Екологични аспекти на обучението по химия в училище
Въведение
В нашите трудни времена. Когато химията като наука се превърна в социално изгнаник. Трябва да преосмислим както съдържанието на предмета, така и методите на преподаване, като променим не само акцентите, но и приоритетите, за да преодолеем химиофобията.
Основните въпроси на курса трябва да се определят както от значението на придобиването на знания за развитието на интелигентността на учениците, така и от значението на тези знания в реалния живот на човека и в неговата практическа дейност. От тази гледна точка е необходим напредък в химическото образование, тъй като без него е невъзможно да се задоволят обективните нужди на обществото за широко използване на постиженията на химическата наука и индустрията.
Концепцията за съвременното училищно химическо образование се основава на принципите на хуманизация, индивидуализация и диференциация на образованието, много внимание се обръща на екологичните аспекти, развитието на обща култура, укрепване на здравето на учениците и повишаване на тяхната екологична грамотност.
Актуални теми.
Химията, като една от основните области на знанието, до голяма степен определя развитието на други важни области на науката и технологиите. Известно е, че без химия, химически процеси и химически продукти не може да съществува нито едно производство, нито един отрасъл на съвременната икономика и социална сфера.
Необходимо е да се гарантира, че учениците разбират практическото значение на химията и нейната връзка с ежедневието. Те трябва да бъдат убедени във възможността чрез химията да намерят отговори и на други „защо” от сферата на техния живот и индустриални интереси. Особено важно е да се реши въпросът с основната „химическа“ подготовка на хората, тъй като днес почти всеки от нас влиза в контакт с вещества, които могат да навредят на хората. Въпреки това, малко от потребителите, които използват лекарства, козметика и парфюми, бои, пластмаси, торове, влакна, различни видове горива и др., са наясно с опасностите, свързани с употребата. Това противоречие причинява много неприятности, които сполетяват хората. За съжаление, в повечето училища активната образователна работа с ученици, свързана с характеризирането на основните свойства на химичните съединения, често срещани в бита и производството, особено по отношение на тяхното въздействие върху околната среда, се провежда изключително слабо и нередовно. По принцип студентите получават само общи теоретични идеи, които не са адаптирани към реалностите на живота и особено към проблемите на околната среда.
Отрицателното отношение към химията води до невъзможност за адаптиране към цивилизования, модерен живот, екологична неграмотност, последствието от което ще бъде не само в неблагоприятно положение при обучението на учениците, но и при подготовката на екологични бомби със закъснител. Това само ще задълбочи конфликта между човека и природата.
През последните години в редица научни и образователни центрове в различни страни започна работа, свързана с химико-екологичното образование, но често тя имаше декларативен характер.
Виждам задачата си в това да възпитам у учениците желание за придобиване на знания; уверете се, че самият учебен процес ги завладява; допринесе за развитието на познавателната активност и интереса към предмета. За тази цел включвам разглеждане на екологични и валеологични въпроси в учебната програма на курса по химия. Тази програма има за цел да развие у учениците естествени научни представи за света около тях и неговите закони, хуманистични отношения и екологично грамотно поведение, както и интелектуално морално усъвършенстване на учениците. Съдържанието на програмата подготвя децата за съзнателно възприемане на химическата картина на света и предлага прилагането на интегриран принцип, т.е. изисква от учениците да прилагат знания и умения от различни предмети от природния цикъл. Уместността на работата се дължи на набор от проблеми, състоящи се в преодоляването на добре известната абстрактност на предмета на химията, пристрастността в оценката му и връзката на химическите понятия с екологичните аспекти на реалния човешки живот.
Цели и задачи на работата:
Разглеждане на основните принципи на екологизиране на химическото образование;
Анализ на формите и методите (техниките) за формиране на екологична култура в обучението по химия;
Характеристика на ролята на човека в процеса на познание, преобразуване и използване на природата.
Практическото значение на работата се състои във факта, че тя съдържа методологични изследвания на екологични коментари към основните положения на курса по химия, което позволява да се овладеят законите на химията, като се използват конкретни екологични примери; разглеждане на методи за развитие на съзнателно отношение към природата, екологично грамотно поведение в неблагоприятни условия на околната среда.
Резултатите от изпълнението на работата в Лицей № 4 показаха нейната ефективност и практическа стойност, повишавайки интереса на учениците към предметите от природния и екологичния цикъл; направи възможно преосмислянето на различни подходи към разглеждането на въпросите за използването на постиженията на химията в практическата човешка дейност, за значението на приложния характер на химическите знания.
Апробация на работата. Основните резултати от работата бяха докладвани и обсъдени на педагогическите съвети на лицей № 4, на заседанията на научния и методически съвет на отдела за естествен и екологичен цикъл на лицея. На семинар за директори на училища в Коминтерновски район беше изнесен урок на тема „Топлинни двигатели и опазване на околната среда“ заедно с учител по физика, базиран на физическите, химичните и екологичните аспекти на проблема. Въз основа на материалите на работата са публикувани статии в сборника „Образованието на Воронеж в началото на века. Образователно направление „Природни науки“. Химия „На прага на две хилядолетия, на прага на два века.“
ГЛАВА 1
Състоянието на проблема с екологизирането на обучението по химия в
наука и практика.
1.1. Необходимостта от въвеждане на екологично образование в средните училища и неговите основни принципи.
Сред съвременните проблеми, пред които е изправена световната общност, един особено се откроява - проблемът с влошаването на качеството на околната среда. То има глобален характер и тревожи хората от всички страни. Първата страна, която усети отрицателното въздействие на химическото замърсяване на околната среда, беше Япония. В тази страна над 80% от територията е пряко повлияна от индустриалното производство. Японците бяха първите, които заговориха за проблема "когай", което означава опасност от увреждане от замърсяване на околната среда. Скоро и други страни се сблъскаха с този проблем. Увеличаването на замърсяването на околната среда е видимо и предизвиква емоционална критика от страна на хората. Обикновено основните оплаквания на населението са насочени към химията. Междувременно по отношение на замърсяването химическата промишленост е значително по-ниска от горивно-енергийния комплекс, автомобилния транспорт, черната и цветната металургия и дори промишлеността. През последните години най-неблагоприятната ситуация е замърсяването на атмосферата на град Воронеж с бензопирен, съдържащ се в автомобилните изгорели газове и прах, чийто дял при нестандартни лабораторни анализи дневно е 15-20%. Еколого-геохимичното изследване на почвената покривка показа, че ситуацията по отношение на замърсяването на почвата с олово и цинк е много неблагоприятна. Делът на незадоволителни анализи на почвени проби в града като цяло е съответно 19,3 и 15,5%, а в промишлената дясна част на града тази стойност нараства до 40-46%. Междувременно тези съставки са специфични индикатори за увеличаване на заболяването при децата. Сред детските заболявания във Воронеж преобладават респираторните заболявания (65%), чието ниво надвишава подобно средно за Русия 1,2 пъти за града като цяло. Предотвратяването на повишен контрол също изисква неоплазми и вродени аномалии, пространствените разлики в нивата на които надеждно корелират с интензивността на замърсяването на околната среда.
Установени са връзки между концентрациите на формалдехид в атмосферата и заболяването бронхиална астма, както и високите нива на прах в атмосферата със заболявания на кръвта. Пневмонията се регистрира по-често в райони с високи нива на олово и въглероден оксид. С увеличаване на интензивността на замърсяването на въздуха при децата се наблюдават изразени промени в хематологичните показатели и съответно нарастване на заболеваемостта.
В настоящите условия е необходимо да се извърши обективен анализ на причините за разширяването на замърсяването на околната среда и увеличаването на бедствията, свързани с неконтролираното разпространение на химически съединения от технически или биологичен произход. Трудно е да се направи такъв анализ, но могат да се идентифицират два основни аспекта на цялостния проблем. Първият аспект е свързан с полетата на политиката и социологията и засяга противоречията в икономическото развитие.
Вторият аспект е свързан с готовността на самия човек да използва постиженията на природните науки в производствената и битовата сфера.
Лесното, чисто технократско отношение към природата и откровеното екологично невежество доведоха до редица бедствия с необратими последици. Фактите за чудовищно замърсяване са много красноречиви и се осъждат горещо от населението. Въпреки това, настъпилите рецидиви рядко се анализират и обикновено се оценяват само от емоционална гледна точка. Така се появи хемофобията. Междувременно стриктното отчитане на обстоятелствата показва, че екологичните сривове, които се случват, обикновено се определят не от особеностите на химията, а само от ниската квалификация и не винаги правилния морал на работниците.
Основната причина за всички отбелязани проблеми, с изключение на грешките в планирането и строителството, са дългогодишните пропуски в преподаването на химия в гимназията и, като следствие от това, липсата на химически познания на населението. Появява се поразително противоречие; Всички хора систематично се занимават с химикали и процеси, но само малцина могат да коригират действията си с разбиране. Все пак трябва да се отбележи, че именно в уроците по химия могат ясно и убедително да се демонстрират както негативните аспекти на човешката намеса в природната среда, така и възможните начини за оптимизиране на антропогенните въздействия върху нея.
Необходима е усърдна работа за промяна на човешкото съзнание по отношение на управлението на околната среда и образованието, насаждане на екологична култура.
Стратегията за управление на околната среда, основана на идеята за властта на човека и неговото израстване над природата в ерата на научно-техническата революция, която дълго време изглеждаше непоклатима, всъщност се оказа просто стратегия на „идеологията на ябълковото дърво за нашето отношение към природата“, което включва много работа за възстановяване на съзнанието на хората, за озеленяването му. Осъзнаването на тази ситуация допринесе за формулирането на сериозни задачи, както в практическата област, така и в областта на фундаменталните научни изследвания. Представители на различни науки, не само естествени, но и хуманитарни, започнаха да изучават проблемите на околната среда. Това се дължи на факта, че наред с необходимостта от разработване на нова стратегия за управление на околната среда и създаване на принципно нови промишлени технологии, стана необходима задачата за екологично преструктуриране на съзнанието на хората и широко разпространение на знанията за околната среда.
Основното е изпълнението на взетите решения, което в крайна сметка зависи от нас самите, нашите знания, убеждения и воля. Тук се нуждаем от принципно ново екологично мислене, преодоляващо потребителската психология по отношение на природата. Обществото трябва да познава основните закони на развитието на природата, да намира начини за решаване на проблеми, да се научи да взема решения в ситуации на морален избор и прогноза, тоест да премине през цялата верига от екологични знания до екологично мислене и екологично обосновано поведение.
Формирането на висока екологична култура е възможно при условие, че съдържанието на училищното образование включва следните елементи: система от знания за взаимодействието на обществото и природата; ценностни екологични ориентации; система от норми и правила за отношение към природата, способността и уменията за нейното изучаване и защита.
Екологичното образование и възпитание е една от основните задачи на училището.
1.2. Съдържание на екологичното образование в уроците по химия.
Екологичното образование и екологичното образование са два основни акцента, свързани с формирането на отношение към природата. С екологичното образование вниманието на учителя е насочено към процеса на прехвърляне и усвояване от учениците на натрупан опит в екологичните отношения, а с екологичното образование - върху формирането на подходящи качества на личността. Крайната цел на екологичното образование и възпитание е една и съща - формирането на оптимални взаимоотношения между човека и околната среда. Осъществява се в рамките на единен педагогически процес. По същество крайната цел е много по-дълбока. Състои се в осигуряване на условия за интелектуално, личностно и социално развитие на учениците, внушавайки им чувство за лична отговорност за състоянието на околната среда, желанието да разберат задълбочено същността и непоследователността на протичащите промени в екологичното развитие на нашето планета
Системата от екологични знания трябва да даде повратна точка в съзнанието на хората, техния мироглед и отношение към природните ресурси. Екологията се превърна в знак за съвременния етап на развитие на универсалната човешка култура. Следователно целта на екологичното образование е формирането на екологична култура. Понятието екологична култура включва знания и умения, нивото на морално и естетическо развитие на мирогледа, методи и форми на общуване между хората
Съдържанието на екологичното образование е толкова богато и разнообразно, че не може да се развие в рамките на един или няколко предмета. Затова учителите говорят за интердисциплинарния характер на екологичното образование, широките възможности на почти всички учебни предмети и специалното значение на всеки за формирането на екологична култура на учениците. Пример за това е прилагането на знанията за околната среда в началното училище не само в курса „Естествена история“, но и в новите учебни програми по училищни дисциплини. Курсовете, които се разработват, са насочени към включване на всички ученици в процеса на цялостно познаване на света и повишаване на общото ниво на техните знания. Приоритет в новите програми се дава на онези теми, които са по-значими в момента и остават актуални през следващите десетилетия.
Интердисциплинарният подход изисква определяне на функцията на всеки предмет в общата система на екологично образование, подчертаване на междудисциплинарни връзки, обобщаване на интердисциплинарни подходи, които формират целостта на всички академични дисциплини, обединени от целта за разбиране на околния свят. Съдържанието на учебните дисциплини изисква интердисциплинарна координация и поетапно интегриране на съответните знания.
Екологичното образование е неразривно свързано с познаването на диалектическата природа на взаимодействието на елементите в системата „човек-общество-природа”. Отражението на това триединство представлява ядрото, което в съдържанието на общото образование позволява на нивото на междуцикловите връзки да разкрие света на природата и света на хората като едно цяло.
Моделът на екологичното образование включва не само структура на съдържанието, но и основните условия за постигане на целта.
https://pandia.ru/text/78/141/images/image002_5.gif" width="612" height="372">Фактори в екологичното образование, които определят отговорното отношение на учениците към околната среда.
Трябва да се обясни на по-младото поколение, че сегашното състояние на околната среда представлява същата опасност за човечеството като ядрената война. Единствената разлика е, че екологичните проблеми са по-коварни... Опасна заблуда е утехата с надеждата, че човечеството ще успее да спре да унищожава света около нас, когато се доближи до екологично унищожение. Ще бъде късно! Това е цялата коварност на проблема.
Интелигентното, фино екологично образование и образованието на новите поколения е силата, която все още може да замрази и да върне назад стрелките на чудовищния механизъм, който заплашва унищожаването на нашата планета. .
Познаването на същността на света около нас действа като интегрираща връзка в предметите от естествения цикъл, а важна роля в екологизирането на образованието се дава на обучението по химия.
Наред с овладяването на основите на фундаменталната наука, включително нейния език, най-важните факти, концепции, теории и закони, достъпните обобщения на идеологическата същност на обучението по химия трябва да допринесат за: развитието и интелектуалното усъвършенстване на личността; формиране в учениците на екологосъобразно поведение, разумно отношение към себе си, хората и околната среда; развиване на разбиране за социалната необходимост от развитието на химията, развиване на отношението на учениците към химията като възможна област на бъдеща практическа дейност.
Изборът на екологичен материал за включване в учебните програми по химия трябва да се извършва, като се вземат предвид основните принципи на дидактиката. Основните критерии са научност, достъпност за изучаване, логическа връзка със съдържанието на учебния предмет, което позволява педагогически обоснован подбор на въпроси за химичните аспекти на екологията, разработване на съдържание и методи за изучаването им в уроците по химия.
Какво място заема химическото образование в цялостната система на екологичното образование?
Традиционно основната цел на обучението по химия е ученикът да бъде въведен в света на веществата (естествени и създадени от човека), да постави основите за разбиране на причините за неговото разнообразие, да формира не само общо разбиране за методите за получаване и областите на приложение на веществата, но и практическите умения за боравене с тях. Недостатъчната информация за биологичната роля на веществата, тяхното вредно въздействие върху човешкото тяло и околната среда повдигна още едно образователно предизвикателство в
обучение по химия - на основата на Фундаменталните химически знания да се формират системни знания за химичните аспекти на екологията и проблемите на околната среда. Тази система включва знания за веществата на живата природа, за взаимодействията, свързани с проявата на живота в растителния и животинския свят, за химичните взаимоотношения на организмите помежду си и околната среда, за взаимодействието на антропогенните фактори както върху човека, себе си и върху всички живи същества
Системата от екологични и химико-екологични понятия в химическото образование включва въпроси за цикъла на веществата в природата, промените и трансформациите на енергията в биосферата, разглеждане на екологообразуващите функции на материята, а оттам и глобалните проблеми, интегративните свойства на екосистемите , като наличието на хранителни вещества и тяхната химическа трансформация; самовъзстановяване на екосистемите, антропогенни промени в екосистемите; прилагане на модели на взаимодействие на органи с околната среда в практическата човешка дейност, в опазването на околната среда; закони за запазване на материята и енергията, единството на материалния свят; противоречия във взаимодействието между обществото и природата, развитието на обществото за сметка на природните ресурси.
