среды и ее влиянии на Землю. При рассмотрении компонентов антропосферы, влияющих на окружающую среду, акцент делается на важнейшем значении инфраструктуры как неотъемлемой части антропосферы.

Предисловие

17

   В главах 3—8 освещаются проблемы гидросферы. В главе 3 представлены особые характеристики воды и экологическая химия воды. В главах 4—8 рассмотрены специфические аспекты химии воды, биохимии воды, экологической устойчивости воды и ее обработки. Главы 9—14 посвящены химии атмосферы. В главе 14 рассказывается о важнейшем на сегодняшний день прорыве, достигнутом в экологической химии, — исследовании озоноразрушающих хлорфторуглеродов, которое, как уже упоминалось, было уцостоено первой Нобелевской премии в данной области. Здесь же подчеркивается значение парникового эффекта, который на настоящий момент может рассматриваться как главная угроза дня окружающей среды.
   Главы 15—16 посвящены проблемам геосферы, при этом в главе 16 основное внимание уделяется химии почвы и сельскохозяйственной химии. При рассмотрении последней обсуждается важная и противоречивая новая область, связанная с трансгенными культурами. Другой рассматриваемой областью является консервирующая обработка почвы, при которой ограниченное применение пестицидов позволяет выращивать урожай с минимальным нарушением почвы.
   В главе 17 подробно рассматривается тема зеленой химии, а также родственная ей область промышленной экологии. Глава 18 посвящена проблемам ресурсов и устойчивых м ате риалов.
   Глава 19, в предыдущих изданиях посвященная энергии, теперь представляет собой совершенно новый текст. Она называется «Устойчивая энергетика: ключ к решению всех проблем» и рассматривает важнейшие вопросы устойчивой энергетики, в том числе консервацию и возобновляемые источники. В конце главы предлагается система промышленной экологии, разработанная для получения метана из возобновляемых видов биотоплива и водорода, производимых па основе электролиза воды с использованием возобновляемой ветряной и солнечной энергии.
   В главе 20 анализируются вопросы природы и экологической химии вредных отходов, а в главе 21 — проблемы промышленной экологии, касающиеся уменьшения отходов, утилизации и обработки.
   Главы 22—23 посвящены вопросам биосферы. В главе 22 представлен общий обзор биохимии с акцентом на экологических аспектах. В главе 23 вводится и раскрывается тема токсилогической химии. В главе 24 рассматриваетсятоксилогическая химия различных классов химических веществ.
   Главы 25—28 посвящены проблемам химического анализа окружающей среды, включая анализ воды, отходов, воздуха, а также содержания ксенобиотиков в биоло-гиче ских м ате риалах.
   Как уже говорилось выше, в целях сокращения из настоящего издания были удалены две главы, посвященные химическим основам и органической химии, которые присутствовали в предыдущих изданиях книги. Читатели, которым требуются эти материалы, могут получить файлы этих глав, запросив их у издателя или автора.
   Я с радостью приму любые замечания и вопросы читателей, которые можно отправлять мне на электронный адрес          missouri.edu.

Стенли 3. Манаган

ОБ АВТОРЕ







   Стенли Э. Манаган — почетный профессор университета Миссури-Колумбия, где работает с 1965 г. В I960 г получил степень бакалавра по химии в университете Emporia > а в 1965 г. — степень кандидата наук по аналитической химии в университете штата Канзас.
   После 1968 г главными направлениями его исследовательской и профессиональной деятельности стали химия окружающей среды, токсилогическая химия и проблемы обработки отходов. Начиная с 1972 г. его классическая работа, Химия окружающей среды, выдержала многократные переиздания; на сегодня она является наиболее авторитетным изданием на данную тему. Среди других его работ можно отметить такие книги, как Fundamentals of Environmental Chemistry^ 3rd ed. (Taylor & Francis/CRC Press, 2009); Fundamentals of Sustainable Chemical Science (Taylor & Francis/ CRC Press, 2009}', Environmental Science and Technology, 2nd ed. (Taylor & Francis, 2006); Green Chemistry and the Ten Commandments of Sustainability, 2nd ed. (ChemChar Research, Inc, 2006}\ Toxicological Chemistry and Biochemistry, 3rd ed. (CRC Press/Lewis Publishers, 2002); Industrial Ecology: Environmental Chemistry and Hazardous Waste (CRC Press/Lewis Publishers, 1999}\Environmental Science and Technology (CRC Press/Lewis Publishers, 1997}', Hazardous Waste Chemistry, Toxicology and Treatment (Lewis Publishers, 1992}', Quantitative Chemical Analysis (Brooks/Cole, 1936}; General Applied Chemistry, 2nd ed. (Willard Grant Press, 1932}.
   В качестве докладчика от Американского химического общества автор книги прочел во многих американских университетах многочисленные лекции по химии окружающей среды, то ксило гической химии и проблемам обработки отходов, а также представил пленарные доклады по этим темам на международных конференция в Пуэрто-Рико, в университете Ля в Венесуэле, университете Хоккайдо вЯпонии, Национальном автономном университете Мексики, во Франции и Италии. В 2000 г. С. Э. Манаган стал лауреатом премии отделения экологической химии Итальянского химического общества. В своей работе он специализируется на исследованиях в области газификации вредных отходов.