Екологията и химията се допълват взаимно. Въвеждането на принципите на термодинамиката в екологията доведе до производствено-енергийна екология, която изучава моделите на разсейване на енергийния поток в хранителните вериги. Погледът към многообразието от връзки в околната среда през призмата на неорганичната химия разкрива широк спектър от явления, причинени от човешкото въздействие върху биосферата и неживата природа. Важен компонент на приточните процеси на планетата са глобалните кръгови и трансформации, подложени на такива основни елементи като въглерод, азот, водород, сяра и фосфор... Много неорганични съединения могат и вече оказват влияние
върху климата на планетата и състоянието на нейната атмосфера, върху качеството на природната среда, в която хората живеят, и следователно върху здравето на хората
В рамките на неорганичната химия е интересно да се обърне внимание не само на антропогенните деформации на естествените цикли на химични вещества и използването на качеството на околната среда, но и на търсенето на решения на социално-екологични проблеми: енергия, суровини, и т.н. Например перспективите на водородната енергия; ролята на кислорода и озона за осигуряване на живота на Земята; метали в биосферата и човешкото тяло и др.
Процесите, свързани с областта на органичната химия, играят огромна роля в отношенията с околната среда. Органичните съединения формират основата на тази част от биосферата, наречена „жива материя“. Животът на хората като биологични индивиди се определя от сложни трансформации на органични вещества в човешкото тяло и метаболизъм с околната среда. И накрая, самото оцеляване на човечеството днес е невъзможно без широкото използване на органични неща в ежедневието, в медицината, индустрията, селското стопанство и т.н.
Разбирането на ролята на органичните вещества в съществуването и развитието на сложния социобиосферен комплекс на Земята като цяло и нейните основни части е важен аспект от химическия прочит на съвременната икономика.
Екологичните постижения служат като основа за решаване на редица наболели проблеми на нашето време. По-специално, с данни, получени от екологията
Логиката на здравословния начин на живот: приоритет на духовните нужди пред материалните, грижа за поддържане на физическото здраве. Такъв човек в бъдеще ще може да се ръководи в професионалната си дейност от принципите на екологичните и моралните императиви (15, с. 3).
Нека се обърнем към проблема с организацията на обучението по химия в гимназията. По пътя на трансформирането на предметното обучение и създаването на система за екологично образование за учениците учителят среща определени трудности. Първо, в обществото се появи хемофобия, която кара децата първоначално да пренебрегват темата. Второ, абстрактността на самата тема.
Основното нещо е да промените (позелените) собствения си мироглед, да осъзнаете своята отговорност (човешка и професионална) за подготовката на екологично образовано младо поколение. Необходимо е систематично да се информира за постиженията на химията в опазването на околната среда.
1.3. Преглед на литературни източници за екологично образование.
Курсът по химия, преподаван в съвременната гимназия, не решава напълно проблемите на екологичното образование и възпитание. Проблемите на околната среда са изложени декларативно, не са изследвани задълбочено и са само очертани. Дейностите за изследване на влиянието на химичните процеси и химичните съединения върху околната среда обаче не могат напълно да заменят системното изучаване на тези проблеми.
Химията е един от най-важните предмети, на чиято основа се формира диалектиката - материалистичните представи за света около нас.
Според настоящата програма завършилите IX клас имат много непълно, фрагментарно разбиране на химията, тъй като въпросите на органичната и общата химия се изучават в X-XI клас. Като се има предвид диференциацията на обучението в гимназията, много ученици може изобщо да не учат химия, което ще доведе до пълно игнориране на редица жизненоважни въпроси и ще усложни човешкото съществуване в съвременния свят, тъй като завършилите училище няма да разберат, напр. , причините за вредното въздействие на стопанската дейност на човека върху флората и фауната и биосферата като цяло и други подобни въпроси.
Следователно е необходимо радикално да се промени програмата по химия и съответно курса по химия като цяло.
В катедрата по методика на преподаване на предмети от природния и математическия цикъл на Московския държавен университет за приложни науки е разработена нова програма за курс по химия „Екология и диалектика“ и въз основа на нея е проведен експеримент в двадесет училища в Москва и Московска област. Неговата отличителна черта е, че въз основа на него завършилите IX клас получават общо разбиране за химическата наука като цяло, както и за всички нейни раздели. В основното ниво, завършвайки с девети клас, учениците се запознават с ролята и мястото на химията в съвременната стопанска дейност на човека, нейното въздействие върху околната среда и начините за преодоляване на негативното влияние на практическата човешка дейност върху флората, фауната и човешкия организъм. свързани с използването на химическо производство.
В тази програма се обръща много внимание на поставянето на химични експерименти, използването на различни най-важни химични съединения в човешката практика, тяхното въздействие върху околната среда и човешкото тяло. Чрез познанията за химичните съединения и химичните явления учениците развиват специално отношение към околната среда на човека,
Създава се основа за правилно разбиране на екологичните проблеми, без които е невъзможно съществуването на човечеството в съвременния свят; формира се представа за сложността на несъответствието на различни процеси, включително химически, което позволява на тази основа, като се използват знания от други курсове в естествения и математическия цикъл, да се формира диалектико-материалистично разбиране на заобикалящата дейност. В същото време този курс по химия трябва да реши и проблемите на обучението на професионалисти - химици, както и на хора, които се нуждаят от задълбочени познания по химия, за да изпълняват успешно професионалните си задачи. Той е предназначен да създаде основа от солидни химически знания, въз основа на които може да се формира по-високо ниво на знания и разбиране на химията в X - XI клас на средното училище. Този курс предполага провеждането на диференцирано обучение, като се вземат предвид особеностите на овладяването на химически знания както от ученици с намалено ниво на обучение в учебния материал, така и от ученици, чието първоначално ниво на разбиране на химията е доста високо.
Разработената програма „Екология и диалектика“ предполага дълбока връзка с биологията, физиката, географията и други дисциплини, изучавани в училище, което ще позволи на учениците да формират цялостно разбиране за света около тях.
Тази програма обаче е предназначена за задълбочено изучаване на предмета с пропедевтичен курс в 7 клас и е подходяща само в специализирани училища или паралелки. Специалисти от Московския държавен педагогически университет им. Н. Зверева и са разработени редица интегрирани курсове: „Биосфера и човек“, „Екология и цивилизация“, екологизиран курс по химия; "от тема в тема.
Програмата на интегрирания курс „Биосфера и човек” е предназначена за ученици от гимназиите и средните специализирани хуманитарни институции. Този подход е още по-уместен, тъй като в хуманитарното образование напоследък се забелязва нарастваща тенденция за намаляване на курсовете по природни науки и преди всичко химия. Интегрирането на знанията по природни науки ни позволява да решим проблема с формирането на цялостно възприятие за света около нас, развивайки интерес към химическата наука и развивайки химически знания на добро ниво.
Целта на този курс е да озелени съзнанието на учениците и да популяризира преподаването. Водещи идеи на курса: човекът е причината за проблемите на околната среда и само той може да ги реши; целостта и многообразието на света. Вниманието е насочено към изучаването на самата природа, многообразието от нива на организация на живота, еволюцията както на органичния свят, така и на връзката между човека и природата.
Но курсът „Биосфера и човек” е много специфичен и е обявен като отделен специализиран предмет в X-XI клас. Въпреки това, не всяко училище има допълнителни часове в учебната си програма за въвеждане на този курс.
предложи екологизиран курс „Екология и цивилизация“, който има ясно изразен интердисциплинарен характер, включващ философско-исторически, социално-морални, биологични, географски и физико-химични аспекти на екологичните проблеми.
Като част от екологичното образование и възпитание, пропедевтиката се провежда в I-VII клас под формата на изучаване на курса „Околен свят“ (I-II клас), „Природни науки“ (I-IV клас), учениците по-нататък натрупват знания за природни обекти, някои модели на развитие на природата, факти за антропогенно въздействие върху околната среда; обучение на ученици
ков анализ и моделиране на прости ситуации. На този етап най-ефективният начин е екологизирането на учебните дисциплини в комбинация с проблемни избираеми дисциплини, кръжочна и краеведска работа.
В процеса на обучение по химия в VIII и IX клас е важно да се включи разглеждането на проблемите за опазване на околната среда от химическо замърсяване. Екологизираният курс по химия се основава на идеи за връзката между състава, структурата, свойствата и биологичната функция на веществата; двойствената им роля в живата природа; биологична взаимозаменяемост на химичните елементи и последствията от този процес за организмите; причини за нарушаване на биогеохимичните цикли; ролята на химията при решаването на екологични проблеми.
В последния етап на обучение (X_XI клас) усъвършенстването на химическите знания продължава в процеса на усвояване на курса по органична и обща химия. Съдържанието му позволява да се развият представи за проявата на химичните закони в природните процеси; разбират такива екологични модели като цикличност и непрекъснатост на обмена на материя между съставните компоненти на биосферата.
Курс по екологична химия X клас. се допълва от избираема дисциплина „Химия и опазване на околната среда“, която обхваща химичните аспекти на екологичните проблеми на местно, регионално и глобално ниво. Неразделна част от този курс е лабораторно упражнение, което включва организиране на изследователска дейност на студентите за изследване на антропогенното въздействие върху природни обекти.
Учебната дисциплина „Екология и цивилизация” е въведена паралелно с изучаването на химия в X и XI клас (14, с. 43).
Поради интеграцията на тези курсове, програмите се изпълняват в рамките на няколко предмета и от няколко учители.
За VIII – XI клас беше предложена програма на екологичен курс по химия: от тема към тема. Основният му фокус е върху тези явления -
Лени, които предизвикват сериозна загриженост за състоянието на природната среда и бъдещето на цивилизацията: глобално затопляне, изтъняване на атмосферния озонов слой, киселинни дъждове, натрупване на токсични тежки метали и пестициди в почвата, замърсяване на големи площи с радионуклиди, изчерпване от природните ресурси на планетата.
Природата в своето естествено развитие е в динамично равновесие;
Непосредственият резултат от взаимодействието между човека и природата е промяна в химичния състав на компонентите на околната среда, което води до промяна в естествения баланс;
Химическите знания са неразделна част от знанията за основите на опазването на природата, рационалното използване на природните ресурси и разумното преобразуване на околната среда от човека.
Ролята на химията в решаването на екологичните проблеми на настоящия етап е значителна:
А) Изучаване на състава, структурата, свойствата, как това или онова вещество се държи в атмосферата, почвата, водната среда, какви ефекти оказват то и продуктите от неговите трансформации върху биологични теми;
Б) Разкривайки механизмите на биогеохимичните процеси в естествения кръговрат на елементите, химията допринася за решаването на проблема за най-естественото и „безболезнено“ навлизане на промишленото производство в естествените цикли, което го прави част от всяка екосистема.
В) Използване на различни методи за химико-аналитичен мониторинг на състоянието на обектите на околната среда или качеството на готовата продукция от редица отрасли (химическа, нефтохимическа
, микробиологични, фармацевтични), химията ви позволява да получите информацията, необходима за последващо вземане на решения за предотвратяване на навлизането на вредни
Нови вещества в контролирани обекти, почистване на тези обекти, методи за защита и др.
Екологизираният курс по химия дава възможност да се разкрие специалната роля на тази наука в борбата срещу екологичното невежество, проявяващо се във вкоренената идея, че химията е „виновна“ в настоящата екологична ситуация, да се включат учениците в изследователска работа за изучаване на състоянието на природната среда и да възпитат у тях чувство за лична отговорност за нейното опазване.
Стойността на тази програма се крие във факта, че концепциите за околната среда резонират във всяка тема по химия, разширявайки, задълбочавайки и систематизирайки знанията на учениците за основните химични закони и тяхната връзка със състоянието на околната среда. Когато се разглежда всеки химичен въпрос, аспектите на околната среда могат да бъдат представени или под формата на кратко съобщение, доклад в клас, защита на есе, създаване на екологичен експеримент или решаване на екологичен проблем, който помага да се овладеят законите на химията, използвайки специфични екологични примери.
A (MPGU на името на V.I. Ленин), (LGUU), Mu (MNPO "Sintez"), (MSU на името на ..) разработиха програми за избираеми курсове по екологично образование за ученици: „Здравословен начин на живот на човека в замърсена биосфера“, „Основи на общата екология и опазване на околната среда“, „Екологични проблеми на Ленинградска област“, „Биологична роля на химичните елементи“. Тези избираеми дисциплини осигуряват формирането на система от знания на студентите (ниво на екологично съзнание) с елементи на екологична култура (ценностна ориентация на студентите към научно обосновано управление на околната среда). За по-пълно изучаване на основите на екологията във връзка с основите на химията, общи образователни цикли, съдържащи общи екологични
Изпълнението на тези задачи повишава нивото на мотивация за учене и улеснява процеса на усвояване на знания.
При диференцирането по интереси технологията влиза в контакт с културно-образователната технология на преподаване, което допринася за хуманизирането на образованието. Като част от тази технология има отдел за екологична култура: запознаване с проблемите на опазването на природата, човешката среда, уникална човешка култура: възпитаване на любов към природата, задълбочено изучаване на география, биология и химия. Като специфични, често методически и локални технологии, може да се използва технологията на екологичното образование, Т. В. Кучер и др.
За да екологизират обучението по химия, те използват и технологии за сътрудничество и групови технологии, които имат стимулиращ ефект върху развитието на детето. Те включват комуникация, взаимодействие, обмен на информация между учениците и взаимно разбиране.
Учебният процес се основава и на алтернативни технологии и технологии за развиващо обучение, базирани на принципите на антропософията, според които развитието на способността за учене води човек към съвършенство. Антропософията е в основата на Валдорфската педагогика на Р. Щайнер. Развитието на интелектуалните способности се осъществява с помощта на технологии и. Обучението за развитие взема предвид и използва модела на развитие, адаптира се към нивото и характеристиките на детето (3, стр. 80-83: стр. 109: стр. 119-122: стр. 1516, стр. 181)
Използването на тези технологии дава възможност да се ориентира личността на ученика към възприемането на всичко около него като заинтересован изследовател, който чувства лична отговорност за последствията от своите дейности за другите хора и за природата.
Използвам фрагменти от горепосочените технологии от Н. П. Гузик, И. Н. Закатова, Н. Т. Суравешня, Т. В. Кучер, Р. Щайнер, Д. Б. Елконин и В. В. Давидов при провеждане на уроци по околната среда и извънкласни дейности по екологични теми.
2.2. Форми на провеждане на часовете по екологично образование при обучение по химия.
От професионална гледна точка ме привличат нестандартни форми на провеждане на занятия и отчитане на знанията на учениците, като тестови уроци, семинарни уроци, конферентни уроци, използване на дидактически, ролеви и бизнес игри, елементи на тетрадицията. Използвам взаимно обогатяващото се взаимодействие на природонаучните дисциплини, за да формирам холистично отношение към природата и да мотивирам стандартите за здравословен начин на живот.
За да засиля екологичната ориентация на училищното образование, въвеждам разглеждане на екологичните проблеми в учебния материал на всяка тема, давам думата на дежурните студенти еколози, за да подчертаят най-важните проблеми на околната среда в рамките на тази тема, което позволява най-пълното използване на знанията за околната среда за формиране на грижовно отношение на учениците към природата, тяхната готовност да предприемат активни мерки за нейното опазване.
Моята педагогическа концепция за екологизиране на преподаването на химия е близка до екологизиран курс по химия: от тема към тема. В часовете си използвам екологични експерименти, задачи или въпроси и практическа работа с екологична насоченост.
Когато изучавам структурата и свойствата на преходните метали, провеждам семинарна сесия „Структурни характеристики на d-елементите и тяхното въздействие върху околната среда и човешкото здраве“. Методът на този урок е семинар от развиващ и образователен тип.