Глава 1. НАУКА ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ЕЕ УСТОЙЧИВОСТИ








    1.1. ОТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ К ИСКОПАЕМОМУ
    ТОПЛИВУ И ОБРАТНО

Старая китайская пословица гласит: «Если не сойти с опасной дороги, можно остаться на ней навсегда». Недавние события показали, что путь современной цивилизации сопряжен со значительными рисками, несущими угрозу всей планете. Атака на Всемирный торговый центр 11 сентября 2001 г, как и последующие теракты влон-донском метро, на мадридской железной дороге, в отелях Мумбаи и т. д, вскрыли уязвимость общества перед лицом злобы и насилия. Более того, стало очевидно, что существует возможность еще более разрушительных террористических атак с использованием химических, биологических или радиоактивных средств. Первая половина 2008 г ознаменовалась ростом цен на важнейшие продукты, включая бензин, металлы (в частности, медь) и зерновые культуры. В июле 2008 г цены на сырую нефть в СШАдостигли почти 150 долл, за баррель и, согласно прогнозам, вполне могли бы продолжить свой рост. Во второй половине 2008 г. наблюдались обратные тенденции, связанные с наступлением серьезного экономического кризиса, сопоставимого разве что с В ел икой депрессией 1930-х. Цены на жилье и многие товары резко упали. В начале 2009 г мировые лвдеры стали лихорадочно искать решение сложных экономических проблем.
  Вместе с тем обратной стороной мероприятий, направленных на развитие и интенсификацию производства, являетсядальнейшее нарушение экологической устойчивости. Так, нет почти никаких сомнений в том, что выбросы диоксида углерода и других парниковых газов в атмосферу вызывают глобальное потепление. В начале 2000-х гг произошло рекордное за всю историю наблюдений уменьшение площади арктического ледяного покрова. Мощные выбросы загрязняющих веществ — причина значительного ухудшения состояния атмо-, гидро- и геосферы в промышленных районах. Продолжается истощение природных ресурсов, включая минералы, ископаемое топливо, питьевую воду и биомассу. Производительность сельскохозяйствен-ныхземель снижается из-за превращения их в территории иного назначения, водной и почвенной эрозии, сведения лесов, опустынивания и загрязнения. Разрушаются естественные биосистемы: леса, луга, поймы рек, болота. Около 3 млрд человек

Глава 1. Наука об окружающей среде и ее устойчивости

(половина населения Земли) живет в нищете, получая менее 2 долл, в сутки. Большинство этих людей не имеет доступа к системе канализации и подвержено опасным болезням, возбуждаемым вирусами, бактериями и простейшими микроорганизмами (в частности, малярии и диареи). На другом конце шкалы уровня жизни — небольшой процент «богачей», потребляющих значительное количество природных ресурсов. Образ жизни этих людей предполагает проживание в домах, размеры которых значительно превышают необходимые, и активное использование автотранспортных средств, потребляющих избыточное количество топлива. Многие переедают до состояния ожирения, чреватого сердечно-сосудистыми заболеваниями, диабетом и прочими болезнями.
   Создается впечатление, что история взаимоотношений человечества с планетой Земля укладывается в формулу «от солнечной энергии к ископаемому топливу и обратно». На протяжении всего своего существования люди зависели от щедрости Солнца, излучение которого дает необходимое для жизни тепло. Кроме того, следует помнить, что огонь — результат сжигания биомассы, которая сама является продуктом фотосинтеза. Одежду изготавливали из шкур животных, которые питались биомассой, производимой за счет фотосинтеза. Пища, потребляемая людьми, производится из растений, преобразующих солнечную энергию в химическую энергию биомассы, а также из мяса животных, питающихся растениями. Входе прогресса стали появляться косвенные методы использования солнечной энергии. Ветер, образующийся за счет вызываемого солнцем разогрева атмосферы, приводил в движение жернова ветряных мельниц и паруса кораблей. Люди научились строить плотины и преобразовывать энергию потока воды в механическую за счет использования водяных колес. Такая циркуляция воды является частью гидрологического цикла, в котором косвенно участвует солнечная энергия. В конечном итоге всё, чем пользуется человек, связано с Солнцем.

1.1.1. Недолгий, но яркий век ископаемого топлива

Со временем люди открывали всё новые способы использования ископаемого топлива. Несмотря на разработку отдельных месторождений, где каменный уголь был доступен на поверхности и добывался на протяжении веков, его широкое применение началось лишь в начале XIX в. с появлением парового двигателя. Это положило начало массовому переходу от энергии солнца и биомассы к широкому спектру ископаемых видов топлива: вначале каменного угля и нефти, а затем и природного газа. Результатом явилась колоссальная научно-техническая революция, характеризующаяся развитием тяжелой промышленности, средств транспорта (включая железнодорожный, автомобильный и авиационный), а также ростом объемов производства пищевых продуктов. В начале 1900-х гг. в Германии Карл Бош и Фриц Хабер разработали технологию превращения атмосферного азота в аммиак (NH₃). Процесс был энергоемким, протекал при высоком давлении и требовал использования больших количеств ископаемого топлива. Это открытие сделало возможным