Целите на урока са да се обобщят знанията на учениците за периодичния закон, структурата на атомите, състоянието на електроните в атомите; укрепване на уменията за съставяне на електронни схеми, формули, сравняване на химични елементи по химикал
активност на микрофона; запознаване на учениците с определени закономерности, които определят разпространението на металите в природата, тяхната токсичност и дела на участие в метаболизма на живите организми, въз основа на позицията на елементите - метали в периодичната система; разкриване на причините за замърсяване на околната среда от d-елементи, посочване на основните източници на замърсяване; развиване на способността на учениците да прогнозират и анализират последиците от замърсяването с метали в околната среда; запознаване с основните насоки за предотвратяване на замърсяването.
За мото на урока избрах думите: „Науката е полезна само тогава, когато я приемаме не само с ума си, но и със сърцето си“.
План на семинара
1) Позиция на d-елементите в периодичната таблица.
2) Характеристики на структурата на атомите на d-елементите, техните свойства.
3) d - елементи и жив организъм.
4) Биологична роля и токсичен ефект на d - елементите.
5) Проблемът със замърсяването на околната среда с метали и начините за решаването му.
6) Намиране на г - елементи в природата. Минерали, съдържащи d-елементи в района на Воронеж.
В началото на урока актуализирам знанията и провеждам индивидуална и фронтална анкета.
а) Индивидуално проучване.
1. Работа с карти.
2. Кои елементи се наричат d-елементи?
3. Характеризирайте позицията на d - елементите в периодичната система.
4. Характеристики на структурата на атомите на d-елементите; запълване на енергийни поднива с електрони, явлението „отказ на електрони“.
б) Фронтално изследване.
1. Дайте съвременна формулировка на периодичния закон.
2. Какво е физическото значение на серийния номер, номера на групата и периода на елемента?
3. Какви квантови числа описват състоянието на електроните в атома?
4. Какви правила са в основата на съставянето на графична диаграма на структурата на атома?
5. Начертайте графични диаграми и напишете електронни формули за структурата на атомите на следните химични елементи скандий, желязо, ниобий, („отказ“ на електрон) (проверете чрез хороскоп)
На втория етап предлагам на учениците да изпълнят текстова задача, като използват три варианта. Те ще напишат своите отговори върху филтрирана хартия, напоена с фенолфталеин, като накапят алкален разтвор в желаната от тях позиция. Ако отговорът е верен, върху хартията се появява цветен сигнал.
Това позволява веднага да се оцени работата на учениците.
Особеността на структурата на атомите на d-елементите се дължи на наличието в тях на излишък от валентни орбитали и дефицит
Днес няма нужда да убеждаваме никого в огромната важност на проблемите, свързани с опазването на околната среда, за цялото човечество. Този проблем е сложен и многостранен. Тя включва не само чисто научни аспекти, но и икономически, социални, политически, правни и естетически.
Процесите, които определят текущото състояние на биосферата, се основават на химически трансформации на веществата. Химическите аспекти на проблема за опазване на околната среда формират нов раздел на съвременната химия, наречен химическа екология. Това направление разглежда химичните процеси, протичащи в биосферата, химическото замърсяване на околната среда и неговото въздействие върху екологичния баланс, характеризира основните химични замърсители и методи за определяне на нивото на замърсяване, разработва физични и химични методи за борба със замърсяването на околната среда и търси за нови екологични източници на енергия и др.
Разбирането на същността на проблема за опазване на околната среда, разбира се, изисква запознаване с редица предварителни концепции, дефиниции, преценки, чието подробно изследване трябва да допринесе не само за по-задълбочено разбиране на същността на проблема, но и за развитие на екологичното образование. Геоложките сфери на планетата, както и структурата на биосферата и химичните процеси, протичащи в нея, са обобщени в диаграма 1.
Обикновено се разграничават няколко геосфери. Литосферата е външната твърда обвивка на Земята, състояща се от два слоя: горният, образуван от седиментни скали, включително гранит, и долният, базалт. Хидросферата са всички океани и морета (Световния океан), съставляващи 71% от повърхността на Земята, както и езерата и реките. Средната дълбочина на океана е 4 км, а в някои падини е до 11 км. Атмосферата е слой над повърхността на литосферата и хидросферата, достигащ 100 km. Долният слой на атмосферата (15 km) се нарича тропосфера. Тя включва водни пари, суспендирани във въздуха, движещи се, когато повърхността на планетата е неравномерно нагрята. Стратосферата се простира над тропосферата, на границите на която се появяват северните светлини. В стратосферата на височина 45 km има озонов слой, който отразява разрушителната за живота космическа радиация и частично ултравиолетовите лъчи. Над стратосферата се простира йоносферата - слой от разреден газ, съставен от йонизирани атоми.
Сред всички сфери на Земята биосферата заема особено място. Биосферата е геоложката обвивка на Земята заедно с живите организми, които я населяват: микроорганизми, растения, животни. Тя включва горната част на литосферата, цялата хидросфера, тропосферата и долната част на стратосферата (включително озоновия слой). Границите на биосферата се определят от горната граница на живота, ограничена от интензивната концентрация на ултравиолетовите лъчи, и долната граница, ограничена от високите температури на земните недра; До крайните предели на биосферата достигат само низши организми - бактерии. Заема специално място в биосферата озонов защитен слой. Атмосферата съдържа само об. % озон, но създаде условия на Земята, които позволиха животът да възникне и да продължи да се развива на нашата планета.
В биосферата протичат непрекъснати цикли на материя и енергия. По принцип едни и същи елементи постоянно участват в цикъла на веществата: водород, въглерод, азот, кислород, сяра. От неживата природа те преминават в състава на растенията, от растенията – в животните и човека. Атомите на тези елементи се задържат в кръговрата на живота стотици милиони години, което се потвърждава от изотопния анализ. Тези пет елемента се наричат биофилни (живолюбиви), и то не всичките им изотопи, а само леките. Така от трите изотопа на водорода само . От трите естествено срещащи се изотопа на кислорода 
само биофилни, а само от въглеродни изотопи.
Ролята на въглерода за появата на живота на Земята е наистина огромна. Има основание да се смята, че по време на образуването на земната кора част от въглерода е навлизал в дълбоките й слоеве под формата на минерали като карбиди, а другата част е била задържана от атмосферата под формата на CO. Намаляването на температурата на определени етапи от формирането на планетата беше придружено от взаимодействието на CO с водна пара чрез реакцията kcal, така че до момента, в който течната вода се появи на Земята, атмосферният въглерод трябва да е бил под формата на въглероден диоксид . Съгласно диаграмата на въглеродния цикъл по-долу, атмосферният въглероден диоксид се извлича от растенията (1) и чрез хранителни връзки (2) въглеродът навлиза в тялото на животните:
Дишането на животните и растенията и разлагането на техните останки постоянно връщат огромни маси въглерод в атмосферата и океанските води под формата на въглероден диоксид (3, 4). В същото време има известно отстраняване на въглерода от цикъла поради частична минерализация на останките от растения (5) и животни (6).
Допълнително и по-мощно отстраняване на въглерода от цикъла е неорганичният процес на изветряне на скалите (7), при който съдържащите се в тях метали под въздействието на атмосферата се трансформират в соли на въглероден диоксид, които след това се измиват от вода и пренесени от реките в океана, последвано от частично утаяване. Според груби оценки, до 2 милиарда тона въглерод се свързват годишно, когато скалите се изветрят от атмосферата. Такава огромна консумация не може да бъде компенсирана от различни свободно протичащи природни процеси (вулканични изригвания, източници на газ, въздействието на гръмотевични бури върху варовика и др.), водещи до обратен преход на въглерод от минерали към атмосферата (8). По този начин както неорганичните, така и органичните етапи на въглеродния цикъл са насочени към намаляване на съдържанието в атмосферата. В тази връзка трябва да се отбележи, че съзнателната човешка дейност значително влияе върху цялостния въглероден цикъл и, засягайки по същество всички посоки на процесите, протичащи по време на естествения цикъл, в крайна сметка компенсира изтичането от атмосферата. Достатъчно е да се каже, че само поради изгарянето на въглища, повече от 1 милиард тона въглерод се връщат в атмосферата годишно (в средата на нашия век). Като вземем предвид потреблението на други видове изкопаеми горива (торф, нефт и др.), както и редица промишлени процеси, водещи до освобождаване на , можем да приемем, че тази цифра всъщност е дори по-висока.
По този начин човешкото влияние върху циклите на трансформация на въглерода е директно противоположно по посока на общия резултат от естествения цикъл:
Енергийният баланс на Земята се състои от различни източници, но най-важните от тях са слънчевата и радиоактивната енергия. По време на еволюцията на Земята радиоактивният разпад е бил интензивен и преди 3 милиарда години е имало 20 пъти повече радиоактивна топлина, отколкото сега. В момента топлината на слънчевите лъчи, падащи върху Земята, значително надвишава вътрешната топлина от радиоактивния разпад, така че основният източник на топлина вече може да се счита за енергията на Слънцето. Слънцето ни дава kcal топлина годишно. Според горната диаграма 40% от слънчевата енергия се отразява от Земята в космоса, 60% се абсорбира от атмосферата и почвата. Част от тази енергия се изразходва за фотосинтеза, част отива за окисляване на органични вещества, а част се съхранява във въглища, нефт и торф. Слънчевата енергия възбужда климатични, геоложки и биологични процеси на Земята в грандиозен мащаб. Под въздействието на биосферата слънчевата енергия се превръща в различни форми на енергия, предизвиквайки огромни трансформации, миграции и циркулация на веществата. Въпреки величието си, биосферата е отворена система, тъй като непрекъснато получава поток от слънчева енергия.
Фотосинтезата включва сложен набор от реакции от различен характер. В този процес връзките в молекулите и се пренареждат, така че вместо предишните връзки въглерод-кислород и водород-кислород възниква нов тип химични връзки: въглерод-водород и въглерод-въглерод:
В резултат на тези трансформации се появява въглехидратна молекула, която е концентрат на енергия в клетката. По този начин, от химическа гледна точка, същността на фотосинтезата се състои в пренареждането на химичните връзки. От тази гледна точка фотосинтезата може да се нарече процес на синтез на органични съединения с помощта на светлинна енергия. Общото уравнение на фотосинтезата показва, че в допълнение към въглехидратите се произвежда и кислород:
но това уравнение не дава представа за неговия механизъм. Фотосинтезата е сложен, многоетапен процес, в който от биохимична гледна точка централната роля принадлежи на хлорофила, зелено органично вещество, което абсорбира количество слънчева енергия. Механизмът на процесите на фотосинтеза може да бъде представен със следната диаграма:
Както може да се види от диаграмата, в светлинната фаза на фотосинтезата излишната енергия на „възбудените“ електрони поражда процеса: фотолиза - с образуването на молекулярен кислород и атомен водород:
и синтеза на аденозин трифосфорна киселина (АТР) от аденозин дифосфорна киселина (ADP) и фосфорна киселина (P). В тъмната фаза се осъществява синтезът на въглехидрати, за чието изпълнение се изразходва енергията на АТФ и водородните атоми, които възникват в светлата фаза в резултат на преобразуването на светлинната енергия от Слънцето. Общата производителност на фотосинтезата е огромна: всяка година растителността на Земята отделя 170 милиарда тона въглерод. В допълнение, растенията включват милиарди тонове фосфор, сяра и други елементи в синтеза, в резултат на което се синтезират около 400 милиарда тона органични вещества годишно. Независимо от това, въпреки цялото си величие, естествената фотосинтеза е бавен и неефективен процес, тъй като зеленото листо използва само 1% от слънчевата енергия, която пада върху него за фотосинтеза.
Както беше отбелязано по-горе, в резултат на абсорбцията на въглероден диоксид и по-нататъшната му трансформация по време на фотосинтезата се образува въглехидратна молекула, която служи като въглероден скелет за изграждането на всички органични съединения в клетката. Органичните вещества, произведени по време на фотосинтезата, се характеризират с голям запас от вътрешна енергия. Но енергията, натрупана в крайните продукти на фотосинтезата, не е достъпна за пряка употреба в химични реакции, протичащи в живите организми. Превръщането на тази потенциална енергия в активна форма се осъществява в друг биохимичен процес – дишането. Основната химическа реакция на процеса на дишане е абсорбцията на кислород и отделянето на въглероден диоксид:
Процесът на дишане обаче е много сложен. Това включва активиране на водородни атоми на органичния субстрат, освобождаване и мобилизиране на енергия под формата на АТФ и генериране на въглеродни скелети. По време на процеса на дишане въглехидратите, мазнините и протеините, в реакции на биологично окисление и постепенно преструктуриране на органичния скелет, предават своите водородни атоми, за да образуват редуцирани форми. Последните, когато се окисляват в дихателната верига, освобождават енергия, която се натрупва в активна форма в свързаните реакции на синтеза на АТФ. По този начин фотосинтезата и дишането са различни, но много тясно свързани аспекти на общия енергиен обмен. В клетките на зелените растения процесите на фотосинтеза и дишане са тясно свързани. Процесът на дишане в тях, както и във всички други живи клетки, е постоянен. През деня, заедно с дишането, в тях се извършва фотосинтеза: растителните клетки преобразуват светлинната енергия в химическа енергия, синтезират органична материя и освобождават кислород като страничен продукт от реакцията. Количеството кислород, отделено от растителна клетка по време на фотосинтеза, е 20-30 пъти по-голямо от усвояването му при едновременния процес на дишане. Така през деня, когато протичат и двата процеса в растенията, въздухът се обогатява с кислород, а през нощта, когато фотосинтезата спира, се запазва само процесът на дишане.
Необходимият за дишане кислород навлиза в човешкото тяло през белите дробове, чиито тънки и влажни стени имат голяма повърхност (около 90) и са проникнати от кръвоносни съдове. Попадайки в тях, кислородът образува със съдържащия се в червените кръвни клетки - еритроцити хемоглобин - крехко химично съединение - оксихемоглобин и в тази форма се пренася от червената артериална кръв до всички тъкани на тялото. В тях кислородът се отделя от хемоглобина и се включва в различни метаболитни процеси, по-специално окислява органичните вещества, които влизат в тялото под формата на храна. В тъканите въглеродният диоксид се свързва с хемоглобина, образувайки крехко съединение - карбхемоглобин. В тази форма, а също и частично под формата на соли на въглеродна киселина и във физически разтворена форма, въглеродният диоксид навлиза в белите дробове с потока на тъмна венозна кръв, където се екскретира от тялото. Схематично този процес на газообмен в човешкото тяло може да бъде представен чрез следните реакции:
Обикновено въздухът, вдишван от човек, съдържа 21% (по обем) и 0,03%, а издишаният въздух съдържа 16% и 4%; на ден човек издишва 0,5. Подобно на кислорода, въглеродният оксид (CO) реагира с хемоглобина и полученото съединение е хем. CO е много по-издръжлив. Следователно, дори при ниски концентрации на CO във въздуха, значителна част от хемоглобина се свързва с него и престава да участва в преноса на кислород. Когато въздухът съдържа 0,1% CO (по обем), т.е. при съотношение CO и 1:200 равни количества от двата газа се свързват от хемоглобина. Поради това при вдишване на въздух, отровен от въглероден оксид, може да настъпи смърт от задушаване, въпреки наличието на излишък от кислород.
Ферментацията, като процес на разлагане на захарни вещества в присъствието на специален вид микроорганизми, се среща толкова често в природата, че алкохолът, макар и в незначителни количества, е постоянен компонент на почвената вода и неговите пари винаги се съдържат в малки количества. във въздуха. Най-простата схема на ферментация може да бъде представена с уравнението:
Въпреки че механизмът на ферментационните процеси е сложен, все пак може да се твърди, че производните на фосфорната киселина (АТФ), както и редица ензими, играят изключително важна роля в него.
Гниенето е сложен биохимичен процес, в резултат на който екскременти, трупове и растителни останки връщат в почвата свързания азот, който преди това е отнет от нея. Под въздействието на специални бактерии този свързан азот в крайна сметка се превръща в амоняк и амониеви соли. Освен това, по време на гниене, част от свързания азот се превръща в свободен азот и се губи.
Както следва от горната диаграма, част от слънчевата енергия, погълната от нашата планета, се „запазва“ под формата на торф, нефт и въглища. Мощните размествания на земната кора погребаха огромни растителни маси под слоеве скали. Когато мъртвите растителни организми се разлагат без достъп до въздух, се отделят летливи продукти от разлагането и остатъкът постепенно се обогатява с въглерод. Това съответно влияе върху химичния състав и калоричността на продукта от разлагането, който в зависимост от характеристиките му се нарича торф, кафяви и въглища (антрацит). Подобно на растителния живот, животните на миналите епохи също ни оставиха ценно наследство - нефт. Съвременните океани и морета съдържат огромни натрупвания на прости организми в горните слоеве на водата до дълбочина около 200 m (планктон) и в дъното на не много дълбоки места (бентос). Общата маса на планктона и бентоса се оценява на огромна цифра (~ t). Като основа на храненето на всички по-сложни морски организми планктонът и бентосът в момента е малко вероятно да се натрупват като останки. Въпреки това, в далечни геоложки епохи, когато условията за тяхното развитие са били по-благоприятни и е имало много по-малко потребители, отколкото сега, останките от планктон и бентос, както и вероятно по-високо организирани животни, които са умрели масово за един причина или друга, може да се превърне в основен градивен материал за образуването на нефт. Суровият нефт е неразтворима във вода черна или кафява маслена течност. Състои се от 83-87% въглерод, 10-14% водород и малки количества азот, кислород и сяра. Калоричността му е по-висока от тази на антрацита и се оценява на 11 000 kcal/kg.
Под биомаса се разбира съвкупността от всички живи организми в биосферата, т.е. количеството органична материя и съдържащата се в нея енергия на цялата популация от индивиди. Биомасата обикновено се изразява в тегловни единици като сухо вещество на единица площ или обем. Натрупването на биомаса се определя от жизнената дейност на зелените растения. В биогеоценозите те, като производители на жива материя, играят ролята на „производители“, тревопасните и месоядни животни, като консуматори на жива органична материя, играят ролята на „консуматори“ и унищожители на органични остатъци (микроорганизми), носейки разграждането на органичната материя до прости минерални съединения, са „разложители“. Специална енергийна характеристика на биомасата е способността й да се възпроизвежда. Според определението на V.I. Вернадски, „живата материя (съвкупност от организми), като маса от газ, се разпространява по земната повърхност и упражнява определен натиск в околната среда, заобикаля препятствията, които възпрепятстват нейното развитие, или ги завладява, покривайки ги се постига чрез размножаване на организми. На земната повърхност биомасата нараства в посока от полюсите към екватора. В същата посока се увеличава и броят на видовете, участващи в биогеоценозите (виж по-долу). Почвените биоценози обхващат цялата земна повърхност.
Почвата е рохкав повърхностен слой на земната кора, видоизменен от атмосферата и организмите и непрекъснато попълван с органични остатъци. Дебелината на почвата заедно с повърхностната биомаса и под нейно влияние се увеличава от полюсите към екватора. Почвата е гъсто населена с живи организми и в нея протича непрекъснат газообмен. През нощта, докато газовете се охлаждат и компресират, малко въздух навлиза в него. Кислородът от въздуха се усвоява от животните и растенията и е част от химичните съединения. Азотът, въведен във въздуха, се улавя от някои бактерии. През деня, когато почвата се нагрява, от нея се отделят амоняк, сероводород и въглероден диоксид. Всички процеси, протичащи в почвата, са включени в кръговрата на веществата в биосферата.
Хидросфера на Земята, или Световния океан, заема повече от 2/3 от повърхността на планетата. Физическите свойства и химичният състав на океанските води са много постоянни и създават среда, благоприятна за живот. Водните животни го отделят чрез дишане, а водораслите обогатяват водата чрез фотосинтеза. Фотосинтезата на водораслите се извършва главно в горния слой на водата - на дълбочина до 100 m океанският планктон представлява 1/3 от фотосинтезата, протичаща на цялата планета. В океана биомасата е предимно разпръсната. Средно биомасата на Земята, според съвременните данни, е приблизително t, масата на зелените земни растения е 97%, животните и микроорганизмите са 3%. В Световния океан има 1000 пъти по-малко жива биомаса, отколкото на сушата. Използването на слънчева енергия в океанската зона е 0,04%, на сушата - 0,1%. Океанът не е толкова богат на живот, колкото се смяташе наскоро.
Човечеството съставлява само малка част от биомасата на биосферата. Но след като усвои различни форми на енергия - механична, електрическа, атомна - тя започна да оказва огромно влияние върху процесите, протичащи в биосферата. Човешката дейност се е превърнала в толкова мощна сила, че тази сила е станала сравнима с природните сили на природата. Анализът на резултатите от човешката дейност и въздействието на тази дейност върху биосферата като цяло доведе академик V.I. Вернадски до заключението, че в момента човечеството е създало нова обвивка на Земята - „интелигентна“. Вернадски го нарича "ноосфера". Ноосферата е „колективният ум на човека, концентриран както в своите потенциални възможности, така и в кинетичните въздействия върху биосферата, но през вековете те са били спонтанни и понякога хищнически по природа, а следствието от това влияние е било застрашаващо околната среда. замърсяване с всички произтичащи от това последствия“.
Разглеждането на въпроси, свързани с проблема за опазване на околната среда, изисква изясняване на понятието " заобикаляща среда„Този термин означава цялата наша планета плюс тънка обвивка на живота – биосферата, плюс космическото пространство, което ни заобикаля и ни влияе. Въпреки това, за простота, околната среда често означава само биосферата и част от нашата планета – земната кора. Според за V.I.Vernadsky, биосферата е "област на съществуване на живата материя." Живата материя е съвкупността от всички живи организми, включително хората.
Екологията като наука за взаимоотношенията на организмите помежду си, както и между организмите и тяхната среда, обръща специално внимание на изучаването на онези сложни системи (екосистеми), които възникват в природата въз основа на взаимодействието на организмите помежду си. и неорганичната среда. Следователно екосистемата е съвкупност от живи и неживи компоненти на природата, които си взаимодействат. Тази концепция се прилага за единици с различна степен - от мравуняк (микроекосистема) до океан (макроекосистема). Самата биосфера е гигантска екосистема на земното кълбо.
Връзките между компонентите на екосистемата възникват предимно на базата на хранителни връзки и методи за получаване на енергия. Според метода на получаване и използване на хранителни вещества и енергия всички организми на биосферата се разделят на две силно различни групи: автотрофи и хетеротрофи. Автотрофите са способни да синтезират органични вещества от неорганични съединения (и др.). От тези бедни на енергия съединения клетките синтезират глюкоза, аминокиселини, а след това и по-сложни органични съединения – въглехидрати, протеини и др. Основните автотрофи на Земята са клетките на зелените растения, както и някои микроорганизми. Хетеротрофите не са в състояние да синтезират органични вещества от неорганични съединения. Те се нуждаят от доставка на готови органични съединения. Хетеротрофите са клетките на животните, хората, повечето микроорганизми и някои растения (например гъбички и зелени растения, които не съдържат хлорофил). В процеса на хранене хетеротрофите в крайна сметка разлагат органичната материя на въглероден диоксид, вода и минерални соли, т.е. вещества, подходящи за повторна употреба от автотрофи.
По този начин в природата протича непрекъснат цикъл на веществата: химичните вещества, необходими за живота, се извличат от автотрофите от околната среда и се връщат отново в нея чрез серия от хетеротрофи. За осъществяването на този процес е необходим постоянен приток на енергия отвън. Неговият източник е лъчистата енергия на Слънцето. Движението на материята, причинено от дейността на организмите, се извършва циклично и може да се използва отново и отново, докато енергията в тези процеси е представена от еднопосочен поток. Енергията на Слънцето само се трансформира от организмите в други форми – химична, механична, топлинна. В съответствие със законите на термодинамиката такива трансформации винаги са придружени от разсейване на част от енергията под формата на топлина. Въпреки че общата схема на кръговрата на веществата е сравнително проста, в реални природни условия този процес приема много сложни форми. Нито един тип хетеротрофен организъм не е в състояние незабавно да разгради органичната материя на растенията до крайни минерални продукти (и т.н.). Всеки вид използва само част от енергията, съдържаща се в органичната материя, довеждайки нейното разлагане до определен етап. Остатъци, неподходящи за даден вид, но все пак богати на енергия, се използват от други организми. Така в процеса на еволюция в екосистемата са се образували вериги от взаимосвързани видове, които последователно извличат материали и енергия от първоначалната хранителна субстанция. Всички видове, които образуват хранителната верига, съществуват върху органична материя, генерирана от зелени растения.
Общо само 1% от лъчистата енергия на Слънцето, падаща върху растенията, се превръща в енергия на синтезирани органични вещества, които могат да се използват от хетеротрофни организми. По-голямата част от енергията, съдържаща се в растителните храни, се изразходва в животинското тяло за различни жизненоважни процеси и, превръщайки се в топлина, се разсейва. Освен това само 10-20% от тази хранителна енергия отива директно за изграждането на ново вещество. Големите загуби на полезна енергия предопределят хранителните вериги да се състоят от малък брой звена (3-5). С други думи, в резултат на загуба на енергия, количеството органична материя, произведена на всяко следващо ниво на хранителните вериги, рязко намалява. Този важен модел се нарича правило на екологичната пирамидаи на диаграмата е представена с пирамида, в която всяко следващо ниво съответства на равнина, успоредна на основата на пирамидата. Има различни категории екологични пирамиди: пирамидата на числата - отразяваща броя на индивидите на всяко ниво на хранителната верига, пирамидата на биомасата - отразяваща съответното количество органична материя, пирамидата на енергията - отразяваща количеството енергия в храна.
Всяка екосистема се състои от два компонента. Единият от тях е органичен, представляващ комплекс от видове, които образуват самоподдържаща се система, в която се извършва циркулацията на веществата, която се нарича биоценоза, другата е неорганичен компонент, който дава подслон на биоценозата и се нарича биотон:
Екосистема = биотон + биоценоза.
Други екосистеми, както и геоложки, климатични и космически влияния по отношение на дадена екологична система действат като външни сили. Устойчивостта на една екосистема винаги е свързана с нейното развитие. Според съвременните възгледи една екосистема има тенденция да се развива към своето стабилно състояние – зряла екосистема. Тази промяна се нарича приемственост. Ранните етапи на сукцесия се характеризират с ниско видово разнообразие и ниска биомаса. Една екосистема в начален етап на развитие е много чувствителна към смущения и силното въздействие върху главния поток на енергия може да я унищожи. В зрелите екосистеми флората и фауната се увеличават. В този случай увреждането на един компонент не може да има силно въздействие върху цялата екосистема. Следователно една зряла екосистема има висока степен на устойчивост.
Както беше отбелязано по-горе, геоложките, климатичните, хидрогеоложките и космическите влияния по отношение на дадена екологична система действат като външни сили. Сред външните сили, влияещи върху екосистемите, човешкото влияние заема особено място. Биологичните закони на структурата, функционирането и развитието на природните екосистеми се свързват само с онези организми, които са техни необходими компоненти. В това отношение човек, както социално (личност), така и биологично (организъм), не е част от естествените екосистеми. Това следва най-малкото от факта, че всяка природна екосистема в своето възникване и развитие може да мине без хората. Човекът не е необходим елемент от тази система. Освен това възникването и съществуването на организмите се определя само от общите закони на екосистемата, докато човекът е генериран от обществото и съществува в обществото. Човекът като индивид и като биологично същество е компонент на специална система - човешкото общество, която има исторически променящи се икономически закони за разпределение на храната и други условия на своето съществуване. В същото време човек получава елементите, необходими за живота, като въздух и вода, отвън, тъй като човешкото общество е отворена система, в която енергията и материята идват отвън. По този начин човек е „външен елемент“ и не може да влезе в постоянни биологични връзки с елементи на природни екосистеми. От друга страна, действайки като външна сила, хората оказват голямо влияние върху екосистемите. В тази връзка е необходимо да се посочи възможността за съществуването на два вида екосистеми: естествени (естествени) и изкуствени. Развитие (приемство) естествени екосистемисе подчинява на законите на еволюцията или на законите на космическите влияния (постоянство или катастрофи). Изкуствени екосистеми- това са съвкупности от живи организми и растения, живеещи в условия, създадени от човека с труда и мисълта му. Силата на човешкото влияние върху природата се проявява именно в изкуствените екосистеми, които днес обхващат по-голямата част от биосферата на Земята.
Човешка екологична намеса очевидно винаги е имало. Цялата предишна човешка дейност може да се разглежда като процес на подчиняване на много или дори всички екологични системи, всички биоценози на човешките нужди. Човешката намеса не може да не повлияе на екологичния баланс. Още древният човек, изгаряйки горите, е нарушавал екологичния баланс, но го е правил бавно и в относително малък мащаб. Такава намеса беше по-локална по природа и не доведе до глобални последици. С други думи, човешката дейност от онова време протича при условия, близки до равновесните. Сега обаче човешкото въздействие върху природата, поради развитието на науката, технологиите и технологиите, е придобило такъв мащаб, че нарушаването на екологичния баланс е станало заплашително в глобален мащаб. Ако процесът на човешкото влияние върху екосистемите не беше спонтанен, а понякога дори хищнически, тогава проблемът с екологичната криза не би бил толкова остър. Междувременно човешката дейност днес е станала толкова съизмерима с мощните сили на природата, че самата природа вече не е в състояние да се справи с натоварванията, които изпитва.
По този начин основната същност на проблема за опазване на околната среда е, че човечеството, благодарение на своята трудова дейност, се е превърнало в толкова мощна природообразуваща сила, че нейното влияние започва да се проявява много по-бързо от влиянието на естествената еволюция на биосферата.
Въпреки че днес терминът „опазване на околната среда“ е много разпространен, той все още не отразява стриктно същността на въпроса. Физиологът I.M. Сеченов веднъж посочи, че живият организъм не може да съществува без взаимодействие с околната среда. От тази гледна точка терминът "управление на околната среда" изглежда по-строг. Като цяло проблемът за рационалното използване на околната среда е в търсенето на механизми, които осигуряват нормалното функциониране на биосферата.
КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ
1. Дефинирайте понятието „околна среда“.
2. Каква е основната същност на проблема за опазване на околната среда?
3. Избройте различните аспекти на екологичния проблем.
4. Дефинирайте понятието „химическа екология“.
5. Избройте основните геосфери на нашата планета.
6. Посочете факторите, които определят горната и долната граница на биосферата.
7. Избройте биофилните елементи.
8. Коментирайте влиянието на човешката дейност върху естествения цикъл на въглеродните трансформации.
9. Какво можете да кажете за механизма на фотосинтезата?
10. Дайте схема на дихателния процес.
11. Дайте диаграма на процесите на ферментация.
12. Дефинирайте понятията „производител“, „консуматор“, „разложител“.
13. Каква е разликата между „автотрофи“ и „хетеротрофи“?
14. Дефинирайте понятието „ноосфера“.
15. Каква е същността на правилото на “екологичната пирамида”?
16. Дефинирайте понятията „биотон” и „биоценоза”.
17. Дефинирайте понятието „екосистема“.
Микроелементи и ензими. Въведение в металоензимите. Специфични и неспецифични ензими. Ролята на металните йони в ензимите. Хоризонтално сходство в биологичното действие на d-елементите. Синергизъм и антагонизъм на елементите.
Склонност на йоните на d-елемента към хидролиза и полимеризация
В кисела среда йоните на d-елемента са под формата на хидратирани йони [M(H 2 O) m ] n+. С повишаване на pH, хидратираните йони на много d-елементи, поради техния голям заряд и малък размер на йони, имат силен поляризиращ ефект върху водните молекули, акцепторна способност за хидроксидни йони, претърпяват катионна хидролиза и образуват силни ковалентни връзки с OH - . Процесът завършва или с образуването на основни соли [M(OH) m ] (m-n)+, или неразтворими хидроксиди M(OH) n, или хидроксо комплекси [M(OH) m ] (n-m)-. Процесът на хидролитично взаимодействие може да възникне с образуването на многоядрени комплекси в резултат на реакцията на полимеризация.
2. 4. Биологична роля на d-елементите (преходни елементи)
Елементи, чието съдържание не надвишава 10 -3%, са част от ензими, хормони, витамини и други жизненоважни съединения. За обмяната на протеини, въглехидрати и мазнини са необходими: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; в синтеза на протеини участват: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr в хемопоезата – Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дъха - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Co. Поради това микроелементите са намерили широко приложение в медицината, като микроторове за полски култури и като торове в животновъдството, птицевъдството и рибовъдството. Микроелементите са част от голям брой биорегулатори на живи системи, които се основават на биокомплекси. Ензимите са специални протеини, които действат като катализатори в биологичните системи. Ензимите са уникални катализатори с ненадмината ефективност и висока селективност. Пример за ефективността на реакцията на разлагане на водороден пероксид 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 в присъствието на ензими е даден в таблица 6.
Таблица 6. Енергия на активиране (E o) и относителна скорост на реакцията на разлагане на H 2 O 2 в отсъствие и присъствие на различни катализатори
Понастоящем са известни повече от 2000 ензима, много от които катализират една реакция. Активността на голяма група ензими се проявява само в присъствието на определени непротеинови съединения, наречени кофактори. Металните йони или органичните съединения действат като кофактори. Около една трета от ензимите се активират от преходни метали.
Металните йони в ензимите изпълняват редица функции: те са електрофилна група на активния център на ензима и улесняват взаимодействието с отрицателно заредени области на субстратните молекули, образуват каталитично активна конформация на ензимната структура (при образуването на спирална структура на РНК, участват цинкови и манганови йони), участват в електронния транспорт (комплекси пренасят електрони). Способността на металния йон да изпълнява ролята си в активния център на съответния ензим зависи от способността на металния йон да образува комплекси, геометрията и стабилността на образувания комплекс. Това осигурява повишаване на селективността на ензима към субстратите, активиране на връзките в ензима или субстрата чрез координация и промяна във формата на субстрата в съответствие със пространствените изисквания на активния център.
Биокомплексите се различават по стабилност. Някои от тях са толкова силни, че са постоянно в тялото и изпълняват определена функция. В случаите, когато връзката между кофактора и ензимния протеин е силна и е трудно да се разделят, тя се нарича „простетична група“. Такива връзки са открити в ензими, съдържащи хем комплекс от желязо с производно на порфин. Ролята на металите в такива комплекси е много специфична: замяната им дори с елемент, подобен по свойства, води до значителна или пълна загуба на физиологична активност. Тези ензими включват към специфични ензими.
Примери за такива съединения са хлорофил, полифенилоксидаза, витамин B 12, хемоглобин и някои металоензими (специфични ензими). Малко ензими участват само в една специфична или единична реакция.
Каталитичните свойства на повечето ензими се определят от активния център, образуван от различни микроелементи. Ензимите се синтезират по време на функцията. Металният йон действа като активатор и може да бъде заменен с друг метален йон без загуба на физиологичната активност на ензима. Те са класифицирани като неспецифични ензими.
По-долу са дадени ензими, в които различни метални йони изпълняват подобни функции.
Таблица 7. Ензими, в които различни метални йони изпълняват подобни функции
Един микроелемент може да активира работата на различни ензими, а един ензим може да се активира от различни микроелементи. Най-голямо сходство в биологичното действие имат ензимите с микроелементи в еднаква степен на окисление +2. Както може да се види, микроелементите на преходните елементи в тяхното биологично действие се характеризират с повече хоризонтално сходство, отколкото вертикално сходство в периодичната система на D.I. Менделеев (в серията Ti-Zn) При вземане на решение за използването на конкретен микроелемент е необходимо да се вземе предвид не само наличието на мобилни форми на този елемент, но и други, които имат същото състояние на окисление и могат да заменят). взаимно в състава на ензимите.
Някои металоензими заемат междинно положение между специфичните и неспецифичните ензими. Металните йони функционират като кофактор. Повишаването на силата на ензимния биокомплекс повишава специфичността на неговото биологично действие. Ефективността на ензимното действие на металния йон на ензима се влияе от степента му на окисление. Според интензивността на въздействието си микроелементите се подреждат в следния ред:
Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Йонът Mn 3+, за разлика от йона Mn 2+, е много тясно свързан с протеини и главно с кислородсъдържащи групи, заедно Fe 3+ е част от металопротеините.
Микроелементите в комплексонатна форма действат в организма като фактор, който очевидно определя високата чувствителност на клетките към микроелементите чрез участието им в създаването на висок концентрационен градиент. Стойностите на атомните и йонните радиуси, йонизационните енергии, координационните числа и тенденцията за образуване на връзки със същите елементи в молекулите на биолигандите определят ефектите, наблюдавани по време на взаимното заместване на йони: може да възникне с нарастване (синергия) и с инхибиране на тяхната биологична активност (антагонизъм)елемент, който се заменя. Йоните на d-елементите в степен на окисление +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) имат подобни физикохимични характеристики на атомите (електронна структура на външното ниво, подобни йонни радиуси, тип орбитална хибридизация, подобни стойности на константи на стабилност с биолиганди). Сходството на физикохимичните характеристики на комплексообразувателя определя сходството на тяхното биологично действие и взаимозаменяемост. Горните преходни елементи стимулират хемопоетичните процеси и подобряват метаболитните процеси. Синергизмът на елементите в процесите на хематопоеза вероятно е свързан с участието на йони на тези елементи в различни етапи на процеса на синтез на формирани елементи на човешката кръв.
S - елементите от група I се характеризират, в сравнение с други елементи от техния период, с малък заряд на атомните ядра, нисък йонизационен потенциал на валентни електрони, голям атомен размер и увеличаването му в групата отгоре надолу. Всичко това определя състоянието на техните йони във водни разтвори под формата на хидратирани йони. Най-голямото сходство между лития и натрия определя тяхната взаимозаменяемост и синергично действие. Разрушителните свойства във водни разтвори на калиеви, рубидиеви и цезиеви йони осигуряват по-добрата им мембранна пропускливост, взаимозаменяемост и синергизъм на действието им. Концентрацията на K + вътре в клетката е 35 пъти по-висока, отколкото извън нея, а концентрацията на Na + в извънклетъчната течност е 15 пъти по-висока, отколкото вътре в клетката. Тези йони са антагонисти в биологичните системи. s - Елементите от група II се намират в тялото под формата на съединения, образувани от фосфорна, въглеродна и карбоксилна киселина. Калцият, съдържащ се главно в костната тъкан, е подобен по свойства на стронций и барий, които могат да го заменят в костите. В този случай се наблюдават както случаи на синергизъм, така и антагонизъм. Калциевите йони също са антагонисти на натриевите, калиевите и магнезиевите йони. Сходството на физикохимичните характеристики на Be 2+ и Mg 2+ йони определя тяхната взаимозаменяемост в съединения, съдържащи Mg-N и Mg-O връзки. Това може да обясни инхибирането на ензимите, съдържащи магнезий, когато берилият навлезе в тялото. Берилият е антагонист на магнезия. Следователно физикохимичните свойства и биологичните ефекти на микроелементите се определят от структурата на техните атоми. Повечето биогенни елементи са членове на втория, третия и четвъртия период на периодичната система на D.I. Менделеев. Това са сравнително леки атоми, със сравнително малък заряд на ядрата на техните атоми.
2. 4. 2. Ролята на съединенията на преходните елементи в преноса на електрони в живите системи.
В живия организъм много процеси имат цикличен, вълнообразен характер. Химическите процеси, които са в основата им, трябва да са обратими. Обратимостта на процесите се определя от взаимодействието на термодинамични и кинетични фактори. Към обратимите реакции спадат тези с константи от 10 -3 до 10 3 и с малка стойност на DG 0 и DE 0 на процеса. При тези условия концентрациите на изходните вещества и реакционните продукти могат да бъдат в сравними концентрации и чрез промяната им в определен диапазон може да се постигне обратимост на процеса. От кинетична гледна точка трябва да има ниски стойности на енергията на активиране. Следователно металните йони (желязо, мед, манган, кобалт, молибден, титан и други) са удобни носители на електрони в живите системи. Добавянето и даряването на електрон причинява промени само в електронната конфигурация на металния йон, без да променя значително структурата на органичния компонент на комплекса. Уникална роля в живите системи се отрежда на две редокс системи: Fe 3+ /Fe 2+ и Cu 2+ /Cu + . Биолигандите стабилизират в по-голяма степен окислената форма в първата двойка и предимно редуцираната форма във втората двойка. Следователно в системите, съдържащи желязо, формалният потенциал е винаги по-нисък, а в системите, съдържащи мед, той често е по-висок. Редокс системите, съдържащи мед и желязо, покриват широк диапазон от потенциали, което им позволява да взаимодействат с много субстрати, придружени от умерени. промени в DG 0 и DE 0, което отговаря на условията за обратимост. Важна стъпка в метаболизма е извличането на водород от хранителни вещества. След това водородните атоми преминават в йонно състояние и отделените от тях електрони влизат в дихателната верига; в тази верига, преминавайки от едно съединение към друго, те предават енергията си за образуването на един от основните източници на енергия, аденозин трифосфорна киселина (АТФ), и самите те в крайна сметка достигат до молекула кислород и се свързват с нея, образувайки вода молекули. Мостът, по който осцилират електроните, са сложни съединения на желязото с порфириново ядро, подобно по състав на хемоглобина.
Голяма група желязосъдържащи ензими, които катализират процеса на пренос на електрони в митохондриите, се наричат цитохроми(ts.kh.), Общо са известни около 50 цитохрома. Цитохромите са железни порфирини, в които всичките шест орбитали на железния йон са заети от донорни атоми, биолиганд. Разликата между цитохромите е само в състава на страничните вериги на порфириновия пръстен. Вариациите в структурата на биолиганда са причинени от разликите в големината на формалните потенциали. Всички клетки съдържат най-малко три протеина, които са сходни по структура, наречени цитохроми a, b, c. В цитохром с връзката с хистидиновия остатък на полипептидната верига се осъществява чрез порфириновото ядро. Свободното координационно място в железния йон е заето от метиониновия остатък на полипептидната верига:
Един от механизмите на функциониране на цитохромите, които съставляват една от връзките във веригата за транспортиране на електрони, е прехвърлянето на електрон от един субстрат към друг.
От химическа гледна точка цитохромите са съединения, които проявяват редокс двойственост при обратими условия.
Трансферът на електрони от цитохром с е придружен от промяна в степента на окисление на желязото:
° С. Х. Fe 3+ + e « c.xFe 2+
Кислородните йони реагират с водородните йони в околната среда, за да образуват вода или водороден пероксид. Пероксидът бързо се разлага от специален ензим каталаза на вода и кислород по следната схема:
2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2
Ензимът пероксидаза ускорява окислителните реакции на органичните вещества с водороден прекис по следната схема:
Тези ензими имат в структурата си хем, в центъра на който има желязо със степен на окисление +3 (раздел 2 7.7).
В електронната транспортна верига цитохром с пренася електрони към цитохроми, наречени цитохромоксидази. Те съдържат медни йони. Цитохромът е едноелектронен носител. Наличието на един от медните цитохроми заедно с желязото го превръща в двуелектронен носител, което ви позволява да регулирате скоростта на процеса.
Медта е част от важен ензим - супероксид дисмутаза (SOD), който оползотворява токсичния супероксиден йон O2- в тялото чрез реакцията
[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2
[SOD Cu + ] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2
Водородният пероксид се разлага в тялото под действието на каталазата.
Понастоящем са известни около 25 ензима, съдържащи мед. Те образуват група от оксигенази и хидроксилази. Съставът и механизмът на тяхното действие са описани в работа (2, раздел 7.9.).
Комплексите на преходните елементи са източник на микроелементи в биологично активна форма с висока мембранна пропускливост и ензимна активност. Те участват в защитата на тялото от „оксидативен стрес“. Това се дължи на участието им в оползотворяването на метаболитни продукти, които определят неконтролирания процес на окисление (пероксиди, свободни радикали и други кислородно-активни видове), както и в окисляването на субстратите. Механизмът на свободнорадикалната реакция на окисление на субстрата (RH) с водороден пероксид с участието на железен комплекс (FeL) като катализатор може да бъде представен чрез реакционни схеми.
RH + . OH ® R . + H2O; Р. + FeL ® R + + FeL
Субстрат
R + + OH - ® ROH
Оксидирана основа
По-нататъшното протичане на радикалната реакция води до образуването на продукти с по-висока степен на хидроксилиране. Други радикали действат по подобен начин: HO 2. , O 2 . , . O 2 - .
2. 5. Обща характеристика на p-блоковите елементи
Наричат се елементи, в които р-поднивото на външното валентно ниво е завършено р-елементи. Електронна структура на валентното ниво ns 2 p 1-6. Валентните електрони са s- и p-поднивата.
Таблица 8. Позиция на p-елементите в периодичната таблица на елементите.
| Период | Група | |||||
| IIIA | IVA | В.А. | ЧРЕЗ | VIIA | VIIIA | |
| (° С) | (Н) | (О) | (F) | не | ||
| (P) | (С) | (Cl) | Ар | |||
| Ga | Кр | |||||
| в | сн | сб | Те | (аз) | Xe | |
| Tl | Pb | Би | По | При | Rn | |
| стр. 1 | стр. 2 | стр. 3 | стр. 4 | стр. 5 | R 6 | |
| () - основни елементи, – биогенни елементи |
В периоди отляво надясно зарядът на ядрата се увеличава, влиянието на което преобладава над увеличаването на силите на взаимно отблъскване между електроните. Следователно йонизационният потенциал, афинитетът към електрони и, следователно, акцепторният капацитет и неметалните свойства се увеличават в периоди. Всички елементи, разположени по диагонала Br – At и нагоре, са неметали и образуват само ковалентни съединения и аниони. Всички други p-елементи (с изключение на индий, талий, полоний, бисмут, които проявяват метални свойства) са амфотерни елементи и образуват както катиони, така и аниони, като и двата са силно хидролизирани. Повечето неметални p-елементи са биогенни (изключения са благородните газове, телур и астат). От p-елементите - металите - само алуминият се класифицира като биогенен. Разлики в свойствата на съседни елементи, както вътре; и по период: те са изразени много по-силно от тези на s-елементите. p-елементите от втория период - азот, кислород, флуор имат изразена способност да участват в образуването на водородни връзки. Елементите от третия и следващите периоди губят тази способност. Тяхното сходство се състои само в структурата на външните електронни обвивки и тези валентни състояния, които възникват поради несдвоени електрони в невъзбудени атоми. Борът, въглеродът и особено азотът са много различни от другите елементи на техните групи (наличието на d- и f-поднива).
Всички p-елементи и особено p-елементите от втория и третия период (C, N, P, O, S, Si, Cl) образуват множество съединения помежду си и с s-, d- и f-елементи. Повечето от съединенията, известни на Земята, са съединения на p-елементи. Петте основни (макробиогенни) р-елемента на живота - O, P, C, N и S - са основният градивен материал, от който са изградени молекулите на протеините, мазнините, въглехидратите и нуклеиновите киселини. От нискомолекулните съединения на р-елементите най-голямо значение имат оксоанионите: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, SO 4 2- и халогенидни йони. p-елементите имат много валентни електрони с различни енергии. Следователно съединенията проявяват различна степен на окисление. Например въглеродът проявява различни степени на окисление от –4 до +4. Азот – от -3 до +5, хлор – от -1 до +7.
По време на реакцията p-елементът може да отдава и приема електрони, действайки съответно като редуциращ агент или окислител, в зависимост от свойствата на елемента, с който взаимодейства. Това поражда широк спектър от съединения, образувани от тях. Взаимният преход на атоми на р-елементи с различни степени на окисление, включително поради метаболитни редокс процеси (например окисляването на алкохолна група в тяхната алдехидна група и след това в карбоксилна група и т.н.) причинява богатство от химически трансформации.
Въглеродното съединение проявява окислителни свойства, ако в резултат на реакцията въглеродните атоми увеличават броя на връзките си с атоми на по-малко електроотрицателни елементи (метал, водород), тъй като чрез привличане на общи електрони на връзката въглеродният атом понижава степента си на окисление.
CH3® -CH2OH® -CH = O® -COOH® CO2
Преразпределението на електроните между окислителя и редуциращия агент в органичните съединения може да бъде придружено само от промяна в общата електронна плътност на химичната връзка към атома, действащ като окислител. В случай на силна поляризация тази връзка може да бъде прекъсната.
Фосфатите в живите организми служат като структурни компоненти на скелета, клетъчните мембрани и нуклеиновите киселини. Костната тъкан е изградена главно от хидроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH. Основата на клетъчните мембрани са фосфолипидите. Нуклеиновите киселини се състоят от рибозни или дезоксирибозофосфатни вериги. Освен това полифосфатите са основният източник на енергия.
В човешкото тяло NO задължително се синтезира с помощта на ензима NO синтаза от аминокиселината аргинин. Животът на NO в клетките на тялото е от порядъка на секунда, но нормалното им функциониране е невъзможно без NO. Това съединение осигурява: релаксация на гладката мускулатура на съдовата мускулатура, регулиране на сърдечната дейност, ефективно функциониране на имунната система, предаване на нервни импулси. Смята се, че NO играе важна роля в ученето и паметта.
Редокс реакциите, в които участват p-елементите, са в основата на тяхното токсично действие върху организма. Токсичният ефект на азотните оксиди е свързан с високата им редокс способност. Нитратите, които влизат в храната, се редуцират до нитрити в тялото.
NO 3 - + 2H + + 2e ® NO 2 + H 2 O
Нитритите имат силно токсични свойства. Те превръщат хемоглобина в метхемоглобин, който е продукт на хидролизата и окислението на хемоглобина.
В резултат на това хемоглобинът губи способността си да транспортира кислород до клетките на тялото. В тялото се развива хипоксия. Освен това нитритите, като соли на слаба киселина, реагират със солната киселина в стомашното съдържимо, образувайки азотиста киселина, която с вторични амини образува канцерогенни нитрозамини:
Биологичният ефект на високомолекулните органични съединения (аминокиселини, полипептиди, протеини, мазнини, въглехидрати и нуклеинови киселини) се определя от атоми (N, P, S, O) или образувани групи от атоми (функционални групи), в които те действат като химически активни центрове, донори на електронни двойки, способни да образуват координационни връзки с метални йони и органични молекули. Следователно p-елементите образуват полидентатни хелатни съединения (аминокиселини, полипептиди, протеини, въглехидрати и нуклеинови киселини). Те се характеризират с реакции на образуване на комплекси, амфотерни свойства и реакции на анионна хидролиза. Тези свойства определят участието им в основните биохимични процеси и в осигуряването на състояние на изохидрия. Те образуват протеинови, фосфатни, хидрогенкарбонатни буферни системи. Участват в транспортирането на хранителни вещества, метаболитни продукти и други процеси.
3. 1. Ролята на местообитанието. Химия на атмосферното замърсяване. Ролята на лекаря за опазване на околната среда и човешкото здраве.
А. П. Виноградов показа, че повърхността на земята е разнородна по химичен състав. Растенията и животните, както и хората, разположени в различни зони, използват хранителни вещества с различен химичен състав и отговарят на това с определени физиологични реакции и определен химичен състав на тялото. Ефектите от микроелементите зависят от приема им в организма. Концентрациите на биометали в организма при нормалното му функциониране се поддържат на строго определено ниво (биотична доза) с помощта на подходящи протеини и хормони. Резервите от биометали в организма систематично се попълват. Те се съдържат в достатъчни количества в храната, която приемаме. Химическият състав на растенията и животните, използвани за храна, влияе върху тялото.
Интензивното промишлено производство доведе до замърсяване на околната среда с „вредни“ вещества, включително съединения на преходни елементи. В природата има интензивно преразпределение на елементите в биогеохимичните провинции. Основният път (до 80%) за тяхното навлизане в тялото е нашата храна. Като се има предвид антропогенното замърсяване на околната среда, е необходимо да се предприемат радикални мерки за възстановяване на околната среда и хората, живеещи в нея. Този проблем в много европейски страни се поставя пред проблемите на икономическия растеж и е сред приоритетите. През последните години се е увеличило отделянето на различни замърсители. Прогнозата за индустриалното развитие ни позволява да заключим, че количеството на емисиите и замърсителите на околната среда ще продължат да нарастват.
Наричат се реални зони, в които се извършва кръговрат на елементите в резултат на жизнената дейност екосистемиили както го нарече акад. В.Н. Сукачев, биогеоценози. Хората са неразделна част от екосистемите на нашата планета. В своята жизнена дейност човек може да наруши хода на естествения биогенен цикъл. Много индустрии замърсяват околната среда. Според учението на В. И. Вернадски обвивката на нашата планета, променена от човешката икономическа дейност, се нарича ноосфера. Тя обхваща цялата биосфера и излиза извън нейните граници (стратосфера, дълбоки мини, кладенци и др.). Основна роля в ноосферата играе техногенната миграция на елементите - техногенезата. Изследванията върху геохимията на ноосферата са теоретичната основа за рационалното използване на природните ресурси и борбата със замърсяването на околната среда. Газообразните, течните и твърдите замърсявания на околната среда образуват токсични аерозоли (мъгла, дим) в приземния слой на атмосферата. Когато атмосферата е замърсена със серен диоксид, висока влажност и никаква температура, се образува токсичен смог. Основните щети на околната среда се причиняват от продуктите на окисление SO 2, SO 3 и киселините H 2 SO 3 и H 2 SO 4. В резултат на емисиите на серен оксид и азот в индустриалните райони се наблюдават „киселинни“ дъждове. Дъждовната вода, съдържаща високи концентрации на водородни йони, може да отдели токсични метални йони:
ZnO(t) + 2H + = Zn 2+ (p) + H 2 O
Когато двигателят с вътрешно горене работи, се отделят азотни оксиди, чийто продукт на преобразуване е озон:
N 2 + O 2 « 2NO (в цилиндъра на двигателя)
От голяма загриженост за обществото са проблемите на околната среда, чиято химическа същност е да защити биосферата от излишните въглеродни оксиди и метан, които създават „парников ефект“, серни и азотни оксиди, водещи до „киселинни дъждове“; халогенни производни (хлор, флуор) на въглеводороди, които нарушават "озоновия щит на Земята"; канцерогенни вещества (полиароматни въглеводороди и продукти от тяхното непълно изгаряне) и други продукти. В днешно време не само проблемът с опазването на околната среда, но и опазването на вътрешната среда става актуален. Броят на веществата, влизащи в живия организъм, които са чужди, чужди на живота и наречени ксенобиотици. По данни на Световната здравна организация те са около 4 милиона. Постъпват в организма с храната, водата и въздуха, както и под формата на лекарства (лекарствени форми).
Това се дължи на ниската култура на производителите и потребителите на химикали, които нямат професионални химически познания. Всъщност само непознаването на свойствата на веществата и неспособността да се предвидят последствията от прекомерната им употреба могат да причинят непоправими загуби на природата, неразделна част от която е човекът. Всъщност и до днес някои производители и дори медицински работници се оприличават на мелничаря на Булгаков, който искаше незабавно да се възстанови от малария с невероятна (шокова) доза хинин, но нямаше време - той умря. Все още не е достатъчно проучена ролята на различните химични елементи в замърсяването на околната среда и възникването на заболявания, включително професионални. Необходимо е да се анализира навлизането на различни вещества в околната среда в резултат на човешката дейност, начините, по които те попадат в човешкото тяло, растенията, взаимодействието им с живите организми на различни нива и да се разработи система от ефективни мерки, насочени както към предотвратяване на допълнително замърсяване на околната среда и създаване на необходимите биологични средства за защита на вътрешната среда на тялото. Медицинските работници са длъжни да участват в разработването и прилагането на технически, превантивни, санитарни, хигиенни и терапевтични мерки.
3.2 Биохимични провинции. Ендемични заболявания.
Наричат се зони, в които животните и растенията се характеризират с определен химичен елементен състав биогеохимични провинции.Биогеохимичните провинции са таксони от трети ред на биосферата - територии с различни размери в подрегиони на биосферата с постоянни характерни реакции на организмите (например ендемични заболявания). Има два вида биогеохимични провинции - естествени и техногенни, резултат от разработването на рудни находища, емисиите от металургичната и химическата промишленост и използването на торове в селското стопанство. Необходимо е да се обърне внимание на ролята на микроорганизмите в създаването на геохимичните характеристики на средата. Дефицитът и излишъкът на елементи може да доведе до образуването на биогеохимични провинции, причинени както от дефицит на елементи (йод, флуор, калций, мед и др. провинции), така и от техния излишък (бор, молибден, флуор, мед и др.). Проблемът с дефицита на бром в континенталните региони, планинските региони и излишъка на бром в крайбрежните и вулканичните пейзажи е интересен и важен. В тези региони еволюцията на централната нервна система протича качествено по различен начин. В Южен Урал е открита биогеохимична провинция върху скали, обогатени с никел. Характеризира се с грозни форми на треви и болести по овцете, свързани с високо съдържание на никел в околната среда.
Съотношението на биогеохимичните провинции с тяхното екологично състояние позволи да се идентифицират следните територии: а) с относително задоволителна екологична ситуация - (зона на относително благополучие);б) с обратими, ограничени и в повечето случаи отстраними екологични нарушения - (екологична рискова зона); в) с достатъчно висока степен на недостатъчност, наблюдавана за дълъг период от време на голяма територия, чието отстраняване изисква значителни разходи и време - (зона на екологична криза); г) с много висока степен на екологичен дистрес, практически необратими екологични щети, които имат ясна локализация - зона на екологично бедствие).
Въз основа на фактора на въздействие, неговото ниво, продължителност на действие и площ на разпространение, като рискови и кризисни зони се определят следните природно-техногенни биогеохимични провинции:
1. полиметални (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) с доминиращи асоциации Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, включително:
· обогатени с мед (Южен Урал, Башкортостан, Норилск, Медногорск);
· обогатени с никел (Норилск, Мончегорск, Никел, Полярни, Тува, Южен Урал);
· обогатени с олово (Алтай, Кавказ, Забайкалия);
· обогатени с флуор (Кировск, Красноярск, Братск);
· с високо съдържание на уран и радионуклиди в околната среда (Забайкалия, Алтай, Южен Урал).
2. биогеохимични провинции с дефицит на микроелементи (Se, I, Cu, Zn и др.).
Химията на околната среда е наука за химичните процеси, които определят състоянието и свойствата на околната среда - атмосферата, хидросферата и почвите.
Клон на химията, посветен на изучаването на химичните основи на екологичните явления и проблеми, както и на процесите на формиране на химичните свойства и състава на обектите на околната среда.
Химията на околната среда изучава както естествените химични процеси, протичащи в околната среда, така и процеса на нейното антропогенно замърсяване.
Антропогенното замърсяване на околната среда оказва значително влияние върху здравето на растенията и животните. Годишното производство на растителност на земната повърхност преди нейното нарушаване от хората е било близо 172x109 тона сухо вещество. В резултат на удара естественото му производство вече е намаляло с поне 25%. В публикациите на V.V. Ермакова (1999), Ю.М. Захарова (2003), И.М. Donnik (1997), M.S. Panin (2003) и други показват нарастващата агресивност на антропогенните въздействия върху околната среда (EI), които се извършват на териториите на развитите страни.
В.А. Ковда предостави данни за връзката между естествените биогеохимични цикли и антропогенния принос към природните процеси; оттогава техногенните потоци са се увеличили. Според неговите данни биогеохимичните и техногенните потоци на биосферата се оценяват със следните стойности:
Според Световната здравна организация (СЗО) от повече от 6 милиона известни химически съединения се използват до 500 хиляди, от които 40 хиляди имат вредни за хората свойства, а 12 хиляди са токсични. До 2009 г. потреблението на минерални и органични суровини рязко се увеличи и достигна 40-50 хиляди тона на жител на Земята. Съответно се увеличават обемите на промишлени, селскостопански и битови отпадъци. През 21 век антропогенното замърсяване доведе човечеството до ръба на екологична катастрофа. Ето защо анализът на екологичното състояние на руската биосфера и търсенето на начини за екологично възстановяване на нейната територия са много актуални.
В момента предприятията в минната, металургичната, химическата, дървообработващата, енергетиката, строителните материали и други отрасли на Руската федерация генерират около 7 милиарда тона отпадъци годишно. Използват се само 2 милиарда тона, или 28% от общия обем. В тази връзка само в депата и шламохранилищата на страната са натрупани около 80 милиарда тона твърди отпадъци. Около 10 хил. хектара земя, годна за земеделие, се отчуждава годишно за депа за тяхното съхранение. Най-голямо количество отпадъци се генерират при добива и обогатяването на суровини. Така през 2005 г. обемът на откривката, свързаните скали и отпадъците от обогатяването в различни индустрии е съответно 3100 и 1200 милиона m3. В процеса на добив и преработка на дървесни суровини се образува голямо количество отпадъци. В обектите за дърводобив отпадъците представляват до 46,5% от общия обем извозена дървесина. У нас годишно се генерират над 200 млн. м3 дървесни отпадъци. Малко по-малко отпадъци се произвеждат в предприятията от черната металургия: през 2004 г. производството на огнена течна шлака възлиза на 79,7 милиона тона, включително 52,2 милиона тона доменна пещ, 22,3 милиона тона производство на стомана и 4,2 милиона тона феросплави. В света годишно се топят приблизително 15 пъти по-малко цветни метали от черните метали.
Въпреки това, при производството на цветни метали в процеса на обогатяване на рудата се образуват от 30 до 100 тона натрошен хвост на 1 тон концентрати, а при топене на руда на 1 тон метал - от 1 до 8 тона шлака , утайки и други отпадъци.
Всяка година химическата, хранително-вкусовата промишленост, производството на минерални торове и други индустрии произвеждат повече от 22 милиона тона отпадъци, съдържащи гипс, и около 120-140 милиона тона утайки от отпадъчни води (сухи), около 90% от които се получават чрез неутрализиране на промишлени отпадъчни води. Повече от 70% от купчините отпадъци в Кузбас са класифицирани като горящи. На разстояние няколко километра от тях концентрациите на SO2, CO и CO2 във въздуха са значително повишени. В почвите и повърхностните води рязко нараства концентрацията на тежки метали, а в районите на уранови мини - на радионуклиди. Откритият добив води до нарушения на ландшафта, които са сравними по мащаб с последствията от големи природни бедствия. По този начин в района на минните работи в Кузбас се образуваха многобройни вериги от дълбоки (до 30 m) повреди, простиращи се на повече от 50 km, с обща площ до 300 km2 и обем на повреда повече над 50 милиона m3.
В момента огромни площи са заети от твърди отпадъци от топлоелектрически централи: пепел, шлака, подобни по състав на металургичните отпадъци. Годишното им производство достига 70 милиона тона. Степента на тяхното използване е в рамките на 1-2%. Според Министерството на природните ресурси на Руската федерация общата площ на земята, заета от отпадъци от различни индустрии, обикновено надхвърля 2000 km2.
Повече от 40 милиарда тона суров петрол се произвеждат годишно в света, от които около 50 милиона тона петрол и петролни продукти се губят по време на производството, транспортирането и преработката. Нефтът се счита за един от най-разпространените и най-опасни замърсители в хидросферата, тъй като около една трета от него се произвежда на континенталния шелф. Общата маса на нефтопродуктите, влизащи в моретата и океаните годишно, се оценява приблизително на 5-10 милиона тона.
Според NPO Energostal степента на пречистване на отпадъчните газове от прах от черната металургия надвишава 80%, а степента на използване на твърди продукти за възстановяване е само 66%.
В същото време коефициентът на използване на прах и шлака, съдържащ желязо, е 72%, докато за други видове прах е 46%. Почти всички предприятия както на металургичните, така и на топлоелектрическите централи не решават проблемите с почистването на агресивни нископроцентни газове, съдържащи сяра. Емисиите на тези газове възлизат на 25 милиона тона. Емисиите на сяросъдържащи газове в атмосферата само от пускането в експлоатация на газопречиствателни станции на 53 енергоблока в страната в периода 2005-2010 г. намаляват от 1,6 на 0,9 млн. тона. Проблемите с неутрализирането на галваничните разтвори са слабо решени. Още по-бавно вървят въпросите относно обезвреждането на отпадъците, генерирани по време на неутрализацията и преработката на отработени разтвори за ецване, химически производствени разтвори и отпадъчни води. В руските градове до 90% от отпадъчните води се изхвърлят в реки и резервоари в непречистена форма. В момента са разработени технологии, които позволяват превръщането на токсичните вещества в нискотоксични и дори биологично активни, които могат да се използват в селското стопанство и други индустрии.
Съвременните градове отделят около 1000 съединения в атмосферата и водната среда. Автомобилният транспорт заема едно от водещите места в замърсяването на въздуха в градовете. В много градове изгорелите газове са 30%, а в някои - 50%. В Москва около 96% от CO, 33% от NO2 и 64% от въглеводородите навлизат в атмосферата чрез автомобилния транспорт.
Въз основа на факторите на въздействие, тяхното ниво, продължителност на действие и зона на разпространение, природно-техногенните биогеохимични провинции на Урал се класифицират като територии с най-голяма степен на екологично бедствие. През последните години Урал заема водеща позиция по количество общи емисии на вредни вещества в атмосферата. Според А.А. Малигина, Урал е на първо място в Русия по замърсяване на въздуха и водата и на второ място по замърсяване на почвата.
Урал е един от най-големите производители на черни метали в страната. В него има 28 металургични предприятия. За да ги осигурят суровини, в региона работят повече от 10 минни и преработвателни предприятия. Към 2003 г. металургичните предприятия в региона са натрупали около 180 милиона тона шлака от доменни пещи, 40 милиона тона шлака от стомана и повече от 20 милиона тона шлака от производство на ферохром, както и значително количество прах и утайки. Установена е възможността за рециклиране на отпадъците в различни строителни материали за нуждите на националната икономика.
В депата на региона са натрупани над 2,5 милиарда м3 различни скали, 250 милиона тона шлака и пепел от ТЕЦ. От общия обем откривка се обработват само 3%. В металургичните предприятия от 14 милиона тона годишно генерирана шлака се използват само 40-42%, от които 75% е шлака от доменни пещи, 4% е стомана, 3% е феросплав и 17% е шлака от цветна металургия, а пепелта от ТЕЦ е само около 1%.
Нарушаването на хомеостазата на микро- и макроелементи в организма се определя от естествено и причинено от човека замърсяване на биосферата, което води до образуването на широки зони от изкуствени микроелементи около териториално-промишлени комплекси. Застрашава се здравето не само на хората, пряко участващи в производствения процес, но и на живеещите в близост до предприятията. По правило те имат по-слабо изразена клинична картина и могат да приемат латентна форма на определени патологични състояния. Доказано е, че в близост до промишлени предприятия, разположени в града сред жилищни райони, концентрациите на олово превишават фоновите стойности с 14-50 пъти, цинк с 30-40 пъти, хром с 11-46 пъти и никел с 8-63 пъти .
Анализът на екологичната и химическата обстановка и здравословното състояние на населението на Урал позволи да се установи, че по отношение на нивото на замърсяване той принадлежи към „зоните на извънредна екологична ситуация“. Продължителността на живота е с 4-6 години по-малка в сравнение с подобни показатели в Русия.
Жителите, които живеят дълго време в условия на естествено и причинено от човека замърсяване, са изложени на необичайни концентрации на химични елементи, които имат забележим ефект върху тялото. Една от проявите е промяна в състава на кръвта, причината за която е нарушение на доставката на желязо и микроелементи (Cu, Co) в организма, свързано както с ниското им съдържание в храната, така и с високото съдържание на съединения в храната, които пречат на усвояването на желязото в стомашно-чревния тракт.
При наблюдение на биологични и химични параметри в 56 ферми в различни региони на Урал бяха условно идентифицирани пет варианта на територии, различаващи се по екологични характеристики:
- * територии, замърсени с емисии от големи промишлени предприятия;
- * територии, замърсени от дейността на предприятия с дългоживеещи радионуклиди - стронций-90 и цезий-137 (източноуралска радиоактивна следа - EURT);
- * територии, подложени на натиск от промишлени предприятия и в същото време разположени в зоната на EURT;
- * геохимични провинции с високо естествено съдържание на тежки метали (Zn, Cu, Ni) в почвата, водата, както и аномални концентрации на радон-222 в приземния въздух и вода;
- * територии, които са относително благоприятни в екологично отношение, свободни от промишлени предприятия
Екологични аспекти на химията на елементите
Микроелементи и ензими. Въведение в металоензимите. Специфични и неспецифични ензими. Ролята на металните йони в ензимите. Хоризонтално сходство в биологичното действие на d-елементите. Синергия и антагонизъм на елементите.
Склонност на йоните на d-елемента към хидролиза и полимеризация
В кисела среда йоните на d-елемента са под формата на хидратирани йони [M(H 2 O) m ] n+. С повишаване на pH, хидратираните йони на много d-елементи, поради техния голям заряд и малък размер на йони, имат силен поляризиращ ефект върху водните молекули, акцепторна способност за хидроксидни йони, претърпяват катионна хидролиза и образуват силни ковалентни връзки с OH - . Процесът завършва или с образуването на основни соли [M(OH) m ] (m-n)+, или неразтворими хидроксиди M(OH) n, или хидроксо комплекси [M(OH) m ] (n-m)-. Процесът на хидролитично взаимодействие може да възникне с образуването на многоядрени комплекси в резултат на реакцията на полимеризация.
2. 4. Биологична роля на d-елементите (преходни елементи)
Елементи, чието съдържание не надвишава 10 -3%, са част от ензими, хормони, витамини и други жизненоважни съединения. За обмяната на протеини, въглехидрати и мазнини са необходими: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; в синтеза на протеини участват: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr в хемопоезата – Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дъха - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Co. Поради тази причина микроелементите са намерили широко приложение в медицината, като микроторове за полски култури и като торове в животновъдството, птицевъдството и рибовъдството. Микроелементите са част от голям брой биорегулатори на живи системи, които се основават на биокомплекси. Ензимите са специални протеини, които действат като катализатори в биологичните системи. Ензимите са уникални катализатори с ненадмината ефективност и висока селективност. Пример за ефективността на реакцията на разлагане на водороден пероксид 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 в присъствието на ензими е даден в таблица 6.
Таблица 6. Енергия на активиране (E o) и относителна скорост на реакцията на разлагане на H 2 O 2 в отсъствие и присъствие на различни катализатори
Днес са известни повече от 2000 ензима, много от които катализират една реакция. Активността на голяма група ензими се проявява само в присъствието на определени непротеинови съединения, наречени кофактори. Металните йони или органичните съединения действат като кофактори. Около една трета от ензимите се активират от преходни метали.
Металните йони в ензимите изпълняват редица функции: те са електрофилна група на активния център на ензима и улесняват взаимодействието с отрицателно заредени участъци на субстратните молекули, те образуват каталитично активна конформация на ензимната структура (при образуването на спирала структурата на РНК, цинкови и манганови йони участват) и участват в електронния транспорт (комплекси за пренос на електрони). Способността на металния йон да изпълнява ролята си в активния център на съответния ензим зависи от способността на металния йон да образува комплекси, геометрията и стабилността на образувания комплекс. Това осигурява повишена селективност на ензима към субстрати, активиране на връзки в ензима или субстрата чрез координация и промяна на формата на субстрата в съответствие със пространствените изисквания на активния център.
Биокомплексите се различават по стабилност. Някои от тях са толкова силни, че са постоянно в тялото и изпълняват определена функция. В случаите, когато връзката между кофактора и ензимния протеин е силна и е трудно да се разделят, тя се нарича „простетична група“. Такива връзки са открити в ензими, съдържащи хем-комплексно съединение на желязото с производно на порфин. Ролята на металите в такива комплекси е много специфична: замяната им дори с елемент, подобен по свойства, води до значителна или пълна загуба на физиологична активност. Тези ензими включват към специфични ензими.
Примери за такива съединения са хлорофил, полифенилоксидаза, витамин B 12, хемоглобин и някои металоензими (специфични ензими). Малко ензими участват само в една специфична или единична реакция.
Каталитичните свойства на повечето ензими се определят от активния център, образуван от различни микроелементи. Ензимите се синтезират по време на функцията. Металният йон действа като активатор и може да бъде заменен с друг метален йон без загуба на физиологичната активност на ензима. Те са класифицирани като неспецифични ензими.
По-долу са дадени ензими, в които различни метални йони изпълняват подобни функции.
Таблица 7. Ензими, в които различни метални йони изпълняват подобни функции
Един микроелемент може да активира работата на различни ензими, а един ензим може да се активира от различни микроелементи. Най-голямо сходство в биологичното действие имат ензимите с микроелементи в еднаква степен на окисление +2. Както може да се види, микроелементите на преходните елементи в тяхното биологично действие се характеризират с повече хоризонтално сходство, отколкото вертикално сходство в периодичната система на D.I. Менделеев (в серията Ti-Zn) При вземането на решение за използването на определен микроелемент е изключително важно да се вземе предвид не само наличието на мобилни форми на този елемент, но и други, които имат същото състояние на окисление и могат заместват взаимно в състава на ензимите.
Някои металоензими заемат междинно положение между специфичните и неспецифичните ензими. Металните йони функционират като кофактор. Повишаването на силата на ензимния биокомплекс повишава специфичността на неговото биологично действие. Ефективността на ензимното действие на металния йон на ензима се влияе от степента му на окисление. Според интензивността на въздействието си микроелементите се подреждат в следния ред:
Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Йонът Mn 3+, за разлика от йона Mn 2+, е много тясно свързан с протеини и главно с кислородсъдържащи групи, заедно Fe 3+ е част от металопротеините.
Микроелементите в комплексонатна форма действат в организма като фактор, който очевидно определя високата чувствителност на клетките към микроелементите чрез участието им в създаването на висок концентрационен градиент. Стойностите на атомните и йонните радиуси, йонизационните енергии, координационните числа и тенденцията за образуване на връзки със същите елементи в молекулите на биолигандите определят ефектите, наблюдавани по време на взаимното заместване на йони: може да възникне с нарастване (синергия) и с инхибиране на тяхната биологична активност (антагонизъм)елемент, който се заменя. Йоните на d-елементите в степен на окисление +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) имат подобни физикохимични характеристики на атомите (електронна структура на външното ниво, подобни йонни радиуси, тип орбитална хибридизация, подобни стойности на константи на стабилност с биолиганди). Сходството на физикохимичните характеристики на комплексообразувателя определя сходството на тяхното биологично действие и взаимозаменяемост. Горните преходни елементи стимулират хемопоетичните процеси и подобряват метаболитните процеси. Синергията на елементите в процесите на хематопоеза вероятно е свързана с участието на йони на тези елементи в различни етапи на процеса на синтез на формирани елементи на човешката кръв.
S - елементите от група I се характеризират, в сравнение с други елементи от техния период, с малък заряд на атомните ядра, нисък йонизационен потенциал на валентни електрони, голям атомен размер и увеличаването му в групата отгоре надолу. Всичко това определя състоянието на техните йони във водни разтвори под формата на хидратирани йони. Най-голямото сходство между лития и натрия определя тяхната взаимозаменяемост и синергията на действието им. Разрушителните свойства на калиеви, рубидиеви и цезиеви йони във водни разтвори осигуряват по-добрата им мембранна пропускливост, взаимозаменяемост и синергизъм на действието им. Концентрацията на K + вътре в клетката е 35 пъти по-висока, отколкото извън нея, а концентрацията на Na + в извънклетъчната течност е 15 пъти по-висока, отколкото вътре в клетката. Тези йони са антагонисти в биологичните системи. s - Елементите от група II се намират в тялото под формата на съединения, образувани от фосфорна, въглеродна и карбоксилна киселина. Калцият, съдържащ се главно в костната тъкан, е подобен по свойства на стронций и барий, които могат да го заменят в костите. В този случай се наблюдават както случаи на синергия, така и антагонизъм. Калциевите йони също са антагонисти на натриевите, калиевите и магнезиевите йони. Сходството на физикохимичните характеристики на Be 2+ и Mg 2+ йони определя тяхната взаимозаменяемост в съединения, съдържащи Mg-N и Mg-O връзки. Това може да обясни инхибирането на ензимите, съдържащи магнезий, когато берилият навлезе в тялото. Берилият е антагонист на магнезия. Следователно физикохимичните свойства и биологичните ефекти на микроелементите се определят от структурата на техните атоми. Повечето биогенни елементи са членове на втория, третия и четвъртия период на периодичната система на D.I. Менделеева. Това са сравнително леки атоми, със сравнително малък заряд на ядрата на техните атоми.
2. 4. 2. Ролята на съединенията на преходните елементи в преноса на електрони в живите системи.
В живия организъм много процеси имат цикличен, вълнообразен характер. Химическите процеси, които са в основата им, трябва да са обратими. Обратимостта на процесите се определя от взаимодействието на термодинамични и кинетични фактори. Към обратимите реакции спадат тези с константи от 10 -3 до 10 3 и с малка стойност на DG 0 и DE 0 на процеса. При тези условия концентрациите на изходните вещества и реакционните продукти могат да бъдат в сравними концентрации и чрез промяната им в определен диапазон може да се постигне обратимост на процеса. От кинетична гледна точка трябва да има ниски стойности на енергията на активиране. Поради тази причина металните йони (желязо, мед, манган, кобалт, молибден, титан и други) са удобни носители на електрони в живите системи. Добавянето и даряването на електрон причинява промени само в електронната конфигурация на металния йон, без да променя значително структурата на органичния компонент на комплекса. Уникална роля в живите системи се отрежда на две редокс системи: Fe 3+ /Fe 2+ и Cu 2+ /Cu + . Биолигандите стабилизират в по-голяма степен окислената форма в първата двойка и предимно редуцираната форма във втората двойка. Поради тази причина в системите, съдържащи желязо, формалният потенциал е винаги по-нисък, а в системите, съдържащи мед, формалният потенциал често е по-висок. Редокс системите, съдържащи мед и желязо, покриват широк диапазон от потенциали, което им позволява да взаимодействат с много субстрати, придружен от умерени промени в DG 0 и DE 0, което отговаря на условията за обратимост. Важна стъпка в метаболизма е извличането на водород от хранителни вещества. След това водородните атоми преминават в йонно състояние и отделените от тях електрони влизат в дихателната верига; в тази верига, преминавайки от едно съединение към друго, те предават енергията си, за да образуват един от основните енергийни източници, аденозин трифосфорна киселина (АТФ), и самите те в крайна сметка достигат до кислородна молекула и се свързват с нея, образувайки водни молекули. Мостът, по който осцилират електроните, са сложни съединения на желязото с порфириново ядро, подобно по състав на хемоглобина.
Голяма група съдържащи желязо ензими, които катализират процеса на пренос на електрони в митохондриите, обикновено се наричат цитохроми(ts.kh.), Общо са известни около 50 цитохрома. Цитохромите са железни порфирини, в които всичките шест орбитали на железния йон са заети от донорни атоми, биолиганда. Разликата между цитохромите е само в състава на страничните вериги на порфириновия пръстен. Вариациите в структурата на биолиганда са причинени от разликите в големината на формалните потенциали. Всички клетки съдържат най-малко три протеина, които са сходни по структура, наречени цитохроми a, b, c. В цитохром с връзката с хистидиновия остатък на полипептидната верига се осъществява чрез порфириновото ядро. Свободното координационно място в железния йон е заето от метиониновия остатък на полипептидната верига:
Един от механизмите на функциониране на цитохромите, които съставляват една от връзките във веригата за транспортиране на електрони, е прехвърлянето на електрон от един субстрат към друг.
От химическа гледна точка цитохромите са съединения, които проявяват редокс двойственост при обратими условия.
Трансферът на електрони от цитохром с е придружен от промяна в степента на окисление на желязото:
° С. Х. Fe 3+ + e « c.xFe 2+
Кислородните йони реагират с водородните йони в околната среда, за да образуват вода или водороден пероксид. Пероксидът бързо се разлага от специален ензим каталаза на вода и кислород по следната схема:
2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2
Ензимът пероксидаза ускорява окислителните реакции на органичните вещества с водороден прекис по следната схема:
Тези ензими имат в структурата си хем, в центъра на който има желязо със степен на окисление +3 (раздел 2 7.7).
В електронната транспортна верига цитохром с пренася електрони към цитохроми, наречени цитохромоксидази. Те съдържат медни йони. Цитохромът е едноелектронен носител. Наличието на мед в един от цитохромите заедно с желязото го превръща в двуелектронен носител, което позволява да се регулира скоростта на процеса.
Медта е част от важен ензим - супероксид дисмутаза (SOD), който оползотворява токсичния супероксиден йон O2- в тялото чрез реакцията
[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2
[SOD Cu + ] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2
Водородният пероксид се разлага в тялото под действието на каталазата.
Днес са известни около 25 медсъдържащи ензима. Οʜᴎ представляват група от оксигенази и хидроксилази. Съставът и механизмът на тяхното действие са описани в работа (2, раздел 7.9.).
Комплексите на преходните елементи са източник на микроелементи в биологично активна форма с висока мембранна пропускливост и ензимна активност. Οʜᴎ участва в защитата на тялото от „оксидативен стрес“. Това се дължи на участието им в оползотворяването на метаболитни продукти, които определят неконтролирания процес на окисление (пероксиди, свободни радикали и други кислородно-активни видове), както и в окисляването на субстратите. Механизмът на свободнорадикалната реакция на окисление на субстрата (RH) с водороден пероксид с участието на железен комплекс (FeL) като катализатор може да бъде представен чрез реакционни схеми.
RH + . OH ® R . + H2O; Р. + FeL ® R + + FeL
Субстрат
R + + OH - ® ROH
Оксидирана основа
По-нататъшното протичане на радикалната реакция води до образуването на продукти с по-висока степен на хидроксилиране. Други радикали действат по подобен начин: HO 2. , O 2 . , . O 2 - .
2. 5. Обща характеристика на p-блоковите елементи
Наричат се елементи, в които р-поднивото на външното валентно ниво е завършено р-елементи. Електронна структура на валентното ниво ns 2 p 1-6. Валентните електрони са s- и p-поднивата.
Таблица 8. Позиция на p-елементите в периодичната таблица на елементите.
| Период | Група | |||||
| IIIA | IVA | В.А. | ЧРЕЗ | VIIA | VIIIA | |
| (° С) | (Н) | (О) | (F) | не | ||
| (P) | (С) | (Cl) | Ар | |||
| Ga | Кр | |||||
| в | сн | сб | Те | (аз) | Xe | |
| Tl | Pb | Би | По | При | Rn | |
| стр. 1 | стр. 2 | стр. 3 | стр. 4 | стр. 5 | R 6 | |
| () - основни елементи, – биогенни елементи |
В периоди отляво надясно зарядът на ядрата се увеличава, влиянието на което преобладава над увеличаването на силите на взаимно отблъскване между електроните. Поради тази причина йонизационният потенциал, афинитетът към електрони и, следователно, акцепторният капацитет и неметалните свойства се увеличават в периоди. Всички елементи, разположени по диагонала Br – At и нагоре, са неметали и образуват само ковалентни съединения и аниони. Всички други p-елементи (с изключение на индий, талий, полоний, бисмут, които проявяват метални свойства) са амфотерни елементи и образуват както катиони, така и аниони, като и двата са силно хидролизирани. Повечето неметални p-елементи са биогенни (изключения са благородните газове, телур и астат). От p-елементите - металите - само алуминият се класифицира като биогенен. Разлики в свойствата на съседни елементи, както вътре; и по период: те са изразени много по-силно от тези на s-елементите. p-елементите от втория период - азот, кислород, флуор имат изразена способност да участват в образуването на водородни връзки. Елементите от третия и следващите периоди губят тази способност. Тяхното сходство се състои само в структурата на външните електронни обвивки и тези валентни състояния, които възникват поради несдвоени електрони в невъзбудени атоми. Борът, въглеродът и особено азотът са много различни от другите елементи на техните групи (наличието на d- и f-поднива).
Всички p-елементи и особено p-елементите от втория и третия период (C, N, P, O, S, Si, Cl) образуват множество съединения помежду си и с s-, d- и f-елементи. Повечето от съединенията, известни на Земята, са съединения на p-елементи. Петте основни (макробиогенни) р-елемента на живота - O, P, C, N и S - са основният градивен материал, от който са изградени молекулите на протеините, мазнините, въглехидратите и нуклеиновите киселини. От нискомолекулните съединения на р-елементите най-важни са оксоанионите: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, SO 4 2- и халогенидни йони. p-елементите имат много валентни електрони с различни енергии. Следователно съединенията проявяват различна степен на окисление. Например, въглеродът показва различни степени на окисление от –4 до +4. Азот – от -3 до +5, хлор – от -1 до +7.
По време на реакцията p-елементът може да отдава и приема електрони, съответно действайки като редуциращ агент или окислител, в зависимост от свойствата на елемента, с който взаимодейства. Това поражда широк спектър от съединения, образувани от тях. Взаимният преход на атоми на p-елементи с различни степени на окисление, включително чрез метаболитни редокс процеси (например окисление на алкохолна група в тяхната алдехидна група и след това в карбоксилна група и т.н.) причинява богатство от химически трансформации.
Въглеродното съединение проявява окислителни свойства, ако в резултат на реакцията въглеродните атоми увеличават броя на връзките си с атоми на по-малко електроотрицателни елементи (метал, водород), тъй като чрез привличане на общи електрони на връзката въглеродният атом понижава степента си на окисление.
CH3® -CH2OH® -CH = O® -COOH® CO2
Преразпределението на електроните между окислителя и редуциращия агент в органичните съединения може да бъде придружено само от промяна в общата електронна плътност на химичната връзка към атома, действащ като окислител. В случай на силна поляризация тази връзка може да бъде прекъсната.
Фосфатите в живите организми служат като структурни компоненти на скелета на клетъчните мембрани и нуклеиновите киселини. Костната тъкан е изградена главно от хидроксиапатит Ca 5 (PO 4) 3 OH. Основата на клетъчните мембрани са фосфолипидите. Нуклеиновите киселини се състоят от рибозни или дезоксирибозофосфатни вериги. Освен това полифосфатите са основният източник на енергия.
В човешкото тяло NO задължително се синтезира с помощта на ензима NO синтаза от аминокиселината аргинин. Животът на NO в клетките на тялото е от порядъка на секунда, но нормалното им функциониране е невъзможно без NO. Това съединение осигурява: релаксация на гладката мускулатура на съдовата мускулатура, регулиране на сърдечната дейност, ефективно функциониране на имунната система, предаване на нервни импулси. Смята се, че NO играе важна роля в ученето и паметта.
Редокс реакциите, в които участват p-елементите, са в основата на тяхното токсично действие върху организма. Токсичният ефект на азотните оксиди е свързан с високата им редокс способност. Нитратите, които влизат в храната, се редуцират до нитрити в тялото.
NO 3 - + 2H + + 2e ® NO 2 + H 2 O
Нитритите имат силно токсични свойства. Οʜᴎ превръща хемоглобина в метхемоглобин, който е продукт на хидролиза и окисление на хемоглобина.
В резултат на това хемоглобинът губи способността си да транспортира кислород до клетките на тялото. В тялото се развива хипоксия. В същото време нитритите, като соли на слаба киселина, реагират със солната киселина в стомашното съдържимо, образувайки азотиста киселина, която с вторични амини образува канцерогенни нитрозамини:
Биологичният ефект на високомолекулните органични съединения (аминокиселини, полипептиди, протеини, мазнини, въглехидрати и нуклеинови киселини) се определя от атоми (N, P, S, O) или образувани групи от атоми (функционални групи), в които те действат като химически активни центрове, донори на електронни двойки, способни да образуват координационни връзки с метални йони и органични молекули. Следователно p-елементите образуват полидентатни хелатни съединения (аминокиселини, полипептиди, протеини, въглехидрати и нуклеинови киселини). Струва си да се каже, че те се характеризират със сложни реакции на образуване, амфотерни свойства и реакции на анионна хидролиза. Тези свойства определят участието им в основните биохимични процеси и в осигуряването на състояние на изохидрия. Οʜᴎ образува протеинови, фосфатни, хидрогенкарбонатни буферни системи. Участват в транспортирането на хранителни вещества, метаболитни продукти и други процеси.
3. 1. Ролята на местообитанието. Химия на атмосферното замърсяване. Ролята на лекаря за опазване на околната среда и човешкото здраве.
А. П. Виноградов показа, че повърхността на земята е разнородна по химичен състав. Растенията и животните, както и хората, разположени в различни зони, използват хранителни вещества с различен химичен състав и отговарят на това с определени физиологични реакции и определен химичен състав на тялото. Ефектите от микроелементите зависят от приема им в организма. Концентрациите на биометали в организма при нормалното му функциониране се поддържат на строго определено ниво (биотична доза) с помощта на подходящи протеини и хормони. Резервите от биометали в организма систематично се попълват. Οʜᴎ се съдържат в достатъчни количества в консумираната храна. Химическият състав на растенията и животните, използвани за храна, влияе върху тялото.
Интензивното промишлено производство доведе до замърсяване на околната среда с „вредни“ вещества, включително съединения на преходни елементи. В природата има интензивно преразпределение на елементите в биогеохимичните провинции. Основният път (до 80%) за тяхното навлизане в тялото е нашата храна. Като се има предвид антропогенното замърсяване на околната среда, изключително важно е да се предприемат радикални мерки за възстановяване на околната среда и хората, живеещи в нея. Този проблем в много европейски страни се поставя пред проблемите на икономическия растеж и е сред приоритетите. През последните години се е увеличило отделянето на различни замърсители. Прогнозата за индустриалното развитие ни позволява да заключим, че количеството на емисиите и замърсителите на околната среда ще продължат да нарастват.
Наричат се реални зони, в които се извършва кръговрат на елементите в резултат на жизнената дейност екосистемиили както го нарече акад. В.Н. Сукачев, биогеоценози. Хората са неразделна част от екосистемите на нашата планета. В своята жизнена дейност човек може да наруши хода на естествения биогенен цикъл. Много индустрии замърсяват околната среда. Според учението на В. И. Вернадски обвивката на нашата планета, променена от човешката икономическа дейност, се нарича ноосфера. Тя обхваща цялата биосфера и излиза извън нейните граници (стратосфера, дълбоки мини, кладенци и др.). Основна роля в ноосферата играе техногенната миграция на елементите - техногенезата. Изследванията върху геохимията на ноосферата са теоретичната основа за рационалното използване на природните ресурси и борбата със замърсяването на околната среда. Газообразните, течните и твърдите замърсявания на околната среда образуват токсични аерозоли (мъгла, дим) в приземния слой на атмосферата. Когато атмосферата е замърсена със серен диоксид, висока влажност и никаква температура, се образува токсичен дим. Основните щети на околната среда се причиняват от продуктите на окисление SO 2, SO 3 и киселините H 2 SO 3 и H 2 SO 4. В резултат на емисиите на серен оксид и азот в индустриалните райони се наблюдават „киселинни“ дъждове. Дъждовната вода, съдържаща високи концентрации на водородни йони, може да отдели токсични метални йони:
ZnO(t) + 2H + = Zn 2+ (p) + H 2 O
Когато двигателят с вътрешно горене работи, се отделят азотни оксиди, чийто продукт на преобразуване е озон:
N 2 + O 2 « 2NO (в цилиндъра на двигателя)
Голяма загриженост за обществото предизвикват проблемите на околната среда, чиято химическа същност е да защити биосферата от излишните въглеродни оксиди и метан, които създават „парниковия ефект“, серни и азотни оксиди, водещи до „киселинни дъждове“; халогенни производни (хлор, флуор) на въглеводороди, които нарушават "озоновия щит на Земята"; канцерогенни вещества (полиароматни въглеводороди и продукти от тяхното непълно изгаряне) и други продукти. В днешно време не само проблемът с опазването на околната среда, но и опазването на вътрешната среда става актуален. Броят на веществата, влизащи в живия организъм, които са чужди, чужди на живота и наречени ксенобиотици. По данни на Световната здравна организация те са около 4 милиона. Постъпват в организма с храната, водата и въздуха, както и под формата на лекарства (лекарствени форми).
Това се дължи на ниската култура на производителите и потребителите на химикали, които нямат професионални химически познания. Всъщност само непознаването на свойствата на веществата и неспособността да се предвидят последствията от прекомерната им употреба могат да причинят непоправими загуби на природата, неразделна част от която е човекът. Всъщност и до днес някои производители и дори медицински работници се оприличават на мелничаря на Булгаков, който искаше незабавно да се възстанови от малария с невероятна (шокова) доза хинин, но нямаше време - той умря. Все още не е достатъчно проучена ролята на различните химични елементи в замърсяването на околната среда и възникването на заболявания, включително професионални. Необходимо е да се анализира навлизането на различни вещества в околната среда в резултат на човешката дейност, начините, по които те попадат в човешкото тяло, растенията, взаимодействието им с живите организми на различни нива и да се разработи система от ефективни мерки, насочени както към предотвратяване на допълнително замърсяване на околната среда и създаване на необходимите биологични средства за защита на вътрешната среда на тялото. Медицинските работници са длъжни да участват в разработването и прилагането на технически, превантивни, санитарни, хигиенни и терапевтични мерки.
3.2 Биохимични провинции. Ендемични заболявания.
Наричат се зони, в които животните и растенията се характеризират с определен химичен елементен състав биогеохимични провинции.Биогеохимичните провинции са таксони от трети ред на биосферата - територии с различни размери в подрегиони на биосферата с постоянни характерни реакции на организмите (например ендемични заболявания). Има два вида биогеохимични провинции - естествени и техногенни, резултат от разработването на рудни находища, емисиите от металургичната и химическата промишленост и използването на торове в селското стопанство. Необходимо е да се обърне внимание на ролята на микроорганизмите в създаването на геохимичните характеристики на средата. Дефицитът и излишъкът на елементи може да доведе до образуването на биогеохимични провинции, причинени както от дефицит на елементи (йод, флуор, калций, мед и др. провинции), така и от техния излишък (бор, молибден, флуор, мед и др.). Проблемът с дефицита на бром в континенталните региони, планинските региони и излишъка на бром в крайбрежните и вулканичните пейзажи е интересен и важен. В тези региони еволюцията на централната нервна система протича качествено по различен начин. В Южен Урал е открита биогеохимична провинция върху скали, обогатени с никел. Струва си да се каже, че се характеризира с грозни форми на треви и болести по овцете, свързани с повишено съдържание на никел в околната среда.
Съотношението на биогеохимичните провинции с тяхното екологично състояние позволи да се идентифицират следните територии: а) с относително задоволителна екологична ситуация - (зона на относително благополучие);б) с обратими, ограничени и в повечето случаи отстраними екологични нарушения - (екологична рискова зона); в) с достатъчно висока степен на недостатъчност, наблюдавана за дълъг период от време на голяма територия, чието отстраняване изисква значителни разходи и време - (зона на екологична криза); г) с много висока степен на екологичен дистрес, практически необратими екологични щети, които имат ясна локализация - зона на екологично бедствие).
Въз основа на фактора на въздействие, неговото ниво, продължителност на действие и площ на разпространение, като рискови и кризисни зони се определят следните природно-техногенни биогеохимични провинции:
1. полиметални (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) с доминиращи асоциации Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, включително:
· обогатени с мед (Южен Урал, Башкортостан, Норилск, Медногорск);
· обогатени с никел (Норилск, Мончегорск, Никел, Полярни, Тува, Южен Урал);
· обогатени с олово (Алтай, Кавказ, Забайкалия);
· обогатени с флуор (Кировск, Красноярск, Братск);
· с високо съдържание на уран и радионуклиди в околната среда (Забайкалия, Алтай, Южен Урал).
2. биогеохимични провинции с дефицит на микроелементи (Se, I, Cu, Zn и др.).